Kuliah ke-4 STERILISASI DALAM FERMENTASI

Transkripsi

1 Kuliah ke-4 STERILISASI DALAM FERMENTASI Tujuan Instruksional Khusus : Mahasiswa mampu menjelaskan sterilisasi dalam proses fermentasi

2 Produk fermentasi diperoleh bila mikroorganisme tumbuh pada media yang sesuai Bila terkontaminasi, maka : Produktivitasnya menurun akibat kompetisi mikrobia Kontaminan mendominasi kultur dan mengganti mikrobia yang diinginkan. Mempengaruhi kualitas produk, misalnya pada produksi protein sel tunggal. Kesulitan dalam ekstraksi produk Kontaminan akan mendegradasi produk, misalnya pada produksi antibiotik. Kontaminan berupa bakteriofag dapat menyebabkan sel mikrobia menjadi lisis.

3 Usaha-usaha untuk menghindari kontaminasi : Penggunaan kultur murni Sterilisasi medium Sterilisasi tangki fermentasi Sterilisasi bahan tambahan Pemeliharaan kondisi aseptik. Tergantung proses fermentasi dan derajat konsekwensi

4 Cara-Cara Sterilisasi Metode kimia Untuk peralatan yang sensitif terhadap panas ethylene oxide (gas untuk alat 70% ethanol-air (ph=2) untuk alat/permukaan 3% sodium hypochlorite untuk alat Proses pemanasan Radiasi UV untuk permukaan Sinar X untuk cairan Metode umum : pemanasan basah atau kering

5 Cara-Cara Sterilisasi... Sonikasi (sonik /getaran ultrasonik) Sentrifugasi kecepatan tinggi Filtrasi untuk bahan yang sensitif panas dan udara

6

7 Proses Sterilisasi Dilakukan pada reaktor baik dalam kondisi kosong maupun yang sudah diisi dengan media Reaktor dipanaskan engan uap jenuh (suhu o C) menggunakan sistem pindah panas (double jacket atau alat penukar panas lainnya) dengan waktu sesuai dengan yang diinginkan reaktor didinginkan

8 Waktu dan Suhu Sterlisasi dari beberapa mikroorganisme

9 STERILISASI MEDIUM Caranya : - dengan filtrasi presipitasi - dengan pemanasan yang utama pemanasan basah mudah, ekonomis

10 KINETIKA KEMATIAN TERMAL MIKROBA 1. Laju Kematian Terdiri atas : - laju kematian logaritmik - laju kematian non logaritmik a. Laju Kematian Logaritmik Terdapat pada kultur murni Laju kematian logaritmik secara matematik : dn dt kn.pers.1 N= konsentrasi mikrobia (jumlah/ml) k = konstanta laju kematian spesifik (menit -1 ) t = waktu (menit)

11 Integrasi dari persamaan (1) dengan batasan N = N o dan t = t o menghasilkan : N...Pers 2) atau t kt e N o Nt ln kt..pers 3) N o N o = jumlah mikrobia pada awal sterilisasi N t = jumlah mikrobia pada akhir sterilisasi

12 N N t o ln N N t o Slope = k Waktu (t) Waktu (t) Gambar 1. Proporsi sel hidup pada mikrobia yang mengalami sterilisasi berdasarkan persamaan 2 dan 3.

13 Slope kurva = k Nilai absolut k = pengukuran resistensi termal organisme, semakin kecil nilai k maka resistensi mikroba terhadap aktivitas termal semakin tinggi.

14 10 N/N o T=54 o C 10-2 T=56 o C 10-3 T=58 o C T=60 o C Waktu (Menit) Gambar 2. Laju kematian tipikal bagi sel-sel vegetatif E.coli

15 b. Laju Kematian Non Logaritmik Sering terdapat pada spora bakteri Penyebab penyimpangan : germinasi spora, teknik eksperimen yang belum baik. ln N ln N N t o ln N N t o Waktu Waktu Waktu... = Kultur murni = Organisme Sensitif = Organisme Resisten Gambar 3. Penyimpangan kurva pada proses sterilisasi akibat kultur campuran dan aktivasi spora

16 Urutan kejadian untuk model kematian non logaritmik diusulkan oleh Prokop and Humprey (1970) inaktivasi spora terjadi dengan cara : kr kr NR Ns ND Spora intermediet mati resisten sensitif

17 Persamaan diferensial untuk model ini : dn dt R k R N R.4) dn dt s k R N R k s N s...5) N R = konsentrasi spora resisten (jumlah/ml) N s = konsentrasi spora sensitif (jumlah/ml) N D = spora yang mati (jumlah/ml) k R = laju inaktivasi spesifik spora resisten (menit -1 ) k s = laju inaktivasi spesifik spora sensitif (menit -1 ) t = waktu (menit)

18 Penyelesaian persamaan (5) : N N o kr ks t [exp( kst) exp( kr )] Pers 6) k k k R s R N = kosentrasi sel hidup yang dapat diperoleh kembali setiap saat = N s + N R (jumlah/ml) N o = konsentrasi sel hidup awal (jumlah/ml)

