REKAYASA BIOPROSES SISTEM BIOREAKTOR
Oleh: Kelompok 6 Nama : 1. Diah Lestari (061330400294) (061330400294) 2. Nurul Agustini(061330400306) Agustini(061330400306) Kelas
: 1.KA
Jurusan
: Teknik Kimia (DIII)
Dosen Pembimbing
: Ir.Jaksen M.Amin,M.Si
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA TAHUN AKADEMIK 2013-2014
1
KATA PENGANTAR Alhamdulillah kami ucapkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karuniaNya kepada kami sehingga dapat menyelesaikan makalah ini dengan sangat baik. Tak lupa kami selalu hanturkan salam dan shalawat kepada baginda Rasulullah SAW beserta sahabat dan pengikutnya hingga akhir zaman yang tak henti-hentinya membawa kebenaran agama Islam ke seluruh penjuru dunia. Tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada Pak Ir.Jaksen M.Amin,M.Si yang telah mempercayai kami untuk menyusun makalah i ni dengan lancar dan sangat baik . Serta kepada teman- teman sekalian yang berkat partisipasinya makalah ini dapat terselesaikan dengan baik. Makalah ini kami susun dengan sangat sistematis sesuai sajian dengan bahasan kami yaitu “Sistem Bioreaktor’’. Kami mengulas tema makalah ini dengan wawasan yang kami dapatkan dari berbagai buku dan sumber informasi lainnya. Kami menyadari bahwa makalah yang kami susun ini masih banyak kekurangan baik dari segi penulisan maupun keterbatasan sumber pengetahuan kami. Untuk itu kami mohon kritik dan saran kepada para pembaca sekalian. Akhir kata kami berharap makalah ini dapat bermanfaat dengan baik untuk kehidupan kita dan kami ucapkan terimakasih.
Palembang , September 2013
Penulis
2
DAFTAR ISI Halaman judul .................................................................................................. i Kata pangantar ................................................................................................. ii Daftar isi ........................................................................................................... iii BAB I Pendahuluan ......................................................................................... 1 1.1 Latar belakang ............................................................................................ 1 1.2 Rumusan masalah....................................................................................... 1 1.3 Tujuan dan manfaat .................................................................................... 2 1.4 Metode penulisan ....................................................................................... 2 BAB II Pembahasan ......................................................................................... 3 2.1 Pengertian Sistem Bioreaktor..................................................................... 3 2.2 Komponen Bioreaktor.....................................................................3 2.3 Pemilihan Bioreaktor.......................................................................6 2.4 Jenis-jenis Bioreaktor.......................................................................7 2.4.1 Bioreaktor Berdasarkan Tingkat Aseptis.........................................7 2.4.2 Bioreaktor Berdasarkan Pemberian Substrat...................................7 2.4.3 Bioreaktor Berdasarkan Sistem Aerasi............................................8 2.5 Kriteria Dasar Desain Bioreaktor.......................................................9 2.6 Instrumentasi dan Pengendalian.......................................................10 2.7 Penggandaan Skala...........................................................................12 BAB III Penutup 3.1 Kesimpulan ................................................................................................ 14 Daftar pustaka .................................................................................................. 15
3
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Bioreaktor adalah suatu alat atau sistem yang mendukung aktivitasagensia biologis. Dengan kata lain, sebuah bioreaktor adalah tempat berlangsungnya proses kimia yang melibatkan mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Bioreaktor dikenal juga dengan nama fermentor.Proses reaksi kimia yang berlangsung dapat bersifat aerobik ataupun anaerobik. Sementara itu,agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran. Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) adalah cabang ilmu dari teknik kimia yang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkan agensia biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atauenzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupa bakteri, khamir,
atau
kapang.
Teknik
bioproses
biasanya
diajarkan
sebagai
suplementeknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmudasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dariteknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan,bioteknologi, dan industri pengolahan air. 1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas, dapat diambil suatu rumusan masalah, yaitu sebagai berikut. 1. Bagaimana prinsip kerja sistem bioreaktor? 2. Bagaimana jenis-jenis bioreaktor?
