REKAYASA REAKTOR PENGANTAR BIOPROSESTEKNIK LINGKUNGAN

REAKTOR ALAM & BUATAN MANUSIAReaktor adl bentuk fisik, dg ukuran yg terdefinisi secara jelas dimana reaksi konversi kimia atau biologi dpt terj dlm kondisi reaksi yg baik, dg kt lain:Bentuk fisik dimana bioproses terjReaktor meliputi reaktor alami & buatan dlm berbagai macam variasi, bentuk & ukuran

Reaktor alamiAdl reaktor yg dikembangkan utk periode wkt yg lama (parit, sungai, danau) atau terjadi secara spontan sesudah terjadi kejadian yg khusus (genangan/ kolam sesudah turun hujan)

Aplikasi reaktor alamiSuatu genangan yg terjadi setelah hujan turun. Spesies kimia terlarut dlm air menuju genangan. Bila air dg komposisi kimia yg berbeda turut terbawa bersama, maka akan dihasilkan kesetimbangan kimia baruSungai yg menjadi muara. Material yg masuk akan mengalami semacam konversi krn interaksi dg komponen dlm buangan & dalam sungaiKolam di bawah air terjun, dimana aerasi merupakan sumber oksigen yg kontinu utk pertumbuhan ikan atau untuk degradasi buangan organik secara aerobikAn oligotropic mountain stream. Konsentrasi nutrien yg rendah dlm fase liquid sering menghasilkan biomassa yg teradsorb pd substratum, sbg cth m.o yg melekat pd batuan

Reaktor buatanAdl reaktor yg sengaja dibuat manusia utk tujuan tertentu dan jangka waktu penggunaan yg tertentu pulaReaktor buatan manusia dpt didesain utk berfungsi sbg reaktor (vessel utk fermentasi beer, activated sludge plant) atau dpt didesain utk membentuk suatu fungsi yg berlainan sama sekali (kanal irigasi, wastewater collection main, selang utk mensuplai nutrien menuju reaktor laboratorium)

Aplikasi reaktor buatanReaktor buatan manusia banyak diterapkan. Sbg cth, dlm pengolahan air minum (bak filtrasi, dll) & air buangan (septic tank, dll), industri fermentasi, jaringan pipa utk transport material, kolam renang, kolam ikan, sawah, kanal & parit.

MODEL REAKTORModel reaktor tergantung dari tingkat kontrol bioproses yg diinginkan, dlm hub dg kebutuhan nutrisi & kondisi lingkKompleksitas dari bentuk fisik akan sangat bervariasi dari yg sederhana spt erlenmeyer utk penanaman m.o s/d pertumbuhan bayi tabung yg sangat sensitif & membutuhkan kontrol proses sepenuhnya

Model reaktorReaktor model merupakan penyederhanaan atau representasi ideal dari sistem nyataSeluruh elemen non esensial dari reaktor nyata dihilangkan utk menghasilkan reaktor modelReaktor model dpt digunakan utk: - Mempelajari, melalui simulasi, dari proses aktual pd kondisi ideal (laboratorium) - Determinasi (pengukuran) dari parameter yg menggambarkan proses - perbandingan proses dg model matematis

1. REAKTOR BATCHReaktor Batch (RB) umumnya tertutup, merupakan tangki yg tercampur sempurna.Sebelum inokulasi RB mengandung volume nutrien dlm jumlah ttt. Sesdh inokulasi proses dibiarkan mis tdk ada material yg ditambahkan ke dlmnya atau dihilangkan dari reaktorReaktor harus diaerasi & kontrol proses hrs diterapkan, spt: kontrol pH.

Reaktor batchProses konversi biologi dlm RB umumnya didahului oleh satu seri phase.Sesudah inokulasi terjadi lag phase; tdk ada pertumbuhan, m.o perlu menyiapkan perlengkapan enzymatic utk fungsi seluler spesific yg terlibat dlm proses pertumbuhan Setelah itu m.o mulai tumbuh & dg menyediakan seluruh faktor pertumbuhan yg diperlukan, pertumbuhan akan terj scr eksponensial; yg debut phase eksponensial atau phase logaritmikSth itu satu nutrien & seterusnya akan menjadi habis & pertumbuhan akan menj terbatasPertumbuhan mula2 turun (decreasing phase) & kemudian terhenti benar2; Ini yg disebut stationary phase yaitu gabungan dari sel2 mati & sel2 lysis

Reaktor batchSel lysis adl hasil pemecahan dari membran sel & selanjutnya mengeluarkan isi sel ke dlm medium.Laju pertumbuhan seluler dlm stationary adl seimbang utk sementara waktu krn adanya sel lysis ini. Kemudian sel lysis mempercepat pengurangan jlh sel sampai akhirnya tdk ada sel hidup yg tersisa (death phase).Kesimpulannya: bhw lingkungan RB dpt dikarakterisasikan sbg lingkungan yg berubah scr kontinyu, sbh lingkungan dimana konsent nutrien, keadaan fisiologi dari sel mikroba & massa dari sel scr lengkap berbeda dari satu saat ke saat lainnya.

