UNIVERSITAS INDONESIA
Judul Makalah BIOREAKTOR TUBULAR
KELOMPOK 2 : Annisa Kurnia (1106009431) Ayu Kamilah (1106013214) Fachryan Zuhri (1106012224) Haisa Yuana (1106010061) (1106010061) Lita Lianti (1106011120) (1106011120) Rosyida Khusniatul Arifah (1106012432) (1106012432) Tatia Chairunnisa (1106012924)
DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING UNIVERSITY OF INDONESIA DEPOK 2014
2
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ........................ 1 MINDMAP ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ...................................... ................ 2 DAFTAR ISI........................................... ISI................................................................. ............................................ ............................................ ...................................... ................ 3 DAFTAR GAMBAR ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ........................ 4 DAFTAR TABEL ............................................. .................................................................... ............................................ ............................................ ........................... .... 5 BAB I PENDAHULUAN ........................................... .................................................................. ............................................ ..................................... ................ 6
1.1 Latar Belakang .......................................... ................................................................. ............................................ ..................................... ................ 6 1.2 Tujuan ............................................. .................................................................... ............................................ ............................................ ........................... .... 6 1.3 Rumusan Masalah .................................. ........................................................ ............................................. .......................................... ................... 6 ................................................................... ............................................ ............................................ ...................................... ................ 8 BAB II ISI ............................................. 2.1 Bioreaktor Tubular .......................................... ................................................................. ............................................. .............................. ........ 8 2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular Tubular ........................................... ................................................................. ........................ 8 2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular......................................... ............................................................... ......................... ... 10 2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular ...................................... ............................................................ ............................ ...... 10 2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor Tubular............. 13 2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular ........................................... ................................................. ...... 15 2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Kultivasi Alga dalam Pembuatan Biofuel ... 17 2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular ............................... ............................... 18 2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan ............................................ .......................................................... .............. 19 2.4.1.2 Proses Pemanenan ............................................ .................................................................. ............................ ...... 19 2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi Alga .......... 19 2.4.3 Material Fotobioreaktor Tubular .................................. ........................................................ ............................ ...... 25 2.4.3.1 Energy Content Material Content Material ........................................................ .............................................................. ...... 25 2.4.3.2 Material Fotobioreaktor ...................................... ............................................................ ......................... ... 25 2.4.3.3 Kaca Borosilika ........................................... .................................................................. ................................ ......... 28 2.4.4 Desain Perancangan Fotobioreaktor Tubular ........................................... ........................................... 30 ............................................................... ............................................ .............................................. ......................... .. 34 BAB III PENUTUP .......................................... 3.1 Kesimpulan ......................................... ............................................................... ............................................. ........................................ ................. 34 3.2 Saran ............................................. .................................................................... ............................................ ............................................ ......................... .. 34 DAFTAR PUSTAKA
3
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Reaktor Tubular Adiabatik.................................................................................. 8
Gambar 2.2
Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal untuk fermentasi dan pengolahan limbah ........................................................................................... 12
Gambar 2.3
Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan model ................... 13
Gambar 2.4
Reaktor tubular kontinu .................................................................................... 14
Gambar 2.5
Fotobioreaktor tubular....................................................................................... 18
Gambar 2.6
Skema fotobioreaktor tubular............................................................................ 20
Gambar 2.7
Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A) dan bubble air column (B) ............................................................................................................................ 20
Gambar 2.8
Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel (A) dan loop (B) .............. 24
Gambar 2.9 Tabung kaca borosilika ...................................................................................... 26 Gambar 2.9
LDPE Film sebagai penutup sebuah greenhouse .............................................. 26
Gambar 2.10 Tabel Karakteristik Material Fotobioreaktor dan Kandungan Energi Fotobioreaktor Tubular ................................................................................... 27 Gambar 2.11 Kaca borosilika sebagai material fotobioreaktor .............................................. 28 Gambar 2.12 Struktur molekul kaca borosilika ...................................................................... 29 Gambar 2.13 Spesifikasi kaca borosilika ................................................................................ 30 Gambar 2.14 Komposisi kimia kaca borosilika ...................................................................... 30 Gambar 2.15 Fotobioreaktor .................................................................................................... 32 Gambar 2.16 Gas liquid separator .......................................................................................... 33
4
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu ................................................................ 15 Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular ...................................................... 17 Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga ................................................. 21 Tabel 2.4 Keunggulan Kaca Borosilika .................................................................................. 29
5
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dalam
beberapa
dekade
terakhir,
bioteknologi
berkembang
sangat
pesat.
Perkembangan ini semakin didukung oleh meningkatnya jumlah mikroorganisme yang direkayasa secara genetik agar bisa menghasilkan zat-zat yang diinginkan sesuai jumlah yang dibutuhkan.
