Sistem pengendalian proses ada empat kelompok peubah: (1) Peubah yang dikontrol

Penyebab Keterlambatan

Pengendalian Bioproses :

1. Bioproses j auh lebih kompleks

2. Kesulit an unt uk mengembangkan model yang realist is

3/ . Pengukuran paramet er kunci biokimiawi dan

Sist em pengendalian proses ada empat

kelompok peubah:

(1) Peubah yang dikont rol

(2) Peubah gangguan

(3) Peubah yang dimanipulasi dan,

Tuj uan pengendalian proses (Bioproses)

adalah memanipulasi peubah

peubah didalam sist em

pengendalian proses.

Manipulasi it u unt uk :

(1) Mencapai keluaran pada suat u t et apan nilai yang diinginkan

(2) Menst abilkan proses proses yang t idak

st abil at au berpot ensi t idak st abil, sepert i operasi sinambung (masalah st abilisasi)

(3) Mengopt imasi kinerj a yang t elah

didef inisikan oleh pengukuran pengukuran sepert i rendemen, produkt ivit as, at au

Berbagai masalah dapat dihubungkan dengan rancang bangunsuat u sist em pengendalian bioproses.

(1) Apa t uj uan pengendalian ?

(2) Apa yang harus diukur dalam pengendalian? (3) Apa yang harus dimanipulasi?

(4) Mana peubah peubah pengendali yang harus dipasangkan dengan keluaran yang diukur?

(5) Bagaimana seharusnya pengont rol, khususnya paramet er paramet er pengont rol PID (Proport ion Int egral

Dif f erent ial), diukur?

2

Intrumentasidan sensor untuk

pemantauan dan pengendalian

bioproses

1. Sensor sensor mikrobial

a. Sensor BOD

b. Sensor etanol

c. Sensor asam asetat

2. Sensor sensor lain unt uk bioproses

a. Rot amet er (f low met er) dan t hermal mass f low met er b. Sensor pengukur panas

c. Sensor pengendali busa d. Sensor pengendali pH

Elemen – elemen dasar dari teknologi pengukuran dan

pengendalian yang diterapkan pada suatu bioreaktor baku

yang terdiri dari peubah peubah yang diketahui dengan dengan

baik dari rekayasa proses klasik . Misalnya,

- Suhu dalam cairan (T

_I

) dan jaket ganda (T

_DJ

)

- Tekanan didalam ruang hampa reaktor (P

_G

)

- Laju alir volume gas pada kondisi normal (F

_GnE

)

- Kecepatan pengadukan (N

_st

)

- Aliran motor (I

_st

)

- Konsumsi energi motor (P

_st

)

Pemilihan Reaktor

Proses skala besar

→

reakt or sinambung, mempunyai kapasit as lebih besar

Proses dengan volume lebih kecil, t ahapan operasi yang kompleks, dan wakt u penanganan sangat lama

→

reakt or curah.

Proses sinambung

→

reakt or pipa

→

koil panj ang, ikat an pipa -pipa sej aj ar, t angki at au bej ana t eraduk, menara kosong, berkemas at au berbaf f le unggun, at au

mempunyai baf f l e.

Reaksi f asa t unggal dengan wakt u lama

→

kumparan (coi l )

Reaktor Katalitik

Digunakan indust ri kimia organik dan bioindust ri (biokat alis: enzim)

→

t ipe unggun t et ap at au diam.

Part ikel kat alis berada dalam keadaan t erimobilisasi dalam bent uk unggun dan gas/ cairan pereaksi mengalir melalui unggun kat alis t ersebut .

Unggun kat alis imobil dapat dipilah unt uk j enis pipa dan t angki. Dua kelemahan reakt or dengan pencampuran (RTI) adalah :

1. Unt uk t ingkat konversi t ert ent u, j umlah kat alis dan ukuran reakt or yang diperlukan lebih besar ket imbang reakt or pipa ideal (RPI).