Reaktor batchSbg contoh dari RB adl genangan/kolam air hujan. RB sering digunakan dlm bioteknologi

TIPIKAL PERTUMBUHAN BAKTERIlagexponentialstationarydeathTIMECELL MASS

REAKTOR BATCH YG DIGUNAKAN DI LABORATORIUMFoam stopperNutrient suspensionstirrer

2. REAKTOR ALIRAN KONTINU YG DIADUK (Continous Flow Stirred Tank Reaktor/CFSTR)CFSTR disebut reaktor biakan kontinu (chemostat) adl suatu vessel yg terbuka dimana terdpt suplai medium pertumbuhan yg kontinu ke dlm nya & buangan bimassa serta produk yg kontinu dari dlm nyaLaju aliran cairan menuju reaktor sama dg laju aliran dari reaktor

REAKTOR ALIRAN KONTINU YG DIADUK (CFSTR)Flow inFlow outConstant volumeStirrer

CFSTRCFSTR memp volume atau level reaktor yg konstanIsi reaktor tercampur sempurna, shg komposisi kimia & biologi sama di stp titik di dlm reaktorDlm pelaksanaanya, biasanya diawali sbg reaktor batch, hingga melalui lag phase & logaritmic phase. Bila telah mencapai kerapatan massa sel yg cukup tinggi, cairan liquid yg mengandung nutrien dialirkan menuju reaktorContoh CFSTR adl reaktor lumpur aktif (activated sludge)

3. REAKTOR ALIRAN SUMBAT (Plug Flow Reactor/ PFR)Plug Flow Reactor (PFR) atau reaktor aliran sumbat ditandai dg rasio lebar per panjang yg besarSuspensi nutrien masuk ke dlm reaktor melalui inlet sementara biomassa & produk keluar melalui titik outletKonversi reaksi terjadi antara inlet dan outlet

REAKTOR ALIRAN SUMBAT (PFR). PFR DITANDAI OLEH GRADIEN KONSENTRASI SEPANJANG REAKTORInOutConcentration gradient

PFRKarena tdk ada pencampuran dlm arah aliran, PFR ditandai dg adanya gradien konsentrasi dlm reaktor dlm arah aliran, sbg cth, keadaan pemakaian nutrien ttt akan terlihat spt gbr tsbKarena ratio lebar per panjang yg besar, isi reaktor dianggap tercampur sempurna dlm arah tegak thd aliran.Stp seksi terpisah dari reaktor, bergerak melalui reaktor dpt dianggap sbg sistem reaktor kecil dlm reaktor itu sendiri. Maka PFR dpt dinyatakan sbg sejumlah besar rangkaian CFSTRSungai merupakan contoh nyata dari PFR

REAKTOR CURAH UMPAN (Fed Batch Reactor/FBR)Mengoperasikan reaktor batch meliputi suatu rangkaian aktivitas pendahuluan termasuk pembersihan, pengisian dg suspensi nutrien & umumnya sterelisasi reaktorSesudah inokulasi, bioproses berjalan melalui lag exponential dan stationary phase. Fase kematian (death phase) menandai akhir dari proses.Kemudian reaktor dibuka & biomassa dan/produk dpt diambil Utk mencapai batch kedua dari biomassa dan/atau produk perlu melakukan siklus tsb sekali lagi.

FBRFBR adl batch reactor dimana mendekati kekurangan nutrien, nutrien segar ditambahkan, utk memberi makan reaktor.Diasumsikan bhw konsentrasi nutrien yg ditambahkan tinggi, shg perubahan volume dpt diabaikanProfile dari laju nutrien utk beberapa atau seluruh umumnya merupakan fungsi dari wkt

