Kuliah 7Downstream Process

Proses Hilir

Downstream Process

a. Definisi proses hilir (recovery)b. Prinsip teknologi proses hilirc. Teknologi pemisahan media, biomassa dan produk.d. Teknologi isolasi dan purifikasi produke. Stabilisasi produk.f. Teknologi formulasi

Alir Proses Fermentasi

Upstream Process - Organisme

- Medium- Karakterisasi Biokimia

Main Process- Desain peralatan- Desain process

- Optimasi faktor yang berpengaruh

- Desain kontrol & otomatisasi

Downstream Process- Pemanenan

- Penanganan hasil panen- Formulasi

- Pengolahan limbah

Definisi Proses Hilir

• Downstream Process adalah suatu proses yang berhubungan dengan pemisahan dan pemurnian suatu produk dari suatu proses fermentasi

• Disain dan operasi proses harus efisien dengan menghasilkan rendemen tinggi.

• Recovery merupakan aspek bioteknologi yang cukup penting, sebagian besar dari biaya produksi bioteknologi merupakan biaya untuk proses hilir (± 40%).

Prinsip Proses Hilir• Efisiensi proses fermentasi dapat ditingkatkan dengan

pemilihan strain unggul, medium yang tepat dan disain bioreaktor yang baik.

• Nilai tambah dari proses recovery menjadi tinggi, bila dapat meningkatkan efisiensi penanganan dan teknik yang mudah dan murah.

• Pada dasarnya keberhasilan proses hilir untuk mengisolasi produk dengan konsentrasi rendah dari sejumlah besar volume cairan akan meliputi:– penangananan massa cair agar pemisahan fase cair dan padat tercapai– pemekatan dan pemurnian produk dari fase cair

Produk fermentasi berupa:

1. Biomassa, maka penanganannya dengan segera memisahkannya dari larutan medium, mengeringkannya dan memformulasikannya.

2. Metabolit ekstra seluler, maka penanganannya dengan segera memisahkan biomassa dari campuran medium

3. Metabolit intraseluler, maka penanganannya dengan melakukan pelisisan dinding sel untuk memperoleh metabolit yang terdapat di dalam sel, serta segera mengimobilisasikannya.

4. Antibiotika, maka penanganannya dengan segera memisahkannya dari medium dan biomassa, karena bila tidak maka dapat terjadi kerusakan pada sifat senyawa antibiotik.

Prinsip Proses Hilir1. Seluruh proses harus bertujuan untuk memperoleh produk yang

diinginkan secara maksimal dan produk samping minimal2. Peralatan yang digunakan harus mudah dan tahan lama3. Banyaknya tahapan proses harus dibuat seminimum mungkin4. Proses yang digunakan harus mampu menurunkan volume antara

massa cair fermentasi dan cairan tahapan akhir dari proses daur ulang

5. Proses harus bertujuan agar effluen mudah ditangani, baik untuk didaur ulang maupun diolah secara konvensional

6. Proses harus segera dilakukan segera setelah massa cair fermentasi dikeluarkan dari bioreaktor

7. Proses harus hemat energi dan biaya

Tahapan Proses Hilir

1. Penanganan Massa Cair2. Pemisahan Fasa Cair & Padat3. Ekstraksi, Isolasi & Purifikasi Produk

1. Penanganan Massa Cair

• Bertujuan:– memperbaiki sifat penanganan massa cair lebih lanjut– mempermudah tahap pemisahan padat-cair– mengontrol seluruh perilaku ekstraksi massa cair– mengurangi pencemaran

• Teknik:1. Flokulasi2. Koagulasi

• Flokulasi– Penuaan sel menginduksi flokulasi– Penambahan flokulan kimiawi (CaCl2 atau

polielektrolit)– Perlakuan panas– Perlakuan pH

• Koagulasi– Penambahan koagulan kimiawi

2. Pemisahan Fasa Cair & Padat

1. Filtrasi2. Flotasi3. Pengendapan4. Sentrifugasi5. Serat Berlubang6. Pemisahan elektrokinetis

Filtrasi

• Teknik penyaringan dengan menggunakan filter sederhana, filter bertekanan dan ultra filtrasi

