modul 1.06 konversi glukosa fruktosa

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/28-

MODUL 1.06 Konversi Glukosa-Fruktosa

I. Pendahuluan

Teknik kimia adalah ilmu dengan lingkup bahasan bagaimana mewujudkan

proses-proses untuk melakukan pengubahan komposisi dan struktur kimia suatu bahan

sehingga diperoleh bahan baru dengan sifat dan nilai guna yang lebih diinginkan. Proses

konversi ini disebut reaksi kimia dan sistem pemroses yang mengakomodasi

berlangsungnya reaksi kimia adalah satuan peralatan yang disebut reaktor. Oleh karena

itu pokok bahasan yang khusus dari teknik kimia mengarah pada bagaimana merancang

reaktor untuk melaksanakan suatu reaksi kimia tertentu. Merancang suatu reaktor berarti

menjawab beberapa pertanyaan dasar yang terdiri dari:

1. jenis apa dan berapa ukuran peralatan yang diperlukan untuk dapat melangsungkan

rekasi sampai pada tingkat pencapaian yang dikehendaki,

2. kondisi operasi laju alir, tekanan, temperatur, pH untuk reaksi yang diinginkan,

3. perlengkapan dan persyaratan yang diperlukan berkenaan dengan pola hidrodinamika

bahan yang ditangani dalam operasinya dan terjadinya perubahan energi dengan

lingkungan.

Jawaban-jawaban atas pertanyaan di atas akan mengarahkan ke suatu tata berpikir di

dalam merancang proses reaksi dalam reaktor.

Rancangan dan pengoperasian reaktor memerlukan pemahaman yang mendasar

mengenali proses-proses fisis maupun kimiawi. Hukum-hukum yang mengendalikan

terjadinya proses fisis seperti perpindahan massa dan panas seringkali mendasari

peristiwa kinetika reaksi kimia. Proses di reaktor adalah hasil penggabungan

pengoperasian kedua fenomena fisis dan kimiawi ini. Maka pembahasan di sini

ditekankan pada aspek kinetika kimia, terutama tentang reaksi kimia dan penggunaannya

sebagai latihan pemahaman empirik dalam perancangan suatu reaktor.

Berhubungan dengan penggunaannya dalam perancangan reaktor, kajian reaksi

kimia terutama diarahkan untuk mendapatkan keterangan mengenai jalannya kejadian

reaksi kimia. Keterangan ini meliputi mekanisme laju reaksi, pencapaian keadaan

kesetimbangan dan upaya yang dapat mempengaruhi jalannya reaksi tersebut, baik laju

reaksi meupun derajat konversi.



Modul 1.06 Konversi Glukosa Fruktosa Halaman 2 dari 28

Dengan mengambil kasus reaksi isomerisasi glukosa-fruktosa dengan

menggunakan katalis enzim, praktikum ini secara umum bertujuan mempelajari kinetika

reaksi dengan cara:

1. membuktikan suatu usulan mekanisme reaksi,

2. menyusun rumusan kuantitatif mengenai laju reaksi,

3. melihat beberapa faktor yang mempengaruhi laju reaksi.

Selanjutnya, keterangan yang diperoleh mengenai laju reaksi dan kondisi operasi tersebut

digunakan untuk mempelajari perilaku reaktor dengan berbagai jenis kondisi

pengoperasian.

II. Tujuan

Tujuan dilakukannya praktikum Modul Konversi Glukosa Fruktosa adalah:

1. Mempelajari salah satu cara menentukan parameter kinetika reaksi katalitik

heterogen dalam reaktor batch, khususnya untuk isomerisasi glukosa menjadi

fruktosa dengan enzim terimobilisasi.

2. Membuktikan bahwa reaksi isomerisasi glukosa menjadi fruktosa dengan enzim

terimobilisasi mengikuti mekanisme Michaelis-Menten.

III. Sasaran

Sasaran akhir praktikum ini adalah:

1. Praktikan mampu menggunakan refraktometer brix dalam penentuan konsentrasi

glukosa ,

2. Praktikan mampu menggunakan polarimeter untuk menentukan konsentrasi reaktan

tiap saat,

3. Praktikan dapat menghitung parameter reaksi di atas.

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Reaksi Berkatalisis Enzim

Enzim adalah protein yang dihasilkan sel organisme dalam upaya untuk

mempercepat proses reaksi biokimia yang sedang dijalaninya. Seperti halnya katalis pada




umumnya, enzim dapat mempercepat reaksi dengan cara bereaksi aktif dengan substrat

sedemikian sehingga reaksi tersebut berlangsung dengan mekanisme yang memberikan

energi pengaktifan yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan energi pengaktifan reaksi

tanpa katalis enzim. Meskipun demikian, enzim tidak mengalami perubahan yang tetap

sehingga pada akhir reaksi dapat diperoleh kembali seperti semula. Enzim mempercepat

pencapaian keadaan kesetimbangan tetapi tidak mempengaruhi letak kesetimbangan.

Konsentrasi kesetimbangan tetap ditentukan oleh sifat-sifat termodinamika substrat dan

produk reaksi. Substrat adalah ungkapan dalam bidang biokimia untuk reaktan, yaitu zat

yang mengalami konversi biokimia.

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa mekanisme reaksi enzimatik umumnya

sangat kompleks dengan melibatkan serangkaian tahap reaksi dasar antara enzim dan

substratnya. Kompleks enzim-substrat ini terjadi dengan terikatnya substrat di daerah

tertentu pada badan enzim yang disebut dengan pusat aktif (active centre), yaitu tempat

reaksi berlangsung dan dihasilkan produk. Keaktifan enzim bergantung pada banyaknya

pusat aktif yang terdapat padanya.

