MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA KINETIKA STERILISASI (STR) Disusun oleh: Kevin Yonathan Prof. Dr. Tjandra Setiadi Dr. Ardiyan Harimawan PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014
DAFTAR ISI DAFTAR ISI... 2 DAFTAR GAMBAR... 3 DAFTAR TABEL... 4 BAB I PENDAHULUAN... 5 BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN...6 2.1 Tujuan... 6 2.2 Sasaran... 6 BAB III RANCANGAN PERCOBAAN...7 3.1 Alat dan Bahan... 7 3.2 Skema Alat Percobaan... 7 BAB IV PROSEDUR KERJA... 8 4.1 Prosedur Kerja Sterilisasi Batch... 8 4.2 Prosedur Kerja Kalibrasi Pompa Peristaltik... 9 4.3 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Laju Alir)... 10 4.4 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Temperatur)... 11 DAFTAR PUSTAKA... 12 LAMPIRAN... 13 A. Tabel Data Mentah... 13 B. Prosedur Perhitungan... 13 STR 2
DAFTAR GAMBAR Gambar 3. 1 Peralatan percobaan... 7 Gambar 4. 1 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi batch... 8 Gambar 4. 2 Diagram alir prosedur kerja kalibrasi pompa peristaltik... 9 Gambar 4. 3 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi laju alir... 10 Gambar 4. 4 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur... 11 Gambar B. 1 Contoh grafik hubungan ln(n 0 /N) terhadap waktu... 14 Gambar B. 2 Contoh grafik hubungan k d terhadap 1/T... 15 Gambar B. 3 Contoh kurva kalibrasi pompa peristaltik... 16 Gambar B. 4 Contoh grafik hubungan ln k d terhadap 1/T pada sterilisasi kontinu... 17 STR 3
DAFTAR TABEL Tabel 3. 1 Daftar alat dan bahan... 7 Tabel A. 1 Data pengamatan sterilisasi batch... 13 Tabel A. 2 Data kalibrasi pompa peristaltik... 13 Tabel A. 3 Data sterilisasi kontinu... 13 STR 4
BAB I PENDAHULUAN Mikroorganisme merupakan komponen yang memiliki peranan penting dalam industri bioproses. Proses yang ada di dalam industri bioproses, seperti fermentasi misalnya, memanfaatkan bantuan mikroorganisme. Ada kalanya suatu alat atau medium fermentasi mengandung mikroorganisme yang tidak dikehendaki yanng biasa disebut kontaminan. Proses sterilisasi merupakan cara untuk menghilangkan kontaminan. Pada prinsipnya, sterilisasi adalah metode pemusnahan atau penghilangan mikroorganisme dari suatu alat atau lingkungan tertentu. Proses ini akan memusnahkan semua jenis mikroorganisme yang terdapat pada suatu lingkungan. Proses sterilisasi merupakan proses yang harus ada dalam industri bioproses untuk mencegah adanya aktivitas mikroorganisme yang tidak dikehendaki pada suatu proses, mempertahankan kelangsungan proses dan mempertahankan kualitas produk yang diinginkan. Metode sterilisasi yang dilakukan pada percobaan ini adalah dengan pemanasan. Sterilisasi dengan pemanasan secara batch dan kontinu dilakukan untuk memahami kinetika kematian sel ragi. Kinetika kematian mikroorganisme dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain waktu pemanasan, temperatur, serta laju alir pada sterilisasi kontinu. STR 5
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN 2.1 Tujuan Praktikum ini bertujuan agar: 1. Praktikan mempelajari kinetika kematian mikroorganisme dalam sistem batch dan kontinu. 2. Praktikan mengevaluasi efisiensi dari sistem sterilisasi kontinu. 2.2 Sasaran Sasaran yang hendak dicapai pada praktikum ini yaitu: 1. Menentukan parameter-parameter kinetika sterilisasi, yaitu konstanta kematian spesifik (k d ), energi aktivasi (E a ), dan faktor frekuensi (A) untuk sistem sterilisasi batch dengan variasi temperatur. 2. Menentukan parameter-parameter kinetika sterilisasi, yaitu konstanta kematian spesifik (k d ), energi aktivasi (E a ), dan faktor frekuensi (A) untuk sistem sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur dan laju alir. 3. Menghitung fraksi kematian suatu mikroorganisme dengan model reaktor tertentu. 4. Menentukan efisiensi sistem sterilisasi kontinu. STR 6
