Rekayasa Bioproses Dalam Bioteknologi

(1)

(2)

BIOTECHNOLOG

Y

IS

MAKING BUCKS FROM BUGS

(3)

MENGENAL BIOTEKNOLOGI

Bioteknologi ??

Organization for Economic Cooperation and Development

“Penerapan

“Penerapan prinsip sains (prinsip sains (sciencescience) dan rekayasa () dan rekayasa (engineeringengineering) untuk) untuk

penanganan dan pengolahan bahan dengan bantuan

penanganan dan pengolahan bahan dengan bantuan agenagen biologisbiologis gunaguna

menghasilkan

menghasilkan barang dan jasabarang dan jasa””

Office of Technology Assesment of US Congress

“

“Teknik pendayagunaan organisme hidupTeknik pendayagunaan organisme hidup atau bagiannya untuk membuatatau bagiannya untuk membuat

atau memodifikasi suatu produk; meningkatkan/ memperbaiki sifat

atau memodifikasi suatu produk; meningkatkan/ memperbaiki sifat tanaman

tanaman atauatau hewanhewan; atau mengembangkan; atau mengembangkan mikroorganismemikroorganisme untukuntuk penggunaan khusus”

penggunaan khusus”

European Federation of Biotechnology

“

“Penggunaan terpaduPenggunaan terpadu biokimia, mikrobiologi, dan ilmu-ilmu keteknikanbiokimia, mikrobiologi, dan ilmu-ilmu keteknikan

dengan bantuan mikroba, bagian-bagian mikroba, atau sel dan jaringan

organisme yang lebih tinggi dalam

organisme yang lebih tinggi dalam penerapannya secara teknologis danpenerapannya secara teknologis dan industri

industri””

Biotechnology Industry Organization

“

“Penggunaan proses-proses biologisPenggunaan proses-proses biologis umumnya, proses-proses seluler danumumnya, proses-proses seluler dan

molekuler khususnya, untuk

molekuler khususnya, untuk memecahkan masalah-masalahmemecahkan masalah-masalah atauatau membuatmembuat produk

(4)

Sejarah Perkembangan Bioteknologi

ERA PRA PASTEUR (SEBELUM 1857 M)

(Makanan dan minuman terfermentasi tanpa pengetahuan biologi

(Makanan dan minuman terfermentasi tanpa pengetahuan biologi 

kearifan tradisional (

kearifan tradisional (indogenous knowledge indogenous knowledge ))

•

•8000 8000 SM SM : : manusia manusia mulai mulai bertani bertani dan dan beternakbeternak

•

•4000-2000 4000-2000 SM: SM: teknologi teknologi fermentasi fermentasi pembuatan pembuatan bir, kebir, keju, dan ju, dan rotiroti

oleh

oleh bangsa bangsa Mesir, Mesir, China China dan dan Sumeria Sumeria di di Babylonia.Babylonia.

di Indonesia dikenal tape, tuak, dadih, tempe, oncom

dan kecap.

di Jepang dikenal minuman sake

•

•Abad Abad ke-14 ke-14 : : distilasi distilasi untuk untuk menghasilkan menghasilkan minuman minuman beralkoholberalkohol

tinggi di Cina

(5)

Sejarah Perkembangan Bioteknologi (lanjutan)

ERA PASTEUR (1857

ERA PASTEUR (1857 –– 1940)1940)

(Louis Pasteur (1957)

(Louis Pasteur (1957) membuktikan bahwa mikroba adalmembuktikan bahwa mikroba adalah penyebabah penyebab

fermentasi dalam proses p

fermentasi dalam proses pembuatan minuman beralkohol, dan kerusakanembuatan minuman beralkohol, dan kerusakan

pangan.

pangan. Ditandai denDitandai dengan dihasilkagan dihasilkannya pelannya pelarut organik (arut organik (aseton, butanol,seton, butanol,

etanol), asam organik (asam sitrat) dan gliserol )

•

•1865 1865 : : Gregor Gregor Mendel Mendel (Austria) (Austria) mengumumkan mengumumkan teori teori hereditashereditas

Mendel

•

•1865-1940 1865-1940 : : teknologi teknologi pembuatan pembuatan etanol, etanol, butanol, butanol, aseton,aseton,

gliserol, asam-asam organik

•

•1914 1914 : : penggunaan penggunaan lumpur lumpur aktif aktif untuk untuk penanganapenanganan n limbah limbah caircair

Manchester

•

(6)

Sejarah Perkembangan Bioteknologi (lanjutan)

ERA ANTIBIOTIKA (1940

ERA ANTIBIOTIKA (1940 _–_– 1960)1960)

(Riset pada tahun 1920

(Riset pada tahun 1920 –– 1940 menghasilkan pengertian yang lebih baik1940 menghasilkan pengertian yang lebih baik

tentang biologi, pengetahuan tentang enzim sebagai katalis, dan gen

mengkodekan suatu enzim)

