RANCANGAN ALAT BIOPROSES - yusron sugiartoyusronsugiarto.lecture.ub.ac.id/files/2013/02/RANCANGAN-ALAT-BIO… · Pertumbuhan mikroba berlangsung selama nutrisi masih cukup tersedia

RANCANGAN ALAT BIOPROSES

TPE4211

PERTEMUAN 2

MATERI KULIAH No Pokok Bahasan Sub Pokok Bahasan Waktu

(Jam)

1 3 4 5

1. Pengantar Overview Bioreaktor 2 x 50

2. Tahap Inokulasi Dasar mikroorgmisme kurva pertumbuhan

2 x 50

3. Dasar pemodelan reaktor Modelling, matematis monod 2 x 50

4. Konfigurasi Bioreaktor Stirred Tank Bubble colomn

2 x 50

5. Konfigurasi Bioreaktor Airlift Reactor Stirred and Air Driven Reactor

2 x 50

6. Konfigurasi Bioreaktor Packed Bed Trickle Bed

2 x 50

7. Konstruksi Bioreaktor Aseptic Operation Fermenter inoculation and

sampling Materials of construction Sparger design Evaporation control

2 x 50

No Pokok Bahasan Sub Pokok Bahasan Waktu (Jam)

1 3 4 5

8. Monitoring and Control of Bioreactor (1)

Fermentation monitoring Measurement analysisi Fault analysis Process modelling State estimation

2 x 50

9. Monitoring and Control of Bioreactor (2)

Feed back control Programmed controlled Application of Artificial Intelegence in

Bioprocess control

2 x 50

10.

Ideal Reactor Operation Batch operation of a mixed reactor Enzyme reaction Cell culture, Chemostat with immobilised cells Chemostat with cell recycle Continues operation of a lug-flow reactor

2 x 50

11. Sterilisasi Batch heat sterilisation of liquids Continues heat sterilisation of liquids Filter sterilisation of Liquids Sterilisation of air

2 x 50

12. Peningkata Skala Bioreaktor Peningkata Skala Bioreaktor 2 x 50

13. Pengembangan reaktor baru (1) Pengembangan reaktor biogas, bioethanol 2 x 50

14. Pengembangan reaktor baru (2) Pengembangan reaktor baru biodiesel 2 x 50

MATERI KULIAH (2)

PERTUMBUHAN MIKROBA

Mikroba hidup di sekitar kita dan hidup di sembarang lingkungan di bumi. Pertumbuhan mikroba merupakan aspek penting dalam mempelajari mikrobiologi.

Karena berdasarkan kurva pertumbuhan tersebut kita dapat memanipulasi pertumbuhan mikroba untuk kepentingan manusia. Bentuk manipulasi pertumbuhan dapat berupa mempercepat maupun menghambat pertumbuhan.

PERTUMBUHAN Pertumbuhan adalah bertambahnya tinggi atau berat suatu organisme. Pertambahan tinggi maupun berat organisme merupakan bertambahnya ukuran sel atau bertambahnya jumlah sel. Dalam dunia mikroba pertumbuhan diartikan sebagai bertambahnya jumlah sel. Hal ini karena mikroba sebagian besar adalah organisme bersel tunggal. Sehingga difinisi pertambahan tinggi maupun berat organisme tidak berlaku lagi.

PERTUMBUHAN Mikroba memperbanyak diri melalui pembelahan sel maupun reproduksi seksual. Reproduksi seksual hanya dijumpai pada mikroba bersel banyak seperti jamur.

Pembelahan Sel Terdapat 2 jenis pembelahan sel yaitu pembelahan biner dan pertunasan (budding). Pembelahan biner adalah pembelahan yang menghasilkan 2 sel sama besar , sedangkan pertunasan adalah pembelahan yang menghasilkan 2 sel yang tidak sama besar (sel yang besar disebut induk dan sel yang kecil disebut anak). Pada jamur terdapat suatu deviasi dari pembelahan biner yang disebut pembelahan filamentus.

Pertumbuhan Mikrobia

Binary Fission

Rapid Growth of Bacterial Population

Phases of Microbial Growth

Phases of Microbial Growth

Direct Count

Pour Plate

Petroff-Hausser Chamber Slide

Total count memerlukan mikroskop dan wadah yang diketahui volumenya. Jika setetes kultur dimasukkan ke dalam wadah (misalnya hemasitometer) yang telah diketahui volumenya, maka jumlah sel dapat dihitung.

Akan tetapi, cara ini memiliki keterbatasan, yaitu tidak dapat membedakan sel hidup dan mati dan tidak dapat digunakan pada jumlah sel yang sangat sedikit (kurang dari 106 sel/ml).

