PROSES FERMENTASI

PROSES FERMENTASI
Iman rusmana
Departemen Biologi
FMIPA IPB

Industri/Bioteknologi
Sel & syw metabolit mikrob
2 proses penting :
1. Produksi Fermentasi
2. Hilir ekstraksi & purifikasi
Pd fermentasi :
Mikrob jadi objek utama
Produk yg diinginkan

Produksi optimal
optimasi media
kontrol : - O 2
- kondisi lainnya
Kontrol terbaik:
online control
Kinetika pertumbuhan mikrob
Perlu dimengerti
Tergantung tipe proses fermentasinya !

3 Tipe Proses Fermentasi
Batch
Fed-Batch
Kontinu
Kinetika & Kondisi berbeda

1. Fermentasi Batch
Sistem tertutup
tidak ada penambahan media baru
ada + : - O 2 aerasi
- antifoam
- asam/basa kontrol pH
-Komposisi media
-[biomasa]
-[metabolit]
Berbeda
Kondisi
fisiologi/metabolisme
sel

4 Fase Pertumbuhan
Fase Lag
Fase Log
Fase Stasioner
Fase 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 beradaftasi
sel tumbuh: jumlah sel/biomasa
laju pertumbuhan konstan:
- tidak tergantung [substrat]
berlebih
- tergantung:
laju pertumbuhan spesifik(μ)
[biomasa] (X)
dX/dt = μ X atau dN/dt = μ N
Plot semilogaritmik biomasa dg waktu garis lurus
Disebut Fase Log

Laju pertumbuhan spesifik (μ ):
fungsi 3 parameter:
-[substrat] pembatas (S)
-Laju pertumbuhan maksimum (μ m )
-Konstanta spesifik substrat (K s )
Lamanya
Tergantung kondisi fisiologi inokulum
S
μ = μ m
________
K s + S
*persamaan Monod Jacques Monod

Pada kondisi μ = ½ μ m
K s = S
*K s = Konstanta Michaelis-Menten kinetika enzim
Pada kondisi substrat tidak terbatas
Fase log
K s

μ m penting di industri produksi
Tergantung: - jenis mikrob
- kondisi fermentasi
- jenis substrat:
C sederhana
C komplek
*Bila substrat 1 habis, substrat 2 tersedia fase log 2
μ m 2
Pd substrat komplek (2):
2 fase log
dipisah fase lag 2
DIAUXY

☺Fase Stasioner :
substrat banyak digunakan
syw toksik terakumulasi
Laju pertumbuhan melambat/terhenti
Biomasa konstan
Beberapa metabolit penting disintesis pada
Fase stasioner

☺Fase Kematian :
sel kehabisan energi
lamanya waktu dari stasioner ke kematian
tergantung mikrob & prosesnya
Aplikasi di industri tidak sampai fase ini
Proses dihentikan
Setelah fase log
Sebelum fase kematian
Tgt produk diproduksi di fase mana ?

2. Fermentasi Fed-Batch
pengembangan sistem batch
ada penambahan media baru
tidak ada kultur yg keluar
Yield lebih tinggi dari batch
-Memperpanjang fase log or stasioner
-Menghindari represi krn [substrat] tinggi
Kapan penambahan [substrat]
Monitor proses

3. Fermentasi Kontinu
sistem terbuka
ada penambahan media baru
ada kultur yg keluar
volume tetap
fase fisiologi sel konstan
-Ada 2 tipe sistem:
1. Homogenously mixed bioreactor
2. Plug flow reactor

Homogenously mixed bioreactor
Ada 2 macam:
a. Chemostat: Steady state
faktor pembatas salah satu nutrien
pertumbuhan sel terkontrol
b. Turbidostat: Steady state
monitor turbiditas biomasa

Plug flow reactor
Kultur dialirkan dlm reaktor berbentuk tabung
Tanpa percampuran balik
Sel harus ditambahkan dg subtrat baru
-komposisi nutrien
-Jumlah sel
-[O 2 ]
-produktivitas
Beda-beda
Tiap lokasi reaktor

Kondisi steady state :
Sel tercuci/hilang = pertumbuhan sel
D= dilution rate
D = μ
μ = (1/X) (dX/dt)
Laju pertumbuhan
[sel] di bioreaktor
Dg persamaan Monod & konstanta Yield (Y s ):
biomasa D K s
Y s = ------------------------- S = ------------
konsumsi substrat μ m D

D K s
X = Y s (S o - -------------- )
μ m D
S o = [substrat] awal
Pd flow rate rendah substrat hampir terpakai semua:
S ~ 0
X = Y s .S o
Jika D meningkat X turun perlahan sampai pd D = μ m
Pencucian tercapai D m X ~ 0
μ m S o
D m = --------------
K s + S o
S o
----------- ~ 1
K s + S o
D m = μ m

•Jika D > D m kondisi steady state tidak akan tercapai
sel akan tercuci !!!!
• Jika D sedikit lebih rendah dari D m sistem sensitif
thd pengaruh luar
Pengembangan fermentasi kontinu untuk produksi:
protein sel tunggal
antibiotik
pelarut organik
kultur starter
dekomposisi selulosa
pengolahan limbah cair
beer
glukosa isomerase
etanol

Kendala aplikasi di skala industri:
Harus stabil untuk paling tidak 500 – 1000 jam
skala lab: 20 – 200 jam
Sulit menjaga sterilitas dalam jangka waktu lama
Komposisi media harus selalu sama
Timbulnya mutan yg produktivitasnya rendah dg
pertumbuhan lebih cepat

Kelebihan fermentasi kontinu:
1. Bioreaktor lebih kecil utk produksi jumlah sama
2. Batch perlu peralatan besar, juga utk proses selanjutnya
3. Tidak ada waktu istirahat dalam produksi
4. Taraf fisiologi MO sama

Fermentasi Batch vs Fed-Batch
E. Coli rekombinan produksi
protein asing:
1. Pd fase stasioner produk
didegradasi segera
2. Fed-batch: ada perpanjangan
fase log
Kembali

μ m beberapa fungi dg substrat glukosa
Organisme T ( o C) μ m (h -1 ) Waktu
doubling
(h)
Aspergilus niger
30
0.20
3.46
Aspergilus nidulans
20
0.090
7.72
25
0.148
4.68
30
0.215
3.23
37
0.360
1.96
Penicillium chrysogenum
25
0.123
5.65
Mucor hiemalis
25
0.17
4.1
Fusarium avanaceum
25
0.18
3.8
Fusarium graminearum
30
0.28
2.48
Verticillium agaricinum
25
0.24
2.9
Geotricum candidum
25
0.41
1.7
kembali

μ m Fusarium graminearum (glukosa, 30 C)
Substrat
Jumlah
glukosa
(unit)
μ m (h -1 )
Waktu
doubling
(h)
Glukosa
1
0.28
2.48
Maltosa
2
0.22
3.15
Maltotriosa
3
0.18
3.85
kembali