PEMISAHAN DAN PEMURNIAN PRODUK - HASIL FERMENTASI
Abdullah Saleh, Hatta Dahlan, Prastyowati
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
12/7/12
1
1
Strategi Pemisahan dan Pemurnian Produk
Pemisahan dan pemurnian hasil fermentasi
adalah penting untuk proses komesil.
Sangat sulit untuk produk alami.
Bisa juga untuk produk biomassa, komponen ekstrasellular atau komponen intrasellular.
Kimia bahan alam yang difermentasi kemurnian yang tinggi dan membutuhkan biaya yang tinggi.
Biasanya untuk tahap pemisahan dan pemurnian hasil fermentasi ini bisa mencapai 50% dari biaya produksi, khususnya untuk produk-produk intraselluler.
Ada hubungan bagus sekali antara harga jual dengan hasil (per-kg basis).
Contoh : Untuk produksi penisilin, asam sitrat
Untuk permintaan 100 g/l proses pemurniannya dihargai 1-2 dolar per kg atau untuk konsentrasi 0,0001 g/l bisa dijual 100.000.000 Dolar per kg nya.
12/7/12
2
Tips:
If you dont see the Elements Gallery, click View>Elements Gallery.
To see a description of a slide layout in the Elements Gallery, rest the pointer over the layout thumbnail.
2
Gambar Strategi pemisahan dan pemurnian produk
The following slides are example questions that use the Quiz Show layout. View them in slide show to see the answer animations.
12/7/12
3
3
Gambar Tahap-tahap pemisahan dan pemurnian
Fermentasi
Sel yang dipekatkan
Sel disruption
Pemindahan Sel debris
(dinding-dinding sel yang telah pecah)
Protein diendapkan dengan 2 phasa Esktraksi
Ultrafiltrasi
Pemurnian dengan khromatografi
Larutan diendapkan
Dialisis
Lyophilisasi
12/7/12
4
4
Strategi pada skema atas dapat dibagi atas 4 tahap fungsinya, yaitu :
-Pemisahan hasil-hasil yang larut dengan endapan lainnya (biasanya dengan filtrasi dan sentrifugasi)
-Isolasi hasil atau pemekatan hasil dan pengurangan air (biasanya dengan adsorpsi dan ektraksi pelarut)
-Pemurnian atau menghilangkan kontaminan (biasanya dengan khromatografi, elektroforesis dan pengendapan).
-Pemisahan produk seperti pengeringan (biasanya melalui kristalisasi).
Pemisahan Produk Tak Terlarut
Jika produknya biomassa, Pemisahan padatan pada recovery pengurangan volume yang berarti.
Jika produknya senyawa-senyawa terlarut, Padatan dibutuhkan untuk memisahkannya dari larutan media fermentasi dan pemurnian produk terlarut.
Jika produk intraselluler, Sel membutuhkan padatan itu untuk memisahkan hasilnya
Pada umumnya metode pemisahan dari material (biomassa) sel ada 3 caranya :
Filtrasi (Vakum fitrasi, mikro atau ultra filtrasi)
Sentrifugasi
Kongulasi dan flokkulasi
12/7/12
5
5
Tabel Gambaran Proses Karakteristik Antibiotik
12/7/12
6
6
Contoh memperlihatkan tahap-tahap pemisahan dan pemurnian produk fermentasi yaitu pada gambar diagram alir :
-Produksi penisilin.
12/7/12
7
7
Filtrasi
Filtrasi kemungkinan dapat mengefektifkan biaya untuk pemisahan partikel-partikel padatan yang besar dan sel dari media fermentasi. Larutan fermentasi dilwatkan melalui filter yang sedang dapat menyebabkan partikel padatan menyangkut / terletak di atas permukaan filter untuk industri fermentasi biasanya digunakan filter yang selalu berputar yang dinamakan dengan rotary vakum precoat filters.
12/7/12
8
8
Sentrifugasi
Sentrifugasi digunakan untuk memisahkan partikel yang berukuran antara 100 dan 0,1 m. Sentrifugasi dilakukan bila perlakuan filtrasi tidak memungkinkan untuk dilakukan.
Sentrifugasi dilakukan bila ada perbedaan berat jenis diantara zat yang akan dipisahkan. Perhitungan untuk sentrifugasi didasarkan atas persamaan-persamaan :
Dimana : d = diameter sampel
Ps dan P = density sampel dan larutan (fluida)
Dihubungkan dengan gaya newton maka diberikan oleh HK Stokes :
FD = 3 d MV
12/7/12
9
9
Teori Umum Tentang Filtrasi
Diketahui persamaan matematika umum tentang filtrasi berdasarkan Hukum Darcys, adalah sebagai berikut :
V = (5.1)
Dimana :
V = Kecepatan larutan
k = Konstansta proporsional, yang biasanya disebut dengan
permeabilitas
P=Tekanan yang dipress
l=Ketebalan / ketipisan
=Viskositas larutan
12/7/12
10
10
Hk. Ohms dimana P adalah aliran proporsional langsung ke potensial dan resistansi adalah l/k maka Hk Darcys dapat ditulis
dimana : d = ukuran partikel atau diameter unsur yang disaring
P = density larutan
= Fraksi void, untuk pemisahan secara biologi, dinamakan jumlah dimensi, atau bilangan Reynolds yaitu dV P/ M (1-) untuk fitrasi Batch.
