V. BIOREAKTOR SISTEM KONTINYU Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat menyusun alur proses kontinyu dalam bioreaktor A. Prinsip sistem kontinyu Pada sistem sederhana, enzim terus-menerus dimasukkan ke dalam bioreaktor dan dikeluarkan dari reaktor melalui pompa pengumpanan dan pengeluaran (effluent). Sistem ini hanya praktis apabila enzim yang digunakan relatif murah. Untuk enzim yang mahal harganya, teknik ini dimodifikasi, misalnya dengan cara diimobilisasi atau di daur ulang. Pada bioreaktor sel, sistem kontinyu memungkinkan pemanjangan kurva pertumbuhan sel. Selain itu juga memungkinkan dapat mempertahankan berbagai laju dalam keadaan stasioner, misalnya untuk keadaan konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media tumbuh (berupa substrat maupun produk), dan laju pertumbuhan sel. B. CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) Penggunaan jenis bioreaktor tergantung metoda yang digunakan untuk mencapai tingkatan aktivitas enzimatik yang diperlukan, atau cara mempertahankan konsentrasi enzim, yang ditetapkan dengan neraca massa. Pendaur ulangan enzim hanya layak jika enzim dapat dipisahkan secara murah dari aliran produk yang keluar dari bioreaktor. Cara lain adalah dengan teknik pengisian enzim ke dalam surfaktan cair/membran fosfolipida dan immobilisasi enzim pada penyangga magnetik. Bioreaktor sistem kontinyu ada berbagai macam, baik bioreaktor enzimatik maupun bioreaktor sel. Berikut adalah gambar jenis-jenis bioreaktor kontinyu CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik.
25
26
Kinetika reaksi dalam sistem bioreaktor CSTR enzimatik
Neraca massa pada CSTR dapat dihitung sebagai berikut:
27
Jumlah substrat masuk per satuan waktu
Jumlah substrat yang ditransforma sikan per satuan waktu +
Jumlah substrat yang keluar per satuan waktu =
+
Variasi jumlah substrat per satuan waktu
Dengan demikian dapat dirumuskan sebagai berikut: Q S0 – rs = QS + V (dS/dt) Dalam keadaan steady state: dS/dt = 0 maka neraca substrat menjadi: Q(S0 – S) = rs rs : laju pengurangan substrat dalam reaktor Daerah dinamik dan daerah stasioner pada kinetika reaksi enzimatik dapat digambarkan sebagai berikut:
Waktu lewat atau waktu tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai τ . Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor tergantung kinetika reaksi. Waktu lewat/waktu tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai: τ = V/Q
28
Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor dinyatakan dalam: a. Kinetika Michaelis-Menten Q(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S) b. Apabila ada penghambatan oleh substrat Q(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S+ (S2/K1))
CSTR Bioreaktor sel Pada bioreaktor kontinyu dapat terjadi: •
Pemanjangan kurva pertumbuhan sel.
•
Laju konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media (baik substrat maupun produk), dan laju pertumbuhan dapat dipertahankan pada keadaan stasioner.
•
Kondisi optimal untuk memproduksi biomassa atau produk.
Untuk mempelajari sistem kontinyu dapat menggunakan teori kemostat. Dalam teori kemostat untuk sistem kontinyu, digunakan hipotesis sebagai berikut: •
Bioreaktor teragitasi secara baik
•
Volume media konstan
Skema kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu dapat digambarkan seperti:
29
Dari skema kemostat tersebut, maka dapat dihitung neraca biomassa, neraca substrat, dan neraca produk pada keadaan stasioner.
