kimetika pertumbuhan sel
Post on 29-Nov-2015
67 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Kinetika Pertumbuhan
Sel
Oleh:Dewi A
Mariatul KSisca Amelia
Wahdah Mudrikah
Kinetika pertumbuhan
Sel
Definisi
Pertumbuhan sel
Kultur
Kultur batch
Kultur kontinu
Kultur fed-batch
Kultur feed-back
Faktor-faktor yang
mempegaruhi
Kinetika Pertumbuhan Sel
Suatu rangkaian reaksi kimia yang mengendalikan sintesis penyusunan biomass
yang diperoleh pada akhir biakan secara menyeluruh yang mengikuti prinsip kekekalan
massa
“Massa dari suatu sistem tertutup akan konstan meskipun terjadi berbagai macam proses/reaksi di dalam sistem tertutup” (Hk. Lavoiser)
O Digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat pertumbuhan mikroorganisme.
Pertumbuhan SelO Pertumbuhan sel merupakan
penambahan semua komponen sel secara teratur
O Pertumbuhan sel berlangsung selama nutrisi masih cukup tersedia
KULTUR BATCH
Kultur Batch adalah sistem kultur tertutup yang awalnya diisikan sejumlah nutrisi yang terbatas
Prinsip Kultur BatchBahan media dan inokulum dalam waktu yang hampir bersamaan di masukan ke dalam bioreactor, dan pada saat proses berlangsung akan terjadi terjadi perubahan kondisi di dalam bioreactor (nutrient akan berkurang seiring menghasilkan produk serta limbah), tanpa penambahan medium baru.
Mikroba dalam sistem tertutup mengalami 4 fase pertumbuhan :
1. Fase lag2. Fase eksponensial3. Fase stasioner4. Fase kematian
Kinetika Pertumbuhan Sel pada kultur Batch
1. Lag PhaseO Periode di mana tampak bahwa tidak
ada pertumbuhan terjadi atau merupakan masa adaptasi
O Pemberian inokulum yang sesuai dapat mengurangi Lag phase
2. Log or Exponential Phase
O Periode di mana laju pertumbuhan sel secara bertahap meningkat , sel-sel tumbuh dengan konstan, dan maksimum
O Populasi mikroba mengalami pembelahan paling tinggi dan konstan dalam waktu generasi yang pendek
O Waktu generasi mikroba merupakan waktu yang dibutuhkan sel mikroba untuk membelah menjadi 2 sel
Rumus pertumbuhan mikroba
O Nt = jumlah sel setelah tumbuh selama waktu t
O t = waktu pertumbuhan selama fase eksponensial
O No= jumlah sel mula-mula selama fase eksponensial
O 2 = bilangan tetap (pembelahan biner)
O n = jumlah generasi (pembelahan)
Nt = No2n
O Biomass dapat dihitung melalui konstanta kecepatan pertumbuhan spesifik (µ), berikut :
O Dengan demikian , setelah waktu tertentu laju pertumbuhan kultur menurun hingga pertumbuhan berhenti .
O Penghentian pertumbuhan mungkin karena menipisnya beberapa nutrisi penting dalam media ( pembatasan substrat ) akumulasi beberapa Produk autotoxic dari organisme dalam medium ( pembatasan toksin ) atau kombinasi dari keduanya.
3. Stationer PhaseO Fase stasioner dalam kultur batch titik di
mana tingkat pertumbuhan menurun ke nol O Jumlah pembelahan sel dengan sel yang
mati seimbang yang disebut dengan fenomena pertumbuhan kriptik, sehingga jumlah sel relatif konstan (pertumbuhan = 0)
O Metabolit sekunder banyak dihasilkan mikrobia pada phase ini
Zone A-B O pada fasa stasioner,
peningkatan initial substrate konsentration sebanding dengan peningkatan biomass yang diproduksi.
