SISTEM BIOREAKTOR
PENDAHULUAN Bioreakto Bioreaktorr merupak merupakan an suatu wadah atau tempat tempat berlangsun berlangsungnya gnya fermentasi yang disebutfermentor yang akan tercampur subrat nutrien yang yang diper dipercep cepat at oleh oleh en!im en!im yang yang berint berintera eraksi ksi dengan dengan lingk lingkung ungann annya ya sehing sehingga ga mengha menghasil silka kan n produ produk" k" Biore Bioreakt aktor or dapat dapat merupa merupaka kan n be#ana be#ana sede sederrhana hana yang yang dile dileng ngk kapi api
deng dengan an alat alat peng pengen enda dali lian an dan dan
sist sistem em
komputer" $E%&EN'(% )EDE%HANA UN'U* P%(DU*)+ &+*%(BA Prod Produk, uk,pr produ oduk k berbas berbasis is mikro mikroba ba sepert sepertii biofer biofertil tili!e i!er r bioko biokontr ntrol ol biop biopes esti tisi sida da
biod biodek ekom ompo pose ser r
meme memerl rluk ukan an
fer ferment mentor or
untu untuk k
atau ataupu pun n
prod produk uk
memp memprroduk oduksi siny nya" a"
biom biomas assa sa $erme erment ntor or
mikr ikroba oba untu untuk k
memproduksi memproduksi mikroba ini tidak harus berteknologi tinggi" $ermentor dapat dibuat dibuat dengan dengan perala peralatan tan seder sederhan hana a namun namun fungsi fungsiona onal" l" Bahka Bahkan n bis bisa a dibuat sendiri dengan biaya yang ter#angkau" Ada banyak pertimbangan untuk memilih fermentor fermentor antara laina. tingkat kesulitan dan kerumitan proses b. nilai produk yang dihasilkan c. biaya in/estasi d. biaya yang dibutuhkan untuk memproduksi mikroba tersebut"
0ika nilai produknya mahal dan cukup sulit untuk memproduksinya maka sangat wa#ar #ika menggunakan fermentor yang canggih bin mahal" 'etapi #ika nilai produknya rendah
rasanya tidak cukup beralasan #ika menggunakan fermentor yang canggih dan
mahal"
tersebut
Apalagi
cukup
#ika
mikroba
mudah
untuk
dikembangbiakan" Dalam tulisan ini akan saya uraikan contoh membuat fermentor tetapi
yang
murah
meriah
tetap fungsional dan hasilnya pun
dapat dipertanggung #awabkan" 1ontoh fermentor ini sudah dicoba bahkan sudah digunakan dalam skala produksi" +" DE$+N+)+ B+(%EA*'(% &enurut Pu#aningsih 23445. fermentor adalah tangki atau wadah dimana didalamnya seluruh sel 2mikrobia. mengubah bahan dasar men#adi produk biokimia dengan atau tanpa produk sampingan" &enurut )aepudin dan )ateakasih 23446. bioreaktor7 reaktor biologi7 fermenter suatu wahana7 tempat untuk keberlangsungan proses fermentasi 7transformasi bahan dasar men#adi produk yang dinginkan yang dilakukan oleh sistem en!im dalam mikroba atau en!im yang diisolasi" Bioreaktor merupakan sistem tertutup utk reaksi biologis dr suatu
proses
bioteknologi"
&enurut Dwiari et al 23448. fermentor adalah peralatan untuk mengendalikan
pertumbuhan
mikroorganisme
dalam
medium
cair"
Parameter,parameter seperti pH komposisi medium suhu pengadukan konsentrasi metabolit dan gas dapat dimonitor serta dikendalikan" &enurut Andheklawang 23448. bioreaktor 2fermentor. merupakan be#ana fermentasi aseptis untuk produksi senyawa oleh mikrobia melalui fermentasi" Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob"
++" $UN9)+ B+(%EA*'(% $ungsi bioreaktor adalah untuk menghasilkan produk oleh mikrobia baik kultur murni atau campuran yang dikendalikan menggunakan sistem komputer dalam mengatur faktor lingkungan dan pertumbuhan serta kebutuhan nutriennya" &enurut Pu#aningsih 23445. fungsi dasar fermentor7 bioreactor yaitu menyediakan kondisi lingkungan yang cocok bagi mikrobia didalamnya untuk
