TUGAS BIOPROSESTEORI MERANCANG FERMENTOR (REACTOR)DISUSUN OLEH :RIZKI YARI AMELIA (0607120062 )YONECO HAREF (0607113779 )HONEST HOLERITH A SMIT (0607120449 )ANDIKA SYAHPUTRA (0607135698 )FAKHRUDDIN (0607113774 )AULIA RAHMI (0607114242 )S. MESAH K K (0311907 )SYAHRIZAL (0607120424 )M. ASYRAF HAZZAMI (0607113715 )JHON HENDRY (0110763 )RANGGA (0507111572)UNIVERSITAS RIAUPEKANBARU2007TEORI MERANCANG FERMENTOR (REACTOR)Dalammerancangfermentor untuk menyelesaikansebagian operasi,beberapafactoryangsangatpentingdalammenentukan hasil yangmemuaskan, yakni bagiandari peralatan, yangakan memberikan hasil yang diharapkan.Tahap pertama dalammerancang bejana fermentor adalah memperkirakan ukuran dari bejana tersebut. Untuk melakukan hal ini keputusan harus diambil jika mengoperasikanbasis batch dengan dengan menggunakan banyak fermentor, atau mengoperasikan secara terus menerus.Agar mendapat ukuran dari bejana,laju produksisangat pentingdanimformasi yangdiperlukandalamlajupertumbuhan m.o,perperandalamjumlahyangbesardanmemprediksi waktu fermentasi dari siklus batch.Perkiraan dariwaktu siklus dapat digunakan dengan menggunakan model-model laju pertumbuhan kinetic, ketika menyesuaikanlajupertumbuhanyangdiinginkan. Saat ini siklus dapat digunakan untuk menentukan ukuran fermentor.Untukperhitunganukuran bejana,ketersediaanbejanadalam memproses juga harus diketahui, sebagai contoh sebuah fermentor yang sama digunakan untuk produksi dengan perhitungan pekerjaan 8 jam per hari, 5 hari dalam seminggu akan mendapatkan lebih banyak daripada sebuah fermentor yang memberikan perhitunganproduksi yangsama, tetapi bekerja168jam, 7hari seminggu.Ukuran fisik dan bejana fermentor tidak dapat dipertimbangkan dalam isolasi dari factor lain seperti pemindahan panas, karakteristik dan agitasi. Dan rancangan akhir harus dianalisa dengan pertimbangan ekonomi (termasuk dengan perhitungan modal danbiayaoperasi). Factor-faktor ini dijelaskanlebihdetil pada bab 4.Bab ini berkaitan dengankegunaan data kecepatan pertumbuhan mikro organisme, dan menentukan model yang mana bisa digunakan untuk memperkirakan waktu dari urutan phase yang berbeda yang terjadi selama pertumbuhan, untuk menentukan keseluruhandari siklus fermentasi. Imformasi ini bisadigunakan untuk memberiawalbesardari fermentor yang diperlukan untuk proses kontinufermentasi,dancontohdari kegunaanmodel ini untuk fermentasi kontinu juga tercakup dalam bab ini.Pertumbuhan Sel Dan Kecepatan ProduksiTujuan umum dalam sebuah reaksi biologi adalah untuk mendukungpertumbuhandari organismespecificdanmendorong hasil produksi yang tinggi. Ini tidak berarti perlu bahwa kita harus menyediakan semua nutrisi berguna dengan berlebihan, karna dalam keadaan yang pasti, konsentrasi dari nutrisi yang berlebihan bisa memperlambat, atau menimbulkan racun pada sel. Oleh karna itu berdasarkan praktek pada konsentrasi yang terbatas dari yang palingsedikit satudari nutrisi yangbergunamemberikancontrol pada keseluruhan pertumbuhan.Bila konsentrasi dari satu nutrisi yang berguna dirubah-rubah. dan semua nutrisiyang lain dijaga tetap dalam keadaan berlebih, angka pertumbuhan di dapatkan pada eksponensial berubah seperti di tunjukkan daa gambar 3.1. untuk pertumbuhan uniselular, angka pertumbuhan bisa di ekspresikan dalam istilah dari konsentrasi sell adalah X, dan angka pertumbuhan specific didapatkan:ddXx1Dimana adalah waktu.Gambar 3.1growth rate vs nutrientGAMBAR3. 2PertumbuhandanlajuProduksi selamaProses BatchJika hargaadalah konstan, pertumbuhan exponensial ini dapat dilihat dari organisme (proportional to the cell present).Laju pertumbuhan dari sel (dan biasanya laju dari sintesis dengan produc yang diinginkan) dalamfermentasi batch dapat dilihat pada gambar 3.2.Seperti pertumbuhan sell kenaikan exponential ditunjukkan oleh populasi sebagai konsentra yang mana tingkat sel itu dimulai (start) sampai berakhir (off). Lajusel yangsama, mulai saat ini sampai berakhirpadafermentorbatchdanmempersiapkanuntuk memulai satu yang baru.Di dalam kasus lain dimana bentuk produck ketinggalan dibelakangproduksi sel, digunakanbatchyangkontinu(sel lebih dulu masuk) sampai konsentrasi optimum dari produk yang didapatkan.Dalam laboratorium mass dobling time ( d ), adalah ukuran frequensi danlajupertumbuhanspecific,untukpertumbuhan unisel dapat dihubungkan dengan persamaan: ) 2 ( ln dSebagai tempat dari nutrient substrat pembatas, persamaan umumyang dikemukakan oleh monod yang dapat digunakan adalah:i ii mC KC.. Dimanamadalahlajupertumbuhanspecificmaksimum, ki adalahtitikjenuhkonstan, dnCiadalahkonsentrasi dari nutrient pembatas i.m adalah ukuran laju pertumbuhan spesifik maksimum dimanati>Ki ,danKiadalahhargadari konsentrasi nutrient i dimana2m Hubungan yang dinyatakan oleh monod telah memperoleh sebuahbasisempirisdanmodel sederhanadari polakomplikasi pertumbuhan.Determinasi darimdan Kidalam laboratorium dapat memberikan ukuran pertumbuhan populasi yang mana dapat digunakanuntukprediksi karakteristik populasi sel dalamlarge-scale fermentor, terutama jika nutrient tidak bisa menerima ukuran.Ketika situasi sangat komplek, e.g, 2 nutrient pembatas, formasi toxin, inhibisi olehkonsentrasi produk, bermacam-macam modifikasi dapat dibuat dengan expresi monod untuk menentukan laju pertumbuhan specific pada beberapa konsentrasi dan bentuk persamaandapat digunakanbersamauntukprediksi populasi sel maksimum Dua nutrient pembatas

