Packed Bed Bioreactor
Pengaruh aerasi paksa telah dipelajari (Melikoglu et al., 2015) pada produksi glukoamilase dan protease selama fermentasi limbah potongan roti oleh Aspergillus awamori dalam 0,5 dan 1 L PBR. AFR 1,5 vvm (volume udara dalam kondisi standar per volume medium per menit) ditemukan optimal dan model yang menggambarkan pengaruhnya terhadap produksi enzim dikembangkan yang berhasil memprediksi efek buruk AFR di bawah dan di atas 1,5 vvm. Pengamatan serupa dilakukan selama produksi
selulase dari minyak zaitun dan limbah pengolahan anggur dalam kolom kaca. AFR yang tinggi menurunkan produksi selulase, yang disebabkan oleh rendahnya aktivitas air dasar (aW) dan tegangan geser yang tinggi pada Aspergillus uvarum (Salgado et al., 2015). Produksi inulinase
terpengaruh secara negatif pada AFR yang tinggi (Dilipkumar et al., 2014), karena AFR menyebabkan kelembaban turun dan meningkatkan tegangan geser pada jamur. Para peneliti ini menekankan pentingnya IMC limbah kopra, di mana tingkat yang lebih tinggi dari tingkat optimal (60%) menghasilkan aglomerasi substrat dan menipisnya kadar O2, sedangkan tingkat yang rendah menghambat produksi inulinase. Pilihan untuk aerasi paksa juga dapat diatur oleh jenis produk yang bersangkutan. Medeiros dkk. (2001) menggunakan dua AFR yang berbeda untuk menguji produksi senyawa aroma volatil (VAC) dalam PBR selama fermentasi ampas
singkong oleh Kluyveromyces marxianus. Mereka mengamati bahwa AFR spesifik yang lebih rendah (0,06 L h-1 g-1) menghasilkan konsentrasi total VAC yang lebih tinggi daripada AFR tinggi (0,12 L h-1 g-1), meskipun kelembapan alas tetap mendekati optimal untuk keduanya. Produksi yang lebih tinggi disebabkan oleh paparan O2 yang lebih rendah pada ragi, yang menghasilkan konsentrasi etil asetat, etanol, dan asetaldehida yang lebih tinggi.
Masalah umum yang dihadapi dalam PBR yang beraerasi paksa adalah pemadatan substrat tingkat tinggi yang mengakibatkan
penyaluran udara, penurunan tekanan di lapisan dasar dan panas serta heterogenitas massa. Masalah-masalah ini diamati selama produksi Iturin A, agen antijamur, oleh strain Bacillus subtilis (Piedrahita-Aguirre et al., 2014). AFR yang tinggi merangsang produksi asam poli-γ-glutamat yang meningkatkan viskositas unggun, mengurangi aliran udara bebas,
menyebabkan penurunan tekanan yang tinggi dan akibatnya menurunkan tingkat penyerapan oksigen (OUR).
Masalah ini berkaitan dengan produksi pektinase (PG), oleh
Aspergillus niger, dalam PBR skala pilot (200 L) (Pitol et al., 2016). 20 kg dedak gandum (WB) pada suhu 30°C, dan dengan IMC 62% (w/w)
menghasilkan produktivitas PG maksimum (1350 U kg-1 jam-1) yang lebih rendah daripada yang diperoleh dalam bioreaktor kolom skala
laboratorium (1930 U kg-1 jam-1). Penurunan ini disebabkan oleh
pemadatan substrat yang mengakibatkan penyusutan alas di sepanjang dinding bioreaktor yang menyebabkan penyaluran udara dan suhu alas meningkat hingga 37°C. Untuk mengatasi masalah ini, ampas tebu (SB)
digunakan untuk meningkatkan porositas unggun dan memungkinkan distribusi udara lembab yang seragam. 10% dari WB digantikan oleh SB yang menghindari penyaluran udara dan mempertahankan suhu unggun mendekati optimal (30 °C). Namun, hal ini selanjutnya menurunkan produktivitas (810 U kg-1 jam-1) karena lebih sedikit WB yang tersedia untuk fermentasi.