-
:: &enghasilkan biomassa :: &enghasilkan en!im :: &enghasilkan metabolit dsb" $ungsi utama bioreaktor adalah memberikan lingkungan terkontrol bagi pertumbuhan mikroorganisme atau campuran tertentu mikroorganisme untuk memperoleh produk yang diinginkan" , Bioreaktor hendaknya mencegah kontaminasi produksi dr lingkungan pd kultur sambil mencegah pelepasan kultur ke lingkungan" , Bioreaktor sebaiknya memiliki instrumentasi untuk pemeriksaan agar ter#adi pengawasan proses optimum" +++" 0EN+),0EN+) B+(%EA*'(% &enurut Pu#aningsih 23445. macam,macam reactor adalah sebagai berikut •
Bioreaktor tanki adukan 2stirres tank bioreactor. udara disirkulasikan melalui medium yang diaduk dengan impeller"Biorekator kolum gelembung 2Bubble column bioreactor. udara dialirkan melalui sparger di dasar be#ana"
•
Bioreaktor dengan pancaran udara 2Airlift bioreactor. terdiri dari dua kolum yang dimasukkan ke dalam kolum yang lain" Udara dipaksa masuk melewati pipa sehingga udara dapat terpancar keatas dan medium ikut terbawa"
•
Bioreaktor terkemas padat diisi dengan bahan padatan yang dapat men#aring mikrobia masuk kedalamnya"
&enurut Andhiko 23448. Berdasarkan proses penyebaran organisme dan media dalam be#ana mengelompokkan #enis fermentor ke dalam ; grup <" %eaktor dengan agitasi internal" &erupakan biorekator yang paling la!im digunakan di berbagai industri fermentasi" 9rup ini termasuk stirred tank reactor" 3" Bubble column bioreactor" &erupakan bioreaktor paling sederhana" 'erdiri dari tabung pan#ang dengan beberapa sparger di bagian dasarnya" " ;" Loop reactor" &erupakan collumn reactor di tnana percampuran dan sirkulasi diinduksi dengan alat,alat tertentu" Berdasarkan penggunaan alat tersebut fermentor ini dikelompokkan atas tiga #enisa" Air lift loop reactor " b" Pro peller=loop reactor" c" 0et loop reactor " +>" BA9+AN,BA9+AN $E%&EN'(% %ancangan dan kontroksi bioreaktor perlu diperhatikan tentang be#ana harus dapat dioperasikan dalam #angka waktu lama serasi dan a?tasi memadai untuk kelangsungan proses metabolik mirkobia sistem kontrol suhu pH dan penambahan nutrien be#ana harus dapat dicuci dan disterilisasi fasilitas sampling harus ada konsumsi tenaga serendah mungkin bahan kontroksi murah dan e/aporasi diusahakan tidak terlalu besar"
A" *riteria Dasar Dalam Desain Bioreaktor <" *arakteristik mikrobiologi dan biokimia dr sistem sel 2mikrobia mamalia tumbuhan." 3" *arakteristik hidrodinamik bioreaktor" ;" *arakteristik massa dan panas bioreaktor" @" *inetika pertumbuhan sel dan pembentukan produk" 5" *arakteristik stabilitas genetis dr sistem sel " Desain peralatan yg aseptis " Pengawasan lingkungan bioreaktor 2makro dan mikro. 8" +mplikasi desain bioreaktor pd pemisahan produk menghilir 6" &odal dan biaya operasi bioreaktor <4" Potensi pengembangan desain bioreaktor B" )yarat $ermentor adalah sebagai berikut •
•
•
•
•
•
•
'angki dapat dioperasikan secara aseptik agitasi dan aerasi Energi pengoperasian serendah mungkin 'emperatur harus terkontrol *ontrol Ph 'empat pengambilan sample Penguapan berlebihan dihindari 'angki didesain untuk meminimalkan tenaga ker#a pemanenan pembersihan dan perawatan
•
Peralatan general- permukaan bagian dalam halus dihindari banyak sambungan murah"rip,biotek,fermentasi" 1" *onstruksi $ermentor
