1 / 42

Large Scale Production and Commercialization of Proteins from Recombinant Microorganisms

Large Scale Production and Commercialization of Proteins from Recombinant Microorganisms. Linawati Hardjito , PhD. Biology Chemistry Genetics. Engineering Statistics Economics. Process & Products Development Natural Products Pharmaceuticals Biomedical probes Nutraceuticals Cosmetics

kyros
Download Presentation

Large Scale Production and Commercialization of Proteins from Recombinant Microorganisms

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Large Scale Production and Commercialization of Proteins from Recombinant Microorganisms LinawatiHardjito, PhD

  2. Biology Chemistry Genetics Engineering Statistics Economics Process & Products Development Natural Products Pharmaceuticals Biomedical probes Nutraceuticals Cosmetics Food/Feed Industrial Chemicals Biotechnology Biodiversity Pollution Control Bioremediation Biofiltration Bioleaching Bioabsorption Aquaculture related product

  3. Bioprocess Engineering

  4. Bioreactor 2000 L

  5. Bioproses • proses yang memanfaatkanorganisme (khususnyamikroorganisme) untukmengasilkanproduk & proses yang bermanfaatuntukkemidupanmanusiadanlingkungannya • Sub-disiplinbioteknologi yang berperanmerubahpenemuanbioteknologimenjadiproduk/proses • Contoh: • ProduksirekombinanenzimamilasedenganSaccharomycescerevisiaedanPichiapastoris • Produksirekombinanselulase, lipase dengan Escherichia coli • ProduksipenisilindenganPenicillium sp • Bioremeidasitanahterkontaminasiminyakbumi • ProduksibiopigmenpycoerythrindenganmikroalgaPorphyrodiumcruentum

  6. Biology Chemistry Genetics Engineering Statistics Economics Process & Products Development Natural Products Pharmaceuticals Biomedical probes Nutraceuticals Cosmetics Food/Feed Industrial Chemicals Biotechnology Marine Biodiversity Pollution Control Bioremediation Biofiltration Bioleaching Bioabsorption Aquaculture related product

  7. Perbaikan genetik Mutasi Rekayasa genetika Oganisme/ekstrak terpilih Fraksinasi Pemurnian Karakterisasi Struktur elucidasi Pengembangan & Optimasi bioproses Pemilihan media (C,N, mineral,dll) Pemilihan kondisi lingungan fisik & kimia (t,pH,salinas,cahaya,oksigen) Pengembangan budidaya • Down stream processing • Pemanenan • pemurnian Formulasi produk Proses terpilih product

  8. Basic research Molecular biology High value added product Bioprocess Engineering Bioprocess engineering is the discipline that puts biotechnology to work

  9. Sifat Unggul Bioprocess • Kondisi reaksi yang ringan/ramah lingkungan • Temperatur & tekanan ruang • Reaksi bersifat sangat spesifik dan efektif • Enzim/mikroorganisme mengkatalisis reaksi tertentu • Reaksi yang kompleks dapat diupayakan menjadi satu kesatuan • Beberapa enzim/mikroorganisme bekerja bersama-sama • Menggunakan sumberdaya terbarukan • Penerapan rekayasa genetika menungkinan untuk meningkatan produktiftas

  10. Sifat lemah bioproses • Campuran produk yang kompleks : mikroba, produk, sisa nutrien • Mudah terjadi kontaminasi • Perlu sterilisasi dan penjagaan kondisi aseptik • Variabilitas dan ketidakstabilan • Mutasi alami • Mikroorganisme (enzim) tidak bisa bekerja pada kondisi yang sangat bervariatif

  11. Produk bioproses • Berdasarkan volume produksi dan nilai jual • Volume besar nilai rendah • Volume besar nilai menengah • Volume kecil nilai tinggi • Berdasarkan letak produk • Intraselular • Ekstraselular • Berdasarkan peran dalam metabolisme • Metabolit primer • Metabolit sekunder • Berdasarkan waktu produksi • Growth associated • Non-growth associated

  12. Konsentrasi sel (g/L, OD600nm, jumlah sel/mL) Waktu (jam,hari) sel Growth associated (metabolit primer Non Growth associated (metabolit sekunder)

  13. Kebutuhan pengembangan bioproses • mikroorganisme • nutrien ( sumber karbon, nitrogen, mineral, vitamin, oksigen, dll) • Makronutrien • Mikronutrien • Kondisi lingkungan yang sesuai (pH, salinitas, temperatur, tekanan) • Bioreaktor (tempat kultivasi )

  14. Penggolongan bioproses • Berdasarkan kebutuhan oksigen • Aerobik & anaerobik • Berdasarkan kandungan air dalam campuran substrat : padat & cair • Berdasarkan moda operasi : batch, fed-batch, continuous • Berdasarkan letak pertumbuhan sel : tersuspensi & tertambat