19 Pada sterilisasi medium fermentasi, kosentrasi dan tipe mikrobia seringkali tidak diketahui, sehingga digunakan resistensi termal relatif mikrobia untuk merancang siklus sterilisasi Tabel 1. Resistensi relatif dari berbagai mikrobia terhadap panas uap air. Mikrobia Resistensi Relatif Bakteri vegetatif dan khamir 1.0 Spora bakterial 3 x 10 6 Spora Kapang 2 10 Virus dan Bakteriofag 1-5 spora bakteri lebih resisten terhadap panas uap air siklus sterilisasi dirancang berdasarkan destruksi spora bakteri

20 2. Pengaruh Suhu Terhadap Kinetika Kematian Teori yang sering digunakan : Teori Arrhenius k Ae E / RT..Pers (7) E ln k ln A..Pers (8) RT E = energi aktivasi kematian (kal/mol) R = konstanta gas (kal/mol o K) T = suhu ( o K) A = konstanta Arrhenius (menit -1 )

21 Kombinasi persamaan (3) dan persamaan (7) menghasilkan : ln N o E / RT N t A.. e..pers 9) ln N o N = kriteria sterilisasi atau Del factor = V = suatu destruksi sel mikrobia terhitung akibat kenaikan suhu pada waktu tertentu. V At.. e ( E / RT ) Pers 10) atau E V ln t ln( ) Pers 11) RT A

22 3. Sterilisasi Media Secara Batch Informasi yang diperlukan : a) Profil peningkatan dan penurunan suhu dalam media b) Jumlah mikrobia awal c) Karakteristik kurva destruksi mikrobia oleh panas. Pada umumnya dipilih spora bakeri yang tahan panas yaitu Bacillus stearothermophillus. d) Resiko/derajat kontaminasi yang ditoleransi, misalnya 1 sel dalam 1000 atau N t = 10-3 sel hidup.

23 Bila jumlah mikrobia awal pada media = sel hidup, dan derajat kontaminasi yang ditoleransi 10-3, maka harga del factor : N o V ln ln 3 = ln 10 Nt = 32.2 diperoleh sejak pemanasan, sterilisasi sampai pendinginan, sehingga : V total = V pemanasan + V suhu sterilisasi + V pendinginan

24 Perhitungan del factor selama pemanasan dan pendinginan : Dari persamaan 10 : ( E / RT ) V At.. e Pada periode ini suhu dianggap konstan sehingga perubahan hanya terjadi pada suhu sterilisasi. Perubahan suhu secara grafis digambarkan sebagai berikut : Suhu t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Waktu Gambar 4. Metode grafis yang digunakan untuk menggambarkan hubungan waktu dan suhu serta perhitungan harga V.

25 Harga V untuk setiap bagian : V 1 = k 1 t, V 2 = k 2 t, V 3 = k 3 t dst. Nilai k 1, k 2 dst dicari dengan persamaan Arrhenius sedangkan harga t dapat dilihat dari kurva seperti pada Gambar 4. Dengan menggunakan persamaan Arrhenius, maka nilai k untuk spora B.stearothermophillus dapat dilihat pada Gambar 5.

26 Gambar 5. Korelasi antara kecepatan kematian spesifik (k) spora B.stearothermophilus dengan suhu pemanasan

27

28 Contoh : Diketahui suhu sterilisasi 121 o C dengan total del factor Jika kenaikan suhu dari 100 o C ke 121 o C dicapai selama 30 menit dan penurunan suhu dari 121 o C ke 100 o C dicapai dalam waktu 17 menit, berapakah total waktu sterilisasi? Jawab : Dari Tabel 2 diperoleh nilai del factor pada suhu 121 o C = , maka : V o pemanasan C = x 30 = V pendinginan o C = V suhu sterilisasi 121 o C = x 17 = = 4.11 V 121 o C = k 121 o C.t 121 o C t 121 o C = = 1.62 menit total waktu sterilisasi = = menit

29 Perhitungan waktu pada suhu sterilisasi (121 o C) V total = V pemanasan + V suhu sterilisasi + V pendinginan Misal : V total = 32.2 V pemanasan = 9.8, V pendinginan = 10.1, maka : V suhu sterilisasi = = 12.3 Diketahui nilai k untuk B.stearothermophillus pada suhu 121 o C adalah 2.54/menit, maka waktu untuk suhu sterilisasi adalah : V = kt t = V/k = 12.3/2.54 = 4.84 menit pada suhu 121 o C Bila kontribusi pemanasan dan pendinginan diabaikan selama proses sterilisasi, maka : = menit pada 121 o C. t V total k

30 Gambar 7. Proses Sterilisasi Secara Batch

31 Perencanaan Dalam Proses Sterilisasi Media Asumsi : Kerusakan bakteri terjadi di atas suhu 100 o C Penetrasi panas atau pendinginan di atas suhu 100 o C adalah linier. o Scale up proses sterilisasi secara Batch : Dasar perhitungan del factor : total kontaminan yang ada dalam media dan bukan volume media Jika ukuran fermenter bertambah maka total sel awal juga naik, tapi probabilitas sel yang digunakan untuk mencapai tingkat sterilisasi tertentu harus tetap sehingga nilai V akan naik.

