Protein Rekombinan Itb

Bioprocess Engineering

Large Scale Production and Commercialization of Proteins from Recombinant MicroorganismsLinawati Hardjito, PhDBiologyChemistryGeneticsEngineeringStatisticsEconomicsBiotechnology Biodiversity

Process & Products Development

Natural ProductsPharmaceuticalsBiomedical probesNutraceuticalsCosmeticsFood/FeedIndustrial ChemicalsPollution ControlBioremediationBiofiltrationBioleachingBioabsorption

Aquaculture related product

Bioprocess EngineeringBioreactor 2000 L

Bioproses proses yang memanfaatkan organisme (khususnya mikroorganisme) untuk mengasilkan produk & proses yang bermanfaat untuk kemidupan manusia dan lingkungannyaSub-disiplin bioteknologi yang berperan merubah penemuan bioteknologi menjadi produk/proses Contoh:Produksi rekombinan enzim amilase dengan Saccharomyces cerevisiae dan Pichia pastorisProduksi rekombinan selulase, lipase dengan Escherichia coliProduksi penisilin dengan Penicillium spBioremeidasi tanah terkontaminasi minyak bumiProduksi biopigmen pycoerythrin dengan mikroalga Porphyrodium cruentumBiologyChemistryGeneticsEngineeringStatisticsEconomicsBiotechnologyMarine Biodiversity

Process & Products Development

Natural ProductsPharmaceuticalsBiomedical probesNutraceuticalsCosmeticsFood/FeedIndustrial ChemicalsPollution ControlBioremediationBiofiltrationBioleachingBioabsorption

Aquaculture related product

Oganisme/ekstrakterpilihPengembangan & Optimasi bioprosesPemilihan media (C,N, mineral,dll)Pemilihan kondisi lingungan fisik & kimia(t,pH,salinas,cahaya,oksigen) Proses terpilihPerbaikan genetik MutasiRekayasa genetika Down stream processingPemanenanpemurnianFormulasi produkproductPengembangan budidayaFraksinasiPemurnianKarakterisasiStruktur elucidasiBasic researchMolecular biologyHigh value added productBioprocess EngineeringBioprocess engineering is the discipline that puts biotechnology to work

Sifat Unggul BioprocessKondisi reaksi yang ringan/ramah lingkunganTemperatur & tekanan ruangReaksi bersifat sangat spesifik dan efektifEnzim/mikroorganisme mengkatalisis reaksi tertentuReaksi yang kompleks dapat diupayakan menjadi satu kesatuan Beberapa enzim/mikroorganisme bekerja bersama-samaMenggunakan sumberdaya terbarukanPenerapan rekayasa genetika menungkinan untuk meningkatan produktiftas Sifat lemah bioprosesCampuran produk yang kompleks : mikroba, produk, sisa nutrien Mudah terjadi kontaminasiPerlu sterilisasi dan penjagaan kondisi aseptikVariabilitas dan ketidakstabilanMutasi alamiMikroorganisme (enzim) tidak bisa bekerja pada kondisi yang sangat bervariatifProduk bioprosesBerdasarkan volume produksi dan nilai jualVolume besar nilai rendahVolume besar nilai menengahVolume kecil nilai tinggiBerdasarkan letak produkIntraselularEkstraselularBerdasarkan peran dalam metabolismeMetabolit primerMetabolit sekunderBerdasarkan waktu produksiGrowth associatedNon-growth associatedWaktu (jam,hari)Konsentrasi sel (g/L, OD600nm, jumlah sel/mL)selGrowth associated (metabolit primerNon Growth associated (metabolit sekunder)Kebutuhan pengembangan bioprosesmikroorganisme nutrien ( sumber karbon, nitrogen, mineral, vitamin, oksigen, dll)MakronutrienMikronutrienKondisi lingkungan yang sesuai (pH, salinitas, temperatur, tekanan)Bioreaktor (tempat kultivasi )Penggolongan bioprosesBerdasarkan kebutuhan oksigenAerobik & anaerobikBerdasarkan kandungan air dalam campuran substrat : padat & cairBerdasarkan moda operasi : batch, fed-batch, continuousBerdasarkan letak pertumbuhan sel : tersuspensi & tertambatBioreaktor dan moda operasi bioreaktor : bejana, tabung, reaktor yang digunakan untuk menumbuhkan mikroorganismeJenis bioreaktor & metode kultivasiBatch (curah) : tidak ada penambahan nutrien dan pemanenan produk atau pembuangan limbah selama proses kecuali udara (oksigen) untuk proses aerobikFed-batch (curah umpan) : ada penambahan nutrien selama proses tapi tidak ada pemanenan sampai /pembuangan limbah selesaiContinuous (sinambung) : ada penambahan nutrien dan pemanenan /pembuangan limbah selama proses