  15. Bioreaktor dan moda operasi • bioreaktor : bejana, tabung, reaktor yang digunakan untuk menumbuhkan mikroorganisme • Jenis bioreaktor & metode kultivasi • Batch (curah) : tidak ada penambahan nutrien dan pemanenan produk atau pembuangan limbah selama proses kecuali udara (oksigen) untuk proses aerobik • Fed-batch (curah umpan) : ada penambahan nutrien selama proses tapi tidak ada pemanenan sampai /pembuangan limbah selesai • Continuous (sinambung) : ada penambahan nutrien dan pemanenan /pembuangan limbah selama proses

  16. Bioreaktor

  17. Batch proses

  18. Fin =0 Fout =0 • F = kecepatan penambahan nutrien (medium) (ml/jam, L/jam) • In = masuk, out =keluar • Fin= Fout = 0

  19. Keuntungan • Sederhana • Relatif murah dibandingkan proses lainnya • Proses cepat • Kelemahan • Produk inhibisi • Substrat inhibisi

  20. Fed-batch (curah umpan) Sel & substrat Sel (X) Fin = F ml/jam Fout =0 Substrat (S) Vt waktu Vo

  21. Keuntungan • Produksi sel pada konsentrasi yang tinggi (high cell density) • Mengurangi substrat inhibisi • Kelemahan • Produk inhibisi

  22. Continuous (sinambung) Sel & substrat Fin = F ml/jam Fout =F Sel (X) Produk (P) Substrat (S) Vt =vo waktu

  23. Keuntungan • Mengurangi inhibisi produk • Mengurangi inhibisi substrat • Sistem pada kondisi steady state : bagus untuk menentukan parameter kinetik • Kelemahan • Waktu operasi lama • Kemungkinan kontaminasi • kompleks

  24. Monitoring pertumbuhan dan pembentukan produk • Pertumbuhan sel • Berat kering (g/L, mg/mL) • Kekeruhan ( optical density) : spektrofotometer • Jumlah sel (hemositometer & mikroskop) • Sisa substrat (nutrisi) : g/L, mg/mL • Pembentukan produk : g/L, unit/mL • Kondisi lingkungan : pH, T, salinitas, Dissolved Oxygen

  25. Kinetika Pertumbuhan dan pembentukan produk • Specific growth rate (µ): perrcepatan pertumbuhan • µ mengikuti persamaan Monod atau Michaelis Menten • Untuk proses batch (curah) • Nutrisi tersedia berlebih (diberikan pada saat awal proses) • Nilai Ks kecil • µ mendekati µ max

  26. Yield (Y) • Yx/s : sel yang dihasilkan per substrat yang dikonsumsi (g sel/ g substrat), Δx/ Δs • Yp/s : produk yang dihasilkan per substrat yang dikonsumsi (g produk/ g substrat), Δp/Δs • =Yp/x : produk yang dihasilkan per sel yang tersedia (g produk/ g sel), Δp/ ΔX

  27. Kinetika pada proses batch

  28. Ln Xt µ Ln Xo T =waktu

  29. Contoh penentuan µ

  30. Kinetika pada proses continuous (sinambung) F= feed rate (kecepatan umpan, ml/Jam, l/jam V= volume bioreaktor (ml, L, m3) F/V = D : dilutaion rate, nilai konstan D= µ X: Sel (g/L) T ; waktu kultivasi (jam, hari) S: Substrat (g/L) P : produk (g/L)

  31. Pada kondisi steady state Sel & substrat Sel (X) dx/dt= 0 Substrat (S) ds/dt=0 waktu

  32. Pada kondisi steady state Sel & substrat dx/dt= 0 Sel (X) Substrat (S)

  33. Pada kondisi steady state Sel & substrat Sel (X) dx/dt= 0 Substrat (S)

  34. Sel & substrat Sel (X) Produk (P) Substrat (S) waktu

  35. Produktifitas bioreaktor sinambung • Sel (X) = X. D (g/L.jam) • Sisa substrat (S) = S.D (g/L.jam) • Produk (P) = P.D (g/L.jam)

  36. Penentuan nilai Ks D (1/jam) µmax ½ µmax Ks S (g/L)

  37. Contoh kasus Suatu 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 µmax = 0.5/hari Tentukan : Berapa ukuran kolam (biorekator) yang harus dibuat supaya tidak terjadi kematian mikroalga (wash out) Berapa konsentrasi mikroalga yang dihasilkan dalam bioreaktor Berapa produktifitas mikroalga yang diperoleh Bila mikroalga mengnadung vitamin B1 dengan kadar 0.1 ug/gram sel, berapa produktifitas vitamin B1 yang dihasilkan

  38. Berikut 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 diinginkan 2. Hasil percobaan laboratorium menunjukkan bahwa dari 1 gram ammonium dihasilkan 0.3 g biomasa 3. Berapa maksimum specific growth rate yang dimiliki mikroalga ?

  39. Komersialisasi Demand oriented Technologically feasible Economically feasible Investment, Payback Period, IRR, B/C Social and environmentally feasible

More Related