Laporan Praktikum Bioproses Imobilisasi Sel 3y236c

Laporan Praktikum Bioproses

Immobilisasi Sel & Evaluasi Kinerja Sel Immobilisasi Dalam Reaktor Kolom Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas praktikum mata kuliah Bioproses

Dosen Pembimbing : Ir. Emmanuela MW

Disusun oleh : Kelompok 5 Kelas 2A Agin Adwisan

121411003

Opik Taufik Rahayu

121411022

Sumiyati

12141102

Tanggal Praktikum

: 22 & 29 Oktober 2013

Tanggal penyerahan

: November 2013

D3 TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2013

BAB I PENDAHULUAN I.

Tujuan Praktikum 

Memahami dan menguasai prosedur penggunaan sel terimmobilisasi dalam proses fermentasi



Memahami tipe reactor yang tepat untuk sel terimmobilisasi



Memahami karakteristik reaktor batch dan kontinyu yang menggunakan sel terimmobilisasi

II.



Mengevaluasi kinerja reaktor “Packed Column”



Memahami dan menguasai prosedur pembuatan sel terimmobilisasi



Memahami karakteristik matriks pendukung sel terimmobilisasi

Landasan Teori 2.1

Sel Immobilisasi Sel terimobilisasi adalah suatu sel yang dilekatkan pada suatu bahan inert dan

tidak larut dalam bahan tersebut, misal dalam sodium alginat atau kalsium alginat. Dengan sistem ini, sel dapat lebih tahan terhadap perubahan kondisi seperti pH, juga temperatur. Sistem ini juga membantu sel berada di tempat tertentu selama berlangsungnya reaksi sehingga memudahkan proses pemisahan dan memungkinkan untuk dipakai lagi di reaksi lain (Sumo dkk., 1993). Sel/enzim tersebut tetap mempunyai aktivitasnya sebagai biokatalisator/katalis, serta sel/enzim tersebut dapat dipergunakan secara terus menerus dan sangat penting untuk proses berkesinambungan. Immobilisasi sel mikroba dibedakan atas 3 macam yakni: 

Sel mati: untuk reaksi konversi sederhana (1 tahap)



Sel hidup: untuk reaksi konversi yang melibatkan biokatalis heterogen (multi enzim)/memerlukan ATP atau biokoenzim seperti NADP atau koenzim A.



Sel dalam fase pertumbuhan: keadaan dimana terdapat aktivitas enzim untuk pertumbuhan.

Imobilisasi dapat dilakukan terhadap sel maupun terhadap enzim. Imobilisasi enzim dapat dianggap sebagai metode yang merubah enzim dari bentuk larut dalam air “bergerak” menjadi keadaan “tak begerak” yang tidak larut. Imobilisasi mencegah difusi enzim ke dalam campuran reaksi dan mempermudah memperoleh kembali enzim tersebut dari aliran produk dengan teknik pemisahan padat/cair yang sederhana. Imobilisasi dapat dilakukan dengan berbagai cara, antara lain melalui pengikatan kimiawi molekul enzim pada bahan pendukung, pengikatan silang intermolekuler sesama enzim, atau dengan cara menjebak enzim di dalam gel atau membran polimer (Palmer, 1991). Imobilisasi sel berkembang setelah imobilisasi enzim. Dalam teknologi imobilisasi enzim terdapat hambatan pada regenerasi koenzim dan keterbatasan metode yang dapat diterapkan untuk menyusun molekul enzim dalam rangkaian tertentu, sehingga dapat melakukan tahapan reaksi katalitis enzim yang berkesinambungan. Untuk mencegah

hambatan

tersebut

dilakukan

penelitian-penelitian,

sehingga

terjadi

pengembangan pada imobilisasi sel, yang dapat digunakan sebagai biokatalis. Hal ini memungkinkan untuk melakukan imobilisasi seluruh sel dan menjaga sel tetap hidup (viabel). Dalam praktiknya, metode yang digunakan adalah menjebak sel dalam gel dengan adsorpsi. Selain itu, pengontrolan perlu dilakukan untuk mencegah inaktivasi dari aktivitas metabolisme yang penting, sehingga pemisahan biokatalis dari produk lebih mudah dan membuat biokatalis lebih stabil (Sumo dkk., 1993). Dewasa ini, teknologi immobilisasi memegang peranan penting dalam perkembangan proses biokimia dalam suatu boreaktor. Sel yang mengalami immobilisasi (immoblized mivrobial cells) telah banyak diterapkan dalam fermentasi misalnya produksi alkohol, asam amino, antibiotik atau pada degradasi polutan limbah cair. 2.1.1

