Path: Top > S3-Dissertations > Engineering Science > 2007

PENERAPAN FENOMENA ELEKTROKINETIK DALAM PENINGKATAN KINERJA BIOREAKTOR MEMBRAN UNTUK REAKSI ENZIMATIK FASA HOMOGEN

PhD Theses from JBPTITBPP / 2012-08-30 14:25:32
Oleh : UKAN SUKANDAR (NIM 33095009); Promotor: Prof.Dr.Ir. V.S. Praptowidodo dan Dr.Ir. Subagjo, S3 - Engineering Sciences
Dibuat : 2005, dengan 10 file

Keyword : Fenomena, elektrokinetik, bioreaktor membran
Kepala Subjek : Chemical Engineering
Nomor Panggil (DDC) : T 660.284 24 SUK
Url : http://otomasi.lib.itb.ac.id/home.php?menu=library&action=detail&libraryID=56144
Sumber pengambilan dokumen : 20050669

Secara konvensional, reaksi enzimatik dilaksanakan secara curah dengan menginkubasi campuran enzim terlarut dan substratnya dalam suatu bioreaktor tangki berpengaduk. Pada proses reaksi enzimatik yang dikategorikan ke dalam sistem reaksi fasa homogen ini, pemisahan atau perolehan kembali enzim dari campuran reaksinya sangat sulit dilakukan. Oleh karena itu, sekalipun enzim dalam campuran reaksi masih memiliki aktivitas katalitik yang tinggi, enzim tersebut biasanya tidak dipisahkan untuk digunakan kembali sebagai biokatalis. Pada akhir proses konversi, enzim biasanya disingkirkan dengan mendenaturasinya dan kemudian dibuang. Ini tentu saja tidak ekonomik karena terjadi kehilangan enzim setiap satu tempuhan reaksi.

Suatu cara yang menjanjikan untuk mengatasi masalah pemisahan dan penggunaan kembali biokatalis dalam bentuk enzim terlarut adalah dengan menggunakan bioreaktor membran. Dalam sistem bioreaktor ini, membran digunakan untuk memisahkan produk dari campuran reaksi yang mengandung enzim. Enzim dipertahankan tetap berada di dalam sistem bioreaktor membran, sementara produk berpermeasi melalui membran.

Inti masalah dari penelitian ini adalah pengembangan proses gabung antara ultrafiltrasi dan elektroforesis untuk peningkatan kinerja bioreaktor membran konvensional untuk sistem reaksi enzimatik fasa homogen. Penelitian ini didasarkan pada hipotesis yang menyatakan bahwa penggabungan antara bioreaktor membran dengan elektroforesis akan meningkatkan kinerja bioreaktor karena (a) mencegah polarisasi konsentrasi enzim pada permukaan membran sehingga enzim dapat digunakan secara efektif dalam ruah reaksi, dan (b) menstimulasi pemisahan dan pemekatan produk.

Dalam penelitian ini, proses gabung telah diterapkan untuk mempelajari kasus produksi secara kontinu asam 6-aminopenisilanat (6-APA) dari bezilpenisilin (pen-G) melalui reaksi hidrolisis fasa homogen yang dikatalisis oleh enzimpenisilin asilase dalam suatu bioreaktor membran ultrafiltrasi. Secara khusus, penelitian ini diarahkan untuk mempelajari pengaruh elektroforesis terhadap enzim dan molekul-molekul bermuatan pada kinerja bioreaktor membran.

Tanpa elektroforesis, produksi 6-APA secara kontinu dalam bioreaktor membran pada dasarnya merupakan kombinasi dari dua proses: hidrolisis enzimatik dan ultrafiltrasi. Hidrolisis pen-G oleh penisilin asilase merupakan reaksi reversibel dan telah diketahui dihambat secara kompetitif oleh 6-APA dan secara nonkompetitif oleh asam fenil asetat (PAA). Konversi yang tinggi mungkin sekali dapat dicapai dengan cara melaksanakan reaksi dalam fasa homogen menggunakan enzim bebas, bila : (a) enzim dapat dipertahankan di dalam ruah reaksi dan (b) produk dapat dikeluarkan. Untuk itu, sangat cocok bila reaksi diselenggarakan dalam bioreaktor membran.

