*Course contentPersyaratan proses fermentasiKondisi dan variable fermentasiFermenter/ bioreaktorMedia dan optimasi media untuk fermentasiKinetika pertumbuhan bakteri untuk menghitung hasil produk fermentasiDownstream process hasil fermentasiEvaluasi : Ujian (closed book)Buku rujukan:G Rao.2007. Introduction to Biochemical Engineering. Tata Mc Graw- Hill Publishing Company LimitedStanbury, Whitaker and Hall, 2003. Principles of Fermentation Technology Butterworth

*

Quantification of Microbial Rates using optimum medium

*Microbial rates of consumption or productionC, N, P, S source H2OH+O2heatproductCO2biomass

Medium yang dibutuhkan oleh mikroorganismeCarbon :molasses, grain, starch, maize, potatos dan cassava, sucrose, glucose, dan lactoceNitrogen : protein dan asam amino (corn steep liquor, soya beans, fish meal, yeast extract, dll)Energy source : chemo-organotrophs( carbon source), heterotrophilic (senyawa organik)Minerals : K,S, Ca, Fe,Zn, dllOther nutrient like vitamin, calcium pantothenate untuk vinegar fermentasiOxygen/air for aerobic process: Water (submerged fermentation) *

Persyaratan pemilihan medium untuk fermentasi skala besarMurah, udah didapat dan harga dan kualitas konsistenMempunyai produktifitas yang tinggi : dapat memproduksi jumlah produk maksimum per substrat yang dikonsumsiPertumbuhan pembentukan produk harus besar Harus dapat meminimalkan produk samping

*

Medium formulationDalam fermentasi medium digunakan untuk :Optimal growth of the cellsProduct formation

Medium formulation dalam skala scale upEconomic viability membutuhkan teknik yang tepat agar fermentasi dapat berjalan dengan baikCells maintances untuk biosynthesis membentuk produk*

Minimum medium dalam pembentukan alpha amilaseSoluble starch 20 g/lGlucose 5 g/lPeptone 5 g/lYeast extract 2,5 g/lK2HPO4 2 g/lMgSO4. 7H2O 1 g/lpH 7Distilled water 100 ml*

Aplikasi penggunaan medium dalam industriSubstrateSumberIndustriMalt industri beerMolassesCarbonAlkohol, butanol, asam asetatStarch dan dextrin CarbonFermentasi ethanolCellulose Carbonalkohol, nutanol, acetone dan isopropanolWhey Carbonxanthan gum, 2,3 butadienol, asam lactatVegetable oil soy, palm Carbonfermentasi antibioticMethanol Carbonasam glutamat, serin dan vitamin B12Corn steep liqour Nitrogen Asam laktatSoya meal nitrogen antibiotik

*

Design optimasi medium menggunakan statistik methodPlacket- Burman screening design methodDigunakan untuk menyeleksi medium yang paling berpengaruh dalam pertumbuhan cellSehingga dapat diperoleh medium medium yang paling dibutuhkan mikroorganismeOptimasi medium menggunakan respon surface methodDiperoleh komposisi medium yang digunakan untuk menghasilkan produk secara optimal*

metode statistik untuk perancangan percobaan, pemodelan matematik, optimasi dan analisis statistik dalam penelitianpersamaan polinomial kuadratik dikembangkan untuk memperkirakan hasil percobaan sebagai fungsi dari interaksi antara variabel bebas

Type RSM yang dipakai yaitu Central Composite designContoh design optimasi pembuatan nata de coco

Design eksperimen Respon Surface method

Variabel bebasRange dan levelStar point (-)Low level (-1)Center level (0)High Level (+1)Star point ( + )Konsentrasi gula (%w/v)0.41%1%10%20%21.5%Lama fermentasi (hari)46101416pH764.532

Tempuhan berdasarkan design eksperiment menggunakan Central Composite Design

RunKonsentrasi gulaLama fermentasipH1- 1-1-12- 1-1+3-1+1-14-1+1+15+1-1-16+1-1+17+1+1-18+1+1+19-10010+100110-0120+01300-1400+1500016000

*

Kinetic of microbial growth for fermentation product

*What are the value of rates?Rates of consumption or production are obtained from mass balance over reactorsMass balance over reactorsTransport + conversion = accumulation(in out) + (production consumption) = accumulationBatch: transport in = transport out = 0Chemostat: accumulation = 0, steady stateFed batch: transport out = 0

Continuous ReactorsChemostat - CSTR - continuous stirred tank reactor for the cultivation of cells.mixing supplied by impellers and rising gas bubblesassume complete mixing - composition of any phases do not vary with position liquid effluent has the same composition as the reactor contents

Chemostat - CSTR - kontinyu reaktor tangki berpengaduk untuk budidaya sel. pencampuran disediakan oleh impeller dan meningkatnya gelembung gas mengasumsikan pencampuran lengkap- komposisi setiap fase tidak berbeda dengan posisi Cairan limbah memiliki komposisi yang sama seperti isi reaktor*

