LEMBAR TUGAS MANDIRI Nama NPM Program Studi Kelompok
: Fauzul Fadli : 1606823153 : Teknologi Bioproses :6
Pemicu :2 Kasus :1 Tanggal Pengumpulan : 3/03/2018 Paraf Asisten :
1. Outline 1. 1. Hal yang Harus Diperhatikan atau Dipertimbangkan dalam Perancangan Bioreaktor 1. 2. Cara Perancangan Bioreaktor Terkait Pencahayaan dalam Kondisi Optimum dan Sebalikmya 2. Pembahasan 2.1.1 Hal yang Harus Diperhatikan atau Dipertimbangkan dalam Perancangan Bioreaktor
Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan stainless bahan stainless steel karena karena bahan tersebut tidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak menggangu proses menggangu proses biokimia biokimia yang terjadi. Selain itu, bahan tersebut juga anti karat anti karat dan tahan panas. Bioreaktor harus dapat menciptakan lingkungan yang optimum yang optimum bag bagimikroorganisme imikroorganisme ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan. Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah suhu, adalah suhu, pH, pH, substrat substrat (sumber karbon karbon dan nitrogen) dan nitrogen),, aerasi, dan aerasi, dan agitasi. agitasi. Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang memengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur terutama temperatur dan pH. dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, seperti oksigen, nitrogen, nitrogen, fosfat, fosfat, dan mineral dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan d ijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.
Kriteria dasar desain bioreaktor yaitu sebagai berikut: 1. Karakterisrtik mikrobiologi dan biokimia dari system sel (mikroba, mamalia, tumbuhan) 2. Karakteristik hidrodinamik bioreaktor 3. Karakteristik massa dan panas bioreaktor 4. Kinetika pertumbuhan sel dan pembentukan produk 5. Karakteristik stabilitas genetic dari system sel 6. Desain peralatan yang aseptis 7. Pengawasan lingkungan bioreaktor 8. Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk menghilir 9. Modal dan biaya operasi bioreaktor 10. Potensi dan pengembangan desain bioreaktor Bahan konstruksi bioreaktor hendaknya tidak beracun, mampu menahan tekanan uap dan tahan terhadap korosi kimia dan elektrolitik. Bioreaktor industri biasanya d ibuat dari bahan yang dilapisi dengan baja tahan karat. Bioreaktor ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Perbandingan tingginya terhadap diameter atau rasio aspek merupakan parameter yang penting. Produk-produk yang dihasilkan berdasarkan ukuran dari bioreaktor tersebut dapat dilihat pada table dibawah ini.
No 1. 2. 3.
Ukuran fermentor 1-20.000 40-80.000 100-150.000
4.
Lebih dari 450.000
Produk Enzim diagnostic, substansi biologi molekuler Enzim dan antibiotic Penisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam amino Asam amino, asam glutamat
Untuk melakukan produksi skala besar menggunakan bioreaktor dibutuhkan proses peningkatan skala (scale up). Parameter kinetik merupakan acuan dalam peningkatan skala bioreaktor. Parameter kinetik dalam bioreaktor ialah pengaturan suhu, pH, aerasi, agitasi, dan agen antifoam. Pengaturan suhu dalam bioreaktor dilakukan dengan cara pemompaan air dingin ke bagian jaket bioreaktor. Pengaturan pH dilakukan dengan cara pemberian asam seperti HCl
dan basa seperti NaOH. Agitasi dalam bioreaktor dibutuhkan untuk homogenisasiisi bioreaktor dan aerasi dalam bioreaktor. Jika organisme dalam bioreaktor bersifat aerob maka udara (oksigen) harus dimasukkan ke dalam bioreaktor. Udara dalam bioreaktor dimasukkan melalui sparger yang berada di bawah. Dalam proses aerasi dan agitasi kadang-kadang dihasilkan foam yang dapat mengganggu reaksi biokimia dalam bioreaktor. Oleh karena itu, dibutuhkan agen antifoam untuk mencegah terjadinya foam. Agen antifoam yang umunya dipakai dapat berupa minyak sawit ataupun tween. PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu di dalam populasi. Pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa enzim. Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai da ri transport nutrien dari medium ke dalam sel, konversi bahan nutrient menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran, dan massa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan. Kinetika pertumbuhan mikrobia dalam system diskontinu, kontinu, dan semikontinu, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai d asar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (Pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan. Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomassa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti: 1. Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate) 2. Waktu mengganda (doubling time) 3. Hasil pertumbuhan (growth yield) 4. Kemampuan metabolisme (metabolic quosient) 5. Affinitas substrat 6. Jumlah maksimum biomassa Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filament maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks. Pertumbuhan untuk mikrobia yaitu peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi. Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreactor: 1. Pertumbuhan individu sel; a. Peningkatan substansi dan komponen sel b. Peningkatan ukuran sel
c.
