Scale-up Proses Bioreactor

Scale-upProses Fermentasi

(2)

Scale Up dengan Metode

Konvensional

Scale up metode konvensional

Pengertian: scale up fermentor berpengaduk mekanis dan aerator berdasarkan 2 hal:Kesamaan geometrik antara

fermentor skala industri dengan pilot plant

Mempertahankan salah satu konstanta : input power/waktu; koefisien transfer oksigen dan koefisien laju pengambilan oksigen dan kecepatan tip impeller optional

PENDEKATAN SCALE UP1. Membangun satu hubungan antara hasil

proses yang dibutuhkan yang dinyatakan dalam:HasilProduktivitasKonsentrasi produkKemurnian produk

2. Hubungan/korelasi antar parameterDiuji pada fermentor dengan geometri yang sama (skala besar)

Faktor Rasio H : D dlm Scale Up

Fermentor untuk pertumbuhan kultur mikroba memiliki rasio H : D = 2-3 : 1

Meskipun perbandingan H:D konstan, perbandingan luas permukaan terhadap volume berkurang secara dramatis selama scale up

Pengurangan ini menyumbang persoalan terhadap luas permukaan dan penyediaan oksigen

Untuk fermentasi bakteri, luas permukaan tidak penting, tetapi untuk kultur yang sensitif terhadap gesekan dapat menjadi variabel yang kritis karena adanya pengadukan dan penyemburan gas.

Problem sel yang melekat pada dinding fermentor

Pertimbangan penting dalam fermentasi bakteri dan fungi adalah dinding pertumbuhan.

Bila sel legket pada permukaan, sulit untuk memprediksi kinerja fermentor besar berdasarkan data skala kecil.

Kondisi fermentor dalam skala besar tidak selalu dapat diduplikasi secara tepat dari fermenter kecil walau perbandingan ukuran tetap.

Kalau ada perubahan dimensi dapat memberikan pengaruh pada mikroba yang dapat mempengaruhi secara fisiologi, metabolisma dan kinerja scale up

Aturan scale up

Aturan Scale up yang dapat digunakan :Input power yang kosntan (P0/V):Yang

berarti laju transfer oksigen (OTR) konstanJumlah rotasi impeler konstan (N): waktu

pencampuran konstanLaju tetap pada ujung impeller (N·Di):

regangan konstan.Bilangan Reynold (NRe) tetap: pola aliran

sama.

Pada prakteknya, proses scale up bersifat sangat empiris yang berarti parameter operasi sering ditentukan secara eksperimen (trial and error)

Parameter rancangan yang umum adalah:KLa yang kosntan atau substrat tetap (DO) atau level produk pada scale-up

Sebagai contoh: Bila DO konstan, maka untuk DO yang tetap pada skala besar, maka parameter lain (laju pengaduk, laju aerasi, campuran gas) harus divariasikan untuk mencapai DO yang ditetapkan.

Parameter yang saling tergantung dalam Scale-Up

Persoalan dalam scale up

Parameter yang dapat diprediksi:◦Waktu pencampuran◦Transfer oksigen◦Perpindahan panas◦Input power◦Laju aerasi

Parameter yang sulit diprediksi:- kualitas produk- busa yang timbul- pembentukan produk samping

Contoh Soal

Ketika suatu proses fermentasi curah berakhir, dilakukan pembongkaran sistem bioreaktor. Diperoleh temuan bahwa sekitar 75% massa sel tersuspensi dalam fase cair (2 l), sementara sisanya (25%) melekat pada dinding bioreaktor dalam bentuk lapisan film tipis (0,3 cm).

Dengan menggunakan tracer radioaktif diketahui bahwa 50% adalah target produk (intraseluler) dan produktivitas bioreaktor adalah 2 g/l pada skala 2 liter.

Berapa produktivitas bioreaktor pada skala 20.000 liter bila kedua bioreaktor mempunyai perbandingan tinggi dan diamater 2 : 1?

Penyelesaian

Kedua tangki secara geometri adalah sama,sehingga dapat dihitung diameter dan luas permukaan dan volume pada kedua tangki.

Volume:V = ¼ D2H = ¼ D2 2D = ½ D3

Luas permukaan:S = D.H = D.2D = 2 D2

Perbandingan H : D = 2 : 1

TENTUKAN DIMENSI BIOREAKTOR SKALA BESAR (20.000 liter) dan SKALA KECIL (2 liter)

DIMENSI BIOREAKTOR

Untuk sistem 2 liter:D = 10,8 cmS = 738 cm2 V = 2000 cm3

Untuk sistem 20.000 liter:D = 233,5 cmS = 342,600 cm2

V = 2 x 107 cm3

Pada skala kecil ( 2 liter) jumlah produk yang dihasilkan oleh sel yang melekat pada permukaan adalah:2g/liter . 2 liter. ½ = 2 g untuk luas permukaan 738 cm2.

Dengan prinsip scale up diperoleh produk pada bioreaktor skala besar

Jumlah produk yang terbentuk pada bioreaktor skala besar (20.000 liter) yang disebabkan pertumbuhan sel yang melekat pada permukaan adalah: 342.600 cm2/738 cm2 x 2 g = 928 g dari hasil scale up luas permukaan

Hasil keseluruhan dalam sistem 2 liter adalah: 2 g/liter. 2 liter = 4 g

Hasil keseluruhan pada sistem 20.000 liter adalah: 928 g + (2 g/liter. ½ .20.000 liter) = 20.928 g

Bila tidak ada pertumbuhan di dinding, tangki 20.000 liter akan menghasilkan produktivitas sebesar 40.000 g. Sehingga pertumbuhan di dinding akan menjadi masalah serius karena merubah produktivitas dalam skala besar

INSTRUMENTASI

INSTRUMENTASI

Sensors yang digunakan untuk memantau kinerja fermenterBiaya fermenter tinggi (bahan dan waktu) perlu dipastikanproses sesuai jalur yang diinginkanMakin banyak pemantaun makinbanyak potensi untukterkontaminasi Diperlukan neraca untuk pemantauan

ALAT INSTRUMENTASI

Alat yang dimasukkan : pH, redox potential, oksigen terlarut, CO2, biosensors

Analisa gas masuk: GC-FID, spektrometer massa

Pengukuran dalam cairan: HPLC, LC-MS, GC-MS