4
1.3 Tujuan dan Manfaat
Adapun tujuan dari penyusunan makalh ini, yaitu: Makalah ini disusun dalam rangka memenuhi tugas yang diberikan oleh dosen pembimbing mata kuliah rekayasa bioproses ’’sistem bioreaktor’’. Dengan dibuatnya makalah ini penulis berharap dapat menambah pengetahuan pembaca tentang kinetika kimia yang memiliki kegunaan demi keselamattan umat. Selain dari tujuan di atas, terdapat pula manfaat dari penyusunan makalah, yaitu sebagai berikut. 1. Sebagai media pembelajaran dan latihan dalam penyusunan makalah. 2. Sebagai bahan bacaan tambahan mengenai sistem bioreaktor
1.4 Metode Penyusunan
Adapun metode yang digunakan dalam penyusunan makalah ini yaitu metode stuudi pustaka, yang merupakan metode mengumpulkan, menyaring, dan menyimpulkan suatu bahan bacaan dari berbagai buku dan sumber lainnya.
5
BAB II PEMBAHASAN
2.1 PENGERTIAN SISTEM BIOREAKTOR Suatu unit alat yang digunakan untuk melangsungkan proses biokimia (fermentasi) dari suatu bahan mentah menjadi produk yang diinginkan, dimana prosesnya dikatalisis oleh enzim-enzim pada mikroorganisme. 2.2 KOMPONEN BIOREAKTOR
A. Kabel Power Kabel power berfungsi untuk menghubungkan shaker dengan sumber listrik. Kabel power harus dihubungkan dengan sumber listrik dengan tegangan 220 volt 50 Hz. B. M otor Pengaduk Motor pengaduk berfungsi sebagai penggerak pengaduk media dalam bioreaktor. Motor pengaduk adalah berupa motor 3 phase 0,5 HP. C. Tutup Reaktor Tutup reaktor berfungsi sebagai penutup badan reaktor agar terhindar dari kontaminasi lingkungan luar dan juga sebagai pendukung kedudukan motor pengaduk. Penutup dikuatkan ke badan reaktor dengan
6
pengencang baut, sehingga sekali-kali dapat dibuka/dipisahkan dari badan reaktor. D. Box/Panel Kontrol Box/panel control adalah tempat unit pengontrol ditempatkan. Ada beberapa unit pengontrol yaitu; Saklar Power Saklar power berfungsi untuk menghidupkan/mematikan operasi. Ada tiga
saklar power, 1) saklar power untuk menghidupkan/mematikan motor pengaduk, 2) saklar power untuk menghidupkan/mematikan pemanas dan 3) saklar power untuk menghidupkan/mematikan pendingin. Pengontrol Suhu
Pengontrol suhu berfungsi untuk megatur suhu operasi dalam reaktor agar sesuai dengan kebutuhan. Setting suhu dilakukan secara analog dengan cara menset suhu operasi. Suhu operasi aktual akan terlihat pada display secara digital. Speed Controler
Speed controller berfungsi untuk mengatur jumlah putaran pengaduk yang dilakukan saat operasi.Pengaturan ini delakukan dengan memutar tombol lalau atur sesuai kebutuhan. Perhatikan pada bagian indikator putaran akan menunjukkan jumlah putaran sesuai dengan arah putaran pada saklar speed controller. Putaran saklar ke searah jarum jam akan mengubah jumlah putaran semakin besar dan sebaliknya.
E. Kondensor Kondensor berfungsi untuk mengembunkan cairan yang menguap selama operasi berlangsung dalam reaktor dan mengembalikan lagi ke tangki reaktor. Dengan cara ini maka konsentrasi media dala m reaktor diharapkan tidak banyak terjadi perubahan akibat kehilangan cairan selama operasi berlangsung. Agar kondensor dapat berfungsi dengan baik, maka perlu pendinginan dengan media pendingin. F. Flowrate Aerator Flowrate aerator berfungsi untuk mengatur jumlah udara yang dimasukkan ke dalam reaktor selama operasi berlangsung. Jumlah volume udara yang dialirkan dapat terlihat pada display aliran.
