TUGAS Bioteknologi BIOLOGI KIMIA Kelompok 7.pptx

ini tentang bioteknologi kimia DIMANA INI MEMBAHAS TENTANG ISI-ISI TEKNOLOGI DAM BIOLOGI KIMIA DAN

1. BIOREAKTOR DAN PROTEIN SEL TUNGGAL PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SAMUDRA LANGSA 2019 KELOMPOK 7 FATHANAH KHAIRUNNISA MELLYSA NUR AINUN SITUMEANG NIM. 160408007 NIM. 160408009 NIM. 160408015

2. BIOREAKTOR Bioreaktor atau fermentor adalah suatu reaktor yang digunakan untuk reaksi biokimia , baik menggunakan enzim larut , sel bebas dari mikrobe , tanaman maupun hewan , atau enzim / sel imobil . Kapasitas suatu reaktor bervariasi dari skala laboratorium yaitu ( mulai kapasitas 1-2 liter), skala pilot plant ( ratusan sampai ribuan liter), dan skala yang lebih besar untuk keperluan industri .

3. Cara operasi Klasifikasi Bioreaktor Bioreaktor sistem kontinyu dapat dibedakan atas beberapa macam sistem : tangki berpengaduk satu tahap atau tahap ganda ( tanpa atau dengan umpan balik ), sistem bed bergerak (fluidized bed), sistem bed dipak (packed bed), tanpa atau dengan umpan balik , sistem tubular, sistem pipa , dan sebagainya . Pola aliran Klasifikasi Bioreaktor Bioreaktor sistem kontinyu dibedakan atas sistem kontinyu : sistem kontinyu terbuka dan sistem kontinyu tertutup .

4. Tangki berpengaduk satu tahap Tangki berpengaduk tahap ganda Bed terfluida Cara operasi Klasifikasi Bioreaktor

5. Bed dipak Tubular Bed dipak dengan umpan balik

6. Unit U/F Ultrafiltrat Tangki berpengaduk dengan unit ultrafiltrasi Pipa dengan umpan balik

7. Pola aliran Klasifikasi Bioreaktor Sistem terbuka Sistem tertutup S S S S S S S S C C S S S S S S S S

8. Distribusi Gas Dalam Bioreaktor Berasarkan distribusi gas bioreaktor dapat diklasifikasikan menjadi empat grup yaitu : Distribusi gas dengan pengaduk Distribusi gas melalui pompa Distribusi gas menggunakan tekanan udara berlebih Fase gas kontinyu 1 2   3   Distribusi gas dengan pengaduk

9. 4 5 6 Distribusi gas dengan pompa 8 7 9 10 11 Distribusi gas dengan tekanan berlebih

10. 13   14 12 Fase gas kontinyu

11. Transfer energi , substrat dan metabolit dalam bioreaktor dapat berlangsung dengan pengadukan yang baik . Efisieni pengadukan merupakan faktor penentu keberhasilan proses fermentasi . Proses pengadukan mempunyai beberapa tujuan sebagai berikut : Dispersi udara di dalam larutan nutrien Homogenisasi untuk menyeragamkan suhu dan konsentrasi nutrient di dalam reaktor Suspensi mikrobe dan nutrient padat Dispersi cairan imisibel

12. Perlengkapan Bioreaktor Selain tangki dan pengaduk atau inlet gas, suatu bioreaktor juga dilengkapi oleh beberapa sistem kontrol yaitu : Sistem termostat ( pengukur dan pengontrol suhu ) Sistem pengaduk Sistem aerasi Sterilisasi reaktor Sistem pengukur dan pengontrol suhu Sistem pengukur dan pengontrol tekanan Analisa gas yang keluar (O 2 dan CO 2 )

13. Parameter-parameter yang harus diketahui selama berlangsungnya fermentasi , yaitu : Suhu di dalam fermentor Tekanan di dalam fermentor dan tekanan barometer Debit O 2 Kecepatan agitasi Kecepatan aliran media, O 2 , basa , asam , dan sebagainya O 2 terlarut CO 2 terlarut Input dan output O 2 (%) Input dan output CO 2 (%) pH Potensi redoks Konsentrasi substrat dan produk Biomassa melalui pengukuran kekeruhan (OD) Parameter lainnya

