PEMODELAN DAN SIMULASI BIOREAKTOR AIRLIFT UNTUK PRODUKSI VAKSIN

PEMODELAN DAN SIMULASI BIOREAKTOR AIRLIFT UNTUK PRODUKSI VAKSIN Evi Lutfiani1, Widodo W. Purwanto2, Yuswan Muharam3 1

Program Studi Teknologi Bioproses, 123Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]

Abstrak Vaksin merupakan salah satu produk bioteknologi yang terbuat dari sel virus. Vaksin diproduksi pada skala besar dengan mengkultur sel virus di dalam reaktor berpengaduk. Namun, sifat sel yang sensitif membuat sel mudah rusak saat terjadi pengadukan sehingga digunakan reaktor airlift yang menggunakan udara sebagai agitator dan aerator. Proses kultur sel virus dalam reaktor airlift ini dilakukan dengan simulasi menggunakan perangkat lunak berbasis komputasi dinamika fluida. Simulasi dilakukan dengan memodelkan neraca momentum, neraca massa dan kinetika reaksi dari kultur sel. Variasi kecepatan gas inlet dilakukan mulai dari 0,015 m/s, 0,03 m/s dan 0,045 m/s. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terdapat korelasi antar ketiga model tersebut, yakni kecepatan gas inlet akan mempengaruhi gas hold up di dalam reaktor yang mempengaruhi laju perpindahan massa gas-liquid dan profil konsentrasi sel virus di dalam reaktor. Semakin tinggi kecepatan gas inlet akan menyebabkan semakin besar nilai gas hold up dan semakin cepat penyebaran konsentrasi oksigen, konsentrasi sel dan konsentrasi substrat di dalam reaktor. Kata Kunci: Airlift; Bioreaktor; Simulasi; Vaksin

Abstract Vaccine is one of biotechnology products made by viral cells. Along with technology development, cells cultured in large scale using stirred tank reactor. However, a major problem in cultivation is the shear sensitivity of these cells when contacted with the stir. Airlift reactors appear to offer considerable advantages over viral culture systems because it use airgassed as agitator and aerator. Cell culture process in airlift simulated using computational based program. Simulation done with modeling of momentum balance, mass balance and kinetics reaction of cells. Variations of inlet gas velocity is given from 0.015 m/s, 0.03 m/s and 0.045 m/s. Simulation results indicated that inlet gas velocity become a critical factor influence the reactor performance, that are gas hold up, mass transfer and cells cultivation in reactor. The increasing of inlet gas velocity will increase the value of gas hold up and distribution concentration of oxygen, cells and substrate in reactor. Keywords: Airlift; Bioreactor; Simulation; Vaccines

1. Pendahuluan Perkembangan ilmu bioteknologi saat ini terus mengalami kemajuan pesat baik pada skala penelitian di laboratorium maupun pada skala industri. Salah satu produk bioteknologi yang sedang dikembangkan pada

skala industri adalah vaksin. Proses produksi vaksin konvensional dilakukan dengan menggunakan berbagai media (bagian tubuh hewan) sesuai dengan tempat perkembangan virus [6]. Untuk pengembangbiakan skala besar, kultur sel virus dilakukan di dalam reaktor berpengaduk yang dialiri udara yang bertujuan untuk

Pemodelan dan..., Evi lutfiani, FT-UI, 2013

Daftar Simbol a

interfacial area (1/m)

φl

hold up liquid (m3/m3)

φg

hold up gas (m3/m3)

c0

konsentrasi awal sel virus (mol/L)

cS

konsentrasi substrat (mol/L)

Di

difusivitas spesi i (m2/s)

ε

Laju disipasi turbulen (m2/s3)

F

gaya eksternal (kg m/s2)

He

konstanta Henry (Pa m3/mol)

Kd

konstanta kematian sel (1/h)

kg

konstanta pertumbuhan sel (1/h)

kL

koefisien perindahan massa (m/s)

Ks

konstanta Monod (mol/L)

k

energi kinetik turbulen (m2/s2)

mgl

fluks perpindahan massa gas-liquid (kg/m3s)

MO2

berat molekul oksigen (g/mol)

µ µmax

laju pertumbuhan spesifik sel (1/h) Laju reaksi pertumbuhan spesifik sel maksimum (1/h)

N

fluks massa fluida (kg/m2s)

n

arah vektor normal pada kondisi batas

µl

viskositas liquid (Pa s)