Neraca biomassa: jumlah biomassa + Jumlah biomassa = jumlah biomassa + variasi jumlah masuk/waktu
terbentuk/waktu
keluar/waktu
biomassa perwaktu
Dari neraca tersebut dapat dirumuskan sebagai: QX0 + V rµtx = QX + (d(XV)/dt) Laju pembentukan biomassa per satuan volume media tumbuh dalam bioreaktor, dinyatakan sebagai : rµtx = Q/V(X-X0)
Neraca substrat: Berdasarkan keseimbangan masukan dan keluaran substrat, seperti pada neraca biomassa, maka neraca substrat dapat dinyatakan sebagai: QS0 - V rµts = QS + (d(VS)/dt) Laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor pada keadaan stasioner adalah: rµts = D (S0-S)
Neraca produk: Pembentukan produk juga dapat diperhitungkan sebagai neraca produk, dan dinyatakan dengan rumus: V rµtp = QP + (d(V/P)/dt) rµtp = laju pembentukan produk per satuan volume bioreaktor
30
C. CSTR bioreaktor sel dengan pendaur ulangan
Skema CSTR dengan pendaur ulangan Analisis kinetik CSTR dengan pendaur ulangan: Pada sistem CSTR dengan pendaur ulangan, laju dilusi(D) atau pengenceran lebih besar dari laju pertumbuhan spesifik (µ). Konsentrasi sel pada aliran daur lebih tinggi dibanding aliran keluar. Laju pertumbuhan sel sama tetapi dapat memproses substrat lebih banyak. Umumnya produk biomassa per satuan volume lebih besar dari CSTR biasa tanpa pendaur ulangan. Dengan demikian dimungkinkan untuk berproses pada laju D tinggi tanpa terjadi pencucian sel keluar bioreaktor (washout). Pada CSTR biasa apabila D>µ maka akan terjadi washout. Kemostat dalam praktek ada beberapa faktor pembatas substrat, yaitu: •
Pembatas substrat: C, K, Mg, fosfat, N, sulfat, dan substrat kompleks
•
Pembatas oksigenasi
•
Reaksi penghambatan
•
Pendaur ulangan biomassa
31
Skema CSTR dengan pendaur ulangan biomassa
D. PFTR/PFR (Plug-Flow Tubular Reactor) PFR (Plug Flow Reactor)/PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) merupakan sistem bioreaktor tubular piston atau aliran sumbat. Apabila suatu zat alir mengalir dalam suatu pipa atau terowongan dengan bilangan Reynolds cukup besar ( 2.100), maka hal ini menyerupai suatu aliran piston (plug-flow). Tidak ada variasi kecepatan aksial pada penampang melintang pipa. Berdasarkan hal ini, maka keseimbangan massa dalam PFTR dapat disusun menggunakan persamaan diferensial. Dengan pendekatan tersebut maka dalam aliran piston dengan kecepatan tetap, setiap lapisan tipis zat alir yang mengalir dalam pipa tidak bereaksi dengan lapisan di sebelahnya. PFTR ini merupakan suatu sistem segregasi total, dengan setiap lapisan zat alir merupakan suatu bioreaktor curah (batch). Apabila waktu tinggalnya sama dengan sistem batch, maka produk yang keluar sama dengan bioreaktor batch. Skema bioreaktor piston dapat digambarkan seperti berikut ini:
32
Neraca massa dinyatakan dalam: QS- rµts dV = (S + dS) Apabila dibandingkan antara PFTR dengan CSTR, maka PFTR pada volume sama, konsentrasi substrat dan produk lebih tinggi dari CSTR. PFTR dapat digunakan untuk memaksimalkan konsentrasi produk pada aliran keluar.
Perbandingan PFR dan CSTR: Perbandingan waktu tinggal atau waktu lewat dalam bioreaktor (τ): CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ rµts PFR
: τ = V/Q = dS/ rµts …………………..waktu tinggal lebih pendek
rµts : laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor konsentrasi substrat masuk (S0) dan konsentrasi substrat keluar (S) Perbandingan waktu tinggal dalam bioreaktor antara PFTR dengan CSTR dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:
33
OTR (oxygen transfer rate) PFTR Bioreaktor sel
PFR Bioreaktor sel Sistem PFR dapat dirancang menggunakan pendaur ulangan maupun tanpa pendaur ulangan. Skema PFR tanpa pendaur ulangan dapat digambarkan sebagai berikut:
