Your logo
1
Bioprocess Engineering Control - Spring 2013/2014
Pengendalian Bioproses Sistem pengendalian dalam proses kimia, fisika dalam bioproses
Dina Wahyu Indriani Keteknikan Pertanian- April 2013
Materi Kuliah Jadwal dan materi No
Materi
Waktu
1
Memahami dasar teknik pengukuran dan pengendalian bioproses
Pengantar
2
Memahami karakteristik bioreaktor dan variabel pengukuran
-Bioreaktor - Bagian-bagian variabel yang diukur
3
Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik
Pengukuran variabel lingkungan fisik
4
Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik (2)
Pengkuran variabel lingkungan fisik (2)
5
Memahami pengkuran variabel lingkungan kimia
Pegukuran variabel lingkugan kimia
6
Memahami pengukuran variabel lingkungan kimia (2)
Pengukuran variabel lingkungan kimia (2)
7
Memahami Penguluran Cell mass
à Page 2
Materi Kuliah Jadwal dan materi No
Materi
Submateri
Waktu
8
Mengetahui pengendalian bioproses dalam berbagai macam aplikasi/ penelitian
Contoh-contoh pengendalian dalam Bioproses
April (3)
9
Sistem Pengendalian konsentrasi pada bioreaktor fermentasi (2)
Konsep Pengendalian pada sistem fermentasi
April (4)
10
Sistem pengendalian pada bioreaktor pada berbagai tipe bioreaktor
Pemodelan pengendalian pada Bioreaktor fermentasi
May (1)
Resume dan Persiapan Presentasi
Contoh aplikasi pengendalian konsentrasi, suhu dan pH dalam penelitian
May (2)
12
Sistem Pengendalian Chemical Compund, Multistage Chemostat Systems.
Sistem pengendalian dalam mengetahui jumlah bakteri , Total Organic Compund, dalam bioreaktor fermentasi
May (3)
13
Sistem Pengendalian dalam aliran (Group Presentation)
Pengendalian aliran dalam bioreaktor fermentasi
May (4)
14
Presentasi Paper (Group Presentation)
11
à Page 3
May (5)
Ketentuan Penulisan dan Penilaian Resume Paper Dasar Penulisan Resume Paper (10%)
1. 2. 3. 4.
5. 6. 7.
Paper yang di resume minimal 2 paper yang saling berhubungan Koordinasikan agar paper yang dibahas tidak sama satu mahasiswa dengan mahasiswa yang lainnya Penulisan resume minimal dalam 2 halaman Pembahasan tentang resume paper meliputi a. Hubungan dengan pengendalian bioproses b. Model pengendalian yang di gunakan c. Kemutakhiran informasi pengendalian yang di peroleh d. Ide gagasan setelah membaca paper Pengumpulan resume setelah pertemuan ke- 3 kuliah Buat kelompok terdiri dari 6 orang untuk mempresentasikan paper yang terpilih Dikumpulkan di Ketua Kelas
à Page 4
Review Materi Pengertian dan Kegunaan Pengendalian Bioproses Tujuan Kuliah Pengendalian Bioproses Mahasiswa mempunyai kemampuan menterjemahkan dan memahami teknologi pengukuran, pengukuran variabel dan lingkungan fisik, pengukuran variabel pada lingkungan kimia, pengukuran Cell Mass, Pengendalian Loop terbuka, pengendalian Loop tertutup, konsep pengendalian fuzzy pada variabel biorposes, model Fuzzy mamdani, Model Fuzzy Sugeno, Model Fuzzy Tsukamoto, Aplikasi Fuzzy pada pengendalian bioproses Materi yang disampaikan setelah UTS Konsep pengendalian secara lebih lanjut dengan berbagai jenis model dan tipe pengendalian. Penguatan dasar pengendalian pada bioproses Aplikasi pengendalian pada bioproses Pemecahan masalah pengendalian bioproses
à Page 5
Studi Kasus Pengendalian Bioproses dalam Penelitian Dasar Pengendalian dalam Bioproses Keunggulan Pengendalian Bioproses • • • • •
Kemudahan dalam mendapatkan performansi sistem dinamik Mempertinggi kualitas Menurunkan biaya produksi Meningkatkan laju produksi Meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin yang membosankan
Ketentuan dalam pengendalian Bioproses 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Alur pengendalian Konsep pengendalian yang diharapkan Perumusan metode yang akan digunakan Metode pengendalian yang digunakan Jenis Pengendalian yang digunakan Hasil pengendalian
à Page 6
Design Fermentator Reactor Dasar Pengendalian dalam Bioproses What reactor? • Stirred tank reactor, • Airlift • Plug flow reactor What mode of operation -
Batch Fed batch Continus operation
à Page 7
• • • • •
What mode of operation Substrate concentration Residence times pH Temperature ...