µT

viskositas turbulensi (Pa s)

n

vektor normal ke luar boundary

p

tekanan (Pa)

Ri !!

persamaan laju reaksi spesi i

Sk

bubble induced turbulence

ul

kecepatan liquid (m/s)

ug YC/S

kecepatan gas (m/s) yield sel per konsentrasi dikonsumsi (sel/M substrat)

YP/S

yield produk per konsentrasi substrat yang dikonsumsi (M produk/ M substrat)

Sifat sel hewan yang rentan terhadap shear stress menyebabkan terjadinya pembatasan trasnfer oksigen maksimum di dalam kultur, sehingga pengadukan dengan menggunakan udara/oksigen menjadi pilihan yang tepat untuk mengkultivasi sel virus pada skala bioreaktor. Salah satu jenis bioreaktor yang menggunakan udara sebagai alat pengaduk adalah bioreaktor airlift. Penggunaan bioreaktor airlift untuk kultivasi sel ditujukan untuk jenis kultur dengan kebutuhan shear yang rendah, karena pengadukan dilakukan dengan menggunakan udara/oksigen dan tanpa menggunakan pengadukan mekanis. Proses pengadukan di dalam bioreaktor airlift merupakan hal yang penting untuk ditinjau karena berkaitan dengan laju transfer oksigen dari udara ke dalam sel pada fasa cair. Hal ini berkenaan langsung dengan performa pertumbuhan sel virus di dalam bioreaktor. Berbagai penelitian telah dilakukan baik secara eksperimen maupun simulasi untuk meninjau kinerja bioreaktor airlift dilihat dari segi hidrodinamika, transfer massa dan reaksi yang akan mempengaruhi jumlah kultur sel di dalam bioreaktor. Seiring dengan perkembangan teknologi di bidang komputasi, penelitian bioreaktor airlift ini dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak dengan berbagai pendekatan matematis. Pada penelitian ini, akan dilakukan pemodelan dan simulasi dari bioreaktor airlift yang cocok digunakan untuk kultur sel dengan kebutuhan shear yang rendah [1]. Pola aliran di dalam reaktor airlift adalah berupa sirkulasi liquid yan terjadi akibat adanya hembusan gas yang mendorong liquid ke arah aksial dengan kecepatan tertentu hingga mencapai bagian atas reaktor yang kemudian liquid tersebut akan turun ke bagian lain dari reaktor dan bersirkulasi.

2. Pemodelan

densitas gas inlet (g/m3)

1. 2.

substrat

yang

3. 4. 5. 6.

proses respirasi sel. Dengan kata lain, proses perkembangbiakan virus berlangsung melalui fermentasi aerobik dimana pengaliran gas oksigen memegang peran penting untuk pertumbuhan sel virus.

Asumsi pemodelan: Sistem berada dalam kondisi unsteady state Geometri reaktor yang disimulasikan hanya setengah bagian dengan bidang simetri adalah setengah dari ketebalan reaktor. Densitas dan viskositas liquid konstan terhadap temperatur Jenis aliran fluida adalah turbulen Kecepatan gas inlet divariasikan mulai dari 0,015 m/s, 0,03 m/s dan 0,045 m/s Nilai konversi untuk satu sel sama dengan satu mol

Geometri reaktor airlift yang dimodelkan adalah berupa airlift berbentuk rektangular dengan loop eksternal sebagai berikut:


Fasa Gas

•

!∅! !! + ∇!!!∅! = −!!" !" !" + !! !! . ! ! !" =!

!!

(2)

!+

+ !! !" !! + !! !! . ! ! !"

Gambar 1.Geometri reaktor airlift yang disimulasikan [2]

=!

!! ∇! + !! − !! ! !!

(3) (4)

!+

− !!! !

! !! ∇! + !!! !! ! !!

! !! + !! !! , ! = !" ! !

dimana (5)

!!

! ! = !!! ! !! = ! ! [∇!! : ∇!! + ∇!!

!

(

]

!! = −!! ∅! ∇! . !!"#$ Gambar 2. Bagian dasar reaktor (kiri) tempat dua buah lubang untuk inlet gas dan bagian atas reaktor (kanan) tempat outlet gas.