7
G. Corong Input Corong input berpungsi untuk memuat bahan/media yang akan diproses dalam reaktor secara perlahan-lahan. Corong input dapat juga disambungkan dengan menggunakan selang untuk input menggunakan pompa. H. Manhole Input Manhole input berfungsi untuk pemuatan bahan/media ke dalam reaktor secara cepat. Manhole input dikuatkan pada tutup reaktor dengan menggunakan pengencang baut yang mudah dibuka/dikencangkan. I. Badan Reaktor Badan reaktor adalah tangki reaktor tempat media diproses. Badan reaktor berupa tangki berjaket untuk operasi pendinginan jika diperlukan. Di bagian bawah ditempatkan filament pemanas untuk sterilisasi dan pemanasan saat proses jika diperlukan. J. Jendela Pengintip Jendela pengintip berfungsi untuk melihat atau memperhatikan secara visual kondisi opersi dalam reaktor selama proses berlangsung. K. Sambungan Sensor Kontrol Sambungan sensor control berupa cadangan, disiapkan jika dikemudian hari bioreaktor akan dilengkapi dengan ala t pengontrol tambahan, sehingga proses dapat berlangsung lebih terkontrol sesuai dengan kedinginan. L. Pipa Input Media Pendingin Pipa input media pendingin berfungsi untuk mengalirkan media pendingin berupa air dingin untuk mendinginkan media selama berlangsungnya proses jika diperlukan. Operasi pendinginan akan berjalan otomatis, sehingga suhu dalam reaktor sesuai dengan yang diharapkan (kondisi preset). M. Valve Output Valve output berfungsi untuk memanen hasil proses dalam reaktor. Pemanenan dilakukan dengan cara membuka valve lalu menampungnya di bagian bawah valve
8
2.3 PEMILIHAN BIOREAKTOR Pemilihan bioreaktor sangat ditentukan oleh jenis makhluk hidup yang digunakan, sifat media tumbuh makhluk hidup tersebut, parameter bioproses yang akan dicapai, dan faktor-faktor produksi. Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok: Sumber energi
Nutrisi
Inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul
Kondisi fisikokimiawi yang optimal
Tidak ada komponen penghambat dari media
Dalam merancang suatu bioreaktor maka perlu dipertimbangkan beberapa hal berikut: Bejana atau bentukan lain harus mampu dioperasikan pada suasana aseptik dalam beberapa hari dan berlangsung untuk waktu yang sama. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga dapat mencukupi kebutuhan biokatalis untuk melakukan metabolisme secara optimal . Proses pencampuran ini tidak boleh mengganggu atau merusak sel. Konsumsi energi untuk pengoperasian bioreaktor harus dapat dibuat seminimal mungkin. Suatu sistem yang dapat mengendalikan suhu dan harus merupakan bagian dari perlengkapan bioreaktor. Bioreaktor harus dilengkapi dengan fasilitas pengambilan contoh. Proses penguapan (atau evaporasi) perlu diupayakan agar tidak berlebihan Bejana perlu dirancang agar dapat dioperasikan dengan jumlah kerja minimal, baik untuk pengoperasian, pengambilan produk, pembersihan, dan pemeliharaan. Bejana atau bentukan lain harus sesuai dengan berbagai jenis proses . Bejana harus dibuat sedemikian rupa sehingga permukaan bagian dalamnya halus.
9
Untuk memudahkan peningkatan skala (scale up) atau peningkatan ukuran, bioreaktor harus mempunyai bentuk geometri serupa antara yang berukuran kecil dengan yang besar.
2.4 JENIS-JENIS BIOREAKTOR
2.4.1
Berdasarkan Tingkat Aseptis
a. Bioreaktor Sistem Non Aseptis Digunakan untuk pengolahan limbah. b. Bioreaktor Sistem Aseptis Digunakan untuk produksi sel dan produksi metabolit.] Untuk bioreaktor sistem aseptis diperlukan sterilisasi bioreaktor pada suhu dan tekanan yang tinggi.
