Peningkatan Skala (scalingup) Bioreaktor Djumali Mangunwidjaja Bagian Bioindustri Dept Teknologi Industri Pertanian,IPB
PENGERTIAN: (1) pengembangan suatu sistem baru yang lebih besar (kapal,pesawat,pabrik,administrasi) (2) Perancangan dan penyusunan sistem lebih besar berdasarkan hasil percobaan pada skala kecil
MENGAPA PERLU PS ? Proses bioteknologis (bioproses) melibatkan beberapa fenomena (fisik,kimia,biokimia) yang rumit dan kompleks, sehingga sangat riskan kalau dilakukan dengan coba-coba (trial-error). Bioreaktor merupakan komponen biaya yang besar dari sisi investasi
PS bagian dari Perancangan Bioreaktor (Bioreactor Design) : (1) empirispragmatis, (2) empiris-sistematis
Bioreaktor mini (lab): riset dasar – media produk,kelayakan
Pilot-plant: kriteria PShasil,P/V,HvTR,OTR,mutu produk
Bioreaktor komersial: produksi secara industri
Bioreaktor mini (lab): riset eksploratif – media produk,kelayakan
Bioreaktor Model sempurna bioreaktor (analisis kinetika : pemodelan,biokinetika,perpindahan,uji model)
Pilot plant:perancangan proses (OTR,hasil,P/V,HvTR,ujiekonomis)
Bioreaktor komersial: produksi secara industri
3 FENOMENA PENTING DALAM PERANCANGAN BIOREAKTOR TERMODINAMIKA: TIDAK TERGANTUNG SKALA (kelarutan oksigen, tekanan parsial) MIKROKINETIKA : TIDAK TERGANTUNG SKALA (pertumbuhan sel, pembentukan produk,penggunaan substrat) PERPINDAHAN : TERGANTUNG PADA SKALA (laju geser, perpindahan oksigen, perpindahan massa, difusi, aerasi)
METODA PENINGKATAN SKALA Dasar
Semi Dasar
Analisis Dimensional
Kaidah Ibujari
Coba-coba/trialerror
Penggunaa neraca massa (mikro) untuk perpindaha n massa,mom entum,pana s
Penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan (aliran piston/sumbat/pl ug-flow, aliran piston dg dispersi, aliran percampuran sempurna
Penggunaan gugus takberdimens i. Selama peningkatan parameter tak berdimensi ini dijaga tetap
Berdasark an pengalam an empiris, dirumuska n pedoman umum
Penggunaan prinsip cobasalah-ulang. Sudah jarang diterapkan
Sistem imobilisasi
Sebagian besar Bioreaktor sistem bioproses kompleks, sistem imobilisasi
Sebagian besar sistem bioproses
Bioproses sederhana
Beberapa kasus peningkatan skala Semidasar : aliran piston dengan dispersi - V dc/dx2 + De d2c/dx2 – r = 0 AD : pers diatas diubah menjadi pers = takberdimensi, mis. C dan X dibagi dengan suatu tetapan Îtak berdimensi (mis Co dan L) -v Co d(C/Co)/Ld(x/L) + De Cod2(C/Co)/L2d(x/L)2 – k Co(C/C0) = 0 &=C/Co dan K=x/L Î - vL/De d&/dK + d2c/dK2+ KL2/De.& = 0 Î Pers baru AD : & =f (vL/De,KL2/De,K) Kaidah ibujari : Pers pd bejana berpengaduk Kla = e (Pg/V)a (Vs) b
Beberapa kasus peningkatan skala Kaidah ibujari : pengembangan kriteria/patokan PS ___________________________________________ Kriteria
nilai pada skala 1000X (Vm = 10 L)
PS
P
P/V
N (t/mn)
ND
Re
N/D
_______________________________________________ P/V
1
0,22
2,15
2,15
10.000
100
1
100
0,1
ND
100
0,1
0,1
1
Re
0,1 10-4
N
N/D
1000
10.8
10.5
10 -2 10
0,1 100
10 1 1000
0,22 10 10-3 1
ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI Bioindustri Îindustri yang menerapkan bioproses (kompleks) : industri berisiko tinggi Meskipun demikian: bioindustri Î industri paling tinggi nilai tambah Î tinggi keuntungan (profitability) Sangat bergantung R&D Î jarak labo dg komersial sangat dekat Profitability = f (t, biaya R&D)Î biaya pengembangan vs waktu (lab,pilotplant, demo,produksi) teknologi baru 80% perdagangan bioproduk : farmasi dan medis
ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI Tahapan pengembangan pabrik Bioindustri Pembangkitan gagasan (inception) Evaluasi awal pasar dan ekonomi Perancangan awal ( predesign) Pengembangan data yang diperlukan untuk rancangan akhir Analisis ekonomi purna Rancangan teknik rinci (detailed eng design) Pembelian Konstruksi Start-up dan ujicoba Produksi
ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI 4 HIRARKI pengembangan proses u/ Bioindustri • • • •
Batch (curah) vs Continuous (sinambung) Struktur masukan - keluaran Reaksi, termasuk pendaurulangan (recycling) Pemisahan dan pemaduan energi
TAHAPAN PROYEK • Pemasaran/penjualan (y1 – y4(1/2)) • R&D (y1) • Engineering (y1 – y2 (1/2)) • Produksi (y1(1/2) – y4,......yn )
FAKTOR UTAMA PROFITABILITY Sukses suatu bioproduk bergantung pada mutu, teknologi produksi, keamanan toksikologis, dan kelayakan produksi Harga bioproduk ditentukan banyak faktor bergantung pada sektor, lokasi, aturan, struktur perusahaan dll Biaya produksi : biaya tetap (fixed costs) & biaya berubah (variable costs) Biaya tetap : fasilitas produksi, bangunan, utilitas, instalasi, start-up, biaya administrasi. Maintenace costs : keamanan,asuransi, pengawasan mutu, R&D Biaya berubah : bahan dasar/ substrat ,bahan bakar,energi, tenagakerja produksi KOMPONEN : proses (BB = 51%, BT =21%), pemanenan (BB=12%, BT = 5%) overhead 8%
FAKTOR UTAMA PROFITABILITY
BIAYA SUBSTRAT PENGELOLAAN ENERGI & UTILITAS LAIN (AIR, STEAM, DLL) PENGEMBANGAN PROSES PENGEMBANGAN BIOREAKTOR PEMANENAN PURIFIKASI PRODUK
EKONOMI BIOINDUSTRI Analisis beaya didasarkan : MODAL (perlengkapan bioproses dan pemanenan produk) BIAYA PRODUKSI (upah,supplies,pemeliharaan,pajak,depresiasi, dll) BIAYA BAHAN DAN UTILITAS (substrat,bahan tambahan,pengemasan,listrik,gas,steam, air)
EKONOMI BIOINDUSTRI Perkiraan Biaya Produksi : depresiasi = 6,7 – 10% modal pajak dan asuransi = 2 – 6 % modal (tergantung lokasi0 Upah,kecuali supervisi pemeliharaan = 70 – 100 % upah pekerja langsung pekerja taklangsung = 30 – 50 % upah pekerja langsung associated payroll costs = 20 – 40 % payroll supplies = 20 – 30 % upah pekerja langsung overhead = 50 – 70 % upah pekerja langsung pemeliharaan = 4 – 8 % modal beaya umum : penjualan/administrasi/R&D : 10 -15% harga jual bersih, provisi pajak = 50% laba, start-up = 5-10% modal, modal kerja = 20 -30% harga jual bersih
EKONOMI BIOINDUSTRI Analisis kelayakan finansial = profitability: nilai sekarang (NPV, net present value) Î positif Internal Rate of Return (IRR) Î IRR> bunga pinjaman Nisbah untung/biaya (B/C Ratio) Î >1 Waktu pengembalian modal (PBP, payback period) Î
bunga pinjaman RINCI Î PERLU DILAKUKAN ANALISIS KEPEKAAN (SENSITIVITAS)
EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Modal (capital costs)- komponen(%) peralatan bangunan baja instalasi
18 4 1
pengukuran dan pengendalian pemipaan instalasi listrik bangunan piranti bahan kerja tanah
2 9 12 9 16 2
laboratorium 3 spare parts 0,5 operasi teknik 7 instalasi 5 stock, modal kerja,pemeliharaan,wahana dll
9
EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Biaya produksi (operating costs)- komponen(%) FAKTOR BIAYA bahan dasar staf pemeliharaan laboratorium bahan kerja/utilitas steam listrik air penanganan limbah lain-lain
FERMENTASI 46 5 12
PEMANENAN 3 6 3
0,3 2 13
3 2 0,3 2 2
EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Biaya bahan dasar/substrat - komponen(%) SUBSTRAT glukosa sodium phenylacetate corn step liquor ammonium sulfat potassium fosfat lain-lain
47 40 4 2 2 5
Ekonomi biofuel (alcohol) • BIAYA PRODUKSI (komponen, %) • FAKTOR BIAYA
BASIS cassava
Investasi Substrat utama 60 Enzim,bahan kimia 16 Staf 3 Pemeliharaan,asuransi manajemen 5 Pajak 4 Depresiasi 8 Net proceeds 8 Harga jual,fob 100
tebu 57 4 4 7 7 14 14 100
