Kinetika Fermentasi (1)
-
Upload
cevi-hidayah-nugraha -
Category
Documents
-
view
285 -
download
45
Transcript of Kinetika Fermentasi (1)
Kinetika pertumbuhan mikrobia
Penentuan fase-fase pertumbuhan diamati dengan menumbuhkan bakteri dengan jumlah tertentu ke medium baru.
Pertumbuhan dipantau dengan pengukuran konsentrasi sel pada interval waktu tertentu (jam).
Perubahan konsentrasi sel pada waktu tertentu dapat diplot menjadi kurva pertumbuhan.
Fase-fase pertumbuhan mikroba
Aktifasi Mikroba
Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)
Waktu mengganda (doubling time)
Hasil pertumbuhan (growth yield)
Kemampuan metabolime (metabolic quosient)
Affinitas substrat
Jumlah maksimum biomasa
Parameter-parameter pertumbuhan mikroba
Pertumbuhan Kultur Bakteri
Menggunakan sistem pemeliharaan khusus : Kultur sekali unduh (batch culture) Kultur berkesinambungan (continuous culture) Kultur terputus (fed-batch culture).
Memerlukan kultur murni Medium yang tepat Bejana untuk berlangsungnya pertumbuhan
yang disebut bioreaktor
Kultur sekali unduh (batch culture)
1. Merupakan sistem tertutup
2. Medium segar yang berupa nutrien dengan jumlah tertentu
diinokulasi dengan bakteri yang telah diketahui jumlahnya.
3. Nutrien akan habis dan terjadi penumpukan produk
4. Untuk mempelajari beberapa parameter pertumbuhan, dan
faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan
5. Untuk produksi biomasa, metabolit primer dan metabolit sekunder
Pertumbuhan mikrobia (Prokariota)
Sel prokariotik membelah secara biner:
1 2 4 8 16 32 64 n.
Pembelahan sel dinyatakan sebagai fungsi 2n :
20 21 22 23 24 25 26 2n
Kinetika Pertumbuhan Mikrobia
Nt = 1 x 2n
Jumlah total sel tergantung pada jumlah generasi (pembelahan) yang terjadi didalam waktu tertentu.
Apabila jumlah sel awal = N0,
maka jumlah sel dalam populasi : Nt = N0 x 2n
Nt merupakan fungsi dari 2diplot dengan nilai logaritmik, diperoleh kurva eksponensial
Jumlah sel setelah waktu tertentu : Nt,
1
2
3
4 5
6
Log
jum
lah
sel
Waktu, jam
Kurva pertumbuhan mikroba pada kondisi batch
1 = fasa lag2 = fasa percepatan3 = fasa eksponensial4 = perlambatan5 = stasioner6 = kematian
Fase pertumbuhan kultur
a. Setelah inokulasi tidak ada pertumbuhan, fase in adalah fase lag (istirahat ) yang merupakan waktu beradaptasi.
b. Pada proses komersial ,fase lag diusahakan sependek mungkin, yaitu dengan cara menyiapkan inokulum yang sesuai dan sehat
c. Fase berikutnya terjadi peningkatan kecepatan pertumbuhan, sel tumbuh konstan dan mencapai kecepatan maksimum.
Fase ini adalah fase eksponensial.
Didalam praktek digunakan angka dasar 10
Nt = N0 x 2n
log Nt = log N0 + n log2
log Nt - log N0 n = -------------------
log 2Kecepatan pembelahan sel
t.301,0
NlogNlogk 0t
Jumlah sel dalam populasi :
t).2(log
NlogNlogk 0t
tk
n
Kecepatan tumbuh suatu bakteri biasanya dinyatakan sebagai jumlah generasi per satuan waktu atau generasi per jam.
Waktu generasi (g) adalah waktu yang diperlukan sel didalam suatu populasi untuk membelah diri.Pada umumnya berlangsung konstan dan relatif singkat (menit).
log Nt - log N0 log (2 N0) - log N0
k = ------------------ = ---------------------- 0.301 g 0.301 x g
g/1k
Persamaan untuk fase eksponensial :
dengan x : konsentrasi biomasa mikrobia t : waktu (jam) : laju pertumbuhan spesifik perjam
diintegrasi menjadi : xt = xo et
ln xt = ln xo + t
dx/dt = x
t
xlnxln ot
Sangat spesifik untuk masing-masing jenis mikrobia.
Misal
Aspegillus nidulans , max = 0,36 jam-1;
Methylomonas methyanolytica , max = 0,53 jam-1.
