Systems of biochemical reactions and bio ideal tank reactor.
-T
SISTEM REAKSI BIOKIMIA DAN BIOREAKTOR
TANGKI IDEAL
Oleh:
Sri Redjeki
untuk JabatanGuruBesardalamBidang
PidatoPengukuhan
Teknik ReaksiKimia
PadaFakultasTeknologiIndustri
Nasional"Veteran"JawaTimur
UniversitasPembangunan
Surabay46lanaai?A09
PendidikandanPerumahan
YayasanKesejahteraan
"Veteran"
Timur
Ja\rya
IIPN
Surabaya
Yangterhomat,
Hadirin yang kami muliakan, perkenankan kamr
Pendidikandan
BapakKetuaYayasanKesejahteraan
menyampaikanpidato pengukuhanGuru Besar kami dalam
Perumahan
Bidang Teknik ReaksiKimia. Teknik ReaksiKimia adalah
BapakRektorIIPN selakuKetua SenatUPN "Yeteran"Jawa
'Iimur,
suatuilmu yangmempelajmiterjadinyareaksikimia dari bahan
mentah (raw materiat) menjadi suatu hasil (produk), baik
ParaAnggotaSenatUPN'Yeteran" JawaTimur
ditinjau dari bentuk persamiurnkecepatanreaksi (kinetika
DewanPenyantun
reaksi) maupun disain dari wadah tempat berlangsungnya
SeluruhCivitasAkademikaUPN"Veteran"JawaTimurdan
reaksi(reaktor).Reaksikinria dapatberlangsungkarenaadanya
SelurutrUndanganyangkami honnati
:
senyawa-senyawayang bereaksi ataupun karena adanya
tambahansuatubahanmikroorganismekedalamsuafusenyawa
Assalamu'alaikumWr Wb.
(substrat)yangdisebutFermentasi.
Fermentasi
Pertarna-tamamarilah kita panjatkan puji syukur
merupakan
aktivitas
metabolisme
mikroorganisme baik bersifat aerobik maupun anaerobik
kehadirat Allah SWT atas segala rahmat nikmat dan
dimana terjadi perubahanatau transformasi kimiawi dari
kanrnianyayang diberikankepadakit4 sehinggakita semua
substratorganiktersebut.Prosesreaksisepertiini padaTeknik
dapat beftumpul disini dalam kondisi sehat walafiat pada
Rapat Terbuka Senat UPN "Veteran" Jawa Timur, dengan
Kimia disebutReaksi Biokimia. Berkenaandenganini maka
judul orasiilmiah yangkami sampaikanadalah:
acaraPengukuhanGuru Besar.Kami sangatberterimakasih
sekali atas kerelaanBapak, Ibu, Saudara/Saudari
untuk hadir
" SistemReaksiBiokimia dan Bioreaktor Tangki ldeal"
disini dalam rangka mendengarkanpidato pada acara
pengukuhankami ini sebagaikeharusanyang sudahmenjadi
ketetapandari StahrtaUPN.
L. Pendahuluan
SistemReaksiBiokimia terdiri dari, FermentasiErzym
dan Fermentasi Mikroorganisme, dimana keduanya dapat
dibedakan berdasarkan dari hasil reaksi yang terjadi.
k : konstantareaksi
Fermentasi dengan mikroorganisme dipromotori oleh
mikroorganisme(yeast bakteri,jamur dan protozoa)hasilnya
CEo: konsentrasi
enzymtotal
Ca : konsentrasisubstratA
adalahproduk kimia (R) dan kelebihansel mikroorganisme
Cu : kon"tantaMichaelis-Menten
(C), fermentasienzym dipromotori oleh enaym (E) hasilnya
Bila digambarkandalambentukgrafik sbb :
adalahprodukkimia @).