Control Structure Design Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi Data Acquisition pH, DO2, T, rpm
x,s, p
Model Estimation Personal Computer (PC) Optimal T, pH, DO2, T, rpm
Lab
Optimal Control Problem
Optimal trajectory of T, pH, DO, F
Calculation of Controller Parameters Controller parameters
Local Controller
Flow Diagram of Fermentation Process à Page 8
Fermentation Process
Sensors for Physiochemical variables
The fed-batch fermentation process characteristics Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi Bioprocess characteristic
• • • •
To use simple model, convenient for calculations in real time, To use simple methods for modelling and control, which do not require complex calculation and more expensive hardware. Complex sensors for measurements of biological variables not to be used, • Control to be based on the available hardware in industry to minimize costs. • The hardware and software system to be simple and user friendly as possible • to allow easy dialog with the operator.
à Page 9
Fed-batch Operation (1/11) In fed-batch culture/nutrients are continuously or semicontinuously fed, while effluent is removed discontinuously (Fig. 1.1). Such a system is called a repeated fed-batch culture. Consider a batch culture where the concentration of biomass afa certain time is given by (1.1) The rate of increase in culture volume is (1.2)
Fed-batch Operation (2/11) Figure 1.1.
Fed-batch Operation (3/11) Integration of eq. 1.2 yields (1.3) The biomass concentration in the vessel at any time t is (1.4) The rate of change in biomass concentration's (1.5) Since dXt/dt =µnetXt, dV/dt = F, and F/V= D, eq. 1.5 becomes (1.6)
Fed-batch Operation (4/11) When the substrate is totally consumed, S 0 and X = Xm = S0Ymx/s. Since dX/dt = 0 at quasi-steady state, then (1.7) If maintenance energy can be neglected, then
(1.8)
Fed-batch Operation (5/11) Figure 1.2.
Fed-batch Operation (6/11) The balance on the rate- limiting substrate without maintenance energy is Where S’ is the total amount of the rate-limiting substate in the culture and So is the concentration of substrate in the feed stream At Quasi-steady state X’= VX
Fed-batch Operation (7/11) The Product Yield Coeficient The Potential Product output The Specific rate of product formation Subtituing yield
Fed-batch Operation (8/11) In term of Product Concentration
Product Concentration at the end of each cycle is given
The Cycle time is define as
Substitution yield
Fed-batch Operation (10/11) Figure 1.3
Fed-batch Operation (11/11) Contoh Soal Dalam fed-Batch reactor dengan volume 1000 ml, terdapat penambahan glukosa (initial substrate concentration 100 g glukosa /l) Kinetic constant of the organism µm = 0.3 /h , Ks =0.1 g glukosa/L. Initial Biomass concentration 30 g. Yield coeficient 0.5 g dw cell/g glukosa. Flow Rate 200 ml/h. t= 2 h. a.Carilah nilai V0 (initial volume of the culture) b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam reaktor pada keadaan steady state c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada t = 2h
Fed-batch Operation (11/11) Homework Dalam fed-Batch reactor dengan volume 500 l, Initial culture volume pada steady state glukosa- campuran berisi nutrient yang ditambahkan pada kecepatan aliran 50 l/h. Konsentrasi glukosa dalam feed solution S0 = 300 g/l dan initial concentration X0 = 20 g/l. Kinetik dan coeficient yield of organism µm = 0.2 h-1 , Ks = 0.5 g/l dan Yx/s = 0.3 g dw /g glukosa . a.Carilah nilai V0 (initial volume of the culture) b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam reaktor pada keadaan steady state c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada t = 10 h
Assignments Tugas Mingguan
1 sheet, two sides printing Q1. Which parameters can be used to evaluate performance of your bioprosess system? Q2. please interpret the meaning of physical and chemical paramater in your selected process Please submitted the assignments before next week, say 24 April. At class’s leader
à Page 21
Rumusan Perkuliahan Pengendalian Bioproses Pengukuran dan pengendalian bioproses merupakan matakuliah terapan dari Elektronika dan Intrumentasi, Sistem Kontrol, Matetmatika Terapan, Fisika serta Kinia dasar. Sistem Pengendalian Bioproses lebih difokuskan kepada arahan dan bimbingan kepada mahasiswa yang akan melakukan pengendalian bioproses dalam penelitian sehingga dasar serta konsep pengendalian yang diajarkan dalam matakuliah ini teraplikasikan. Selain itu sistem pengndalian yang terdapat dalam matakuliah ini merupakan sistem pengendalian yang difokuskan kepada bioproses. Sehingga mahasiswa dapat membedakan konsep proses dan bioproses. Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian
E-Mail:
[email protected] Universitas Brawijaya – Malang Join UB be The Best
à Page 22
