kinetika sterilisasi (str) - · pdf filebioproses. proses yang ada di dalam industri...
Post on 06-Feb-2018
234 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MODUL PRAKTIKUM
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA
KINETIKA STERILISASI
(STR)
Disusun oleh:
Kevin Yonathan
Prof. Dr. Tjandra Setiadi
Dr. Ardiyan Harimawan
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2014
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 2
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI .............................................................................................................................. 2
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. 3
DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... 4
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................................... 5
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN.................................................................6
2.1 Tujuan .............................................................................................................................. 6
2.2 Sasaran ............................................................................................................................. 6
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN...................................................................................7
3.1 Alat dan Bahan ................................................................................................................. 7
3.2 Skema Alat Percobaan ..................................................................................................... 7
BAB IV PROSEDUR KERJA ................................................................................................... 8
4.1 Prosedur Kerja Sterilisasi Batch ...................................................................................... 8
4.2 Prosedur Kerja Kalibrasi Pompa Peristaltik .................................................................... 9
4.3 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Laju Alir) .................................................. 10
4.4 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Temperatur) .............................................. 11
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 12
LAMPIRAN ............................................................................................................................. 13
A. Tabel Data Mentah .......................................................................................................... 13
B. Prosedur Perhitungan ...................................................................................................... 13
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 3
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3. 1 Peralatan percobaan .............................................................................................. 7
Gambar 4. 1 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi batch ........................................................ 8
Gambar 4. 2 Diagram alir prosedur kerja kalibrasi pompa peristaltik ....................................... 9
Gambar 4. 3 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi laju alir ............. 10
Gambar 4. 4 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur ........ 11
Gambar B. 1 Contoh grafik hubungan ln(N0/N) terhadap waktu ............................................ 14
Gambar B. 2 Contoh grafik hubungan kd terhadap 1/T ........................................................... 15
Gambar B. 3 Contoh kurva kalibrasi pompa peristaltik .......................................................... 16
Gambar B. 4 Contoh grafik hubungan ln kd terhadap 1/T pada sterilisasi kontinu ................. 17
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 4
DAFTAR TABEL
Tabel 3. 1 Daftar alat dan bahan ................................................................................................ 7
Tabel A. 1 Data pengamatan sterilisasi batch .......................................................................... 13
Tabel A. 2 Data kalibrasi pompa peristaltik ............................................................................ 13
Tabel A. 3 Data sterilisasi kontinu ........................................................................................... 13
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 5
BAB I
PENDAHULUAN
Mikroorganisme merupakan komponen yang memiliki peranan penting dalam industri
bioproses. Proses yang ada di dalam industri bioproses, seperti fermentasi misalnya,
memanfaatkan bantuan mikroorganisme. Ada kalanya suatu alat atau medium fermentasi
mengandung mikroorganisme yang tidak dikehendaki yanng biasa disebut kontaminan.
Proses sterilisasi merupakan cara untuk menghilangkan kontaminan.
Pada prinsipnya, sterilisasi adalah metode pemusnahan atau penghilangan mikroorganisme
dari suatu alat atau lingkungan tertentu. Proses ini akan memusnahkan semua jenis
mikroorganisme yang terdapat pada suatu lingkungan. Proses sterilisasi merupakan proses
yang harus ada dalam industri bioproses untuk mencegah adanya aktivitas mikroorganisme
yang tidak dikehendaki pada suatu proses, mempertahankan kelangsungan proses dan
mempertahankan kualitas produk yang diinginkan.
Metode sterilisasi yang dilakukan pada percobaan ini adalah dengan pemanasan. Sterilisasi
dengan pemanasan secara batch dan kontinu dilakukan untuk memahami kinetika kematian
sel ragi. Kinetika kematian mikroorganisme dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain
waktu pemanasan, temperatur, serta laju alir pada sterilisasi kontinu.