14. Kinetika Enzim Dalam Bioreaktor Persamaan Michaelis-Menten untuk reaksi enzim menggunakan substrat tunggal adalah sebagai berikut : dimana , r = kecepatan reaksi ( mol / detik /l) S = konsentrasi substrat ( mol /l) kE = aktivitas maksimum enzim total di dalam reaktor ( mol / detik ) K m = konstan Michaelis V = Volume (liter) Untuk reaktor sistem “batch” pada kondisi isotermal , waktu fermentasi dan konsentrasi substrat awal dapat dimasukkan dalam persamaan (1) sebagai berikut : ( 2 )   ( 1)  

15. Jika dibandingkan substrat yang diubah diganti dengan x, persamaan (2) ( 3) Untuk sistem plug-flow: (4 ) dimana q = volume pemasukan ke dalam reaktor (l/ det , dan = spacetime ( detik )). Untuk reaktor aliran kontinyu yang teraduk baik , keseimbangan massa substrat memberikan reaksi sebagai berikut : (5) dimana S = konsentrasi substrat di dalam reaktor . Jika r diganti dari persamaan (1), maka persamaan menggunakan x menjadi : (6 )  

16. Penghambatan oleh Substrat Persamaan untuk reaksi penghambatan enzim oleh substrat adalah sebagai berikut : (7) Reaktor “batch” dan plug-flow: ( 8) Reaktor CST ( Continous flow, stirred tank): (9) Penghambat oleh Produk Penghambat reaksi enzim oleh substrat dapat dibedakan atas kompetitif dan non kompetitif . Penghambat kompetitif : Reaktor “batch” dan plug-flow: ( 10) dimana K ip = konstan penghambatan produk ( mol /l )  

17. Reaktor CST: (11) Penghambatan non kompetitif : Reaktor “batch” dan plug-flow: ( 12) Reaktor CST: ( 13 )  

18. Masalah Dalam Penggunaan Bioreaktor Enzim hilang dari reaktor : Disentegrasi matriks Pelepasan enzim dari matriks Kontak enzim dengan substrat kurang : Pelarutan matriks Enzim / sel imobil terselubung Aliran di dalam reaktor tidak teratur Aktivitas enzim hilang : Adanya zat toksik Denaturasi Kehilangan produk : Serangan mikrobe

19. PROTEIN SEL TUNGGAL (PST) Protein Sel Tunggal (PST) Biomassa dari mikrobe yang digunakan sebagai bahan tambahan dalam pangan atau pakan . Produksi PST mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan produksi protein hewani atau nabati karena hal-hal sebagai berikut : Produksi protein lebih cepat dan efisien dibandingkan dengan produksi protein hewani atau nabati . Nilai gizi PST lebih tinggi daripada nilai gizi protein nabati karena komposisi asam amino PST lebih lengkap . Produksi PST tidak memerlukan tanah atau tempat yang luas seperti dalam produksi protein nabati dan hewani . Produksi PST tidak dipengaruhi oleh cuaca di luar karena kondisi fermentasi dapat diatur . Prosesnya fleksibel karena dapat digunakan berbagai substrat dan jasad renik . Mikrobe mengandung protein yang cukup tinggi , yaitu berdasarkan berat kering adalah 60-70% di dalam bakteri , 39-65% di dalam khamir dan 5-40% di dalam kapang . Di Indonesia, produksi PST sedang diusahakan pengembangannya terutama untuk makanan ternak .

20. Selain menguntungkan , produksi dan penggunaan PST juga mempunyai kelemahan-kelemahan sebagai berikut : Kandungan asam nukleat PST tinggi . Dinding sel mikrobe kadang-kadang mengandung komponen yang tidak dapat dicerna dan bersifat racun atau menyebabkan alergi . Mikrobe mungkin mengadsorbsi komponen beracun atau karsinogenik yang terdapat di dalam substrat . Fluktuasi harga dan persediaan substrat yang tidak tetap . Belum dapat digunakan sebagai campuran makanan untuk manusia . Substrat dan Mikrobe dalam Produksi PST Maloses dari pabrik gula atau hidrolisa pati Cairan sulfit dari pabrik kertas Hidrolisat asam dari kayu Limbah pertanian , misalnya whey dari pabrik produk susu dan tahu , hasil hidrolisa makanan yang menggandung pati , kulit buah-buahan dan sari buah . Metana Methanol dan etanol sebagai sumber karbon untuk khamir Parafin atau alkana Minyak bumi Gas pembakaran sebagai sumber CO 2 untuk kultur ganggang .

