Pengendalian Bioproses

Your logo

Pengendalian Bioproses

Sistem pengendalian dalam proses kimia, fisika dalam bioproses

Bioprocess Engineering Control - Spring 2013/2014

Dina Wahyu Indriani

Keteknikan Pertanian- April 2013

à Page 2

Materi Kuliah

No Materi Waktu

1 Memahami dasar teknik pengukuran dan

pengendalian bioproses Pengantar

2 Memahami karakteristik bioreaktor dan variabel pengukuran

-Bioreaktor

- Bagian-bagian variabel yang diukur 3 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik Pengukuran variabel

lingkungan fisik 4 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik (2) Pengkuran variabel

lingkungan fisik (2) 5 Memahami pengkuran variabel lingkungan kimia Pegukuran variabel

lingkugan kimia

6 Memahami pengukuran variabel lingkungan kimia (2) Pengukuran variabel lingkungan kimia (2) 7 Memahami Penguluran Cell mass

Materi Kuliah

No Materi Submateri Waktu

8 Mengetahui pengendalian bioproses dalam berbagai macam aplikasi/ penelitian

Contoh-contoh pengendalian

dalam Bioproses April (3) 9 Sistem Pengendalian konsentrasi pada

bioreaktor fermentasi (2)

Konsep Pengendalian pada

sistem fermentasi April (4) 10 Sistem pengendalian pada bioreaktor pada

berbagai tipe bioreaktor

Pemodelan pengendalian pada

Bioreaktor fermentasi May (1) 11 Resume dan Persiapan Presentasi

Contoh aplikasi pengendalian konsentrasi, suhu dan pH dalam penelitian

May (2) 12 Sistem Pengendalian Chemical Compund,

Multistage Chemostat Systems.

Sistem pengendalian dalam

mengetahui jumlah bakteri , Total Organic Compund, dalam

bioreaktor fermentasi

May (3) 13 Sistem Pengendalian dalam aliran (Group

Presentation)

Pengendalian aliran dalam

bioreaktor fermentasi May (4) 14 Presentasi Paper (Group Presentation) May (5)

Ketentuan Penulisan dan Penilaian Resume Paper

à Page 4

Dasar Penulisan Resume Paper (10%)

1. Paper yang di resume minimal 2 paper yang saling berhubungan 2. Koordinasikan agar paper yang dibahas tidak sama satu mahasiswa

dengan mahasiswa yang lainnya

3. Penulisan resume minimal dalam 2 halaman 4. Pembahasan tentang resume paper meliputi

a. Hubungan dengan pengendalian bioproses b. Model pengendalian yang di gunakan

c. Kemutakhiran informasi pengendalian yang di peroleh d. Ide gagasan setelah membaca paper

5. Pengumpulan resume setelah pertemuan ke- 3 kuliah

6. Buat kelompok terdiri dari 6 orang untuk mempresentasikan paper yang terpilih

Review Materi

Mahasiswa mempunyai kemampuan menterjemahkan dan memahami teknologi pengukuran, pengukuran variabel dan lingkungan fisik, pengukuran variabel pada lingkungan kimia, pengukuran Cell Mass, Pengendalian Loop terbuka, pengendalian Loop tertutup, konsep pengendalian fuzzy pada variabel

biorposes, model Fuzzy mamdani, Model Fuzzy Sugeno, Model Fuzzy Tsukamoto, Aplikasi Fuzzy pada pengendalian bioproses

Tujuan Kuliah Pengendalian Bioproses

„ Konsep pengendalian secara lebih lanjut dengan berbagai jenis model dan tipe pengendalian.

„ Penguatan dasar pengendalian pada bioproses „ Aplikasi pengendalian pada bioproses

„ Pemecahan masalah pengendalian bioproses

Materi yang disampaikan setelah UTS

à Page 6

Studi Kasus Pengendalian Bioproses dalam Penelitian

1. Alur pengendalian

2. Konsep pengendalian yang diharapkan 3. Perumusan metode yang akan digunakan 4. Metode pengendalian yang digunakan 5. Jenis Pengendalian yang digunakan 6. Hasil pengendalian

Ketentuan dalam pengendalian Bioproses

Dasar Pengendalian dalam Bioproses

• Kemudahan dalam mendapatkan performansi sistem dinamik • Mempertinggi kualitas

• Menurunkan biaya produksi • Meningkatkan laju produksi

• Meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin yang membosankan

Design Fermentator Reactor

- Batch

- Fed batch

- Continus operation What mode of operation

Dasar Pengendalian dalam Bioproses

• Stirred tank reactor, • Airlift

• Plug flow reactor

What reactor? What mode of operation

• Substrate concentration • Residence times

• pH

• Temperature • ...

