Bab 1. Introduction Dasar dari bioindustri adalah BioteknologiAdalah: penggunaan mikroba hidup untuk melakukan proses produksi unt menghasilkan suatu produk

Bioprocess engineering suatu teknik unt memodifikasi proses sehingga mempunyai manfaat. Ex : pati menjadi bioetanolAplikasi BioteknologiBioteknologi terkait dengan

Contoh Produk Bioindustri : Cheese, yoghurt, pickles, sauerkraut, soya sauce, alcoholic beverage (beer, wine, sake, etc) Colouring Material (angkak) Biosynthetic vanillin Thickener (xanthan gum, microbial alginat, etc) Single Cell Protein Probiotic Organic acids (acetic acid, lactic acid, etc) Solvents (ethanol, acetone dll) Amino acids, enzymes, biosurfactant, etc Flavor Enhancer (MSG, Ribotide) Arachidonic oil Transgenic plants (GMO plants) Antibiotic, Insulin, Interferon, Steroid Vitamin (B2, B12, C dll) Vaccine (e.g Hepatitis B, influenza, Polio, Meningitis etc) Food Supplement (Spirulina, Chlorella) Indigenous technology : tempeh, tape, tauco,

Sejarah Perkembangan BioteknologiMakanan terfermentasiAlcoholic beveragePerkembangan Bioteknologi sebelum Louis Pasteur

# Alcoholic beverages Fermentasi alami dengan substrat dasarnya adalah gulaCont: bir,sake,tuak,khamr,etc# makanan terfermentasi produk turunan susu dan teknologi substrat padatCont: Keju,yogurt,tempe,tauco,dllPerkembangan Bioteknologi Era Louis Pasteur

Alkohol dan produk turunannya ( Etanol,butanl,aseton,gliserol) Asam organik (Asam sitrat,asam asetat,dll) Treatment limbah dengan proses aerobVaksin

Perkembangan Bioteknologi Era Antibiotik

Antibiotik

Antibiotik Penicilin, tetracyline,dll) Vaksin meningitisPerkembangan Bioteknologi Era setelah Antibiotik

Asam amino (asam glutamat,lisin,aspartam) Enzim (amilase,glucose isomerase, glucose dehydrogenase,dll) Immobilized cell and enzyme Pengolahan limbah secara anaerobik (biogas) Polisakarida (xantan,pululan,dll) Bioinsectisida bakterialPerkembangan Bioteknologi pada bioteknologi modern

1973 gen kloning pertama 1974 ekspresi gen kloning ke mikroorganisme lain 1975 bioinsektosida dari Bt.Israelensis ,unt larva nyamuk

Level Aplikasi Bioteknologi

LevelInputOutput

High Investasi tinggi Pelengkapan dan proses mahal dan lengkap Operatornya harus terlatih Nilainya tinggi Produk makanan dan kesehatan (obat)

medium Investasi medium Biaya perlengkapan dan proses medium Makanan Pakan Pupuk bioinsektisida

Low Investasi rendah Pelengkapan dan proses sederhana Operatornya tidak terlatih Produk bernilai rendah

Contoh Bioteknologi di Bidang pertanian Transgenik gen dari suatu spesies dimasukkan ke spesies lainnyaContoh : - gen cry dimasukkan ke tanaman agar tak terserang hama Maize transgenik GMO pada tanaman jagung menggunakan gen cry,bakteri yang digunakan adalah Bacillus thuringiensis

Genetically Modified OrganismGMO Menjawab kebutuhan manusia akan kebutuhan pangan dan pakan dalam waktu singkat Ramah lingkunganAlasan penggunaan bioteknologi

Contoh lain : Hormon insulin diproduksi dari pankreas babi,, dengan rekombinan E.coli , sudah diproduksi secara massal Bioteknologi membahas tentang : Aspek kultivasi, Scalling up, dan aspek techno economy

Bab 2. Bioindustrial Technology How Cells are Grown

Perumbuhan Mikroba terdiri dari Repilkasi dan pertambahan ukuran.Penambahan Jumlah SelPerubahan Ukuran sel

Dalam sel yg bekerja adl enzim

Reaksi pengubahan nutrisis ke materi biologi:

Laju pertumbuhan tergantung atau direpresentasikan berdasarkan konsentrasi sel

Batch Grown

Cara mengkultivasi sel tanpa penambahan atau pengurangan pada media (nutrien) Sel bisa dikuantifikasi secara:1. Langsung karena kadang ada media yang tersuspensi,menyebabkan perhitungan tidak valid2. Tidak Langsung massa sel,jumlah selPerhitungan Jumlah Densitas Sel1. Menentukan Jumlah densitas sel dengan hemasitomer/ Petroff-Hausser slideKelemahan : - media harus bebas media tersuspensi- harus ada pewarnaan unt membedakan sel hidup dan mati- tidak cocok unt sel yg sedang mebentuk agregat/flokulasi/menggumpal- tidak cocok untuk kapang/mold

2. Plate Count dengan anggapan bahwa satu koloni berasal dari satu sel. 1 Koloni terbentuk dari 1 sel hidup Kultur disemprot atau diencerkan pada agar Plate count yang baik adalah dengan syarat 30-200 koloni Cocok untuk bakteri dan khamir, tapi tidak cocok untuk kapang Pemilihan media yang cocok sangat penting sehingga rumit Single cell observable colony (25 generations)3. Ketahanan sel terhadap listrik Ketika sel melewati suatu celah maka akan menimbulkan suatu tegangan atau provide pulse. Jumlah pulse yang dihasilkan akan menunjukkan jumlah sel Tinggi pulse dihitung sebagai ukuran sel4. Perhitungan dengan intensitas cahaya Jumlah cahaya sebanding dengan konsentrasi sel Semakin keruh semakin banyak selNb: tergantung media, larutan pati kan juga keruh,jadi harus bedakan keruhnya itu karena sel apa karena emang medianya udah keruh

Menentukan Konsentrasi massa sel Metode langsung Metode biomassa Spektrofotometer Metode tidak langsung menghitung komponen sel, spt: ATP, enzyme, chlorophyllPada beberapa Optical Density saja lalu diplot jumlah selnyaDengan memplot beberapa nilai Od, kemudian dibuat persamaan regresi y= ax +b, maka tak perlu meplot semuanya,, selanjutnya nilai OD akan mengikuti garis.Konsekuensi = ada nilai erorMg/l

OD

Fermentasi adalah untuk proses anaerob... kalau aerob namanya KultivasiDefinisi sederhana : proses meproduksi asam laktat atau alkohol dari glukosaDefinisi sekarang : proses transformasi senyawa organik menjafi produk secara enzimatik

Tipe Bioproses

Pola pertumbuhan dan kinetika pada Batch Fase Lag Fase eksponensial Fase stasioner Pertumbuhan melambat Fase kematian

Fase Lag adalah fase yang terjadi setelah inokulasi. Dan adalah periode adaptasi terhadap lingkungan yang baru massa sel akan naik, tetapi jumlah sel tetap konstan. Tergantung kondisi inokulum. Kondisi inokulum jelek maka fase lag akan lama. Konsentrasi nutrisi esensial penting, karena jika rendah akan menyebabkan fase lag menjadi lama Ukuran inokulum adalah 10-15 % v/v Akan terjadi multiple lag fase diauxic growth, yang akan terjadi ketika sumber karbonnya kompleks. Co: molases Penambahan aktivator pertumbuhan contoh : Mg2+ Aerobacter aerogenes menghasilkan glukosa and fosfatFase eksponensial Merupakan fase logaritmik [ 2n] (2 4, 48 , 8 16) Kondisi dimana sel telah cocok / nyaman dengan kondisi lingungan yang baru. ^^ Terjadi pertumbuhan seimbang semua komponen prtumbuhan sama Tidak ada masalah dengan nutrient (independent) Fase pertumbuhan melambat Kehabisan nutrisi esensial Terbentuk akumulasi toksik pada nutrient Pertumbuhan tidak seimbang, menyebabkan terjadinya penurunan struktur sel (restruktur sel)

hidrokarbonC

NUTRISI ESENSIAL ???H

AIRAIR

AerasiO

Amonium,amonia,ureaNN

# C dan N adalah komponen pentingjadi kadang dihirung... ^^Fase Stasioner Laju pertumbuhan = laju kematian Endogenous metabolism metabolisme tetap jalan tapi tidak ada pertumbuhan atau memperbanyak diri--> maka terbentuk metabolisme sekumder Ada metabolit sekunder antibiotik,hormon Nutrisi esensial habis menghasilkan toksik tinggi Massa sel konstan tapi yang hidup menurun Terjadi lisis sel sel pecah,cairan keluar, sehingga akan terhitung pertumbuhan tersembunyi (Cryptic growth)Pembentukan ProdukMetabolit primer berasosiasi pada pertumbuhan