Pada reakt or kat alit ik dengan t ipe unggun-t et ap umumnya lebih banyak digunakan sist em pipa. Kelemahannya :

1. Sangat sulit unt uk diopersikan pada proses dengan perpindahan panas dari at au ke dalam unggun kat alis dengan kecepat an yang khusus unt uk mencegah

perbedaan suhu dalam unggun at au pelet kat alis.

2. Bila laj u dif usi melalui pori-pori pelet kat alis rendah dibandingkan laj u reaksi, maka t idak mungkin unt uk menggunakan luasan kat alis.

3. Pada regenerasi kat alis secara berkala, biaya

Contoh soal 1.

Dalam reaksi : A + B

→

R + S adalah reaksi f asa gas t erj adi dengan kat alis suat u padat an, dengan persamaan laj u :

r = k₁P_AP_B

1 + k₂ P_A + k₃ PR

Bila reaksi t ersebut di at as dilakukan dalam suat u reakt or unggun pipa t et ap, dan beroperasi secara isot ermal, pada suhu 540 o_{C, berapa kat alis yang diperukan unt uk t ingkat}

konversi 95 %, dengan menggunakan nisbah umpan dan t ak ada daur ulang. Laj u produksi adalah 1000 R per j am.

Penyelesaian :

Masalah sepert i t ersebut diat as, dipecahkan dengan t at a cara sebagai berikut :

1. Tent ukan nilai-nilai t et apan laj u reaksi k1, k2, k3 pada suhu reaksi

2. Tent ukan PA dan PB unt uk berbagai nilai x (konversi) dari 0-0. 95, dengan menggunakan neraca bahan.

3. Hit ung nilai nilai reaksi pada set iap harga x 4. Hubungkan 1/ r t erhadap x

5. Tent ukan luasan daerah dibawah kurva 1/ r vs x dari x=0 sampai dengan x=0. 95 (t ingkat konversi)

Bahan Konstruksi untuk Reaktor

1. Logam at au campuran :

Mi l d st eel , Low al l oys st eel , Cast i r on, St ai nl ess st eel , Ni , Monel , Cu, Br ass, Al , Dur al , Pb, Ti

2. Plast ik :

Ter mopl ast i k (PVC, PE), t er moset t i ng (pol i est er, epoxy-r esi n)

3. Karet :

Kar et al ami at au si nt et i k (hi pal on, vi t on)

4. Keramik :

Sifat mekanik yang penting untuk bahan reaktor meliputi :

1. St r engt h - t ensi l e st r engt h (daya t arik)

2. St i f f ness - Modul us elast is (elast isit as)

3. Toughness

4. Har dness (kekerasan)

5. Pengaruh suhu (t inggi/ rendah) 6. Ket ahanan t erhadap keausan

7. Persyarat an khusus : kondukt ivit as t ermal, ket ahanan elekt ris, sif at magnet ik

8. Mudah pengerj aannya : pembent ukan, penyambungan,

cast i ng

9. Tersedia dalam j enis baku : lembaran, penghubung/ sambungan, t abung.

Sif at mekanik pent ing logam dan campuran

Low alloys st eel Cast iron

St ainless st eel

Sif at umum unt uk pengerj aan logam dan campuran ( Al l oys )

Machining Kerj a panas

Low alloys st eel

Cast iron

St ainless st eel

Dalam pemilihan bahan unt uk pengerj aan reakt or, f akt or biaya perlu diperhat ikan.

Secara nisbi (relat if ) nilai biaya berbagai j enis logam dan paduan adalah sebagai berikut :

Car bon st eel 1

Al -al l oys (Mg) 4

St ai nl ess st eel 5

Incomel 12

Br ass 10-15

Al 18

Monel 19

Cu 27

Peningkatan Skala

(Scale-up)

Reaktor

Peningkat an skala : perancangan dan penyusunan sist em yang lebih besar (prot ot ipe)

berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan model yang berukuran lebih kecil.

