Fermentasi Sistem Batch

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 :

1. Khemostat
2. 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 = (S_R – 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 (S_R  - S)