,_

+

,_

+2 221 11k cck ccm Produc inhibisi

,_

+

,_

+p ppi iimk cck c c Dimana Kp adalah titik konstan untuk, ukuran produc digunakan Ki dan cp adalah konsentrasi dari produc. Sebagai contoh dari produk inhibisi adalah glukosa, yeast/fermentasi alcohol:Fermentasi batchTipedari prosesfermentasi batchdapatdilihatdalamskema pada gambar 3.3, dimana pertumbuhan organisme normal ditunjukkandalam 4 fase: Fase lag Fase pertumbuhan exponensial Fase stagnan (populasi maximum) Fase kematianFASE LAGKulturbatchselalumeliputi inokulasi (suntikan) dari medium steril denganmempersiapkankultur dari mikroorganismeuntuk pertumbuhan. Setelah inokulasi bagian dari addisi udara untuk proses aerobic dan produksi gas selamafermentasi,tidak dengan menjumlahkan atau mengekstrak dari batch.Panjangdari faselagtergantungpadapertukarankomposisi nutrient oleh micro organisme dalam inokulasi, dan pertukaran laju untuk lingkungan yang baru (fermentor steril) dapat mempengaruhi beberapa variabel penting: Inokulasi masuk pada medium dengan konsentrasi tinggi pada nutrient menyebabkan pertumbuhan sel lambat, sebagai adaptasi organisme untuk lingkungan yang baru. Sintesis molekul diperlukanuntukmenaikkanpertumbuhan sel (vitamin, activator)dapatterjadi olehdifusi keluaransel untuk effek dilusi dan waktu dapat diterima untuk melengkapi sel. Ukuran inokulumdari nomor dari viable sel pada bagian important dalam fase lagGambar 3. 3 batch fermentation phases Usiadari inokulumjugapenting, karenasel-sel barutidak akanmenghasilkanjumlahmetabolisajasemuasebagai sel uji siap dalam phase pertumbuhan eksponential.Jika kita asmsikan phase lag berakhir sekali pada sebuah component penting tertentu di dalamsel mencapai titik kritisnya 1 1 d bNo aV c + + Dimana V adalah volume Inoclm.No adalah jumlah sel/volume baru.a=konsentrasi substance kritisb=peningkatan dari dalam substansi kritis/waktu per seld=produksi internal sel (sel baru)=waktu dari lag phaseJadi

