Sekolah Pasca Sarjana IPB
Pendayagunaan katalis hayati (sel: mikroba,
tanaman, hewan,organel, enzim) secara teknologi
untuk industri dan jasa
Berdasarkan Tipe Agen Biologis :
¾ Bioreaktor mikrobial ¾ Bioreaktor enzim ¾ Bioreaktor sel
tanaman
¾ Bioreaktor sel hewan
Berdasarkan Kebutuhan Proses :
¾ Aerobik : terendam & permukaan
¾ anaerobik
Berdasarkan Metode Aerasi :
¾ Biakan diam ¾ Labu kocok ¾ Bioreaktor
berpengaduk (STR) ¾ Bioreaktor kolom
gelembung/bubble column
¾ Menara udara/Air lift ¾ Unggun
ª PENDAHULUAN : lingkup rekabio, rekayasa dalam bioproses, pemahaman rekayasa untuk transfer biosintesis selular ke skala industri, pemilihan proses dan bioreaktor (DM)
ª DASAR BIOPROSES : dasar pemodelan: terstruktur &
takterstruktur, perpindahan massa, perancangan bioreaktor (DM)
ª KINETIKA BIOPROSES ; enzimatik, mikrobial (stoikiometri,
kinetika pertumbuhan, konsumsi substrat, produksi metabolit, yield) (AS,KS)
ª PERANCANGAN BIOREAKTOR : batch, continuous, fedbatch,
multistages, recycling, high density, membrane (enzim, sel mikroba, tanaman, hewan) (DM)
ª PROSES HILIR : prinsip pemanenan, pemisahan & pemurnian produk (KS)
ª KONTROL & INSTRUMENTASI : sistem & dasar pengendalian, otomasi, penerapan (AS)
ª Aiba S,Humphrey,AE & Millis,NF.1973.Biochemical
Engineering.2nd ed. University of Tokyo Press.Tokyo
ª Brauer H (ed) 1983. Biotechnology, vol 2 : Fundamental of
Biochemical Engineering,VCH. Weinhein
ª Bu’Lock J & Kristiansen B.1987. Basic Biotechnology.
Academic Press. London
ª Rehm,HJ & Reed (eds). 1993. Biotechnology, vol 3.
Bioprocessing. Second, completely revisi edit.VCH. Weinhein
ª Van’t Riet, K & Tamper, J. 1991. Basic Bioreactor Design.
Marcell Dekker Inc, New York
ª Mangunwidjaja, D & Suryani A. 1994. Teknologi Bioproses.
ª
Bejana harus dapat dioperasikan secara aseptik
ª
Aerasi dan agitasi memadai untuk pertumbuhan
mikroba aerob
ª
Konsumsi tenaga dan daya listrik sekecil mungkin
ª
Mempunyai sistem pengontrol suhu dan pH
ª
Mempunyai sarana untuk pengambilan contoh
ª
Evaporasi tidak berlebihan
ª
Peralatan harus praktis dan membutuhkan tenaga
kerja sedikit
ª
Permukaan bagian dalam bioreaktor licin
ª
Geometri bioreaktor skala kecil, pilot plant dan
ª
Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi
⇒
aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui
permukaan kultur
ª
Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana suplai
oksigen tidak terlalu penting
ª
Jenisnya :
a. T-Flasks
ª
Digunakan pada kultur sel hewan
skala kecil
ª
Inkubasi dilakukan secara
horizontal untuk memperluas
permukaan
ª
Contoh : teh Kombucha (teh yang
ª
Penggunaannya tidak terbatas di laboratorium
ª
Contoh : pembuatan asam sitrat oleh
Aspergillus niger
ª
Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil
ª
OTR (
oxygen transfer rate
) lebih tinggi dibanding pada
kultur diam
ª
Keterbatasan transfer okeigen masih tidak dapat
dihindari apabila menginginkan densitas sel yang tinggi
ª Bioreaktor skala laboratorium dengan volume kurang dari
10 L terbuat dari gelas Pyrex
ª Bioreaktor yang lebih besar terbuat dari
stainless stell
ª Bentuk geometri hampir silindris atau
mempunyai bentuk dasar melengkung untuk membantu pencampuran (
mixing
) isi bioreaktor.ª Mempunyai konstruksi berukuran
(dimensi) standar (e.g.