Metabolit sekunder berasosiasi pada pertumbuhan sekunder

Contoh Produk Mikrobial Makanan ( roti,keju,wine,beer,dll) Komoditas Tambahan makanan asam amino,agen pengental,vitamin Solvent butanol,etanol Biofuel etanol,methane,hidrogen Fine Chemical Pharmaceutical antibiotik,antifungals Laboratory and diagnostic reagent enzime biochemicals, protein

Berasosiasi pada pertumbuhanProduk Mikrobial

Tidak berasosiasi pada pertumbuhanBerasosiasi campuranBerasosiasi pada pertumbuhan Berproduksi secara simultan seiring dengan pertumbuhan Laju pertumbuhan spesifik sama dengan laju pertumbuhanqp = X = 1/X dP/dt = YP/X g

Produk metabolit primerAsal Rumus

Cont: enzim protease (Bacillus subtilis), amino acid.

dx/dt = xdP/dt = qp . xqp = 1/x . dP/dtatauYp/x . g = dP/dx . dx/dt Yp/x . g = dP/dt

Tidak berasosiasi pada pertumbuhan Pada fase stasioner Laju spesifik pembentukan produk konstanqp = = constant

Produknya adalah metabolit sekunder. Cont: Hormones, antibiotics (penicillin)

BiomassaProduk

berasosiasi campuran Diproduksi ketika anatara petumbuhan melambat dan fase stasioner Persamaan :qp = g = constant

Co : xanthan gum,asam laktat Metabolit PrimerBiomassaProduk

Metabolit Primer Diproduksi ketika fase pertumbuhan primer Produk yang dihasilkan penting untuk pertumbuhan dan aktivitas Diproduksi langsung dari substrat melalui aktivitas sel E.g: Alcohol (Saccharomyces cerevisiae), amino acid

Metabolit sekunder

Terbentuk ketika pertumbuhan sekunder Terbentuk sangat sedikit orgs Bukan suatu yang penting unt pertumbuhan Kondisi pertumbuhan sangat penting untuk menentukan laju sintesis metabolit sekunder Gabungan dari struktur yang berhubungan dekat Dapat diproduksi sangat banyak overproduce Dari substrat pertumbuhan atau metabolit primer E.g: Penicillin, b-lactam antibiotics (Streptomyces spp., Nocardia spp.,Cephalosporium spp

Pengaruh Lingkungan terhadap pertumbuhan Temperature (suhu) pH Oxygen Availability (keberadaan Oksigen) Osmotic Pressure/Salt Concentration (Tekanan osmotik/ keberadaan Oksigen) Nutrient Availability (tersedianya nutrient)

1. Pengaruh Suhu Suhu semakin tinggi maka kecepatan reaksi naik 2x lipat Tapi kalau naik terus lama2 akan merusak enzim (protein) dan asam nukleat. Kehilangan enzim kritis dan metabolisme Ada 3 karakteristik Temperatur minimum tidak ada pertumbuhan Temperatur Optimum pertumbuhan max Temperatur maksimum tidak tumbuh lagi FiMikroba berbeda2 adaptasi thd suhunya, secara umum pada suhu 30 oC (suhu kamar). Psikrofilik < 15oC (optimum 20 oC-40 oC ). Psikrotoleran dapat toleran thp suhu rendah. Mesofilik opt 25 oC - 45 oC, min 15-20 oC. Thermofilik opt 55 oC. Hyperthermofilik (di air panas) opt 80 oC

Fisiologi dan struktur adapatasi dipengaruhi oleh temperatur Psychrophiles memproduksi enzim secara optimal pada suhu rendah Psychrophiles mempunyai unsaturated fatty acids yang tinggi di membran lipid nya,yang akan membantu melindungi diri saat temperatur terendah Thermophiles mempunyai enzim yang membuatnya stabil terhadap suhu,juga punya ribosom yang bekerja pada suhu tinggi Hanya sejumlah mesofil yang punya enzim serupa thermofil Thermophiles mempunyai banyak rantai asam lemak,yang mana akan bekerja dan mengeras pada suhu tinggi2. Pengaruh pH Konsentrasi ion hidrogen mempengaruhi aktivitas enzim, sehingga mempengaruhi laju pertumbuhan .pH = log 10 of H+ concentration., . pH = log 10 of H+ concentration.

