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