BIOINDUSTRI: BIOREAKTOR
Nimas Mayang Sabrina S, STP, MP Lab. Bioindustri, Jur Teknologi Industri Pertanian Universitas Brawijaya Email :
[email protected]
1. PENDAHULUAN - Pengantar - Tujuan - Definisi
2. FUNGSI DASAR BIOREAKTOR 3. PEMILIHAN BIOREAKTOR 4. TIPE BIOREAKTOR
1. PENDAHULUAN
1.2 Tujuan Penguasaan materi dalam modul ini, yang dirancang sebagai landasan dasar Bioindustri, akan dapat Mengetahui dan mengenal tentang tipe dan operasi bioreaktor pada sistem bioindustri.
10 Minggu 10 SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT (SPEED)
1.1 Pengantar Bioindustri adalah industri yang melibatkan kerja mikroba dalam memproduksi barang dan jasa. Agar dapat berlangsung secara optimal, setidaknya terdapat dua komponen penting dalam bioindustri, yaitu biokatalis (enzim atau sel hayati) dan kondisi lingkungan. Pengendalian lingkungan yang optimal pada sistem bioindustri memerlukan suatu wahana pendukung. Wahana untuk proses biologis dalam hal ini adalah bioreaktor. Bioreaktor merupakan peralatan atau wadah dimana di dalamnya terjadi transformasi biokimia dengan adanya aktivitas sel mikroba atau enzim. Dalam bab ini akan dipelajari mengenai tipe bioreaktor dan segala hal yang berkenaan dengan pengoperasiannya sehingga diharapkan dapat mengoptimalkan pemakaian biofilter.
MODUL
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
1.3 Definisi Bioreaktor merupakan peralatan atau wadah dimana di dalamnya terjadi transformasi biokimia dengan adanya aktivitas sel mikroba atau enzim.
2. FUNGSI DASAR BIOREAKTOR FUNGSI DASAR: Memberikan lingkungan yang terkontrol (suhu, pH, O2 terlarut, dll) untuk pertumbuhan mikroba dalam menghasilkan produk yang diinginkan Optimasi petumbuhan biokatalis/pembentukan produk dapat dicapai dengan memasok: 1. Sumber energi 2. Nutrisi (hara) penting untuk memenuhi semua kebutuhan mikroba 3. Inokulum 4. Penghilangan komponen penghambat dari media 5. Kondisi fisikokimiawi yang optimal
3. PEMILIHAN BIOREAKTOR Beberapa hal yang harus dijadikan pertimbangan pada pemilihan bioreaktor antara lain: Jenis mikroba yang digunakan Galur stabil yang cocok untuk sinambung Sifat mikroba (aerobik/anaerob) Jenis dan ukuran sel (bulat lebih rentan dari yang berfilamen) Sifat media Contoh: udara dan metana yang eksplosif harus dipilih bioreaktor yang tanpa volume udara Parameter proses OTR (oxygen transfer rate) Faktor produksi Biaya dan persediaan bahan mentah Fasilitas perdagangan Pasar Aturan kerja & keselamatan
Page 2 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Persyaratan Konstruksi dan Rancang Bangun Reaktor Bejana harus dapat dioperasikan secara aseptik Aerasi dan agitasi memadai untuk pertumbuhan mikroba aerob Konsumsi tenaga dan daya listrik sekecil mungkin Mempunyai sistem pengontrol suhu dan pH Mempunyai sarana untuk pengambilan contoh Evaporasi tidak berlebihan Peralatan harus praktis dan membutuhkan tenaga kerja sedikit Permukaan bagian dalam bioreaktor licin Geometri bioreaktor skala kecil, pilot plant dan skala besar sebaiknya sama untuk memudahkan penggandaan skala Bagian-bagian reaktor: Suatu bioreaktor terbagi menjadi : volume kerja (working volume) dan volume head-space seperti yang terlihat pada gambar. Volume kerja : fraksi volume total yang dipakai media, mikroba dan gelembung gas volume yg tersisa = “head-space”.