•
Bahan fermentor dibuat tahan karat untuk mencegah kontaminasi logam7ion selama proses
•
Bahan fermentor harus tidak beracun C tidak mudah terlarut shg tdk menghambat pertumb"mikrobia
•
Bahan fermentor harus kuat utk sterilisasi berulang kali pd tekanan uap tinggi )istem stirer dari fermenter C lubang pemasukannya cukup sehingga tidak mengalami stress mekanik akibat terlampau rapat
•
Pemeriksaan secara /isual dari medium C kultur hrs tersedia dibuat dari bahan transparan"
•
D" Desain dan *onstruksi Bioreaktor Harus &emperhatikan Beberapa Hal aitu
•
Be#ana dapat dioperasikan dalam keadaan aseptis untuk #angka waktu lama"
•
Aerasi dan agitasi cukup memadai untuk kelangsungan proses metabolik mikrobia"
•
*onsumsi tenaga serendah mungkin"
•
)istim kontrol temperatur pH harus ada"
•
$asilitas untuk sampling harus ada"
•
E/aporasi diusahakan tidak terlalu besar"
•
Be#ana harus dapat dicuci dibersihkan dan mudah dipelihara mempunyai geometri yang sama baik untuk laboratorium maupun skala industri"
•
Dikonstruksi dari bahan yang murah
E" *arakteristik $ermenter
$ermentor anaerobik memerlukan alat khusus kecuali untuk menghilangkan panas"
$ermentor aerobik memerlukan alat untuk mengaduk dan memberikan aerasi cukup"
*onstruksi fermentor aerobic 'ebuat dari ba#a anti karat" Berupa silinder besar tertutup di bagian atas atau bawah dilengkapi pipa,pipa
A. Pemilihan bioreaktor
Ada dua komponen penting dalam bioproses, yaitu biokatalis (berupa enzim atau sel makhluk hidup) dan kondisi lingkungan. Untuk berlangsungnya setiap reaksi metabolisme sel dibutuhkan enzim spesifik yang bertindak sebagai biokatalis. Bahan penyusun utama biokatalis berupa protein, yang dapat berfungsi pada lingkungan yang sesuai. Lingkungan optimal dapat dicapai dengan menempatkan biokatalis dalam wahana yang disebut bioreaktor. Bioreaktor memberikan lingkungan fisik sehingga selbiokatalis dapat melakukan interaksi dengan lingkungan dan nutrisi yang dimasukkan ke dalamnya. Bioreaktor sebagai wahana bioproses memegang peranan penting untuk mendayagunakan reaksi!reaksi biokimiawi yang dilakukan oleh enzim atau sel (mikroba, tanaman, dan hewan). "emilihan bioreaktor sangat ditentukan oleh #enis makhluk hidup yang digunakan, sifat media tumbuh makhluk hidup tersebut, parameter bioproses yang akan dicapai, dan faktor!faktor produksi. $ptimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok% & 'umber energi & utrisi & nokulum sel atau makhluk hidup yang unggul & *ondisi fisikokimiawi yang optimal
+ungsi utama bioreaktor adalah dapat memberi kondisi lingkungan optimal dan terkendali dengan baik bagi biokatalis. engan demikian ada beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan bioreaktor, yaitu% & Bentuk bioreaktor mudah untuk dioperasikan dan mudah pula dalam pemeliharaan. & Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sesuai dengan kebutuhan biokatalis untuk melakukan metabolisme secara optimal.- & *onsumsi energi untuk pengoperasian dibuat seminimal mungkin. & "engendalian suhu, p/, dan faktor fisikokimia lain merupakan bagian perlengkapan bioreaktor. & +asilitas pengambilan contoh sangat diperlukan untuk pengukuran parameter yang berguna dalam pemantauan kiner#a bioreaktor. & "roses e0aporasi diupayakan tidak berlebihan. & Bentuk geometri serupa pada penggandaan skala, karena umumnya bioreaktor diu#i terlebih dahulu dalam skala kecil.