Meskipun
mikroorganisme-mikroorganisme
tersebut
telah
mengalami
modifikasi, lingkungan tumbuh yang sesuai harus disediakan agar proses produksi berjalan dengan optimal. Untuk memfasilitasi kebutuhan ini, maka dirancanglah suatu alat atau wadah berupa sistem tertutup yang disebut bioreaktor. Bioreaktor adalah suatu unit alat yang digunakan untuk melangsungkan proses biokimia dari suatu bahan baku menjadi produk yang diinginkan, dimana prosesnya dikatalisis oleh enzim-enzim mikrobial atau isolat enzim murni. Beberapa parameter yang dikontrol dalam sistem bioreaktor di antaranya: suhu, pH, aerasi, nutrisi (Arbusyro, 2011). Namun, beberapa faktor lain juga perlu diperhatikan tergantung pada jenis mikroorganisme yang digunakan, contohnya pencahayaan. Kebutuhan-kebutuhan ini bisa dipenuhi dengan perancangan bioreaktor yang sesuai untuk meningkatkan aktivitas produksi. Terdapat berbagai jenis bioreaktor berdasarkan bentuk dan fungsinya. Salah satunya adalah bioreaktor tubular. Dalam makalah ini, tim penulis akan membahas mengenai bioreaktor tubular dan aplikasinya.
1.2 Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah “Bioreaktor Tubular” ini di antaranya : 1. Memahami prinsip kerja bioreaktor tubular secara umum; 2. Memahami salah satu aplikasi bioreaktor tubular yaitu fotobioreaktor sebagai media kultivasi alga; 3. Memahami sistem perancangan fotobioreaktor alga.
1.3 Rumusan Masalah
Masalah yang dikaji dalam makalah ini adalah bagaimana bioreaktor tubular diaplikasikan dalam sistem bioproses. Selain itu, dibahas pula mengenai desain rancangan
6
fotobioreaktor tubular sebagai media kultivasi alga, termasuk material, pertimbangan pemilihan, serta kelebihan dan kekurangannya.
7
BAB II ISI 2.1 Bioreaktor Tubular
2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular Dalam dunia rekayasa proses hayati diperlukan alat yang disebut bioreaktor. Bioreaktor ini digunakan dalam proses konversi reaktan menjadi produk yang melibatkan makhluk hidup atau sel organisme. Salah satu jenis bioreaktor jika ditinjau dari bentuknya adalah jenis bioreaktor tubular. Bioreaktor ini berbentuk vessel dengan geometri silindris. Tabung bioreaktor ini panjang dengan feed masuk di ujung yang satu dan produk keluar di ujung yang lain. Dalam merancang reaktor ini cukup menantang karena ada perubahan variabel searah berubahnya waktu pada posisi aksial. Untuk perhitungannya diperlukan persamaan diferensial parsial. Reaktor tubular lebih sulit dikontrol daripada reaktor CSTR. Variabel suhu sangat menentukan sistem yang berlangsung pada reaktor jenis ini.
Gambar 2.1 Reaktor Tubular Adiabatik (Sumber: Luyben, William L. 2007. Chemical Reactor Design And Control.)
Pada Gambar 2.1 terlihat sketsa reaktor tubular adiabatik. Pembeda utama untuk reaktor jenis ini adalah bahwa variabelnya akan berubah seiring perubahan dimensi secara fisik. seperti analogi prinsip pipa akan terjadi friksi dan profil variabel tertentu yang berbeda ketika panjangnya berubah. Secara klasik, dalam reaktor tubular tidak terjadi perpindahan masa dan energi secara radial dan tidak terjadi percampuran pada arah aksial.
