Xii. Pmilihan Dan Prancangan Bioraktor

8/16/2019 Xii. Pmilihan Dan Prancangan Bioraktor

1/8

BAB XII:

PEMILIHAN DAN PERANCANGAN

BIOREAKTOR

A. PENGENALAN DAN PEMILIHAN BIOREAKTOR

1. Identifikasi Bioreaktor

a. Sistem endin!inan ada roses "ioreaksi/fermentasi

Bioreaktor/fermentor adalah suatu bejana di mana proses fermentasi dalam industri berlangsung. Ukurannya bermacam-macam mulai dan yang kecil untuk skala

laboratorium (5-10 lt sampai yang paling besar (!00"000 lt untuk skala industri. #da

dua macam fermentor" yaitu untuk proses aerob dan anaerob. $ermentor anaerob lebih

sederhana dari yang aerob" tidak memerlukan suplai oksigen hanya memerlukan alattambahan untuk menurunkan panas. %edangkan yang aerob memerlukan lebih banyak

alat tambahan" karena itu yang akan dibahas adalah fermentor aerob" selain itu fermentor

jenis ini lebih banyak dipakai dalam industri. $ermentor untuk skala besar biasanyadibuat dari stainless. Bejana ini berbentuk silinder tertutup yang dilengkapi dengan

berbagai pipa dan katup. &al yang cukup penting untuk diperhatikan pada bejana ini

adalah alat untuk menurunkan panas yang timbul selama proses fermentasi" yaitu berupa pipa pendingin spiral yang menyelubungi bagian luar bejana atau bagian dalam pada

fermentor yang sangat besar. #ir dingin dialirkan ke dalam pipa ini sehingga mampu

menyerap panas yang berlebih.

". Sistem aerasi ada roses "ioreaksi/fermentasi

&al penting lainnya adalah alat untuk aerasi. 'i dalam suatu fermentor yang sangat besar di mana populasi mikroba yang sangat tinggi maka keperluan oksigen sangat besar sekali.

%edangkan oksigen sukar larut di dalam air atau difusi oksigen dari gas ke cairan

merupakan hal yang sulit. Untuk itu diperlukan suatu peralatan yang dapat memastikanoksigen bercampur dengan baik di dalam medium.

#da dua peralatan yang dipasang di dalam fermentor untuk memastikan aerasi yang

cukup" yaitu aerator dan pengaduk. Udara steril dengan tekanan tinggi masuk melaluiaerator dan menyemprot ke luar berupa gelembung-gelembung kecil sehingga

memungkinkan oksigen berdifusi ke dalam medium. %edangkan pengaduk berfungsiuntuk memastikan gelembung-gelembung udara tercampur rata di dalam medium" selainitu juga sel-sel mikroba akan tercampur. rata di dalamnya. Bentuk pengaduk berupa

lempengan yang diletakkan bertingkat-tingkat di tengah-tengah fermentor. engaduk

diputar cepat oleh sebuah motor. Untuk meyakinkan pengadukan berjalan dengan baik dipasang lempeng-lempeng penghalang memanjang di dalam fermentor. )etika pengaduk

berputar" cairan akan menghantam penghalang dan pecah menjadi butiran-butiran yang

lebih kecil lagi sehingga cairan medium menjadi lebih homogen.


2/8

#. Sistem en!enda$ian $in!k%n!an roses "ioreaksi&fermentasi

*engendalikan bioreaksi/fermentasi dalam skala besar jauh lebib sulit daripada

fermentasi dalam skala laboratoriun. 'alam skala besar pengaruh faktor lingkungan

sangat menentukan" seperti konsentrasi oksigen" p&" massa sel dan konsentrasi dari produk. %elain itu juga perlu diperhatikan perubahan suhu dan adanya busa. emantauan

dan pengendalian faktor lingkungan ini perlu dilakukan terus-menerus selama proses

fermentasi berlangsung. Untuk itu agar lebih memudahkan pemantauan dan pengendalianfaktor lingkungan" fermentor dihubungkan dengan komputer. )omputer akan memproses

data yang masuk dari proses fermentasi kemudian mengendalikannya dengan mengambil

tindakan yang tepat.