Zone B-CO Utilization dari substrate
menyebabkan gangguan pada sisa racun dan ketersediaan sustrate lain
Zone C-DO Peningkatan initial substrate
consentration tidak mempengaruhi penambahan biomassa. Pada zona ini terjadi pembuangan substrate lain atau sisa-sisa racun dari produk
Penurunan laju pertumbuhan dan penghentian pertumbuhan,
disebabkan oleh pengurangan substrat
Hubungan antara µ dan residual growth limiting substrat :
Alasan terjadinya fase stasioner
O Terbatasnya nutrisi essensial dalam kultur yang mulai berkurang
O Bagi organisme aerobik, O2 dalam medium mulai berkurang
O Banyaknya sisa metabolisme yang tertimbun dalam medium kultur sehingga pertumbuhan mikroba terhambat
4. Death PhaseO Peride dimana terjadi perubahan
lingkungan menjadi tidak menguntungkan
O Sel mikroba yang mati akan mengalami lisis
Keuntungan dan Kerugian
O KeuntunganO Mudah dalam proses sterilisasi dan
pengontrolan alatO Resiko kontaminasi rendah
O KerugianO Pada penelitian Natalia Hariani (2010),
proses batch membutuhkan waktu fermentasi yang lama
AplikasiO Proses pertumbuhan sel secara
fermentasi sistem batch dapat digunakan untuk:
O memproduksi biomassaO metabolit primerO metabolit sekunder.
CONTINOUS
CULTURE
Pengaliran subtrat dan pengambilan produk dilakukan
secara terus menerus setiap saat setelah diperoleh konsentrasi
produk maksimal atau subtract pembatasnya mencapai
konsentrasi yang hampir tetap
subtrat dan inokulum dapat ditambahkan
bersama-sama secara terus menerus sehingga fase
eksponensial dapat diperpanjang
Adanya kultur yang keluarFase fisiologi sel konstan
Ada penambahan media baruVolume tetap
CONTINOUS CULTURE
(Waites er al, 2001)
Continuous culture
Homogenously mixed
bioreactor
Plug flow reactor
Homogenously mixed bioreactor
Pemberian nutrient secara kontinyu dan untuk mempertahankan keadaan steady state dalam teknik kultivasi ini dapat dilakukan dengan dua macam cara, yaitu:1. Chemostat: Steady state faktor pembatas salah satu nutrien pertumbuhan sel terkontrol2. Turbidostat: Steady state monitor turbiditas (kerapatan optik) biomasa
Plug flow reactor
• Kultur dialirkan dlm reaktor berbentuk tabung
• Tanpa percampuran balik• Sel harus ditambahkan dg subtrat
baru
Chemostat
Menambahkan nutrien dengan substrat pembatas
Komposisi nutrient selalu dalam keadaan tetap
• Keadaan stedy state didapat dengan mengendalikan kecepatan aliran nutrien baru yang disesuaikan dengan aliran nutrien keluar
• Sel seolah-olah dibuat dalam keadaan setengah kelaparan, dengan nutrien pembatas
Kultur mikroba dalam Kemostat
TURBIDOSTAS
Menambahkan nutrien
Komposisi nutrient selalu dalam keadaan tetap
• Pertumbuhan konsentrasi sel dipertahankan konstan dengan cara memonitor kekeruhan kultur
• Aliran nutrien diatur berdasarkan atas kerapatan optik kultur mikrobia
Kultur mikroba dalam Turbidostat
Keterangan :1. Reservoir of steril medium2. Valve controling flow of
medium3. Outlet for spent medium4. Foto sel5. Sumber cahaya6. Turbistat
KINETIKA PERTUMBUHAN SEL
A. LAJU DILUSI
Pada keadaan steady state, neraca massa dapat ditulis :
Konsentrasi substrat sisa di reaktor dalam keadaan steady state
KONSENTRASI BIOMASSA KULTUR KONTINYU
KONSENTRASI PRODUK METABOLIT KULTUR KONTINYU
Ketika substrat menipis dibawah level yang dibutuhkan untuk tumbuh, maka:
O Laju pertumbuhan akan kurang dari laju dilusi, sehingga mikroba akan keluar dari reaktor saat lajunya lebih besar dari yang sedang diproduksi, sehingga konsentrasi biomassa berkurang
