m. k. TEKNOLOGI BIOINDUSTRI TIN 330 (2‐3)
DEPARTEMEN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN 2010
PENDAHULUAN
áBioreaktor : peralatan dimana bahan diproses sehingga terjadi transformasi biokimia yang dilakukan oleh sel hidup atau komponen selular in vitro (seperti enzim) Î fungsi dasar : Memberikan lingkungan yang terkontrol (suhu, pH, O2 terlarut, dll) untuk pertumbuhan mikroba dalam menghasilkan produk yang diinginkan á Proses pada industri fermentasi : Bahan Baku
Perlakuan Pendahuluan Hidrolisis Pencacahan Sterilisasi
Bioreaktor Perpind. Massa Perpind. Panas Bioaktivitas
Pemanenan Filtrasi Purifikasi Pengeringan, dll.
á Hampir semua bioreaktor dengan sistem heterogen melibatkan dua fase atau lebih membutuhkan perubahan biokimia, pindah massa, pindah panas dan pindah momentum untuk mencapai kondisi optimal
Berdasarkan Tipe Agen Biologis : ¾ Bioreaktor mikrobial ¾ Bioreaktor enzim Berdasarkan Metode Aerasi : ¾ Kultur diam ¾ Labu kocok ¾ Bioreaktor berpengaduk (STR) ¾ Bioreaktor kolom gelembung/bubble column ¾ Air lift ¾ Fluidized-bed
Berdasarkan Kebutuhan Proses : ¾ Aerobik : terendam ¾ Permukaan ¾ anaerobik
ª Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi ⇒ aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kultur ª Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana pasokan oksigen tidak terlalu penting ª Jenisnya : - T-Flasks : untuk kultur sel hewan skala kecil - Fernback flasks : Contoh teh Kombucha (teh yang diinokulasi dengan khamir dan bakteri asam laktat) - Kultur Permukaan : Contoh pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger dgn menggunakan tray (baki)
ª Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil ª “Shaker” Î OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam ª Keterbatasan transfer oksigen masih tidak dapat dihindari apabila densitas sel yang tinggi
Baffle
Î Baffle meningkatkan efisiensi transfer O2 (Orbital Shaker)
(stirred tank bioreactor = STR)
Condensor
Aerator
Bioreaktor Tangki Teraduk
Penangas air
Pengadukan dengan pergerakan Udara (Bubble Driven Bioreactor) Î Bubble Column dan Airlift Bioreactor ª Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap shear (contoh : kapang & sel tanaman) ª Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STR Bioreaktor airlift : - memiliki draft tube Î peningkatan efisiensi pindah panas dan pindah massa Î konstruksi bioreaktor airlift lebih mahal - memberikan kondisi shear yang lebih merata ªKerugian penggunaan bioreaktor bubble column atau airlift • membutuhkan energi yang lebih besar • pembentukan busa lebih banyak • terjadinya kerusakan sel, khususnya untuk kultur sel hewan
Draft Tube
Contoh Aplikasi : ) Gum Xanthan ) PST dgn substrat Metanol ) Biosurfaktan
GAS - LIFT BIOREACTOR
Fluidized Bed Reactors
ª Untuk memelihara konsentrasi sel yang tinggi dan laju transfer massa yang lebih baik ª Digunakan sel imobil atau enzim imobil ª Pencampuran dibantu dengan pompa pada bagian dasar tangki, sehingga katalis yang telah diimobilisasi bergerak bersama cairan ª Biasanya digunakan dalam pengolahan limbah cair
•Contoh STR untuk proses enzimatis secara sinambung •(CSTR) dikombinasikan dengan Ultra Filtrasi
Bioreaktor Etanol (Batch)
Fermentasi Etanol Sinambung menggunakan Sel Khamir Imobil
5
Bioreaktor Rak Berputar Bentuk silinder tinggi 60 cm dan diameter 40 cm, dibuat dari stainless steel dan fiberglass. • • • • • • • • • • • • •
Flowmeter Sterilisasi ruang Ruang Humidifikasi Sparger Refrigrator Pemanas Level Probe Pelunak Air Sterilisasi Air Pemanas Udara Sensor suhu dan RH Pengatur suhu Pengatur RH
Produksi Enzim Selulase Kapang Neurospora sitophila Substrat : serbuk tandan kosong dan sabut kelapa sawit Persiapan bahan baku dan inokulum
Sterilisasi bioreaktor Pengaturan kondisi (suhu, RH, aerasi)
Inokulasi (BRB) pemanenan Pengukuran parameter proses Ekstraksi enzim selulase
Kinetika Curah (Batch) Produksi Etanol oleh bakteri Zymomonas mobilis Waktu (jam)
Biomassa (g/l)
Glukosa (g/l)
Etanol (g/l)
ln biomassa
5
0,05
247
1,5
-2,99573
9
0,15
240
5
-1,89712
14
0,45
225
12
-0,79851
18
1,2
195
22
0,182322
22
2,8
130
47
1,029619
24
3,4
100
63
1,223775
26
3,8
75
74
1,335001
30
4,15
40
90
1,423108
35
4,2
25
100
1,435085
ln X (g/L)
kurva pertumbuhan 2 1 0 -1 -2 -3 -4
5
9
14
18
22
24
26
Waktu (jam )
Fase eksponensial = 5 – 22 jam
30
35
Penent Laju Pertumb. Spesifik
Ln Biomassa (g/l)
2 y = 0,2355x - 4,0992 R2 = 0,9984
1 0 -1 0
5
10
15
20
25
-2 -3 -4 Waktu (jam )
Laju Pertumb. Spesifik maks (μmaks) = 0,24 Jam-1
Waktu (jam)
(X-Xo)
(So-S)
(P-Po)
5
0
0
0
9
0,1
7
3,5
14
0,4
22
10,5
18
1,15
52
20,5
22
2,75
117
45,5
24
3,25
147
61,5
26
3,75
172
72,5
30
4,1
207
88,5
35
4,15
222
98,5
(P-Po ) g /l
Yp/s 50 40 30 20 10 0
y = 0,3827x + 0,8447 R2 = 0,9983 0
50
100 (So-S) g/l
Yp/s = 0,383 g etanol/g substrat
150
Yx/s
(X-Xo) g/l
4 3 2
y = 0,0273x + 0,4472 R2 = 0,8583
1 0 0
50
100 (So-S) g/l
Yx/s = 0,027 g etanol/g substrat
150
Yp/x
(P-Po) g/l
60 40
y = 12,047x - 2,4313 R2 = 0,8615
20 0 -20
0
1
2
3
(X-Xo) g/l
Yp/x = 12,047 g etanol/g biomassa
4