8
Berdasarkan isi reaktor, reaktor tubular reaktor terdiri dari dua jenis, yaitu reaktor tubular dengan katalis dan reaktor yang tidak ada katalis tau kosong. Katalis ini biasanya berupa materi padat yang dipasang secara packed atau bed . Adanya katalis tersebut sangat mempengaruhi dinamika sistem pada reaktor. Hal itu dikarenakan katalis memiliki kapasitansi panas yang lebih besar dibandingkan dengan fluida yang melewatinya. Ada lima perbedaan yang mendasar antara reaktor CSTR dengan reaktor tubular. Pertama adalah variasi sifat-sifat dalam arah aksial sepanjang panjang reaktor. Misalnya dalam reaktor adiabatik dengan reaksi ireversibel yang eksotermik, suhu maksimum terjadi pada bagian keluaran reaktor dibawah kondisi steady state. Perbedaan kedua adalah perubahan dinamika atau terjadinya disturbansi. Di reaktor jenis tubular, disturbansi akan terjadi atau muncul lebih lama dari pada di CSTR. Ketika dilakukan perubahan pada inlet maka reaktor tubular membutuhkan waktu untuk merespon perubahan hingga dapat terdeteksi di outlet. Hal ini menyebabkan deadtime dan dinamic lags yang besar dalam sistem jika dilakukan perubahan variabel pada inlet. Perbedaan yang ketiga adalah pada reaktor non-adiabatik pengontrolan suhu pada sistem sulit dilakukan. Hal yang dapat dilakukan untuk masalah tersebut adalah dengan menggunakan pemanasan atau pendinginan aliran medium, secara aliran searah atau berlawanan arah dengan aliran sistem. Hal hanya bisa dimanipulasi adalah dengan mengubah kecepatan aliran medium dan suhu pada inlet. Perbedaan yang keempat adalah pengaruh dari suhu inlet. Pada CSTR perubahan suhu pada inlet tidak terlalu berpengaruh pada sistem. Berbeda dengan reaktor tubular, perancangan dan kontrol suhu pada feed sangat penting untuk diperhatikan. Jika pada inlet diberikan suhu yang rendah maka kecepatan reaksi pada bagian ujung depan reaktor akan lambat, maka dibutuhkan reaktor yang lebih besar. Namun apabila suhu pada inlet dinaikkan maka ukuran reaktor akan menurun, tetapi suhu menuju outlet akan semakin naik. Pada beberapa sistem terdapat suhu maksimum yang diperbolehkan dimana nilai t ersebut dipengaruhi beberapa faktor seperti ada tidaknya katalis, material dari reaktor dan reaksi tambahan yang terjadi dalam sistem. Perbedaan yang kelima adalah pressure drop. Pada CSTR tidak terdapat pressure drop sedangkan pada reaktor tubular variabel ini dapat menjadi variabel yang sangat penting dikontrol.
Variabel ini dapat direduksi dengan mengubah diameter
tabung menjadi lebih besar dan memperpendek panjangnya. Namun dengan memperpendek panjang tabung maka dibutuhkan reaktor pararel yang lebih banyak. Dengan memperbesar diameter tabung mengakibatkan transfer panas yang lebih buruk. 9
Hal tersebut membutuhkan energi lebih untuk mndapatkan perpindahan panas yang diinginkan sehingga dengan kata lain akan meningkatkan biaya operasi.
2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular Berdasarkan mode atau cara pengoperasiannya, reaktor tubular dibedakan menjadi empat berikut akan dijelaskan secara singkat mengenai jenis-jenis tersebut. a) Reaktor Tubular Adiabatik Pada jenis ini tidak ada transfer panas dalam reaktor sehingga tidak ada gradien suhu pada arah radial. Suhu adiabatik berubah bergantung pada per-pass conversion, jumlah material dalam bahan yang masuk, dan kapasitas panasnya. Jika konversi dari reaktan menjadi produk rendah maka perubahan suhu adiabatik akan kecil. Jika ada material yang inert atau bahan merupakan bukan reaktan, bahan ini akan berfungsi sebagai pentransfer panas yang pasif sehingga dapat mereduksi perubahan suhu adiabatik. b) Reaktor Tubular dengan Heat Exchanger Jenis reaktor ini memiliki konstruksi yang hampir sama dengan alat penukar kalor tube-in-shell. Aliran fluida akan dipanaskan atau didinginkan oleh medium penukar kalor yang ada di sistem. Perpindahan kalor dalam proses mempengaruhi gradien suhu secara radial. Gradien tersebut sangat dipengruhi oleh diameter tabung, kecepatan fluida serta sifat-sifat fluidanya. Semakin besar diameter tabung maka gradien secara radialnya akan semakin besar pula. c) Reaktor Tubular dengan Intermediate Heat Exchanger Diantara vessel reaktornya digunakan reaktor adiabatik dengan pendingin atau pemanas yang dikonstrukdi secara seri. d) Reaktor Tubular dengan Cold Scot Cooling Reaktor tubular ini dioperasikan secara adiabatis dengan menggunakan katalis multiple beds. Pada setiap ujung beds, aliran panas dan dingin akan bertemu dan bercampur yang menyebabkan suhu menurun sehingga dapat kembali sesuai dengan suhu yang ada di inlet. 2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular
10
Reaktor tubular telah banyak digunakan dalam industri baik pada petroleum, petrokimia, farmasi, pengolahan limbah atau untuk produksi energi alternatif. Beberapa contoh penggunaanya di antaranya untuk: 1) Karbonilasi (Carbonylation) Reaksi yang terjadi adalah perubahn substrat organik atau inorganik oleh karbon monoksida yang dituukan untuk mensintesis bahan organik. Pada bioproses salah satu reaksi ini terjadi pada proses karbonilasi protein, yaitu modifikasi ikatan asam amino pada protein dengan ikatan karbonil (aldehid dan keton). Reaksi ini membutuhkan tekanan tinggi dan katalis yang heterogen. Oleh karena itu pnggunaan reaktor jenis tubular sangat memberikan manfaat seperti kemudahan mengontrol residence time, memiliki inventori yang rendah untuk reaktan dibawah tekanan yang tinggi sehingga keamanan proses lebih terjaga serta kemudahan dalam pemisahan katalis. 2) Hidrogenasi Reaksi hidrogenasi merupakan penambahan hidrogen ke substrat yang tidak jenuh dan biasnnya melibatkan katalis. Dalam industri contoh reaksi ini adalah pembuatan margarin dari minyak sayur (nabati). Proses katalitik hidrogenasi substrat yang mengubah lemak tak jenuh ini dilakukan pada kecepatan tinggi. Prosesnya diperoleh dengan lipolisis dengan gas yang mengandung gas hidrogen dimana subtrat dan hidrogen mengalir melakukan kontak dengan katalis melalui reaktor tubular pada tekanan 0,5 sampai 300 bar dan suhu 60 o sampai 280oC. Perbandingan panjang dan diameter reaktornya adalah 10:1. 3) Fermentasi dan pengolahan limbah (wastewater treatment ) Biorektor tubular untuk fermentasi atau pengolahan limbah air memiliki jenis konstruksi yang berbeda. Jenis tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2a. Kosntruksi yanng paling sederhana ditampilkan pada Gambar 2.2a. Bioreaktor tersebut hanya terdiri dari tabung lurus atau spiral. Jenis tersebut sering digunakan dalam pengolahan air limbah. Gambar 2.2b merupakan reaktor biodisc yang dalam hal ini digunkan sebagai katalis. Jenis ini biasanya digunakan untuk mikroba yang menghasilkan biofilm. Untuk jenis pada Gambar 2.2c. Digunakan untuk mikroba mycelial yang tidak menghasikan biofilm. Jenis ini memiliki blade ganda dalam tabungnya. Untuk jenis bioreaktor pada Gambar 2.2d, bioreaktor terdiri dari beberapa katalis silindris. Tujuannya adalah untuk 11
meningkatkan proses pengadukan (mixing) dan menekan pembentukan biofilm. Gambar 2.2e merupakan jenis bioreaktor untuk bioproses yang berbeda dimana foaming (pembentukan busa) rendah. Gambar 2.2f merupakan jenis bioreaktor yang digunakan untuk pengolahan limbah dengan mikroba aerobik. Gambar 2.2g merupakan jenis bioreaktor yang ditujukan untuk menghambat pertumbuhan dinding mikroba.
Gambar 2.2 Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal untuk fermentasi dan pengolahan limbah (Sumber: B. Šantek. 2006. Horizont al Tubular Bioreactors in Biotechnology.)
4) Bioproses dengan organisme fototropik Bioreaktor tubular juga dapat digunakan sebagai bioproses fotosintetik dimana energi matahari digunakan sebagai produksi biomassa atau metabolit yang dihasilkan dari mikroba. Bioreaktor tipe ini sebagian besar digunakan untuk kultivasi alga dan organisme fototropik lain. Pada kasus ini, bioreaktor tubular dikonstruksi sebagai tabung yang lurus, plat tipis degan dinding partisi untuk regulasi aliran medium atau tabung pengumpul sinar matahari. Biasanya terbuat dari material transparan seperti plastik atau gelas yang dimaksudkan untuk memperoleh suplai cahaya yang cukup. Prinsip dasar dari konstruksi bioreaktor ini adalah untuk mereduksi celah kecil cahaya untuk
12
meningkatkan jumlah cahaya yang tersedia untuk sel. Penjelasan lebih lanjut akan diberikan pada bab selanjutnya. 2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor Tubular
Untuk mengetahui hal apa saja yang diperhatikan dalam pemilihan reaktor, maka kita harus memahami terlebih dahulu kreiteria dalam menentukan desain sebuah tipe reaktor secara umum. Ada beberapa pendekatan dalam menentukan sebuah desain reaktor, diantaranya adalah modeling approach atau pendekatan melalui model (Heinze, 2009). Dalam pendekatan ini, diperlukan untuk mengkombinasikn pengetahuan kuantitatif fisika dan kimia untuk mendesain reaktor yang nantinya akan digunakan untuk pemilihan reaktor.
Gambar 2.3 Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan model (Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: B asic Description and Design.)