O Konsentrasi substrat di reaktor akan meningkat karena semakin sedikit sel di reaktor yang mengkonsumsinya
O Kenaikan konsentrasi substrat di reaktor akan membuat sel tumbuh pada laju yang lebih besar dari laju dilusi dan konsentrasi biomassa akan meningkat
O Kondisi steady-state harus diatur ulang
PENGARUH LAJU DILUSI TERHADAP KONSENTRASI SEL DAN SUBSTRAT
SISA KETIKA Ks RENDAH
PENGARUH LAJU DILUSI TERHADAP KONSENTRASI SEL DAN SUBSTRAT
SISA KETIKA Ks TINGGI
PENGARUH MENINGKATNYA SUBSTRAT PEMBATAS TERHADAP
KONSENTRASI SEL DAN SUBSTRAT SISA SAAT STEADY-STATE
PENGARUH LAJU DILUSI TERHADAP KONSENTRASI PRODUK
PENGARUH LAJU DILUSI TERHADAP KONSENTRASI SUBSTRAT SISA PADA ORGANISME YANG BEDA
KELEBIHAN dan KEKURANGAN
KelebihanO Produktivitas lebih tinggi, Dapat dijalankan pada
waktu yang lama. O Cocok untuk proses yang kontaminasinya rendah
dan produk yang berasosiasi dengan pertumbuhan.
O Pemantauan dan pengendalian proses lebih sederhana.
O Tidak ada akumulasi produk yang menghambat.O Bioreaktor lebih kecil utk produksi jumlah samaO Batch perlu peralatan besar, juga utk proses
selanjutnyaO Tidak ada waktu istirahat dalam produksiO Taraf fisiologi MO sama
KekuranganO aliran umpan yang lamaO resiko kontaminasi besar (operasi harus
hati-hati & desain peralatan lebih baik) O peralatan untuk operasi dan pengendalian
proses harus biasa tetap bekerja baik untuk waktu yang lama
O memerlukan mikroba dengan kestabilan genetik tinggi
KELEBIHAN dan KEKURANGAN
Pengembangan fermentasi kontinu untuk produksi:• protein sel tunggal• Antibiotik• pelarut organik• kultur starter• dekomposisi selulosa• pengolahan limbah cair beer• glukosa isomerase• etanol
APLIKASI DI INDUSTRI
“Teknik operasioanal dalam proses bioteknologi dimana 1 atau lebih substrat
diumpankan ke bioreaktor selama kultivasi dan produk tetap di bioreaktor hingga akhir”
( Yamanè et al., 1984)
Kultur fed-batch
(Pirt , n.d.)
PrinsipKultur fed-batch awalnya batch kemudian diberi umpan dengan cara :
1. Penambahan media yang sama → V meningkat2. Penambahan larutan berupa substrat pembatas
dengan konsentrasi sama seperti media awal → V meningkat
3. Penambahan larutan larutan berupa substrat pembatas dengan konsentrasi tertentu pada laju kurang dari 1,2 → V meningkat
4. Penambahan larutan larutan berupa substrat pembatas dengan konsentrasi yang tinggi pada laju kurang dari 1,2,3 → pertambahan V sangat kecil/kurang signifikan
Kultur fed-batch
Sistem fed-batch
Variable volume
Fixed volume
Berdasarkan cara penambahan umpan
Kultur fed-batch
O Kinetika pertumbuhan sel pada variable volume fed-batch culture
Ketika s = 0, x0 <<< xmax maka
Variable volume fed-batch culture
Pada saat x = x max , medium feed dimasukkan dengan D< µ max
Hampir semua substrat akan dihabiskan secepat masuknya ke kultur dan dinyatakan :
Kesimpulan :O Input substrat = konsumsi substrat oleh sel →O Meski X meningkat terhadap t , x tetap konstan
↓
Quasi steady state
Seiring pertambahan t maka D ↓ dan V ↑ dan dinyatakan sebagai berikut :
V0 = volume awal
D< µmax , Ks<<< SRTercapai quasi steady state
Perubahan konsentrasi produk
Konsentrasi produk bergantung pada hubungan antara qp dan µ ( serta D)
Fixed volume fed-batch culture
Kinetika pertumbuhan sel
O Penambahan substrat pembatas di umpan tidak mengubah volume / V konstan
O Substitusi maka,
O GY/x tidak melebihi µmax
O Substrat pembatas akan dikonsumsi secepat masuknya ke fermenter →
O dx/dt ≠ 0 karena konsentrasi biomassa akan meningkat seiring dengan waktu.