Kelebihan Sel Immobilisasi Kelebihan penggunaan sel immobilisasi dibandingkan dengan sel bebas antara

lain sebagai berikut: 

Immobilasi menyediakan konsentrasi sel yang tinggi.



Immobilisasi memungkinkan penggunaan sel kembali dan mengurangi biaya recovery sel dan recycle sel.



Immobilisasi mengurangi masalah wash out sel pada laju alir yang tinggi.



Kombinasi konsentrasi sel yang tinggi dan laju alir yang tinggi (tanpa batasan wash out) menghasilkan produktivitas volumetric yang tinggi.



Immobilisasi menyediakan kondisi micro environmental yang menguntungkan seperti kontak antar sel, gradient nutrient-produk, gradient pH untuk sel sehingga menghasilkan kinerja biokatalis yang lebih baik (kecepatan pembentukan dan yield produk yang lebih tinggi).



Immobilisasi menyebabkan kestabilan genetik.



Immobilisasi menyediakan perlindungan terhadap kerusakan sel.

2.1.2

Kekurangan Sel Immobilisasi Kekurangan penggunaan sel terimobilisasi adalah hambatan pada proses difusi

baik substrat maupun produk yang terbentuk. Untuk sel yang hidup, pertumbuhan dan evaluasi gas sering merusak matriks pendukung sel terimmobilisasi. 2.1.3

Jenis-Jenis Immobilisasi sel

Secara umum, ada dua jenis sel immobilisasi yakni: 

Immobilisasi Aktif Immobilisasi ini dilakukan dengan dua metoda yaitu metoda penjeratan dan metoda pengikatan. Metoda penjeratan dilakukan secara fisik dalam matriks pendukung. Matriks pendukung yang bisa digunakan yaitu polimer porous (agar, alginate, carragenan, polyacrylamide, chitosan, gelatin, collagen), porous metal screen, polyurethane, silicagel, polystyrene, dan selulosa triacetate. Polymeric beads harus cukup porous untuk keluar masuknya substrat dan produk. Polymeric beads biasanya dibentuk dengan menggunakan sel hidup di dalamnya.



Immobilisasi Pasif Berbentuk biological films yang berbentuk lapisan-lapisan koloni sel yang tumbuh dan melekat pada permukaan pendukung yang padat. Material pendukung dapat bersifat inert atau aktif secara biologis. Biological films digunakan pada pengolahan limbah atau fermentasi mikroba dengan jamur.



Metode Immobilisasi Beberapa ahli menggolongkan metode imobilisasi dengan tiga kelompok, yaitu:

metode carrier binding, metode cross linking, dan metode entrapping (Sa’id, 1987). Pada metode carrier binding, enzim diikatkan pada suatu matriks yang bersifat tidak larut adalam air. Sebagai matriks dapat digunakan bahan organik maupun anorganik. Bila menggunakan metode ini, hal yang perlu diperhatikan adalah pemilihan matriks dan pengikatan enzim pada matriks tersebut. Teknik pengikatan enzim pada matriks dapat dilakukan berdasarkan adsorpsi fisik, gaya elektrostatik atau ikatan kovalen (Chibata, 1978). Metode cross linking didasarkan pada pembentukan ikatan intermolekuler antara molekul-molekul enzim. Gugus fungsional dalam molekul enzim yang biasa digunakan untuk pembentukan ikatan intermolekmuler adalah gugus amino pada asam amino terminal, gugus amino dari lisin, gugus fenolik dari tirosin, gugus sulhidril dari sistein dan gugus imidazole dari histidin. Pada metode entrapping, imobilisasi, enzim/sel didasarkan pada penempatan enzim di dalam kisi dari suatu polimer atau di dalam membran yang bersifat semi permiabel. Bila enzim ditempatkan dalam kisi, maka metode yang digolongkan adalah jenis kisi, sedang bila ditempatkan dalam membran yang bersifat semipermiabel, maka metodenya digolongkan ke dalam jenis mikrokapsul (Chibata, 1978). Selain itu metode imobilisasi dapat digolongkan sebagai berikut : 