21. Mikrobe yang paling banyak digunakan adalah khamir , sedangkan penggunaan bakteri untuk PST sangat terbatas karena mempunyai kelemahan-kelemahan sebagai berikut : Penerimaan bakteri sebagai makanan oleh konsumen sangat rendah Ukuran sel bakteri sangat kecil sehingga sukar untuk dipanen Kandungan asam nukleat di dalam bakteri sangat tinggi ( berdasarkan berat kering ). Penggunaan bakteri untuk PST mempunyai keuntungan karena dapat tumbuh pada berbagai substrat , waktu generasi cepat , dan kandungan proteinnya tinggi . Penggunaan khamir untuk PST secara umum mempunyai keuntungan dibandingkan dengan bakteri dan ganggang karena sifat-sifatnya sebagai berikut : Penerimaan oleh konsumen lebih baik Kandungan asam nukleat lebih rendah Lebih mudah dipanen karena ukuran selnya lebih besar dan konsentrasinya lebih tinggi Dapat tumbuh pada substrat dengan pH rendah . Mikrobe yang digunakan dalam produksi PST bervariasi tergantung dari substrat . Berbagai jenis mikrobe yang telah banyak digunakan dalam produksi PST dan substratnya dapat dilihat pada table 13-1 .

22. Tabel 13-1. Berbagai jenis mikrobe yang digunakan dalam produksi PST Mikrobe Substrat Khamir : Saccharomyces cerevisiae ( pemecah heksosa ) Cluyveromyces fragilis ( pemecah laktosa ) Candida lipolytica Candida utilis ( pemecah pentosa dan heksosa ) Feotrichum candidum Molase Hidrolisat biji-bijian   Whey Petroleum alkana , minyak bumi Cairan sulfit dari pabrik kertas Karbohidrat dan komponen lain

23. Mikrobe Substrat Bakteri : Seudomonas Hydrogenomonas sp ( menggunakan H 2 dan CO 2 ) Cellulomons sp Methylophilus methylotrophus     Kapang : Aspergigillus Penicillium Fusarium     H 2 dan CO 2   Pemecah selulosa Metanol sebagai sumber karbon dan energi Amonia sebagai sumber nitrogen

24. PST dari Karbohidrat K arbohidrat yang sering digunakan untuk produksi PST adalah molasses, cairan sulfit dari limbah pabrik kertas , whey susu da pati . karbohidrat pada umumnya memenuhi syarat untuk makanan manusia , maka sumber-sumber karbohidrat tersebut sering digunakan dalam produksi ragi roti (baker’s yeast) yaitu Saccharomyces cerevisiae . Komponen karbohidrat paling sederhana yang digunakan untuk sintesa komponen sel adalah dalam bentuk glukosa . Mikrobe mengandung komponen-komponen seperti karbohidrat , protein, asam nukleat , lipid dan mineral dalam jumlah tertentu sehingga dapat dihitung konversi dari glukosa menjadi komponen-komponen tersebut . Sebagai contoh komposisi sel khamir Saccharomyces dapat dilihat pada Tabel 13-2, sedangkan komposisi asam aminonya disajikan pada Tabel 13-3 .