Masalah serius yang sering menjadi kendala pada penggunaan bioreaktor membran adalah terjadinya akumulasi enzim pada permukaan membran yang disebut sebagai polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi cenderung dapat menurunkan kinerja bioreaktor membran karena : (a) mengurangi jumlah enzim di ruah larutan tempat terjadinya reaksi secara efektif dan (b) memblokir permukaan membran sehingga menurunkan laju alir permeat.

Salah satu cara untuk menghindari polarisasi enzim pada permukaan membran adalah dengan menggunakan medan listrik melintas membran. Enzim, yang secara alami bersifat amfoter, memiliki muatan listrik dalam larutan dengan pH di luar titik isoelektriknya, dan dengan adanya medan listrik cenderung bermigrasi . Fenomena ini dikenal sebagai elektroforesis. Gerak elektroforetik dari enzim yang berlawanan arah dengan aliran permeat akan mencegah terjadinya polarisasi enzim pada permukaan membran. Akibatnya, enzim dapat digunakan lebih efektif untuk mengkatalisis reaksi dalam ruah larutan.

Jika produk reaksi bermuatan listrik, penerapan medan listrik dapat pula dimanfaatkan untuk mempercepat pengeluaran produk dari bioreaktor ke ruang permeat. Laju perpindahan produk bermuatan listrik melalui membran dapatditingkatkan oleh medan listrik. Dengan demikian, aliran permeat akan diperkaya oleh produk. Dalam hal ini, pemisahan dan pemekatan produk terjadi secara simultan.

Jika reaksi enzimatik merupakan suatu reaksi yang diinhibisi oleh produk atau merupakan reaksi reversibel, pengeluaan produk bermuatan oleh medan listrik akan meningkatkan laju reaksi. Akibatnya, produktivitas bioreaktor membran dapat ditingkatkan. Dalam penelitian ini, hidrolisis pen-G secara kontinu oleh penisilin asilase telah dilaksanakan dalam bioreaktor membran dengan penerapan medan listrik. Pada kondisi reaksi optimum, produk 6-APA bermuatan negatif.

Hipotesis ini telah diuji dalam penelitian dengan menggunakan model reaksi hidrolisis pen-G oleh penisilin asilase untuk menghasilkan 6-APA dan PAA. Karena enzim dan produk reaksi dari hidrolisis pen-G merupakan molekulmolekul bermuatan, akan ada kondisi operasi yang menyebabkan penerapan medan listrik melintas membran tidak hanya menimbulkan migrasi elektroforetik dari enzim menjauhi permukaan membran ke ruah larutan, tapi juga menstimulasi penyingkiran produk-produk bermuatan.

Pemilihan produksi 6-APA melalui konversi enzimatik pen-G oleh enzim penisilin asilase juga didasarkan pada pertimbangan berikut. Di dunia internasional, usaha yang terus menerus telah dilakukan untuk penyempurnaan teknologi 6-APA pada setiap tahap. 6-APA adalah bahan baku utama untuk produksi penisilin semisintetik. Produksi 6-APA dunia diperkirakan meningkat dari 7.000 ton dalam tahun 2000 menjadi sekitar 10.500 ton pada tahun 2010. Hal ini terutama disebabkan oleh karena ampisilin, amoksisilin, dan penisilin semisintetik lainnya banyak digunakan sebagai obat pilihan. Ciri yang unik dari penelitian ini adalah pengenalan migrasi elektroforetik sebagai suatu cara untuk menyempurnakan produktivitas dari reaksi enzimatik fasa homogen dalam bioreaktor membran. Dibandingkan dengan bioreaktor enzim amobil komersial yang biasa dihadapkan pada masalah perpindahan massa dan masalah peliknya proses amobilisasi, elektroforesis yang diterapkan pada bioreaktor membran telah memperlihatkan kinerja yang lebih sebagai hasil dari (a) penggunaan enzim secara efektif karena kebanyakan enzim ditahan di dalam ruah reaksi dan (b) pengeluaran produk dengan segera karena akumulasi produk di dalam bioreaktor akan menghambat reaksi.

