TPPB 9
INSTRUMENTASI BIOPROSES
CTD.
INSTRUMENTASI BIOPROSES
PROSES BIOLOGIS
KOMPLEKS
MULTIVARIABEL TIDAK DAPAT/SULIT KINETIKA REAKSI DITENTUKAN VARIASI PROPERTIES INOKULAN TINGGI PENGUKURAN SAAT PROSES BERLANGSUNG KARAKTERISASI REAKSI BIOKIMIA KOMPETITIF PEMODELAN MATEMATIKA
PENGUKURAN ADALAH
KUNCI UNTUK MEMAHAMI
BIOPROSES!
Teknologi Pengukuran dapat diklasifkasikan menjadi tiga kategori besar (dapat pula merupakan klasifkasi variabel proses fermentasi):
1. Biological: laju pertumbuhan, forescence, dan laju sintesis protein;
2. Chemical: konsentrasi glukosa, DO – oksigen terlarut, pH, konsentrasi gas keluaran CO2, O2, N2, ethanol, ammonia dan bermacam konsentrasi substansi organik;
METODE-METODE
PENGUKURAN PARAMETER
BIOPROSES
1. Biosensor
2. Pengukuran massa/kepadatan sel/jumlah bakteri
3. Pengukuran komposisi bahan kimia
4. Pengukuran DO
5. Pengukuran/analisis exhaust gas
6. Pengukuran pH
7. Pengukuran kemurnian air 8. Pengukuran Temperatur 9. Pengukuran tekanan
10.Pengukuran massa
11.Pengukuran laju massa dan volume (fow rate)
BEBERAPA HAL YANG HARUS
DIPERHATIKAN DALAM PENGUKURAN
PARAMETER PROSES BIOLOGI
1. Pengkondisian Lingkungan yang STERIL mencegah kontaminasi
2. Alat pengukuran INLINE harus memenuhi “AAA Sanitary Standard”, untuk spesifkasi permukaan luar dan material pada bagian “basah” (dalam)
3. Material harus tahan terhadap sterilisasi dengan uap panas (steam
sterilization) yang diperlukan secara periodik untuk mencegah penumpukan bakteri
4. Alat yang terletak pada line proses harus sesuai dengan koneksi sanitari
untuk memfasilitasi pemindahan selama pembersihan ekstensif dan operasi steril.
5. Port untuk pengambilan sampel, yang digunakan untuk pengambilan bagian kecil dari isi reaktor untuk analisis laboratorium harus dilengkapi dengan
CONTOH SENSOR UNTUK
PENGUKURAN PARAMETER
FERMENTASI
Culture
parameters Sensor Range Accuracy
Temperature Pt-100 0-150C 0.1C Pressure Piezoresistor 0-2 bar 20 mbar Gas fow Thermal
mass fow meter
Upto 2 v v-1 min
Based on bioreactor volume
0.1%
pH pH electrode 2-12 0.02 pO2 Polarografc
electrode 0-400 mbar 2 mbar pCO2 Membrane
covered pH electrode
PELETAKAN SENSOR PADA
BIOREAKTOR
Application
measurement Lower ports Upper ports Headplate ports
Temp./pH/DO/ DCO2/ Turbidity
probes/substrate (s) on-line
+ (for pilot scale
bioreactors)
- + (only for small scale bioreactors / Glass
bioreactors)
Pressure gauge or
Pressure sensor - - +
Line to outgas
analysis - - + (after condenser and out-gas fleter) Feeding / acid-based /
Antifoam addition - Highly suitable (Small scale pilot)
Less Suitable (Large scale)
Highly suitable (Large scale)
Less Suitable (Small scale pilot)
Harvest
(Continuous Culture) (Repeated batch)
+ -
BIOSENSOR
Biosensors adalah istilah untuk mengkombinasikan substrat biologis pada rangkaian elektronik. Hal ini merupakan generasi baru untuk pengukuran analitis interaksi biomolekular spesifk.