• Prinsipnya adalah partikel padat tetap tertinggal, sedangkan filtrat dapat melewati saringan

• Bila padatan banyak menumpuk pada piringan filter, maka tekanan pompa harus ditingkatkan untuk mengimbangi menurunnya laju filtrasi

• Kelemahan : kompresibilitas padatan biologis yang menjadi penghalang filter

Ultra-filtration

Filtrasi

• Mikrofiltration• Ultrafiltration• Nanofiltration• Reverse Osmosis

Teknologi Filtrasi• Mikrofiltrasi

– Proses aliran melewati membran dengan suatu tekanan rendah. Biasanya utk memisahkan partikel koloidal atau tersuspensi (0.05-10 m)

– Mikrofiltrasi digunakan pada fermentasi, penjernihan broth, penjernihan biomassa & recovery.

• Ultrafiltrasi– Proses fraksionasi selektif

menggunakan tekanan > 145 psi (10 bar).

– Banyak digunakan pada fraksionasi susu & whey and pemisahan protein

– Dapat mengkonsentrasikan SS & solutes dgn BM > 1,000

Nanofiltrasi Nano-filtration dipilih saat

RO & Ultrafiltrasi bukan pilihan tepat.

Separasi demineralisasi, penghilangan warna & desalinasi.

Pada pemisahan alkohol dari organic solutes, padatan tersuspensi, bhn organik BM rendah

Reverse Osmosis Teknik dgn efisiensi tinggi untuk

proses pemisahan air, mengkonsentrasikan bahan dgn BM rendah dalam larutan atau mengolah air limbah

Dapat mengkonsentrasikan semua bahan terlarut maupun SS.

RO banyak digunakan utk desalinasi air laut

Teknologi Filtrasi

• Mikrofiltrasi Utrafiltrasi

Nanofiltrasi Reverse Osmosis

Flotasi

• Pengapungan adalah salah satu cara tradisional yang digunakan dalam industri minuman beralkohol & pengolahan air limbah

• Flotasi dibantu oleh daya apung sel dan menghasilkan buih yang kaya akan padatan (termasuk debris sel dan sel), sehingga produk alkohol menjadi bening

• Penambahan surfaktan

Pengendapan

• Merupakan cara tradisional dalam industri fermentasi alkohol dan pengolahan air limbah

• Dalam proses pengendapan, partikel dan sel mengendap ke bagian bawah fermentor akibat gaya gravitasi

Sentrifugasi

• Merupakan pemisahan dengan menerapkan prinsip gaya sentrifugal

• Menggunakan alat sentrifus atau pemusing (umumnya dengan kapasitas rendah, skala laboratorium)

• Faktor yang menentukan adalah: kecepatan putar (rpm), besarnya gaya sentrifugal (G), waktu, perbedaan densitas yang besar antara partikel dan cairannya

Serat Berlubang• Merupakan konsep baru yang cepat dan ekonomis menggunakan

hollow fibre untuk memisahkan sel (bakteri, virus dan bahan organik) dari cairan fermentasi

• Struktur membran yang khas memungkinkan proses pemisahan berjalan efisien tanpa terjadi penyumbatan pori-pori, karena adanya membran yang bersifat anisotropis dengan pori-pori terkecil pada permukaan yang sangat permeabel.

• Karena penempelan padatan terjadi di permukaan membran, pembungkus filter tidak mamper, sehingga laju aliran terjaga

• Sistem membran menerapkan aliran silang (tangensial) yang mampu mensirkulasi dan membuang endapan secara kontinu

• Catridge filter dapat dibersihkan dengan mudah dan dapat dipakai berulang-ulang

Pemisahan Elektrokinetis

• Metode pemisahan ini dapat menghasilkan endapan dengan kandungan bahan padat dalam jumlah besar yang menempel pada elektroda

3. Ekstraksi, Isolasi & Purifikasi Produk

Penentuan Teknik isolasi produk ditentukan oleh:• tingkat stabilitas bahan yang akan diisolasi• kualitas / mutu produk yang diinginkan (crude atau

pure) atau (teknis atau analitis)• waktu yang tersedia• ketersediaan alat dan sarana

Proses Isolasi dan Purifikasi dibedakan

1. Isolasi Enzim intraseluler2. Isolasi Enzim ekstraseluler3. Isolasi Asam Organik4. Isolasi Asam Amino5. Isolasi Antibiotik 6. Isolasi Vitamin

1. Isolasi produk Intraseluler• Pemecahan sel (untuk melepas produk intraseluler)• Tujuan: mengekstraksi atau membebaskan produk intraseluler• Pemecahan sel dilakukan secara: mekanis, kimiawi, fisika-

kimia, atau pemecahan dinding sel atau membran sitoplasma.• Pemecahan sel scr mekanis:

– Teknik peremukan cair (liquid shear), yaitu menggunakan homogenisasi bertekanan tinggi

– Teknik peremukan padat (solid shear)– Penumbukan (Grinding)– Penggilingan (Milling)

• Pemecahan sel scr kimiawi (alkali kuat) • Pemecahan sel scr enzimatis (lysosim)

Sonicator

Proses Hilir SSF

• Hasil akhir fermentasi padat berupa cake yang mengandung air (40%)

• Perlu dilakukan dewatering sampai sekitar 5% untuk menghindari pembusukan atau perusakan oleh mikroba kontaminan

• Pengeringan merupakan fungsi waktu dan suhu:– i. Waktu lama suhu rendah– ii. Waktu cepat suhu tinggi

• Teknik pengeringan: Pengeringan lapisan permukaan, Spray drier , Flash drier

Ekstraksi Produk• Presipitasi

– cara isolasi dan pemurnian produk dengan menggunakan garam organik, pelarut organik atau polimer dengan BM tinggi

– melalui presipitasi diferensial, produk dapat dipertahankan dalam larutan atau dikumpulkan sebagai presipitat

• Filtrasi membran– merupakan proses yang dapat mengkonsentrasikan zat terlarut dan memisahkan air

tanpa melalui penguapan– Pemberian tekanan melebihi perbedaan tekanan osmosis diperlukan untuk memaksa

air melewati membran semipermeabel– Membran semipermeabel terbuat dari selulosa asetat atau poliamida (dapat digunakan

untuk desalinasi)– Membran komposit film tipis, bekerja pada suhu tinggi, selang pH yang lebar, pori

sangat halus, kekuatan mekanis sangat besar– Kelemahan: usia membran sangat dipengaruhi oleh tingkat pencemaran

• Kromatografi

Kromatografi– Kromatografi afinitas

• Termasuk kromatografi adsorpsi dengan matriks kolom yang mengandung ligand dengan tingkat pengikatan spesifik sangat tinggi terhadap bahan yang akan diisolasi

• Pengikatan bersifat dapat balik (reversibel)– Kromatografi pertukaran ion

• Kromatografi menggunakan resin atau selulosa sebagai bahan pertukaran ion • Pemisahan ini tergantung pada muatan neto, kerapatan muatan dan ukuran

molekul protein ybs, pH dan kekuatan ion larutan– Kromatografi Filtrasi membran

• Kromatografi yang didasarkan pada kemampuan untuk menghasilkan gel yang mempunyai pori dengan ukuran yang dapat diatur

• Pori yang dapat diatur tsb dapat dibuat dari bahan: dekstran, agarosa, gelas berpori, atau poliakrilamida

Stabilisasi Produk

Produk fermentasi harus mempunyai stabilitas produk yang tinggi dalam hal:

1. Kadar air cukup rendah (< 5%) sehingga mempunyai daya simpan yang lama

2. Tingkat kerusakan yang rendah dalam waktu simpan lama

3. Mutu yang tetap setelah penyimpanan lama

Formulasi

• Formulasi Padat• Formulasi semi Padat• Formulasi cair