Adsorpsi



Penjeratan dalam matriks polimer



Penjeratan dalam membran

Teknik imobilisasi yang paling baik adalah yang memenuhi kriteria utama tidak terjadi perubahan konformasi enzim dan tidak mengganggu gugus fungsi di pusat aktif enzim sehingga enzim tetap dapat berfungsi. Metode penjebakan enzim lebih banyak digunakan karena enzim ada dalam keadaan bebas dan tidak terikat pada bahan pendukung sehinga secara relatif fungsi katalitik dan struktur alami molekul enzim tidak mengalami gangguan goncangan (Wirahadikusumah, 1988). 

Penjerat Atau Pembawa Immobilisasi Sel

Karakteristik yang harus dimiliki oleh penjerat/pembawa immobilisai sel, antara lain : a. Mudah digunakan serta ukuran dan porositas media penjerat dapat dikontrol, terutama pada skala industri. b. Media penjerat berbentuk matrik stabil pada kondisi fermentasi (temperature dan pH optimum). c. Harga murah dan mudah didapat. d. Mempunyai sifat mekanik yang stabil, sehingga dapat tahan dalam waktu yanglama dalam reaktor yang digunakan. e. Penjerat harus inert terhadap mikrorganisme yang akan dijerat. f. Substrat, produk, dan metabolisme lain harus dapat berdiffusi secara bebas dengan media penjerat. Natrium alginat merupakan bahan yang digunakan sebagai penjerat sel, spesifikasi sebagai berikut : 

Alginat merupakan koloid ganggang (fikokoloid) yang dapat diekstrak dari ganggang coklat (phasophyceae), terutama anggota laminariates, berbentuk asam alginat atau natrium alginat.



Asam alginat adalah suatu getah selaput membran (membrane mucilage).



Garam alginat dapat larut dalam air, seperti natrium alginat, potassium alginat, dan ammonium alginat, sedikit larut dalam air, sedang kalsium alginat tidak larut dalam air.



Umumnya alginat berbentuk serbuk putih kekuningan dan kadang-kadang dalam bentuk pasta yang merupakan senyawa organik kompleks dengan selulosa atau polisakarida. Senyawa alginat dapat dimurnikan sebgai garam natrium alginat dengan alginat atau garam alginat yang lain.

Karakteristik natrium alginat : 

Berbentuk serbuk berwarna putih atau kekuningan, tidak berbau, dan tidan berasa. Secara umum susut pengeringan tidak lebih dari 22 %.



Larut lambat dalam air membentuk larutan koloid yang kental, berwarna putih pucat sampai coklat kekuningan. Tidak larut dalam alkohol, kloroform dan eter,serta larutan air yang mengandung lebih besar dari 30 % alkohol. Variasi

mutu natrium algianat ditentukan oleh variasi viscositas, antara 20-400 dari larutan 1% pada suhu 20o C. 

Larutan alginat stabil pada pH 4 sampai 10.



Natrium alginat harus disimpan dalam wadah yang terlindung dari cahaya, bentuk larutan tidak boleh disimpan pada wadah logam.

 

Alginat sebagai hydrophylic polysakarida menyerap uap air dari udara.

Reaktor Kolom Beberapa konfigurasi reaktor dapat digunakan untuk system sel terimmobilisasi. Matriks pendukung sel terimmobilisasi umumnya bersifat rapuh, karena itu dipilih bioreaktor yang memiliki gesekan hidronamik yang rendah seperti packed-column, fluidized-bed, atau airlift reactor. Reaktor yang menggunakan produk mekanik dapat digunakan untuk matriks pendukung yang kuat dan liat. Reaktor tersebut dioperasikan dengan cara mengalirkan larutan nutrient melewati sel immobilisasi. 2.2.1 Reaktor dengan Pengadukan Reaktor dengan pengadukan dapat dilakukan dengan system batch maupun system continue.

