TEKNIK REAKSI KIMIA III SISTEM REAKSI BIOKIMIA. Oleh : Prof. Dr. Ir. SRI REDJEKI MT JURUSAN TEKNIK KIMIA FTI UPN Veteran JAWA TIMUR

TEKNIK REAKSI KIMIA III

SISTEM REAKSI BIOKIMIA

Oleh :

Prof. Dr. Ir. SRI REDJEKI MT

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FTI UPN “Veteran” JAWA

Sistem Reaksi Biokimia

•

 

Terdiri dari :

•

 

I. Fermentasi Enzym

•

 

II. Fermentasi Mikroorganisme

•

 

III. Fermentasi Mikroorganisme dengan

Substrat membatas.

•

 

IV. Fermentasi Mikroorganisme dengan

FERMENTASI

n 

Fermentasi terbagi atas dua bagian yaitu ;

n 

- yang dipromotori oleh substrat (sebagai

bahan utama) dan sebagai katalis :

mikroorganisme (yeast, bakteri, jamur dan

protozoa)

n 

- yang dipromotori oleh substrat (sebagai

bahan utama) dan katalis enzym (sebagai

produk dari mikroorganisme).

1. Fermentasi enzym :

Enzym, E

Bahan Organik A Produk Kimia R (1)

sebagai katalis

Kinetika

Michaelis-Menten

- r

A

= r

R

= k

A M A E

C

C

C

C

+

0

₍₃₎

dengan : r

A

= laju reaksi pengurangan substrat

r

R

= laju reaksi pembentukkan produk

k = konstanta reaksi

C

E0

= konsentrasi enzym total

C

A

= konsentrasi substrat A

Mekanisme Michaelis Menten

1

A + E X (4)

2

3

X R + E (5)

dengan ;

C

E0

= enzym total

C

E

= enzym bebas (tidak ikut bereaksi)

Sifat-sifat khusus Kinetika

M-M

k

₁

k

₃

A + E X E + P

Fermentor Batch atau Plug flow

A Ao A Ao

C

C

C

C

/

ln

= - C

M

+ k

3

C

E0

C

_A

C

_A

t

/

ln

₀

CAo A Ao A Ao C C C C / ln slope = k3 intersept CE0 A A C C t / ln ₀ -CM Gambar 6. Kurva A Ao A Ao C C C C / ln -vs CE0 A A C C t /

Fermentor Mixed flow

τ

=

A A Ao

r

C

C

=

A E A M A Ao

C

C

k

C

C

C

C

0 3

)

)(

-(

+

CA = -CM + k3 ) ( ) τ ( ₀ A Ao A E C C C C CAo CA slope = k3 0 3 k CM _k k C C_{M Ao} 3 + + + ÷ ) ( ) τ ( ₀ A Ao A E C C C C -CM Gambar 7. kurva CA vs ) ( ) τ ( ₀ A Ao A E C C C C

HAMBATAN OLEH SENYAWA

ASING

-COMPETITIVE DAN

NONCOMPETITIVE

A B A

B

-MEKANISME A DAN B

COMPETITIV

1 3

A + B X R + E (26)

2

4

B + E Y (27)

5

KINETIKA DARI HAMBATAN YANG

BERSIFAT COMPETITIV

k

1

C

Bo

C

A

k

3

C

Bo

C

A

r

R

= =

C

M

+ C

A

+ NC

Bo

C

M

C

M

(1 + NC

Bo

) + C

A

Dimana : C

M

=

,

1 3 2

k

k

k

₊

₃

m

mol

(28)

N = ,

5 4

k

k

mol

m

3

Mekanisme reaksi yang

bersifat non Competitiv

1 3 A + B X R + E (29) 2 4 B + E Y (30) 5 6 B + X Z (31) 7

Catatan : Bahwa B menyerang enzyme dengan mengabaikan apakah A menyerang atau tidak.

KINETIKA DARI HAMBATAN

YANG BERSIFAT

NONCOMPETITIV

k

3

C

Eo

C

A

r

R

= C

M

+C

A

+NC

B0

C

M

+LC

A

C

B0

C

M

=

1 3 2

k

k

k

₊

dengan ; N =

5 4

k

k

(32)

=

)

1

(

₀ 3 B

LC

k

+

.C

E0

.C

A

L =

7 6

k

k

C

M

)

1

1

(

0 0 B B

LC

NC

+

+

_{+ C}

A

Perhitungan antara hambatan

Kompetitiv dan Non Kompetitiv

secara percobaan ;

Kompetitiv NonKompetitiv

CB0=0 rendah CBo tinggi CB0=0 rendah CB0

tinggi CA0 A Ao A Ao C C C C / ln slope=k3 slope= 0 3 1 LC_B k + ÷ 0 3 k C_M 3 k C_M A A E C C t C / ln ₀ 0 + -CM -CM

Kompetitiv NonKompetitiv

CB0=0 rendah CBo tinggi CB0=0 rendah CB0

tinggi CA0 CA slope=k3 slope= 0 3 1 LC_B k + ÷ 0 3 k C_M 3 k C_M A A E C C t C / ln ₀ 0 + -CM -CM

FERMENTASI MIKROBA

_C

A C + R (33)

Dalam keadaan tertentu, kehadiran R dapat menjadi penghambat C karena

bersifat racun.