32 Contoh : Proses sterilisasi skala pilot plant dengan 1000 l tangki media mengandung kontaminan 10 6 /ml, diinginkan proses sterilisasi dengan probabilitas kontaminan 1/1000 maka : V ln (10 6 x x10 3 ) ln Bila digunakan tingkat sterilisasi yang sama tetapi pada skala produksi l media, maka :(10 x10 x10 16 V ln 10 3 ln

33 4. Sterilisasi Kontiniu Keuntungan : 1) Mudah dalam pengawasan proses 2) Reduksi kapasitas uap 3) Reduksi waktu siklus sterilisasi 4) Potensial dalam pengembangan hasil produk fermentasi Cara : Medium dipanaskan secara tidak langsung dalam pipa atau plat dan penyangga panas Dengan injeksi uap

34 Gambar 8. Proses sterilisasi secara kontiniu

35 Flow diagram of a typical continuous injector flash cooler steriliser Cooling Cooling Unsterile water in water out medium in Steam in Venturi valve Holding coil Cooling heat exchanger Pre- heat heat exchanger Expansion valve Expansion chamber Sterile medium out

36 6. Sterilisasi Fermenter Jika media disterilisasi terpisah, maka fermenter juga harus disterilisasi Cara : Mengalirkan uap panas pada suhu 121 o C selama 20 menit Semua bagian yang kontak langsung dengan media harus disterilisasi

37 7. Sterilisasi Udara Pada proses fermentasi aerob diperlukan aliran udara steril ke dalam media secara kontiniu. Cara : - dengan pemanasan - dengan filtrasi lebih umum di industri Ada 2 jenis filter : 1. Filter absolut : ukuran pori lebih kecil dari partikel/mikroba yang disaring. Contoh : 0.2 Efisien, tapi cepat mengalami pressure drop sehingga harus sering diganti.

38 2. Filter fibrous : Ukuran pori lebih besar dari partikel/mikroba yang disaring. Misal : Banyak digunakan untuk sterilisasi udara pada industri fermentasi Terbuat dari kapas, kapas gelas atau kapas baja.

39 8. Perencanaan Sterilisasi Udara Contoh : dibutuhkan udara steril untuk fermenter berukuran 10 m x 60 m x 100 m proses fermentasi. Dari percobaan sebelumnya diperoleh kecepatan aliran udara optimum 0.15 m/detik pada nilai k = 1.535/cm. Dimensi filter = ln N N O kx Udara dalam pabrik mengandung 200 mikroba/m 3, sehingga : N o = total mikroba = volume udara x 200 = 10 x 60 x 100 x 200 = 12 x 10 6 mikroba

40 Derajat kontaminasi yang ditoleransi = N = 10-3 ln x10 6 = - kx ln 8.33 x = x x = cm tebal filter = cm Luas area filter yang digunakan = Volume aliran udara kecepatan linier 10 r 2 = 0.15 x 60 m 2 radius (r) filter = 0.59 m

41 SOAL Hitunglah waktu yang dibutuhkan untuk proses sterilisasi media fermentasi berikut : Jumlah awal bakteri pada media : 5 x per m 3, dan jumlah akhir yang diinginkan adalah 1 per Volume media 40 m 3 dengan suhu awal 25 o C. Media disterilisasi dengan sistem pemanasan langsung menggunakan uap jenuh dalam sebuat fermentor. Uap dengan tekanan 345 kpa (tekanan absoult) diinjeksikan dengan kecepatan 5,000 kg/jam, dan injeksi uap dihentikan ketika suhu sudah mencapai 122 o C. Suhu media ditahan pada 122 o C. Panas yang hilang selama waktu pemanasan dapat diabaikan, kemudian media didinginkan dengan cara melewatkan air suhu 20 o C dengan kecepatan 100 m 3 /jam melalui koil pendingin hingga suhu akhir media mencapai 30 o C. Luas permukaan koil adalah 40 m 3, and laju pindah panas overall (U) = 2500 kj/jam.m 2.K. Resistensi panas spora bakteri adalah : k do = 5.7 x per jam E d = x 10 5 kj / kmol Nilai Panas spesifik media (c) = kj/kg.k dan densitasnya (ρ) = 1000 kg/m 3

42 Studi Kasus 1 Carilah proses persiapan media fermentasi untuk pembuatan Bir (dari Wort) Bandingkan dengan persiapan media untuk produksi penisilin

43 Studi Kasus 2 Cari perbedaan antara proses sterilisasi dengan sistem pemanasan langsung dan sistem pemanasan tidak langsung (menggunakan alat penukar panas) Berikan contoh aplikasi masing-masing pada industri pangan.