Dari skema di atas, bisa dilihat yang menjadi pertimbangan dalam aspek fisik adalah pola aliran, perpindahan masa dan panas, dan waktu tinggalnya seperti apa. Untuk tubular reaktor, merupakan jenis reaktor pipa tanpa pengaduk, dimana tidak terjadi agitasi. Reaksi terjadi disepanjang aliran pipa. Jika kecepatan aliran terlalu tinggi, dan diasumsikan perpindahan yang terjadi pada arah radial pipa sangat kecil, maka aliran pipa tersebut dinamakan plug flow. Jadi, apabila pola aliran yang diinginkan laminar atau turbulen dalam sebuah reaktor tanpa pengaduk maka reaktor bisa menjadi salah satu yang bisa dipertimbangkan. Begitupun juga dengan aspek yang lain seperti perpindahan masa dan panas, serta aspek residence time-nya, disesuaikan apakah akan sesuai dengan menggunakan jenis reaktor tubular. Dan juga ditambah dengan sifat-sifat kimia, terutama data kinetik dari sebuah proses reaksi ditambah dengan termodinamika reaksi dan selektivitasnya. 13
Dari skema di atas, dapat diturunkan lebih jauh lagi dalam melakukan pemilihan reaktor. Hal tersebut antara lain: 1. Mengidentifikasi jumlah fase yang ada pada reaksi (homogen atau heterogen); 2. Mengidentifikasi stoikiometri, jumlah reaksi, dan kebutuhan energi; 3. Mengidentifikasi Mekanisme dan rute reaksi; 4. Menentukan tujuan dari pemilihan reaktor (Evaluasi data kinetika, data untuk scaleup, desain komersial). Selanjutnya, kita kembali lagi ke reaktor tubular yang bersifat aliran kontinu. Hal ini juga menjadi dasar perhatian dalam menentukan jenis reaktor. Berati kita juga perlu mengetahuan peruntukan untuk masing-masing tipe reaktor kontinu dan non-kontinu ( batch) sehingga dapat dijadikan pertimbangan dalam penentuan tipe reaktor tubular. Berikut adalah karakteristik dari tipe batch: 1. Produksinya kontinu; 2. Steady state setelah periode start up; 3. Tidak ada variasi konsentrasi terhadap waktu; 4. Laju reaksi yang relatif konstan; 5. Kemudahan untuk menentukan kinetika; 6. Tidak ada down-time untuk pembersihan, pengisian, dll.
Gambar 2.4 Reaktor tubular kontinu (Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: B asic Description and Design.)
Untuk sistem batch karakteristiknya adalah sebagai berikut: 1. Kondisi yang bervariasi terhadap waktu; 2. Produksi yang tidak kontinu; 3. Ada waktu untuk pembersihan dan pengisian, baik substrat atau produk yang terbentuk; 4. Fleksibel. Dari karakteristik sistem di atas, maka ketika ingin memilih reaktor tubular maka perlu memahami lebih jauh tentang karakteristik dari sistem kontinu, apakah proses yang akan kita sintesis tepat jika menggunakan karakteristik seperti yang tertera di atas. 14
Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu
(Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: Basic Description and Design.)
Lebih jauh lagi, pemilihan reaktor tubular juga memperhatikan pelaksanaan teknis seperti keterliatan fasa pada reaksi seperti yang telah disebutkan sebelumnya. Reaksi yang melibatkan reaktan gas biasanya dilakukan dengan menggunakan reaktor tubular, yang umumnya pada kondisi turbulen. Jadi, kesimpulannya adalah kita perlu mengetahui terlebih dahulu perilaku proses reaksi yang akan didesain reaktornya, jenis produksinya, sifat fisik dan kimianya sehingga parameter-parameter tersebut akan dapat berlangsung optimal ketika menggunakan reaktor tubular. 2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
Bioreaktor tubular, baik yang vertikal maupun horizontal, memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan bioreaktor berpengaduk. Bioreaktor tubular biasanya memiliki konstruksi yang lebih sederhana dan dapat diaplikasikan untuk konfigurasi dalam yang berbeda sesuai dengan standar matrial untuk industri. Untuk pembuatan bioreaktor tubular sendiri dan untuk pembuatan skala pabriknya sendiri
sangat penting untuk
mengetahui parameter-parameter pembuatannya seperti jumlah impeller, jarak antara impeller, jumlah baling-baling dari impeller, tipe dan ukuran dari tenaga yang digunakan. Pencampuran didalam bioreaktor tubular lebih homogen bila dibandingkan bioreaktor berpengaduk. Karena itu, bioreaktor tubular lebih mudah untuk menghindari “ dead zone” hal
ini membuat proses skala pabrik lebih efisien. “ Dead zone” sendiri adalah daerah yang tidak 15