Bagian dasar reaktor merupakan kondisi batas untuk inlet gas yang dibuat dengan dua buah lubang dengan radius sebesar 0,02 m dan bagian atas reaktor merupakan kondisi batas untuk outlet gas. Selanjutnya dilakukan penyusunan model berupa persamaan matematis yang meliputi neraca momentum, neraca massa dan kinetika reaksi a. Neraca Momentum Terdapat dua neraca momentum yang digunakan, yaitu neraca momentum fasa liquid dan neraca momentum fasa gas. [3] • Fasa Liquid

∅! !!

!!! + ∅! !! !! . ! !! = !"

! −!! + ∅! !! + ! ! !!! + !!! + ∅! !! ! + !

!

2 − !! !! 3

b. Perpindahan Massa Gas-Liquid Perpindahan massa oksigen dari fasa gas ke fasa liquid dirumuskan dengan teori dua film sebagai berikut. (8)

!!" = ! ! ∗ − ! !" !∗ =

!!!!"#

(9)

!

dimana c* merupakan konsentrasi oksigen pada lapisan batas gas-liquid dan c merupakan konsentrasi oksigen di fasa liquid yang dihitung dengan menggunakan neraca massa. !!! !"

+ ∇. −!! ∇!! + !. ∇!! = !!

(10)

i menunjukkan spesi O2 dan suku reaksi dirumuskan sebagai (11) !! = !!" /!!! c.

(1)

(7)

Kinetika Reaksi

Persamaan umum pertumbuhan sel [4]: !!"##$ = !! − !!


untuk

kinetika

reaksi (12)

6 )

Laju pertumbuhan sel virus Persamaan yang paling umum digunakan adalah kinetika reaksi Monod untuk pertumbuhan eksponensial: •

(13)

!! = !!! !! !! + !! Laju konsumsi substrat oleh sel virus

! = !!"# •

!! = −!!/! !!

Sisi miring pada channel tersebut menghasilkan perbedaan luas area yang dilalui oleh cairan dimana pada channel yang dekat sisi downcomer memiliki tekanan yang lebih rendah sehingga cairan akan terdorong ke bagian downcomer dan bersirkulasi. [5]

(14)

(15)

dimana YC/S merupakan yield sel virus per konsentrasi substrat yang dikonsumsi. •

Laju kematian sel dinyatakan dengan (16)

!! = !! !!

Untuk mengkalkulasi konsentrasi sel dan substrat di dalam reaktor digunakan persamaan neraca massa untuk tiap-tiap spesi seperti berikut ini. • !!! !"

• !!! !"

(a)

(b)

(c)

(d)

Neraca Massa Sel + ∇. −!! ∇!! + !. ∇!! = !!! − !! !!

(17)

Neraca Massa Substrat

+ ∇. −!! ∇!! + !. ∇!! = −!"/!(!!! − !! !! )

(18)

3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Hidrodinamika Pada subbab ini akan dibahas mengenai hidrodinamika yang terjadi di dalam reaktor airlift serta bagaimana parameter dapat mempengaruhi beberapa sifat aliran pada desain geometri yang dibuat. Profil kecepatan fluida dan gas hold up merupakan parameter penting untuk melihat pola aliran yang terjadi di dalam reaktor airlift. Hasil simulasinya seperti tampak pada Gambar 3. Hasil simulasi ditampilkan berdasarkan pola sirkulasi liquid fungsi waktu dan perubahan gas hold up fungsi waktu. Kecepatan gas inlet adalah sebesar 0,015 m/s. Dari pola aliran tersebut kita dapat melihat pergerakan liquid yang didorong oleh udara pada bagian riser dan mencapai bagian atas reaktor pada t = 20 s. Cairan kemudian akan mengalir ke bagian downcomer melalui channel yang terdapat pada bagian atas reaktor.

(e)

(f)

Gambar 3. Hasil simulasi pola aliran time dependent pada a) t = 0s, b) t = 1s, c) t = 5s, d) t = 10s, e) t = 15s, f) t = 20s. Plot surface menunjukkan fraksi volum gas, sedangkan streamline (garis merah) menunjukkan kecepatan liquid.