Peningkatan SL (30 kg) kembali menyebabkan pemadatan unggun, peningkatan suhu unggun maksimum (43 °C) dan gradien kelembaban.
Produktivitas meningkat menjadi 1840 U kg-1 jam-1 hanya ketika suhu udara masuk didinginkan hingga 24°C selama puncak pembangkitan panas. Namun, masalah yang berkaitan dengan penyusutan unggun, penumpukan panas, dan heterogenitas masih tetap ada yang
menunjukkan bahwa dalam kondisi operasi tertentu, tingkat SL yang tinggi tidak sesuai. Biz dkk. (2016) membuat terobosan lebih lanjut untuk produksi skala pilot PG, menggunakan Aspergillus oryzae dan
meningkatkan sifat mekanik dari substrat-pendukung yang tidak hanya menghasilkan hasil enzim yang lebih tinggi tetapi juga menghindari masalah yang dihadapi oleh Pitol dkk. Penggunaan bubur jeruk (51,6%
w/w) dan SB (48,4% w/w) sebagai substrat (15,5 kg) menghasilkan hasil pektinase 37 U g-1 yang lebih tinggi dari yang diperoleh oleh Pitol dkk. (20 U g-1). Ini adalah contoh klasik yang menggarisbawahi pentingnya
parameter substrat yang sesuai (misalnya, konduktivitas termal substrat, kepadatan substrat, panas spesifik substrat, ukuran partikel substrat, fraksi kosong) dan parameter kinetik (misalnya, konstanta laju
pertumbuhan spesifik, hasil panas metabolisme, konsentrasi biomassa sel maksimum) yang secara signifikan dapat memengaruhi hasil dan
produktivitas metabolit.
Produksi hidrolase diselidiki selama fermentasi bungkil babassu oleh Aspergillus awamori (Castro et al., 2015). Bungkil babassu kaya akan karbohidrat, yang dikenal dengan induksi dan sekresi kumpulan enzim, dan menunjukkan sifat mekanik yang baik. PBR digunakan untuk
mengatasi keterbatasan peningkatan skala yang dihadapi dengan TB, dalam penelitian mereka sebelumnya (de Castro et al., 2011). Kecuali untuk xilanase, hasil enzim yang serupa atau lebih tinggi dilaporkan untuk selulase, protease, endoamilase dan eksoamilase. Menariknya, produksi isoamilase hanya diamati dengan aerasi paksa. Namun, akumulasi panas dan suhu lapisan dan profil aW yang heterogen terlihat menonjol di
seluruh ketinggian lapisan, akibatnya para pekerja ini meminta perbaikan lebih lanjut. Pada PBR, suhu lapisan bed dapat melebihi lebih dari 20°C dibandingkan dengan suhu udara masuk (Ghildyal dkk., 1994) yang
berpotensi menyebabkan 20-30% biomassa menjadi tidak aktif, terutama di bagian atas lapisan bed (Ashley dkk., 1999). Penggunaan sistem water jacket mungkin tidak disukai karena kehilangan panas radial seringkali tidak signifikan dengan diameter reaktor yang besar. Operasi dengan kecepatan udara superfisial yang tinggi (uS) dapat menjadi salah satu strategi yang dapat mengatasi penumpukan panas (Sangsurasak dan Mitchell, 1995). Hasil simulasi pada model pertumbuhan Rhizopus oligosporus, termasuk kinetika kematian sel, menunjukkan bahwa kematian sel dapat diminimalisir jika uS 0,4ms-1 atau lebih digunakan
pada ketinggian dasar reaktor 0,3m. Namun, hal ini dapat menyebabkan pemadatan lapisan, tingkat kelembaban yang buruk dan mungkin boros energi. Alternatif lainnya adalah mendinginkan udara masuk selama puncak pembangkitan panas dan mempertahankan rasio aspek ≤1:1 (Sangsurasak dan Mitchell, 1995). Sangsurasak dan Mitchell (1998) mengembangkan model yang lebih baik dengan memasukkan istilah 'penguapan' dalam neraca energi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa konveksi dan penguapan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap kehilangan panas. Gbr. 4 menunjukkan elemen volume diferensial dari unggun substrat dalam PBR silinder untuk keseimbangan energi di seluruh unggun (Persamaan (3)). Para pekerja ini merekomendasikan Persamaan (3) sebagai alat yang berguna untuk desain dan operasi PBR.
