Sekolah Pasca Sarjana IPB PS : Bioteknologi, Teknologi Industri Pertanian,Ilmu Pangan 2006
Pendayagunaan katalis hayati (sel: mikroba, tanaman, hewan,organel, enzim) secara teknologi untuk industri dan jasa
Bioproses :integrasi biosintesis selular ke rekayasa proses industri; kinetika dan pemodelan reaksi bioproses : enzimatik,selular; fenomena perpindahan massa; strategi perancangan bioproses (bioreaktor,proses –curah,sinambung,fedbatch, dll); sistem katalis imobil;proses hilir; pengantar optimasi, pengendalian dan otomasi bioproses
Berdasarkan Tipe Agen Biologis : ¾ Bioreaktor mikrobial ¾ Bioreaktor enzim ¾ Bioreaktor sel tanaman ¾ Bioreaktor sel hewan
Berdasarkan Kebutuhan Proses : ¾ Aerobik : terendam & permukaan ¾ anaerobik Berdasarkan Metode Aerasi : ¾ Biakan diam ¾ Labu kocok ¾ Bioreaktor berpengaduk (STR) ¾ Bioreaktor kolom gelembung/bubble column ¾ Menara udara/Air lift ¾ Unggun fluidisasi/Fluidizedbed
ª ª ª ª ª ª ª
PENDAHULUAN : lingkup rekabio, rekayasa dalam bioproses, pemahaman rekayasa untuk transfer biosintesis selular ke skala industri, pemilihan proses dan bioreaktor (DM) DASAR BIOPROSES : dasar pemodelan: terstruktur & takterstruktur, perpindahan massa, perancangan bioreaktor (DM) KINETIKA BIOPROSES ; enzimatik, mikrobial (stoikiometri, kinetika pertumbuhan, konsumsi substrat, produksi metabolit, yield) (AS,KS) PERANCANGAN BIOREAKTOR : batch, continuous, fedbatch, multistages, recycling, high density, membrane (enzim, sel mikroba, tanaman, hewan) (DM) PROSES HILIR : prinsip pemanenan, pemisahan & pemurnian produk (KS) KONTROL & INSTRUMENTASI : sistem & dasar pengendalian, otomasi, penerapan (AS) TOPIK KHUSUS : Vaksin/nanobiotechnology,metabolite
engineering (DT)
ª Aiba S,Humphrey,AE & Millis,NF.1973.Biochemical Engineering.2nd ed. University of Tokyo Press.Tokyo ª Brauer H (ed) 1983. Biotechnology, vol 2 : Fundamental of Biochemical Engineering,VCH. Weinhein ª Bu’Lock J & Kristiansen B.1987. Basic Biotechnology. Academic Press. London ª Rehm,HJ & Reed (eds). 1993. Biotechnology, vol 3. Bioprocessing. Second, completely revisi edit.VCH. Weinhein ª Van’t Riet, K & Tamper, J. 1991. Basic Bioreactor Design. Marcell Dekker Inc, New York ª Mangunwidjaja, D & Suryani A. 1994. Teknologi Bioproses. Penebar Swadaya. Jakarta ( edisi 2 revisi -2007. in prep.)
ª Bejana harus dapat dioperasikan secara aseptik ª Aerasi dan agitasi memadai untuk pertumbuhan mikroba aerob ª Konsumsi tenaga dan daya listrik sekecil mungkin ª Mempunyai sistem pengontrol suhu dan pH ª Mempunyai sarana untuk pengambilan contoh ª Evaporasi tidak berlebihan ª Peralatan harus praktis dan membutuhkan tenaga kerja sedikit ª Permukaan bagian dalam bioreaktor licin ª Geometri bioreaktor skala kecil, pilot plant dan skala besar sebaiknya sama untuk memudahkan penggandaan skala
ª Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi ⇒ aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kultur ª Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana suplai oksigen tidak terlalu penting ª Jenisnya : a. T-Flasks b.Fernback flasks c. Kultur Permukaan
ª Digunakan pada kultur sel hewan skala kecil ª Inkubasi dilakukan secara horizontal untuk memperluas permukaan
ª Contoh : teh Kombucha (teh yang diinokulasi dengan khamir dan bekteri asam laktat)
ª Penggunaannya tidak terbatas di laboratorium ª Contoh : pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger dengan menggunakan tray (baki)
ª Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil ª OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam ª Keterbatasan transfer okeigen masih tidak dapat dihindari apabila menginginkan densitas sel yang tinggi
Î Baffle meningkatkan efisiensi transfer O2 (Orbital Shaker)
Skema bioreaktor tangki teraduk (stirred tank bioreactor = STR) yang digunakan untuk kultivasi mikrobial :
ª Bioreaktor skala laboratorium dengan volume kurang dari 10 L terbuat dari gelas Pyrex ª Bioreaktor yang lebih besar terbuat dari stainless stell
ª Bentuk geometri hampir silindris atau mempunyai bentuk dasar melengkung untuk membantu pencampuran (mixing) isi bioreaktor. ª Mempunyai konstruksi berukuran (dimensi) standar (e.g. International Standards Organization dan British Standards Institution) yang memperhitungkan keefektifan pencampuran dan konsiderasi struktur. 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
Secara mekanis bioreaktor dilengkapi dengan : sparger dan turbin Rushton, mempunyai dimensi : Nisbah (Ratio)
Nilai
Catatan
~0.7-0.8
Tergantung dari banyaknya busa yang diproduksi selama kultivasi
Tinggi cairan dalam bioreaktor thd tinggi bioreaktor
HL/H
tinggi bioreaktor thd diameter tangki
Ht/Dt
~1 - 2
Reaktor Eropa cenderung lbh tinggi dr pd disain USA
Diameter impeller thd diameter tangki
Da/D
1/3 - 1/2
Rushton Turbine reactors biasanya 1/3 dr diameter tangki. Axial flow impeller lebih besar.