Penelitian ini telah dilaksanakan dalam dua tahap: kajian teoritik dan kajian eksperimental. Tujuan kajian teoritik adalah membangun model yang mewakili dasar proses hidrolisis pen-G oleh penisilin asilase dalam suatu bioreaktor membran yang digabung dengan elektroforesis. Model kemudian digunakan untuk mensimulasi kinerja bioreaktor membran yang daripadanya efek medan listrik dan kondisi operasi optimal dari bioreaktor dapat dijelajah. Informasi yang sangat penting dari hasil kerja teoritik adalah penentuan profil laju pengenceran optimal. Dengan mengikuti profit ini, operasi bioreaktor membran diarahkan untuk produktivitas maksimum dalam periode waktu operasi tertentu. Tujuan utama dari kajian ekperimental adalah memperoleh data untuk peningkatan kinerja bioreaktor membran yang digabung dengan elektroforesis. Data ini dilaporkan dalam bentuk time course dari konsentrasi 6-APA di aliran permeat pada keadaan tanpa dan dengan elektroforesis, laju alir, dan stabilitas enzim.

Semua percobaan telah dilaksanakan dalam sistem bioreaktor membran yang khusus. Komponen utama dari sistem bioreaktor membran terdiri dari flexiglass yang dirancang dan dibuat di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung. Bioreaktor terdiri dari dua ruang elektroda dan satu ruang permeat. Aliran permeat dipisahkan dari ruang elektroda bawah oleh lapisan selofan. Ruang elektroda atas dengan larutan reaksi di dalam bioreaktor juga dipisahkan oleh lapisan selofan. Selama percobaan digunakan membran P020F (Nadir Filtration GmbH). Menurut pabriknya, molecular weight cutoff membran P020F (luas permukaan membran 50,26 cm2) adalah 20 kDa. Volume bioreaktor adalah 300 mL.

Model matematik yang mewakili perpindahan massa partikel melalui pori membran bermuatan telah dikembangkan dalam keadaan dipengaruhi medan listrik dan tekanan. Didasarkan pada persamaan Nernst Planck dan persamaanmodel hidrodinamik, dengan menggunakan pendekatan linier persamaan Poisson-Boltzman (pendekatan Debye Huckel) dan pendekatan garis tengah untuk perhitungan interaksi energi potensial, model telah diselesaikan untuk memperoleh pernyataan koefisien penyaringan aktual sebagai fungsi dari kuat medan listrik dan tekanan trans membran. Dari pernyataan ini, parameter-parameter lain seperti konsentrasi permeat, kemurnian, selektivitas, dan produktivitas dapat diturunkan. Model telah divalidasi dengan data hasil percobaan yang kemudian digunakan untuk simulasi kinerja elektroultrafiltrasi untuk larutan tunggal dan campuran.

Diperlihatkan oleh hasil simulasi bahwa peningkatan tekanan operasi dapat menurunkan konsentrasi permeat, meningkatkan fluks larutan, dan menurunkan koefisien pemisahan. Sementara itu, peningkatan medan listrik dari polaritas negatif ke polaritas positif bisa meningkatkan konsentrasi permeat, menurunkan fluks larutan, dan meningkatkan koefisien pemisahan. Dalam pelaksanaan proses pemisahan dengan menggunakan campuran reaksi, peningkatan medan listrik dan penurunan tekanan, memperbesar koefisien pemisahan dan kemurnian produk. Pengujian model bioreaktor membran yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan data yang diperoleh dari hidrolisis enzimatik penisilin G yang dilaksanakan dalam bioreaktor membran ultrafiltrasi menggunakan penisilin G asilase, dan dengan menggunakan data dari literatur. Data eksperimen telah dibandingkan dengan data yang diperkirakan oleh model dengan menggunakan parameter-parameter seperti konstanta Michaelis-Menten, konstanta inhibisi, dan konstanta laju permeasi. Hasilnya menunjukkan bahwa terdapat kesesuaian antara model bioreaktor membran yang telah dibangun dengan bioreaktor membran yang sesungguhnya. Walaupun demikian, dari hasil simulasi tersebut dapat dikemukakan bahwa kinerja bioreaktor membran masih rendah akibat terjadinya polarisasi konsentrasi.