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ + + =⎛⎝
Di mana, ρb, ρa dan ρs masing-masing adalah densitas bed, udara dan substrat. Cpa dan Cpb masing-masing adalah panas spesifik udara dan bed, T adalah temperatur bed, Vz adalah kecepatan superfisial udara, kb adalah konduktivitas termal bed, f adalah perubahan daya dukung air udara dengan temperatur, λ adalah entalpi penguapan air, ε adalah fraksi hampa udara, dan Y adalah hasil panas metabolisme.
Dengan menggunakan pendekatan kondisi tunak semu, Weber dkk.
(1999) mengembangkan neraca entalpi dan neraca air untuk mempelajari pengaruh suhu dasar dan aw terhadap sporulasi Coniothyrium minitans.
Penyederhanaan neraca entalpi memberikan strategi kontrol suhu di mana AFR didefinisikan sebagai fungsi laju pembentukan panas metabolik (Eq. (4)) dan simulasi lebih lanjut memberikan estimasi waktu nyata dari kandungan air unggun.=
(5)
Where, H is the height of bed, ha is the enthalpy of moist air, ε is void fraction, Cs is the concentration of substrate, Yso, and Yxo are yield of substrate consumption and biomass formation, respectively. yw is the water content in air and xws is the water content of substrate-support.
Substituting Eq. (4) into Eq. (5) and further numerical integration gave real time estimation of bed water content. The model assumed that growth is limited by high temperatures and not by bed aW. However, significant water loss would be expected where evaporation contributes greatly (78%) to heat loss. Ashley et al. (1999) worked out a model describing heat control strategies in PBR.
Namun, pencampuran yang sering dilakukan berhasil karena memfasilitasi distribusi media pendingin ke seluruh reaktor
sehingga meningkatkan perpindahan panas konvektif. Untuk mengatasi panas berlebih pada PBR, versi lanjutan dari packed bed diusulkan oleh Roussos dkk. (1993), yang disebut 'Zymotis' (Gbr. 5). Karena reaktor ini memiliki desain yang unik dan dapat bekerja dengan memuaskan di antara PBR yang ada, desain,
mode operasi dan studi pemodelannya patut mendapat perhatian di sini. Bioreaktor ini juga telah dipatenkan dan digunakan
berhasil digunakan oleh perusahaan Jerman 'Prophyta' untuk produksi biopestisida.
Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5, bioreaktor terdiri dari sebuah kotak persegi panjang, terbuat dari lembaran akrilik.
