TEKNOLOGI PROSES HILIR

TEKNOLOGI PROSES HILIR
(DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY)

Tujuan mempelajar proses hilir:
Mengerti penerapan satuan-satuan operasi untuk
merancang proses hilir yang efektif dan efisien
Mengetahui pertimbangan-pertimbangan yang perlu untuk
memproses molekul-molekul/bahan biologis
Tujuan Proses Hilir:
Mendapatkan produk dengan
hasil/rendemen/yield tertinggi,
mutu/kualitas yang dapat diterima dan
biaya terendah

Tipe Produk Biologis:
1. Sel ⇒ PST, ekstrak khamir, vaksin, inokulum, pupuk
hayati, biokontrol, dsb.
2. Protein
⇒ Enzim : Amilase, Lipase, Protease
⇒ Hormon
Hormon)
: Insulin, HGH (Human Growth
⇒ Lain-lain
factor VIII
: tpA (tissue plasminogen Activator),
3. Polisakarida ⇒ Xantan, Hyaluronic acid
4. Molekul-Molekul Organik
⇒ Antibiotik : Penisilin, Tetrasiklin
⇒ Pelarut Organik : Aseton, Butanol, Etanol
⇒ Asam Organik : Asam Sitrat

Karakteristik Produk Biologis
• Sensitif
– suhu : < 60 o C
– pH
– Oksidasi
– Tegangan geser (shear)
• Campuran Heterogen
– Mengandung kontaminan dengan sifat fisikokimia mirip dengan
produk : toksin, pyrogen, lipopolisakarida
• Produk terkadang toksik
– Sel Aspergillus niger, Clostridium
– Debu protein/protease
• Konsentrasi produk rendah
• Tidak stabil
– Enzim yang dihasilkan dapat mendegradasi produk lain
– Penambahan anti foam mempersulit proses hilir
• Diperlukan kemurnian yang tinggi untuk beberapa
pemakaian

Pertanyaan dalam pengambilan keputusan
Proses Hilir yang akan dipilih
• Nilai ekonomi produk?
• Kualitas produk yang dapat diterima?
• Lokasi produk dalam campuran komplek?
• Lokasi kontaminan?
• Sifat-sifat fisik dan kimia produk dan kontaminan?
• Biaya macam-macam pilihan proses hilir?
Biaya Proses Hilir ⇒ 60 – 90 % Total
Biaya

Urutan Proses Hilir untuk
Produk Biologis
1. Perlakuan pendahuluan
⇒ pemecahan sel, stabilisasi, sterilisasi, pasteurisasi,
flokulasi
2. Pemisahan cairan-padatan
⇒ sedimentasi, filtrasi, sentrifugasi
3. Pemekatan
⇒ membran, presipitasi, evaporasi, ekstraksi,
pemekatan beku
4. Pemurnian
⇒ presipitasi, ekstraksi, diafiltrasi. Adsorbsi,
kromatografi
5. Formulasi
⇒ pengeringan, granulasi, tableting, ekstruksi,
prilling

Tiga Sektor Pasar Produk
Bioteknologi:
1. Protein terapeutik seperti factor VIII dan urokinase
Harga jual produk bisa s/d 10 9 US$/kg
Tapi volume pasarnya rendah
Factor VIII diperlukan di dunia hanya 0.1 – 1
kg/tahun. Bandingkan dengan penisilin yang
diperlukan 1.5 x 10 7 kg/th.
2. Enzim diagnostik dan antibody monoclonal.
Insulin, luciferase, glycerophosphate dehydrogenase
3. Produk-produk curah industri
Ex.: Antobiotik, protease, amilase, asam-asam organik,
etanol

Karakteristik Bioproses
Karakteristik Sektor 1 Sektor 2 Sektor 3
Volume
0.1 – 10 5 kg/th
10 3 –10 5 kg/th
10 6 –10 9 kg/th
Mikroorganisme
Rekombinan
Sebagian
rekombinan
Tipe liar/alami
Kemurnian
produk
Sangat tinggi
Tinggi
Relatif rendah
Rendemen
Harga/ongkos
Kurang penting
Dipengaruhi oleh
proses hilir
Penting 20 – 50%
Dipengaruhi
bahan baku
Sangat penting
50 – 90 %
dipengaruhi
bahan baku
Teknologi
Affinity
kromatografi,
elektroforesis
Kromatografi,
adsorbsi,
membran
Filtrasi, ekstraksi,
adsorbsi,
presipitasi,
evaporasi,
membran

Faktor yang dimanfaatkan
untuk pemisahan:
1. Ukuran
Ex.: filtrasi, mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan kromatografi
gel
2. Difusifitas
Ex.: reverse osmosis, dialysis
3. Muatan ion
Ex.: pertukaran ion
4. Kelarutan/solubility
Ex.: ekstraksi menggunakan pelarut
5. densitas/massa jenis
ex.: sedimentasi, sentrifugasi, untrasentrifugasi