Dimana : V = Volume total fitrasi
l/k=Resistansi
l/k=Rm + Rc (5.4)
RM=Resistansi Medium
Rc=resistansi cake
12/7/12
11
11
Bila dihubungkan pers (5.1), (5.3) dan (5.4) maka didapat :
Contoh soal : Filtrasi streptomyces dari media erithromycia.
Data berikut dari filtrasi media yang mengandung antibiotik etritrimycin :
Total luas filter adalah 0,1 ft2, viskositat larutan 1, 1c , tekanan 20 in Hg dan = 0,05 kg/l.
Tentukan dan RM.
Jawab :
Pertama di plot dulu t/V Vs V/A sebagaimana grafik berikut :
12/7/12
12
12
Jawab :
Pertama di plot dulu t/V Vs V/A sebagaimana grafik berikut :
Grafik filtrasi dari larutan media etritrimycin, yang slopenya memperlihatkan kenaikan resisten filter.
Dari data dapat dilihat :
dimana : adalah viskositas
v adalah kecepatan sampel/partikel.
12/7/12
13
13
Hubungannya dengan penghitungan adalah :
dimana persamaan disebut dengan bilangan Reynold.
Jika maka FD = f (1/2 V2) [(/4) d2]
Dimana : f = faktor friksi
Pada akhirnya persamaan dapat ditulis sebagai berikut:
(5.7)
Sehingga dapat pula diubah menjadi :
Untuk sentrifugasi yang berbeda akselerasinya :
12/7/12
14
14
Koagulasi dan Flokulasi
Koagulasi dan flokkulasi biasanya digunakan untuk sel yang membentuk agregat, sebelum disentris. Koagulasi biasanya dibentuk dengan menambahkan kougulas yang berbentuk elektrolit sederhana, contohnya CaCl2.
Elektrolit sederhana yang biasa digunakan untuk membentuk koagulasi biasanya asam-asam basa dan garam serta ion-ion multivalen seperti :
Klay
Carbon aktif
Silika
Jadi koagulasi dan flokkulasi ini dapat juga dikatakan sebagai perlakuan pendahuluan untuk pemisahan.
12/7/12
15
15
Pemisahan Produk Yang Larut
Beberapa hasil fermentasi dari mikroba seperti :
Antibiotik
Asam-asam organik
Pelarut
Asam-asam amino
Enzim ektraselluler
Biasanya merupakan hasil yang larut dalam media fermentasi. Untuk merecoveri produk yang larut itu ada beberapa cara diantaranya :
Ekstraksi
Adsorpsi
Ultra filtrasi
Khromatografi
12/7/12
16
16
Isolasi
Setelah pemisahan produk, baik produk yang tak larut / sukar larut dalam media produk yang larut dalam media fermentasi, maka tahap selanjutnya adalah isolasi.
Tahap isolasi terdiri dari dua cara :
Ekstraksi
Adsorpsi
Ekstraksi macam-macam pula, yaitu :
Ekstraksi secara kimia
Ekstraksi batch
Ekstraksi staged
Ekstraksi differensial
Ekstraksi fraksinasi
Ekstraksi fraksinasi dengan dua fasa bergerak.
Adsorpsi demikian pula :
Adsopsi secara kimia
Adsorpsi batch
Adsorpsi continy dengan tanki berstirrer
Adsorbsi fixed bed.
12/7/12
17
17
Pemurnian Hasil
Pemurnian hasil biasanya dengan cara :
Elektroforesis
Khromatografi
Pengendapan
Elektroforesis
Pemurnian dengan elektroforesis digunakan bila larutan bersifat elektrolit dan mempunyai perbedaan kelarutan dan perbedaan koefisien diffusi. Biasanya untuk larutan yang merupakan protein. Diagram alat elektroforesis terdapat pada gambar berikut ini :
12/7/12
18
18
Khromatografi
Khromatografi dapat dipisahkan beberapa campuran senyawa dengan melarutkan dan menjalankannya (run) dengan zat yang dapat melarutkannya. Dengan kata lain, berdasarkan perbedaan kelarutan komponen. Kromatografi ini terdiri dari :
Fasa bergerak.
Fasa diam.
Kalau diperhatikan khromatografi lapisan tipis, yang memisahkan 3 komponen berikut pada gambar berikut :
12/7/12
19
19
Ada beberapa type khromatografi, yaitu :
ADC (Adsorption Chromatography) Yang didasarkan pada adsorpsi molekul larutan dan zat terlarut seperti alumina dan silika gel.
LLC (Liquid-Liqui Partition Chromatography) Yang didasarkan pada perbedaan koefisien partisi (kelarutan) dari molekul-molekul pelarut yaitu antara phasa larutan terabsorbsi dan larutan yang dilewatkan. Sering larutan yang teradsopsi cairan non polar.