Sebuah penutup berbentuk kubah akrilik disediakan di sisi atas unit untuk mencegah masuknya udara atmosfer ke dalam. Kubah luar juga menjadi tempat masuk dan keluarnya sirkuit sirkulasi air, saluran keluar gas buang, dan pegangan untuk tujuan
pengangkatan. Reaktor terdiri dari berbagai bagian yang
berdekatan yang dipisahkan oleh pelat pendingin (pelat penukar panas). Bagian-bagian ini berisi media fermentasi. Masuknya udara lembab, dengan ketentuan kontrol laju aliran dan tekanan, difasilitasi dari bagian bawah setiap bagian. Mekanisme
perpindahan panas melibatkan konduksi dari lapisan substrat ke penukar panas, konveksi dan kehilangan panas penguapan. Model perpindahan panas dinamis dikerjakan (Mitchell dan Von Meien, 2000; Mitchell dkk., 2002), untuk Zymotis dan simulasi
menyarankan pengurangan gradien suhu di seluruh lapisan substrat daripada PBR tradisional. Investigasi terhadap nilai optimal untuk jarak antara pelat pendingin mengungkapkan bahwa untuk mencapai produktivitas yang tinggi pada skala industri atau bahkan pada skala pilot, jarak yang sama harus digunakan di antara pelat seperti pada skala laboratorium. Namun, penyisipan pelat pendingin, terutama pada skala yang lebih tinggi dapat menyebabkan tingkat SL yang rendah dan bisa jadi tidak ekonomis. Roussos dkk. (1993), dalam evaluasi mereka terhadap Zymotis menunjukkan bahwa kontrol suhu padatan fermentasi dengan mengedarkan air pendingin melalui pelat penukar panas terbukti tidak efisien selama fase pertumbuhan aktif, oleh karena itu, peningkatan laju aerasi harus dilakukan. Selanjutnya, karena beban substrat meningkat dari 26,68 kg menjadi 40,02 kg, aktivitas selulase menurun secara signifikan. Hal ini disebabkan oleh perpindahan panas yang tidak efisien selama pra-perlakuan substrat, sebuah langkah yang membuat substrat lebih mudah diserang oleh mikroba. Kemandulan kapal itu dipertahankan dengan menyeka kotak, penutup, dan pelat penukar panas yang mungkin sangat memakan waktu dan tidak layak pada skala besar skala. Laporan kontaminasi diamati ketika waktu fermentasi melebihi 72 jam. Autoklaf atau pengukusan fermentor tidak tidak mungkin karena terbuat dari akrilik.
Pengaruh denyut tekanan udara (APP) terhadap produksi selulase, oleh Trichoderma viride, telah dipelajari dan terjadi peningkatan tiga kali lipat dalam produksi selulase, dibandingkan dengan TB. Pengaruh GDD- SSF dipelajari pada produksi selulase, oleh Penicillium decumbens (Fujian et al., 2002), di mana 0,20 MPa PA dan sirkulasi udara pada 1,5ms-1 menghasilkan produktivitas yang tinggi tetapi peningkatan lebih lanjut dalam PA mengakibatkan gangguan miselia karena pembengkakan gas.
Mikroskop elektron mengungkapkan bahwa substrat dipegang longgar dan ini mungkin memfasilitasi perpindahan panas dan massa. Penggunaan Air Pressure Pulsation SSF (APP-SSF) diperluas untuk produksi protease alkali menggunakan Bacillus pumilus (Aijun et al., 2005).
Pengaruh PA dan durasinya dipelajari pada hasil enzim,
produktivitas dan SL. Dengan peningkatan PA (0,05 dan 0,1 MPa), aktivitas protease meningkat masing-masing 63 dan 95% dibandingkan dengan operasi bed statis. Peningkatan durasi pulsasi menyebabkan pengeringan substrat, sedangkan, penurunan kemungkinan besar menghasilkan
tingkat O2 yang buruk. APP-SSF meniru tindakan agitasi karena bed
dipegang longgar dan tidak padat. Hasil enzim menurun secara signifikan ketika tinggi bed meningkat dari 1,5 menjadi 6 cm di bed statis,
sedangkan hanya sedikit penurunan yang diamati dengan APP-SSF.
Produksi feruloyl esterase oleh Aspergillus niger dipelajari selama
fermentasi jerami padi dan dedak gandum (4:1) (Zeng dan Chen, 2009).