Pada Ce
tinggi
:
rate tdk tergantung Ca
Pada saat ini mulai di kembangkanlagi penelitian-
Pada Cr rendah :
rate co Ca, shg
rate mendekati
orde I thdp Ca
penelitian proses ferrnentasi untuk menghasilkanprodukproduk lain yang lebih berkompetitif antara lain dalam
menghasilkanenergi altematif selain minyak bumi yaitu
Pada
semua
Ce
:
rateproposional
keC6s,
konsentrasi dari enzvm
bioethanol,pengambilanminyaL,yang bahanbakunyaberasal
dari beberapabatransumberdayaalarn,yangtentu sajadengan
melakukan peningkatan-peningkatmterhadap hasil dan
Gambar L. Kurva hubunganantara ry denganCl untuk
fermentasienzym
Dalam bentuk mekanisme reaksi yang sederhanauntuk
menjelaskanobservasi-observasi
ini dan bentuk rate reaksi,
yang
maka reaksi
disarankanoleh Michaelis Menten dengan
mekanismereaksielementeri2 langkahadalah;
sertaprosesnya.
sutrshatnya
effisiensipadapenggunaan
2. FermentasiEnzym
PersamaanKinetika Michaetris-Menten
E
------)
A
R
diperolehlaju reaksi substratdanproduk:
,- CroCn
- fA : fR
k---=:-wso*cs
dengm: rA : laju reaksipenguftngansubstrat
produk
rp : laju realsi pembentukkau
4-
I
A+E-----+X
2
Q)
5
(l)
X
dengan;
-----+R
+ E
(3)
CEo: enzymtotal
C n = enzymbebas(tidak ikut bereaksi)
C x : enzymyangbereaksi(yangmenyerang
subtrat/reaktan)
Sifat-sifatkhususKinetikaM-M
kr
A + E
.
k* dan Crvr;
Caralain untukmenghitung
pers.Lineweaver-BurkdanEadie
denganmenggunakan
k:
-
x
V"
krlXl: lkz+k3ilXl
(4)
txl: [4[E]
It^
(s)
dimana; km: kz* ks/kt
[Eo]: [E + [X]
A
(7)
[l]
-ra: kqmot'lAl+k,
-rAmax: k s[CEo]
CA
pers.Lineweaver-Burk
1
r^
L
Gambar2.1> km maka;
diperoleh;
[Ca]i[Caa k-l: l, sehingga
(14)
lmax
(8)
-rA tergantungkonsentrasi[X]
-ra: k3[X]
'A'filsx
(6)
Dari pers.(7i ke pers.(5), diperoleh;
IAI
lxl: [Eol
- -[Al+k-
k^
E + P
rarurxftm
(l 1)
(12)
(12)ke pers.(10)diperoleh:
Dari persamaan
-rA: - fallltlx C*/Cl,+ k*
(13)
Gambar3.Kurva L
rrro
2.1 BioreaktorBatch atau Plug flow
Cao
Untuk sistemini, integrasidari persanaan3.57 (levarspiel)
danpers.3diperolehpers.sbb:
-rA:+=:
e.sT,levenspiel)
#h
Crraln CaJCe+ (Cao- Ce): kr Csot
orde I
Cno -Co
slope : k3
lncA" ICA
C"&
lncn./Cn
(16)
(:. -(:.
orde0
t
Gambar
s.KawaffifivsCw
#vsCEo.-
ini dapatdilihat sepertigambar4;
Sifat-sifatkonsenfrasi-waktu
^rr r,
untuk Bioreaktor batch
2.2 Bioreaktor Mixed flow
1 pada Ce rendah
keadaanpada Ce{rra
Denganmemasukkanpers.M-M kedalambentukpers.reaktor
mixedflow makadiperoleh;
cno-cn * (co" - C ) ( C , + C o )
-
t,
- C
)(Cr,
L^
ra-^_ _ (C o,
AJ \.-trU
(18)
4C EoCA
+ C o)
(le)
C"
Untuk mendapatkannilai k: dan Cr,amaka pers. (19) harus
t
Gambar 4.Sifat-siftt konsentrasivs waktu untuk pers.M-M
Persamaan
diatastidak dapatlangsungdi plot padasuatugrafik
disederhanakan
dahulusehingga
merfadipers.liniersbb;
(r
Ca: -Qy* kl- )- uoCnr)
(Cn" Co)
hargak: danCpa,tapi harusdisederhanakan
unhrkmendapatkan
Sehingga dapat di plot Ca vs
dahulusehinggamempunyaibentukpers.linier sbb;
hargakl dan Cryrsbb;
#;t:-cu* k..'*";q
(17)
Sehinggadari persdiatas(|7)haryaCrradankr dapatdihitung.