Untuk meninjau besar kecepatan gas dan liquid, hasil simulasi di-plot dengan fungsi geometri untuk mengamati besar kecepatan gas dan liquid dari sisi riser, sisi channel dan sisi downcomer seperti pada Gambar 4.

y-‐ coordinate (m)

(a)

(b)

(c)

Gambar 4. Potongan bidang (a) yz pada koordinat x = 0.05 m (riser), (b) zx pada koordinat y = 1.65 m (channel), (c) yz pada koordinat x = 0.4 m (downcomer)

y-‐ coordinate (m)

(a)

x-‐ coordinate (m)

(c) Gambar 5. Profil kecepatan gas (garis hijau) dan liquid (garis biru) fungsi geometri pada sisi (a) riser, (b) channel dan (c) downcomer

Grafik pada Gambar 5 merupakan profil kecepatan rata-rata antara gas dan liquid pada t = 20 s di sepanjang garis pada tiga bagian reaktor, yaitu riser, channel dan downcomer. Pada bagian riser, kecepatan gas dan liquid cenderung konstan dan memiliki kecendrungan yang mirip. Hal ini disebabkan karena gas mendorong liquid pada kecepatan tertentu sehingga pola kecepatan liquid akan mengikuti pola kecepatan gas. Pada bagian channel, liquid akan bergerak menuju downcomer dan mengalami penurunan kecepatan akibat tidak ada pengaruh gaya dorong dari gas. Hingga pada bagian channel di dekat downcomer, kecepatan liquid mengalami peningkatan karena ada pengaruh gaya gravitasi yang mendorong liquid untuk turun ke bawah pada bagian downcomer. Berdasarkan hasil simulasi tersebut, terlihat bahwa kecepatan gas di bagian riser lebih besar daripada kecepatan liquid karena memang dalam model diinput persamaan kecepatan slip untuk gas. Kecepatan gas yang lebih tinggi menyebabkan gas akan mendorong liquid ke atas dan menuju downcomer untuk bersirkulasi. [1] Setelah mencapai bagian atas reaktor, gas akan keluar dan hanya sedikit yang terbawa oleh liquid ke bagian downcomer sehingga kecepatan gas pada sisi ini menjadi lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan liquid. Kontak antara gas dan liquid di dalam reaktor airlift menjadi hal yang penting untuk ditinjau. Salah satu parameter penting yang dihitung dalam fluks perpindahan massa oksigen dari fasa gas ke fasa liquid adalah luas area antar fasa (a) yang menggambarkan seberapa besar luas kontak antar kedua fasa.

(b)


0,03 m/s, penyebaran konsentrasi oksigen terlarut di dalam reaktor menjadi lebih cepat. Hal ini berhubungan dengan gas hold up yang menempati bagian riser yang meningkat seiring dengan kenaikan kecepatan gas. Pada hasil simulasi ini, terlihat bahwa konsentrasi oksigen pada fasa cair menyebar secara merata pada bagian riser dari reaktor per satuan detik. Terlihat bahwa pola penyebaran konsentrasi oksigen di fasa cair mengikuti pola sebaran gas holdup, dimana hanya sedikit sekali oksigen yang terserap di wilayah downcomer. (a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(1a)

(2a)

(3a)

(f)

Gambar 6. Profil interfacial area (a) fungsi waktu pada saat (a) t = 0 s, (b) t = 1 s,(c) t = 5 s, (d) t = 10 s, (e) t = 15 s dan (f) t = 20 s.

3.2. Perpindahan Massa Gas-Liquid Profil konsentrasi oksigen terlarut atau oksigen yang berpindah dari fasa gas ke fasa liquid menjadi variabel penting dalam simulasi karena akan berhubungan langsung dengan aerasi untuk kultur sel. Hasil simulasi menunjukkan adanya pengaruh kecepatan gas inlet terhadap konsentrasi oksigen terlarut, dimana saat kecepatan gas inlet dinaikkan dari 0,015 m/s menjadi

(1b)

(2b)

(3b)

Gambar 7. Profil konsentrasi oksigen terlarut pada (1) t = 8s, (2) t = 12 s dan (3) t = 20 s. Notasi a menunjukkan profil pada kecepatan gas inlet 0.015 m/s dan b pada 0,03 m/s.

3.3. Profil Konsentrasi Sel Virus Pola penyebaran konsentrasi sel virus disimulasikan dari waktu 0 detik hingga 1 menit. Hasil simulasi terlihat bahwa kecepatan gas mempengaruhi penyebaran konsentrasi sel virus di dalam reaktor seperti pada Gambar 8.


partikel liquid sehingga sel menyebar lebih merata di dalam reaktor. Dari hasil simulasi hingga waktu t = 60 detik ini hanya menggambarkan perilaku pengadukan yang terjadi di dalam reaktor. Pada kultur sel, rentang waktu tersebut belum dapat menggambarkan peristiwa pertumbuhan sel maupun konsumsi substrat yang dilakukan oleh sel. 3.4. Profil Konsentrasi Substrat