B. Jenis makhluk hidup yang digunakan
Berdasarkan kebutuhan oksigen, maka terdapat sel yang membutuhkan $ 1 untuk hidupnya (bersifat aerobik) dan ada sel yang tidak membutuhkan $ 1 (bersifat anaerobik). Bioreaktor yang menggunakan sel aerobik, oleh karena kelarutan oksigen dalam media rendah, maka $1 harus selalu dipasok terus menerus. $ksigen dapat diberikan dengan cara mendispersikan udara ke dalam media. /al ini terkait dengan berbagai perlengkapan bioreaktor yang berfungsi untuk memasok udara. 2enis dan ukuran sel sangat berpengaruh terhadap bioreaktor dan pengoperasiannya. 'el tunggal seperti mikroba tidak tahan terhadap gaya geser dan perlu pendispersian udara lebih tinggi. Bentuk dan ukuran tanaman atau hewan yang ber0ariasi #uga menentukan pengoperasian bioreaktor. 3anaman menghasilkan akar!akar yangtumbuh dengan sifat tertentu, umumnya memerlukan pengaturan aliran agar kontak antara akar dengan nutrisi dan bahan yang akan diabsorbsi berlangsung optimal. 4ikroba atau tanaman tertentu tumbuhnya hanya di permukaan, oleh karenanya digunakan bioreaktor permukaan, misal bioreaktor bed atau tray (baki).
C. Sifat media
2enis makhluk hidup sangat menentukan susunan media yang digunakan dalam bioreaktor. 'ifat!sifat media menentukan #enis bioreaktor yang akan digunakan. 'ifat fisik substrat yang akan direaksikan sangat beragam, misalnya gas, cair atau padat. 5as, misalnya 6$1, '$7, $7 yang dapat diabsorpsi oleh daun!daun tanaman. 6airan ada berbagai sifat, misalnya cairan dan senyawa larut air (metanol, etanol), bahan padat -8 terlarut dalam air (glukosa, laktosa), bahan cair tidak larut air (minyak bumi, parafin). "adatan ada beberapa sifat, padatan larut sebagian atau padatan tidak larut (pati, selulosa). 9fek biokinetik substrat #uga berpengaruh terhadap pemilihan bioreaktor. 'ubstrat tertentu dapat menyebabkan reaksi penghambatan atau represi pertumbuhan. Untuk substrat seperti ini lebih tepat apabila menggunakan operasi semi sinambung atau biakan sinambung. Apabila produk hasil bioproses pada konsentrasi tinggi yang menyebabkan penghambatan, diperlukan pengaturan tahap banyakmultistage. "erilaku reologi aliran zatbahan sangat menentukan bioreaktor yang dipilih. 4ediasubstrat yang mempunyai 0iskositas rendah tidak menimbulkan masalah waktu pencampuran dan la#u perpindahan oksigen. Akan tetapi pada substrat dan produk yang mempunyai 0iskositas tinggi, maka menimbulkan masal ah pada perpindahan oksigen.
D. Parameter bioproses
$1 merupakan faktor dasar yang menentukan pertumbuhan dan akti0itas proses pada sel aerobik. Biasanya diukur menggunakan parameter la#u perpindahan oksigen ($3:% Oxygen Transfer Rate). Apabila senyawa dalam substrat tidak mengandung oksigen (misal parafin), maka kebutuhan oksigen akan men#adi lebih besar. 'uhu lingkungan mempengaruhi reaksi biokatalisis. Biokatalis mempunyai suhu optimal yang spesifik. engan demikian la#u pertumbuhan sel dan pembentukan produk hasil reaksi biokatalisis umumnya tergantung pada suhu. "ada bioreaktor, suhu dikendalikan dengan mekanisme tertentu agar bioproses berlangsung optimal. "anas yang terbentuk biasanya dikendalikan menggunakan air pendingin atau sel tahan panas (termofilik). Akti0itas biokatalis dipengaruhi p/. *ecepatan reaksi enzimatis (biokatalisis) dan la#u pertumbuhan terbaik pada p/ optimal. 3ingkat konsentrasi ion /; atau p/ yang sesuai men#amin berlangsungnya bioproses secara optimal.
E. Faktor produksi
+aktor produksi ada berbagai macam. +aktor!faktor yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan bioreaktor adalah sebagai berikut%
& Biaya Biaya meliputi biaya tetap terutama untuk membangun bioreaktor dan biaya tidak tetap atau biaya operasional. Biaya operasional terutama untuk menyediakan bahan!bahan yang diperlukan selama bioreaktor dioperasikan. 'elain itu biaya untuk tenaga dan energi serta kelengkapan lain perlu diperhitungkan seekonomis mungkin.
& Kemudahan mendapatkan bahan "enggunaan bahan!bahan yang mudah didapat merupakan #aminan berlangsungnya operasional bioreaktor dalam #angka waktu yang pan#ang.