Kecepatan pertumbuhan maksimum (max)
( dicapai pada fase eksponensial)
Mikrobia tumbuh : mengkonsumsi makanan dan mengekskresikan hasil akhir
Produk yang terbentuk mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
Suatu saat pertumbuhan akan berhenti dan bahkan mikrobia mati.
Berhentinya pertumbuhan disebabkan karena :
Kekurangan makanan yang tersedia di dalam medium.
Terjadi akumulasi produk yang bersifat ototoksik
(meracuni diri sendiri).
Kombinasi keadaan tersebut diatas.
Untuk mengetahui jumlah substrat yang diperlukan hingga waktu tertentu ( t ), digunakan persamaan
x : konsentrasi biomasa yang dihasilkan, Y : faktor hasil So : konsentrasi substrat awal St : substrat tersisa
x = Y (So – St)
dengan :
St : konsentrasi substrat tersisa Ks : konsentrasi substrat ketika = ½ max
Penurunan kecepatan dan berhentinya pertumbuhandisebabkan karena kekurangan substrat.
Hubungan antara (laju pertumbuhan spesifik perjam)terhadap substrat yang tersisa di dalam medium :
ts
tmaksSKS
persamaan Monod (1942)
Ks : digunakan untuk mengukur afinitas atau spesifikasi substrat
Ks rendah : Mikrobia mempunyai afinitas tinggi untuk substrat
pertumbuhannya, kecepatan pertumbuhan tidak terpengaruh oleh kurangnya substrat
Kecepatan pertumbuhan tinggi
Ks tinggi : Mikrobia tersebut mempunyai afinitas rendah untuk
substratnya, kecepatan pertumbuhan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi substrat. Kecepatan pertumbuhannya rendah.
Berdasarkan tipe produk metabolisme yang dihasilkan selama pertumbuhan, dikenal dua tipe metabolit :1. Metabolit primer (ensim, asam organik dan alkohol)
dihasilkan pada fase eksponensial (trofofase).2. Metabolit sekunder yang dihasilkan selama fase stasioner
(fase idiofase).
Menurut Bull (1974) : Fase stasioner merupakan istilah yang salah karena pada fase ini populasi mikrobia tetap aktif melakukan metabolisme dan aktif menghasilkan metabolit sekunder.
Fase stasioner pada kultur batch merupakan kondisidisaat kecepatan pertumbuhan turun menjadi nol.
Fase ini adalah fase populasi maksimum.contoh metabolit sekunder : Asam giberelat
1. Kinetika pembentukan produk oleh kultur mikrobia yang dihubungkan dengan pertumbuhan : dp/dt = qpx ……… (1)
p : konsentrasi produk qp : kecepatan spesifik pembentukan produk
2. Hubungan antara pembentukan produk dan produksi biomasa, dapat dinyatakan persamaan :
dp/dx = Yp/x
Yp/x : produk yang dihasilkan setelah mengkonsumsi
substrat dp/dx = Yp/x dikalikan dx/dt = x dp/dt = Yp/x . x ……… (2)
3. Gabungan antara (1) dan (2) : qp = Yp/x.
4. Kecepatan pertumbuhan dipengaruhi oleh kecepatan spesifik pembentukan produk ( qp ).
5. Persyaratan yang harus diperhatikan untuk kultur batch : a. Kondisi kultur harus steril sehingga tercapai produksi biomasa yang maksimum b. Memperpendek fase lag dan memperpanjang waktu eksponensial (untuk produksi metabolit primer). c. Memperpendek fase eksponensial (untuk produksi metabolit sekunder).
Produksi biomasa : Kondisi kultur yang mendukung populasi sel maksimum.
Produksi metabolit sekunder : Memerlukan kondisi untuk mempercepattercapainya fase stasioner.
Fermentasi batch digunakan untuk :
Fermentasi batch
Media steril diinokulasi, kemudian fermentasi berlangsung tanpa pertabahan media baru.
Mengapa sel berhenti tumbuh?
Nutrien habis Kekurangan oksigen Perubahan pH Pertumbuhan terganggu
oleh metabolisme produk.
Fed Batch ( semi batch)
Nutrien ditambahkan secara periodik selama proses fermentasi.
Media pertumbuhan tidak dikeluarkan selama fermentasi
Fermentasi kontinyu
1) Media baru ditambahkan secara kontinyu selama fermentasi.
2) Media sisa (atau selnya) dikeluarkan secara
kontinyu
Fermentasi dapat berjalan hingga 1000 jam.
Terima kasih