Konsentrasi produk
Cyclic fed-batch cultureVariable volume
fed-batch fermentation
Fixed volumefed-batch
fermentation
O O
menurun
meningkat
konstan menurun
meningkat
O Adanya analisis fisiologi mikroba yang terkait dengan produktivitasnya
O Pada kultur cyclic fed-batch, desain proses harus diperhatikan untuk mencegah akumulasi racun hingga tingkat menghambat
Kekurangan
Kelebihan
O Konsentrasi substrat pembatas dapat dikendalikan hingga serendah mungkin
O Konsentrasi biomassa dapat dikendalikan sehingga memungkinkan untuk produksi biomassa dalam skala besar
O Memperpanjang waktu operasi sehingga dapat dicapai konsentrasi sel yang tinggi → Produktivitas meningkat
O Tidak dibutuhkan peralatan khusus jika dibandingkan fermentasi secara batch
Aplikasi fed-batch culture
O Mikroba : S. CerevisiaeO Substrat pembatas :
glukosa ( dalam molases)O Prinsip :
Konsentrasi glukosa dalam substrat harus dikendalikan sehingga menghasilkan laju pertumbuhan S. Cerevisiae yang optimum ( high cell density)
(Bhushan et al., 2006)
Kultur FeedbackO Termasuk dalam fermentasi kontinuO Berhubungan dengan daur ulang selO Konsentrasi biomassa dalam kultur lebih tinggi
daripada sistem “single-stage”O Kondisi ini dapat dicapai dengan:
O Membatasi jumlah sel yang ke luar dari fermentor, atau
O Memisahkan sel-sel dari cairan yang ke luar dari fermentor
O Kemudian, sel-sel tersebut dimasukkan kembali ke dalam fermentor
InternalO Membatasi biomassa yang keluar dari vessel
O Konsentrasi biomassa pada produk ekstraksi lebih rendah daripada konsentrasi di dalam vessel
O Produk dipisahkan pada vessel dua arah:O 1. hasil saringan
effluent encerO 2. tanpa disaring Fig1 Diagrammatic
Representation of the Internal Retention system
(Stanbury et al, 1984)
hxs(1-c)F
cFsx
SrX=0F
x s
EksternalO Disebut juga sistem daur ulang
O Aliran effluent dari fermenter melewati separator
O Produk:O 1. Aliran biomassa
terkonsentrasiO 2. Aliran biomassa
encerO Aliran biomassa
terkonsentrasi kembali ke vessel
Effluent
Biomass recycle
Fermenter
Fresh feed
Biomass separation system
Cell recycle system
Fig 2:Diagrammatic Representation of The Recycle System
(Stanbury et al, 1984)
Kinetika Sistem Feedback
S = Ksµ/(µmax-µ) for a simple continuous system
Konsentrasi pertumbuhan substrat pembatas pada vessel saat steady state:
s = KsAD/( µmax - AD) ….(3)Konsentrasi biomassa saat steady state:
x = Yx/s/A(SR - S) ….(4)
Substitusi persamaan (3) dan (4):
x =Yx/s/A[SR – KsAD/( µmax -
AD)]
Ketika aliran effluent tersaring adalah sel bebas, h= 0 and A = c Tapi, jika saringan mengurangi sedikit biomassa, h mendekati 1. h = 1 tidak ada feedback dan A = h. Range A adalah c hingga h dan v occurs A kurang dari 1,
sehingga µ kurang dari D.
INTERNAL
Acc = growth–out nonfilter–out filter
dx/dt = µx - cDx - (1 - c)Dhx ….(1)
Atau : dx/dt = µx - D{c(1 - h) + h}x.
saat steady state (dx/dt = 0):
µx = D{c(1 - h) + h}x dan µ = D{c(1 - h) + h}.