Chemostat with RecycleF - nutrient flow rateV - reactor volumeX1 - x concentration in reactorX2 - X concentration in effluentXR - X concentration in recycleFR - recycle flow rate

Chemostat with Recycle Cell mass equationAcc = in - out + gen F X0 + FR XR - (F+ FR) X1 + VmX1 = V

*How are rates defined?Rate (ri) = amount i per hour / volume of reactor

Biomass specific rate (qi)qi = amount per hour / amount of organism in reactorThus:

Substrate (-rS) = (-qS)CXBiomass rX = CX Product rP = qPCX Oxygen (-rO2) = (-qO2)CX

ri = qi CX

*Yield = ratio of ratesYij = YSX = rate of biomass production / rate of substrate consumption [g biomass/g substrate]YOX = rate of biomass production / rate of oxygen consumption [g biomass/g oxygen]

*IntroductionCell growth and product formation are complex processes reflecting the overall kinetics and stoichiometry of the thousands of intracellular reactions that can be observed within a cell.Thermodynamic limit is important for process optimization. The complexity of the reactions can be represented by a simple pseudochemical equation.Several definitions have to be well understood before studying this chapter, for example: YSXmax, YATP X, YOX, maintenance coefficient based on substrate (ms).

Pertumbuhan sel dan pembentukan produk adalah proses kompleks yang mencerminkan keseluruhan kinetika dan stoikiometri dari ribuan reaksi intraseluler yang dapat diamati di dalam sel. Batas termodinamika adalah penting untuk optimasi proses. Kompleksitas reaksi dapat diwakili oleh persamaan pseudochemical sederhana. Beberapa definisi harus dipahami dengan baik sebelum mempelajari bab ini, misalnya: YSXmax, YATP X, YOX, koefisien pemeliharaan berdasarkan substrat (ms).

*Composition of biomassMoleculesProtein 30-60 %Carbohydrate 5-30 %Lipid 5-10 %DNA 1 %RNA 5-15 %Ash (P, K+, Mg2+, etc)ElementsC 40-50 %H 7-10 %O 20-30 %N 5-10 %P 1-3 %Ash 3-10%Typical composition biomass formula: C1H1.8O0.5N0.2

Figure 6.14LAGLOGSTATIONARYDEATHSENESCENCELog10 of # of CFU/ml

Monod EquationGrowth equation (Monod equation)m = mmax S/ (Ks +S)Substrate conc (S)Specificgrowthrate

Stationary PhaseGrowth equations with substrate exhaustion:

Cells: (rate of change of cell concentration)dX/dt = mX = mmaxS/(Ks + S) * X

Substrate: (rate of change of substrate conc)dS/dt = -1/Yx/S dX/dt = -1/Yx/S mmaxS/(Ks + S) X

Substrate depletion in batch culture

Batch Reactor Kinetics Real data

Batch Reactor Kinetics

Antibiotic productionThere are over 10 000 different antibiotics known, but only about 200 in commercialuse, since most new antibiotics are no better than existing ones. There is a constant search for new antibiotics. Antibiotics are the most-prescribed drugs and are big business. Finding a new antibiotic and getting it on to the market is a very long process and can take 15 years.

produksi antibiotikAda lebih dari 10 000 antibiotik yang berbeda diketahui, tetapi hanya sekitar 200 dalam penggunaan komersial, karena kebanyakan antibiotik baru tidak lebih baik dari yang sudah ada.Ada pencarian konstan untuk antibiotik baru. Antibiotik adalah obat yang paling-resep dan bisnis besar.Menemukan antibiotik baru dan mendapatkan itu ke pasar adalah proses yang sangat panjang dan dapat mengambil 15 tahun.*

Antibiotic Production MethodsAntibiotics are produced on an industrial scale using a variety of fungi and bacteria. Penicillin is produced by the fungus Penicillium chrysogenum which requires lactose, other sugars, and a source of nitrogen (in this case a yeast extract) in the medium to grow well.Like all antibiotics, penicillin is a secondary metabolite, so is only produced in the stationary phase. What sort of fermenter does it require?It requires a batch fermenter, and a fed batch process is normally used to prolong the stationary period and so increase production.

Metode Produksi AntibiotikAntibiotik diproduksi pada skala industri menggunakan berbagai jamur dan bakteri.Penisilin diproduksi oleh Penicillium chrysogenum jamur yang membutuhkan laktosa, gula lain, dan sumber nitrogen (dalam hal ini ekstrak ragi) di dalam medium tumbuh dengan baik.Seperti semua antibiotik, penisilin adalah metabolit sekunder, sehingga hanya diproduksi dalam fase diam.Apa jenis fermentor tidak mengharuskan? Hal ini membutuhkan batch fermentor, dan proses batch fed biasanya digunakan untuk memperpanjang periode stasioner sehingga meningkatkan produksi.

*

Further readingG Rao.2007. Introduction to Biochemical Engineering , Chapter 6 dan seterusnya

*Terima kasih

****