t
t
Diameter baffle thd diameter tangki
Db/D
~0.0.08 - 0.1
t
Tinggi bilah Impeller thd diameter impeller
W/D
0.2
a
Lebar bilah Impeller thd diameter impeller
L/Da
0.25
Jarak antara pertengahan bilah impeller dgn tinggi bilah impeller
E/W
1
Perbandingan antara tinggi dengan diameter bioreaktor disebut sebagai "aspect ratio".
Volume Headspace ª Suatu bioreaktor terbagi menjadi : volume kerja (working volume) dan volume head-space . ª Volume kerja : fraksi volume total yang dipakai media, mikroba dan gelembung gas Î volume yg tersisa = “head-space”.
ª Umumnya volume kerja : 70-80 % volume bioreaktor, tergantung busa yang terbentuk ª Bila banyak busa yg terbentuk, maka dibutuhkan headspace lebih besar dan volume kerja yang lebih kecil
á Sistem agitasi á Sistem pemasokan oksigen á Sistem Pengendalian Busa á Sistem Pengendalian Suhu á Sistem Pengendalian pH á Lubang (port) pengambilan sampel á Sistem Pembersihan dan Sterilisasi á Saluran untuk mengumpulkan dan mengeluarkan isi bioreaktor
Fungsi sistem agitasi : ª Agar pencampuran merata Î meningkatkan laju perpindahan massa menembus film pembatas cairan dan gelembung udara ª Memberikan kondisi "shear" yang dibutuhkan untuk memecah gelembung udara Î luas permukaan pindah massa lebih besar ª Sistem agitasi terdiri dari : agitator dan baffle. Baffle digunakan untuk memecah aliran cairan dalam rangka meningkatkan turbulensi dan efisiensi pencampuran. Jumlah impeller tergantung dari tinggi cairan dalam bioreaktor ÎTiap impeller terdiri dari 2 - 6 bilah (blade). Kebanyakan kultivasi mikroba menggunakan Rushton turbine impeller.
Terdiri dari : ª Kompressor yang menekan udara masuk ke dalam bioreaktor ª Sistem sterilisasi udara masuk (inlet) ª Sparger udara ª Sistem sterilisasi udara keluar
) Sterilisasi udara masuk Î mencegah kontaminasi mikroba dari udara yang masuk ke dalam bioreaktor ) Sterilisasi pada udara keluar Î 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” Î luas permukaan untuk filtrasi udara lebih besar, sehingga menurunkan tekanan yang dibutuhkan untuk melewatkan udara melalui filter
Pada bioreaktor skala kecil , sistem pengeluaran udara dilengkapi dengan condenser :
¾ Condensor merupakan alat penukar panas sederhana yang dilalui oleh air dingin. ¾ Bahan volatil dan uap air mengembun di bagian dalam permukaan condenser Î meminimumkan evaporasi air dan kehilangan bahan volatile. ¾ Pengeringan udara juga mencegah penyumbatan filter udara keluar oleh air.
Berfungsi untuk memecah udara yang masuk menjadi gelembung-gelembung kecil Î tipe yang sering digunakan sparger ring (terdiri dari tabung berlubang berlubang kecil, mudah dibersihkan & tidak mudah tersumbat)
Laju Alir Udara : Î Dinyatakan dalam volume udara per volume media per menit
ª Pada bioreaktor yang menggunakan sparger, diperlukan pengendali busa ª Busa yangberlebihan akan menyebabkan penyumbatan pada filter udara keluar dan terbentuk tekanan di dalam bioreaktor Î menyebabkan kehilangan media dankerusakan bioreaktor ª Busa dikendalikan dengan penambahan senyawa anti busa (silikon atau minyak nabati) ª Penambahan senyawa anti busa yang berlebihan dapat memperkecil laju perpindahan oksigen.