Umumnya volume kerja : 70-80 % volume bioreaktor, tergantung busa yang terbentuk Bila banyak busa yg terbentuk, maka dibutuhkan headspace lebih besar dan volume kerja yang lebih kecil
Page 3 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
4. TIPE REAKTOR Tipe-tipe bioreaktor dapat dilihat pada bagan di bawah ini:
Tipe Bioreaktor
Bahan Konstruksi Bioreaktor Bioreaktor skala laboratorium dengan volume kurang dari 10 L terbuat dari gelas Pyrex Bioreaktor yang lebih besar terbuat dari stainless stell Bioreaktor Berdasarkan Metode Aerasi Bioreaktor berdasarkan metode aerasinya dibagi menjadi empat, yaitu kultur diam, labu kocok, bioreaktor berpengaduk (STR), bioreaktor kolom gelembung/bubble column. a. Kultur Diam Tidak ada tanaga yang digunakan untuk aerasi aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kultur Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana suplai oksigen tidak terlalu penting Jenisnya : a. T-Flasks Digunakan pada kultur sel hewan skala kecil Inkubasi dilakukan secara horizontal untuk memperluas permukaan b. Fernback flasks Contoh : teh Kombucha (teh yang diinokulasi dengan khamir dan bakteri asam laktat) c. Kultur Permukaan Penggunaannya tidak terbatas di laboratorium Contoh : pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger Sistem kultur permukaan dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Page 4 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
den c. Labu Kocok Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam Keterbatasan transfer oksigen masih tidak dapat dihindari apabila menginginkan densitas sel yang tinggi
Baffle meningkatkan efisiensi transfer O2 (Orbital Shaker) d. Bioreaktor Berpengaduk (STR) Skema bioreaktor tangki teraduk (Stirred Tank Reactor = STR) yang digunakan untuk kultivasi mikrobial adalah sebagai berikut.
Page 5 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Geometri Standar Bioreaktor Tangki Teraduk Bentuk geometri hampir silindris atau mempunyai bentuk dasar melengkung untuk membantu pencampuran (mixing) isi bioreaktor. Mempunyai konstruksi berukuran (dimensi) standar (e.g. International Standards Organization dan British Standards Institution) yang memperhitungkan keefektifan pencampuran dan konsiderasi struktur. Penampang reaktor berpengaduk dapat dilihat pada Gambar.
Keterangan : Da : Diameter impeller (agitator); Dt : diameter tangki; Db : Diameter baffle HL : Tinggi cairan dalam bioreaktor; Ht : Tinggi bioreaktor L : Lebar bilah Impeller; W : Tinggi bilah Impeller E : Jarak antara pertengahan bilah impeller
Perlengkapan dasar tangki berpengaduk Perlengkapan dasar tangki berpengaduk antara lain sistem agitasi, sistem pemasokan oksigen, sistem pengendalian busa, sistem pengendalian suhu, sistem pengendalian ph, lubang (port) pengambilan sampel, sistem pembersihan dan sterilisasi dan saluran untuk mengumpulkan dan mengeluarkan isi bioreaktor. a. Sistem agitasi Fungsi sistem agitasi : Agar pencampuran merata meningkatkan laju perpindahan massa menembus film pembatas cairan dan gelembung udara Memberikan kondisi "shear" yang dibutuhkan untuk memecah gelembung udara luas permukaan pindah massa lebih besar Sistem agitasi terdiri dari : agitator dan baffle. Baffle digunakan untuk memecah aliran cairan dalam rangka meningkatkan turbulensi dan efisiensi pencampuran.
Page 6 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Jumlah impeller tergantung dari tinggi cairan dalam bioreaktor Tiap impeller terdiri dari 2 - 6 bilah (blade). Kebanyakan kultivasi mikroba menggunakan Rushton turbine impeller. b. Sistem pemasokan oksigen Terdiri dari : Kompressor yang menekan udara masuk ke dalam bioreaktor Sistem sterilisasi udara masuk (inlet) Sparger udara Sistem sterilisasi udara keluar
c. Sistem Pengendalian Busa Pada bioreaktor yang menggunakan sparger, diperlukan pengendali busa Busa yangberlebihan akan menyebabkan penyumbatan pada filter udara keluar dan terbentuk tekanan di dalam bioreaktor menyebabkan kehilangan media dankerusakan bioreaktor Busa dikendalikan dengan penambahan senyawa anti busa (silikon atau minyak nabati) Penambahan senyawa anti busa yang berlebihan dapat memperkecil laju perpindahan oksigen.
