Sistem
Batch
Fermentasi sistem tertutup (batch process) merupakan
fermentasi dengan jumlah nutrient awal
terbatas. Pada fermentasi ini tidak dilakukan lagi penambahan komponen substrat
setelah inokulasi, kecuali penambahan oksigen steril, anti buih dan asam atau
basa untuk pengaturan pH. Pada biakan sistem tertutup, pengamatan jumlah sel
dalam waktu yang cukup lama akan memberikan gambaran berdasarkan kurva
pertumbuhan bahwa terdapat fase-fase pertumbuhan. Fase pertumbuhan dimulai pada
fase permulaan, fase pertumbuhan yang dipercepat, fase pertumbuhan logaritma
(eksponensial), fase pertumbuhan yang mulai dihambat, fase stasioner maksimum,
fase kematian dipercepat, dan fase kematian logaritma. Pada fase permulaan,
bakteri baru menyesuaikan diri dengan lingkungan yang baru, sehingga sel belum
membelah diri. Sel mikrobia mulai membelah diri pada fase pertumbuhan yang
dipercepat, tetapi waktu generasinya masih panjang.
Fase permulaan
sampai fase pertumbuhan dipercepat sering disebut lag phase. Kecepatan sel
membelah diri paling cepat terdapat pada fase pertumbuhan logaritma atau
pertumbuhan
eksponensial, dengan waktu generasi pendek dan konstan. Selama fase logaritma,
metabolisme sel paling aktif, sintesis bahan sel sangat cepat dengan jumlah konstan
sampai nutrien habis atau terjadinya penimbunan hasil metabolisme yang menyebabkan
terhambatnya pertumbuhan. Selanjutnya pada fase pertumbuhan yang mulai
terhambat, kecepatan pembelahan sel berkurang dan jumlah sel yang mati mulai bertambah.
Pada fase stasioner maksimum jumlah sel yang mati semakin meningkat sampai
terjadi jumlah sel hidup hasil pembelahan sama dengan jumlah sel yang mati, sehingga
jumlah sel hidup konstan, seolah-olah tidak terjadi pertumbuhan
(pertumbuhan
nol). Pada fase kematian yang dipercepat
kecepatan kematian sel terus meningkat sedang kecepatan pembelahan sel nol,
sampai pada fase kematian logaritma maka kecepatan kematian sel mencapai
maksimal, sehingga jumlah sel hidup menurun dengan cepat seperti deret ukur.
Walaupun demikian penurunan jumlah sel hidup tidak mencapai nol, dalam jumlah
minimum tertentu sel mikrobia akan tetap bertahan sangat lama dalam medium
tersebut.
Analisis Pertumbuhan Eksponensial
Untuk menganalisis pertumbuhan eksponensial dapat
menggunakan grafik pertumbuhan atau dengan perhitungan secara matematis. Rumus
matematika pertumbuhan menggunakan persamaanamaan diferensial:
dX
/ dt = μX (1)
X:
jumlah sel / komponen sel spesifik (protein)
μ:
konstanta kecepatan pertumbuhan
Dalam bentuk logaritma dengan bilangan dasar e,
rumus yang menggambarkan aktivitas populasi mikrobia dalam biakan sistem
tertutup adalah:
ln
X = ln X0 + μ(t) (2)
X0:
jumlah sel pada waktu nol, X: jumlah sel pada waktu t, t: waktu pertumbuhan diamati.
Dalam bentuk antilogaritma menjadi:
X
= X0eμt (3)
Untuk memperkirakan kerapatan populasi pada waktu
yang akan datang dengan μ
sebagai
konstante pertumbuhan yang berlaku. Parameter penting untuk konstante pertumbuhan
populasi secara eksponensial adalah waktu generasi (waktu penggandaan).