Extreme alkoliphiles = optimim pada ph 10 atau lebih Kebanyakan bakteri adalah neutrophils ( kecuali bakteri pada musim semi panas, dimana optimum pada pH 1-3) Jamur( fungi) optimum pada 4-6 Saboraud's Medium menggunakan media dg pH rendah untuk menghentikan pert bakteri, sehingga selesktif unt pertumbuhan fungi Optimal pH unt pertumbuhan dan pembentukan produk berbeda2 Organisme mempertahankan pH intraseluler mereka pada level yang konstan Beberapa organisme membutuhkan range pH yang berbeda2 Penambahan CO2 pada media dapat mengubah pH Pada fermentasi,memilih media penting dilakukan E.g: N source: Ammonium (consumption, reduced pH)Nitrate (Nitrate reduced to Ammonium, increased pH)

3. Pengaruh keberadaan Oksigen Oksigen adalah faktor pembatas Diatas Konsentrasi O2 kritis ,laju pertumbuhan tidak tergantung pada jumlah O2 terlarut Cont : Azotobacter vinelandii only 50% of growth @ DO = 0.05 mg/l (excess glucose) Oksigen yang dibutuhkan oleh organisme : Bacteria/yeast => 5 10% Molds=> 10 -50% (pellet size) Penyerapan O2 oleh mikroorganisme Oxygen Uptake Rate (OUR) Efek desain reaktor Oxygen Transfer Rate (OTR) Obligate aerob hanya bila ada oksigen Fakultatif aerob ada oksigen tumbuh, tidak ada maka akan mati Aerotolerant anaerob dengan atau tanpa oksigen tumbuhnya tetap baik Obligate anaerob mati bila ada oksigen. Microaerophiles tumbuh baik pada oksigen yang sedikit. Normalnya diudara oksigen sebanyak 20%. Namun dia mampu hidup pada range 2-20% Habitat anaerob cont : plak pada gigi, pada lambung

4. Pengaruh tekanan Osmotik Berdasarkan konsentrasi garam Mikroorganisme dibedakan dalam 3 kategori:

- intermezzo = saat dilaut ikan tidak asin,tapi pas amti kok kerendem air garam jadi asin? Karena ketika hidup,dalam tubuhnya ada tekanan osmotik5. Pengaruh ketersediaan nutrient Konsentrasi larutan untuk komponen kimia pertumbuhan harusnya lebih tinggi dibandingkan dengan komponen ekstraseluler sel,, pnghalang terbesar untuk komponen kimia ini adalah menbran sel. Fungsi membran: Menjaga nutrisi esensial dan makromolekul yang ada di dalam sel Memompa nutrisi di dalam sel dengan melawan gradien temperatur (dari rendah ke tinggi) Selektif melewatkan nutrisi melewatinya Mengeluarkan beberapa larutan dr larutan lingkungan ke sel6. Pengaruh larutan (water activity atau Aw) Sel mebutuhkan air bebas untuk dia tumbuh.. Bila larutan hipotonik beberapa sel alkan berhenti tumbuh Beberapa sel akan melakukan sintesis compatible solutes, yaitu molekul yang akan menyeimbangkan kuatnya tenakan osmotik. Co : choline, proline, betaine, glutamic acid, etc. Staphylococci adalah bakteri yang tumbuh di kulit ketika garam tinggi. Dia atoleran pada garam 10%, yang mana akan di biakkan dalam media yang diatur pH nya 7,5 untuk mecegah tumbuhnya bakteri lain - contoh mengatur selected media berdasarkan pengaruh larutan . Halobacterium halobium hidup pada laut mati dengan kadar garam sangat tinggi (mush less than 3 M) Note: these are members of Archaea; have very modified cell walls and membranes. Accumulate enormous amounts of potassium as compatible solute.