& Ketersediaan dan mutu tenaga kera *etersediaan dan mutu tenaga ker#a sangat mempengaruhi pemilihan bioreaktor. Bioreaktor sederhana dapat dioperasionalkan oleh tenaga menengah yang tidak perlu pendidikan tinggi. Akan tetapi untuk bioreaktor modern yang sistemnya dirancang secara otomatik atau dengan pengendalian komputer memerlukan tenaga dengan pendidikan dan keterampilan tinggi, terutama apabila timbul permasalahan operasional.
& Keadaan pasar 'eperti halnya industri lain, maka industri yang menggunakan bioproses tergantung pada keadaan pasar. 4isalnya kondisi pen#ualan apakah stabil atau berubah!ubah. !ilai ekonomis hasil samping produk #uga sering dipertimbangkan untuk memilih bioreaktor.
/asil samping dapat digunakan untuk membantu membiayai operasional bioreaktor.
& Ketersediaan energi alam merancang bioreaktor dibuat sedemikian sehingga energi yang digunakan untuk operasional bioreaktor seefisien mungkin.
''394 B$:9A*3$: 'istem bioreaktor yang digunakan dalam bioproses ada berbagai macam,
tetapi dapat dibagi men#adi tiga kelompok, yaitu%
'istem batch (curah) 'istem kontinyu (sinambung) 'istem semi sinambungsemi curah (fedbatch) "ada semua sistem tersebut ter#adi proses pencampuran substrat dan sel yang
digunakan untuk bioproses secara sempurna dan seragam sehingga keadaan reaksi biokatalisme dalam keadaan homogen. 'istem ini ideal, sehingga wahananya disebut bioreaktor ideal dan di#adikan model untuk analisis bioreaktor.
A. Prinsip Sistem Bat"h
"ada iscontinuous 'tirred 3ank :eaktor ('3:), substrat (') dan biokatalis (sel makhluk hidup yang digunakan untuk bioproses) dimasukkan ke dalam bioreaktor yang teragitasi baik di awal penger#aan bioproses. "erubahan konsentrasi ' terhadap waktu diberikan oleh neraca massa dalam bioreaktor, digambarkan dengan rumus%
!rs = 0 (d'dt)
0% 0olume bioreaktor (konstan), r% la#u perubahan ' ( mol atau g per satuan waktu, perubahan ' terhadap waktu tergantung pada hukum tentang la#u (rs).
B. Fedbatch reaktor
Bioreaktor semi sinambung ( Fedbatch), sering digunakan apabila substrat dapat menghambat reaksi. alam hal ini, bioproses memerlukan penambahan aliran cairan ke dalam bioreaktor batch. Untuk penambahan senyawa prekursor produk atau senyawa pengatur (inducer) agar taraf hara tetap pada konsentrasi rendah, agar tidak ter#adi represi katabolit.
'kema bioreaktor semi sinambung ( Fedbatch) dapat digambarkan sebagai berikut%
"ada t=>, '= '(nilai optimal), dan ?= ? > "emasokan substrat dilakukan untuk mempertahankan konsentrasi optimal
"roduksi biomassa pada bioreaktor semi sinambung dapat di#elaskan sebagai berikut%
#$$. PE!%%A!DAA! SKA&A B$'(EAK)'(
A. Pengembangan Bioproses
Bioreaktor dapat digunakan sebagai be#ana reaksi dalam berbagai ukuran yang digunakan untuk kuanti?kasi fenomena bioproses mulai dari skala laboratorium sampai skala pilot plant dan skala industri" Pengalihan
data proses dari skala laboratorium sampai ke skala produksi komersial umumnya berlangsung dalam ; tahapan" 'ahap pertama merupakan pencarian atau pemilihan #enis,#enis sel makhluk hidup yang mempunyai sifat unggul" 'ahap kedua diu#i pada kondisi media atau lingkungan untuk menyesuaikan dengan kondisi produksi" Pada tahap ini diperoleh perilaku secara kuantitatif maupun semi kuantitatif dalam sistem bioproses yang digunakan" Pada skala pilot plant sudah diu#i dengan kondisi teknis yang diterapkan pada skala industri" Peningkatan proses dari skala laboratorium ke pilot-plant dan selan#utnya ke skala industri umumnya sangat bersifat empirik dapat dibantu dengan model" Berdasar hasil penelitian yang diperoleh di laboratorium