Penggandaan populasi terjadi saat X / X0 =2, sehingga rumus (3) menjadi:
2
= eμ (t generasi) (4)
Dalam
bentuk logaritma dengan bilangan dasar e:
μ
= ln 2 / t generasi = 0,693 / t generasi (5)
Waktu
generasi (t generasi) dapat digunakan untuk mengetahui parameter lain, seperti
k
( konstante kecepatan pertumbuhan) sebagai berikut:
k
= 1 / t generasi (6)
Untuk
biakan sistem tertutup, kombinasi persamaanamaan 5 dan 6 menunjukkan bahwa 2
konstante
kecepatan pertumbuhan μ dan k saling berhubungan:
μ
= 0,693 k (7)
μ
dan k, keduanya menggambarkan proses pertumbuhan yang sama dari peningkatan
populasi
secara eksponensial. Perbedaan diantaranya adalah, μ merupakan konstante
kecepatan
pertumbuhan yang berlaku, yang digunakan untuk memperkirakan
kecepatan
pertumbuhan populasi dari masing-masing aktivitas sel individual dan dapat
digunakan
untuk mengetahui dinamika pertumbuhan secara teoritis, sedang k adalah
nilai
rata-rata populasi pada periode waktu terbatas, yang menggambarkan asumsi
rata-rata
pertumbuhan populasi.
Pada
kultur bacth dapat digunakan:
-
menghasilkan produksi biomassa (kondisi
medium harus mendukung pertumbuhan sel yang maksimum
-
metabolit utama ( fase eksponensial
diperpanjang)
-
Metabolit sekunder ( fase eksponensial
diperpendek dan memperpanjang fase stasioner)
FERMENTASI KONTINYU
Penambahan
nutrien steril ke dalam fermentor dilakukan secara kontinyu, dimana dalam waktu
yang sama larutan yang berisi sel dan produk hasil metabolisme (metabolit)
dikeluarkan dari fermentor dengan volume yang sama dengan substrat yang
diberikan. Kondisi tersebut bisa menghasilkan keadaan yang ‘STEDY STATE” =
pembentukan sel-sel baru sama dengan sel-sel yang dikeluarkan dari fermentor. Pada
kondisi steady state: konsentrasi nutrien, konsentrasi sel, laju pertumbuhan
dan konsentrasi produk tidak berubah
walaupun waktu fermentasi makin lama. Laju pertumbuhan spesifik dipengaruhi
oleh perbandingan antara laju aliran medium
dan volume kultur disebut laju
dilusi (D).
dimana: F= laju aliran
V = volume
D = laju dilusi
Perubahan
konsentrasi sel sesudah waktu tertentu
= sel yang tumbuh – sel yang keluar
Pada
keadaan stady state konsentrasi sel dalam keadaan konstan
Jadi μ
x = Dx atau μ = D
Untuk
mempertahankan keadaan steady state terdapat 2 tipe kontrol yaitu :
- Khemostat
- Turbidostat
Khemostat
merupakan laju pertumbuhan kultur (sel) diatur dengann bahan kimia dengann cara mengatur konsentrasi salah
satu substrat terbatas dalam medium.
Sedangkan turbidostat merupakan pertumbuhan atau konsentrasi sel dipertahankan
konstan dengan cara memonitor kekeruhan (turbidity) kultur. Sistem khemostat
lebih banyak digunakan karena tidak
membutuhkan sistem kontrol yang komplek.
Fermentasi
kontinyu dapat dilakukan dengann beberapa cara
: sistem single stage , multi
stage dan feedback.
• Sistem
single stage à berlangsung hanya satu
tahap dan menggunakan satu fermentor.
• Sistem
multi stage à berlangsung dua
tahap atau lebih dan setiap tahap
berlangsung dalam fermentor yang berbeda.
• Sistem
feed back merupakan fermentasi kontinyu dimana konsentrasi massa lebih tinggi
daripada sistem single stage, yaitu lebih besar dari Y = (SR – S)
Keadaan
ini dapat dicapai dengan cara membatasi konsentrasi sel yang keluar dari
fermentor atau dengan cara memisahkan sel yang keluar kemudian sel tersebut dimasukkan nkembali ke dalam
fermentor. Sistem kontinyu lebih banyak keuntungannnya daripada sistem batch dalam
hal:
• Produktifitas
• Keseragaman
dalam pelaksanaan
• Sistem
automatisasi
Kerugiaan
dalam sistem feed batch adalah lebih
mudah terkontaminasi
FERMENTASI
FEED BATCH
Fermentasi
feed batch merupakan fermentasi sistem
tertutup dengan penambahan substrat pada selang waktu dan volume tertentu. Jadi
volume kultur meningkat sesuai dengan meningkatnya waktu
• Persamaan.: X1 = X0 + Y (SR - S)