Q0)
ffi
mendapatkan
untuk
-1
3.1 Bioreaktor Batch
Cao
konstan
mulai mati
Ca
C,+C-(C"rCnr)
(Cn"Co)
h
CM
.7v
k"
t
Gambar 6. kurva Cr vs l':':'J,
t,
untuk Bioreaktor
\cd.Ld)
mixed flow
yaitu ;
kondisiyangkompleks, kondisisederhananya
c' :l
*9t-J-
rc
k
kCA
kemudian plot pada gambar dibawah ini ;
pers.23
' \ '\
pers.Monod.
l{ oc"
Q2)
Co+C*
rs : laju pertumbuhan
Crr konsentrasiA dimanasel memproduksiYznaxratenya
Q3)
slope: Id/k
\''"
Ql)
Dalam keadaan tertentu, kehadiran R dapat menjadi
penghambat
C karenabersifatracun.
Fase pertumo-uhannya
dapat dilihat dengan menggunakan
-
Gambar 7. Waktu adaptasitergantungpada umur sel
Persamann
MonodunhrkBioreakf,orBatch:
3. Fermentasi Mikroorganisme
Fermentasi mikroorganisme secara alamiah adalah suatu
- aktingmilaobaC, biasadisebutCell
- A, disebutsubstrat
c
A ------+
C+R
Waktu
:l/Crra
llCa
Gambar 8. Kurva
C"
vs l/C6
rc
3.2 Bioreaktor mixed flow
Padakeadaanini selberadapadakeadaankonsentrasiyang
sama(Uniform)
10
PersMonod;
-fo :
BapaVlbusekalian,
kcAcc
Padapenelitian kami tentangBioreaktor tangki ideal
pada proses fementasi minyak kelap4 proses yang
dipergunakanadalah secara kontinyu yaitu menggunakan
Bioreaktormixedflow.
Cao
Cco:0
Cn
Cn{
Fermentasi secara kontinyu
dijalankan dengan
mengalirkansubstratdenganlaju aliran tertentudan padasaat
Gambar 9. Reaktor Batch
Untuk mengevaluasikonstantakinetik dari suatu mixedflow,
yang snmaproduk hasil metabolismedikeluarkandenganlaju
pers.;
dgnmenggunakan
alir yang sama.Penambahan
medium baru denganlaju yang
sesuaidapatmenghasilkan
keadaantunak (steadystate),pada
1 :
k
jt*- CL'r
n
\-A
84)
LM
dandi plot sepertigambarl0 dibawahini :
keadaantunak tersebut konsentrasisel, laju pertumbuhan,
konsentrasiproduk tidak nrengalamiperubahanselamawakt*
fermentasiberlangsung.
Waktu htni {residencetime) dalam prosesfermentasi
kontinyu ditentukanbukan oleh nilai laju aliran konstandan
l/Ca
volume kultur, melainkan oleh laju pengenceranD. Laju
pengenceranD : FA/, yaitu jumlah perubahanvolume total
tiap jam. Kecepatanpengeoceranmempengaruhikonsenfrasi
1/Cao
substratdankonsentrasiproduk.
k
Gambar11.meurperlihatkau
pengaruhlaju pengenceran
Gambar 10.Kurva l/Ca vs rm
(D) terhadapsubsfiatdanproduk.(RachmanAnsori, 1989dan
Mc Neil 1990)
11
t2
t
Pembentukanproduk akan terhambat oleh substrat
S = konsentrasisubstratgl - - Pg/l
produkg/lP = konsentrasi
karena sifat emulsi santan, sehinggapernbenfukanproduk
ferrnentasi anaerobik minyak kelapa oleh Lactobacillus
sgA
plantarwmdihambatoleh glukosa.