Keberadaan pusat aktif merupakan hasil proses konformasi tiga dimensi enzim

yang sangat teratur. Konformasi berarti suatu proses pembentukan yang runtun

keberlangsungannya sangat menentukan struktur atau susunan bentuk produk. Dalam hal

enzim, konformasi ini ditentukan selama berlangsungnya aktivitas metabolisme protein

oleh sel organisme yang menghasilkannya. Seringkali protein yang dihasilkan ini baru

aktif sebagai enzim setelah bergabung dan bekerja sama dengan zat lain yang disebut

kofaktor. Kofaktor merupakan senyawa nonprotein. Kofaktor yang paling sederhana

adalah berupa ion-ion logam. Kofaktor lain yang disebut koenzim merupakan senyawa

organik bermolekul kompleks seperti ATP, NAD, FAD. Proses konformasi semacam ini

memberikan keaktifan enzim menjadi lebih cepat dan lebih spesifik bila dibandingkan

dengan katalis non-enzim.

Kebergantungan laju reaksi enzimatik pada konsenrtrasi substrat dan produk

umumnya bukan merupakan hubungan yang sederhana. Konsentrasi enzim dalam

medium reaksi, temperatur, dan pH medium rekasi juga mempengaruhi laju reaksi.

IV.2 Kebergantungan Laju Rekasi pada Konsentrasi Substrat dan Enzim

Berdasarkan pada banyak hasil penelitian disimpulkan bahwa laju reaksi

berbanding lurus dengan konsentrasi enzim. Kebergantungan laju reaksi pada konsentrasi




substrat tunggal untuk tingkat yang tersederhana dapat diperoleh dari Gambar 1.

Keterangan yang dapat diperoleh dari gambar tersebut adalah:

1. Laju rekasi berbanding lurus terhadap konsentrasi substrat untuk batas konsentrasi

rendah, sehingga reaksi mendekati kelakukan reaksi orde 1

2. Laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi substrat untuk batas konsentrasi tinggi

sehingga reaksi mendekati kelakuan reaksi orde 0

3. Orde reaksi di daerah antara batas konsentrasi berkurang berkesinambungan dari satu

menjadi 0 dengan naiknya konsentrasi.

Gambar 1 Pengaruh Konsentrasi Substrat Terhadap Laju Pertumbuhan Sel

Berdasarkan keterangan kualitataif di atas, Michaelis dan Menten memberikan penjelasan

dengan mengajukan usulan mekanisma reaksi berikut:

k1

S + E ↔ ES k-1

k2

ES→ E + P

Reaksi antara enzim dan substratnya dalam membentuk produk diperkirakan terjadi

sesuai ilustrasi pada Gambar 2.

Gambar 2 Pembentukan kompleks enzim-substrat




Mekanisme ini menjelaskan bahwa enzim (E) dan substrat (S) bereaksi timbal

balik membentuk kompleks enzim-substrat (ES), dan akhirnya sebagian dari kompleks ini

berdisosiasi membentuk produk P dan enzim bebas. Jumlah enzim bebas E dan enzim

terikat ES selalu sama dengan enzim mula-mula. Bila volume medium reaksi tetap, maka

berlaku

[E]0 = [E] + [ES] (1)

Hubungan berikut berlaku pula bila pada saat mulai reaksi hanya terdapat substrat dan

enzim,

[S]0 = [S] + [ES] (2)

dan

.[ES]kdt

d[P]r 2== (3)

Berdasarkan mekanisme rekasi enzim dan substrat dapat ditulis persamaan kinetika

berikut:

.[ES]k-.[E].[S]kdt

d[S]r 1-1== (4)

dan

)[ES]k(k-.[E].[S]kdt

d[ES]r 21-1 +== (5)

dengan kondisi awal:

[S]t=0 = [S]0 dan [ES] t=0 = 0

Dengan metoda substitusi akan dihasilkan 2 persamaan deferensial biasa dengan 2

besaran tidak diketahui yaitu [E] dan [ES]. Untuk harga perbandingan [E]0 /[S]0 yang

cukup kecil, perhitungan komputer terhadap konsentrasi S, E, ES dan P sebagai fungsi

waktu menunjukkan bahwa konsentrasi ES dapat dianggap tetap sesaat sesudah reaksi

dimulai. Anggapan ini biasa disebut dengan mendekatan quasi-steady-state, yang

memberikan:

0dt

d[ES]= (6)

Dengan menggunakan substitusi persamaaan-persamaan yang ada untuk menghilangkan

[E] dan [ES], diperoleh:

[S]K.[S]r

dtd[S]r

M

max

+== (7)




dimana:

02max .[E]kr = (8)

1

21M k

kkK += − (9)

rmax merupakan laju reaksi maksimum/pembatas dan KM disebut konstanta Michaelis.

Perhatikan bahwa KM merupakan konsentrasi substrat pada saat r = rmax /2. Ungkapan

matematik laju reaksi yang diturunkan dari mekanisme reaksi usulan Michaelis Menten

ternyata sesuai dengan keterangan kualitataif yang dikemukakan terdahulu. Meskipun

demikian, perlu diketahui bahwa keberhasilan suatu usulan mekanisme reaksi dalam

memberikan kesimpulan yang sesuai dengan hasil pengamatan belum tentu menunjukkan

mekanisme tersebut sesuai benar dengan kejadian yang sesungguhnya. Mekanisme reaksi

yang berbeda bisa saja memberikan rumusan laju reaksi yang sama. Sebagai contoh,

mekanisme berikut juga menghasilkan rumusan laju reaksi seperti pada persamaan

kinetika enzim yang terinhibisi secara nonkompetitif berikut:

E +S ↔ ES K’m

ES +I ↔ ESI K1

ES → E +P k2

Mekanisme ini menjelaskan bahwa enzim (E) dan substrat (S) bereaksi timbal

balik membentuk kompleks enzim-substrat (ES), sebagian kompels (ES) ini kemudian

terinhibisi sehingga membentuk kompleks ESI. Kompleks ESI ini mengurangi jumlah

kompleks ES bebas yang dapat mengakomodasi reaksi menghasilkan produk. Kompleks

ESI ini adalah inhibitor kompleks ES karena ESI tidak dapat membentuk produk dan

melepaskan kembali enzim bebas. Jumlah enzim bebas E dan enzim terikat ESI dan ES

selalu sama dengan enzim mula-mula. Bila volume medium reaksi tetap, maka berlaku