•

•1942 1942 : : Industri Industri antibiotika antibiotika (penicillin, (penicillin, streptomycin, streptomycin, erythromycinerythromycin))

•

•1944 1944 : : Avery,Avery, et al.et al. menemukan DNA sebagai pembawa menemukan DNA sebagai pembawa informasiinformasi

genetik

•

•1953 1953 : Jame: James s Watson Watson dan dan Francis Francis Crick Crick mempublikasikan mempublikasikan strukturstruktur

DNA dalam jurnal Nature

ERA PASCA ANTIBIOTIKA (1960 - 1975)

Pengetahuan metabolisme mikroba menghasilkan :

•

• glutamat (MSG) Asam glutamat (MSG) Asam amino amino : lysin : lysin dan asamdan asam

•

• Enzim Enzim : : protease protease untuk untuk industri industri deterjendeterjen

•

(7)

Sejarah Perkembangan Bioteknologi (lanjutan)

ERA BIOTEKNOLOGI MODERN (mulai 1970)

•

• 1973 1973 : Stanley : Stanley Cohen Cohen dan dan Herbert Herbert Boyer Boyer berhasil berhasil memotong memotong dandan

menyambung DNA dan menghasilkan DNA baru (lahirnya

rekayasa genetika)

•

• 1978 1978 : produksi : produksi hormon hormon insulin insulin dari dari mikroba mikroba terekayasaterekayasa

•

• 1981 1981 : hewan : hewan transgenik transgenik pertama pertama (tikus) (tikus) oleh oleh ilmuwan ilmuwan Ohio Ohio UniversityUniversity

•

• 1982 1982 : : tanaman tanaman transgenik transgenik pertama pertama (Petunia)(Petunia)

•

• 1997 1997 : kl: kloning oning domba domba Dolly Dolly di di SkotlandiaSkotlandia

•

• 2000 2000 : : Transgenic Transgenic rice rice (Golden (Golden Rice)Rice)

•

• 2003 2003 : : Domba Domba Dolly Dolly mati mati karena karena sakit sakit paru paru paruparu

•

(8)

Ruang lingkup bioteknologi

Bioteknologi Bioteknologi Pertanian Pertanian Lingkungan Lingkungan Kesehatan/obat-obatan Kesehatan/obat-obatan Energi Energi Bahan-bahan kimia Bahan-bahan kimia

Pangan (makanan dan minuman)

Material Baru

(9)

Bioteknologi Pertanian

Penyediaan galur-galur baru

Kultur jaringan untuk penyediaan bibit unggul

Hormon pertumbuhan, PST, vaksin

Bioinsektisida/biopestisida, biofungisida,

bioherbisida

Pupuk biologis, “mikoriza” dan rhizobium

Bioteknologi Lingkungan

Pengolahan limbah secara biologis

Pembangunan bioindustri yang

Pembangunan bioindustri yang bersahababersahabatt

dengan lingkungan (minimum air, energi dan

limbah)

(10)

Bioteknologi Energi

Gasohol/Biofuel Gasohol/Biofuel Biogas Biogas

Bioteknologi Bahan-Bahan Kimia

Asam-asam organik, pelarut-pelarut organik

Asam-asam amino, enzim

Biosensor

(11)

Bioteknologi Kesehatan dan Obat-Obatan

Insulin Insulin Interferon Interferon Vaksin Hepatitis B Vaksin Hepatitis B

Vaksin flu burung, dll.

Lebih dari 250 juta orang

Lebih dari 250 juta orang di dunia telah tertolong olehdi dunia telah tertolong oleh

lebih dari 117

lebih dari 117 obat-obatan dan vaksin.obat-obatan dan vaksin.

Lebih dari 400 jenis

Lebih dari 400 jenis obat-obatan dan vaksinobat-obatan dan vaksin  mengatasimengatasi

200 penyakit (kanker, jantung, alzheimer, diabetes,

arthritis, AIDS, dll.

(12)

Bioteknologi Pangan (Makanan Bioteknologi Pangan (Makanan

dan Minuman)

PST PST Produk-Produk Fermentasi Produk-Produk Fermentasi

Pewarna, Zat Aroma Pangan

HFS (

HFS (High Fructose Syrup High Fructose Syrup ))

Bioteknologi Material Baru

Bioplastik (PHA dan PLA)

Biochip

Dll.

(13)

Bioteknologi

komoditi bernilai ekonomi tinggi

Di AS

Di AS  penjualan dari subsektor bioindustri meningkat daripenjualan dari subsektor bioindustri meningkat dari

US$

US$ 7.7 7.7 billion billion (1994) (1994) menjadi menjadi US$ US$ 45.3 45.3 billion billion (2006)(2006)

Investasi pada subsektor bioindustri

membumbung tinggi dari US$ 45 billion

(1994)

(14)

REKAYASA BIOPROSES

(BIOPROCESS ENGINEERING)



Rekayasa biokimia/bioproses berkaitan

dengan aplikasi proses biologis pada

skala industri.