FBRFBR scr spesifik didesain utk situasi dimana trophophase (phase selama terj produksi biomassa) berbeda jelas dlm wkt, dg idiophase (phase selama terj produksi metabolism kedua terj).Sbh contoh proses pemberian makanan pd batch reactor (FBR) adl produksi penicillin oleh Penicillium chysogenum. Dlm proses ini, laju pertumb seluler dari mycellium selama trophophase tinggi, shg memungkinkan fase ini menj lbh singkat. Dilain pihak laju pertumb seluler selama idiophase sangat rendah & penekanan pd fase ini adl produksi pd penicillin.Contoh lain adl landfill dimana sampah (nutrien) baru ditambahkan secr konstan tanpa menghilangkan materaial apapun (tetapi dg melakukan kompaksi)

REAKTOR CURAH UMPAN (FBR)Foam stopperNutrient suspensionstirrerLow flow nutrient supply

REACTOR SEL TAK BERGERAK (Immobilized Cell Reactor/ICR)Adl reaktor dimana sel-selnya tdk bergerak (biofilm, fixed film), karena :- adsorpsi m.o yg terj scr spontan pd subtratum/permukaan- adsorpsi m.o yg ditingkatkan scr artifisial pd substratum dg penambahan lapisan penam- bah daya adsorpsi yg spesifik pd substratum

ICRSubstratum dpt berupa:Permukaan padat, cth : dinding reaktorPermukaan tambahan khusus utk memperbaiki ratio luas permukaan per volume, cth tricling filterMaterial partikulat yg kecil yg memberikan permukaan tersuspesi dimana m.o dpt mengadsorp atau adsorb. Partikel2 ini ditambahkan pd cairan dlm reaktor yg mengalir, contohnya fluidized bed reactorMaterial utk menjebak m.o, yg mungkin tersuspensi atau terkumpul dlm reaktorUmumnya reaktor2 kontinu lbh sering digunakan dlm ICR

REAKTOR DI LAB UTK STUDI PROSES DG SEL AMOBILEFFLUENTINFLENTStationary outer cilinderRotarting inner cilinderMicbial film

Sungai yg berasal dari gunung adl sbh contoh reaktor aliran dg immobilisasi organisme scr sepontan.Reaktor2 yg menggunakan metode peningkatan adsorpsi digunakan terutama dlm bioteknologi utk produksi industri atau tujuan penelitian.Berdasarkan jenis pertumbuhan, reaktor dapat dibagi atas pertumbuhan tersuspensi dan pertumbuhan melekat.

OPERASI REAKTORReaktor2 dpt dioperasikan dlm banyak caraModel operasional dpt berhub dg :- aliran masuk yg nonkontinu atau kontinu & energi- sel2 dlm keadaan teradsorpsi atau tersuspensi- ada atau tidaknya resirkulasi aliran (sejalan)

1. Operasi Kontinu Vs Operasi Non KontinuStp kali reaktor dimulai, kondisi operasi & proses dijaga konstan (dpt dicapai dg memberikan aliran masuk berupa energi & spesies kimia scr konstan pd reaktor & dg menjaga kondisi proses konstan)Hasilnya dlm outflow yg berupa produk biologi &/kimiawi dg komposisi yg konstanCFSTR & PFR, dimaksudkan utk operasi scr kontinuSungai dimana ke dlmnya material dibuang & sungai di belakang air terjun yg memberikan suplai oksigen yg kontinu adl dua contoh rekator dg aliran kontinuOperasi kontinu

Operasi Kontinu Vs Operasi Non Kontinu..Sebaliknya, reaktor non kontinu adl dimana bioproses terjadi dimulai dg massa nutrien yg diberikanSesdh inokulasi, bioproses dimulai dg melalui log phase & exponential growth phase sampai pengurangan nutrien membuat proses sampai pd stationary dan death phase & akhirnya stop.Opreasi non kontinu menyatakan lingkungan reaksi yg berubah scr konstan & umumnya kondisi reaksi adl sama pd stp titik dlm reaktor spt reaktor yg tercampur sempurnaGenangan, dimana air terkumpul & terdapat kesetimbangan kimia, merupakan satu contoh reaktor non kontinu.Operasi non kontinu

Operasi non kontinu merupakan lingkungan reaksi yg berubah secara konstan & rangkaian yg baik utk proses yg membutuhkan kondisi yg berbeda dlm tingkat proses yg bervariasi

Operasi Kontinu Vs Operasi Non Kontinu.Adl mode operasi yg memp karakteristik yg merujuk pd operasi kontinu & non kontinuOperasi reaktor semi kontinu dimulai dg metode non kontinuSesdh inokulasi, bioproses dimulai dg melalui log phase & exponential growth phase sampai pd pengurangan nutrien membuat proses sampai pd stationary atau bahkan death phaseSblm proses berhenti, nutrien baru disuplai ke dlm reaktor utk mengembalikan kondisi proses pd logaritmic phaseSiklus operasi ini dpt dijaga utk waktu yg panjangSuatu genangan yg tdk dikeringkan, sblm ia diberi makanan oleh hujan yg baru merupakan contoh reaktor semi kontinuOperasi semi kontinu (antara)

2. Reaktor Fase Cair Vs Reaktor Fase PadatCara lain utk membedakan disein reaktor adl dg fase yg terj dlm reaksi.Reaksi2 ini dpt terjadi dlm fase cair (dlm keadaan tersuspensi) & dlm fase padat seperti: attached (adsorbed) atau embedded (absorbed) dlm material padat.