Pembelahan sel
2. Pertumbuhan populasi a. Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel b. Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzim Reproduksi sel bakteri: 1. Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran yang sama. 2. Melibatkan 3 proses: a. Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel) : memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu. b. Replika DNA : indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri. c. Pembelahan sel : diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel hampir semua bakteri menerima DNA. Proses metabolik yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu: 1. Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel 2. Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel 3. Replikasi sel kromosom 4. Pengukuran ukuran dan massa 5. Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik ke sel anakan
2.1.2
Cara Perancangan Bioreaktor Terkait Pencahayaan dalam Kondisi Optimum dan Sebalikmya Cahaya digunakan oleh organisme fotoautotrof sebagai sumber energi pada proses penyusunan molekul kompleks yang disebut fotosintesis. Fotosintesis berlangsung pada bagian dari sel berbentuk silinder pipih yang disebut tilakoid. Tilakoid pada bakteri fotosintetik berada pada plasma sel, sementara pada organisme tingkat lebih tinggi tilakoid terletak pada organel yang disebut kloroplas. Tilakoid mengandung partikel pigmen yang menyerap energi cahaya, dan pigmen ini disebut klorofil. Karena cahaya merupakan faktor penting dalam fotosintesis (dan dari fotosintesis, pertumbuhan tanaman secara keseluruhan), maka desain bioreaktor yang baik harus mengakomodasi cahaya yang cukup untuk organisme agar dapat tumbuh. Peningkatan intensitas cahaya yang diberikan pada bioreaktor akan menghasilkan laju pertumbuhan spesifik kultur yang optimum hingga mencapai nilai maksimumnya (Hirata, 1996). Pemberian intensitas cahaya yang sesuai pun akan menghasilkan produktivitas biomassa yang optimal. Pengaruh pencahayaan pada kemampuan produksi biomassa dan fiksasi CO2 dari organisme fotosintesis bergantung pada kualitas cahaya (dalam hal ini besarnya intensitas cahaya serta berapa lama waktu pencahayaan hariannya) (Wirosaputro, 2002). Dari gambar dapat dilihat bahwa adanya pengaturan pencahayaan yang diberikan dengan penyesuaian besarnya jumlah sel alga dalam suatu kultur
memberikan produksi biomassa 60% lebih besar dibandingkan dengan pemberian intensitas cahaya yang dijaga konstan selama berlangsungn ya kultivasi (Dianursanti, 2012). Sebagian besar mikroalga tidak dapat tumbuh dengan baik dalam keadaan pencahayaan yang konstan, karena membutuhkan waktu istirahat untuk menyimpan makanan. Terkadang dilakukan manipulasi durasi pencahayaan light dark (L/D) waktu pencahayaan. G ambar 7. Nilai Iµmax,opt pada berbagai
berat kering sel Chlorella vulgaris (X) (sumber : Dianursanti, 2012)