teraduk oleh mixer atau pengaduk. Rasio volume dari bioreaktor tubular lebih tinggi dibanding bioreaktor CSTR sehingga proses transfer massa dan transfer panasnya lebih efisien. Hal ini sangat penting dalam sistem bioproses dengan substrat semi-solid atau solid, reaksi yang membutuhkan cahaya maksimum, dan organisme yang sensitif terhadap tegangan permukaan. Bioreaktor tubular juga unggul karena dapat digunakan untuk mempertahankan produktivitas dan mengoptimalkan konversi selama proses kultivasi. Disisi lain bioreaktor juga mudah di pertahankan proses reaksinya karena elemen-elemen standarnya banyak digunakan dalam industri bioproses, seperti pipa, pompa dan fitting standar. Meskipun bioreaktor tubular memiliki potensi yang baik untuk digunakan dalam bioteknologi, bioreaktor ini juga memiliki beberapa kelemahan jika dibandingkan dengan
bioreaktor berpenganduk. Bioreaktor tubular sangat cocok untuk sistem operasi “ continue”, sedangkan dalam industri bioproses biasanya sistem operasi yang digunakan adalah sistem
“batch”. Kekurangan lainnya adalah bioreaktor tubular biasanya mengalirkan kadar oksigen yang sangat rendah, hal ini membuatnya tidak cocok untuk kondisi operasi bioproses yang biasanya memerlukan suplay oksigen tinggi (contoh : biomassa dan produksi asam asetat). Dalam bioreaktor tubular biasanya terbentuk biofilm mikrobial dalam permukaan bioreaktor hal ini dapat menghambat laju transfer massa yang terjadi didalamnya, jika terjadi terlalu lama dan biofilmnya semakin tebal maka dapat menggangu kelangsungan hidup sel. Tapi permasalahan ini dapat diatasi dengan mengkontrol ketebalan biofilm dengan menggunakan alat pengikis atau abrasi dari friksi. Dari sisi lain, biofilm yang tebal dapat menjadi keuntungan. Hal ini dikarenakan konsentrasi substrat yang paling baik dimana kecepatan biokonversinya dalam kondisi optimal. Keuntungan lainnya yang dihasilkan dari biofilm ini adalah kultur mikroba gabungan. Dimana spesies berbeda justru dapat tumbuh dengan baik didalam biofilm. Contohnya adalah proses pengolahan limbah air dimana nitrifikasi tumbuh baik dekat permukaan dan denitrifikasi tumbuh dengan baik didalam biofilm. Hal ini sangat menguntungkan dalam proses denitirifikasi dan nitrifikasi berkelanjutan. Kekurangan lainnya pertumbuhan biofilm ini tidak menguntungkan untuk reaksi yang membutuhkan banyak cahaya karena lapisan biofilm ini dapat menghalangi cahaya masuk kedalam reaktor. Kelebihan dan kekurangan bioreaktor tubular dapat dibuat dalam bentuk tabel seperti dibawah ini :
16
Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
Kelebihan
Kekurangan
Konstruksi/pembuatannya mudah
Kapasitas suplai oksigennya sedikit
Rasio volume luas (Permukaannya luas)
Tidak cocok untuk sistem batch
Konfigurasinya fleksibel
Mudah terbentuk biofilm
Sangat cocok untuk sistem continue Pencampuran lebih homogen Transfer massa & transfer panas lebih efisien (Sumber: Šantek, et al. 2006. Horizontal Tubular Bioreactors in Biotechnology)
2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Alga dalam Pembuatan Biofuel
Salah satu aplikasi bioreaktor tubular yang paling sering ditemukan adalah dalam kultivasi alga untuk produksi biofuel. Alga merupakan suatu organisme yang tumbuh dalam lingkungan berair dan membutuhkan cahaya dan karbon dioksida (CO 2) dalam menghasilkan suatu biomassa. Alga telah diketahui mempunyai potensi yang sangat besar sebagai bahan baku pembuatan biofuel, karena alga memiliki kandungan minyak yang sangat tinggi dan mampu mengahsilkan biomassa dengan cepat. Alga tumbuh dengan lebih cepat dibandingkan dengan tanaman darat. Kebanyakan alga bersifat fotosintetis, yaitu memerlukan cahaya dan karbon dioksida sebagai sumber energi dan sumber karbon (disebut alga fotoautotropis). Namun ada pula beberapa spesies alga yang dapat tumbuh dalam suasana yang gelap atau kurang cahaya dan menggunakan karbon organik seperti glukosa atau asetat sebagai sumber energi dan sumber karbon (disebut alga heterotropis). Namun alga heterotropis membutuhkan biaya yang lebih tinggi apabila akan dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biofuel, karena mengharuskan perlakuan yang lebih rumit. Maka alga yang lebih sering digunakan dalam produksi biofuel adalah alga fotoautotropis. Terdapat dua sistem bioreaktor yang dapat digunakan dalam pembuatan biofuel ini, yaitu kolam terbuka ( open ponds) dan fotobioreaktor tertutup (enclosed photobioreactor ). Sistem yang akan dibahas disini adalah enclosed photobioreactor. Enclosed photobioreactor telah digunakan untuk mencegah terjadinya kontaminasi dan evaporasi yang dapat terjadi pada sistem open ponds. Sistem ini terbuat dari material transparan dan umumnya diletakkan di luar rungan agar dapat menangkap cahaya matahari. Pipa-pipa kultivasi pada sistem ini memiliki rasio luas permukaan dan volume yang tinggi.