[E]0 = [E] + [ES]+[ESI] (10)

Hubungan berikut berlaku pula bila pada saat mulai reaksi hanya terdapat substrat dan

enzim,

[S]0 = [S] + [ES]+[ESI] (11)

dan

.[ES]kdt

d[P]r 3== (12)




Berdasarkan mekanisme rekasi enzim dan substrat dapat ditulis persamaan kinetika

berikut:

.[ES]k-.[E].[S]kdt

d[S]r 1-1=−= (13)

dan

)[ES]k(k-.[E].[S]kdt

d[ES]r 21-1 +== (14)

[ESI]k-.[ES]kdt

d[ESI]r 32== (15)

dengan kondisi awal:

[S]t=0 = [S]0 dan [ES] t=0 = 0

Dengan metoda substitusi akan dihasilkan 2 persamaan deferensial biasa dengan 2

besaran tidak diketaui yaitu [E] dan [ES]. Untuk harga perbandingan [E]0 /[S]0 yang

cukup kecil, perhitungan komputer terhadap konsentrasi S, E, ES dan P sebagai fungsi

waktu menenjukkan bahwa konsentrasi ES dapat dianggap tetap sesaat sesudah reaksi

dimulai. Anggapan ini biasa disebut dengan mendekatan quasi-steady-state, yang

memberikan:

0dt

d[ES]= (16)

dan

0dt

d[ESI]= (17)

Dengan definisi bahwa:

[ES][E][S]K'm = (18)

dan

[ESI][ES][I]K1 = (19)

Dengan menggunakan substitusi persamaaan-persamaan yang ada untuk menghilangkan

[E] dan [ES], diperoleh:

[S]K.[S]r.[ES]k

dtd[S]r

M

max2 +

=== (20)




Diturunkan:

[S],K.[S],r

[S]

K[I]1

K'

.[S]

K[I]1

r

dtd[S]r

APPM

APPmax

1

M

1

max

+=

+

+

+

== (21)

dimana:

02max .[E]kr = (22)

+

=

1

maxAPPmax

K[I]1

r,r (23)

.[S]

K[I]1

K'k

kkK

1

m

1

21M

+

=+

= − (24)

rmax merupakan laju reaksi maksimum/pembatas dan KM disebut konstanta Michaelis

Menten. Karena itulah model Michelis Menten disebut unstructured model. Dari model

kinetika yang sama dapat didefinisikan bermacam-macam mekanisme reaksi dan nilai

rmax dan K’m nergantung pada definisnya.

IV.3 Pengaruh pH Medium Reaksi terhadap Laju Reaksi

Protein enzim dari beragam asam amino yang masing-masing mempunyai gugus

samping yang bersifat asam, basa, ataupun netral. Jadi, secara utuh enzim dapat

mengandung gugus bermuatan positif maupun negatif pada nilai pH yang diberikan.

Beberapa mekanisme enzim memperlihatkan tindak katalitik enzim mengikuti

perilaku katalis jenis asam atau jenis basa. Ini berarti bahwa gugus yang dapat mengion

tersebut di atas juga merupakan bagian dari pusat aktif enzim. Tindak katalitik akan

muncul bila gugus-gugus di pusat aktif memiliki muatan tertentu. Enzim menjadi aktif

hanya pada keadaan ionisasi tertentu. Dengan demikian besar kecilnya fraksi enzim yang

aktif sebagai katalis bergantung pada nilai pH medium reaksi.




Uraian singkat di atas menjelaskan pengaruh pH medium reaksi terhadap

keaktifan enzim, yang pada akhirnya juga berpengaruh pada laju reaksi. Terlihat bahwa

laju reaksi akan menjadi maksimum pada nilai pH tertentu, yang disebut pH optimum.

Pada nilai pH ini, fraksi badan enzim yang aktif sebagai katalis adalah maksimum. Hal

ini dijelaskan seperti pada Gambar 3.

Gambar 3 Pengaruh pH terhadap keaktifan enzim sebagai biokatalis

IV.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Laju Reaksi

Sebagaimana reaksi yang lain, kebergantungan laju reaksi enzimatik pada

temperatur dapat dijelaskan dengan rumus Arhenius:

−=

RTEaA.expk (25)

dimana:

k = tetapan laju reaksi

Ea = energi pengaktifan

A = faktor frekuensi

T = temperatur absolut

Oleh karena Ea selalu berharga positif, rumus Arhenius menunjukkan bahwa laju reaksi

akan selalu meningkat dengan naiknya temperatur reaksi. Bagi reaksi enzim, kenaikan

temperatur ini ada batasnya, yaitu pada saat temperatur denaturasi protein tercapai. Enzim

yang terdenaturasi akan kehilangan keaktifannya. Gambar 4 menunjukkan adanya

temperatur optimum yang memberikan laju reaksi maksimum.




IV.5 Reaksi Isomerisasi Glukosa-Fruktosa

Reaksi isomerisasi glukosa menjadi fruktosa menggunakan enzim glucose

isomerase merupakan salah satu contoh reaksi enzimatis komersial yang penting saat ini.

Pengubahan menjadi fruktosa diinginkan karena fruktosa mempunyai rasa yang lebih

manis daripada glukosa.

Gambar 4 Pengaruh temperatur terhadap aktivitas enzim

Persamaan reaksi isomerasi glukosa-fruktosa tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:

Gambar 5 Reaksi Isomerisasi Glukosa-Fruktosa

Reaksi berlangsung pada fasa cair dengan pelarut air. Berdasarkan literatur, konstanta

kesetimbangan reaksi pada temperatur 50oC berharga 1. Harga ini diperkirakan tidak

banyak berubah terhadap temperatur karena panas isomerisasi tersebut mendekati 1

kkal/mol. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa laju reaksi isomerisasi ini mengikuti

rumusan Micahelis Menten.