Faktor yang menyebabkan pembentukan busa : ) Media fermentasi kaya protein (e.g whey powder dan corn steep liquor) ) Produk yang dihasilkan selama fermentasi (senyawa mirip deterjen : protein & lemak) ) Laju alir udara dan kecepatan agitasiÎ semakin besar kecepatan agitasi & laju aerasi meningkatkan pembentukan busa - Volume “head space”Î semakin besar volume head-space, semakin besar kecenderungan busa untuk pecah karena bobotnya sendiri - Condenser Î densitas busa meningkat saat berpindah dari volume head-space bersuhu hangat ke daerah condenser yang lebih dingin, sehingga busa pecah
Terdiri dari : ª temperature probes ª heat transfer system : - jacket - coil (efisiensi lebih baik tapi sulit dibersihan dan disterilisasi)
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. ) Pada bioreaktor skala kecil sering digunakan NaCO3. ) HCl sebaiknya tidak digunakan karena sangat korosif. ) Penggunaan asam sulfat jangan lebih besar dari konsentrasi 10 %.
Disain dan Operasi Agitator
Agitator diklasifikasikan mempunyai karakteristik radial dan axial Aliran radial Î aliran cairan mengikuti jari-jari tangki bioreaktor ª Meningkatkan kontak udara dan cairan kultivasi ª Digunakan untuk kultur bakteri aerobik. ª Gaya geser lebih besar yang efektif untuk memecah gelembung udara, tapi kurang efisien & membutuhkan input energi lebih besar. ª Menggunakan dua atau lebih bilah impeller yang dipasang secara vertikal
Agitator yang paling sering digunakan untuk kultivasi mikrobial adalah "Rushton turbine" yang terdiri dari 4-6 bilah.
A Rushton turbine is often referred to as a disk turbine.
Aliran axial
Î aliran cairan searah sumbu tangki bioreaktor ª Lebih lemah, tapi pencampuran efisien dan digunakan untuk sel mikroba yang sensitif terhadap gaya geser Î lebih efektif mengangkat padatan dari dasar tangki. ª Impeler aliran axial digunakan untuk proses yang sensitif terhadap gaya geser, seperti kultur sel hewan Pola aliran :
Contoh impeller : "marine impeller" dan "hydrofoil impeller".
Impeller Intermig
ª Menggunakan 2 impeller. ª Digunakan untuk agitasi dan aerasi kultivasi kapang.
Bubble Driven Bioreactor (Bubble column dan airlift)
ª Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap shear (kapang & sel tanaman) ª Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STR ª Perbedaan bioreaktor bubble column dan airlift • bioreaktor airlift memiliki draft tube yang menyebabkan peningkatan efisiensi pindah panas dan pindah massa • bioreaktor airlift mampu memberikan kondisi shear yang lebih merata • konstruksi bioreaktor airlift lebih mahal ªKerugian penggunaan bioreaktor bubble column atau airlift • • •
membutuhkan energi yang lebih besar pembentukan busa lebih banyak untuk kultur sel hewan dpt terjadinya kerusakan sel
Contoh Aplikasi : ) Gum Xanthan ) PST dgn substrat Metanol ) Biosurfaktan
Fluidized Bed Reactors
ª Merupakan salah satu metoda untuk memelihara konsentrasi sel yang tinggi dan laju transfer massa yang baik ª Dalam reaktor ini, sel atau enzim imobil ª Pencampuran dibantu dengan pompa, yang ditempatkan pada bagian dasar tangki sehingga katalis yang telah diimobilisasi bergerak bersama cairan ª Pada sistem kultivasi aerobik, aerasi diperlukan untuk meningkatkan OTR (Oxygen Transfer Rate) ª Biasanya digunakan dalam pengolahan limbah
Contoh Aplikasi : Produksi Bir Secara Sinambung
Contoh Aplikasi Bioreaktor Bioreaktor STR untuk produksi Biosurfaktan secara Batch (Substrat molase/tetes tebu)
* Bioreaktor Air-lift
*Bioreaktor CSTR dengan menggunakan Enzim Imobil
•Contoh STR untuk proses enzimatis secara sinambung •(CSTR) dikombinasikan dengan Ultra Filtrasi
* Bioreaktor Plug Flow (PFR)
* Bioreaktor Menara (Tower Fermenter)
Contoh aplikasi : Produksi Cuka (asam asetat) Produksi Protein Sel Tunggal (PST) Produksi Bir
Bioreaktor Etanol
Bioreaktor Etanol menggunakan Sel Imobil
Bioreaktor Produksi MSG
Bioreaktor Produksi MSG