dapat
diprediksi
suatu
strategi
optimal
untuk
mengoperasikan bioreaktor pada skala industri berdasarkan model yang berkaitan
dengan
?siologi
sel
makhluk
hidup
pengaliran
atau
perpindahan massa"
Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris*pragmatis
Pada pengembangan proses menggunakan pendekatan empiris pragmatis dilakukan setelah e/aluasi ekonomis untuk suatu proses produksi" *a#ian bioreaktor skala pilot plant dilakukan untuk memperoleh hasil yang secara ekonomis menentukan mutu produk" Biasanya kriteria yang digunakan adalah konsumsi tenaga 2P7>. serta kemampuan perpindahan massa dan panas" )ebagai contoh perpindahan oksigen dinyatakan dalam ('%" Pada waktu yang sama dipilih kriteria yang secara pragmatis dapat digunakan untuk meningkatkan unit produksi ke skala industri" &isalnya pada kondisi P7> tetap dan ('% tetap" )kema pengembangan proses berdasar pendekatan empiris,pragmatis dapat digambarkan sebagai berikut-
Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris*sistematis +pemodelan matematik,
Bioreaktor menggunakan
yang
mempunyai
pendekatan
proses
sederhana
kompleks
seperti
tidak
pendekatan
dapat empiris,
pragmatis" Pendekatan yang lebih sistematis dapat menggunakan model matematik" Dengan pendekatan matematik maka hasil u#i dalam setiap tahap merupakan masukan bagi tahap berikutnya" Pada tahap pertama hasil penelitian laboratorium dianalisis untuk memperoleh
kinetika
bioproses
yang
ter#adi"
Besaran
kuantitatif
bioreaktor dika#i berdasarkan ciri perpindahan ?sik seperti ('% dan waktu pencampuran"
Analisis
kinetika
bioproses
diker#akan
menggunakan
bantuan model matematik" Berdasar pendekatan ini pada skala pilot plant mempunyai arti lebih penting dari pada model bioproses yang diperoleh dari skala laboratorium" Pilot Plant digunakan untuk mem/eri?kasi kiner#a model bioreaktor dan bioreaktor ideal" )kema pendekatan ini dapat dilihat pada gambar berikut-
Fenomena (an"angbangun Bioreaktor
Dalam rancangbangun bioreaktor terdapat tiga fenomena penting yang diperhatikan dalam perancangan yaitu
$enomena termodinamik 2tidak tergantung pada skala. $enomena mikrokinetik 2tidak tergantung pada skala. $enomena perpindahan 2tergantung pada skala. $enomena
termodinamik
misalnya
kelarutan
oksigen
tidak
tergantung pada ukuran bioreaktor" $enomena mikrokinetik misal perilaku intrinsik makhluk hidup yang mekanisme pengaturannya ada di dalam sel makhluk hidup tersebut" )edangkan fenomena perpindahan misal unsur hara atau nutrien atau substrat yang dikonsumsi makhluk hidup dipasok melalui perpindahan massa makhluk hidup #uga merupakan subyek fenomena
geser
yg
merupakan
perpindahan
momentum"
Proses
perpindahan sangat tergantung pada skala" Perpindahan massa dapat ter#adi dari media ke dalam sel makhluk hidup" Proses perpindahan dalam bioreaktor ter#adi menurut dua mekanisme perpindahan yaitu pengaliran
2kon/eksi. dan
difusi 2konduksi."
Proses perpindahan
yang sangat
tergantung pada ukuran atau skala dapat ditulis sebagai 'etapan waktu perpindahan untuk pengaliran tr L7> Untuk be#ana berpengaduk> NFL maka kebutuhan tenaga per satuan /olume 2P7>. pada peningkatan skalatr L37; 'etapan waktu perpindahan secara difusi tD L37D Gaktu
perpindahan
2tr
dan
tD
.