Labu statis yang berisi substrat disimpan dalam silinder 25 L di mana PA 0,2 MPa, durasi tekanan tinggi dan rendah masing-masing 20 detik dan 30 menit, masing-masing meningkatkan hasil dan produktivitas enzim,
menawarkan kontrol suhu yang lebih baik, menghindari gradien gas yang curam, dan meningkatkan intensitas respirasi. Hongzhang dkk. (2002) berpendapat bahwa frekuensi APP harus digunakan sebagai fungsi dari tahap pertumbuhan organisme dan dipilih dengan hati-hati, karena frekuensi tinggi mungkin intensif energi dan merusak pertumbuhan mikroba. Para pekerja ini menggunakan GDD-SSF untuk produksi Bacillus thuringiensis (Bt) dalam bioreaktor 70m3, di mana banyak nampan
ditumpuk dalam silinder baja tahan karat. APP dengan batas atas dan bawah masing-masing 1,5 kg cm-2 dan 0,05 kg cm-2, serta sirkulasi udara internal lebih efektif dan menghasilkan aktivitas Bt maksimum (18000 IU).
Selain itu, gradien suhu diminimalkan ketika baki disimpan dalam posisi horizontal (0,8 ° C cm-1) dibandingkan dengan konfigurasi vertikal (4,2 ° C cm-1). Yang dkk. (2011) menekankan pentingnya batas bawah dan atas PA pada produksi xilanase termotoleran oleh Thermomyces lanuginosus.
Paparan tekanan tinggi dalam waktu lama berdampak negatif pada pertumbuhan jamur dan hasil enzim. Hendges dkk. (2011) mengamati produksi pektinase yang lebih rendah oleh Aspergillus niger di bawah APP.
Guncangan tekanan yang tiba-tiba dipahami sebagai hal yang merugikan miselia jamur. Laporan-laporan ini menyarankan bahwa operasi dengan APP harus dirancang dengan hati-hati.
Chen dkk. (2013) membahas pentingnya waktu pembuangan dalam
operasi APPSSF untuk produksi selulase. Waktu pembuangan didefinisikan sebagai fungsi denyut tekanan dan area lubang ventilasi dan
pengaruhnya terhadap efisiensi produksi dianalisis. Saat PA meningkat hingga 0,2 MPa, aktivitas selulase ditingkatkan. Namun peningkatan lebih lanjut terbukti tidak diinginkan, karena hal ini mengakibatkan perubahan tekanan yang cepat yang mengarah ke yang lebih rendah aktivitas enzim.
Ukuran lubang ventilasi diidentifikasi sebagai desain yang penting parameter desain yang berpengaruh signifikan terhadap produksi selulase.
Dengan menggunakan persamaan waktu pembuangan (Eq. (6)) untuk inflasi dan deflasi sistem, para penulis ini menyajikan waktu pembuangan (t) sebagai fungsi dari ventilasi area (S) dan volume bioreaktor (V) untuk amplitudo denyut 0,20 MPa.
S = 5,45 × V/t
APP-SSF bermanfaat karena kehilangan panas melalui konduksi meningkat (terbukti dari suhu dinding yang lebih tinggi), total kehilangan air menjadi dua kali lipat, akibatnya, 657 KJ lebih banyak energi yang hilang
dibandingkan dengan bedengan statis. Zhao dkk. (2015b) menyusun sebuah model untuk menentukan frekuensi denyut tekanan optimal dan pengaruhnya terhadap produktivitas fermentasi.
Chen dan He (2013) merancang perangkat HLD (Gbr. 6) berdasarkan prinsip GDD-SSF. Bioreaktor terdiri dari sembilan tabung baja tahan karat yang diletakkan di atas bingkai logam. Rangka logam tersebut
menampung dua cakram baja sebagai pelindung ujung dan sembilan kisi- kisi ditempatkan dan dilas di antara pelindung. Tabung-tabung baja ini memiliki bukaan dengan serangkaian lubang kecil pada dinding pipa.