(1a)

(2a)

(1b)

Hal yang sama juga terjadi pada konsentrasi substrat, dimana penyebaran konsentrasinya di dalam reaktor mengikuti pola sirkulasi liquid akibat adanya gaya dorong dari gas. Profilnya digambarkan pada Gambar 10. Pada gambar tersebut terlihat jelas pola penyebaran konsentrasi substrat di dalam reaktor mirip dengan pola penyebaran konsentrasi sel virus. Hal ini disebabkan karena substrat berada dalam fasa cair bersama dengan sel virus. Pada rentang waktu simulasi t = 60 menit, belum nampak adanya pengurangan konsentrasi substrat yang dikonsumsi oleh sel virus dan hanya menggambarkan pola pengadukan substrat di dalam reaktor.

(2b)

(1a) (3a)

(1b)

(3c)

Gambar 8 Pola penyebaran konsentrasi sel virus di dalam reaktor pada saat (1) t = 20 s, (2) t = 40 s dan (3) t = 60 s. Notasi a menunjukkan profil pada kecepatan gas inlet 0.015 m/s dan b pada 0,03 m/s.

Sel virus ikut bersirkulasi pada fasa liquid akibat adanya gaya dorong dari gas pada inlet sehingga penyebaran konsentrasinya di dalam reaktor mengikuti pola sirkulasi liquid. Terlihat pada Gambar 8 bahwa penyebaran konsentrasi sel virus pada kecepatan inlet gas sebesar 0,03 m/s menjadi lebih besar dibandingkan dengan saat kecepatan gas inlet sebesar 0,015 m/s. Perbedaan ini disebabkan karena semakin besar kecepatan gas, maka akan meningkatkan penyebaran

(2a)


(2b)

[5] Hamood, Mian. (2012). Mixing Characteristics of External Loop Airlift Bioreactor using Electrical Resistance Tomography, Theses and Dissertations. Ryerson University. Toronto. [6] Palomares L. A., dan Ramirez O.T. (2009). Challenges for the Production of Virus-like Particles in Insect Cells: The Case of Rotavirus-like Particles, Biochemical Engineering Journal. 45: 158-167.

(3a)

(3b)

Gambar 9. Pola penyebaran konsentrasi susbtrat di dalam reaktor pada saat (1) t = 20 s, (2) t = 40 s dan (3) t = 60 s. Notasi a menunjukkan profil pada kecepatan gas inlet 0.015 m/s dan b pada 0,03 m/s.

4. Kesimpulan Dari hasil simulasi diketahui bahwa kecepatan gas inlet sangat mempengaruhi berbagai peristiwa di dalam reaktor. Semakin tinggi nilai kecepatan gas inlet akan meningkatkan nilai gas hold up di dalam reaktor yang mengakibatkan luas antarfasa gas-liquid semakin besar dan konsentrasi oksigen terlarut semakin menyebar di dalam reaktor. Selain itu, semakin tinggi kecepatan gas inlet juga mempengaruhi pola penyebaran konsentrasi sel virus dan konsentrasi substrat di dalam reaktor, dimana konsentrasinya akan lebih cepat menyebar seiring dengan kenaikan nilai kecepatan gas inlet. Akan tetapi, pada waktu 1 menit ini belum dapat terlihat pola pertumbuhan sel virus maupun konsumsi substrat di dalam reaktor karena hal tersebut baru dapat terjadi dalam beberapa jam dari reaksi kinetika pertumbuhan. Hal ini disebabkan karena adanya keterbatasan dari solver yang digunakan dalam penelitian ini.

Daftar Acuan [1] [2]

[3] [4]

Chisti, M. (1989). Airlift bioreactors. Elsevier Applied Science. New York Becker, S., Sokolichin, A. and Eigenberger, G. (1994). Gas-liquid flow in bubble columns and loop reactors: Part II. Comparison of detailed experiments and flow simulations, Chemical Engineering Science 49, No. 248 5747–5762. Bird, R. Byron, Stewart W.E., dan Lightfoot E.N. (1960). Transport Phenomena, John Wiley & Sons. Singapore. Fogler, Scott H. (2004). Elements of Chemical Reaction Engineering 3rd Edition, Prentice-Hall. India.


PEMODELAN DAN SIMULASI BIOREAKTOR AIRLIFT UNTUK PRODUKSI VAKSIN

Recommend Documents