17
Umunya fotobioreaktor ini di desain dalam bentuk tubular yang memiliki banyak pipa pipa bersih yang transparan, yang biasanya selaras dengan sinar matahari.
Gambar 2.5 Fotobioreaktor tubular (sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)
2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular Pipa-pipa tersebut umumnya memiliki diameter kurang dari 10 cm agar memaksimalkan penyerapan sinar matahari. Media tumbuh alga dialirkan melalui pompa meuju ke dalam pipa, dimana pipa tersebut mendapatkan sumber cahaya dari sinar matahri langsung untuk melakukan fotosintetis alga, dan dialirkan kembali ke dalam reservoir. Biomassa yang terbentuk dicegah agar tidak menempel pada permukaan dalam pipa dengan cara mempertahankan aliran medium (kaldu) dalam aliran turbulen menggunakan pipa mekanik. Atau dapat juga dilakukan dengan pengangkutan menggunakan pompa udara.
Gambar 2.6 Skema fotobioreaktor tubular (sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)
Proses fotosintesis yang terjadi membentuk oksigen. Pada sistem terbuka, hal ini bukanlah suatu masalah karena oksigen akan dengan mudah dikembalikan ke atmosfir. 18
Namun, dalam sistem bioreaktor tertutup, level oksigen akan terus terbentuk sehingga dapat membahayakan alga dan menghambat pertimbuhannya. Maka proses kultur harus dikontrol secara bertahap dengan menaruhnya pada degassing zone yaitu area dimana medium alga diberikan aliran udara untuk menghilangkan kelebihan oksigen. Alga menggunakan karbon dioksida yang dapat menyebabkan peningkatan pH dan kekurangan karbon. Maka dari itu, alga harus diberikan karbon dioksida agar proses kultivasi alga dalam skala besar dapat berhasil. Fotobioreaktor bisa saja membutuhkan proses pendinginan pada siang hari, dan temperature harus diatur pula saat malam hari. Hal ini dapat dilakukan menggunakan heat exchanger yang dapat diletakkan baik dalam pipa maupun dalam degassing zone. 2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan Kelebihan dari enclosed tubular photobiorator ini di antaranya:
Kemampuannya dalam mencegah permasalahan kontaminasi dan evaporasi yang tejadi dalam open ponds.
Produktivitas bimassa pada bioreaktornya ini juga jauh lebih baik, yaitu 13 kali lebih baik dibandingkan dengan open ponds.
Pemanenan dapat dilakukan dengan biaya yang lebih mudah.
Namun terdapat beberapa kelemahan seperti berikut ini:
Harga bioreaktor yang relatif lebih mahal dan proses scale up yang lebih sulit dilakukan.
Pembatasan pencahayaan tidak dapat sepenuhnya dicegah, mengingat penyerapan sinar matahari berbanding terbalik dengan konsentrasi sel.
Penempelan biomassa pada permukaan dalam pipa juga dapat menyebabkan penyerapan cahaya matahari terganggu.
