PROSES FERMENTASI

Iman rusmanaDepartemen Biologi FMIPA IPB

Industri/Bioteknologi Sel & syw metabolit mikrob

2 proses penting :1. Produksi Fermentasi2. Hilir ekstraksi & purifikasi

Pd fermentasi :Mikrob jadi objek utama

Produk yg diinginkan

Produksi optimal optimasi mediakontrol : - O2

- kondisi lainnyaKontrol terbaik:online control

Kinetika pertumbuhan mikrobPerlu dimengerti

Tergantung tipe proses fermentasinya !

3 Tipe Proses Fermentasi BatchFed-BatchKontinu

Kinetika & Kondisi berbeda

1. Fermentasi BatchSistem tertutuptidak ada penambahan media baruada + : - O2 aerasi

- antifoam- asam/basa kontrol pH

-Komposisi media-[biomasa]-[metabolit]

Berbeda

Kondisi fisiologi/metabolisme

sel

4 Fase Pertumbuhan Fase LagFase LogFase StasionerFase Kematian

Kondisi fisiologi/metabolisme sel

Beda

☺Fase Lag:Mikrob beradaftasi ling. Baru

-pH berubah-Nutrien meningkat-[inhibitor] turun

Lamanya Tergantung kondisi fisiologi inokulum

- Inokulum fase log cepat/tidak ada- inokulum fase stasiner lebih lama

*kinetika pembentukan produk tidak tergantung lamanya fase lag

☺Fase Log:Mikrob telah beradaftasisel tumbuh: jumlah sel/biomasalaju pertumbuhan konstan:

- tidak tergantung [substrat]berlebih

- tergantung: laju pertumbuhan spesifik(μ)[biomasa] (X)

Plot semilogaritmik biomasa dg waktu garis lurus

dX/dt = μ X atau dN/dt = μ N

Disebut Fase Log

Laju pertumbuhan spesifik (μ ):fungsi 3 parameter:

-[substrat] pembatas (S)-Laju pertumbuhan maksimum (μm)-Konstanta spesifik substrat (Ks)

Lamanya Tergantung kondisi fisiologi inokulum

Sμ = μm

________

Ks + S

*persamaan Monod Jacques Monod

Pada kondisi μ = ½ μm

Ks = S*Ks = Konstanta Michaelis-Menten kinetika enzim

Pada kondisi substrat tidak terbatasFase log

Ks <<< S

μ = μmS

μ = μm ________

Ks + S

μm penting di industri produksi

Tergantung: - jenis mikrob- kondisi fermentasi- jenis substrat:

C sederhanaC komplek

*Bila substrat 1 habis, substrat 2 tersedia fase log 2μm 2

Pd substrat komplek (2):2 fase logdipisah fase lag 2 DIAUXY

☺Fase Stasioner :substrat banyak digunakansyw toksik terakumulasi

Laju pertumbuhan melambat/terhenti

Beberapa metabolit penting disintesis padaFase stasioner

Biomasa konstan

☺Fase Kematian :sel kehabisan energilamanya waktu dari stasioner ke kematiantergantung mikrob & prosesnya

Aplikasi di industri tidak sampai fase ini

Proses dihentikanSetelah fase log

Sebelum fase kematian

Tgt produk diproduksi di fase mana ?

2. Fermentasi Fed-Batchpengembangan sistem batchada penambahan media barutidak ada kultur yg keluarYield lebih tinggi dari batch

-Memperpanjang fase log or stasioner-Menghindari represi krn [substrat] tinggi

Kapan penambahan [substrat]

Monitor proses

3. Fermentasi Kontinusistem terbukaada penambahan media baruada kultur yg keluarvolume tetapfase fisiologi sel konstan

-Ada 2 tipe sistem:

1. Homogenously mixed bioreactor2. Plug flow reactor

Homogenously mixed bioreactor

Ada 2 macam:

a. Chemostat: Steady statefaktor pembatas salah satu nutrienpertumbuhan sel terkontrol

b. Turbidostat: Steady statemonitor turbiditas biomasa

Plug flow reactor

Kultur dialirkan dlm reaktor berbentuk tabungTanpa percampuran balikSel harus ditambahkan dg subtrat baru

-komposisi nutrien-Jumlah sel-[O2]-produktivitas

Beda-beda

Tiap lokasi reaktor

Kondisi steady state :Sel tercuci/hilang = pertumbuhan sel

D = μD= dilution rate

μ = (1/X) (dX/dt) Laju pertumbuhan[sel] di bioreaktor

Dg persamaan Monod & konstanta Yield (Ys):

biomasa D KsYs = ------------------------- S = ------------

konsumsi substrat μm D

Pd flow rate rendah substrat hampir terpakai semua:S ~ 0

D KsX = Ys (So - -------------- )

μm D

So = [substrat] awal

X = Ys .So

Jika D meningkat X turun perlahan sampai pd D = μm

Pencucian tercapai Dm X ~ 0

μm SoDm = --------------

Ks + So

So----------- ~ 1 Ks + So

Dm = μm

•Jika D > Dm kondisi steady state tidak akan tercapaisel akan tercuci !!!!

• Jika D sedikit lebih rendah dari Dm sistem sensitifthd pengaruh luar

Pengembangan fermentasi kontinu untuk produksi:protein sel tunggalantibiotikpelarut organikkultur starterdekomposisi selulosapengolahan limbah cairbeerglukosa isomeraseetanol

Kendala aplikasi di skala industri:

Harus stabil untuk paling tidak 500 – 1000 jamskala lab: 20 – 200 jam

Sulit menjaga sterilitas dalam jangka waktu lamaKomposisi media harus selalu samaTimbulnya mutan yg produktivitasnya rendah dg pertumbuhan lebih cepat

Kelebihan fermentasi kontinu:

1. Bioreaktor lebih kecil utk produksi jumlah sama2. Batch perlu peralatan besar, juga utk proses selanjutnya3. Tidak ada waktu istirahat dalam produksi4. Taraf fisiologi MO sama

Fermentasi Batch vs Fed-Batch

E. Coli rekombinan produksi protein asing:1. Pd fase stasioner produk

didegradasi segera2. Fed-batch: ada perpanjangan

fase log

Kembali

μm beberapa fungi dg substrat glukosaOrganisme T (oC) μm(h-1) Waktu

doubling (h)

Aspergilus nigerAspergilus nidulans

Penicillium chrysogenumMucor hiemalisFusarium avanaceumFusarium graminearumVerticillium agaricinumGeotricum candidum

3020253037252525302525

0.200.0900.1480.2150.3600.1230.170.180.280.240.41

3.467.724.683.231.965.654.13.82.482.91.7

kembali

μm Fusarium graminearum (glukosa, 30 C)

Substrat Jumlah glukosa

(unit)

μm(h-1) Waktu doubling

(h)

GlukosaMaltosaMaltotriosa

123

0.280.220.18

2.483.153.85

kembali