A. Bioreaktor dengan Cahaya (Foto-bioreaktor) Fotobioreaktor adalah sebuah sistem bioreaktor yang digunakan sebagai tempat budidaya mikroalga secara monokultur, dimana tersedianya cahaya dan nutrisi yang masuk ke dalam bioreaktor untuk mendorong pertumbuhan mikroalga yang ada di dalam fotobioreaktor. Fotobioreaktor dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu fotobioreaktor sistem tertutup dan fotobioreaktor sistem terbuka. Pada budidaya menggunakan sistem terbuka, budidaya dilakukan dengan menggunakan kolam-kolam budidaya. Sumber cahaya yang digunakan pada fotobioreaktor sistem terbuka berasal dari sumber cahaya alami (matahari), sedangkan fotobioreaktor sistem tertutup menggunakan bioreaktor yang dirancang khusus untuk menumbuhkan alga. Sumber cahaya yang digunakan pada fotobioreaktor sistem tertutup dapat berasal dari sumber cahaya alami (matahari) ataupun sumber cahaya buatan seperti lampu LED. Fotobioreaktor sistem tertutup memiliki beberapa keunggulan daripada sistem terbuka. Teknik Pencahayaan
Bahan bioreaktor yang digunakan harus bening karena akan mempengaruhi cahaya yang dapat terserap oleh substrat. Menentukan sumber cahaya yang akan digunakan, yaitu cahaya secara alami dan buatan. Pencahayaan alami menggunakan sinar matahari langsung sebagai sumber cahayanya, sementara pencahayaan buatan menggunakan bantuan lampu.
Sedangkan berdasarkan kontinuitas terbagi atas pencahayaan pada intensitas tetap, pencahayaan alterasi, serta pencahayaan fotoperiodisitas (terang gelap). Pencahayaan alterasi sebagai salah satu upaya perbaikan untuk memenuhi kebutuhan intensitas cahaya yang optimal agar dapat dicapai laju pertumbuhan sel alga yang tinggi, sedangkan pencahayaan fotoperiodesitas adalah menyesuaikan kondisi nyata dilapangan dimana kondisi cahaya di luar yang terang dan gelap yang mengetahui efeknya terhadap pertumbuhan sel.
Memilih metode kultivasi yang tepat sesuai kondisi lahan, jenis mikroalga yang digunakan, dan pertimbangan lainnya. Menentukan jenis lampu yang digunakan, dengan menyesuaikan intensitas cahaya yang dibutuhkan mikroalga tersebut dengan mencari literatur atau melakukan percobaan skala lab.
Gambar 8. Kelebihan dan Kekurangan Sistem Budidaya
(sumber: Brennan dan Owende, 2009)
B. Mendesain Bioreaktor Tanpa Cahaya Memilih metode kultivasi yang tepat sesuai kondisi lahan, jenis mikroba yang akan dikultivasi. Sebaiknya untuk mendesain bioreaktor tanpa pencahayaan, jenis bioreaktor yang digunakan bahannya harus terselubung, dimana bahan bioreaktor tersebut tidak dapat menyerap intensitas cahaya yang terdapat dalam kondisi ruangan sekitar.
Ketika substrat dalam reaktor tidak membutuhkan cahaya dan cahaya tidak berpengaruh bagi substrat, maka tidak perlu digunakan lampu buatan pada reaktor. Ketika substrat resisten terhadap cahaya, maka reaktor yang digunakan harus terselubung atau bahan reaktor yang digunakan tidak dapat menyerap cahaya sedikit pun.
1. Daftar Pustaka
Anonim. 2011. Bioreaktor. http://dokumen.tips/documents/bioreaktor55a7561df26c6.html [Accessed 2017-04-24]. Anonim. 2012. Bioreactor. http://www.shiariarbd.com/_fpclass/fp_bio-reactors.html . [Accessed 2017-04-24]. Benz, Gregory T. Bioreactor Design for Chemical Engineers. Benz Technology International, Inc. Ebook. Doran, M Pauline. Bioprocess Engineering Principles. New South Wales: University of New South Wales. Elsevier Science & Technology Books. 1995.