Dengan menggunakan model bioreaktor membran yang telah diuji, fenomena elektroforesis diterapkan pada sistem bioreaktor yang melaksanakan reaksi hidrolisis pen-G oleh penisilin asilase. Hasilnya menyatakan bahwa penerapanfenomena elektroforesis pada sistem bioreaktor membran dapat meningkatkan kinerja bioreaktor membran yang dinyatakan dalam konversi reaksi, kemumian produk, dan produktivitas bioreaktor. Dalam kasus ini juga ditemukan bahwa makin tinggi efek elektroforesis yang diberikan, makin rendah konsentrasi substrat yang teramati di ruang permeat. Rendahnya konsentrasi substrat di ruang permeat merupakan salah satu penyebab tingginya kemurnian produk. Dibandingkan dengan sistem bioreaktor konvensional yang dioperasikan secara kontinu, sistem bioreaktor membran yang dioperasikan secara kontinu memberikan konversi, kemurnian, dan produktivitas yang lebih tinggi. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa sistem bioreaktor membran tanpa elektroforesis telah memberikan konversi reaksi, kemurnian produk, dan produktivitas yang lebih tinggi masing-masing sebesar 3,67 %, 73,21 %, dan 23,25 % daripada konversi, kemurnian, dan produktivitas yang dihasilkan oleh bioreaktor konvensional.

Penerapan medan listrik pada sistem bioreaktor membran dapat meningkatkan konversi, kemumian, dan produktivitas bioreaktor. Penerapan medan listrik sebesar 1250 Vim, misalnya, telah berhasil meningkatkan konversi sebesar 50,59 %, meningkatkan kemumian produk sebesar 35,05 %, dan meningkatkan produktivitas bioreaktor sebesar 34,65 % dari apa yang diberikan oleh sistem bioreaktor membran tanpa elektroforesis. Secara umum, hasil penelitian ini akan dapat memberikan kontribusi yang berarti pada pengembangan metode untuk pelaksanaan reaksi enzimatik fasa homogen secara lebih efektif.

Deskripsi Alternatif :

Conventionally, enzymatic reactions have been carried out in a batch process by incubating a mixture of substrate and soluble enzyme in a strirred tank bioreactor. In the enzymatic reaction process that categorized into this homogeneous phase reaction system, it is technically very difficult to recover active enzyme from the reaction mixture. Accordingly, even if an enzyme in the reaction mixture still has high catalytic activity, the enzyme is usually not separated for reuse as a biocatalyst. At the end of the conversion process, the enzyme and other contaminating proteins are generally removed by denaturation by pH or heat treatment and discarded. This is uneconomical, as active enzyme is lost after each batch reaction.