+ambar, %atu model fermentor

'. Pemi$i(an Bioreaktor&)ermentor

ada bioproses terdapat dua komponen penting" yaitu biokatalis (enim atau sel hayati

dan kondisi lingkungan. )edua komponen tersebut berguna agar katalis dapat bekerja

optimal. ingkungan optimal ini dapat dicapai dengan menempatkan biokatalis dalamahana yang disebut fermentor/bioreaktor.

a. Pertim"an!an *nt%k Pemi$i(an Bioreaktor

'alam pemilihan bioreaktor perlu dipertimbangkan beberapa faktor antara lain, jenis

mikroba yang digunakan" sifat media" parameter proses" dan faktor produksi (%chugerl

dan %ittig" 12.


3/8

1 ertumbuhan Biokatalis 3ang 4ptimal

$ermentor dan seluruh sistem harus dirancang sebaik mungkin agar proses yang

dilakukan oleh biokatalis dapat berlangsung optimal. 4ptimasi pertumbuhan biokatalis

atau pembentukan produk dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok ,- sumber energi"

- nutrisi (hara esensial"

- inokulum yang baik" dan- kondisi fisikokimiai yang optimal.

+alur *ikroba 3ang %tabil

engoperasian bioreaktor sangat tergantung pada kemantapan galur mikroba. &anya

galur-galur mikroba stabil yang cocok digunakan dalam operasi sinambung. )ondisi

operasi ini juga dipengaruhi oleh apakah suatu mikroba bersifat aerobik atau anaerobik.

)arena kelarutan oksigen dalam media sangat rendah" maka 4 harus dipasok terus-menerus dengan cara mendispersikan udara dalam media. 'alam kondisi ini suatu

bioreaktor harus mampu mencapai keadaan tersebut dengan berbagai perlengkapannya.

6 %ifat *edia 3ang %esuai

enentuan galur sangat menentukan media yang digunakan. *edia biakan yang

digunakan ini berpengaruh terhadap jenis bioreaktor yang akan dijadikan tempat reaksi.

%ifat-sifat fisik subtrat yang digunakan beragam" misalnya gas (metanas" cairan dan

senyaa larut air (metanol" etanol" bahan padat dan larut air (glukosa" laktosa" bahancair dan tidak larut air (minyak bumi" parafin" serta padatan yang larut sebagian atau tak

larut dalam air (pati" selulosa. %etiap sifat fisik berpengaruh terhadap bioreaktor yang

dipilih. %ebagai contoh" substrat metana dan udara yang eksplosif tentunya tidak tepat bila menggunakan bioreaktor yang mempunyai bagian untuk udara. %ubstrat-substrat

mudah menguap (7olatil dapat digunakan dengan aliran searah dengan pencampuran

aksial atau unit tahapan ganda untuk memperkecil kehilangan gas. Bioreaktor khusustangki dengan pengaduk heliks dapat menggunakan media yang sangat kental (misalnya

pada proses produksi polisakarida.

! arameter roses Biokimiai 3ang 8epat

%alah satu faktor dasar yang berpengaruh terhadap pemilihan bioreaktor untuk

pertumbuhan mikroba aerobik adalah laju perpindahan oksigen (OTR" oxygen tranfer rate. ada fermentasi sinambung" proses tidak pernah dilakukan pada daerah

pertumbuhan tanpa batas" karena dalam keadaan ini bioreaktor bersifat tidak stabil. Bila

digunakan substrat yang tidak mengandung oksigen (misal parafin" maka kebutuhanoksigen akan lebih tinggi.

5 $aktor roduksi 3ang %esuai )riteria


4/8

Berbagai faktor produksi yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan bioreaktor adalah

sebagai berikut ,

- )etersediaan bahan mentah (pati" tetes" sirup" gula.- )etersediaan energi dan air pendingin.

- )etersediaan tenaga kerja berkualitas.

- $asilitas perdagangan untuk produk dan bahan mentah.- )eadaan pasar (penjualan stabil" penjualan berubah" pabrik tunggal" pabrik

fleksibel.

- eraturan kerja dan keselamatan.- Undang-undang tentang pembatasan polusi lingkungan.

- enggunaan secara ekonomis hasil samping produk.