IEC (Ion Exchance Chromatography) Didasarkan pada adsorpsi ion-ion pada partikel resin ion exchange dilakukan daya elektrostatik.
GEL Filtration Chromatography Didasarkan pada penetrasi molekul pelarut atau berdasarkan ukuran partikel.
AFC (Affinitty Chromatography) Berdasarkan interaksi kimia yang spesifik antara molekul pelarut dan lignin (ikatan kovalen molekul berfungsi mensuppor partikel)
HC (Hydrolic Chromatography) Didasarkan pada interaksi hidropolik antara molekul larutan (contoh protein) dengan gugus fungsi (contoh residu alkil).
HPLC (High Presure Liquid Chromatographi) Didasarkan pada prinsip umum kromatographi.
12/7/12
20
20
Pengendapan
Sebagai contoh adalah proses pengendapan dari fermentasi yang menghasilkan antibiotik atau protein. Larutan umpamanya mengandung 0,1-5% berat produk. Sudah dipekatkan konsentrasinya, untuk pemurniannya kita dapat menambahkan pelarut bukan air yang dapat mengendapkan antibiotik contohnya etanol, atau kita juga dapat menambahkan ammonimum sulfat untuk mengendapkan protein. Untuk memisahkan endapan ini digunakan sentrifus lagi.
Dengan pengendapan ini kita mendapatkan dua kunci persoalan, yaitu :
1. Apa pelarut atau garam yang dapat digunakan untuk mengendapkan dalam skala besar ?
2. Bagaimana pengendapan dalam skala besar dapat dilakukan, seperti tanki yang berisi 5000 liter.
Untuk menjawab pertanyaan itu maka ada 3 cara :
Pengendapan tanpa pelarut
Penambahan garam
Dengan temperatur
12/7/12
21
21
Pengendapan tanpa pelarut (non solvent)
Pada jenis ini menggunakan kesetimbangan pengendapan dengan mengatur konsentrasi. Atau dengan menggunakan potensial kimia zat. Persamaan matematika yang dapat digunakan adalah :
i (ppt) = i (soln)
= i (soln) + RT ln yI . (5.8)
dimana yi = konsentrasi zat terlarut i dalam larutan
Apa itu non solvent, yaitu :
Untuk antibiotik : Solventnya etanol, aseton, t-butanol, non solventnya adalah air
Untuk protein biasanya larutan dengan pH isoelektrik.
Pengendapan dengan penambahan garam
Pengendapan dengan penambahan garam ini biasanya disebut dengan salting out. Metoda ini digunakan untuk fraksinasi protein darah, hal ini lebih efektif dan hanya sedikit saja denaturasi.
Sebagai contoh penambahan Pottasium Nitrat (KNO3) sebagai pengendap untuk mencapai salting out.
12/7/12
22
22
Persamaan kesetimbangannya adalah :
K = [K+] [NO3-] .. (5.9)
Dimana :
K = konstanta kesetimbangan
= Ksp
= Konstanta solubility
product
Pengaruh salting out terhadap protein adalah seperti gambar disamping.
Protein mempunyai titik isoelektrik, yang bermuatan negatif gugus carboksilat (COO-) yang bermuatan positif adalah gugus amina (-NH3+). Berdasarkan itu ditentukan konstanta solability produknya adalah :
Gambar : Pengaruh salting out terhadap protein
K = [Protein] [NH4+]n [SO4=]m .. (5.10)
12/7/12
23
23
Beberapa hal yang perlu diperhatikan :
Anion yang efektif adalah yang berikut ini :
Citrat > PO4 > SO4= > CH3COO- > Cl- > NO3-
Kation yang efektif adalah yang berikut ini :
NH4+ > K+ > Na+
Bila memilih garam, gunakan sedikit.
Gunakan density garam untuk pengendapan yang berbeda dengan density larutan. Untuk memudahkan pemisahan dengan menggunakan sentrifus.
Tambahkan garam yang lebih besar dari garam yang ada dalam larutan.
Untuk interpolasi, maka digunakan persamaan berikut :
.. (5.11)
Dimana A bervariasi dengan temperatur dan pH, tapi m tidak.
Contoh soal (1) Salting out Potassium Nitrat (Kalium Nitrat)
12/7/12
24
24
Suatu eksperimen, mencampur 1 liter KCl 2 M dengan 1 liter NaNO3 8M. Berapa endapan KNO3 yang terjadi ? Bila diperkirakan kelarutan produk sebagai berikut : KNO3 > 1,7 ; NaCl, 35 dan NaNo3, 100 satuannya mol/l2.
Jawab :
Misal jumlah mol KNO3 yang diendapkan = x
2 liter larutan mengandung dan
jadi : = 1,7 (mol/l)2
x = 1,0 mol KNO3
12/7/12
25
25
Match the device to what it measures:
Stop Watch
Scale
Thermometer
Speedometer
Odometer
Distance
Temperature
Elapsed Time
Weight
Rate of Travel
12/7/12
26
26
Ada Pertanyaan?.
The End
Teknik Kimia Unsri 2010
12/7/12
27
27