25. Komponen Jumlah (% berat kering ) Polisakharida ( glukosa , glikogen , polimannan ) Trehalose ( disakharida ) Protein Asam nukleat dan nukleotida (DNA 0,3%, RNA + nukleotida larut 10.5% Lipid : - fosfolipid - trigliserida - sterol Komponen abu 34.1   5.0 39.0 10.8   4.5 2.5 1.0 3.1 Table 13-2. Komposisi sel khamir Saccharomyces cerevisiae

26. Asam amino Jumlah ( mmol per 100 g protein khamir ) Asam amino Jumlah ( m mol per 100 g protein khamir ) Alanin Arginin Asparagin Asam aspartat Cystein Asam glutamate Glutamine Glisin Histidin Isoleusin 114.70 40.18 25.43 74.38 1.65 75.45 26.33 72.56 16.55 48.17 Leusin Lysin Metrionin Fenilalanin Prolin Serin Threonin Triptofan Tirosin Valin 74.08 71.54 12.66 33.44 41.13 46.33 47.85 7.10 25.49 66.18 Table 13-3. Komposisi asam amino di dalam protein Saccharomyces

27. Bahan yang digunakan untuk produksi ragi roti biasanya berupa campuran molasses-mineral- garam yang terdiri dari : Molasses ( tetes tebu ) ( Lihat Tabel 13-4) Nitrogen dalam bentuk garam ammonium, urea, kecambah malt, dan sebagainya . Garam anorganik seperti fosfat dan garam mineral lainnya Faktor pertumbuhan dalam bentuk ekstrak sayuran , serealia , khamir atau jumlah kecil vitamin atau precursor vitamin . Ragi roti yang baik harus mempunyai sifat-sifat sebagai berikut : Menghasilkan yield tinggi , biasanya mencapai 56.7 g bahan kering khamar per 100 g glukosa . Warnanya muda dan aromanya segar Sel-sel khamir dalam ragi roti tetap hidup dan masih aktif dalam bentuk . kering untuk jangka waktu penyimpanan yang cukup lama pada suhu kamar . Ragi tersebut harus dapat memproduksi CO 2 secara cepat jika digunakan dalam permukaan roti. Stabil selama penyimpanan dengan kecepatan fermentasi tetap sama setelah penyimpanan . Sifat genetic sel khamir dalam ragi roti harus stabil .

28. PST dari Alkana Alkana dapat dipecah oleh berbagai khamir dan beberapa fungsi , misalnya dari ordo Mucorales dan Moniliales dan beberapa bakteri melalui kooksidasi . Khamir untuk memproduksi PST dan alkana adalah Candida tripicalis , Candida oleophila dan Saccharomy copsis lipolytica . Produksi PST dari alkana dalam skala industri menggunakan duan macam produk petroleum yaitu : Minyak diesel, yang merupakan fraksi minyak kasar dan mengandung 10 – 25% alkana C 15 – C 30 Alkana C 10 – C 13 atau C 13 – C 17 , yang dipisahkan dari minyak diesel dengan penyaringan molekuler . Produksi PST dari minyak diesel biasanya menggunakan Candida tropialis , sedangkan dari n- alkana digunakan Saccharomycopsis Lipolytica ( sebelumnya disebut Candida lipolytica ). Alkana dapat dipecah oleh mikrobe melalui dua cara yaitu oksidasi terminal dan oksidasi subterminal ( Gambar 13-1). Oksidasi terminal dilakukan oleh bakteri dan khamir melalui intermediate alcohol primer dan aldehida.oksidasi subterminal ditemukan pada Candida melalui pembentukan alkohol sekunder .

29. Gambar 13-1 CH 3 – (CH 2 ) n – COOH + CO 2 Oksidasi -   Asetat + propionat deksiboksilasi Oksidasi - α O CH 3 – (CH 2 ) n – C - COOH O CH 3 (CH 2 ) n - C – CH 3 Oksidasi substerminal CH 3 – (CH 2 ) n – CH 2 – CH 3 Oksidasi terminat CH 3 - (CH 2 ) n - CH 2 – COOH HOCC – (CH 2 ) n – CH 2 – COOH Asetat Oksidasi -β Oksidasi – w Oksidasi -β Asetat + suksinat  

30. PST dari Metanol Metanol substrat terpenting untuk produksi PST. Metanol diperoleh dari gas sintesis , gas alam , metana , minyak , dan arang . K ayu juga dapat digunakan sebagai bahan produksi metanol . Bakteri , khamir , dan kapang dapat digunakan untuk memproduksi PST dari metanol . Mikrobe yang tumbuh pada metanol dapat dibedakan atas ( Tabel 13-5). Bakteri metilotrofik obligat yang hanya dapat tumbuh pada komponen C 1 . Bakteri khamir dan kapang metilotrofik fakultatif yang dapat tumbuh pada C 1 maupun hidrokarbon rantai panjang . Tabel 13-5. Mikroba yang tubuh pada metanol Bakteri metilotrofik obligat Methylobacter Mehylocystis Methylococcus Methylosinus Methylomonas