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 6
BAB II
TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN
2.1 Tujuan
Praktikum “Kinetika Sterilisasi” ini bertujuan agar:
1. Praktikan mempelajari kinetika kematian mikroorganisme dalam sistem batch dan
kontinu.
2. Praktikan mengevaluasi efisiensi dari sistem sterilisasi kontinu.
2.2 Sasaran
Sasaran yang hendak dicapai pada praktikum ini yaitu:
1. Menentukan parameter-parameter kinetika sterilisasi, yaitu konstanta kematian
spesifik (kd), energi aktivasi (Ea), dan faktor frekuensi (A) untuk sistem sterilisasi
batch dengan variasi temperatur.
2. Menentukan parameter-parameter kinetika sterilisasi, yaitu konstanta kematian
spesifik (kd), energi aktivasi (Ea), dan faktor frekuensi (A) untuk sistem sterilisasi
kontinu dengan variasi temperatur dan laju alir.
3. Menghitung fraksi kematian suatu mikroorganisme dengan model reaktor tertentu.
4. Menentukan efisiensi sistem sterilisasi kontinu.
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 7
BAB III
RANCANGAN PERCOBAAN
3.1 Alat dan Bahan
Tabel 3. 1 Daftar alat dan bahan
Alat Bahan
1. Tabung reaksi 1. Biakan ragi
2. Pompa peristaltik 2. Glukosa
3. Termometer 3. Bahan-bahan nutrien medium
4. Coil sterilizer 4. Air
5. Mikroskop 5. Es batu
6. Counting chamber 6. Metilen biru
7. Labu erlenmeyer
8. Autoklaf
9. Water bath
10. Pemanas
11. Counter
3.2 Peralatan Percobaan Sterilisasi
Gambar 3. 1 Peralatan percobaan
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 8
BAB IV
PROSEDUR KERJA
4.1 Prosedur Kerja Sterilisasi Batch
Gambar 4. 1 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi batch
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 9
4.2 Prosedur Kerja Kalibrasi Pompa Peristaltik
Gambar 4. 2 Diagram alir prosedur kerja kalibrasi pompa peristaltik
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 10
4.3 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Laju Alir)
Gambar 4. 3 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi laju alir
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 11
4.4 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Temperatur)
Gambar 4. 4 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 12
DAFTAR PUSTAKA
Aiba, dkk. Biochemical Engineering. University of Tokyo Press. Tokyo. Chapter 9.
Shuler, M.L., Kargi, F. Bioprocess Engineering. 2nd
ed. Prentice Hall. 2002. p. 314-320.
Stanburi, P.F., Whitaker, A. Principles of Fermentation Technology. John Wiley and Sons.
New York. Chapter 8.
Way, D.I.C. dkk. Fermentation and Enzyme Technology. John Wiley and Sons. New York.
Chapter 8.
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 13
LAMPIRAN
A. Tabel Data Mentah
A.1 Data Sterilisasi Batch
Tabel A. 1 Data pengamatan sterilisasi batch
Temperatur (oC) t (min) N1 (sel) N2 (sel)
A.2 Data Kalibrasi Pompa Peristaltik
Tabel A. 2 Data kalibrasi pompa peristaltik
Skala Volume (mL) t1 (s) t2 (s)
A.3 Data Sterilisasi Kontinu
Panjang coil : ... m.
Diameter coil : ... cm.
Skala pompa : ...
Tabel A. 3 Data sterilisasi kontinu
T (oC) N0,1(sel) N0,2 (sel) Nt,1 (sel) Nt,2 (sel)
B. Prosedur Perhitungan
B.1 Penentuan Nilai Konstanta Kematian Spesifik (kd) pada Sterilisasi Batch
Persamaan model laju kematian sel merupakan PDB linear orde 1 :
𝑑𝑁
𝑑𝑡= −𝑘𝑑 . 𝑁
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 14
dimana : t = waktu ; N = jumlah atau konsentrasi sel ; kd = konstanta kematian spesifik.
Batas integrasi : t = 0 → N = N0 dan t = t → N = N.