,_

+

,_

bdNbaVbco1Dan dia bias nampak bahwa ,tergantung pada V, sehingga V lebih besar, akan lebih pendek.Dia juga bias dilihat bahwa untuk volume uji lebih besar dari inoculm=proporsionakeoN1. Designproses dari bagiandari fermentasi dari keseluruhan proses, seharusnya menunjukkan pengurangan dari panjang dari lag phase, agar menghasilkan utilisasi maksimumdari fermentasi 4 point selanjutnya adalah penting: Inoclumseharusnyaseactif mungkin(lebihbaikdi dalam pertumbuhan phase eksponential. Media digunakan untuk pertumbuhan inoculumsharusnya mendekati kebenaran sedekat mungkin pada medium digunakan di dalam full scale fermentor. Bagian vol y layak /sesuai dari inoculum seharusnya digunakanuntukmengurangi kehilanganydisebabkanoleh difusi dari metabolismeintermediet (palingtidak5%dari Volume fermentor)Example 3.1Asumsi volume minimum inoculm 5%. Berapa ukuran dari laboratory fermentor yang akan dibutuhkan untuk pembibitan 10.000 liter ful-scale fermentor.Jawab:5% of 10.000 l is 500 L5% of 500 l is 25 L5% of 25 l is 1,25 LJadi 1,25 L dari culture laboratory dalam dibutuhkan untuk pembibitan25L. fermentor ini akandigunakanuntukpembibitan 10.000 full scale fermentor.Phase Pertumbuhan ExponentialLaju pertumbuhan exponential:ddxx1Atau dintegrasikan:

,_

0lnxx diman x0 adalah populasi initial pada 0 tdan x=popuasi pada t=0Untuk membatasi makanan Monod Exprsion juga diberikan dan i ii mk cc+ jadi kombinasi dari dua ekspresi, populasi sell x pada t=0 diberikan :lni ii mk ccXX+

,_

0dan ekspresi ini dapat digunakan untuk memprediksi pertumbuhan eksponential dari organisme jika Monod ekspression didapat.Persamaan monod memperlihatkan saat penurunan saat pertumbuhan berjalan sangat cepat, dan persamaan yang mengikutinya akan sukses pada kasus yang rumit:0C KCii m+dimana Co adalah inisial konsentrasi dari nutrien, atauBN CCii m+dimana B adalah konstanta dan N adalah populasi sel.FASA STASIONER DAN POPULASI MAKSIMUMDengan mengasumsikan nilai konsumsi daari nutrien (dA/d ) sejalandenganangkaviabel sel sampai kitamendaapatkanfasa stasioner, selanjutnyaX KddAA (3.1)dimanaXadalahangkadari sel, danKAadalahkonstantayang sejalan untuk nutrien A.Jika sel sedang berada pada pertumbuhan eksponensial,ddXX1atau ddXX1(3.2)dengan mengsubstitusi persamaan (3.2) ke (3.1) didapatkan ddXKddAA1 dandXKdAA Lalu, jika inisial konsentrasi dari A=Ao saat X=Xo (inisial konsentrasi dari sel), ketika A=0, X=Xs, (populasi statis) dan akan menjdai dXKdAA) ( 00 0X XKASA dan0 0AKX XAS+ Hubungandi atasmemperlihatkanpopulasi maksimum(Xs) untuk konsentrasi inisial dari nutrien (Ao) dan populasi inisial sel (Xo) pada saa dimulainya fasa pertumbuhan eksponensial.Jikapersamaan(3.2) di integralkanantaraX=XodanX=Xs waktu pada fasa stasioner akan dapat dihitung selanjutnya.FASA KEMATIAN (DEATH PHASE)Pada pengalaman industri, fermentasi akan berhenti kira-kira sebelum waktu yang ditentukan atau hanya saat populasi sel mulai menurun sebagai hasil dari faktor-faktor nutrien yang sangat kompleks.Hanyabeberapayangakanmenghasilkanprodukfermentasi saat melaluilag yang panjang diantara produksi cel,dan selanjutnya, jikakonsentrasi produkselalumenurun, prosesfermentasi boleh jadi mulai memasuki masa kematiam (death phase)FERMENTASI MOLDSemuaanalisissebelumnyamemperlihatkanbahwabenarbakteri fermentasi danpertumbuhan. Padakauspertumbuhanmoldsaat fermentasi dalam, nilai pertumbuhansangatlambatpadabakteri, dan tidak seperti exponensial pertumbuhan biasanya.Jikakitaasumsikanbutirpertumbuhanberbentukbolapada bagian bawah atau submerged, nilai peningkatan ukuran butir:KddR(adalah konstan)Jari-jari akan meningkat pada saat nilai konsatanta di keadaan pertahanan; untuk panjang filamen akan meningkat pada saat nilai konstan.Mold akan memberikanM = (volume x kerapatan)=3 / 43 R (3.3)Juga,111]1

111]1

111]1

111]1

t a n k e rt a nt a n a p ap u s a tp a d ap e n i n g k as u r f a c ea r e am a s ap e n i n g k an i l a i ddRRddM24 (3.4)Dari (3.3),3143

,_

MRDan substitusi persamaan (3. 4) untuk R ddM= 4 ( ) 43M2/3 = gM2/3, (g = K (36)1/3integrasi antara M0 pada t = 0 dan M saat t = 03 / 2MdM= g dsehingga3M1/3- 3M01/3 = g danM = (M01/3 + z )3, (z= g/3)Jika M0