Aiba, Humphrey, Milis, (1973) menggambarkan
Laju Pengenceran(D) jam't
reaksihambatansubstrat(subsffatinhibition) untukreaksi
konsentrasi
substratdan
Gambar11.Pengaruh
produkterhadaplaiu pengencersn
konsentrasi
enzimatikdengan:
Sistem pengendalian yang dipergunakan dalam
ga7 {sg-7
(2s)
f r + S < h >E * S
Q6)
keadaantunakpadasistemkontinyuterdapat
rnempertahankan
E+S
SISTEM REAKSI BIOKIMIA DAN BIOREAKTOR
TANGKI IDEAL
Oleh:
Sri Redjeki
untuk JabatanGuruBesardalamBidang
PidatoPengukuhan
Teknik ReaksiKimia
PadaFakultasTeknologiIndustri
Nasional"Veteran"JawaTimur
UniversitasPembangunan
Surabay46lanaai?A09
PendidikandanPerumahan
YayasanKesejahteraan
"Veteran"
Timur
Ja\rya
IIPN
Surabaya
Yangterhomat,
Hadirin yang kami muliakan, perkenankan kamr
Pendidikandan
BapakKetuaYayasanKesejahteraan
menyampaikanpidato pengukuhanGuru Besar kami dalam
Perumahan
Bidang Teknik ReaksiKimia. Teknik ReaksiKimia adalah
BapakRektorIIPN selakuKetua SenatUPN "Yeteran"Jawa
'Iimur,
suatuilmu yangmempelajmiterjadinyareaksikimia dari bahan
mentah (raw materiat) menjadi suatu hasil (produk), baik
ParaAnggotaSenatUPN'Yeteran" JawaTimur
ditinjau dari bentuk persamiurnkecepatanreaksi (kinetika
DewanPenyantun
reaksi) maupun disain dari wadah tempat berlangsungnya
SeluruhCivitasAkademikaUPN"Veteran"JawaTimurdan
reaksi(reaktor).Reaksikinria dapatberlangsungkarenaadanya
SelurutrUndanganyangkami honnati
:
senyawa-senyawayang bereaksi ataupun karena adanya
tambahansuatubahanmikroorganismekedalamsuafusenyawa
Assalamu'alaikumWr Wb.
(substrat)yangdisebutFermentasi.
Fermentasi
Pertarna-tamamarilah kita panjatkan puji syukur
merupakan
aktivitas
metabolisme
mikroorganisme baik bersifat aerobik maupun anaerobik
kehadirat Allah SWT atas segala rahmat nikmat dan
dimana terjadi perubahanatau transformasi kimiawi dari
kanrnianyayang diberikankepadakit4 sehinggakita semua
substratorganiktersebut.Prosesreaksisepertiini padaTeknik
dapat beftumpul disini dalam kondisi sehat walafiat pada
Rapat Terbuka Senat UPN "Veteran" Jawa Timur, dengan
Kimia disebutReaksi Biokimia. Berkenaandenganini maka
judul orasiilmiah yangkami sampaikanadalah:
acaraPengukuhanGuru Besar.Kami sangatberterimakasih
sekali atas kerelaanBapak, Ibu, Saudara/Saudari
untuk hadir
" SistemReaksiBiokimia dan Bioreaktor Tangki ldeal"
disini dalam rangka mendengarkanpidato pada acara
pengukuhankami ini sebagaikeharusanyang sudahmenjadi
ketetapandari StahrtaUPN.
L. Pendahuluan
SistemReaksiBiokimia terdiri dari, FermentasiErzym
dan Fermentasi Mikroorganisme, dimana keduanya dapat
dibedakan berdasarkan dari hasil reaksi yang terjadi.
k : konstantareaksi
Fermentasi dengan mikroorganisme dipromotori oleh
mikroorganisme(yeast bakteri,jamur dan protozoa)hasilnya
CEo: konsentrasi
enzymtotal
Ca : konsentrasisubstratA
adalahproduk kimia (R) dan kelebihansel mikroorganisme
Cu : kon"tantaMichaelis-Menten
(C), fermentasienzym dipromotori oleh enaym (E) hasilnya
Bila digambarkandalambentukgrafik sbb :
adalahprodukkimia @).