à Page 8

Control Structure Design

pH, DO₂, T, rpm x,s, p

Personal Computer (PC)

Optimal T, pH, DO₂,

T, rpm Optimal trajectory of T, pH, DO, F

Controller parameters

Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi

Flow Diagram of Fermentation Process

Data Acquisition Data Acquisition Model Estimation Model Estimation Optimal Control Problem Optimal Control Problem Calculation of Controller Parameters Calculation of Controller Parameters Local Controller

Local Controller Fermentation Process Fermentation Process Sensors for Physiochemical variables Sensors for Physiochemical variables Lab Lab

The fed-batch fermentation process characteristics

Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi

• To use simple model, convenient for calculations in real time,

• To use simple methods for modelling and control, which do not require • complex calculation and more expensive hardware.

• Complex sensors for measurements of biological variables not to be used,

• Control to be based on the available hardware in industry to minimize costs.

• The hardware and software system to be simple and user friendly as possible

• to allow easy dialog with the operator. Bioprocess characteristic

Fed-batch Operation (1/11)

ƒ In fed-batch culture/nutrients are continuously or

semicontinuously fed, while effluent is removed discontinuously (Fig. 1.1).

ƒ Such a system is called a repeated fed-batch culture.

ƒ Consider a batch culture where the concentration of biomass

afa certain time is given by

(1.1)

ƒ The rate of increase in culture volume is

Fed-batch Operation (2/11)

Fed-batch Operation (3/11)

ƒ Integration of eq. 1.2 yields

(1.3)

ƒ The biomass concentration in the vessel at any time t is

(1.4)

ƒ The rate of change in biomass concentration's

(1.5)

ƒ Since dXt_{/dt =µ}

netXt, dV/dt = F, and F/V= D, eq. 1.5 becomes

Fed-batch Operation (4/11)

ƒ When the substrate is totally consumed, S 0 and

X = X_m = S₀Ym x/s.

ƒ Since dX/dt = 0 at quasi-steady state, then

(1.7)

ƒ If maintenance energy can be neglected,

Fed-batch Operation (5/11)

Fed-batch Operation (6/11)

ƒ The balance on the rate- limiting substrate without

maintenance energy is

ƒ Where S’ is the total amount of the rate-limiting substate in

the culture and So is the concentration of substrate in the feed stream

Fed-batch Operation (7/11)

ƒ The Product Yield Coeficient

ƒ The Potential Product output

ƒ The Specific rate of product formation

Fed-batch Operation (8/11)

ƒ In term of Product Concentration

Product Concentration at the end of each cycle is given

The Cycle time is define as

Fed-batch Operation (10/11)

Fed-batch Operation (11/11)

ƒ Contoh Soal

Dalam fed-Batch reactor dengan volume 1000 ml, terdapat penambahan glukosa (initial substrate concentration 100 g

glukosa /l) Kinetic constant of the organism µ_m = 0.3 /h ,

Ks =0.1 g glukosa/L. Initial Biomass concentration 30 g.

Yield coeficient 0.5 g dw cell/g glukosa. Flow Rate 200 ml/h. t= 2 h.

a.Carilah nilai V₀ (initial volume of the culture)

b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam

reaktor pada keadaan steady state

c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada

Fed-batch Operation (11/11)

ƒ Homework

Dalam fed-Batch reactor dengan volume 500 l, Initial culture volume pada steady state glukosa- campuran berisi nutrient yang ditambahkan pada kecepatan aliran 50 l/h. Konsentrasi

glukosa dalam feed solution S₀ = 300 g/l dan initial

concentration X₀ = 20 g/l. Kinetik dan coeficient yield of

organism µ_m = 0.2 h-1 _{, K}

s = 0.5 g/l dan Yx/s = 0.3 g dw /g

glukosa .

a.Carilah nilai V₀ (initial volume of the culture)

b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam

reaktor pada keadaan steady state

c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada

Assignments

Tugas Mingguan

Q1. Which parameters can be used to evaluate performance of your bioprosess system?

Q2. please interpret the meaning of physical and chemical paramater in your selected process

1 sheet, two sides printing

Please submitted the assignments before next week, say 24 April.

à Page 22

Universitas Brawijaya – Malang Join UB be The Best

Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Pengukuran dan pengendalian bioproses merupakan

matakuliah terapan dari Elektronika dan Intrumentasi, Sistem Kontrol, Matetmatika Terapan, Fisika serta Kinia dasar.

Sistem Pengendalian Bioproses lebih difokuskan kepada arahan dan bimbingan kepada mahasiswa yang akan

melakukan pengendalian bioproses dalam penelitian sehingga dasar serta konsep pengendalian yang diajarkan dalam

matakuliah ini teraplikasikan.

Selain itu sistem pengndalian yang terdapat dalam matakuliah ini merupakan sistem pengendalian yang difokuskan kepada bioproses. Sehingga mahasiswa dapat membedakan konsep proses dan

bioproses.

E-Mail: dinawahyu@lecture.ub.ac.id