Ketika sedang beroperasi, media yang diinokulasi dipindahkan ke dalam HLD dan alat tersebut didorong ke dalam fermentor yang disterilkan dengan uap dan penutupnya ditutup. Gbr. 7 menunjukkan pengaturan eksperimental untuk HLD. Kinerja diuji dengan mengevaluasi variasi suhu (dengan GDD-SSF dan melalui sistem jaket air) dan viabilitas spora
Bacillus cereus DM423. Variasi suhu maksimum dengan GDD-SSF adalah 7,7 ° C dan dengan air yang bersirkulasi adalah 19,8 ° C. Selain itu,
jumlah spora lebih baik daripada yang dicapai dalam kondisi statis. Alat ini memberikan koefisien pembebanan yang mengesankan sebesar 66,8%
(v/v), yang hampir dua kali lipat lebih tinggi dari bioreaktor konvensional.
Pendekatan pemodelan yang melibatkan studi perpindahan panas dan massa mungkin sangat berguna dalam merancang kondisi operasi yang optimal dan memprediksi variasi suhu selama peningkatan skala. HLD telah berhasil diterapkan dalam industrialisasi selulase dan biopestisida.
Intermittent or continuously mixed SSF bioreactor
A two-fold increase in cellulase production was reported in a 50 L RDB, compared to flask studies, using 4 kg of empty fruit bunch as substrate (Alam et al., 2009). The increase was attributed to better aeration and mixing in RDB. Simultaneous saccharification and fermentation of alkali pretreated sugarcane bagasse was performed in a 100 L RDB with internal baffles (Lin et al., 2013). To achieve high ethanol productivity, a thermo- tolerant yeast, Kluveromyces marxianus was employed which could grow optimally at temperatures required (40–50 °C) for prolific saccharification.
Gentle rotation at low intensity and frequency resulted in high ethanol yield (79%). Efect of agitation on the production of hydrolases was studied (Diaz et al., 2009) on a lab scale RDB (0.25 L) where Aspergillus awamori was grown on grape pomace and orange peels (1:1). Maximum activities for xylanases, exopolygalactouronase and CMC were obtained at high AFR (120 and 200 mL min−1) and very low agitation rate (1 min day−1). Constant agitation without aeration caused substrate
agglomeration, resulting in poor growth. Intermittent rotation was found favourable for citric acid production during fermentation of apple pomace by Aspergillus niger (Dhillon et al., 2013), however, continuous mixing resulted in 34% reduction in citric acid production. Mixing resulted in significant reduction in endoglucanase, glucosidase and xylanase activity during fermentation of wheat bran by Aspergillus niger (Cassaro et al., 2015).
Cellulase activity decreased by 17% with increase in mixing frequency in a novel bioreactor using Aspergillus niger (Lee et al., 2011). Even if the organism is unable to tolerate mixing, it may still be necessary to aseptically mix the bed during inoculation (Moilanen et al., 2015) and sampling (Lee et al., 2011) to ensure uniform distribution. On the contrary, several reports have corroborated improvement in heat and mass transfer and overall productivity as a result of mixing action. Nagel et al. (2001b) observed that continuous mixing facilitated heat and mass transfer and there was negligible damage to microbe as
the fungus mainly grew inside the wheat grain. Also, respiratory profiles of continuously mixed cultures were similar to those of the unmixed one.
Efect of intermittent mixing (IM) was evaluated on sophorolipids
production by Starmerella bombicola in 0.5 L flasks, using a mixture of winterization oil cake and sugar beet molasses (4:1) as substrate-support (Jiménez-Peñalver et al., 2016). Mixing action enhanced sophorolipids yield and OUR by 31% and 15%, respectively, in comparison to static operation. Efect of IM was studied on cellulase production (Flodman and Noureddini, 2013) by Trichoderma reesei using wet corn distilled grains in Erlenmeyer flasks and glass columns.