Bidang ini menghubungkan ilmu-ilmu

biologi (bilogical siences) dengan

rekayasa kimia

(15)

KETERANGAN: KETERANGAN:

A

A = = BIOLOGICAL BIOLOGICAL SCIENCES SCIENCES (ILMU(ILMU

HAYATI/BIOLOGI)

B

B = = CHEMISTRY/PROCESS CHEMISTRY/PROCESS SCIENCES SCIENCES (ILMU (ILMU KIMIA/PROSESKIMIA/PROSES))

C

C = = ENGINEERING ENGINEERING (REKA(REKAYYASA/KETEKNIKAN)ASA/KETEKNIKAN)

AB

AB = = BIOCHEMISTRY BIOCHEMISTRY (BIOKIMIA)(BIOKIMIA)

BC

BC = = CHEMICAL/PROCESS CHEMICAL/PROCESS ENGINEERIENGINEERING NG (REKA(REKAYYASAASA

PROSES/TEKNIK KIMIA)

AC

AC = = BIOENGINEERIBIOENGINEERING NG (REKA(REKAYYASA/TEKNIK ASA/TEKNIK BIOLOGI)BIOLOGI)

ABC

ABC = = BIOCHEMICAL/BIOBIOCHEMICAL/BIOPROCESS PROCESS ENGINEERING ENGINEERING (REKA(REKAYYASAASA

BIOKIMIA/REKAY

(16)

REKAYASA BIOPROSES



Rek

Rekayasa proses merupakan bagian y

ayasa proses merupakan bagian y

ang

terintegrasi dan tak terpisahkan dari

bioteknologi.



Rek

Rekayasa bioproses

ayasa bioproses secara umum dapat

secara umum dapat

didefinisikan sebagai penerapan

prinsip-prinsip keteknikan untuk merancang bangun,

prinsip keteknikan untuk merancang bangun,

mengoperasikan dan mengendalikan, serta

menganalisa proses-proses biologis.



(17)

REKAYASA BIOPROSES



Proses-proses biologis tersebut dapat

berupa

pembentukan produk yang diinginkan atau

penghancuran bahan-bahan yang tidak

diinginkan dari skala laboratorium

sampai ke

skala i

(18)

REKAYASA BIOPROSES

Dengan

batasan

tersebut

maka

rekayasa

bioproses meliputi :

1. Proses Hulu



Optimasi/manipul

asi

media dan lingkungan

pertumbuhan untuk memberikan hasil yang

maksimal;



P

erancangan, pengoperasian

dan pengendalian

proses dan bioreaktor;



(19)

REKAYASA BIOPROSES

2. Proses Hilir



Proses hilir untuk pemanenan dan pemurnian

produk (pemisahan, ekstraksi, isolasi,

purifikasi, dan formulasi produk)

3. Scale Up



Transport phenomena



P

engandaan skala

engandaan skala dari skala

dari skala

laboratorium ke

skala pilot plant dan skala industri.

(20)

Typical Bioprocess

Stock Stock culture culture Shake flask Shake flask Seed fermenter Seed fermenter Raw materials Raw materials Medium formulation Medium formulation Sterilization Sterilization Computer control Computer control Production fermenter Production fermenter Air Air Recovery Recovery Purification

Purification ProductsProducts

Effluent treatment Effluent treatment Microorganism Microorganism cell preparation cell preparation Medium Medium preparation preparation

(21)

TYPICAL BIOPROCESS FLOW SHEET

RAW MATERIAS RAW MATERIAS

Nutrients and Reactants Nutrients and Reactants

in Aqueous Solution in Aqueous Solution (may contain insoluble (may contain insoluble organic and/or inorganic organic and/or inorganic

Air Air CELL SEPARATION CELL SEPARATION 1). CELL DISTRUPTION 1). CELL DISTRUPTION 2). PRODUCT EXTRACTION 2). PRODUCT EXTRACTION PRODUCT PRODUCT CONCENTRATION CONCENTRATION PROCESS PROCESS FINAL PRODUCT FINAL PRODUCT DRYING DRYING PURIFICATION PURIFICATION PRODUCT PRODUCT SEPARATION SEPARATION PREPARATION PREPARATION OF BIOMASS OF BIOMASS Innoculum Stages Innoculum Stages FOAM CONTROL FOAM CONTROL Antifoam Addition Antifoam Addition pH CONTROL pH CONTROL Acid-Alkali Addition Acid-Alkali Addition Extracellular Extracellular product product Intracellular Intracellular product product STERILIZATION STERILIZATION BIOREACTOR BIOREACTOR Free Cells, Free Cells, Immoblized Cells Immoblized Cells or or Enzyme Bioreactor Enzyme Bioreactor PRODUCT RECOVERY PRODUCT RECOVERY

(22)