31. Metilotrofik Fakultatif a. Bakteri Althorobacter Protaminobacter Bacillus Pseudomonas Hyphomicrobium Rhodopseudomonas Klebsiella Streptomyces Micrococcus Vibrio b. Khamir Candida boidini Pichia haplophila C. parapsilosis P. Lindnerii Hansenula capsulata P. pastoris H. henricii Torulopsis glabrate H. minute T. methanolovescens H. nonfermentans T. methanosorbosa H. wickerhamii T. Milischiana T. memodendra c. Kapang Gliociadium delinguescens Paccilomyces varioti Frichpderma lignorum

32. B eberapa faktor metilotrofik obligat , misalnya Methylomonas . Terdapat formaldehide dehidrogenase maupun format dehidrogenase , oleh karena itu oksidasi formaldehide melalui jalur fosfoglukonat

33. Assimilasi satu karbon oleh bakteri metilotrofik dapat berlangsung melalui 3 cara : CO 2 ditangkap oleh organisme fotosintetik melalui siklus ribulosa-difospot ( Siklus Calvin). Formaldehide terkondensasi dengan ribulosa-5-P dalam siklus ribulosa monofosfat ( Siklus Quayle) dengan bantuan enzim heksulose fosfat sintase (HVPS) ( Gambar 13-3). Setelah terbentuk fructose-6-P, akan terbentuk dihidroksi aseton -P melalui glikolisis atau terbentuk piruvat melalui jalur Entner-Doudoroff . Melalui jalur serin terjadi kondensasi formaldehide dan glisin oleh serin transludroksimetilase ( Gambar 13-4)

34. Gambar 13-3

35. Gambar 13-4

36. Mikroba yang tumbuh pada metanol mempunyai koefisien yield yang berbeda-beda seperti terlihat pada Tabel 13-6. Mikroba Jalur Yield (g sel b.k ) g metanol Bakteri :     Pseudomonas C RMF** 0.54 P. methylotrophus RMF 0.53 Pseudomonas AM 1 SER** 0.30 Pseudomonas M 27 SER 0.41 P. rosea SER 0.41 Methylomonas methanolica RMF 0.49 Khamir :     Candida boidini DA 0.32 Hansenula polymorpha DA 0.38 Tabel 13-6 Koefisien yield mikroba yang tumbuh pada metanol

37. PST dari Selulosa Selulosa dari alam maupun kayu buangan merupakan substrat yang baik untuk PST maupun dalam fermentasi etenol . Selulosa dialam pada umumnya tercampur dengan hemiselulosa dan lognin ( Tabel 13-7), sehingga harus diberi perlakuan terlebih dahulu untuk mengubahnya menjadi gula yang dapat difermentasi . Substrat Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Lignin (%) Kayu (Angiosperm) 40-55 24-40 18-25 Kayu (Gymosperm) 45-50 25-35 25-35 Rumput 25-40 25-50 10-30 Daun 15-20 80-85 - Koran 40-55 25-40 18-30 Limbah Pabrik Kertas 60-80 20-30 2-10 Tabel 13-7 Komposisi substrat selulosa

38. PST dari Limbah Beberapa limbah dapat digunakan untuk diproduksi PST, misalnya limbah – limbah industri pengolahan selulosa , pengolahan kopi, produksi pati dan limbah industri pangan . Limbah sulfit dari industri kertas dan selulosa juga dapat digunakan untuk produksi PST karena beberap alasan yaitu : Tersedia dalam jumlah besar dan konstan Harganya murah Tersedianya mikroba yang dapat tumbuh cepat pada substrat tersebut Mikroba yang dapat tumbuh pada limbah sulfit dan digunakan untuk produksi PST yaitu Candida utilis , C. Tripicalis , Chaetomium cellulolyticium dan Paecilomyces varioti .

39. DAFTAR PUSTAKA Fardiaz , Srikandi . Fisiologi Fermentasi . Bandung: IPB.