Pada Ce
tinggi
:
rate tdk tergantung Ca
Pada saat ini mulai di kembangkanlagi penelitian-
Pada Cr rendah :
rate co Ca, shg
rate mendekati
orde I thdp Ca
penelitian proses ferrnentasi untuk menghasilkanprodukproduk lain yang lebih berkompetitif antara lain dalam
menghasilkanenergi altematif selain minyak bumi yaitu
Pada
semua
Ce
:
rateproposional
keC6s,
konsentrasi dari enzvm
bioethanol,pengambilanminyaL,yang bahanbakunyaberasal
dari beberapabatransumberdayaalarn,yangtentu sajadengan
melakukan peningkatan-peningkatmterhadap hasil dan
Gambar L. Kurva hubunganantara ry denganCl untuk
fermentasienzym
Dalam bentuk mekanisme reaksi yang sederhanauntuk
menjelaskanobservasi-observasi
ini dan bentuk rate reaksi,
yang
maka reaksi
disarankanoleh Michaelis Menten dengan
mekanismereaksielementeri2 langkahadalah;
sertaprosesnya.
sutrshatnya
effisiensipadapenggunaan
2. FermentasiEnzym
PersamaanKinetika Michaetris-Menten
E
------)
A
R
diperolehlaju reaksi substratdanproduk:
,- CroCn
- fA : fR
k---=:-wso*cs
dengm: rA : laju reaksipenguftngansubstrat
produk
rp : laju realsi pembentukkau
4-
I
A+E-----+X
2
Q)
5
(l)
X
dengan;
-----+R
+ E
(3)
CEo: enzymtotal
C n = enzymbebas(tidak ikut bereaksi)
C x : enzymyangbereaksi(yangmenyerang
subtrat/reaktan)
Sifat-sifatkhususKinetikaM-M
kr
A + E
.
k* dan Crvr;
Caralain untukmenghitung
pers.Lineweaver-BurkdanEadie
denganmenggunakan
k:
-
x
V"
krlXl: lkz+k3ilXl
(4)
txl: [4[E]
It^
(s)
dimana; km: kz* ks/kt
[Eo]: [E + [X]
A
(7)
[l]
-ra: kqmot'lAl+k,
-rAmax: k s[CEo]
CA
pers.Lineweaver-Burk
1
r^
L
Gambar2.1> km maka;
diperoleh;
[Ca]i[Caa k-l: l, sehingga
(14)
lmax
(8)
-rA tergantungkonsentrasi[X]
-ra: k3[X]
'A'filsx
(6)
Dari pers.(7i ke pers.(5), diperoleh;
IAI
lxl: [Eol
- -[Al+k-
k^
E + P
rarurxftm
(l 1)
(12)
(12)ke pers.(10)diperoleh:
Dari persamaan
-rA: - fallltlx C*/Cl,+ k*
(13)
Gambar3.Kurva L
rrro
2.1 BioreaktorBatch atau Plug flow
Cao
Untuk sistemini, integrasidari persanaan3.57 (levarspiel)
danpers.3diperolehpers.sbb:
-rA:+=:
e.sT,levenspiel)
#h
Crraln CaJCe+ (Cao- Ce): kr Csot
orde I
Cno -Co
slope : k3
lncA" ICA
C"&
lncn./Cn
(16)
(:. -(:.
orde0
t
Gambar
s.KawaffifivsCw
#vsCEo.-
ini dapatdilihat sepertigambar4;
Sifat-sifatkonsenfrasi-waktu
^rr r,
untuk Bioreaktor batch
2.2 Bioreaktor Mixed flow
1 pada Ce rendah
keadaanpada Ce{rra
Denganmemasukkanpers.M-M kedalambentukpers.reaktor
mixedflow makadiperoleh;
cno-cn * (co" - C ) ( C , + C o )
-
t,
- C
)(Cr,
L^
ra-^_ _ (C o,
AJ \.-trU
(18)
4C EoCA
+ C o)
(le)
C"
Untuk mendapatkannilai k: dan Cr,amaka pers. (19) harus
t
Gambar 4.Sifat-siftt konsentrasivs waktu untuk pers.M-M
Persamaan
diatastidak dapatlangsungdi plot padasuatugrafik
disederhanakan
dahulusehingga
merfadipers.liniersbb;
(r
Ca: -Qy* kl- )- uoCnr)
(Cn" Co)
hargak: danCpa,tapi harusdisederhanakan
unhrkmendapatkan
Sehingga dapat di plot Ca vs
dahulusehinggamempunyaibentukpers.linier sbb;
hargakl dan Cryrsbb;
#;t:-cu* k..'*";q
(17)
Sehinggadari persdiatas(|7)haryaCrradankr dapatdihitung.