7. Pengaruh radiasi Cahaya tampak (violet dan biru) dapat merusak pertumbuhan bakteri.. bakteri disemprot dengan pigmen agar terserap pada sel,sehingga mencegah kerusakan sel. Dengan catatan: pigmen tidak menyebabkan mutasi Mekanisme pengrusakan : cahaya akan terserah oleh beberapa pigmen pigment (e.g. cytochrome, flavin, chlorophyll) , energi ditransfer ke oksigen yang akan meningkatkan singlet oksigen ( agen pengoksidasi yang kuat),, sehingga akan menyebabkan pengrusakan cahaya UV akan menyebabkan kerusakan spesifik pada DNA . berefek pada 260 nm thymine dimers radiasi ion akan menyebabkan banyak tipe kerusakan : merusak ikatan-H, oksidasi, merusak strand DNA (untuk target yang mudah diserang)

Kultur Sinambung Menjaga kultur pada kondisi konstan dengan nutrisi yang disuplai terus-menerus Menjaga tetapnya nutrisi dan membuang limbahnya berguna unt : Mempelajari laju pertumbuhan Mempelajari berdasarkan konsentrasi nutrisi yang rendah Mempelajari evolusi

Bagaimana sel tumbuh pada kultur sinambung ? Media segar di suplay secara kontinyu Produknya dipanen secara kontinyu Selama kultivasi,pertumuhan dan pembentukan produk dapat dipanjangkan Pada kondisi steady state : konsentrasi sel,produk,dan substrat konstan Nutrisi esensial berada pada jumlah terbatas

Perlengkapan PFR Chemostat Turbidostat

Bab 2. Bioreaktor Biorekator adalah : peralatan dimana bahan diproses sehingga terjadi transformasi biokimia yang dilakukan oleh sel hidup atau komponen selular in vitro (seperti enzim) Fungsi dasar : Memberikan lingkungan yang terkontrol (suhu, pH, O2 terlarut, dll) untuk pertumbuhan mikroba dalam menghasilkan produk yang diinginkan

Reaktor Kultur Diam Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kultur Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana pasokan oksigen tidak terlalu penting Jenisnya : T-Flasks : untuk kultur sel hewan skala kecil Fernback flasks : Contoh teh Kombucha (teh yang diinokulasi dengan khamir dan bakteri asam laktat) Kultur Permukaan : Contoh pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger dgn menggunakan tray (baki)

Labu Kocok Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil Shaker OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam Keterbatasan transfer oksigen masih tidak dapat dihindari apabila densitas sel yang tinggi

Bioreaktor Tangki Berpengaduk (stirred tank bioreactor = STR)

BIOREAKTOR TIPE LAIN Pengadukan dengan pergerakan Udara (Bubble Driven Bioreactor) Bubble Column dan Airlift Bioreactor Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap shear (contoh : kapang & sel tanaman) Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STRBioreaktor airlift - memiliki draft tube peningkatan efisiensi pindah panas dan pindah massa konstruksi bioreaktor airlift lebih mahal - memberikan kondisi shear yang lebih merata* Kerugian penggunaan bioreaktor bubble column atau airlift membutuhkan energi yang lebih besar pembentukan busa lebih banyak terjadinya kerusakan sel, khususnya untuk kultur sel hewan

GAS - LIFT BIOREACTOR

Fluidized Bed Reactors Untuk memelihara konsentrasi sel yang tinggi dan laju transfer massa yang lebih baik Digunakan sel imobil atau enzim imobil Pencampuran dibantu dengan pompa pada bagian dasar tangki, sehingga katalis yang telah diimobilisasi bergerak bersama cairan Biasanya digunakan dalam pengolahan limbah cair

Produksi Enzim Selulase Kapang Neurospora sitophila Substrat : serbuk tandan kosong dan sabut kelapa sawit

Fase eksponensial = 5 22 jam

Laju Pertumb. Spesifik maks (maks) = 0,24 Jam-1

Yp/s = 0,383 g etanol/g substrat

Yx/s = 0,027 g etanol/g substrat

Yp/x = 12,047 g etanol/g biomassa

Bab 3. Teknologi Proses Hilir(DOWNSTREAM PROCESSING TECHNOLOGY)