Tiga f enomena pent ing :

1. Fenomena t ermodinamik (t idak t ergant ung pada skala)

2. Fenomena kinet ika mikro

(t idak t ergant ung pada skala) 3. Fenomena perpindahan

Proses perpindahan dalam reakt or t erj adi menurut dua mekanisme perpindahan :

1. Pengaliran (konveksi) 2. Dif usi (konduksi)

Fenomena yang berkait an erat dengan pengaliran dan dif usi :

1. Gaya geser (shear) 2. Pencampuran

3. Perpindahan massa (Kla) 4. Perpindahan panas

5. Kinet ika makro (suat u bent uk kinet ika nyat a dari

Perancangan Bioreaktor

Kekompleksan bioreakt or dibanding reakt or kimiawi t erj adi karena sif at dan ciri mikroba, sepert i pert umbuhan, penyesuaian, peluruhan, dan kepekaan t erhadap gaya geser.

Secara t eori perancangan suat u bioreakt or dapat dilakukan dengan t ahapan :

1. Perilaku galur t erpilih (kinet ika pert umbuhan dan pembent ukan produk) dit et apkan pada beragam

keadaan lingkungan ant ara lain konsent rasi unsur hara, oksigen, dan gaya geser.

2. Berdasarkan hasil it u dipilih kondisi opt imal unt uk pert umbuhan dan pembent ukan produk.

Namun t idak selalu t at acara t ersebut berhasil dengan mulus, karena :

1. Unt uk menet apkan kinet ika secara rinci diperlukan

percobaan cukup banyak dan berulang-ulang (ekst ensif ) 2. Pemecahan persamaan neraca-mikro unt uk "semua

kasus" pada kondisi alir dan geomet rik sederhana dalam prakt ik adalah t idak mungkin.

3. Kondisi lingkungan opt imal acapkali merupakan nilai peubah operasional

yang saling bergant ungan (sebagai

cont oh adanya gaya geser menyebabkan nilai P/ V t inggi unt uk perpindahan

Skala Penuh

Reakt or skala penuh (yang ada/ rancangan

awal)

Simulasi pada skala kecil Kondisi lingkungan

Pemilihan galur opt imasi kondisi

lingkungan

Tat a cara pengecilan skala (Kossen dan Oost erhius, 1985)

Teknik lain dalam perancangan bioreakt or

→

t eknik

Met oda unt uk meningkat kan skala reakt or, yait u : 1. Met oda dasar (pemecahan neraca mikro unt uk

perpindahan moment um, massa, dan panas) 2. Met oda semi-dasar (pemecahan neraca

disederhanakan)

3. Analisis dimensional (t ermasuk analisis r egi me) 4. Kaidah ibu j ari (r ul es of t humb)

1. Metoda Dasar

Met oda dasar digunakan unt uk sist em yang paling sederhana. Sif at :

1) Kondisi aliran j elas (misal aliran laminar)

2) Tidak ada aliran (cont oh dif usi nut rien pada pelapisan mikroba yang diam).

Dalam met oda dasar, neraca mikro digunakan unt uk perpindahan moment um, massa, dan panas.

Jika neraca mikro digunakan dalam perancangan reakt or, maka t erdapat sej umlah kesulit an :

1) Bila neraca dit erapkan unt uk bej ana

berpengaduk, maka harus menggunakan komponen perpindahan dalam t iga arah dengan

2) Neraca bersif at ganda. Art inya pemecahan neraca moment um menghasilkan komponen alir yang

harus digunakan dalam neraca massa dan panas 3) Neraca moment um umumnya digunakan unt uk zat

alir serba sama (homogen) yang sangat t idak realist ik unt uk cairan f erment asi aerob.

Penerapan pent ing neraca mikro adalah pada sist em imobilisasi mikroba. Bila perilaku lapisan t ipis

2. Metoda Semi-Dasar

Met oda ini didasarkan pada penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan. Tiga model aliran yang banyak digunakan adalah :

1) Aliran pist on (pl ug f l ow)

2) Aliran pist on dengan dispersi

3. Analisis Dimensional (AD)

Met oda analisis dimensional merupakan t eknik yang menggunakan bilangan nirmat ra (t idak berdimensi) sebagai paramet er dalam perancangan reakt or.

