KINETIKA PEMAKAIAN SUBSTRAT, PEMBENTUKAN PRODUK DAN PRODUKSI BIOMASSA DALAM KULTUR SELMEI 2013

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PERTUMBUHAN SELNUTRIEN YANG PENTINGTEMPERATUR YANG SESUAIpH YANG SESUAIOKSIGEN TERLARUT

Nutrien Digunakan untuk memproduksi energi, untuk biosintesa dan pembentukan produk.Persamaan :Substrat + sel produk ekstraselular + sel baru S + X P + nXLaju pertumbuhan spesifik didefinisikan :

Dengan : X = konsentrasi sel (g/L)t = waktu (jam) = laju pertumbuhan spesifik (jam-1)

Pertumbuhan Batch

Pola pertumbuhan dan kinetika dalam kultur BatchLag phaseLogarithmic atau exponential growth phaseDeceleration phaseStationary phaseDeath phase

1. Lag phaseTerjadi setelah inokulasi dan merupakan periode adaptasi sel dengan lingkungan yang baru.Massa sel hanya mengalami sedikit perubahan tanpa kenaikan densitas.Media yang mengandung lebih dari satu sumber karbon dapat menyebabkan multiple lag phase.

2. Eksponential growth phaseDikenal dengan logaritmic growth phaseSel berlipat ganda dengan cepat, massa dan densitas sel naik secara eksponensial dengan waktu.Laju pertumbuhan eksponensial adalah order 1

Integrasi persamaan :

Dengan x = konsentrasi sel pada waktu t xo = konsentrasi sel awal, t = 0Waktu yang diperlukan untuk mendapatkan massa mikroba menjadi dua kali dapat ditulis :

3. Deceleration Growth PhasePertumbuhan pada fase ini mengalami penurunan karena hilangnya satu atau lebih nutrisi yang penting atau terakumulasi produk samping pertumbuhan yang berupa racun

4. Stationary PhaseLaju pertumbuhan netto sel nol (laju pertumbuhan = laju kematian)Selama fase stasioner akan terjadi satu atau lebih fenomena berikut :1. Konsentrasi total massa sel tetap konstan, tetapi jumlah sel hidup turun2. Pecahnya sel dan massa sel hidup turun, fase pertumbuhan kedua terjadi.3. Sel tidak aktif lagi tetapi masih aktif melakukan metabolisme untuk memproduksi metabolit sekunder.

5. Death PhaseKematian sel dimulai selama fase stasioner.Sel yang mati disebabkan oleh pecahnya sel sehingga nutrien intraselular dikeluarkan dalam media yang digunakan untuk hidup organisme selama fase stasioner.Death phase disebabkan karena kehabisan nutrien dan terakumulasinya produk racun.Laju kematian sel biasanya mengikuti kinetika orde satu :

Kinetika pertumbuhan dapat dinyatakan dengan beberapa parameter yang berhubungan dengan stoikiometri :Koefisien yield : menyatakan jumlah konsumsi zat

Yield yang dinyatakan dengan konsentrasi substrat yg lain :

Organisme aerob yang tumbuh dengan substrat glukosa harga 0,9 s/d 1,4 g/g 0,4 s/d 0,6 g/g

Koefisien maintenance adalah laju spesifik pemakaian substrat untuk perawatan sel yang meliputi : pengeluaran energi untuk memperbaiki kerusakan komponen sel, transfer beberapa nutrien dan produk masuk dan keluar sel.

Produk mikroba dapat dikelompokan menjadi 3 kelompokProduk growth-associated : diproduksi secara simultan selama pertumbuhan mikroba.Contoh : enzimLaju spesifik pertumbuhan sebanding dengan laju spesifik pembentukan produksi

2. Produk nongrowth-associated : diproduksi selama fase stasioner dengan laju pertumbuhan nol, sedangkan laju pembentukan produk konstan.contoh : pembentukan metabolit sekunder (antibiotik : penisilin)

3. Produk mixed-growth associated : terbentuk selama fase pertumbuhan lambat dan fase stasioner. Laju spesifik pembentukan produk :

Bila = 0, maka produk hanya nongrowth associatedBila = 0, maka produk hanya growth associated dan =

Pengaruh Lingkungan Pada Kinetika PertumbuhanTemperaturPada temperatur pertumbuhan optimum, maka laju pertumbuhan naik mendekati 2x, setiap kenaikan temperatur 10oC.Laju pertumbuhan turun diatas range temp optimum, karena terjadi kematian termal.Pers laju pertumbuhan diatas temp optimum

Laju kematian termal melebihi laju pertumbuhan pada temp tinggi. Harga dan kd berubah dg perubahan temp, sesuai pers Arrhenius :

Ea dan Ed = energi aktivasi pertumbuhan dan kematian termal.

2. pHpH mempengaruhi aktivitas enzim dan laju pertumbuhan mikroba. pH optimum pada pertumbuhan berbeda dari pembentukan produk. Range pH yang dapat diterima sekitar pH optimum ditambah 1 sampai dengan 2. Organisme berbeda mempunyai pH optimum berbeda.Beberapa bakteri berkisar 3-8Yeast pH = 3 s/d 7Sel tanaman pH = 5 s/d 6 Sel hewan pH = 6,5 s/d 7,5

3. Oksigen terlarut atau Dissolved Oxygen (DO)Oksigen merupakan substrat yang penting pada fermentasi aerob dan dapat menjadi substrat pembatas, karena kelarutan oksigen di dalam air sangat kecil. Konsentrasi sel yang besar akan memerlukan laju pemakaian oksigen yang dapat melebihi laju persediaan oksigen, sehingga oksigen sebagai pembatas.

Produksi Panas Pada Pertumbuhan SelPanas yang dihasilkan selama pertumbuhan pada mikroba dapat dihitung dari besarnya panas pembakaran substrat senyawa selular.Panas pembakaran substrat dihitung dari jumlah panas metabolisme dan panas pembakaran senyawa selular.

Hs dan Hc diperoleh dari panas pembakaran substrat dan sel. Nilai Hc untuk sel bakteri 20 sampai 25 kJ/gsel.Harga YH untuk glukosa 0,42 g/kkal, malat 0,3 g/kkal, asetat 0,21 g/kkal, etanol 0,18 g/kkal, metanol 0,12 g/kkal, metan 0,061 g/kkal.Laju total panas yang terbentuk pada fermentasi batch adalah :

VL = volume cairan (l) dan X = konsentrasi sel

Laju terbentuknya panas metabolisme pada fermentasi aerob dapat dikorelasikan menggunakan laju pemakaian oksigen, karena oksigen sebagai penerima elektron terakhir.

Panas metabolisme yang dihasilkan selama fermentasi dapat dihilangkan dengan menggunakan sirkulasi air dingin melalui kumparan ke dalam fermentor atau menggunakan jaket pendingin.