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN 3.1 Alat dan Bahan Tabel 3. 1 Daftar alat dan bahan Alat Bahan 1. Tabung reaksi 1. Biakan ragi 2. Pompa peristaltik 2. Glukosa 3. Termometer 3. Bahan-bahan nutrien medium 4. Coil sterilizer 4. Air 5. Mikroskop 5. Es batu 6. Counting chamber 6. Metilen biru 7. Labu erlenmeyer 8. Autoklaf 9. Water bath 10. Pemanas 11. Counter 3.2 Peralatan Percobaan Sterilisasi Gambar 3. 1 Peralatan percobaan STR 7
BAB IV PROSEDUR KERJA 4.1 Prosedur Kerja Sterilisasi Batch Gambar 4. 1 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi batch STR 8
4.2 Prosedur Kerja Kalibrasi Pompa Peristaltik Gambar 4. 2 Diagram alir prosedur kerja kalibrasi pompa peristaltik STR 9
4.3 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Laju Alir) Gambar 4. 3 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi laju alir STR 10
4.4 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Temperatur) Gambar 4. 4 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur STR 11
DAFTAR PUSTAKA Aiba, dkk. Biochemical Engineering. University of Tokyo Press. Tokyo. Chapter 9. Shuler, M.L., Kargi, F. Bioprocess Engineering. 2 nd ed. Prentice Hall. 2002. p. 314-320. Stanburi, P.F., Whitaker, A. Principles of Fermentation Technology. John Wiley and Sons. New York. Chapter 8. Way, D.I.C. dkk. Fermentation and Enzyme Technology. John Wiley and Sons. New York. Chapter 8. STR 12
LAMPIRAN A. Tabel Data Mentah A.1 Data Sterilisasi Batch Tabel A. 1 Data pengamatan sterilisasi batch Temperatur ( o C) t (min) N 1 (sel) N 2 (sel) A.2 Data Kalibrasi Pompa Peristaltik Tabel A. 2 Data kalibrasi pompa peristaltik Skala Volume (ml) t 1 (s) t 2 (s) A.3 Data Sterilisasi Kontinu Panjang coil :... m. Diameter coil :... cm. Skala pompa :... Tabel A. 3 Data sterilisasi kontinu T ( o C) N 0,1 (sel) N 0,2 (sel) N t,1 (sel) N t,2 (sel) B. Prosedur Perhitungan B.1 Penentuan Nilai Konstanta Kematian Spesifik (k d ) pada Sterilisasi Batch Persamaan model laju kematian sel merupakan PDB linear orde 1 : dn dt = k d. N STR 13
ln (No/N) Laboratorium Instruksional Teknik Kimia dimana : t = waktu ; N = jumlah atau konsentrasi sel ; k d = konstanta kematian spesifik. Batas integrasi : t = 0 N = N 0 dan t = t N = N. Jika persamaan tersebut diintegrasikan: Contoh data percobaan: N No dn t N = k d. dt 0 ln No N = k d. t Tabel B. 1 Contoh pengolahan data untuk penentuan k d pada sterilisasi batch t (min) N 1 N 2 N rata2 ln(no/n) 0 99 102 100.5 0 1 92 98 95 0.056281 2 80 89 84.5 0.173406 3 77 70 73.5 0.312872 4 62 66 64 0.451275 5 53 47 50 0.698135 Hubungan ln No N terhadap t diperoleh sebagai berikut: 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 y = 0.1207x R² = 0.9387 0 1 2 3 4 5 6 t (min) Gambar B. 1 Contoh grafik hubungan ln(n 0 /N) terhadap waktu Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa pada kondisi percobaan, nilai k d adalah sebesar 0,9387. STR 14
ln kd Laboratorium Instruksional Teknik Kimia B.2 Penentuan Nilai Energi Aktivasi (E a ) dan Faktor Frekuensi (A) Pada sterilisasi batch dan kontinu, harga E a dan A dapat diperoleh melalui persamaan Arrhenius : Dengan R = 1,987 kal/mol.k Persamaan tersebut dapat dilinearkan menjadi: k d = A. exp ( E a RT ) Contoh data pengamatan: ln k d = E a R x 1 + ln A T Tabel B. 2 Contoh pengolahan data untuk penentuan E a dan A T( o C) T(K) 1/T (1/K) k d ln k d 50 323 0.003096 0.1453-1.92895 60 333 0.003003 0.1266-2.06672 70 343 0.002915 0.2367-1.44096 75 348 0.002874 0.215-1.53712 80 353 0.002833 0.237-1.4397 Hubungan ln k d terhadap 1 diperoleh sebagai berikut: T -0.5 0 0.0028 0.00285 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315-1 -1.5-2 y = -2331.8x + 5.1826 R² = 0.7009-2.5 1/T (1/K) Gambar B. 2 Contoh grafik hubungan k d terhadap 1/T Dari grafik di atas diperoleh gradien ( E a R )= -2331,8 sehingga E a = -4633,28 kal. Intersep diperoleh sebesar = 5,1826 (ln A) sehingga A = 178,14/min. STR 15