International
Standards Organization
danBritish
Standards Institution
) yangmemperhitungkan keefektifan
pencampuran dan konsiderasi struktur.
Keterangan :
Da : Diameter impeller (agitator); Dt : diameter tangki; Db : Diameter baffle HL : Tinggi cairan dalam bioreaktor; Ht : Tinggi bioreaktor L : Lebar bilah Impeller;
Secara mekanis bioreaktor dilengkapi dengan : sparger dan turbin Rushton, mempunyai dimensi :
Nisbah (Ratio) Nilai Catatan
Tinggi cairan dalam bioreaktor thd tinggi bioreaktor
HL/H
t
~0.7-0.8 Tergantung dari banyaknya busa yang diproduksi selama kultivasi
tinggi bioreaktor thd diameter tangki Ht/Dt ~1 - 2 Reaktor Eropa cenderung lbh tinggi dr pd disain USA Diameter impeller thd diameter tangki Da/D
t
1/3 - 1/2 Rushton Turbine reactors biasanya 1/3 dr diameter tangki. Axial flow impeller lebih besar.
Diameter baffle thd diameter tangki Db/D
t
~0.0.08 - 0.1
Tinggi bilah Impeller thd diameter impeller W/D
a
0.2
Lebar bilah Impeller thd diameter impeller L/Da 0.25 Jarak antara pertengahan bilah impeller dgn
tinggi bilah impeller
E/W 1
Volume Headspace
ª Suatu bioreaktor terbagi menjadi : volume kerja (working volume) dan volume
head-space
.ª Volume kerja : fraksi volume total yang dipakai media, mikroba dan gelembung gas Î volume yg tersisa = “head-space”.
ª Umumnya volume kerja : 70-80 % volume bioreaktor, tergantung busa yang terbentuk
á
Sistem agitasi
á
Sistem pemasokan oksigen
á
Sistem Pengendalian Busa
á
Sistem Pengendalian Suhu
á
Sistem Pengendalian pH
á
Lubang (port) pengambilan sampel
á
Sistem Pembersihan dan Sterilisasi
Fungsi sistem agitasi :
ª
Agar
pencampuran
merata
Î
meningkatkan
laju
perpindahan massa menembus film pembatas cairan dan
gelembung udara
ª
Memberikan
kondisi
"shear"
yang
dibutuhkan
untuk
memecah gelembung udara
Î
luas permukaan pindah massa
lebih besar
ª
Sistem agitasi terdiri dari : agitator dan baffle.
Baffle digunakan untuk memecah aliran cairan dalam rangka
meningkatkan turbulensi dan efisiensi pencampuran.
Jumlah impeller tergantung dari tinggi cairan dalam bioreaktor
Î
Tiap impeller terdiri dari 2 - 6 bilah (blade).
Kebanyakan kultivasi mikroba menggunakan
Rushton turbine
Terdiri dari :
ª
Kompressor yang menekan udara masuk ke dalam
bioreaktor
ª
Sistem sterilisasi udara masuk (inlet)
ª
Sparger udara
) Sterilisasi udara masuk Î mencegah kontaminasi mikroba dari
udara yang masuk ke dalam bioreaktor
) Sterilisasi pada udara keluar Î mencegah kontaminasi udara
terhadap mikroba dari dalam bioreaktor
Metode umum untuk sterilisasi adalah
filtrasi
:
) Bioreaktor kecil (volume kurang dari 5 L) menggunakan
membran Teflon berbentuk cakram (disk).
) Bioreaktor laboratorium skala besar (sampai 1000 L), digunakan
"pleated membrane filter" yang dilekatkan pada “polypropylene
cartridges” Î luas permukaan untuk filtrasi udara lebih besar,
Pada bioreaktor skala kecil , sistem pengeluaran udara
dilengkapi dengan condenser
:
¾
Condensor merupakan alat penukar panas sederhana yang
dilalui oleh air dingin.
¾
Bahan volatil dan uap air mengembun di bagian dalam
permukaan condenser
Î
meminimumkan evaporasi air dan
kehilangan bahan volatile.