Jika 'c(1 - h) + h' diganti'A‘ maka,
µ =AD ….(2)
Acc = growth - output + feedback
dx/dt = µx - Fsx/V + aFsgx/V ….(5)
Kultur keluaran (sebelum pemisahan), Fs, dari Chemostat:
Fs = F+aFs or Fs=F/(1-a)
substitusi F/(1 - a) untuk Fs ke persamaan (5)Ingat bahwa D = F/V:
dx/dt = µx - Dx/(1 - a) + agDx/(1 - a) (6)
feedback parsial, steady state: dx/dt = 0 and: µ= BD ….(7)
Dimana B=(1-ag)/(1 - a).
S = Ksµ/(µmax-µ)
untuk sistem kontinu sederhana, makaSubstrat steady state dan konsentrasi biomassa pada fermenter dengan feedback:
S=BDKs/( µmax-D) ….(8)X=Yx/s/B(SR-S) …..(9)
Substitusi S ke persamaan 9:
X = Yx/s/B[SR- BDKs/( µmax-D)]
External
Aplikasi: Effluent Treatment
Fig 3: Use of Cell Recycling System In Waste Treatment
ProblemsO Penngendapan pemakaian jangka
panjang sehingga mengurangi kapasitas membran
O Pemakaian listrik yang tinggi, sehingga membutuhkan perawatan yang mahal
Keuntungan1. Aman bagi tenaga
kerja2. Konsentrasi
biomassa di dalam vessel meningkat
3. Peningkatan konsentrasi biomassa, penurunan substrat sisa
4. Produk optimal5. Karena D lebih
rendah dari µ, laju pengenceran kritis meningkat
Kerugian1. Mikroorganisme
dapat mengalami mutasi
2. Risiko kontaminasi tinggi
3. Mahal, konsumsi daya listrik tinggi
Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan sel
O Pertumbuhan dan aktifitas mikroba dipengaruhi oleh beberapa faktor lingkungan.
O Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas mikroba antara lain sebagai berikut:
- Suhu - Listrik- Kandungan Air - Radiasi- Tekanan Osmosis - Tegangan Muka- Buffer - TeganganHidrostatik- Ion-ion lain - Getaran
SuhuO Mikrobia psikrofil (kriofil); 0-30oC, Topt = 15oC
O Mikroba mesofil; Tmin = 15oC, Topt = 25-37oC, Tmax = 45-55oC
O Mikroba termofil; mempunya membran sel yang mengandung lipida jenuh sehingga Tb tinggi. Tmin = 40oC, Topt = 55-60oC, Tmax = 45-75oC
Tekanan Osmosis
O Mikroba Osmofil; pada kadar gula tinggi >65%O Mikroba Halodurik; tahan (tidak mati) tetapi tidak
tumbuh pada kadar garam tinggi (30%)O Mikroba Halofil; dapat tumbuh pada kadar garam
tinggi
Tekanan Hidrostatik• Tekanan hidrostatik >400 atm akan
menghambat/menghentikan pertumbuhan, karena dapat menghambat sintesis RNA, DNA, dan protein, serta mengganggu fungsi transport membran sel
• Tekanan >100.000 pound/inchi2 menyebabkan denaturasi protein
ReferensiBhushan, Shashi, dan V. K. Joshi. 2006. Baker yeast production under fed batch culture from apple pomace. Journal of Scientiic & Industrial Research. Vol. 65, January, pp 72-76.Pirt, S. John. n.d. Fed-batch culture of microbe. England : Queen Elizabeth Collage.Stanbury, P.F., A. Whitaker, dan S.J. Hall. 1995. Principle
of Fermentation Technology. Oxford : Butterworth- HeinemannRusmana, Iman., 2008. Sistem Operasi Fermentasi, Departemen Biologi FMIPA IPB, Bogor Jawa Barat.Irianto, Koes. 2007. Mikrobiologi. Bandung: Yrama Widya.Waites, Michael. J., Neil L. Morgan, John S. Rockey, Gary Higton. 2011. Industrial Microbiology : An Introduction. Oxford : Blackwell Science
top related