". Prototie Bioreaktor idea$

%istem bioreaktor yang digunakan bioproses adalah curah" sinambung dan semi

sinambung. ada semua sistem tersebut terjadi pencampuran substrat dan

mikroorganisme secara sempurna dan seragam sehingga keadaan reaksi dan taraf biokatalik merupakan suatu sistem homogen. %istem ini adalah ideal" sehingga bioreaktor

yang mempunyai ciri tersebut dijadikan model untuk analisis yang disebut sebagaibioreaktor ideal. #nggapan tersebut hanya 7alid bila perubahan yang terjadi dalam

bioreaktor cukup kecil" sehingga laju reaksi secara lokal terjadi di dalam sel dan partikel

biokatalis" dari suatu sisi reaktor ke bagian lainnya. ada pihak lain terjadi sebaliknya" pencampuran mikroba penghasil polimer eksoseluler yang berdensitas tinggi dengan

cairan fermentasi bukan neton (non-newtonian fluid .

1 $ermentor %emi-9urah/%emi-%inambung ( Fed-Batch

ada beberapa proses seringkali diperlukan penambahan aliran cairan ke dalam

bioreaktor curah. &al ini misalnya dikerjakan untuk menambah prekursor produk yangdiinginkan dan untuk menambah senyaa pengatur (induser untuk mempertahankan

taraf hara pada konsentrasi rendah sehingga represi katabolit dapat dihindari. %emua itu

dapat dikerjakan dengan menggunakan sistem bioreaktor unggun terumpani ( fed-batchyang disebut juga semi-curah atau semi-sinambung.

$ermentor %inambung (Continuous Stirred Tank Reaktor :CSTR;

Beberapa jenis CSTR untuk reaksi enimatik dapat digunakan. enggunaannya

tergantung pada metoda yang digunakan untuk mencapai tingkatan akti7itas enimatik

yang diperlukan. ada rancangan paling sederhana" enim secara terus-menerusdimasukkan ke dalam biorektor dan dikeluarkan dari reaktor melalui pompa

pengumpanan dan pengeluaran (elluent .


5/8

B. PERAN+ANGAN DAN PENGEMBAGAN BIOREAKTOR

1. Peran#an!an Bioreaktor

a. Dasar dan endekatan eran#an!an "ioreaktor

1 'asar erancangan 'an #nalisis $ermentor

ada telaah terdahulu telah disinggung tentang berbagai jenis bioreactor" baik yangdigunakan untuk reaksi enimatik maupun mikroba secara ideal ataupun modifikasinya.

8elaahan bioreaktor dititik-beratkan pada rekayasa perancangan.

)inetika reaksi biokimiai di satu pihak dan fenomena perpindahan massa di pihak lain"merupakan landasan utama untuk memahami kinerja suatu bioreaktor. 'alam

pemahaman dan analisis dua fenomena tersebut diintegrasikan secara terpadu dalam

suatu sistem yang bekerja. #gar dapat mendeskripsi kinerjanya" dua fenomena tersebut

harus dipahami secara terpadu dalam sistem yang bekerja dalam suatu bioreaktor"misalnya pada pencampuran antara gas dan cairan serta pola kontaknya. Untuk bioreaktor

dengan ciri alir dan pencampuran yang berlainan diperlukan rancangbangun dan tata cara penggandaan skala yang berbeda.

engembagan roses 'engan endekatan


6/8

". Pertim"an!an da$am eran#an!an "ioreaktor

Untuk memenuhi fungsi utama dengan kondisi lingkungan terkendali dan terbaik bagi biokatalis" maka dalam perancangan bioreaktor harus diperhatikan beberapa

pertimbangan sebagai berikut.

1 Bejana atau bentuk lain harus mampu dioperasikan dalam aktu beberapa hari

dan berlangsung untuk jangka aktu panjang.

Bejana atau bentuk lain harus sesuai dengan berbagai jenis proses.6 Bejana perlu dirancang agar dapat dioperasikan dengan jumlah kerja minimal

baik untuk pengoperasian" pemanenan produk" pembersihan" dan pemeliharaan.

! Bejana harus dikonstruksi sedemikian rupa sehingga permukaan dalamnya halus.

5 Bioreaktor harus dilengkapi juga dengan fasilitas pengambilan contoh/ samle.? Bioreaktor harus mempunyai bentuk geometri serupa antara yang berukuran kecil

dengan yang besar" untuk memudahkan penggandaan skala.

2 %istem pengendalian suhu dan p& harus merupakan bagian dari perlengkapan

bioreaktor. #erasi dan agitasi dapat diatur sehingga dapat mencukupi kebutuhan

biokatalis/sel untuk melakukan metabolisme secara optimal" serta tidak bolehmerusak sel.