A promising method for the recovery and reuse of biocatalyst in the form of soluble enzymes is the use of the membrane bioreactor systems. In this bioreactor systems, the membrane is used as a barrier to separate the products stream from the reaction solution containing free enzymes. The enzymes are retained inside the membrane bioreactor, whereas the products permeate through the membrane. The focus of this research is the development of a combined process of membrane, ultrafiltration and electrophoresis for the enhancement of conventional membrane bioreactor for enzyme catalyzed reaction system. This research is based on the hypothesis that the coupling of conventional membrane bioreactor with electrophoresis will enhance the performance of the bioreactor due to (a) the prevention of enzyme polarization on the membrane surface so that the enzyme can be used effectively in the bulk reaction solution, and (b) the stimulation of simultaneous product separation and concentration. In this research, the application of the combined process for the continuous production of 6-aminopenicillanic acid (6-APA) from benzylpenicillin (pen-G) based on homogeneous hydrolysis reaction catalyzed by penicillin acylaseenzyme in a novel ultrafiltration membrane bioreactor was studied. In particular, this research is directed to study the effect of the electrophoresis of enzyme and charged molecules on the performance of membrane bioreactor. In the absence of electrophoresis, the continuous production of 6-APA in membrane bioreactor is basically a combination of two processes : enzymatic hydrolysis and ultrafiltration. The hydrolysis of pen-G by penicillin acylase is a reversible reaction and is known to be inhibited competitively by 6-APA and noncompetitively by the other product, namely phenilacetic acid (PAA). The high conversion could be preferably achieved by carrying out the reaction in a homogeneous system using enzyme in a free form, provided that : (a) the enzyme can be effectively retained in the bulk reaction solution and (b) the products can be preferentially removed. Membrane bioreactor is thought to be one which fits these requirements. A serious problem often encountered with the convensional membrane bioreactor, where the driving force for the fermeation flow is due to the applied pressure across the membrane, is the accumulation of enzyme next to membrane surface, which is known as concentration polarization. This tends to degrade the performance of the membrane bioreactor for two reasons : (a) reducing the amount of enzyme in the bulk solution where reaction is supposedly to occur effectively and (b) blocking the membrane surface and thus reducing the permeation flow.

One of the ways to reduce this polarization effect is to apply an electric field across the membrane. The enzyme, because of its amphoteric nature, carries electric charge in the solution of pH other than its isoelectric point and tends to migrate in the presence of electric field. This phenomenon is known as electrophoresis. The electrophoretic migration of the enzyme in a direction opposite to the permeate flow will prevent the enzyme from polarizing on the membrane surface. As a consequence, the enzyme can be utilized more efficiently in the bulk solution for reaction.When the enzymatic product is electrically charged, the applied electric field can also be used to accelerate the removal of product from the bioreactor into the permeate stream. The transport rate of the electrically charged product through the membrane can be increased by the electric field. Thus, the permeate stream will be enriched with the product. In this case the simultaneous product separation and concentration is achieved. If the enzymatic reaction is inhibited by the product or the reaction is reversible, the preferential removal of the charged product by the electric field will increase the reaction rate. Consequently, the productivity of the membrane bioreactor will be improved. In this research, continuous pen-G hydrolysis by penicillin acylase was carried out in a membrane bioreactor in the presence of electric field. At the optimum reaction condition, the product, 6-APA, is negatively charged. This hypothesis was tested in this research with a model reaction system of hydrolysis of benzylpenicillin by penicillin acylase enzyme to produce 6-APA and PAA. Since both enzyme and products in the hydrolysis of pen-G can be found as charged molecules, there will be a range of operation conditions where the application of electric field across the membrane will not only generate electrophoretic migration of enzyme away from membrane surface to bulk solution, but also stimulate preferential removal of the of the charged products. The selection of the production of 6-APA through enzymatic conversion of pen-G by enzyme PA is also based on the following consideration. At international level, constant efforts are being made to improve the 6-APA technology at every step. 6-APA is the key raw material for the production of semisynthetic penicillins. The world production of 6-APA is estimated to increase from 7000 tons in 2000 to about 10500 tons in the year 2010. This is primarily because ampicillin, amoxycillin, and other semisynthetic penicillin continue to find wide application as therapeutic agents of choice. The unique feature of this research is the introduction of electrophoretic migration as a technique to improve the productivity of homogeneous enzymatic reaction in a membrane bioreactor. Compared to commercial immobilized enzymebioreactors which are usually hampered by mass transfer limitation and laborious chemical and physical immobilization problems, this electrophoresis coupled membrane bioreactor has shown a better peformance resulting from (a) the effective use of enzyme activity due to the retention of most of the enzyme in the bulk reaction solution and (b) preferential and immediate removal of the products which otherwise their accumulation in the bioreactor will inhibit the reaction.