Berfungsi untuk memecah udara yang masuk menjadi
Laju Alir Udara :
Î
Dinyatakan dalam volume udara per volume media
ª
Pada bioreaktor yang menggunakan sparger, diperlukan
pengendali busa
ª
Busa yangberlebihan akan menyebabkan penyumbatan
pada filter udara keluar dan terbentuk tekanan di
dalam bioreaktor
Î
menyebabkan kehilangan media
dankerusakan bioreaktor
ª
Busa dikendalikan dengan penambahan
senyawa anti
busa
(silikon atau minyak nabati)
ª
Penambahan senyawa anti busa yang berlebihan dapat
Faktor yang menyebabkan pembentukan busa :
)
Media fermentasi kaya protein (e.g whey powder dan corn
steep liquor)
)
Produk yang dihasilkan selama fermentasi (senyawa mirip
deterjen : protein & lemak)
)
Laju alir udara dan kecepatan agitasi
Î
semakin besar
kecepatan agitasi & laju aerasi meningkatkan pembentukan
busa
- Volume “
head space
”
Î
semakin besar volume head-space,
semakin besar kecenderungan busa untuk pecah karena
bobotnya sendiri
Terdiri dari :
ª
temperature probes
ª
heat transfer system :
-
jacket
-
coil
(efisiensi lebih baik tapi sulit dibersihan dan
Terdiri dari : pH-probe, sistem pemberian alkali dan sistem pemberian asam
) Basa/asam yang digunakan jangan yang korosif atau toksik terhadap
sel mikroba.
) KOH lebih baik, namun lebih mahal dibandingkan NaOH. ) Pada bioreaktor skala kecil sering digunakan NaCO3. ) HCl sebaiknya tidak digunakan karena sangat korosif.
Disain dan Operasi Agitator
Agitator diklasifikasikan mempunyai karakteristik radial dan axial
Aliran radial
Î aliran cairan mengikuti jari-jari tangki bioreaktor ª Meningkatkan kontak udara dan cairan kultivasi ª Digunakan untuk kultur bakteri aerobik.
ª Gaya geser lebih besar yang efektif untuk memecah gelembung udara,
tapi kurang efisien & membutuhkan input energi lebih besar.
ª Menggunakan dua atau lebih bilah impeller yang dipasang secara
A Rushton turbine is often referred to as a disk turbine.
Agitator
yang paling sering digunakan untuk kultivasi
Aliran axial
Î aliran cairan searah sumbu tangki bioreaktor
ª Lebih lemah, tapi pencampuran efisien dan digunakan untuk
sel mikroba yang sensitif terhadap gaya geser Î lebih efektif mengangkat padatan dari dasar tangki.
ª Impeler aliran axial digunakan untuk proses yang sensitif
terhadap gaya geser, seperti kultur sel hewan
Contoh impeller : "marine impeller" dan "hydrofoil impeller".
Impeller Intermig
ª Menggunakan 2 impeller.
Bubble Driven Bioreactor
(
Bubble column
dan
airlift
)
ª
Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap shear
(
kapang & sel tanaman
)
ª
Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STR
ª
Perbedaan bioreaktor bubble column dan airlift
•
bioreaktor airlift memiliki
draft tube
yang menyebabkan
peningkatan efisiensi pindah panas dan pindah massa
•
bioreaktor airlift mampu memberikan kondisi shear
yang lebih
merata
•
konstruksi bioreaktor airlift lebih mahal
• membutuhkan energi yang lebih besar
• pembentukan busa lebih banyak
• untuk kultur sel hewan dpt terjadinya kerusakan sel
Contoh Aplikasi :
)
Gum Xanthan
)
PST dgn substrat Metanol
Fluidized Bed Reactors
ª Merupakan salah satu metoda untuk memelihara konsentrasi sel
yang tinggi dan laju transfer massa yang baik
ª Dalam reaktor ini, sel atau enzim imobil
ª Pencampuran dibantu dengan pompa, yang ditempatkan pada bagian
dasar tangki sehingga katalis yang telah diimobilisasi bergerak bersama cairan
ª Pada sistem kultivasi aerobik, aerasi diperlukan untuk meningkatkan
OTR (
Oxygen Transfer Rate
)ª Biasanya digunakan dalam pengolahan limbah
Contoh Aplikasi :
Bioreaktor STR untuk produksi Biosurfaktan secara Batch (Substrat molase/tetes tebu)
* Bioreaktor
•Contoh STR untuk proses enzimatis secara sinambung
* Bioreaktor Plug
Flow
* Bioreaktor Menara (Tower Fermenter)
Contoh aplikasi :
Produksi Cuka (asam asetat) Produksi Protein Sel Tunggal (PST)
Bioreaktor Produksi MSG