Jika persamaan tersebut diintegrasikan:
∫𝑑𝑁
𝑁= −𝑘𝑑. ∫ 𝑑𝑡
𝑡
0
𝑁
𝑁𝑜
𝑙𝑛𝑁𝑜
𝑁= 𝑘𝑑. 𝑡
Contoh data percobaan:
Tabel B. 1 Contoh pengolahan data untuk penentuan kd pada sterilisasi batch
t (min) N1 N2 N rata2 ln(No/N)
0 99 102 100.5 0
1 92 98 95 0.056281
2 80 89 84.5 0.173406
3 77 70 73.5 0.312872
4 62 66 64 0.451275
5 53 47 50 0.698135
Hubungan 𝑙𝑛𝑁𝑜
𝑁 terhadap t diperoleh sebagai berikut:
Gambar B. 1 Contoh grafik hubungan ln(N0/N) terhadap waktu
Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa pada kondisi percobaan, nilai kd adalah sebesar
0,9387.
y = 0.1207x R² = 0.9387
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 1 2 3 4 5 6
ln (
No
/N)
t (min)
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 15
B.2 Penentuan Nilai Energi Aktivasi (Ea) dan Faktor Frekuensi (A)
Pada sterilisasi batch dan kontinu, harga Ea dan A dapat diperoleh melalui persamaan
Arrhenius :
𝑘𝑑 = 𝐴. exp (−𝐸𝑎
𝑅𝑇)
Dengan R = 1,987 kal/mol.K
Persamaan tersebut dapat dilinearkan menjadi:
ln 𝑘𝑑 = −𝐸𝑎
𝑅𝑥
1
𝑇+ ln 𝐴
Contoh data pengamatan:
Tabel B. 2 Contoh pengolahan data untuk penentuan Ea dan A
T(oC) T(K) 1/T (1/K) kd ln kd
50 323 0.003096 0.1453 -1.92895
60 333 0.003003 0.1266 -2.06672
70 343 0.002915 0.2367 -1.44096
75 348 0.002874 0.215 -1.53712
80 353 0.002833 0.237 -1.4397
Hubungan ln kd terhadap 1
𝑇 diperoleh sebagai berikut:
Gambar B. 2 Contoh grafik hubungan kd terhadap 1/T
Dari grafik di atas diperoleh gradien (−𝐸𝑎
𝑅)= -2331,8 sehingga Ea = -4633,28 kal. Intersep
diperoleh sebesar = 5,1826 (ln A) sehingga A = 178,14/min.
y = -2331.8x + 5.1826 R² = 0.7009
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.0028 0.00285 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315
ln k
d
1/T (1/K)
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 16
B.3 Kalibrasi Pompa Peristaltik
Contoh data kalibrasi pompa peristaltik:
Tabel B. 3 Contoh data kalibrasi pompa peristaltik
Skala V (mL) t1 (s) t2 (s) t rata2 (s) Q (mL/s)
10 10 47.3 47.25 47.275 0.211528
20 10 46.2 46.4 46.3 0.215983
30 10 44.8 44.9 44.85 0.222965
40 10 43.7 43.6 43.65 0.229095
50 10 43 42.9 42.95 0.232829
60 10 42 42.05 42.025 0.237954
70 10 41.3 41.3 41.3 0.242131
80 10 40.5 40.5 40.5 0.246914
90 10 39.2 39.2 39.2 0.255102
100 10 38.4 38.4 38.4 0.260417
Dari data di atas dibuat kurva kalibrasi sebagai berikut:
Gambar B. 3 Contoh kurva kalibrasi pompa peristaltik
Maka persamaan kalibrasi pompa peristaltik adalah:
Q = 0,0005*skala pompa + 0,2062
B.4 Penentuan Nilai Konstanta Kematian Spesifik (kd) pada Sterilisasi Kontinu
Persamaan nerasa massa sel pada aliran sumbat dalam keadaan tunak merupakan PD orde 2:
𝐷𝑧.𝑑2𝑁
𝑑𝑥2− 𝑢.