Secara komersial, enzim glukosa isomerase yang dapat dihasilkan oleh

mikroorganisme Bacillus coagulan, Steptomyocis, dan lain-lain digunakan dalam keadaan

terimobilisasi, yaitu enzim diikatkan ke suatu padatan pendukung sedemikian sehingga

tidak mudah melarut selama reaksi berlangsung. Pemakaian enzim terkekang

dibandingkan enzim homogen mempunyai beberapa keuntungan, seperti:

1. keaktifan enzim dapat dipertahankan lebih lama

2. mudah dipisahkan dari campuran reaksi

Akan tetapi, sistem enzim terimobilisasi yang merupakan suatu sistem enzim

heterogen juga memiliki kekurangan seperti keaktifannya yang tidak dapat setinggi enzim

homogen karena berkurangnya kemungkinan kontak secara baik dan adanya pengaruh

perpindahan massa yang dapat memperlambat laju reaksi. Dalam kaitannya sebagai objek

kajian kinetika reaksi, disini akan dipelajari pembuktian secara percobaan bahwa

isomerisasi glukosa-fruktosa dengan menggunakan enzim terkekang menuruti mekanisme

Michaelis Menten. Rumusan laju reaksi yang diperoleh selanjutnya digunakan untuk

mempelajari besarnya perilaku reaktor dengan berbagai jenis pengoperasian.

IV.6 Percobaaan Isomerisasi Glukosa-Fruktosa dengan Enzim Terimobilisaasi

Salah satu pendorong munculnya pemakaian enzim terimobilisasi adalah adanya

tuntutan sistem produksi secara berkesinambungna. Untuk maksud ini dipakailah reaktor

berkesinambungan dengan enzim tersusun sebagai unggun diam (reaksi ideal jenis PFR)

atau enzim tercampur dengan baik dalam medium reaksi karena adanya pengadukan

(reaktor ideal jenis CSTR). Perkembangan rancangan reaktor kini mengarah ke

pengupayaan modifikasi gabungan kedua sifat reaktor ideal tersebut.

Perilaku reaktor dalam bahasan ini terutama dimaksudkan sebagai pola

tanggapan reaktor terhadap perubahan kondisi operasi seperti laju alir, waktu tinggal, laju

daur ulang, temperatur, nilai pH yang akan mempengaruhi pencapaian keadaan tunak dan

derajat konversi tertentu. Kajian perilaku reaktor ini memerlukan informasi dasar

mengenai laju reaktor murni. Jika digunakan enzim terimobilisasi, laju reaksi murni

diperoleh dengan menggunakan reaktor batch.

Secara kualitatif, pengaruh hidrodinamika aliran dan perpindahan massa substrat

dipelajari dengan memperkirakan derajat konversi suatu jenis reaktor pada kondisi

operasi tertentu. Hal ini memerlukan analisis neraca massa pada masing-masing jenis

reaktor. Bahasan ini dibatasi untuk kondisi isotermis dan nilai pH yang tetap sehingga




laju reaksi hanyalah dipengaruhi konsentrasi substrat dan enzim. Hubungan berikut

adalah dasar analisisnya:

[laju akumulasi zat i di dalam sistem] = [laju alir massa zat i masuk ke sistem] + [laju alir

massa zat i keluar sistem] + [laju reaksi zat i

karena reaksi di dalam sistem]

IV.7 Tinjauan Singkat Perilaku Reaktor

IV.7.1 Reaktor Batch

Perilaku utama reaktor batch yang dioperasikan pada fasa cair dan isotermis

adalah:

1. konsentrasi substrat dan produk merupakan fungsi waktu

2. laju reaksi dan derajat konversi selalu berubah setiap saat

Dengan menganggap dapat diperoleh kehomogenan

campuran reaksi dan volume campuran reaksi yang tetap,

penerapan neraca massa persamaan untuk reaktor batch akan

memberikan persamaan deferensial:

SK.Srr

dtdS

M

max

+=−= (26)

Gambar 6 Skema Reaktor Batch

Bila harga r dapat diperoleh secara grafis dari pengaluran data konsentrasi

terhadap waktu reaksi, persamaan deferensial tersebut dapat diubah menjadi:

maxmax

M

r1

S1.

rK

r1

+= (27)

Persamaan tersebut menyatakan hubungan linear antara 1/r dan 1/S yang dapat

mendekati nilai KM/rmax dari angka gradien kurva dan nilai 1/rmax dari titik potong

kurva dengan sumbu vertikal. Dengan demikian harga-harga KM dan rmax dapat

diperoleh. Namun, perolehan harga r secara grafis seringkali tidak praktis dan

tingkat ketelitiannya kecil. Upaya untuk memperbaiki hal ini adalah dengan

pemakaian model matematik yang menyatakan ketergantungan konsentrasi pada

waktu reaksi. Sebagai contoh dengan persamaan berikut:




BtA.eS −= (28)

Harga konstanta A dan B diperoleh dari pengerjaan regresi linier terhadap data

konsentrasi berdasarkan persamaan:

BtlnAlnS −= (29)

Model persamaa tersebut sebetulnya terbatas penggunaannya karena persamaan

tersebut diturunkan berdasarkan laju reaksi bergantung linier terhadap konsentrasi.

Pembahasan terdahulu menyatakan hal ini berlaku bila harga konsentrasi kecil

sedemikian sehingga dapat diabaikan terhadap KM. Model yang lebih umum

diperoleh dengan menyelesaikan persamaan diferensial neraca massa sengan syarat

batas [S]t=0 = [S]0. Hasilnya adalah:

tS)-.(Sr1

SSln

rK

omax

o

M

M =+ (30)

Bila ln(So/S), (S0-S), dan t masing-masing dinyatakan dengan x1, x2, dan y

persamaan tersebut menjadi:

2max

1M

M .xr1.x

rKy += (31)

Harga KM dan 1/RM dapat ditentukan dengan regresi linear bertingkat.