Beberapa pembat asan met oda analisis dimensional :

1) Kadang-kadang t i dak mungki n memper t ahankan semua gugus t i dak ber di mensi t et ap sel ama peni ngkat an skal a, sehi ngga suat u gugus menent ukan gugus yang pal i ng pent i ng dan mengabai kan yang l ai n (anal i si s r egi m).

2) Pener apan AD kadang-kadang membawa keadaan yang secar a t ekni k t i dak r eal i st i k (ant ar a l ai n penggunaan t enaga dan kecepat an pengaduk sangat t i nggi )

3) Beber apa si st em ber si f at ot onom. Mi sal nya ukur an gel embung

dal am si st em koal esensi adal ah t ak ber gayut t er hadap ukur an dan kondi si pr oses sehi ngga t i dak sesuai dengan pr i nsi p dasar AD

(kesamaan geomet r i k).

Bila pada keadaan awal neraca moment um, massa, panas, dan bat as (boundar y) nya dit ulis dalam bent uk nirmat ra (t idak berdimensi), maka sej umlah bilangan nirmat ra akan muncul dengan sendirinya.

Dipilah menurut kelompok :

1) Paramet er geomet ri (D, H, dp)

2) Sif at zat alir/ padat an/ gas (

ρ

,

η

,

σ

) 3) Peubah proses ( N, P, v)

Bilangan nirmat ra (t ak berdimensi) yang dapat digunakan unt uk kaj ian peningkat an skala reakt or (lanj ut an)

Catatan :

4. Kaidah Ibu Jari

Einsele (1978) menemukan sej umlah kaidah peningkat an skala yang digunakan oleh beberapa indust ri f erment asi di Eropa yang merupakan penerapan dari kaidah ibu j ari (Tabel 2).

Pat okan it u berhubungan dan mengacu pada

perpindahan oksigen (p_o2 adalah f ungsi dari K_la yang merupakan f ungsi dari P/ V ).

5. Coba-coba (t r i al and er r or )

Coba-coba pada perkembangan kebudayaan manusia merupakan met ode unt uk meningkat kan

proses.

Saat ini met oda coba-coba masih banyak digunakan dalam

opt imasi proses.

Suat u pilot -plant yang baik adalah "pabrik yang diperkecil" bukan "peningkat an percobaan

Beberapa aspek produksi yang diperlukan dalam perancangan pabrik skala penuh ant ara lain :

1. Ef ek j angka panj ang (korosi, akumulasi selama

pendaurulangan, dan lain-lain) dari bahan reakt or yang digunakan

2. Pengendalian proses 3. Produksi bat ch

Persamaa Unt uk paramet er

Analisis

Contoh Soal 2.

Dalam rangka unt uk pendayagunaan hasil pert anian, oleh suat u t im di lakukan kaj ian pengembangan proses produksi vanilin dari bahan baku eugenol (yang t erlebih dahulu diekst rak dari minyak Daun

Cengkeh).

Proses yang dipilih : Isomerasi eugenol menj adi iso-eugenol yang dilakukan dalam suat u bej ana, pada suhu 160ºC dengan

penambahan larut an KOH (10%).

Isoeugenol yang t erbent uk dioksidasi dengan bant uan suat u

oksidat or, yakni Not robenzena (C6H5N02) dan t erbent uk Vanilin t ercampur dalam larut an alkalis.

Penambahan asam khlorida akan mengendapkan Vanilin t ersebut yang selanj ut nya dapat dipisahkan.

OH

OCH3

KOH

CH2CH=CH2

OH

OCH3

CH=CHCH3

C6H5NO2

OH

OCH3

CHO

Reaksi :

1. Berdasarkan inf ormasi awal t ersebut , susunlah suat u diagram alir yang j uga menggambarkan peralat an yang diperlukan (nant inya).