Q0)
ffi
mendapatkan
untuk
-1
3.1 Bioreaktor Batch
Cao
konstan
mulai mati
Ca
C,+C-(C"rCnr)
(Cn"Co)
h
CM
.7v
k"
t
Gambar 6. kurva Cr vs l':':'J,
t,
untuk Bioreaktor
\cd.Ld)
mixed flow
yaitu ;
kondisiyangkompleks, kondisisederhananya
c' :l
*9t-J-
rc
k
kCA
kemudian plot pada gambar dibawah ini ;
pers.23
' \ '\
pers.Monod.
l{ oc"
Q2)
Co+C*
rs : laju pertumbuhan
Crr konsentrasiA dimanasel memproduksiYznaxratenya
Q3)
slope: Id/k
\''"
Ql)
Dalam keadaan tertentu, kehadiran R dapat menjadi
penghambat
C karenabersifatracun.
Fase pertumo-uhannya
dapat dilihat dengan menggunakan
-
Gambar 7. Waktu adaptasitergantungpada umur sel
Persamann
MonodunhrkBioreakf,orBatch:
3. Fermentasi Mikroorganisme
Fermentasi mikroorganisme secara alamiah adalah suatu
- aktingmilaobaC, biasadisebutCell
- A, disebutsubstrat
c
A ------+
C+R
Waktu
:l/Crra
llCa
Gambar 8. Kurva
C"
vs l/C6
rc
3.2 Bioreaktor mixed flow
Padakeadaanini selberadapadakeadaankonsentrasiyang
sama(Uniform)
10
PersMonod;
-fo :
BapaVlbusekalian,
kcAcc
Padapenelitian kami tentangBioreaktor tangki ideal
pada proses fementasi minyak kelap4 proses yang
dipergunakanadalah secara kontinyu yaitu menggunakan
Bioreaktormixedflow.
Cao
Cco:0
Cn
Cn{
Fermentasi secara kontinyu
dijalankan dengan
mengalirkansubstratdenganlaju aliran tertentudan padasaat
Gambar 9. Reaktor Batch
Untuk mengevaluasikonstantakinetik dari suatu mixedflow,
yang snmaproduk hasil metabolismedikeluarkandenganlaju
pers.;
dgnmenggunakan
alir yang sama.Penambahan
medium baru denganlaju yang
sesuaidapatmenghasilkan
keadaantunak (steadystate),pada
1 :
k
jt*- CL'r
n
\-A
84)
LM
dandi plot sepertigambarl0 dibawahini :
keadaantunak tersebut konsentrasisel, laju pertumbuhan,
konsentrasiproduk tidak nrengalamiperubahanselamawakt*
fermentasiberlangsung.
Waktu htni {residencetime) dalam prosesfermentasi
kontinyu ditentukanbukan oleh nilai laju aliran konstandan
l/Ca
volume kultur, melainkan oleh laju pengenceranD. Laju
pengenceranD : FA/, yaitu jumlah perubahanvolume total
tiap jam. Kecepatanpengeoceranmempengaruhikonsenfrasi
1/Cao
substratdankonsentrasiproduk.
k
Gambar11.meurperlihatkau
pengaruhlaju pengenceran
Gambar 10.Kurva l/Ca vs rm
(D) terhadapsubsfiatdanproduk.(RachmanAnsori, 1989dan
Mc Neil 1990)
11
t2
t
Pembentukanproduk akan terhambat oleh substrat
S = konsentrasisubstratgl - - Pg/l
produkg/lP = konsentrasi
karena sifat emulsi santan, sehinggapernbenfukanproduk
ferrnentasi anaerobik minyak kelapa oleh Lactobacillus
sgA
plantarwmdihambatoleh glukosa.
Aiba, Humphrey, Milis, (1973) menggambarkan
Laju Pengenceran(D) jam't
reaksihambatansubstrat(subsffatinhibition) untukreaksi
konsentrasi
substratdan
Gambar11.Pengaruh
produkterhadaplaiu pengencersn
konsentrasi
enzimatikdengan:
Sistem pengendalian yang dipergunakan dalam
ga7 {sg-7
(2s)
f r + S < h >E * S
Q6)
keadaantunakpadasistemkontinyuterdapat
rnempertahankan
E+S