2.4.2
Berdasarkan Pemberian Substrat
a. Bioreaktor Curah
Bioreaktor curah (batch) adalah bioreaktor yang sederhana, dimana pada saat proses berlangsung tidak ada bahan yang masuk maupun yang keluar dari bioreaktor. Kondisi bahan maupun mikroorganisme dalam bioreaktor batch secara menyeluruh mengalami perubahan seiring dengan waktu sampai pada tingkat tertentu. Saat pemanenan produk, harus dilakukan proses lebih lanjut seperti pemurnian dan lain sebagainya. Fermentor diisi oleh nutrisi/medium, suhu & pH disterilisasi, Inokulum dimasukan, proses fermentasi hingga waktu yg ditentukan Proses s.d fase akhir log/stasioner, Proses selanjutnya diulang Tidak ada nutrisi yang ditambahkan.
10
b. Bioreaktor Sinambung
Bioreaktor sinambung(continius) adalah bioreaktor dimana pada saat proses berlangsung ada bahan yang masuk maupun keluar dari bioreaktor. Salah satu jenis bioreaktor sinambung adalah CSTR (Continues Stirred Tank Reactor ) untuk reaksi enzimatik dapat digunakan. Bioreaktor Turbular Piston (Plug Flow Tabulator Reaktor, PFTR) memili ki prinsip kerja yaitu bila suatu zat alir mengalir mengalir dalam suatu pipa atauu terowongan, bilangan Reynold cukup besar, maka aliran ini menyerupai suatu aliran piston (plug flow) yang berarti tidak ada variasi ke cepatan axial pada penampang melintang pipa. Dibandingkan dengan CSTR, tidak adanya umpan masuk pada PFTR akan menyebabkan konsentrasi biomassa sama dengan nol pada keluaran.
c. Bioreaktor Semi Sinambung
Pada Bioreaktor Semi Sinambung (fed batch fermentation), makanan diberikan kemudian produk dipanen, makanan yang baru diberikan sebelum makanan pertama yang diberikan habis.Nutrisi ditambahkan pada saat fase yang dibutuhkan. Selam proses fermentasi kecepatan pertumbuhan mo dan konsentrasi biomasa dapat dikontrol dengan penambahan nutrisi saat fase tertentu.
2.4.3
Berdasarkan Sistem Aerasi
a. Bioreaktor Stirred Tank Prinsip stirred tank bioreactor adalah menghasilkan aerasi dengan menggunakan agitasi mekanis, yaitu dengan impeller.
b. Bioreaktor Bubble Column
11
Pada bubble column bioreactor, udara dalam bentuk gelembung dimasukkan ke media melalui sparger untuk aerasi.
c. Bioreaktor Loop Airlift Pada loop airlift bioreactor, udara dan media disirkulasi bersamaan melalui kolom yang dimasukkan ke dalam kolom lain.
2.5 Kriteria Dasar Desain Bioreaktor
Karakteristik mikrobiologi dan biokimia dari sistem sel (mikroba, mamalia, tumbuhan)
Karakteristik hidrodinamik bioreaktor
Karakteristik massa dan panas bioreaktor
Kinetika pertumbuhan sel dan pembentukan produk
Karakteristik stabilitas genetik dari sistem sel
Desain peralatan yang aseptir
Pengawasan lingkungan bioreaktor ( makro dan mikro)
Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk ( proses hilir atau down stream)
Modal dan biaya operasi bioreaktor
Potensi pengembangan desain bioreaktor
Tenaga (power) Agitasi pada Bioreaktor Beberapa jenis agitator yang digunakan;
Jangkar (anchor)
Impeller seperti flat blade turbine
Dayung (paddle)
Pita helix
Baling-baling (propeller)
12
Tenaga pengadukan yang dikonsumsi sangat tergantung pada jenis agitator yang digunakan dan sifat reologi mediabiakan. Ada atau tidaknya turbulensi ditetapkan berdasarkan kaitannya dengan bilangan reynolds untuk agitasi, seperti ditunjukan dalam persamaan; NRe = da2 N p / ϻ Dimana da = diameter agitator N = kecepatan putaran (rps) p = densitas fluida ϻ = viskositas fluida Dari nilai Np tersebut maka tenaga agitasi dapat dihitung dari rumus berikut; Np = P / (p N3 da5 ) Dimana P adalah konsumsi power.
