Waktu Penggandaan sel

Organisme Waktu Penggandaan sel

Bakteri dan khamir Kapang dan Alga Rumput Ayam Babi Sapi muda Manusia (muda) 20-120 menit 2-6 jam 1-2 minggu 2-4 mingu 4-6 mingu 1-2 bulan 3-6 bulan

Skema Umum Proses Kultivasi

Bioreaktor Pengembangan Inokulum

Stok

Kultur Labu

Kocok Bioreaktor _Inokulum

Sterilisasi Media

Formulasi Media

Bahan Baku Media

Cairan Fermentasi Biomassa Pemisahan Sel Supernatan Bebas Sel Ekstraksi Produk Pemurnian Produk Pengemasan produk Penanganan Limbah Cair



Metode kultivasi berdasarkan cara operasi bioreaktor :



-

nir sinambung/curah

(batch)

-

sinambung

(continuous)

-

semi sinambung

(fed- batch)

METODE KULTIVASI

Pelaksanaan kultivasi :

 Bioreaktor steril diisi dengan media segar steril lalu

diinokulasi dengan inokulum  KULTIVASI (merupakan sistem tertutup)

 Pada akhir kultivasi, isi bioreaktor dikeluarkan untuk dilakukan pemanenan produk (proses hilir)

 Bioreaktor selanjutnya dibersihkan dan disterilisasi untuk digunakan pada kultivasi berikutnya

Penyiapan/pembersihan bioreaktor repot

Kultur Curah

:

1. Kultur curah merupakan cara yang paling sederhana, sehingga menjadi titik awal untuk studi kinetika kultivasi

2. Resiko kontaminasi rendah

3. Konsentrasi produk akhir lebih tinggi

4. Tidak perlu mikroba dengan kestabilan tinggi krn waktu kultivasinya pendek

5. Dapat untuk fase fermentasi yang berbeda pada bioreaktor

yang sama (Contoh : pertumbuhan sel pd fase eksponensial & pembentukan produk pd fase stasioner = metabolit sekunder 6. Pada industri farmasi, semua bahan-bahan yang digunakan

harus diketahui dengan tepat, sehingga lebih praktis dengan proses curah

7. Dari aspek rekayasa bioproses, kultur curah lebih fleksibel dalam perencanaan produksi, terutama untuk memproduksi beragam produk dengan pasar kecil

8. Kelemahan : Terakumulasi produk yang dapat menghambat pertumbuhan

Kurva Pertumbuhan

Bila sel ditumbuhkan pada kultur curah, maka sel akan tumbuh dengan melalui : fase lag, fase eksponensial (fase log), fase stasioner dan akhirnya fase kematian

Lag _{Eksponensial Stasioner Kematian}

Waktu Lo g Jm l Sel/ml Ln X (g /l)

‘Viable cell count’ dg lisis sel Lisis sel, diikuti

 Fase Eksponensial :

 Keterangan :

X = konsentrasi biomassa di dalam bioreaktor (g/l bobot kering)

µ = laju pertumbuhan spesifik (jam-1₎

t = waktu (jam)

 Model pertumbuhan mikrobial ini dikenal sebagai

 Mengapa populasi sel meningkat dengan cara eksponensial ?

 Perhatikan sel tunggal di dalam b i o r e a k t o r  Sel ini membelah diri tiap jam (pembelahan biner).

 Populasi sel pada tiap waktu generasi dapat digambarkan sbb.

Bila 1 sel membelah menjadi 2 sel  2  4  8 …. dst 1  21  ₂2  ₂3  ₂4 …………..  ₂n _{= N (jumlah}

sel)

Aplikasi Kultur Curah

:

• Digunakan untuk memproduksi biomassa, metabolit primer dan metabolit sekunder

• Untuk produksi biomassa  digunakan kondisi kultivasi yang mendukung pertumbuhan biomassa, sehingga mencapai

maksimal

• Untuk prodiksi metabolit primer  kondisi kultivasi harus dapat memperpanjang fase eksponensial yang dibarengi dengan

sintesis produk

• Untuk produksi metabolit sekunder  kondisi kultivasi harus dapat memperpendek fase eksponensial dan memperpanjang fase stasioner

KULTUR SINAMBUNG

 Media segar secara kontinyu ditambahkan ke dalam bioreaktor, dan pada saat yang bersamaan cairan kultivasi dikeluarkan (Sistem Terbuka)

 Sel mikroba secara kontinyu berpropagasi menggunakan media segar yang masuk, dan pada saat yang bersamaan produk, produk samping metabolisme dan sel dikeluarkan dari bioreaktor  volume tetap

 Bioreaktor kultur sinambung membutuhkan lebih sedikit pembersihan dibandingkan sistem curah.

 Dapat menggunakan Sel mikroba imobil untuk

memaksimumkan waktu tinggalnya (retensi), sehingga meningkatkan produktivitasnya.

