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