Gambar 2.1 Reaktor Sistem Batch dan Continue 2.2.2 Fluidized Bed Dalam sistem reaktor ini, enzim/sel immobil mengalir dari bawah ke atas dengan kecepatan aliran yang cukup tinggi untuk partikel dapat bergerak bebas. Sistem ini bersifat semi kontinyu sebab substrat dapat dikembalikan lagi ke dalam reaktor beberapa kali untuk mendapatkan produk yang diinginkan.

Gambar 2.2 Fluidized Bed Reactor 2.2.3 Reaktor Kolom Kolom ”Plug-Flow” merupakan reaktor yang digunakan untuk substrat yang viskositasnya rendah dan kelarutannya tinggi untuk mencegah penyumbatan.

III.

Alat dan Bahan  Imobilisasi Sel 

Bahan 

Satu tabung biaka saccharomyces cerevisiae



Air garam steril



Media aktivasi / starter dengan komposisi:







Bacto pepto



Ekstrak ragi



Glukosa



Aquadest

150 mL media produksi dengan komposisi (total 20%) : 

Glukosa 15%



(NH4)CO3 2%



KH2PO4 1%



MgSO4.7H2O 1%



FeCl3 1%



Larutan CaCl2 2%



Natrium Alginat

Alat 

Erlenmeyer 250 mL





Spuit (perangkat suntik) steril



Hot plate

Evaluasi Kinerja Sel Imobilisasi Dalam Reaktor Kolom 

Bahan 

Imobilisasi sel Acetobacter aceti.



beads



Media produksi



Alat a. Satu perangkat reaktor packed column b. Pompa peristatik e. Pipet Volum f. Refraktometer sukrosa & alcohol

IV. Langkah Kerja A. Imobilisasi Sel

B . Evaluasi Kinerja Sel Imobilisasi Dalam Reaktor Kolom

IV. Data Pengamatan No.

Waktu (menit) 5 10 15 20 25 30 35 40

1 2 3 4 5 6 7 8

Menghitung Laju Alir 

Laju alir I =

Ethyl alcohol (%) 12,2 13 13,2 13,7 14 14,5 14,6 14,8

Sukrosa (%) 4 4,5 4,5 4,5 4,9 5 5 5

Volume produk (ml) 13 13 13 10 10 10 10 10

=

= 2,6 ml/menit 

Laju alir II = =

= 2,6 ml/menit 

Laju alir III = =

= 2,6 ml/menit 

Laju alir IV = =

= 2 ml/menit 

Laju alir V = =

= 2 ml/menit 

Laju alir VI = =

= 2 ml/menit



Laju alir VII =

=

= 2 ml/menit 

Laju alir VIII = =

= 2 ml/menit Laju alir menurun karena semakin lama media produksi dalam tabung infus semakin berkurang, sehingga tekanan dalam tabung semakin kecil. Dengan begitu laju alirpun semakin kecil

V. Pengolahan Data 

Grafik kadar glukosa terhadap waktu

Grafik kadar glukosa vs waktu seharusnya menurun, tetapi data yang kami dapatkan terjadi penyimpangan



Grafik kadar alcohol terhadap waktu

Grafik kadar alkohol vs waktu semakin naik karena semakin lama proses berjalan, maka semakin besar pula konsentrasi alcohol yang terbentuk

VI. Pembahasan



Opik Taufik Rahayu (121411022)