2.6 Instumentasi Dan Pengendalian
2.6.1 Pentingnya pengendalian Pengendalian suatu proses fermentasi terutama fermentasi atau kultifasi media cair yang berlangsung didalam fermentor (bioreaktor). Dibutuhkan pengetahuan tentang keadaan proses dengan peningkatan waktu fermentasi yang singkat dan bagaiman respon mikroorganisme terhadap kondisi lingkungan yang diukur. Oleh karena itu diperlikan suatu pengendalian fermentasi.
2.6.2 beberapa sensor pengendali A. sensor-sensor pengendali fisik
Suhu Suhu dapat dikontrol oleh termometer ( Hg ) termokopel atau termometer resistensi logam atau termistor yang dihubunkgkank dengan suatu alat pengontrol.
13
Tekanan Tekanan umumnya diukur oleh gaus diafragma yang sederhana. Sinyal pneumatik yang dihasilkan dap di relay secara langsung atau ditransduksikan melaui suatu alat sederhana melalui sinyal elektronik.
Kecepatan impeller Pda bejana yang lebih kecil putaran impeller biasa nkya lebih tinggi
Busa Pengontrolan busa dapat dilakukan oleh penghancur busa mekanik, anti busa kimiawi atau oleh kombinasi antara keduanya.
Laju alir gas Laju alir gas dapat diukur dengan menggunakan berbagai peralatan, misalnya flowmeter,rotameter, dan sebagainya.
Laju umpan cairan Untuk mengukur laju umpan cairan menggunakan alat flowmeter elektromagnetik.
Viskositas cairan fermentasi Dapat digunakan untuk indikator pertumbuhan sel atau morfologi sel selain itu viskositas dapat juga menunjukan adanya proses disrupsi miselial yang terjadi pada bejana fermentor.
Kekeruhan Merupakan laju pertumbuhan sel yang dapat diukur dengan cepat.
Masukan tenaga corong Ada dua alat yang dapat digunakan untuk mengukur nya yaitu dinamometer torsi dan starin gauge
B. Sensor-sensor lingkungn kimiawi
Ph
Oksigen terlarut
Konsentrasi gas O2 keluar
14
Konsentrasi gas CO2 keluar
Faktor lingkungan kimia lainnya
C.Sensor-sensor pintu gerbang
Ph
Oksigen terlarut
O2 pada gas keluar
Laju alir gas
CO2 pada gas keluar
Pengambilan O2
Evolusi CO2
Kandungan gula dan laju umpan
2.7 PENGGANDAAN SKALA (scale up)
Penggandaan skala umunya digunakan untuk perancangan dan penyusunan sistem yang lebih besar.
Teknologi Penggandaan Skala
Skala laboratorium
›
Kelebihan : dapat mengukur komposisi larutan nutrisi, suhu dan suplementasi substrat
15
›
Kelemahan : tidak dapat mengukur pH dan konsentrasi oksigen.
Skala pilot
Skala industri.
Dalam penggandaan skala dibutuhkan kondisi lingkungan yang optimal.
16
BAB III Penutup 3.1 Kesimpulan Bioreaktor adalah suatu alat atau sistem yang mendukung aktivitasagensia biologis. Dengan kata lain, sebuah bioreaktor adalah tempat berlangsungnya proses kimia yang melibatkan mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Bioreaktor dikenal juga dengan nama fermentor.Proses reaksi kimia yang berlangsung dapat bersifat aerobik ataupun anaerobik.
17
Daftar Pustaka Tim laboratorium Kimia.2013. Modul Rekaya Biopros. Palembang:Polsri. http://id.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor.diakses tanggal 17 november 2013 http://www.scribd.com/doc/142870747/Sistem-Bioreaktor.diakses tanggal 17 november 2013.
18