Q (ml/s) Laboratorium Instruksional Teknik Kimia B.3 Kalibrasi Pompa Peristaltik Contoh data kalibrasi pompa peristaltik: Tabel B. 3 Contoh data kalibrasi pompa peristaltik Skala V (ml) t 1 (s) t 2 (s) t rata2 (s) Q (ml/s) 10 10 47.3 47.25 47.275 0.211528 20 10 46.2 46.4 46.3 0.215983 30 10 44.8 44.9 44.85 0.222965 40 10 43.7 43.6 43.65 0.229095 50 10 43 42.9 42.95 0.232829 60 10 42 42.05 42.025 0.237954 70 10 41.3 41.3 41.3 0.242131 80 10 40.5 40.5 40.5 0.246914 90 10 39.2 39.2 39.2 0.255102 100 10 38.4 38.4 38.4 0.260417 Dari data di atas dibuat kurva kalibrasi sebagai berikut: 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 y = 0.0005x + 0.2062 R² = 0.9952 0.22 0.21 0.2 0 20 40 60 80 100 120 Skala Gambar B. 3 Contoh kurva kalibrasi pompa peristaltik Maka persamaan kalibrasi pompa peristaltik adalah: Q = 0,0005*skala pompa + 0,2062 B.4 Penentuan Nilai Konstanta Kematian Spesifik (k d ) pada Sterilisasi Kontinu Persamaan nerasa massa sel pada aliran sumbat dalam keadaan tunak merupakan PD orde 2: Dz. d2 N dn u. dx2 dx k d. N = 0 STR 16
ln kd Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Untuk percobaan sterilisasi kontinu, diasumsikan sterilizer coil merupakan PFR ideal sehingga dispersi ke arah aksial diabaikan, serta kondisi di sepanjang coil isotermal sehingga k d tetap. Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi: u. dn dx k d. N = 0 dn N = k d. V dx Batas integrasi: x=0 N=N 0 dan x=x N=N. Maka, Contoh data percobaan: k d = ln No N. Q A. 1 x Tabel B. 4 Contoh pengolahan data untuk penentuan k d pada sterilisasi kontinu T(K) 1/T(1/K) N o,1 N o,2 N o rata2 N t,1 N t,2 N t rata2 ln(no/nt) k d ln k d 323 0.003096 137 136 136.5 19 27 23 1.78083 7.218607 1.976662 333 0.003003 139 139 139 43 41 42 1.196804 4.851254 1.579237 343 0.002915 150 147 148.5 69 65 67 0.795892 3.226155 1.171291 348 0.002874 155 160 157.5 72 76 74 0.75536 3.061858 1.119022 353 0.002833 166 174 170 87 80 83.5 0.710952 2.881848 1.058432 Alur ln k d terhadap 1/T: 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 y = 3635.1x - 9.3215 R² = 0.9672 1 0.8 0.0028 0.00285 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315 1/T (1/K) Gambar B. 4 Contoh grafik hubungan ln k d terhadap 1/T pada sterilisasi kontinu Dari linearisasi grafik di atas diperoleh persamaan: ln k d = 3635,1 ( 1 T ) 9,3215 Maka diperoleh E a = -30222,221 J/mol dan A = 8,95 x 10-5 STR 17
B.5 Penentuan Fraksi Sel Hidup Teoretis. Persamaan kinetika laju kematian sel pada sterilisasi kontinu: u. dn dx k d. N = 0 dn N = k d. V dx ln N No = k d. V. x Maka secara teoretis fraksi sel hidup pada panjang coil sterilizer tertentu adalah: N No = exp ( k d. A Q. x) B.6 Penentuan Fraksi Sel Hidup Nyata Fraksi sel hidup nyata diperoleh dari data percobaan dengan membagi jumlah sel hidup terhitung setelah sterilisasi selama waktu tertentu (N t ) dengan jumlah sel mula-mula sebelum sterilisasi yang terhitung (N 0 ). B.7 Penentuan Efisiensi Sterilisasi Kontinu Fraksi kematian = 1 N No (1 ( Fraksi kematian nyata Efisiensi sterilisasi =. 100% = Fraksi kematian teoretis Nt No ) nyata ) (1 ( Nt No ) teoretis ). 100% STR 18