"...a self-contained integrated device which is capable of providing specifc quantitative or semi-quantitative analytical information using biological recognition element which is in direct spatial contact with a transducer element." – IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)
Immobilize one of interacting molecul
(Ligand) onto inert substrate
Substrat is bounded onto metal surface
(gold or platinum)
METODE TEKNIK
TRANSDUSER BIOSENSOR
1.
Potentiometric or amperometric, where a chemical
or biological reaction produces a potential
difference or current fow across a pair of
electrodes.
2.
Enzyme thermistors, where the thermal effect
of the chemical or biological reaction is
transduced into an electrical resistance change.
3.
Optoelectronic, where a chemical or biological
reaction evokes a change in light transmission.
PROBLEM 1
Sebutkan contoh jenis BIOSENSOR
dan penerapannya untuk sistem
CELL MASS MEASUREMENT
Pengukuran massa sel antara lain dapat dilakukan dengan metode optical density. Pengukuran jenis ini paling efektif untuk bakteri
yang memiliki bentuk spheris misal E. coli.
Metode lain yang digunakan diantaranya adalah titrasi spektrofotometri
Optical density (OD) = A / L
Where A refers to absorbance
ONLINE CELL MASS
DETERMINATION METHOD
Principle Advantages DisadvantagesOptical density Wide linear range Some interference
Culture fuorescence Measurement of cellular activity
Singanal interpretation is difcult
Capacitance Wide measurement range
Measurement of cellular activity
Interferance from aeration and aeration Signal interpretation is difcult
Ultrasonic Wide linear range
Self cleaning
Interference from
ONLINE CELL MASS AND
VIABILITY MEASUREMENT
Theory:
PENGUKURAN KOMPOSISI
KIMIA
Metode yang paling banyak digunakan adalah
kromatograf
Gas chromatography
Liquid Chromatography
Low Pressure
High Pressure
DO
DO merupakan salah satu parameter terpenting yang perlu diamati dalam proses fermentasi. Parameter ini mengindikasikan potensi kembang biak bakteri.
PRINSIP KERJA PROBE DO
In the amperometric (polarographic) approach, oxygen again
permeates a diffusion barrier and encounters an electrochemical cell immersed in basic aqueous solution. A potential difference of approximately 1.3 V is maintained between the anode and cathode. As the oxygen encounters the cathode, an electrochemical reaction occurs:
The hydroxyl ion then travels to the anode where it completes the electrochemical reaction process:
ANALISIS GAS EXHAUST
Banyak yang bisa dipelajari dari gas
hasil metabolisme seperti CO2, O2, N2,
NH3 dan ethanol. Faktanya analisis
prediktif didasarkan pada penghitungan
Laju uptake oksigen, laju pertukaran
karbon dioksida yang menggambarkan
proses respirasi.
Metode yang digunakan secara luas
adalah spektrometri massa. Dua metode
operasi digunakan yaitu:
Magnetic
QUADRAPOLE
Menggunakan elektron beam untuk ionisasi partikel.
JURNAL –
BROTH LEVEL
SENSOR ANTIFOAM
STANDAR
Foam sensors:
Low foam sensor High foam sensor
Type of foam:
Early foaming Late foaming
Antifoam efects on:
DO
PROBLEM 2
Jelaskan mengapa strategi antifoam
diperlukan, dan jelaskan cara kerja
INSTRUMENTASI UNTUK
PENGUKURAN PROSES
PENGGUNAAN DATA
PENGUKURAN BIOPROSES
Data hasil monitoring bioproses antara lain digunakan untuk: 1. FAULT ANALYSIS
2. PROCESS MODELING
3. STATE ESTIMATION
FAULT ANALYSIS
PEMODELAN BIOPROSES
Model secara umum adalah hubungan matematika dari variabel2 proses.
PENDUGAAN KONDISI
PROSES
Terkadang ada beberapa variabel yang tidak dapat diukur secara langsung pada bioproses maka diperlukan estimasi.
Often, considerable delays are involved in off-line measurement of important variables such as biomass, substrate and product concentrations. Such delays make effective control of the reactor difcult if control action is dependent on the value of these parameters, but must be undertaken more quickly than off-line analysis allows. One approach to this problem is to use available on-line measurements in conjunction with mathematical models of the process to estimate unknown variables.