BioreaktorBatch proses

Fin =0Fout =0F = kecepatan penambahan nutrien (medium) (ml/jam, L/jam)In = masuk, out =keluarFin= Fout = 0KeuntunganSederhanaRelatif murah dibandingkan proses lainnyaProses cepatKelemahanProduk inhibisiSubstrat inhibisiFed-batch (curah umpan)Fin = Fml/jamFout =0VoVtwaktuSel & substratSubstrat (S)Sel (X)KeuntunganProduksi sel pada konsentrasi yang tinggi (high cell density)Mengurangi substrat inhibisiKelemahanProduk inhibisi

Continuous (sinambung)Fin = Fml/jamFout =FVt =vowaktuSel & substratSubstrat (S)Sel (X)Produk (P)KeuntunganMengurangi inhibisi produkMengurangi inhibisi substratSistem pada kondisi steady state : bagus untuk menentukan parameter kinetikKelemahanWaktu operasi lamaKemungkinan kontaminasikompleks

Monitoring pertumbuhan dan pembentukan produk Pertumbuhan selBerat kering (g/L, mg/mL)Kekeruhan ( optical density) : spektrofotometerJumlah sel (hemositometer & mikroskop)Sisa substrat (nutrisi) : g/L, mg/mLPembentukan produk : g/L, unit/mLKondisi lingkungan : pH, T, salinitas, Dissolved OxygenKinetika Pertumbuhan dan pembentukan produkSpecific growth rate (): perrcepatan pertumbuhan mengikuti persamaan Monod atau Michaelis Menten

Untuk proses batch (curah)Nutrisi tersedia berlebih (diberikan pada saat awal proses)Nilai Ks kecil mendekati max

Yield (Y)Yx/s : sel yang dihasilkan per substrat yang dikonsumsi (g sel/ g substrat), x/ sYp/s : produk yang dihasilkan per substrat yang dikonsumsi (g produk/ g substrat), p/s=Yp/x : produk yang dihasilkan per sel yang tersedia (g produk/ g sel), p/ X

Kinetika pada proses batch

T =waktuLn XtLn Xo

Contoh penentuan Waktu kultivasi (jam)Sumber karbon laktat (1 g/L)Sumber karbon laktat (3g/L)Konsentrasi sel (g/L)00.0490.04220.1060.19740.3050.27960.620.62881.141.032101.231.398121.2481.722

Kinetika pada proses continuous (sinambung)

F= feed rate (kecepatan umpan, ml/Jam, l/jamV= volume bioreaktor (ml, L, m3)F/V = D : dilutaion rate, nilai konstanD= X: Sel (g/L)T ; waktu kultivasi (jam, hari)S: Substrat (g/L)P : produk (g/L)

waktuSel & substratSubstrat (S)Sel (X)dx/dt= 0ds/dt=0Pada kondisi steady state

Sel & substratSubstrat (S)Sel (X)dx/dt= 0Pada kondisi steady state

Sel & substratSubstrat (S)Sel (X)dx/dt= 0Pada kondisi steady state

waktuSel & substratSubstrat (S)Sel (X)Produk (P)Produktifitas bioreaktor sinambungSel (X) = X. D (g/L.jam)Sisa substrat (S) = S.D (g/L.jam)Produk (P) = P.D (g/L.jam)

Penentuan nilai KsD (1/jam)S (g/L)max maxKsContoh kasusSuatu bioproses yang memanfaatkan mikroalga (Chlorella sp) digunakan untuk mengolah limbah industri pupuk yang mengnadung ammonium 200 mg/L dengan volume limbah yang dihasilkan adalah 75 m3/jam.