IV.7.2. Reaktor Semibatch

Pada jenis reaktor ini, volume cairan reaksi

berubah setiap saat sesuai dengan

V=Vo+Qt (32)

Dengan demikian, selain konsentrasi substrat dan

laju reaksi, konsentrasi enzim juga berubah terhadap

waktu reaksi. Penerapan neraca massa reaktor ini

adalah:

V.rQ.Sodt

d(V.S)−= (33)

Gambar 7 Skema Reaktor Semibatch




Persamaan tersebut dapat diturunkan menjadi:

∫∫ +=

−−−−+

−t

0

S

So MMM2

M

Qt)(Vodtds

QSoK.Eo).SKQK(QSoQSSK

(34)

Dengan menggunakan harga-harga KM dan rM dari percobaan reaktor batch serta

harga Q dan So yang diketahui, persamaan terakhir ini dapat digunakan untuk

memperlirakan konsentrasi S setiap saat.

IV.7.3. Reaktor CSTR

Penerapan neraca massa pada keadaan tunak untuk reaktor CSTR dapat

digambarkan dengan persamaan diferensial berikut:

S)(K.SrV.S)Q.(So

M

max

+=− (35)

Setelah disusun kembali, persamaan tersebut

menjadi

S).(Sor1

SS)(So.

rK

τ1

QV

MM

M −+−

== (36)

Gambar 8 Skema CSTR

dimana τ adalah waktu tinggal reaksi. Dengan harga-harga KM dan rM yang diperoleh

dari percobaan reaktor batch persamaan neraca massa dapat digunakan untuk

memperkirakan konsentrasi S pada berbagai harga.

Aliran daur ulang berpengaruh pada peningkatan konversi tahap dalam

reaktor. Untuk volume cairan reaksi yang sama dengan reaktor tanpa daur ulang,

reaktor berdaur ulang dapat mencapai tingkat konversi tertentu dengan laju alir

umpan yang lebih kecil.

IV.7.4. Reaktor PFR

Analisa perilaku reaktor PFR ideal didasarkan pada anggapan bahwa aliran

campuran reaksi sepanjang unggun reaktor memenuhi beberapa hal berikut:

1. pada setiap penampang yang tegak lurus poros unggun,




laju alir fluida dan semua keadaan zat (konsentrasi,

temperatur, dan sebagainya) di semua kedudukan adalah

sama

2. tidak terjadi pencampuran antara zat-zat dalam arah

longitudinal

Dengan anggapan di atas dan dengan menggunakan notasi

berikut:

A = luas penampang unggun (cm2), diasumsikan konstan dari

Z=0 sampai Z=L

u = laju alir linear fluida (cm/s)

S = konsentrasi glukosa dalam campuran reaksi (gr/L) Gambar 9 Skema PFR

Penerapan neraca massa untuk keadaan tunak memberikan persamaan:

SK.Srr

dzdSu.

M

max

+=−= (37)

Persamaan tersebut dengan syarat batas S=So pada Z=0, daapt diselesaikan

menghasilkan:

maxmax

M

r1

SSoln

rK

τ1

uL

+== (38)

Dengan menggunakan harga-harga KM dan rmax dari percobaan batch serta harga-

harga L, u, dan So yang diketahui, persamaan terakhir ini dapat digunakan untuk

memperkirakan konsentrasi S pada setiap harga.

V. Rancangan Percobaan V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Polarimeter

2. Refraktometer

3. Gelas Kimia sebagai reaktor batch

4. Motor dan batang pengaduk

5. Water Bath

6. pH meter

7. timbangan




8. Labu takar

9. Pipet ukur

10. Pipet tetes

11. Termometer

12. Botol semprot

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. Glukosa

2. Fruktosa

3. Enzim Glukosa Isomerase

4. MgSO4

5. Asam (HCl)

6. Basa (NaOH)

V.3 Garis Besar Percobaan

V.3.1 Percobaan Batch dan Semibatch

Reaktor yang berisi larutan substrat awal ditangas dalam waterbath untuk

mendapatkan kondisi isotermal pada temperatur tertentu. Pengadukan dilakukan

untuk mempercepat pencapaian keadaan homogen. Bila kondisi operasi sudah

tercapai, sejumlah tertentu enzim dimasukkan ke dalam reaktor dan saat pemasukan

ini dianggap sebagai awal tempuhan percobaan. Untuk reaktor semibatch, pada saat

t=0 ini dimulai pengaliran larutan umpan dengan laju yang sudah ditentukan.

Percobaan dengan menggunakan kedua jenis reaktor ini menghasilkan data

transien. Ragam percobaan dapat dilakukan dengan memvariasikan berbagai faktor

berikut:

- temperatur dan pH medium reaksi

- konsentrasi substrat awal

- konsentrasi enzim

- laju putaran pengaduk (rpm)

Data percobaan reaktor batch dipakai untuk membuktikan mekanisme reaksi

sekaligus untuk menghitung harga konstanta KM dan rmax.




V.3.2 Percobaan Reaktor Berkesinambungan

Reaktor PFR dan CSTR kedua-duanya dioperasikan pada keadaan tunak.