Persamaan Monod

r

C

=

M A C A

C

C

C

kC

+

(34)

r

C

= laju pertumbuhan

Fermentor Batch

konstan

mulai mati

C

C

Eksponensial

Adaptasi

Waktu

Distribusi produk dan fraksional hasil (yield)

Untuk pers stokiometri ;

c

A cC + rR

notasi singkat untuk beberapa fraksi ;

d(C terbentuk)

C/A =

φ

(C/A) = d(A terpakai)

d(R terbentuk)

R/A =

φ

(R/A) = d(A terpakai) (35)

d(R terbentuk)

Kemudian ada beberapa hubungan lagi ; R/A = R/C . C/A

(36) A/C = 1/ C/A dan

rC = (-rA) C/A

rR = (-rA) R/A (37)

rR = rC R/C

Dibuat asumsi bahwa semua nilai φ keadaan konstan. Sehingga untuk setiap

perubahan ;

Cc - Cco = C/A (CA0 – CA) atau CC = CC0 + C/A (CA0-CA)

CR – CR0 = R/A (CA0 – CA) atau CR = CR0 + R/A (CA0-CA) (38)

Bentuk kinetika yang Umum ;

r

c

= -r

A

C/A = r

r

C/R = k

obs M A C A

C

C

C

C

+

(42)

dimana ;

k

obs

= k(1 -

•

R R

C

C

)

n

Pada umumnya, reaksi dan banyaknya sel akan berjalan pelan juga, dengan

berkurangnya A atau bertambahnya R

Substrat-sebagai pembatas

Fermentasi Mikroba

r

C

= C/A (-r

A

) =

M A C A

C

C

C

kC

+

, dimana C

C

-C

Co

= C/A (C

Ao

-C

A

) (43)

Fermentor Batch atau Plug Flow

n 

-

Pada mula2, CAo tinggi, CCo rendah, dan pada akhirnya

C

A

0 maka Cc tinggi.

n 

penting untuk mengetahui nilai CA,rate max,

untuk melanjutkan ke proses kontinyu

menggunakan mixed flow

Dengan mengambil dr

_C

/dt = 0, maka rate max terjadi pada ;

Waktu operasi untuk fermentor batch

cc cc tb = τp = ∫ C C r dC = k 1 ∫ A C M A C C C C ₊ dCC cc0 cc0 CA0 - A/C (CC-CCo) cAo cAo = ∫ C A r C A dC + / = 1/k ∫ _{C A} M A C C C A C C + + / dCA cA cA CCo+ C/A (CAo-CA)

Integrasi pers diatas mendapatkan ; ktb = k τp= ( 0 0 / C A M C C A C C + + + +1) ln 0 C C C C – [ 0 0 / C A M C C A C C + + + ] ln CA/CAo (45) dengan ; CC - CC0 = C/A (CAo – CA)

mencari harga konstanta monod untuk

Fermentor Batch atau Plug flow

Metode (a). kembali ke pers.45

) / ln( _{C C0} b C C t = k M +1 ₊ k M ) / ln( ) / ln( 0 0 C C A A C C C C , dengan M = 0 0 / C A M C C A C C + + pers.46 slope = M/k ) / ln( _{C C0} b C C t intersept = k M ÷+1 ln(CAo/CA) 0 ln(CC/CCo) Gambar 14. Kurva ) / ln( _{C C0} b C C t vs ) / ln( ) / ln( 0 0 C C A A C C C C

Metode (b). pertama dapatkan r

C

dgn menggunakan dC

C

/dt, kemudian

gunakan pers Monod

C C

r

C

=

k

1

+

k

C

_M A

C

1

(47)

kemudian plot pada gambar dibawah ini ;

CC pers.47 rC slope = M/k intersept = k 1 -1/CM 0 1/CA Gambar 15. Kurva C C r C vs 1/CA

