Deskripsi
Rekayasa Bioproses (Kode MKA: 114151462)
Bioreaktor sistem kontinyu: Prinsip sistem kontinyu CSTR CSTR dengan daur ulang PFR
Pertemuan Ke-5 Bioreaktor Sistem Kontinyu Dosen: Ir. Sri Sumarsih, MP. E-mail:
[email protected] Weblog: Sumarsih07.wordpress.com Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk
1
Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk
ISI MATERI
Jenis Bioreaktor Kontinyu CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik
Tujuan Instruksional Khusus (TIK)
Menyusun alur M l proses kontinyu k ti dalam d l bioreaktor
Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk
3
2
Sistem bioreaktor CSTR Penggunaan jenis enzimatik bioreaktor tergantung
metoda yang digunakan untuk mencapai tingkatan g aktivitas enzimatik yang diperlukan, atau cara mempertahankan konsentrasi enzim, yang ditetapkan dengan neraca massa
CSTR enzimatik Neraca massa pada CSTR: Jumlah substrat masuk per satuan waktu
+
Jumlah substrat b yang ditransformasi per satuan waktu
Jumlah substrat b yang keluar = per satuan waktu
+
Variasi jumlah l h substrat per satuan waktu
Q S0 – rs = QS + V (dS/dt) Dalam keadaan steady state: dS/dt = 0 maka neraca substrat: Pendaur ulangan enzim hanya layak jika enzim dapat dipisahkan secara murah dari aliran produk yang keluar dari bioreaktor. Bisa dengan teknik pengisian enzim ke dalam surfaktan cair/membran fosfolipida dan immobilisasi enzim pada penyangga magnetik
CSTR enzimatik
Q(S0 – S) = rs rs : laju pengurangan substrat dalam reaktor
CSTR enzimatik Waktu lewat/waktu tinggal dalam bioreaktor: τ = V/Q /Q Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor: a. Kinetika Michaelis-Menten Q(S0- S) = V (Vµµtmaks.S)/(K S)/(KM +S)
Waktu lewat/tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai τ Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor tergantung kinetika reaksi
a. Ada Penghambatan oleh substrat Q(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S+ (S2/K1))
CSTR Bioreaktor sel
Teori kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu
Pada bioreaktor kontinyu dapat terjadi: • Pemanjangan pertumbuhan sel • Laju konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media (baik substrat maupun produk), dan laju pertumbuhan dapat dipertahankan pada keadaan tunak (stasioner) • Kondisi optimal untuk memproduksi biomassa atau produk
Teori kemostat untuk sistem kontinyu, digunakan hipotesis sbb: • Bioreaktor teragitasi secara baik •Volume media konstan
CSTR Bioreaktor sel
CSTR Bioreaktor sel dengan pendaur ulangan
Dari gambar 5.16 maka dapat dihitung pada keadaan stasioner: Neraca biomassa: jjumlah biomassa + Jumlah biomassa = jjumlah biomassa + variasi jjumlah Masuk/waktu
terbentuk/waktu
keluar/waktu
biomassa perwaktu
Skema CSTR dengan pendaur ulangan
QX0 + V rµtx = QX + (d(XV)/dt) Analisis kinetik CSTR dengan pendaur ulangan: Laju pembentukan biomassa per satuan waktu : rµtx = Q/V(X-X0)
Neraca substrat: Q QS0 - V rµts = Q QS + ( (d(VS)/dt) ( )/ )
Laju dilusi(D) (pengenceran) lebih besar dari laju pertumbuhan spesifik (µ) Konsentrasi sel pada aliran daur lebih tinggi dibanding aliran keluar
Laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor: rµts = D (S0-S)
Laju pertumbuhan sel sama tetapi dapat memproses substrat lebih banyak
Neraca produk: V rµtp = QP + (d(V/P)/dt)
Produk biomassa per satuan volume lebih besar dari CSTR biasa
rµtp = laju pembentukan produk per satuan volume bioreaktor
Berproses pada laju D tinggi tanpa terjadi pencucian sel keluar bioreaktor (washout), pada CSTR biasa apabila D>µ akan terjadi washout
CSTR Bioreaktor sel Kemostat dalam praktek ada beberapa pembatas substrat: • Pembatas substrat: C, K, Mg, fosfat, N, sulfat, dan substrat kompleks
PFR (Plug Flow Reactor)/PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) Sistem Bioreaktor Piston/aliran sumbat Neraca massa:
• Pembatas oksigenasi
QS rµts dV = (S + dS) QS-
• Reaksi penghambatan • Pendaur ulangan biomassa
CSTR dengan pendaur ulangan biomassa
Aliran piston dengan kecepatan tetap, setiap lapisan tipis zalir yang mengalir dalam pipa atau bejana tidak beraksi dengan lapisan di sebelahnya. Setiap lapisan zalir merupakan bioreaktor batch, sehingga apabila waktu tinggalnya sama d dengan sistem i t b t h maka batch, k produk d k yang keluar k l sama dengan d bioreaktor batch. PFTR pada volume sama, konsentrasi substrat dan produk lebih tinggi dari CSTR. PFTR untuk memaksimalkan konsentrasi produk pada aliran keluar.
Perbandingan PFR dan CSTR
OTR (oxygen transfer rate) PFTR Bioreaktor sel
Perbandingan waktu tinggal/lewat (τ): CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ rµts PFR
: τ = V/Q = dS/ rµts …………………..waktu lebih pendek rµts : laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor konsentrasi substrat masuk (S0) dan keluar (S)
a
b
PFR Bioreaktor sel
Rangkuman Bioreaktor sistem kontinyu:
Prinsip sistem kontinyu: Konsentrasi substrat, sel/enzim, dipertahankan dalam keadaan steady state
CSTR
CSTR dengan daur ulang
Bioreaktor sel dan bioreaktor enzimatik
Berproses p pada laju p j D tinggi gg tanpa p terjadi j pencucian sel keluar p bioreaktor (washout), pada CSTR biasa apabila D>µ akan terjadi washout
PFR: menyerupai suatu aliran piston (plug-flow) dengan kecepatan tetap, setiap lapisan tipis zat alir yang mengalir dalam pipa merupakan suatu bioreaktor curah (batch). Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk
TUGAS KELOMPOK sebagai latihan
Referensi
Tugas ke 4:
SUSUN ALUR BIOPROSES SESUAI DENGAN TUGAS KE 2 YANG SUDAH DIKERJAKAN MENGGUNAKAN SISTEM KONTINYU
18
Wajib Sri Sumarsih,, 2007. Materi kuliah Rekayasa y Bioproses. p on line dalam Weblog: Sumarsih07.Wordpress.com (juga dapat diakses melalui www.google.com dengan kata kunci bioproses UPNVY).
Tambahan
Mangunwidjaya, D. dan Suryani, A. 1994. Teknologi Bioproses, Penebar Swadaya. Jakarta.
Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk
20