)onsumsi energi untuk pengoperasian bioreaktor harus dapat dibuat seminimal

mungkin.10 roses e7aporsi yang terjadi perlu diupayakan agar tidak berlebihan.

Bioreaktor sebagai ahana proses memegang peranan penting dalam industri yang

mendayagunakan reaksi-reaksi biokimiai yang dilakukan oleh sel (mikroba" tanaman"dan hean atau dikatalisis oleh enim.

#. Pen!%"a(an ska$a "ioreaktor

engubaan skala fermentor dapat dilakasanakan denga cara peningkatan skala atau

pengecilan skala. engertian peningkatan skala ( scale-u umumnya digunakan dalamdua pengertian yang berbeda. ertama" peningkatan skala yang menunjukkan

kecenderungan umum dalam suatu @masyarakatA untuk mengembangkan sistem baru

yang lebih besar. %istem itu dapat berupa kapal" pesaat terbang" pabrik atau

administrasi. )edua" peningkatan skala juga digunakan untuk perancangan dari penyusunan sistem yang lebih besar ( rototie" berdasarkan hasil percobaan dengan

menggunakan model yang berukuran lebih kecil. 'alam hal ini" peningkatan skala

disajikan untuk pengertian yang kedua.

9ara lain dalam rancangbangun suatu bioreaktor adalah teknik pengecilan ukuran ( scale-

down berdasarkan pendekatan lingkungan. ercobaan pada skala kecil dilakukan padakondisi sama dengan skala industri/produksi (fisik maupun ekonomik" antara lain OTR

(laju perpindahan oksigen" aktu pencampuran" gaya geser" dan susunan substrat.

+ambar berikut menyajikan skema tata cara pengecilan skala.


7/8

+ambar , 9ara pengubahan skala ()ossen dan 4osterhius" 15

'. Pen!em"an!an Bioreaktor Bar%

erkembangan bioproses yang pesat acapkali menyebabkan suatu proses menghendaki penanganan dan pengendalian khusus yang tidak dapat dilakukan dan menggunakan

bioreaktor biasa" misalnya tangki teraduk. %istem dan model bioreaktor baru dirancang

untuk memecahkan masalah tersebut yang jumlahnya banyak sekali. Beberapa sistem

bioreaktor baru yang telah banyak digunakan dilaporkan oleh *argaritis dan allace(1! seperti disajikan pada tabel berikut.

8abel , Berbagai sistem fermentor baru

Ran#an!an BioreaktorSistem Se$ ,an!

Di!%nakanProd%k

1. *enara udara(air-lift

Bakteri" khamir" dankapang lain

%8" enim"metabolit sekunder"

biosurfaktan

. Bioreaktor

terfluidisasi

bakteri" khamir" dan

kapang imobil" lumpur aktif

etanol" metabolit

sekunder" penanganan limbah

6. Bioreaktor pembaa

mikro (microcarrier

sel mamalia imobil

pada manik

interferon" faktor

tumbuh" faktor darah"antibodi monoklonal

!. ropagator jaringan

permukaan

jaringan mamalia

(tubuh pada permukaan

interferon" faktor

tumbuh" faktor darah"antibodi monoklonal"

7aksin" hormon"

protease

5. Bioreaktor membran

(serat berongga(hollow-fiber

bakteri" khamir" sel

tanaman" sel mamalia

etanol" antibodi"

monoklonal" prolease

?. 8angki berpengaduk

(modifikasi

bakteri" khamir" dan

sel tanaman imobil

antibodi monoklonal

faktor pertumbuhan"interferon" produk-

produk berkasiat obat

2. Unggun diam

(modifikasi

bakteri imobil" khamir"

kapang" sel tanaman

etanol" enim"

produk" berkhasiat

Bioreaktor skala penuh(yang ada/rancangan aal

enerapan pada

skala penuh

Bioreaktor skala k ecil

(yang ada/rancangan aal

emilihan galur optimasikondisi lingkungan

%kala

penuh

%kalakecil


8/8

obat

. Bioreaktor menara

dan laran

bakteri dan khamir %8

. Bioreaktor 7akum

dan siklon

bakteri dan khamir etanol" %8

10. Bioreaktor fotokimia bakteri fotosintetik danalga

%8

Documents

Xii. Pmilihan Dan Prancangan Bioraktor