Imobilisasi sel : penempatan mikroba pada ruang/daerah tertentu, sehingga dapat mempertahankan kestabilannya & dapat digunakan berulang-ulang (contoh :

Kultur Sinambung

Kelebihan :

1. Produktivitas lebih tinggi, penyebab :

- lebih sedikit waktu persiapan bioreaktor per satuan produk yang dihasilkan

- laju pertumbuhan & konsentrasi sel dapat dikontrol  dengan mengatur laju dilusi

- pemasokan oksigen dan pembuangan panas dapat diatur

Dengan demikian hanya butuh pabrik lebih kecil (pengurangan biaya modal untuk fasilitas baru)

2. Dapat dijalankan pada waktu yang lama

3. Cocok untuk proses yang resiko kontaminasinya rendah (contohnya penanganan limbah cair) & produk yang

berasosiasi dengan pertumbuhan

4. Pemantauan dan pengendalian proses lebih sederhana 5. Tidak ada akumulasi produk yang menghambat

Kultur Sinambung

Dengan mengontrol laju dilusi  dimungkinkan untuk mempertahankan laju pertumbuhan spesifik yang optimal untuk pembentukan produk

Kelemahan :

 Aliran umpan yang lama  resiko kontaminasi besar (operasi harus hati-hati & desain peralatan lebih baik)

 Peralatan untuk operasi dan pengendalian proses harus bisa tetap bekerja baik untuk waktu yang lama

 Memerlukan mikroba dengan kestabilan genetik tinggi, karena akan digunakan pada waktu yang lama

 Terjadinya degenerasi galur mikroba yang digunakan akibat mutasi spontan menyebabkan penurunan produk yang

dihasilkan

 Sebaiknya ada konsumen/permintaan yang tetap terhadap produk spy efisien

Kultur Sinambung :

Start-Up

 Kultivasi sinambung diawali dengan kultivasi curah

 Setelah kultur mencapai fase eksponensial, lalu umpan dimasukkan

 Bila komposisi media saat start-up sama dengan umpan, perubahan dari curah ke sinambung menyebabkan

konsentrasi sel atau produk berosilasi (A)  penyebab : kultur mikroba mengalami hambatan oleh substrat)

 dicegah dengan komposisi media saat start-up 1/2 umpan

(B)

 Penambahan umpan dilakukan kira-kira setelah kons sel ½ kons sel saat “steady-state” (biomassa, substrat & produk tidak berubah dan laju metabolisme sel kontan)

A B

Waktu Waktu

Kons Sel

Kons

Kultur Sinambung :

 Model hubungan laju pertumbuhan sel dgn konsentrasi substrat pada kultivasi sinambung  Model MONOD

µ = S

µ_maks K_S + S

Keterangan :

µ = laju pertumbuhan spesifik (jam-1₎

µ_maks = laju pertumbuhan spesifik maksimum (jam-1₎

S = konsentrasi substrat pembatas (g/l)

K_S = kons substrat (g/l) pada saat ½ laju pertumbuhan spesifik

maksimum  menggambarkan efisiensi mikroba dalam

Aplikasi Kultur Sinambung :

 Digunakan untuk penelitian fisiologi dan biokimia mikroba,

dikarenakan kondisinya mantap, laju pertumbuhan dapat diatur oleh laju alir dan laju pertumbuhan dibatasi oleh konsentrasi substrat

pembatas  dapat digunakan untuk penelitian pengaruh substrat pembatas thd kinerja mikroba, untuk perbaikan sistem curah/semi sinambung

 Untuk isolasi dan seleksi mikroba penghasil enzim menggunakan media diperkaya

 Untuk produksi biomassa, contoh ICI (Imperial Chemical Industries, kapasitas bioreaktor 3000 m3_{, substrat metanol)}

 Untuk produksi bir menggunakan bioreaktor menara (tower bioreactor)

KULTUR SEMI SINAMBUNG (FED-BATCH)

 Media segar ditambahkan ke dalam bioreaktor tanpa pengeluaran isi bioreaktor.

 Pada kultur

fed batch

, media segar ditambahkan ke dalam bioreaktor tanpa pengeluaran isi bioreaktor secara kontinyu.

 Harus disediakan ruang dalam bioreaktor untuk penambahan media

 Pada saat isi bioreaktor penuh, bioreaktor dikosongkan, baik sebagian atau seluruhnya dan proses dimulai kembali.

 Dapat mengurangi efek represif sumber karbon akibat

penggunaan kons substrat yang tinggi dan mempertahankan kapasitas aerasi dalam bioreaktor

Aplikasi Kultur Semi Sinambung (Fed-Batch)

 Untuk produksi antibiotika penisilin (metabolit sekunder)

 - kultivasi 2 tahap : fase pertumbuhan sel cepat dan fase produksi yang diatur dengan mengatur umpan substrat glukosa - Na-fenilasetat (prekursor) toksik thd

Penicillium chrysogenum

 pengumpanan harus diatur

 Untuk memproduksi enzim yang rentan thd represi katabolit Contohnya : selulase oleh

Trichoderma reesei

Kultur Curah Semi Sinambung Kultur Sinambung Aliran masuk (F_in) Aliran keluar (F_out)

F_in = F_out = 0 F_in> 0, F_out = 0 F_in = F_out > 0

Volume kultur Konstan Meningkat Konstan

Pengendalian kons substrat Tdk mungkin (menurun) Mungkin (konstan) Mungkin (konstan) Konsentrasi Sel Rendah

(<5 g/l) Kons. tertentu (> 100 g/l) Kons. tertentu Konsentrasi produk Meningkat s.d tk rendah Meningkat s.d tk tinggi Konstan Kemudahan bagi pengguna

Mudah Agak mudah Sulit

Bahaya

kontaminasi

Tidak serius Tidak serius Serius