KINETIKA STERILISASI (STR) - · PDF filebioproses. Proses yang ada di dalam industri...

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


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


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


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.


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.


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


STR 8

BAB IV

PROSEDUR KERJA

4.1 Prosedur Kerja Sterilisasi Batch

Gambar 4. 1 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi batch


STR 9

4.2 Prosedur Kerja Kalibrasi Pompa Peristaltik

Gambar 4. 2 Diagram alir prosedur kerja kalibrasi pompa peristaltik


STR 10

4.3 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Laju Alir)

Gambar 4. 3 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi laju alir


STR 11

4.4 Prosedur Kerja Sterilisasi Kontinu (Variasi Temperatur)

Gambar 4. 4 Diagram alir prosedur kerja sterilisasi kontinu dengan variasi temperatur


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.


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


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)


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)


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


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)


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%

KINETIKA STERILISASI (STR) - · PDF filebioproses. Proses yang ada di dalam industri...

Documents

Transcript of KINETIKA STERILISASI (STR) - · PDF filebioproses. Proses yang ada di dalam industri...