𝑑𝑁
𝑑𝑥− 𝑘𝑑 . 𝑁 = 0
y = 0.0005x + 0.2062 R² = 0.9952
0.2
0.21
0.22
0.23
0.24
0.25
0.26
0.27
0 20 40 60 80 100 120
Q (
mL/
s)
Skala
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 17
Untuk percobaan sterilisasi kontinu, diasumsikan sterilizer coil merupakan PFR ideal
sehingga dispersi ke arah aksial diabaikan, serta kondisi di sepanjang coil isotermal sehingga
kd tetap. Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
𝑢.𝑑𝑁
𝑑𝑥− 𝑘𝑑 . 𝑁 = 0
∫𝑑𝑁
𝑁= −𝑘𝑑. 𝑉 ∫ 𝑑𝑥
Batas integrasi: x=0 →N=N0 dan x=x → N=N. Maka,
𝑘𝑑 = ln𝑁𝑜
𝑁.𝑄
𝐴.1
𝑥
Contoh data percobaan:
Tabel B. 4 Contoh pengolahan data untuk penentuan kd pada sterilisasi kontinu
T(K) 1/T(1/K) No,1 No,2 No
rata2 Nt,1 Nt,2
Nt
rata2 ln(No/Nt) kd ln kd
323 0.003096 137 136 136.5 19 27 23 1.78083 7.218607 1.976662
333 0.003003 139 139 139 43 41 42 1.196804 4.851254 1.579237
343 0.002915 150 147 148.5 69 65 67 0.795892 3.226155 1.171291
348 0.002874 155 160 157.5 72 76 74 0.75536 3.061858 1.119022
353 0.002833 166 174 170 87 80 83.5 0.710952 2.881848 1.058432
Alur ln kd terhadap 1/T:
Gambar B. 4 Contoh grafik hubungan ln kd terhadap 1/T pada sterilisasi kontinu
Dari linearisasi grafik di atas diperoleh persamaan:
ln 𝑘𝑑 = 3635,1 (1
𝑇) − 9,3215
Maka diperoleh Ea = -30222,221 J/mol dan A = 8,95 x 10-5
y = 3635.1x - 9.3215 R² = 0.9672
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
0.0028 0.00285 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315
ln k
d
1/T (1/K)
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia Kinetika Sterilisasi
STR 18
B.5 Penentuan Fraksi Sel Hidup Teoretis.
Persamaan kinetika laju kematian sel pada sterilisasi kontinu:
𝑢.𝑑𝑁
𝑑𝑥− 𝑘𝑑 . 𝑁 = 0
∫𝑑𝑁
𝑁= −𝑘𝑑. 𝑉 ∫ 𝑑𝑥
ln𝑁
𝑁𝑜= − 𝑘𝑑 . 𝑉. 𝑥
Maka secara teoretis fraksi sel hidup pada panjang coil sterilizer tertentu adalah:
𝑁
𝑁𝑜= exp (−𝑘𝑑.
𝐴
𝑄. 𝑥)
B.6 Penentuan Fraksi Sel Hidup Nyata
Fraksi sel hidup nyata diperoleh dari data percobaan dengan membagi jumlah sel hidup
terhitung setelah sterilisasi selama waktu tertentu (Nt) dengan jumlah sel mula-mula sebelum
sterilisasi yang terhitung (N0).
B.7 Penentuan Efisiensi Sterilisasi Kontinu
Fraksi kematian = 1 −𝑁
𝑁𝑜
Efisiensi sterilisasi = 𝐹𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑘𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑎𝑛 𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎
𝐹𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑘𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑒𝑡𝑖𝑠. 100% =
(1−(𝑁𝑡
𝑁𝑜)
𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎)
(1−(𝑁𝑡
𝑁𝑜)
𝑡𝑒𝑜𝑟𝑒𝑡𝑖𝑠)
. 100%
top related