PENGGANDAAN SKALA FERMENTASI

Penggandaan skala fermentasi merupakan peralihan

proses produksi fermentasi dari skala laboraotorium menjadi skala industri Perbedaan yang terjadi : jumlah mikroba yang digunakan, oksigen yang diperlukan proses pengadukan yang diperlukan Mikroba skala laboratorium BELUM TENTU dapat digunakan untuk skala industri

PERMASALAHAN DALAM PENGGANDAAN Penanggulangan masalah penggandaan skala dapat

dilakukan dengan penataan kondisi lingkungan yang diperlukan untuk mikroorganisme tertentu pula Fermentor yang sering digunakan yaitu fermentor

aerobik berpengaduk. Dalam hal ini, agitator memiliki 2 fungsi :

Mencampurkan seluruh isi fermentor Penyempurnaan dalam transfer panas dan massa

Proses pengadukan ini bertujuan untuk memperoleh

homogenitas produk yang baik. Homogenitas yang sempurna akan sulit dicapai dalam skala industri, sedangkan dalam skala laboratorium dapat mendekati kondisi optimal dengan mempertimbangkan jumlah pengadukan atau lama pengadukan Waktu pencampuran : waktu yang diperlukan untuk meminimalkan perbedaan konsentrasi dalam seluruh volume cairan dan dapat diukur dengan memberikan penambahan sensor oksigen pada cairan fermentasi.

Waktu pencampuran dipengaruhi oleh 2 faktor,

yaitu :

Faktor reologis kultur Sistem serta konfigurasi agitasi

Tangki pencampuran skala besar memerlukan input

tenaga per unit volume yang lebih kecil sekaligus memerlukan kapasitas pemompaan yang lebih rendah per unit volume tangki pencampur skala kecil. Hal ini menyebabkan perlunya waktu pencampuran lebih lama

SEJARAH TEKNOLOGI PENGGANDAANKonstanta dengan tenaga per unit volume Tahun 1948 : fermentasi alkohol dan asam-asam sama), dan mempertahankan

organik menggunakan kesamaan skala geometrik (proporsi fisik yang

tenaga/unit volume yang konstan. Pada kondisi ini hubungan antara kecepatan impeller (N) dan

diameternya (D) dituliskan sbb : N23 D22 D2 = N13 D12 atau N1 = N2 (-----) 2/3 D1

Fermentasi antibiotika dilakukan dengan cara yang

sama. Fermentasi menggunakan tenaga = satu hp/100

galon, dan kecepatan pengadukan ditentukan dengan menggunakan kesetimbangan.

Koefisien transfer volumetrik O2 yaitu kLa harus dijaga agar tetap konstan dan dipertahankan di atas nilai tertentu. Nilai kLa untuk berbagai ukuran fermentor :

Ukuran bejana (L) 5 500 50000 Nilai kLa :

a 0,95 0,6 0,7 0,4 0,5

b 0,667 0,667 0,50

Keterangan : a & b = konstanta

1. Hubungan antara hasil proses dan k La harus diperoleh untuk seleksi microbial. 2. Hubungan antara kLa laju aerasi, kecepatan impeller dan skala harus ditentukan.

Konstanta kL Fermentasi antibiotika membutuhkan oksigen yang banyak sehingga sangat penting untuk mempertahankan koefisien transfer volumetrik oksigen. Langkah langkah yang perlu diperhatikan dalam menentukan kL , yaitu :

Hub. Antara hasil proses dan kL harus didapatkan untuk seleksi mikrobial Hub. Antara kL laju aerasi, kecepatan impeller dan skala harus ditentukan Apabila digunakan untuk skala industri dengan data operasional belum tersedia maka penentuan kL bedasarkan perhitungan matematis

DASAR METODE PENGGANDAAN Konstanta gaya gunting

Fermentasi pada media yang mengandung miselia yang padat (fermentasi kapang), dipengaruhi oleh gaya gunting atau nilai mutlak kecepatan pengadukannya.

Contoh pengaruh ukuran dan kecepatan impeller terhadap hasil produksi antibiotika novobiosin :Hasil Novobiosin

1,0

Kecil Standar Besar

0 0,5 1,0 hp/100 gal

Persamaan konstanta : Ns3Dis2 = Ni3Dil2

gaya gunting (S) sebanding dengan kecepatan impeller ( INDi), maka untuk masukan tenaga volumetrik yang sama : Dis 1/3 Ss = Se (--------) Die Pada industri fermentasi kecepatan pengadukan biasanya besarnya tetap dan mencapai 250-500 cm/detik.