Secara praktis keadaan ini tercapai bila pada kondisi operasi yang telah ditentukan

laju alir umpan dapat berharga sama dengan laju alir campuran keluar reaktor dan

harganya tetap. Untuk reaktor CSTR, tempat dimana larutan substrat masuk reaktor

dari bagian atas (down flow), pencapaian kesamaan laju alir dapat diatur sebelum

enzim dimasukkan ke medium reaksi. Pengaturan seperti ini tidak dilakukan pada

reaktor PFR karena aliran campuran reaksi mengalir vertikal ke atas melalui unggun

enzim (up flow). Kajian mengenai penyimbangan perilaku kedua reaktor ini dari

keadaan ideal dapat dilakukan secara kualitataif dengan memperkirakan konsentrasi

substrat di aliran keluar untuk kondisi operasi tertentu. Dalam hal ini digunakan

persamaan neraca massa reaktor PFR dan CSTR yang telah diintegrasi. Hal

sebaliknya, kedua reaktor ini dengan kedua persamaan tersebut dapat digunakan

untuk membuktikan usulan mekanisme reaksi dan juga sekaligus menghitung harga

konstanta KM dan rmax. Perbedaan harga konstanta-konstanta yang diperoleh dari

percobaan reaktor batch dan reaktor berkesinambungan dapat digunakan sebagai

dasar analisa kualitatif perilaku reaktor. Kedua reaktor dapat dioperasikan untuk

paduan dari beberapa faktor berikut:

- temperatur dan pH reaksi

- konsentrasi substrat awal

- laju alir atau waktu tinggal reaksi

- dan sebagainya.




V.4 Diagram Percobaan

V.4.1 Percobaan Batch dan Semi Batch

Percobaan pada reaktor Batch dan Semi Batch dapat diringkas seperti pada

Gambar 10 berikut ini:

Gambar 10 Percobaan Reaktor Batch dan Semi Batch

Larutan Substrat Water Bath

Ditangas

Larutan Substrat panas

Stabilkan pada suhu tertentuLakukan pengadukan sampai homogenCapai kondisi operasi

Larutan Substrat tunak padakondisi operasi Enzim

Campurkan

Reaktor Batch Reaktor Semi Batch

Masukan t = 0 Masukan mulai pengaliran lar.umpan dengan laju tertentu

Variasikan:- T dan pH medium- [substrat awal]- [enzim]- rpm

Variasikan:- T dan pH medium- [substrat awal]- [enzim]- rpm

Data Transien

Buktikan Mekanisme ReaksiDidapat KM dan rmax

Cuplikan/ outlet reaktor

Catat temperatur setiap pengambilan, pastikan kondisi isotermalCatat pH (gluk-fruk jadi lebih asam, mempengaruhi laju reaksiEncerkan cuplikan agar dapat dianalisa polarimeter

Sampel siap dianalisa

Ukur konsentrasi dengan polarimeterUkur T deng termometer raksaUkur pH dengan kertas universal, lebih baik dengan pH meter

Polarimeter

Polarimeter siap pakai

Lakukan Perhitungan




V.4.2 Percobaan Reaktor Kontinu

Langkah percobaan pada reaktor kontinu ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar 11 Percobaan Reaktor Kontinu

V.5 Pengamatan

Dalam percobaan ini, konsentrasi glukosa merupakan data utama. Temperatur perlu

dicatat pada setiap pengambilan cuplikan untuk mengetahui tingkat kebaikan dalam

penjagaan kondisi isotermal. Terjadinya konversi glukosa menjadi fruktosaa


Reaktor PFR Reaktor CSTR


Reaktor PFR stabil Reaktor CSTR stabil

Larutan downflowAtur kesamaan laju alir sebelum enzimdimasukkan ke medium

Aliran up flowAtur sampai laju alir umpan=laju alircampuran keluar reaktor

Reaktor PFR tunak Reaktor CSTR tunak

Kaji penyimpangan reaktor dari kondisi idealPerkirakan [substrat] di aliran keluar

Variasikan:- T dan pH medium- [substrat awal]- [enzim]- laju alir dan waktu tinggal- rpm

Data Transien

Lakukan Perhitungan

Buktikan Mekanisme ReaksiDidapat KM dan rmax

Masukan Reaktor

Data Mekanisme ReaksiDidapat KM dan rmax yang didapat dari

percobaan batch dan semi-batch

BandingkanAnalisis Kualitatif

Hasil Percobaan

Cuplikan/ outlet reaktor

Catat temperatur setiap pengambilan, pastikan kondisi isotermalCatat pH (gluk-fruk jadi lebih asam, mempengaruhi laju reaksiEncerkan cuplikan agar dapat dianalisa polarimeter

Sampel siap dianalisa

Ukur konsentrasi dengan polarimeterUkur T deng termometer raksaUkur pH dengan kertas universal, lebih baik dengan pH meter

Polarimeter

Sudut putaran koreksidengan Aqua DM

Polarimeter siap pakai




memungkinkan adanya perubahan pH menuju ke yang lebih asam. Karena pH juga

mempengaruhi laju reaksi, harganya perlu dicatat pada setiap pengambilan cuplikan.

V.6 Pengukuran

Cara pengukuran untuk memperoleh data tersebut adalah sebagai berikut:

1. Pengukuran konsentrasi campuran reaksi menggunakan polimeter, karena baik

glukosa maupun fruktosa membentuk larutan y ang optis aktif

2. Pengukuran temperatur dilakukan dengan menggunakan termometer air raksa

3. Pengukuran pH dilakukan dengan menggunakan kertas penunjuk pH universal.

Dalam hal keakuratan pengukuran pH dikehendaki, disarankan penggunaan pH

meter menggunakan elektroda.

Pada pengukuran konsentrasi cuplikan, sudut putar yang didapatkan perlu

dikoreksi dengan sudut putar yang ditunjukkan oleh pelarut aqua dm. Oleh karena

setelah terjadi konversi cuplikan merupakan larutan campuran glukosa-fruktosa,

maka sudut putar pengamatan yang telah dikoreksi tersebut menyatakan perpaduan

sudut masing-masing. Hubungan berikut menjelaskan pernyataan tersebut:

θ (tot) = θ (obs) – θ (aqua dm)

θ (tot) = θ (g) + θ (f)

Pengukuran konsentrasi menggunakan polarimeter menghendaki daerah

kerja pada batas konsentrasi rendah. Pengenceran perlu dilakukan bila konsentrasi

cuplikan terlalu pekat. Dalam hal θ (tot) adalah sudut putar cuplikan yang telah

diencerjkan n kali, konsentrasi glukosa dapat dihitung dengan rumus berikut:

)θl.(θ.l.So)(θn.θ

S(sf)(sg)

(sf)(tot)

−

−=

Perlu diingat, karena peralatan dan kondsi pengukuran pda saat praktikum

berbeda dengan yang ditunjukkan pada literatur, θ (sf) dan θ (sg) perlu diukur sendiri.