Mixing had an overall positive efect on microbial activity, however, marginal (5–10%) decrease in cellulase activity was observed. Compared to static bed, a 23% increase in lovastatin production, by Aspergillus flavipes, was observed when IM was coupled with forced aeration (Valera et al., 2005). Various other reports corroborate that IM did not negatively afect product yield (Lonsane et al., 1992; Mitchell et al., 1988; Silman, 1980). No substantial decrease was observed in methylesterase
production, CER, OUR of Aspergillus tamari during IM of substrate bed (Nava et al., 2011). Schutyser et al. (2003) argued that it may be
impractical to derive a general mixing strategy for a broad spectrum of bioprocess and that the choice for mixing shall be a function of fungal morphology, chemical and physical nature of substrate, bioreactor configuration and mixing regime employed Modular bioreactor
configurations are promising prospects for next generation SSF bioreactor system as they help circumvent process heterogeneity (Thomas et al.,
2013) and operate aseptically. Böhmer et al. (2011) worked on a mixed modular bioreactor for laccase production by T. hirsutae using pine wood chips and orange peels.
PLAFRACTOR, sebuah desain modular yang dipatenkan oleh Biocon Ltd. (Suryanarayan dan Mazumdar, 2001) diklaim sebagai perangkat SSF mandiri yang menggabungkan semua operasi fermentasi, yaitu sterilisasi, inokulasi, budidaya, ekstraksi, dan perawatan pasca ekstraksi, dalam satu unit. Alat ini divalidasi untuk produksi steril protease, siklosporin, amilase, dan lovastatin. Beberapa modul ditumpuk secara vertikal (Gbr. 10a), di mana setiap modul terdiri dari pelat dasar dan bingkai yang membentuk sisi-sisi struktur yang berfungsi sebagai wadah untuk menampung media (Gbr. 10c). Pelat dasar terdiri dari dua set saluran yang terpisah, yaitu saluran komunikasi (membawa cairan nutrisi, ekstraktif, dan steril) dan saluran non-komunikasi (membawa cairan pemanas dan pendingin) (Gbr.
10b). Pencampuran di setiap modul dicapai dengan bantuan dua poros konsentris, di pusat pengaturan pencampuran. Tinggi unggun kerja AQA diasumsikan 4-8 cm di setiap modul dan kontrol suhu diklaim melalui konduksi, yang bagaimanapun juga merupakan kontributor terkecil dalam penghilangan panas (Gutierrez-Rojas dkk., 1996). Penggunaan model matematis dapat sangat bermanfaat karena dapat membantu
mengoptimalkan SL. Ketinggian unggun yang acak dan tidak dioptimalkan dapat mengakibatkan suhu yang merugikan terutama di bagian atas unggun.
Novozymes Bio A/G mematenkan (Andersen et al., 2013) desain bioreaktor baru dengan tujuan untuk memaksimalkan otomatisasi dalam operasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 11, bioreaktor terdiri dari kompartemen atas dan bawah yang dipisahkan oleh pelat berlubang.
Kompartemen atas menampung penyangga substrat dan merupakan tempat fermentasi, sedangkan ruang bawah memfasilitasi transfer udara steril ke ruang atas. Setiap kompartemen memiliki satu atau lebih lubang, yang setidaknya satu di antaranya digunakan untuk suplai udara, dan dapat dikontrol oleh katup listrik atau pneumatik yang memungkinkan perubahan arah aliran udara melintasi pelat berlubang. Port akses disediakan untuk memungkinkan penarikan sampel padat melalui peralatan atau vakum. Kompartemen atas juga menampung satu atau lebih nosel untuk suplai air, inokulum, cairan ekstraksi, dll. Penyediaan agitator dibuat untuk mengurangi atau menghilangkan lingkungan diferensial di seluruh unggun. Unit bioreaktor dihubungkan ke stasiun fermentasi untuk suplai/pembuangan cairan/gas, ekstraksi dan pencucian.