FILTRASI
• Medium filter yang umum:
Canvas, wool, tenunan sintetis, logam atau serat
gelas
• Pretreatment yang sering dilakukan:
– pemanasan
– koagulasi/flokulasi dengan asam/basa, polielektrolit
sintetis (polyamin, polyacrylamide), garam (FeCL3,
Borat)
- Filter aids (diatomae, perlit, bentonit

FILTRASI

ROTARY DRUM VACUM FILTER

SENTRIFUGASI
• Keuntungan/Kelebihan:
Lebih efektif bila partikel padatan lebih kecil dan
sulit disaring/tidak mungkin disaring
• Kelemahan:
lebih mahal
• Prinsip kerja : memanfaatkan perbedaan
densitas antara padatan dan cairan, dan gaya
sentrifugal

SKEMA SENTRIFUGE

INDUSTRIAL CENTRIFUGE

PEMECAHAN SEL
• untuk penglepasan komponen intraseluler
• Pemecahan Sel:
• Mekanis
– homogeniser
– bead mill
• Non-mekanis
– fisik (rejatan panas)
– kimia (deterjen, pelarut, EDTA)
– enzimatis

Bead Mill
• Grinding silinder dengan impeller
• Terbuat dari baja atau gelas
• berisi manik-manik (±80 %) terbuat dari:
zirconium oxida
zirconium silicat
titanium carbid
kaca
alumina keramik

INDUSTRIAL BEAD MILL

Homogenizer
• pompa bertekanan tinggi (200 – 1000 bar)
yang menekan suspensi sel melalui lubang
berkatup

HOMOGENIZER

ULTRASONIKASI
• Ultrasonikator membangkitkan gelombang
suara diatas 16 kHz yg menyebabkan
gelombang shock. Umum digunakan pd
skala lab tapi tidak praktis dan mahal utk
skala besar.

Pemecahan Sel Secara Non-
Mekanik
Rejatan panas (heat shock)→ thermolysis
• mudah dan murah
• hanya untuk produk yang tahan panas
• efektifitas tergantung kepada pH, kekuatan
ion, keberadaan bahan pemisah seperti EDTA,
bahan pengkelat yang mengikat ion tertentu
seperti Mg2+
• Rendemen s/d 90 % (biasanya 60 – 80%)

Cara kimia (Chemical Cell Lysis)
* penambahan surfaktant/deterjen seperti
Triton X-100, SDS, sodium sulfonat
* penambahan pelarut organik seperti octanol,
aseton, toluen utk merusak dinding sel
* Penambahan alkali utk menyabunkan dinding
sel
Kelemahan cara kimia ini:
• mempengaruhi/mengkontaminasi produk
• mempengaruhi proses hilir dan
rendemen

Biologis/Enzimatis
• penambahan lysozim untuk menghancurkan
dinding sel
• Enzim lain yang digunakan:
– Glucanase, Mannase, Protease → untuk yeast
– Pektinase dan Selulase → untuk sel tanaman
• Konsumsi energi rendah, reaksi spesifik, resiko
produk rusak kecil, ramah lingkungan, tapi
mahal.

EKSTRAKSI
• Proses pemisahan bahan terlarut dalam
larutan umpan dengan cara kontak
dengan cairan pelarut lain.
• Setelah ekstraksi, fase kaya pelarut
disebut ekstrak, sedangkan cairan residu
yang bahan terlarutnya telah diekstraksi
→ raffinat

EKSTRAKSI

PURIFIKASI
Setelah produk dipanen dan diisolasi,
selanjutnya produk dapat dimurnikan.
Pemurnian dapat dilakukan dengan presipitasi,
kromatografi, elektroforesis dan ultrafiltrasi
• Presipitasi
Presipitasi yg umum dilakukan untuk pemurnian
protein dan antibiotik, dapat dilakukan dengan
penambahan garam, pelarut organik atau panas.

KROMATOGRAFI
• Larutan yg mengandung beberapa bahan
terlarut diinjeksikan pada satu ujung kolom, dan
eluent membawa larutan melewati fase diam ke
ujung kolom. Tiap bahan terlarut bergerak pada
laju yg proporsional dg afinitas relatifnya thd
fase diam dan keluar pada ujung kolom sebagai
band yg terpisah
• Tergantung pd tipe adsorben atau interaksi
bahan terlarut dengan adsorben, kromatografi
dipisahkan atas kromatografi adsorpsi,
pertukaran ion, affinitas, dan filtrasi gel.

Gel Filtration Chromatografi

Ion Exchange Chromatography

Affinity Chromatography

INDUSTRIAL CHROMATOGRAPHY