Direct Method

Filtration

Karakteristik pertumbuhan mikroba Pertumbuhan mikroba merupakan pertambahan

jumlah sel mikroba Pertumbuhan mikroba berlangsung selama nutrisi

masih cukup tersedia Pertumbuhan mikroba dapat diukur, dengan

melihat kenaikan biomassa atau jumlah sel Selama pertumbuhan, mikroba menghasilkan

metabolit primer/sekunder berupa produk

Kurva Pertumbuhan mikroba Pertumbuhan sel mikroba biasanya mengikuti suatu pola pertumbuhan tertentu berupa kurva pertumbuhan sigmoid (model Monod)

Microbial Growth Kinetics

Microbial Growth Kinetics describe how the microbe grows in the fermenter. This information is important to determine optimal batch times. The growth of microbes in afermenter can be broken down into four stages:–Lag Phase–Exponential Phase–Stationary Phase–Death Phase

a. FASE LAG (Fase Adaptasi) •Fase lag merupakan suatu periode penyesuaian terhadap medium-------tidak terjadi perbanyakan jumlah sel b. FASE LOG (Fase Eksponensial) •Pada fase eksponensial atau logaritmik, sel membelah dengan kecepatan konstan dan terjadi pertambahan jumlah sel menjadi 2 kali lipat (generation time) c. FASE STASIONER. •Selama fase ini, jumlah sel yang hidup tetap konstan tetapi akhirnya menuju periode penurunan populasi. •Dihasilkan metabolit sekunder untuk pertahanan diri bakteri d. FASE PENURUNAN POPULASI ATAU FASE KEMATIAN •Pada saat medium kehabisan nutrien maka populasi bakteri akan menurun jumlahnya, •Pada saat ini jumlah sel yang mati lebih banyak daripada sel yang hidup.

Laju pertumbuhan mikroba dan waktu generasi •Jika sejumlah sel mikroba (Xo) dibiakkan dalam waktu (t) pada suatu medium, maka sel akan membelah dan jumlahnya akan bertambah menjadi Xt •Pertambahan jumlah sel berhubungan dengan laju pertumbuhan serta waktu generasi sel tersebut membelah •Kurva pertumbuhan tersebut dapat dilu-kiskan dengan persamaan matematika sebagai berikut:

Grafik pertumbuhan mikroba

Laju pertumbuhan spesifik Xt = 2ktx Xo atau Xt/Xo = 2kt Log2 Xt/Xo = log2 2kt

Log2 Xt/Xo = kt 1/0,301 log10 Xt/Xo = kt 1/0,301 (logXt –log Xo) = kt k = logXt –log Xo atau k = lnXt –lnXo 0,301 t t -to Waktu generasi tg = 1/k atau tg= 0,69/k

Koefisien konversi atau rendemen produktivitas Yx/s = Xt -Xo So –S Yp/s = P –Po So -S

Waktu generasi dan laju pertumbuhan spesifik berbagai organisme

Organisme Tg (jam) k (jam-1) Bakteri 0,3 2,3 Khamir 1,5 0,46 Kapang 3,0 0,23 Sel tanaman 24 0,0287

Metode mengukur pertumbuhan mikroba •Metode langsung: -Penetapan konsentrasi sel: penghitungan jumlah sel dibawah mikroskop -Penetapan bahan kering sel----ditimbang •Metode tak langsung -Metode turbidity (kekeruhan)---optical density -Penetapan penyusun sel -Analisis persenyawaan (reaksi) biakan

Kinetika Pertumbuhan mikroba •Merupakan suatu rangkaian reaksi kimia yang mengendalikan sintesis penyusunan biomassa yang diperoleh pada akhir biakan secara menyeluruh yang mengikuti prinsip kekekalan massa

Reaksi kimia pertumbuhan mikroba dalam suatu medium biakan

Substrat -> mikroba + produk Sumber: karbon metabolit nitrogen CO2 oksigen H2O fosfor enzim belerang mineral

Kesetimbangan reaksi (Stokiometri)pertumbuhan mikroba

a1S1+ a2S2+ a3S3 +… -> Biomassa + b1P1+ b2P2+ b3P3

Kesetimbangan kimia pada pertumbuhan aerobik a(substrat) + bO2+ cNH4+ ->Biomassa + dCO2+ eH2O Komposisi Substrat berkarbon: CuOvHwNt Biomassa CxHyOzNe Maka: aCuOvHwNt + bO2 + cNH4

+ ->CxHyOzNe + dCO2+ eH2O

Menghitung rendemen (yields) Yx/s = g biomassa terbentuk g substrat karbon yang digunakan Bila M = massa molar biomassa CxHyOzNe M’ = massa molar substrat CuOvHwNt Rendemen dapat dinyatakan sebagai: Yx/s = M/aM’

Tabel rendemen biomassa dan keb.oksigen

Kinetika Enzim •Pengukuran jumlah enzim berdasarkan kecepatan reaksi yang dikatalisisnya •Cara : dibandingkan dengan enzim murni yang diketahui kadarnya. Satuan : μg •Berdasarkan jumlah substrat yang bereaksi atau produk yang terbentuk per satuan waktu. Satuan : unit •1 i.u : Jumlah enzim yang mengkatalisis pembentukan 1 μ mol produk per menit pada kondisi tertentu.

Mengukur Kecepatan Reaksi enzimatik

•Jumlah substrat yg diubah atau produk yang dihasilkan per satuan waktu •= progress curve •Grafik berbelok: –Substrat berkurang –Product inhibition

Mekanisme Kerja Enzim •Perbandingan model “induced fit” dan “kunci dan anak kunci” pada pengikatan substrat oleh enzim

THANK YOU...