2. Kaj ian oksidasi isoeugenol menj adi Vanilin, dilakukan secara

curah/ bat ch unt uk menget ahui pola at au kinerj a reaksi oksidasi t ersebut . Konsent rasi isoeugenol : 15M, konsent rasi Nit robenzena : 10M. Pemant auan hasil reaksi produksi (Vanilin) diperoleh hasil sbb :

Waktu

3. Apabila reaksi oksidasi t ersebut kemudian akan dit erapkan dalam proses produksi, dan Anda dimint a unt uk memilih j enis reakt or yang akan digunakan, mana yang menurut anda paling ekonomis :

( Proses akan dilakukan secara kont inyu ) - Reakt or Tangki Ideal (RTI)

- Reakt or Pipa Ideal (RPI)

4. Pada evaluasi lebih lanj ut , akan dipilih reakt or pist on sebagai wahana reaksi pembuat an Vanilin dan unt uk it u dilakukan

pengaj ian t ent ang kemungkinan skala unt uk skala 'pilot plant ' maupun unt uk t uj uan/ skala indust ri.

Percobaan dilaborat orium dikerj akan pada reakt or dengan ukuran :

- Diamet er (d¡) : 5 cm dan panj ang (1) : 50 cm - Sif at larut an yang t erukur ant ara lain :

densit as (p) : 1000 kg/ m³ Kecepat an alir (U) : 160 cm/ menit

Viskosit as μ : 20 cp (0. 020 N det ik/ m² )

- Reakt or t ersebut mampu bekerj a pada perolehan 0. 5 kg produk/ l larut an / menit .

Beberapa hubungan/ rumus ant ara lain disediakan berikut (Kalau dipandang perlu Anda boleh menggunakan

rumus/ hubungan lain) :

JH=C/ (Uld¡) 0. 675

(I2/ d¡2) C2/ (U¡2d¡2) 0. 675 = ( I¡/ d¡)CI / C(U¡Id¡I)0. 675 C2(U¡2/ U¡I)0. 325=CI(d¡2/ d¡I)1. 675

JH: f akt or perpindahan massa C: t et apan t ak berdimensi.

Hubungan ant ara C dan panj ang pipa

Penyelesaian :

1. Penyusunan diagram alir proses, dari bahan dasar eugenol menj adi vanilin

2. Reaksi :

isoeugenol + nit robenzenza vanilin + et ilnit robenzena A + B P + R

Laj u reaksi pembent ukan vanilin, rp = dcp = - rA=dCt dt dt

-rA=kCA. CB k dit et apkan dengan memplot :

1 ln CAo (CAo-CP) . vs kt . CAo-CBo CAo(CAo-CP)

∞

Banyaknya B yang digunakan unt uk pembent ukan P j uga 24 M Jadi CB= 25-24=1M

b. RPI :

Int egrasi menghasilkan :

- kC_B . V = In C_A/ C_Ao V = 1 In C_A/ C_Ao Q Q -k C_B

Z = 1 In 6/ 30 (-0. 023) (1)

Z = 70 Menit = 1. 2 j am

Berdasarkan t ersebut akan lebih ekonomis dipih reakt or j enis RPI yang = 2. 5 kali lebih cepat .

Lihat Komponen A :

QC_Av - r_A dV = Q C_Av + QdC_A - KC_A. C_B dV = QdC_A

4. Penggandaan skala :

- Ukuran/ reakt or laborat orium : di1 = 5 cm = li1 = 50 cm (0. 5m)

" Scale Up " : di2 = 5 cm li2 = 500 cm (5m) Jadi digandakan : 10 kali

- Kapasit as produksi : 0. 5 kg produk/ menit Kapasit as produksi ” Sacle up” :

300 kg produk/ j am at au 5 kg/ menit

C2 (Ui2/ Ui1) 0. 325 = C1 (di2/ di1) 1. 675

di1 = di2 =5cm → C1=C2 (Ui2/ Ui1) 0. 325

C2 dicari dari kurva unt uk I2 = 5M τ C = 0. 335

C1 = 0. 335 (10. Ui2/ Ui1 ) 0. 325 = (0. 335)(2. 113)=0. 708

Berdasakan kurva unt uk li = 0. 5 τ C1 = 065-068

T

E

R

IM

A

K

A

S