Pengangkutan dan penanganan unit bioreaktor ditugaskan ke kendaraan pemandu otomatis dan robot industri. Beberapa unit seperti itu dapat digunakan (10-2000) tergantung pada skala operasi.
Seperti halnya PLAFRACTOR, semua operasi fermentasi dapat dilakukan secara aseptik dalam satu unit. horizontal bioreaktor (100-400 cm atau 150-300 cm) lebih besar daripada tinggi vertikal (1 m, 2 atau 2,5 m) dan diperkirakan dapat menggantikan 50-100, kantong SSF plastik 2 kg.
Ketinggian bedengan 10-50 cm diklaim sebagai ketinggian yang
memungkinkan karena ketinggian bedengan yang sama telah berhasil
digunakan dalam PBR (Biz et al., 2016). Namun, ketinggian dasar substrat yang optimal juga harus diatur oleh parameter transportasi dan kinetik sistem dan kondisi operasi. Seperti yang ditunjukkan oleh studi
pemodelan dan strategi kontrol selanjutnya (von Meien dan Mitchell, 2002; von Meien dkk., 2004), adalah bijaksana untuk mengoptimalkan SL berdasarkan parameter sistem dan variabel operasi. Di sini, AFR saluran masuk, suhu dan kelembaban, rezim pencampuran, arah aliran udara dan parameter substrat dan kinetik sistem dapat digunakan untuk merancang ketinggian unggun operasi, yang mungkin lebih besar dari yang diklaim oleh penemu.
Dalam RDB, ruang yang berguna untuk fermentasi biasanya 30% dari total volume drum (Chen dan He 2013). Seperti yang dikuatkan oleh studi pemodelan (Stuart dan Mitchell 2003), SL yang tinggi dapat menyebabkan kegagalan proses kecuali jika desain dan operasi reaktor didukung oleh pengetahuan yang baik tentang karakteristik panas dan massa, perilaku pencampuran, dan strategi kontrol. Jin dkk. (2010) menyelidiki pengaruh sparger dan pengangkat udara terhadap koefisien perpindahan massa (KLa) selama proses bioleaching di RDB. Zhang dkk. (2012) memperluas studi perpindahan massa dalam bioreaktor 18 L (Jin dkk., 2010) dan
mengembangkan korelasi antara angka sherwood, konfigurasi reaktor dan parameter operasi untuk peningkatan skala. Mereka mengamati bahwa KLa secara signifikan ditingkatkan oleh jumlah pengangkat hanya pada tingkat aerasi yang lebih tinggi yang meningkatkan konveksi internal dan mencegah gelembung menyatu. Pengaruh peningkatan lebar pengangkat pada transfer massa
• Efek pengadukan terhadap aktivitas biologis: Pengadukan yang baik dapat meningkatkan kontak antara mikroorganisme dan substrat, sehingga meningkatkan aktivitas biologis. Sebagai contoh,
penelitian menunjukkan bahwa pengadukan yang baik dalam
rotating drum bioreactor (RDB) dapat meningkatkan produksi enzim selulase dan sophorolipid . Pengadukan yang buruk atau tidak
memadai dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme dan mengurangi produktivitas.
• Efek pengadukan terhadap transfer panas dan massa: Pengadukan yang baik dapat meningkatkan transfer panas dan massa dalam bioreaktor SSF. Penelitian menunjukkan bahwa pengadukan yang baik dalam RDB dapat mengurangi penumpukan panas dan meningkatkan transfer massa, sehingga meningkatkan efisiensi proses . Pengadukan yang buruk dapat menyebabkan penumpukan panas yang berlebihan dan heterogenitas dalam bed substrat.
• Produktivitas proses: Pengadukan yang baik dapat meningkatkan produktivitas proses dalam bioreaktor SSF. Penelitian menunjukkan
bahwa pengadukan yang baik dalam RDB dapat meningkatkan produksi enzim, metabolit, dan produk lainnya . Pengadukan yang buruk dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme dan mengurangi produktivitas.