FERMENTOR MIXED FLOW

n 

Tidak ada sel pada umpan, CCo

= 0

C

Ao

C

_Co

=0

C

_Ro

=0 C

_A

C

_C

∞

C

_R

Mengambil ri dari pers. 43 hingga pers.48, akan memberikan ;

untuk istilah CA kτm = A A M C C C + _{atau C} A = 1 − m M k C τ , untuk kτm > 1 + A0 M C C Untuk istilah CC kτm = C A C M A C AC C C C C A C + − + 0 0 / ) ( / atau CC = C/A (CA0 - 1 − m M k C τ ), untuk kτm >1 + A0 M C C (49) Untuk istilah CR kτm = R A R M A C AC R C C C A R − − + 0 0 / ) ( / atau CR = R/A (CA0 - 1 _++ + +M M k C τ ) untuk, kτm >1 + _A0 M C C

mungkin tidak ada penyelesaian jika , kτm <1 +

0

A M

C C

Kinetika fermentor mixed flow

A

C

1

=

M

C

k

τ

m

- C

M

(50)

1/C

A

pers.50 slope k/C

M

ttk pembersihan

1/C

Ao

0 1/k

τ

washout

τ

m

Gambar 16. Kurva 1/C

A

vs τ

m

Jadi operasi optimum untuk

suatu fermentor mixed flow

terjadi bila ;

0 A A C C = 1 1 + N ; C mungkin opt C C C max , , = 1 + N N ; k τ opt = 1 − N N (52)

dan washout terjadi pada ;

kτwashout = 1 2 2 − N N ,

Untuk umpan mengandung C

C,

C

C0

≠

0, maka

untuk fermentor Mixed flow ;

k

τ

m

=

)

(

.

/

)

(

)

(

0 0 0 A A A A C M A A A

C

C

C

C

C

C

A

C

C

C

C

−

+

+

+

−

₍₅₃₎

PRODUK-MEMBATASI

FERMENTASI MIKROBA

r

_C

= C/R r

_R

= k(1 -

)

* R R

C

C

_n

M A C A

C

C

C

C

+

(54)

Pada persoalan khusus dengan makanan yg cukup, atau CA>> C

_M

dan n = 1,

r

R

= R/C r

C

= R/C k (1 -

)

* R R

C

C

C

C

= k (1 -

)

* R R

C

C

(C

R

-C

R0

+ R/C C

C0

(56)

Rate max diperoleh bila dr

_R

/dC

_R

= 0, penyelesaiannya memberikan ;

Fermentor Batch atau Plug flow

n=1

t

b

=

τ

p

=

R R C

r

dC

CR R

∫

0

=

∫

CR_CR0

)

/

)(

*

1

(

_{R R0 C0} R R R

CC

R

C

C

C

C

k

dC

+

−

−

atau dalam istilah produkR ;

C

_C0

+ C/R (C

_R

-C

_R0

)

k

τ

p

= k

τ

b

=

0 0

/

*

C R R R

CC

R

C

C

C

+

−

ln

(

*

)

)

*

(

0 0 R R C R R C

C

C

C

C

C

C

−

−

Pers diatas dalam bentuk grafiknya

sbb ;

luas =

τp

1/r

A

waktu

C

R

C

R0

C

R

C

R*

C

R

C

R0

0

C

C0

= 8

= 2

= 0 +

ε

rate

maksimum

t

b

atau

τ

p

FERMENTOR MIXED FLOW

UNTUK n = 1

Untuk ;-masalah dengan time lag diabaikan utk umpan sel masuk ke lingkungan baru dan utk CA0 tinggi ;

τm = CR – CR 0 = CR – CR 0 (59)

rR k 1 – CR CR – CR 0 + R/C CC 0 CR*

untuk persoalan khusus dimana CC0 = 0, CR0 = 0, pers.9 menjadi

kτm = CR* = 1 untuk kτm > 1 (60)

CR* - CR 1 – CR CR*

untuk evaluasi konstanta kinetik dari mixed

flow

1 τ m CR* CR 0 0 Slope = - CR* k Pers. 11 k washout

C

R

=

C

R*

-

C

R

1

(61)

k

τ

m

Fermentasi dgn n

≠

1 Racun membatasi

kinetika

- rR = k(1 - CR) n CC CR* CR – CR0 k τm = (CR-CR0 + R/C CC0 ) ( 1 – CR /C*R)n

Gambar 25. Perilaku mixed flow reactor dari kinetika-kinetika terpengaruh poison dari pers.62

CR* CR, opt = CR* n + 1 1 slope maksimum pers.14 CR kτm n + 1 n n

kondisi tingkat produksi maksimum;

vopt = kV n n n + 1 FR, max = (CRv)opt = kVCR*n n (n + 1) n + 1 rR, max = CR τm, opt

k

τ

m

= - log k + n log (

R R R

C

C

C

−

*

*

)

log τm slope = n 0 log R R R C C C − * * log 1/k