KULTUR SINAMBUNG DAN FED BATCH PRINSIP TEKNIK FERMENTASI PROGRAM STUDI MIKROBIOLOGI SEKOLAH ILMU DAN TEKNOLOGI HAYATI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

KULTUR SINAMBUNG Produksi kontinu dapat dicapai apabila terjadi penambahan medium (untuk memperpanjang fase eksponensial ~ kultur curah) dan pengeluaran kultur dalam fermenter dengan volume yang sama Jika medium ditambahkan ke dalam kultur secara kontinu pada laju yang sesuai, akan dicapai kondisi tunak  pembentukan biomasa seimbang dengan kehilangan sel dari fermenter

Continuous-culture laboratory set-up pH controller Exit air Acid Reservoir Air Filter Air Filter Feed and effluent pump Samples Rotameter Compressed air Sterile Medium Reservoir Magnetic stirrer

Skema kultur sinambung

Kinetika kultur sinambung Aliran penambahan medium berhubungan dengan volume bejana / fermenter Laju pengenceran: …………………..1) F = Laju aliran medium (dm3 h-1) V = Volume bejana (dm3) D = laju pengenceran (h-1) Perubahan konsentrasi sel pertumbuhan – output …………………..2) Pada keadaan tunak (steady state) : dx/dt = 0 ….………………3) Pada kondisi tunak, laju pertumbuhan spesifik dikontrol oleh laju pengenceran (variabel)

Kultur sinambung - Kemostat Pertumbuhan sel pada kultur sinambung yang dikontrol oleh ketersediaan komponen kimia dalam medium  KEMOSTAT Mekanisme pengontrolan laju pengenceran  Monod Pada kondisi tunak  = D D = maxŝ / (Ks + ŝ) ŝ = Ks D / (max – D) …………………4) Persamaan 4: konsentrasi substrat sisa ditentukan oleh D  kondisi ini terjadi bila substrat berada pada konsentrasi yang mendukung pertumbuhan pada laju yang sama dengan laju pengenceran  kondisi tunak

Kultur sinambung - Kemostat Bila substrat berada dibawah level yang mendukung laju pertumbuhan yang sesuai dengan D: Laju pertumbuhan sel akan kurang dari laju pengenceran  wash out  penurunan konsentrasi biomasa dalam fermenter Konsentrasi substrat di dalam fermenter meningkat karena sel yang tersisa sedikit  konsumsi sedikit Peningkatan konsentrasi substrat  sel tumbuh pada laju yang lebih tinggi dari laju pengenceran  konsentrasi biomasa meningkat Terbentuk kembali kondisi tunak Kemostat adalah sistem kultur “nutrien-limited self balancing” yang dapat dijaga tetap pada kondisi tunak pada kisaran laju pertumbuhan spesifik sub-maksimum yang lebar

Kultur sinambung - Kemostat Konsentrasi sel dalam kemostat pada kondisi tunak: x = Y(SR – ŝ) ……………….. 5) x = konsentrasi sel pada kondisi tunak Persamaan 4) dan 5): x = Y [SR – { KsD / (max – D)}] ………………. 6) Konsentrasi biomasa pada kondisi tunak ditentukan oleh variabel operasional SR dan D. Jika SR meningkat  x meningkat tapi ŝ akan tetap sama Kalau D meningkat   akan meningkat ( = D)  ŝ (substrat sisa) pada kondisi tunak baru meningkat utk mendukung peningkatan   substrat yang dikonversi menjadi biomasa berkurang  nilai tunak lebih rendah

Kultur sinambung - Kemostat Alternatif lain tipe kultur sinambung Turbidostat Konsentrasi sel dalam kultur dijaga konstan dengan mengontrol laju medium  turbiditas kultur dijaga dengan memonitor biomasa dengan sel fotoelektrik  sinyal dihubungkan dengan pompa medium Biostat Prinsip sama dengan turbidostat hanya yang dimonitor bukan biomasa, misal konsentrasi CO2, pH Kemostat lebih umum digunakan  tidak perlu sistem kontrol yang kompleks untuk menjaga kondisi tunak

KULTUR FED-BATCH Kultur fed batch: kultur batch (curah) yang diberi tambahan nutrisi secara kontinu atau bertahap tanpa pengambilan cairan kultur Kultur fed batch: mula-mula dilakukan secara curah  diberi tambahan nutrisi dengan salah satu strategi: Penambahan medium  peningkatan volume Penambahan larutan substrat pembatas dengan konsentrasi yang sama dengan medium awal  peningkatan volume Penambahan larutan konsentrat substrat pembatas pada laju yang lebih rendah dari (1) dan (2)  peningkatan volume Penambahan larutan substrat pembatas dg kons. sangat tinggi dg laju yang lebih rendah dari (1), (2), (3)  peningkatan volume tidak signifikan Strategi  tipe kultur fed-batch: Volume variabel: strategi (1) dan (2) Volume tetap: strategi (4) Intermediate: strategi (3)

Variable volume fed-batch culture Kultur curah yang dibatasi salah satu substrat  biomasa pada waktu tertentu digambarkan dengan persamaan: xt = xo + Y(SR – s) ……………….. 7) xt = konsentrasi biomasa setelah t jam xo = konsentrasi inokulum Kons. biomasa akhir yang diproduksi ketika s = 0  xmax dan xo << xmax, maka: xmax  Y.SR ………………. 8) Jika saat x = xmax ditambah medium dengan D < max  semua substrat segera dikonsumsi: F.SR   (X/Y) …………….. 9) F = laju alir masukan medium X = biomasa total kultur X = x.V V = vol medium kultur pada vesel pada saat t

Variable volume fed-batch culture (lanjutan..) Pers (9): Input substrat = konsumsi substrat oleh sel  ds/dt =0 Walau total biomasa (X) meningkat, kons. sel tetap  dx/dt=0 QUASI STEADY STATE Sejalan dengan waktu  peningkatan V dan penurunan D D= F (Vo + Ft) ………………. 10) Vo = Volume asal Perbedaan steady state (tunak) pada kemostat dengan quasi steady state pada kultur fed-batch: Pada steady state kemostat, D dan  konstan, sedangkan pada quasi steady state sistem fed-batch D dan  berubah selama waktu fermentasi

Fixed volume fed-batch culture Pada kultur curah pertumbuhan dibatasi substrat pembatas. Jika substrat pembatas ditambahkan dalam bentuk medium konsentrat  volume tetap (hampir konstan) dx/dt = GY …………………11) G = laju penambahan substrat (g dm-3 h-1) Y = faktor hasil Karena dx/dt = x, maka: x = GY  = GY/x ………………...12) Bila GY/x tidak melebihi max  substrat pembatas akan langsung dikonsumsi  ds/dt  0 Tapi dx/dt tidak dapat dianggap 0 (spt pada variable volume) krn kons.biomasa, dan total biomasa dalam fermentor akan meningkat sejalan dengan waktu

Fixed volume fed-batch culture (lanjutan..) Konsentrasi biomasa: xt = xå + G.Y.t ……………….13) xt = biomasa setelah fed-batch dioperasikan selama t jam Xå = konsentrasi biomasa pada saat onset kultur fed-batch Sejalan dengan peningkatan biomasa   akan turun berdasarkan pers 11)

Time profiles of fed-batch culture A. Variable volume fed-batch culture B. Fixed volume fed-batch culture  x SN S(GLS) t  x SN S(GLS) t = laju pertumbuhan spesifik X = konsentrasi biomassa S(GLS)= substrat pembatas pertumbuhan SN = substrat lain selain S(GLS)

Skema kultur fed batch

Kultur fed batch