dapat
meningkat
selama
peningkatan skala sedang waktu kon/ersi 2tc. relatif tetap $enomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi adalah
9aya geser Pencampuran Perpindahan massa Perpindahan panas *inetika makro 2perpaduan kinetika mikro dengan difusi. $enomena yang berkaitan dengan pengaliran dan difusi dapat
digambarkan berikut-
&etoda untuk meningkatkan skala 2scale,up. bioreaktor yaitu
&etoda dasar &etoda semi dasar Analisis dimensional *aidah ibu #ari 2rules of thumb. 1oba,coba 2trial and error . 1ara lain untuk memperkecil perbedaan skala lab dan lapangan
adalah dengan teknik pengecilan ukuran 2Scale down. pada kondisi sama 2('% waktu pencampuran gaya geser dan substratatau nutrien. dengan kondisi dalam skala penuh"
B. -etoda Dasar
Pada metoda ini menggunakan pemecahan neraca mikro untuk perpindahan momentum massa dan panas" Akan tetapi ini men#adi rumit karena
Harus menggunakan komponen perpindahan dalam ; arah" Neraca bersifat ganda pemecahan neraca momentum menghasilkan komponen alir yang harus digunakan dalam neraca
massa dan panas" Neraca momentum umumnya digunakan untuk !at alir homogen yang sangat tidak realistik untuk skala yang lebih besar" &etoda dasar ini hanya dapat digunakan untuk-
)istem sederhana *ondisi aliran #elas 2misal aliran laminar. 'idak ada aliran 2sel makhluk hidup yang diam.
C. -etoda semi dasar
Pada
metoda
disederhanakan"
ini
menggunakan
Pemecahan
neraca
pemecahan
didasarkan
pada
neraca
yang
penggunaan
persamaan aliran yang disederhanakan" &odel aliran yang banyak digunakan adalah•
Aliran curah 2bulk ow.
)kala penu
%ancangan awal bioreaktor skala penuh
Penetapan skala
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """"""""""""""""""""""""""""" )imulasi skala kecil *ondisi )kala
lingkungan sama dengan skala penuh
kecil
C. Analisis dimensional
Pemilihan galuroptimasi kondisi lingkungan
&etoda analisis dimensional merupakan teknik yang menggunakan gugus nirmatra 2tidak berdimensi. sebagai parameter dalam rancang bangun bioreaktor yang di#aga tetap selama peningkatan skala" Arti ?sik gugus nirmatra itu adalah tetapan waktu untuk mekanisme yang berbeda" Apabila pada keadaan awal neraca momentum massa panas dan batasnya ditulis dalam bentuk nismatra maka se#umlah bilangan nirmatra akan muncul dengan sendirinya" 1ontoh bilangan yang termasuk Nirmatra yang digunakan untuk scale,up bioreaktor &omentum
%eynolds
9aya
dakhil
9aya
%eI/D2%ebIN D3.
/iskositas &assa
$ourier
Gaktu proses
J J $oDt/D3
/ Gaktu difusi
Panas
Nusselt
Nusselt
NuK "aD/
Perpindahan panas total / perpindahan panas %eaksi *imia
Damkohler +
konduksi La#u reaksi kimia / perpindahan massa secara kon/eksi
D. Kaidah ibu ari +rules of thumb,
NuK "aD/
&etode ini menggunakan patokan perpindahan oksigen 2p(3. adalah fungsi dari * la yang merupakan fungsi dari P7>" Persentase industri yang
menggunakan
patokan
untuk
peningkatan
skala
adalah
menggunakan tetapan P7> 2;4M. tetapan * la 2;4M. tetapan >ip 234M. tetapan p(3 234M."
Pada be#ana berpengaduk persamaan * la adalah*la e2Pg7/.a"2/s.b Peningkatan skala menyebabkan nilai a dan b mendekati sistem koalesensi pengaruh ukuran bioreaktor pada nilai eksponen a dan b dapat dilihat pada tabel berikutUkuran be#ana7m; 4445
a 465
b 4
45
4,4
4
<4
4@,45
454
4443,3
4@
454
E. Coba*"oba +trial and error ,
&etoda coba,coba merupakan cara lama yang sudah #arang digunakan dalam peningkatan skala karena banyak kelemahan" &etoda ini diterapkan secara bertahap pada se#umlah bioreaktor yang ukurannya meningkat" *ondisi proses ditentukan misal la#u pengadukan susunan media7nutrisi dan kondisi lingkungan lain" Galaupun #arang digunakan untuk peningkatan skala bioproses tetapi metoda ini masih banyak digunakan"