Peraturan pemerintah mengharuskan kadar ammonium dalam air buangan maksimum 5 mg/L. Bila dari hasil percobaan di laboraorium diperoleh data kinetika sebagai berikut : Yx/s =0.1 g sel/g NH4+ dan max = 0.5/hari

Tentukan :Berapa ukuran kolam (biorekator) yang harus dibuat supaya tidak terjadi kematian mikroalga (wash out)Berapa konsentrasi mikroalga yang dihasilkan dalam bioreaktorBerapa produktifitas mikroalga yang diperolehBila mikroalga mengnadung vitamin B1 dengan kadar 0.1 ug/gram sel, berapa produktifitas vitamin B1 yang dihasilkanBerikut adalah data hasil percobaan di laboratorium untuk pertumbuhan mikroalga Chlorella sp. Bila mikroalga tersebut akan digunakan untuk mengolah air dari kolam budidaya yang mengandung kadar ammonium 15 mg/L. Bila air tersebut akan diresirkulasi ke kolam dengan persyaratan bahwa kadar ammonium tidak boleh lebih dari 0.1 mg/L dengan kolam pengolah air yang tersedia memilki kapasitas 1000 m3.1.Tentukan berapa flow rate yang diperbolehkan agar air yang dihasilkan dari unit pengolah memenuhi persyaratan yang diinginkan2. Hasil percobaan laboratorium menunjukkan bahwa dari 1 gram ammonium dihasilkan 0.3 g biomasa 3. Berapa maksimum specific growth rate yang dimiliki mikroalga ?Waktu(hari)Kepadatan selSel/mL12.5 x 10523.5 x 10537.5 x 10542.15 x 10654.90 x 10665.90 x 10676.05 x 10685.55 x 106KomersialisasiDemand orientedTechnologically feasibleEconomically feasibleInvestment, Payback Period, IRR, B/CSocial and environmentally feasible42

Chart10.0490.1060.3050.621.141.231.248

Waktu (jam)Sel (g/L)laktat (1 g/L)

Sheet1Waktu kultivasi (jam)sumber karbon laktat (1 g/L)Sumber karbon laktat (3g/L)00.0490.04220.1060.19740.3050.27960.620.62881.141.032101.231.398121.2481.722

Sheet1


Sheet2

Sheet3

Chart2-3.0159349809-3.0159349809-2.2443161849-2.2443161849-1.1874435024-1.1874435024-0.4780358009-0.47803580090.13102826240.13102826240.20701416940.2215422699

Waktu (jam)ln Xlaktat (1 g/L)

Sheet1Waktu kultivasi (jam)sumber karbon laktat (1 g/L)Sumber karbon laktat (3g/L)00.0490.0420-3.015934980920.1060.1972-2.244316184940.3050.2794-1.187443502460.620.6286-0.478035800981.141.03280.1310282624101.231.398100.2070141694121.2481.722120.2215422699

Sheet1


Sheet2


Sheet3

Chart50.0420.1970.2790.6281.0321.3981.722


Sheet1Waktu kultivasi (jam)sumber karbon laktat (1 g/L)Sumber karbon laktat (3g/L)00.0490.0420-3.015934980900.04220.1060.1972-2.244316184920.19740.3050.2794-1.187443502440.27960.620.6286-0.478035800960.62881.141.03280.131028262481.032101.231.398100.2070141694101.398121.2481.722120.2215422699121.722

Sheet1


Sheet2


Sheet3


Chart6-3.1700856607-3.1700856607-1.6245515502-1.6245515502-1.2765434972-1.2765434972-0.4652151125-0.46521511250.03149866710.03149866710.33504264380.543486406


Sheet1Waktu kultivasi (jam)sumber karbon laktat (1 g/L)Sumber karbon laktat (3g/L)00.0490.0420-3.015934980900.0420-3.170085660720.1060.1972-2.244316184920.1972-1.624551550240.3050.2794-1.187443502440.2794-1.276543497260.620.6286-0.478035800960.6286-0.465215112581.141.03280.131028262481.03280.0314986671101.231.398100.2070141694101.398100.3350426438121.2481.722120.2215422699121.722120.543486406

Sheet10000000


Sheet2000000000000


Sheet30000000


000000000000


Protein Rekombinan Itb

Documents

Transcript of Protein Rekombinan Itb