V.7. Data Literatur

V.7.1. Data Fisik Glukosa dan Fruktosa

- Rumus molekul : C6H12O6

- Berat molekul : 180




- Sifat optis aktif, glukosa memutar bidang polarisasi ke kanan, fruktosa ke kiri.

- Fruktosa lebih manis daripada glukosa.

- Konstanta kesetimbangan reaksi pada temperature 50 0C, berdasarkan literatur,

adalah 1

V.7.2 Data Fisik Enzim Glukoisomerase

- Sumber enzim : Bacillus coagulan, Streptomyocis

- Digunakan dalam keadaan terimobilisasi

- Temperatur optimum 50 0C

- pH optimum 8

- Bentuk fisik : pelet kering, berwarna coklat

- ρ kering = 40-45 lb/ft3

- ρ basah = 40-45 lb/ft3

- ukuran pori = 0.2 µm

- Persamaan aktivitas : 40 µm/g

- Fraksi volume kosong = 45%

- Enzim lebih aktif jika bergabung dengan senyawa non-protein (kofaktor) yang

biasanya berupa ion-ion logam dan senyawa protein (coenzim) yang berupa

ATP, NAD, NADP.

V.7.3 Data Sudut Putar Polarisasi Glukosa dan Fruktosa

α spesifik glukosa = 0.0527

α spesifik fruktosa = -0.0995

V.8. Data Pengamatan

V.8.1 Penentuan α spesifik glukosa dan α spesifik fruktosa

[Glukosa] αobserved

[Fruktosa] αobserved

V.8.2 Penentuan KOnsentrasi Glukosa Tiap Saat

t (menit) αobserved




V.9. Contoh Data dan Langkah Perhitungan

V.9.1 Penentuan Sudut Putar Bidang Polarisasi Spesifik Glukosa

Sudut putar bidang polarisasi spesifik glukosa (αsg) dapat diperoleh

dengan cara mengukur sudut putar bidang polarisasi pada rentang konsentrasi

glukosa yang berbeda, kemudian mengalurkannya pada sumbu X-Y, dimana

sumbu X adalah konsentrasi glukosa dan sumbu Y adalah sudut putar bidang

polarisasi glukosa (αobs).

Dari grafik tersebut dapat dilakukan lineraisasi, sehingga didapat

persamaan:

αobs = L. αsg.[glukosa]

dimana :

- αobs = sudut putar bidang polarisasi observasi

- αsg = sudut putar bidang polarisasi spesifik glukosa

- L = panjang tabung polarimeter (2 dm)

- [glukosa] = konsentrasu glukosa

Sehingga dapat ditulis:

Ltanθα sg =

V.9.2 Penentuan Sudut Putar Bidang Polarisasi Spesifik Fruktosa

Penentuan sudut putar bidang polarisasi spesifik fruktosa dilakukan

sama dengan penentuan sudut putar bidang polarisasi spesifik glukosa, dengan

persamaan:

αobs = L. αsf.[fruktosa]

dimana :

- αobs = sudut putar bidang polarisasi observasi

- αsf = sudut putar bidang polarisasi spesifik fruktosa

- L = panjang tabung polarimeter (2 dm)

- [fruktosa] = konsentrasu fruktosa

Sehingga dapat ditulis:

Ltanθα sf =




V.9.3 Penentuan Konsentrasi Glukosa

Penentuan konsentrasi glukosa dapat diperoleh dengan persamaan:

)L.()[glukosa] .L.(n.

[glukosa](sf)(sg)

0(sf)(obs)

αααα

−

−=

V.9.4 Kalibrasi α-spesifik Glukosa dan Frukstosa

α-spesifik glukosa dapat diperoleh dengan mengetahui data α-observasi larutan

glukosa setiap waktu, seperti pada tabel berikut:

Kalibrasi α spesifik Glukosa

massa (gr) Volume (mL) [S] (g/mL) αobs 16 1000 0.016 0.3 14 1000 0.014 0.4

12.25 1000 0.01225 -0.05 10.72 1000 0.01072 0.42 9.38 1000 0.00938 0.1 8.21 1000 0.00821 -0.25 7.18 1000 0.00718 -0.15 6.28 1000 0.00628 0.1

Berikut ini adalah grafik kalibrasi glukosa

Glukosa

y = 0.0443x - 0.357R2 = 0.3623

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20

Konsentrasi Awal (g/mL)

Sudu

t put

ar

gradien = 0.0443

0.0443 adalah α glukosa. L

L = panjang tabung polarimeter = 2 dm

αobs glukosa = 0.02215

Kalibrasi α spesifik Fruktosa

massa (gr) Volume (mL) [S] (g/mL) αobs 16 1000 0.016 -2.2 14 1000 0.014 -2.15

12.25 1000 0.01225 -1.85




10.72 1000 0.01072 -1.95 9.38 1000 0.00938 -1.65 8.21 1000 0.00821 -1.25 7.18 1000 0.00718 -1.15 6.28 1000 0.00628 -0.95

Berikut ini adalah grafik kalibrasi fruktosa

Fruktosa

y = -0.1325x - 0.2526R2 = 0.8976

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

00 5 10 15 20

Konsentrasi Awal (g/mL)

Sudu

t put

ar

gradien = -0.1325

α fruktosa. L = -0.1325

L = panjang tabung polarimeter = 2 dm

αobs fruktosa = -0.06625 V.9.5 Perhitungan Koefisien Kinetika Reaksi Konversi Glukosa-Fruktosa

Berikut adalah contoh data percobaan dan langkah perhitungan yang diperlukan

untuk meramalkan koefisien kinetika reaksi konversi glukosa-fruktosa:

Penentuan [glukosa] setiap waktu

Diambil sampel dari reaktor sebanyak 1 mL

Sampel tersebut diencerkan menjadi 25 mL

Faktor pengenceran n =25

No. Run [S]0 (gr/L) [E]0 (gr/mL) V pH T (0C) 2 200 2 500 5 55

t (menit) αobs 3 0.65 6 0.7 9 -0.4

12 0.6




15 0.55 18 0.4 21 0.5 24 0.55

t (menit) αobs [Glukosa]

(g/L) ln (S0/S) [ln (S0/S)]/t (S-S0)/t

3 0.65 241.7986 -0.1898 -0.0633 13.9329 6 0.7 248.8688 -0.2186 -0.0364 8.1448 9 0.65 241.7986 -0.1898 -0.0211 4.6443

12 0.6 234.7285 -0.1601 -0.0133 2.8940 15 0.55 227.6584 -0.1295 -0.0086 1.8439 18 0.4 206.4480 -0.0317 -0.0018 0.3582 21 0.5 220.5882 -0.0980 -0.0047 0.9804 24 0.55 227.6584 -0.1295 -0.0054 1.1524

Konversi Glukosa-Fruktosa pada 55 C, pH 5,5

y = -0.0045x - 0.0002R2 = 0.9999

-0.0700

-0.0600

-0.0500

-0.0400

-0.0300

-0.0200

-0.0100

0.00000.0000 2.0000 4.0000 6.0000 8.0000 10.000

012.000

014.000

016.000

0

(S-So)/t

[ln (S

o/S)

]/t

Penentuan Laju Reaksi

Laju reaksi (r), dapat dihitung dengan mengalurkan konsentrasi glukosa

[S] pada sumbu y dengan waktu (t) pada sumbu x. Dari pengaluran tersebut

dilakukan regresi polinomial orede-2.




Berikut ini adalah plot konsentrasi glukosa terhadap waktu:

Laju Perubahan Konsentrasi Substrat

y = 0.0655x2 - 3.1703x + 258.97R2 = 0.6172

150.0000

170.0000

190.0000

210.0000

230.0000

250.0000

270.0000

0 5 10 15 20 25 30[glukosa] (g/mL)

t (m

enit)

Dengan cara deferensial didapatkan persamaan konsentrasi glukosa sebagai

fungsi temperatur adalah:

[glukosa] = 0.0655*t2 - 3.1703*t + 258.97

Untuk mendapat nilai laju reaksi diperlukan hubungan dt

d[S]r −=

Dari persamaan [glukosa] = f (t) tersebut diperoleh

dtd[S]r −= = 0.13*t - 3.1703

Dari hubungan tersebut dapat diperkirakan laju reaksi setiap waktu, karena r = f

(t).

Jika t = 6, maka r dapat dihitung sebagai berikut:

dtd[S]r −= = 0.13*6 – 3.1703 = -2.7803.

Laju perubahan konsentrasi glukosa setiap waktu ditunjukkan oleh tabel berikut:

t (menit) r = dS/dt 1/S 1/r 3 -2.7803 0.0041 -0.3597 6 -2.3903 0.0040 -0.4184 9 -2.0003 0.0041 -0.4999

12 -1.6103 0.0043 -0.6210 15 -1.2203 0.0044 -0.8195 18 -0.8303 0.0048 -1.2044 21 -0.4403 0.0045 -2.2712 24 -0.0503 0.0044 -19.8807

Penentuan Harga rm dan Km

Penentuan nilai rm dan Km berdasarkan persamaan Michaelis Menten

adalah sebagai berikut:




mm

m

r1

[glukosa]1*

rK

r1

+=

Dari hasil percobaan dapat dialurkan persamaan grafik 1/r pada sumbu y terhadap

1/[glukosa] pada sumbu x, sehingga didapatkan slope Km/rm dan intercept 1/rm.

Fungsi 1/[glukosa] terhadap 1/laju perubahan konsentrasi (1/r) dari data tersebut

dirangkum dalam tabel berikut

1/S 1/r 0.0041 -0.3597 0.0040 -0.4184 0.0041 -0.4999 0.0043 -0.6210 0.0044 -0.8195 0.0048 -1.2044 0.0045 -2.2712 0.0044 -19.8807

Plot dari data tersebut yang jelas menunjukkan 1/[glukosa] = f (1/r), pengaluran ini disebut Plot

Lineweaver-Burk.

Plot Lineweaver-Burk

y = -1607.6x + 6.078R2 = 0.4593

-2.5000

-2.0000

-1.5000

-1.0000

-0.5000

0.00000.0035 0.0037 0.0039 0.0041 0.0043 0.0045 0.0047 0.0049 0.0051

1/S

1/r

Dengan regresi linear didapat hubungan linear:

86.07[glukosa]

1*1607.6r1

+−=

Jika presamaan tersebut dianalogikan dengan persamaan Lineweaver-Burk

diperoleh:

Slope = -1607.6 = Km/rm

dan Intercept = 6.078 = 1/rm Maka didapat rm = 1/6.078 =0.1645 g/L.menit dan Km = -1607.6*0.1645 =264.495 g/L.




Daftar Pustaka

1. Bailey, J.E., and Ollis, D.F., Biochemical Enginering Fundamentals, McGraw-Hill

Kogakusha Ltd., Tokyo, 1987, Chapter 3

2. Smith, J.m., Chemical Engineering Kinetics, 2nd Edition., McGraw Hill Co.,

Singapore, 1981

3. Micaelis and Menten, M.C., Biochem. Z., 49, pp.333-, 1931

4. Stanbury and Whitaker, A., Principle of Fermentation Technology, Pergamon Press,

1984, Chapter 2.

5. Wiseman, A., Hanbook ofnzyme Biotechmology, 2nd Edition., John Wiley & Sons,

1985, pp. 61-85

modul 1.06 konversi glukosa fruktosa

Documents