Faktor yang Menyebabkan Terbentuknya Busa: Media fermentasi kaya protein (e.g whey powder dan corn steep liquor) Produk yang dihasilkan selama fermentasi (senyawa mirip deterjen : protein & lemak) Page 7 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Laju alir udara dan kecepatan agitasi semakin besar kecepatan agitasi & laju aerasi meningkatkan pembentukan busa Antisipasi: Penggunaan alat pemecah busa mekanis dapat mengurangi kebutuhan senyawa antibusa Volume “head space” semakin besar volume head-space, kecenderungan busa untuk pecah karena bobotnya sendiri
semakin
besar
Suhu condenser densitas busa meningkat saat berpindah dari volume head-space bersuhu hangat ke daerah condenser yang lebih dingin, sehingga busa pecah
d. Sistem Pengendalian Suhu Terdiri dari : temperature probes heat transfer system jacket atau coil (efisiensi lebih baik tapi sulit dibersihan dan disterilisasi)
e. Sistem Pengendalian pH Terdiri dari : pH probe, sistem pemberian alkali dan sistem pemberian asam
Basa/asam yang digunakan jangan yang korosif atau toksik terhadap sel mikroba. KOH lebih baik, namun lebih mahal dibandingkan NaOH. Page 8 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Pada bioreaktor skala kecil sering digunakan NaCO3. HCl sebaiknya tidak digunakan karena sangat korosif. Penggunaan asam sulfat jangan lebih besar dari konsentrasi 10 %.
f. Lubang (port) pengambilan sampel Lubang ini didesain untuk memudahkan peneliti dalam pengambilan sampel sehingga tidak memberi pengaruh buruk terhadap kondisi di dalam reaktor. g. Sistem Pembersihan dan Sterilisasi -
Sterilisasi udara masuk mencegah kontaminasi mikroba dari udara yang masuk ke dalam bioreaktor Sterilisasi pada udara keluar mencegah kontaminasi udara terhadap mikroba dari dalam bioreaktor Metode umum untuk sterilisasi adalah filtrasi :
Bioreaktor kecil (volume kurang dari 5 L) menggunakan membran Teflon berbentuk cakram (disk). Bioreaktor laboratorium skala besar (sampai 1000 L), digunakan "pleated membrane filter" yang dilekatkan pada “polypropylene cartridges” luas permukaan untuk filtrasi udara lebih besar, sehingga menurunkan tekanan yang dibutuhkan untuk melewatkan udara melalui filter Sistem Sterilisasi Udara Tekanan Positif Selama sterilisasi, digunakan konsep mempertahankan tekanan positif selama sterilisasi, pendinginan dan pengisian dan proses kultivasi udara harus dipompa (aerasi) ke dalam bioreaktor untuk mencegah kontaminan dari udara tidak akan tersedot ke dalam bioreaktor. Konsep tekanan positif ini dapat dilihat pada gambar.
(a)
(b)
Page 9 of 10
Bioindustri / Bioreaktor
Brawijaya University
2012
Pada gambar (a), tidak terjadi tekanan prositif dari udara, karena tekanan di luar reaktor lebih besar dari tekanan di dalam reaktor, sehingga kontaminan dapat masuk ke dalam reaktor. Sebaliknya pada Gambar (b), kestrerilan reaktor terjaga karena ada tekanan udara yang masuk ke dalam reaktor (Pi) sehingga dapat menghalau udara berisi kontaminan yang berasal dari luar. h. Saluran untuk mengumpulkan dan mengeluarkan isi bioreaktor Pada akhir proses fermentasi, reaktor perlu untuk dibersihkan, sehingga terdapat saluran untuk mengumpulkan dan mengeluarkan isi reaktor dengan mudah, sehingga mengurangi kemungkinan reaktor rusak pada saat pembersihan.
REFERENSI Anonyomus. 2012. Bioreactor. http://www.ars-fla.com/_fpclass/fp_bio-reactors.html . Diakses pada tanggal 27 Juni 2012. Suharto, Ign. 1995. Bioteknologi dalam Dunia Industri. Andi offset, Yogyakarta.
PROPAGASI A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal) 1. Dari keempat jenis reaktor menurut anda, jenis mana yang paling ideal untuk digunakan?
B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri) 1. 2. 3. 4.
Apa yang dimaksud dengan bioreaktor? Apa yang dimaksud dengan Stirred Tank Rector (STR)? Apa yang dimaksud dengan agitator? Bagaimana mekanisme tekanan positif pada sistem sterilisasi udara pada bioreaktor? 5. Apakah yang menyebabkan busa pada operasi bioreaktor?
Page 10 of 10