Pada praktikum kali ini kami mencoba untuk mengevaluasi kinerja sel immobilisasi dalam reactor kolom dengan tujuan mengubah glukosa menjadi alcohol dengan bantuan saccharomyces cerevisiae yang telah terimmobilisasi. Pengertian dari sel immobilisasi sendiri adalah suatu sel yang dilekatkan pada suatu bahan inert dan tidak larut dalam bahan tersebut, hal ini berarti sel yang terlibat diikat dan dibatasi ruang geraknya. Yang pertama kali kami lakukan adalah membuat sel terimmobilisasinya dengan cara mencampurkan media aktivasi/starter yang mengandung saccharomyces cerevisiae dengan natrium alginate. Campuran tersebut selanjutnya disuntikan secara perlahan kedalam larutan CaCl2 untuk membentuk beads. Kemudian selain itu juga dibutuhkan media produksinya yaitu substrat yang banyak mengandung glukosa untuk diubah menjadi alcohol nantinya. Sel immobilisasi(beads) yang telah dibuat sebelumnya dimasukkan ke dalam reaktor kolom yang kemudian dilewatkan media produksi melalui infus. Kemudian samakan laju alir yang menetes dari infus dan yang menetes keluar kolom. Tetesan yang keluar dari kolom kadar alcoholnya akan bertambah karena dilewatkan kepada sel yang terimmobilisasi(beads) tadi. Sesuai dengan data yang kami dapatkan, kadar alcohol grafiknya terus naik itu berarti sel terimmobilisasi tadi bekerja dengan baik. Mula-mula alcohol yang terbaca oleh refraktometer adalah 8, yang kemudian naik menjadi 12,2 ; 13 ; 13,2 ; 13,7 ; 14 ; 14.5 ; 14,6 ; 14,8 (%) dengan selang waktu masing-masing 5menit. Dengan naiknya kadar alcohol, maka seharusnya kadar glukosanya menjadi turun. Tetapi terjadi penyimpangan pada uji glukosa yang kami dapatkan yang semulanya turun, namun pada menit berikutnya naik kembali dan diakhirnya menjadi konstan. Berikut adalah data yang terbaca pada refraktometer : 6,5 ; 4 ; 4,5 ; 4,5 ; 4,5 ; 4,9 ; 5 ; 5 ; 5 (%) dengan selang waktu 5 menit. Kesalahan yang terjadi pada uji glukosa ini bisa disebabkan banyak factor, misalnya kesalahan pada pembacaan data, ataupun akumulasi dari zat-zat lain yang menyebabkan glukosa terbaca lebih besar dari seharusnya. Disamping itu tujuan utama dari percobaan yang kami lakukan ini bisa dikatakan berhasil karena alcoholnya telah terbentuk dan grafiknya terus naik, yang artinya kadar alcohol terus bertambah seiring berjalannya waktu.

VII. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal, diantaranya sebagai berikut: 

Imobilisasi sel merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk mengubah glukosa menjadi alcohol dengan bantuan saccharomyces cerevisiae.



Berdasarkan hasil pengamatan grafik, semakin lama media produksi dialirkan pada sel immobilisasi maka konsentrasi alkohol yang diperoleh akan semakin semakin beasar.



Dengan bertambahnya konsentrasi alcohol, maka konsentrasi glukosa akan semakin kecil.



Tahapan pekerjaan secara aseptis akan mempengaruhi hasil produksi karena membutuhkan kondisi yang steril.



Sel terimmobilisasi dapat diaktivasi kembali dengan cara didiamkan selama beberapa menit.



Laju alir produk berbanding lurus dengan tekanan dari umpan

DAFTAR PUSTAKA Chibata, I., 1978, Immobilized Enzymes. Research and Development, Kodansha Ltd., Tokyo. Kennedy, J.F., 1995, Principles of immobilization of enzymes. Di dalam Wiseman, A. (Ed.) Handbook of Enzyme Biotechnology. 3rd Ed. Elis Hardwood, London, UK. Kierstan MPJ, Cough D MP, 1985, Immobilisation of cells and enzymes by gel entrapment. Di dalam: J. Woodward (ed). Immobilised Cells and Enzymes. A Practical Approach. Oxford: IRL Pr. Masyithah, Zuhrina, 2005, Pemodelan Numerik Reaksi Enzimatik Imobilisasi, Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia, ISSN 1412-7814 Wirahadikusumah M., 1988, Teknik Amobilisasi Enzim Dalam Bidang Pengobatan. Acta Pharm Indon 13:32-42.