Konstanta waktu pencampuran Apabila fermentor berukuran kecil (5000 liter) kurang tercampur dengan baik pulaKorelasi antara ukuran bejana dengan waktu pencampuran, dengan persamaan berikut :ft = tm (NDi2)2/3 g1/6 Di Keterangan :1/3

Y T3/2 = konstanta NRe > 105

ft = fungsi waktu pencampuran tm = waktu pencampuran yang terobservasi Y = kedalaman cairan T = diameter tangki

Bilangan ReynoldsHubungan antara hasil proses dari penggandaan skala fermentasi (misalnya konsentrasi antibiotik) dengan bilangan Reynolds : NDi a a = K (NRe ) = K ( ---------) 2

Keterangan : K = konstanta a = eksponen N = bilangan Reynolds = bobot jenis = viskositas nyata

Faktor momentumImpeller dapat juga berfungsi sebagai sebuah pompa, maka penggandaan skala dapat didasarkan pada laju pemompaan, atau transfer momentum impeller. Faktor momentum impeller : Mf = (WL) (NDi) [N(Di W)] Keterangan : L = panjang blade impeller W = lebar blade impeller

Efek Pengadukan KuatPengadukan mekanis di bawah kecepatan ND tertentu ternyata mempunyai pengaruh yang kecil terhadap

nilai ka; di bawah nilai kritis k a terutama ditentukan oleh efek aerasi, gelembung udara. Koefisien transfer O dapat diestimasi oleh :

KLa

1- = K -------- (NDi NoDi) H

T -----

Keterangan : = penahanan gas = tegangan permukaan cairan fermentasi

SKALA PENGGANDAAN Skala laboratorium (tahap penyeleksian mikroba)

Skala pilot plant (kondisi-kondisi operasi optimum

mulai diterapkan) Skala industri (pelaksanaan proses-proses dengan mempertimbangkan perhitungan ekonomi industri fermentasi tersebut)

Tahapan penggandaan skala Seleksi (laboratorium)

- ukuran : dari tabung reaksi ke tabung kocok 500 ml - fungsi : seleksi dan pengembangan strain mikroba Pilot plant - ukuran : 5 40 - 200 liter - fungsi : optimasi faktor-faktor lingkungan Industri - ukuran : 5.000 - 100.000 liter - fungsi : membawa proses ke arah keuntungan perusahaan

Kondisi lingkungan yang harus diperhatikan : Faktor kimiawi : konsentrasi substrat, konsentrasi precursor, dll. Faktor fisik : kemampuan pindah massa, kemampuan pencampuran, disipasi tenaga, gaya gunting, dll.

Faktor-faktor lingkungan fisik akan berubah dengan berubahnya skala, maka beberapa parameter translasi yang baik harus ditetapkan, yaitu : Konstanta volumetric laju transfer O2, KLa Konstanta kecepatan impeller INDi Konstanta masukan tenaga volumetric, Pg/V Waktu pencampuran seimbang Bilangan NRe yang sama atau faktor-faktor momentum Pengawasan umpan balik untuk mencoba menjamin besarnya faktor-faktor kunci lingkungan setepat mungkin.

PERBANDINGAN BERBAGAI METODE SCALE-UP Untuk membandingkan berbagai metode

penggandaan skala pada tangki yang sama terhadap hasil produk secara geometrik dapat dilakukan dengan cara mengasumsikan hasil optimal pada bejana (misalnya bejana 10 liter) diperoleh pada kondisi N = 500 rpm dan laju aerasi = 1 VVM. Hasil optimasi ini akan ditranslasikan untuk bejana 10 liter yang dioperasikan pada masukan gas volumetrik yang sama.

Tabel 2. Perbandingan Metode Penggandaan SkalaMetode Konstanta tenaga/unit volume/DQ - Tenaga non gas - Tenaga gas Konstanta laju transfer O volumetric a - KL , a = 0,5 Konstanta daya gunting, NDi Konstanta waktu pencampuran, tm Konstanta faktor momentum, Mf3

N untuk bejana 10.000 liter (rpm) 107 85 79 50 1260 5

Pada prakteknya penggandaan skala adalah untuk

mempertahankan KLa dan kecepatan putar impeller, serta mengatur rasio Di /T. Kisaran Di /T adalah 0,25 0,4, sedangkan besar kecepatan impeller adalah 500 cm/detik.

PENDEKATAN LINGKUNGAN UNTUK PENGGANDAAN SKALA Penentuan jalannya reaksi, kinetika, termodinamika

pembentukan produk hubungannya dengan metabolisme sel, konsumsi oksigen Menentukan hub. fisiologik mikroorganisme dengan lingkungan eksternal (contoh : kebutuhan oksigen dengan distribusi gaya gunting) Menentukan hubungan antara variabel operasi dan peralatan (skala produksi, kecepatan impeller, aliran udara, suhu dll) dan kontrol proses terhadap variabel lingkungan