This research was carried out in two complementary stages : theoretical work and experimental work. The main objective of the theoretical work is to build a mathematical model representing the underlying process of pen-G hydrolysis by penicillin acylase in a membrane bioreactor coupled with electrophoresis. The model will then be used to simulate the performance of the membrane bioreactor from which the effect of electric field and optimal operation condition of the bioreactor can be explored. A very important information resulted from the theoretical work would be the determination of optimal dilution rate profile. Following this profile, operation of the membrane bioreactor will be directed to the maximum productivity in a certain period of operation time which usually by the stability of the enzyme. The main objective of the experimental work is to generate data for the expected performance enhancement of the membrane bioreactor due to the coupling of electrophoresis. This data was reported in the form of time course of : concentration of 6-APA in the permeation flow in the absence and presence of electrophoresis, permeate fluks, and enzyme stability. All experiments were carried out in a special membrane bioreactor system. The principal component of this system is the plexiglass membrane bioreactor that have been designed and fabricated at the Department of Chemical Engineering, Faculty of Industrial Technology, Institut Teknologi Bandung. The cell assembly consists of two electrode compartments and one permeate compartment. The permeate stream was separated from the bottom electrode compartment by a cellophane film. The top electrode compartment and the reaction solution in the cell were also separated by a cellophane film. A P020F membrane (Nadir Filtration GmbH) was used throughout the experiments. The molecular weight cutoff of P020F membrane (membrane surface area 50.26 cm2) was reported by the manufacturer to be 20 kDa. The volume of this bioreactor is approximately 300 mL. A mathematical model was developed to describe the particle transport through charged membrane pore under the influence of external electrical field and pressure driven flow. Based on Nernst-Planck and hydrodynamic model equations and the use of Debye-Huckel and center line approximation for interaction potential energy calculation, the model was solved to obtain a compact expression of actual sieving coefficient as a function of electric field strength and trans membrane pressure. From this expression , other performance parameters could be derived, such as permeate concentration, purity, selectivity, and productivity. This model was validated with the experimental data and was then used to simulate the performance of electrofiltration for single and solution mixture. It was shown from the simulation that the increase in operating pressure was decreases the permeate concentration, increases the flux, and decreases the sieving coefficient. Meanwhile, the increase in the electric field strength from negative to positive polarities can increase permeate concentration, decreases the flux, and increases the sieving coefficient. In the case of separation of the reaction mixture, the increase in the electric field strength and the decrease in the operating pressure can cause the increase in separation factor and purity of reaction product. Validation of membrane bioreactor model employed in this work has been done by the use of data obtained from the enzymatic hydrolysis of penicillin G in the ultrafiltration membrane bioreactor using penicillin G acylase, and the literature data. Experimental data were compared to those predicted by the model using parameter such as the Michaelis-Menten constants, inhibition constants, and the permeation rate constants. Fairly good agreement was found between the theoretical analyses and the experimental data. However, the simulation results show that the performance of membrane bioreactor is low due to polarization concentration.

By using the membrane bioreactor model which have been tested, electrophoresis phenomena was applied into the bioreactor system that carries out the penicillin G hidrolysis by penicillin acylase. The results indicate that the electrophoresis phenomena applied in the membrane bioreactor system can increase membrane bioreactor performance which is expressed in the reaction conversion, purity of product, and productivity of bioreactor. It is also observed that the higher the electrophoresis effect is applied, the lower the substrate concentration in the permeate compartment. Low substrate concentration in the permeate compartment is one of the cause of the high product purity. Compared to continuous conventional bioreactor systems, continuous membrane bioreactor systems gave a higher conversion, purity, and productivity. The experimental results indicates that the membrane bioreactor systems without electrophoresis increases the reaction conversion, product purity, and productivity of convensional bioreactor system by 3.67%, 73.21%), and 23.25% respectively. An electric field applied to the membrane bioreactor systems can increase its conversion, purity, and productivity. The application of an electric field of 1250 Vim, for example, have increased bioreactor conversion by 50.59%, have increased product purity by 35.05%, and have increased productivity by 34.65% relative to those given by membrane bioreactor systems in the absence of electrophoresis. In general the results of this research will have significant contribution to the development of a method for more effectively conducting homogeneous enzyme catalyzed reaction.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Promotor: Prof.Dr.Ir. V.S. Praptowidodo dan Dr.Ir. Subagjo, Editor: Vika A. Kovariansi

File PDF...