STOIKIOMETRI PERTUMBUHAN MIKROBA

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 2

Pendahuluan

• Proses pertumbuhan sel sebenarnya merupakan proses kompleks melibatkan ratusan spesies kimiawi dan reaksi yang kompleks Structured dan segregated model

• Dapat disederhanakan Unstructed and unsegregated model

• Sistem pertumbuhan mikroba dapat didefinisikan secara umum

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 3

Sistem pertumbuhan

• Biomassa/sel: massa zat hidup di dalam populasi mikroorganisme tertentu pada area tertentu

• Biomassa secara umum tersusun atas elemen C, H, O, dan N CH1,8O0,5N0,2

• Dapat juga mengandung unsur S dan P• Medium pertumbuhan: medium/llingkungan

yang berisi zat-zat (nutrien) yang diperlukan untuk pertumbuhan

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 4

• Sejumlah sel ditammbahkan ke dalam medium pada kondisi tertentu sel tumbuh respon terhadap lingkungan (fisik dan kimiawi)

• Pertumbuhan sel penambahan jumlah sel + perubahan ukuran sel

• Sel memerlukan substrat untuk pertumbuhan sumber C, sumber N, HCO3-, H+, dan H2O

• Sumber N NH4+, NO3-, N2

• Sumber C organik atau CO2

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 5

Pasangan elektron donor

Glukosa/CO2

Asam laktat/CO2

Asam asetat/CO2

Etanol/CO2

Gliserol/CO2

HS-/SO42-

NH4+/NO2

-

H2/H2OFe2+/Fe3+

Pasangan elektron akseptor

Fumarat/suksinatPiruvat/Laktat

O2/H2ON2O/N2NO3-/N2

HCO3-/asetatHCO3-/etanolHCO3-/CH4

Sumber karbon

Organik : GlukosaEtanol

Asam laktatAsam asetat

Anorganik :CO2

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 6

Tinjauan ‘black box’ sistem pertumbuhan

Donorelektron

Sumber C

Akseptorelektron

Sumber N

Substrat

Produk

Pertumbuhan (biomassa)

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

HCO3- H2O H+ Panas

Energi Dissipasi Gibbs

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 7

Tinjauan ‘black box’ sistem pertumbuhan

Donorelektron

Sumber C

Akseptorelektron

Sumber N Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

HCO3- H2O H+ Panas

Energi Dissipasi Gibbs

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 8

Pertumbuhan secara aerobik pada glukosa dan NH4

+

HCO3- H2O H+ Panas

Donor elektron

Sumber N

Sumber C

Akseptorelektron

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

Energi Dissipasi Gibbs

Glukosa

NH4+

Glukosa

O2

CO2

H2O

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 9

Pertumbuhan secara aerobik pada glukosa dan NH4+ menghasilkan

asam laktat

HCO3- H2O H+ Panas

Donor elektron

Sumber N

Sumber C

Akseptorelektron

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

Energi Dissipasi Gibbs

Glukosa

NH4+

Glukosa

HCO3

CO2

Asam laktat

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 10

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+

HCO3- H2O H+ Panas

Donor elektron

Sumber N

Sumber C

Akseptorelektron

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

Energi Dissipasi Gibbs

Asam asetat

NH4+

Asam asetat

O2

CO2

H2O

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 11

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+ menghasilkan metan

HCO3- H2O H+ Panas

Donor elektron

Sumber N

Sumber C

Akseptorelektron

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

Energi Dissipasi Gibbs

Asam asetat

NH4+

Asam asetat

HCO3

CO2

CH4

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 12

Persamaan stoikiometri pertumbuhan

+ a sumber C + b donor + c akseptor

+ d sumber N + e H2O + f HCO3- + g H+

+ h biomassa + i donor teroksidasi

+ j akseptor tereduksi = 0

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 13

Derajat kebebasan/Degree of Freedom (DOF)

• d = degree of freedom• n = jumlah koefisien stoikiometri• k = jumlah persamaan

d = n - k

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 14

Konsep yield

-1/Ys/x sumber C + b donor + c akseptor

+ d sumber N + e H2O + f HCO3- + g H+

+ 1 CH1,8O0,5N0,2 + i donor teroksidasi

+ j akseptor tereduksi = 0

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 15

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+ pH = 3

HCO3- H2O H+ Panas

Donor elektron

Sumber N

Sumber C

Akseptorelektron

Donor teroksidasi

Akseptor tereduksi

BIomassa

Energi Dissipasi Gibbs

Asam asetat

NH4+

Asam asetat

O2

CO2

H2O

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 16

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+ pH = 3

• Sumber C : asam asetat• Sumber N : NH4

+

• Donor elektron: asam asetat/CO2

• Akseptor elektron: O2/H2O

+ a CH3COOH + b O2 + c NH4+ + d H2O

+ e HCO3- + g CH1,8O0,5N0,2 = 0

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 17

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+ pH = 3

+ a CH3COOH + b O2 + c NH4+ + d H2O

+ e HCO3- + g CH1,8O0,5N0,2 = 0

n = 7 variabel ( a, b, c, d, e, f, g)

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 18

Pertumbuhan secara aerobik pada asetat dan NH4

+ pH = 3

+ a CH3COOH + b O2 + c NH4+ + d H2O

+ e HCO3- + g CH1,8O0,5N0,2 = 0

• Neraca C : 2a + e + g = 0• Neraca H : 4a + 4c + 2d + e + f + 1,8g = 0• Neraca O : 2a + 2b +d + 3e + 0,5g = 0• Neraca N : c + 0,2g = 0• Neraca muatan : c + -e +f = 0

• k = 5 persamaan d = n – k = 2

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 19

• Jika diketahui Ys/x = 0,05 maka

• g = 1 a = -1/Ys/x = -20

• Sehingga:• a = -20• b = -38,95• c = -0,2• d = 0,4• e = 39• f = 39,2• g = 1

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 20

Degree of reduction (ϒ)

Adalah jumlah elektron yang dilepas per jumlah atom C nya

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 21

Degree of reduction (ϒ)

• C = 4• H = 1• N = -3• O = -2• P= 5• S = 6

Stoikiometri Pertumbuhan Mikroba 22

Pertumbuhan aerobik pada glukosa

• C6H12O6 + a O2 + b NH3 c (C4,4H7,3N0,86O1,2) + d H2O + e CO2

• Tentukan Yx/s (g dw sel/ substrat), Yx/O2 (g dw sel/ g O2)??