Reaktor Fase Cair Vs Reaktor Fase PadatReaksi yg terj mengikut sertakan spesies, spt: biokatalis & nutrien, umumnya terdistribusi scr homogen dlm reaktorPd umumnya berat spesifik dari biokatalis adl sama besar dg cairan yg mengelilinginyaApabila pencampuran tdk cukup baik, bioproses dlm kondisi tersuspensi lebih merupakan transport (nutrien & produk) yg terbatas (transport limited) dari pd reaksi yg terbatas (reaction limited), Reaktor2 fase cair

Reaktor Fase Cair Vs Reaktor Fase PadatDikenal jg sbg sel immobil/ reaktor enzime, reaktor fixed-film atau reaktor biofilmDlm reaktor jenis ini biokatalis yg teradsorb dipisahkan dari spesies fase cair.Ini dpt dicapai dg pelekatan biokatalis pd material partikulat pd fase cair dg jalan: ukuran material partikulat hrs lbh besar dari pd ukuran terbesar dari proses biologi atau dg pelekatan biokatalis pd fase padat dlm reaktorTransport ke dan dari biokatalis melalui difusi fase cair & oleh spesies ditransfer dari fase cair ke fase padatReaktor2 fase padat

Reaktor Fase Cair Vs Reaktor Fase PadatKrn biokatalis pd dasarnya tdk terdpt dlm fase cair & konsentrasi nutrien umumnya dpt diabaikan, maka umumnya fase cair hanya terdiri dari spesies produkCth reaktor fase padat yg alami adl sungai yg berasal dari gunung yg mengandung konsentrasi nutrien yg rendah dimana seluruh biomassa teradsorb pd batu2an di sungai.Reaktor fase padat buatan manusia dpt ditemukan dlm instalasi pengolahan air buangan spt: RBC, Trickling Filter, wastewater collection mains, oil atau industrial process water atau dlm saluran irigasi.Reaktor2 fase padat

3. Reaktor Sejalan Vs Reaktor ResirkulasiCara lain ditambahkan pd reaktor aliran kontinu melalui penerapan aliran resirkulasiResirkulasi adl bagian tertentu dari proses aliran yg berasal dari satu titik dlm proses, dipisahkan & dimasukkan dlm satu titik yg terletak sebelumnya dlm proses yg samaAlasan2 menerapkan resirkulasi adl: utk menyeragamkan isi reaktor, meningkatkan konsentrasi biomassa dan menstabilkan waktu retensi cairanKebalikan dari reaktor yg beresirkulasi adl reaktor sejalan

Reaktor Sejalan Vs Reaktor Resirkulasi..Bila terdpt gradien konsentrasi dlm reaktor atau bila isi reaktor tdk tercampur sempurna, bagian efluen yg mengalami resirkulasi akan menolong menyeragamkan isi reaktorKegunaan khususnya adl utk menurunkan konsentrasi nutrien pd influenUtk menyeragamkan isi reaktor:

Reaktor Sejalan Vs Reaktor Resirkulasi..Dlm melakukan variasi suplai influen menuju reaktor, mungkin sj bila diinginkan utk menjaga laju pembebanan cairan menuju reaktor. Ini akan mencegah air menjadi terhenti atau memungkinkan utk menjaga biomassa berada di bwh permukaan air (tricling filter).Utk meningkatkan konsentrasi biomassa:

Reaktor Sejalan Vs Reaktor Resirkulasi..Bila diinginkan utk memperoleh retention time dari biomassa reaktor yg berbeda dg retention time pd cairan, bagian biomassa dlm efluen dpt dipisahkan dari bagian cair dan (sebagian) diresirkulasi. Teknik ini diterapkan dlm proses activated sludge.Utk menstabilkan waktu retensi cairan

REAKTOR ALIRAN KONTINU DENGAN RESIRKULASIBIOREACTORBiomass liquid separationeffluentinfluentbiomassresirculation

Sekian & Terima Kasih