2.4.1.2 Proses Pemanenan Pengambilan biomassa yang terbentuk dapat dilakukan dengan penyedotan dengan menggunakan pompa udara. Setelah biomassa tersebut diambil, dapat diletakkan dalam sentrifugasi dimana minyak dari biomassa tersebut akan dipisahkan dan selanjtunya dimasukkan ke dalam proses pembuatan biodiesel. 2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi Alga 19
Parameter yang perlu diperhatikan dalam kultivasi alga untuk produksi biofuel adalah transfer karbon dioksida (sumber karbon), pengadukan, dan kebutuhan cahaya. Cahaya dan karbon merupakan parameter utama dalam produksi biomassa oleh alga melalui proses fotosintesis. Oleh karena itu, dalam kultivasi alga dibutuhkan reaktor yang memiliki hal-hal berikut. 1. Luas permukaan yang besar
Luas permukaan reaktor yang besar akan memfasilitasi alga mendapatkan penyinaran yang cukup untuk fotosintesis. 2. Sirkulasi atau pencampuran yang baik
Reaktor harus memiliki kemampuan untuk mencampurkan sumber karbon dan medium secara merata agar yield yang dihasilkan a kan lebih besar. 3. Kemudahan pembuatan dan scale up
Tabel 2.2 merupakan tabel perbandingan beberapa bioreaktor untuk kultivasi alga. Dari tabel tersebut dapat kita lihat bahwa reaktor tubular baik secara vertikal maupun horizontal dan reaktor plat datar lebih baik untuk kultivasi alga produksi biofuel dibandingkan kultivasi alga dengan kolam. Namun, reaktor plat datar memiliki luas permukaan penyinaran yang lebih kecil dibandingkan dengan reaktor tubular. Reaktor tubular yang memiliki diameter yang kecil dan panjang (terutama horizontal) akan lebih merata penyinarannya dan memiliki luas permukaan yang sangat besar. Namun, jika diameter terlalu kecil akan menghambat aliran dalam reaktor tubular, sehingga diameter harus disesuaikan. Dari sisi pencampuran dalam reaktor tubular, transfer CO 2 pada reaktor tubular vertikal biasanya melalui airlift atau bubble air column. Kedua metode aerasi ini sekaligus menjadi pencampur dalam reaktor tersebut.
Gambar 2.7 Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A) dan bubble air colum n (B) (Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal R eactors: A Review of Enclosed System Designs and Performances.)
20
Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga
Kolam
Luas
Plat Datar
Tubular Vertikal
Hanya di permukaan
Cukup luas di
Sepanjang Reaktor
kolam
permukaan yang
Tubular
Permukaan
terkena sinar,
Penyinaran
tergantung ketebalan
Horizontal
Sepanjang Reaktor Tubular
reaktor. Buruk
Baik
Baik
Baik
Pencampura
Membutuhkan beberapa
Pengadukan
Pengadukan sekaligus
Pengadukan dengan
n
impeller dan baffle agar
sekaligus aerasi CO2
aerasi CO2
sirkulasi menggunakan
sumber karbon merata
pompa.
21
Kolam
Plat Datar
Banyak
Cukup
Tubular Vertikal
Horizontal
Sedikit
Sedikit
Bentuk
Dead Zone
Terutama terdapat
Jika diameter kecil,
Jika diameter kecil, alga,
area yang tersisa
seluruh bagian akan
sumber karbon, dan nutrisi
untuk udara
terlewati udara
akan tersirkulasi dengan
(oksigen) akan
baik. Namun, jika diameter
mengurangi
terlalu kecil akan
efektivitas kontrol
menghambat aliran.
kontaminasi
22
Kolam
Plat Datar
Tubular Vertikal
Horizontal
Banyak : Jika Kebutuhan Area
Banyak
Cukup
Cukup
menggunakan matahari Cukup : Jika terdapat sistem pencahayaan
Kontrol dalam
Sulit
Cukup Mudah
Cukup Mudah
Cukup Mudah
Mudah
Mudah
Mudah
Mudah
Sulit
Mudah
Cukup
Cukup
reaktor Scale Up Maintenanc e
(Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal Reactors: A Review of Enclosed System Designs and Performances.)
23
Adapun aerasi CO2 pada reaktor tubular horizontal biasanya terpisah pada suatu kolom degasser dan pencampuran dilakukan dengan sirkulasi menggunakan pompa ke dalam reaktor tubular agar merata. Kedua reaktor tubular ini (vertikal dan horizontal) samasama memfasilitasi pencampuran nutrisi dan sumber karbon yang baik.
Gambar 2.8 Reaktor tubular horizontal (Sumber: Christi. 2007. https:// wiki.uiowa.edu/display/greenergy/Algae+Biofuels)
Gambar 2.8 Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel (A) dan loop (B) (Sumber : Carvalho, AP. 2006. Microalgal reactors: A Review of Enclosed System Designs and Performances.)
Selain itu, reaktor tubular vertikal dan horizontal mudah untuk di scale up, namun area yang dibutuhkan untuk menaruh reaktor tubular horizontal lebih banyak dibandingkan reaktor tubular secara vertikal. Kebutuhan wilayah reaktor vertikal kurang lebih sama dengan reaktor plat datar. Dari perbandingan tersebut, reaktor tubular memenuhi 3 parameter reaktor yang dibutuhkan untuk kultivasi alga. Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan diatas, terutama dalam hal luas permukaan penyinaran dan pencampuran adalah dua hal yang menjadi poin utama kami memilih bioreaktor tubular untuk kultivasi alga produksi biofuel ini. Bahan yang digunakan dan perancangan bioreaktor tubular ini akan dijelaskan lebih lanjut di bagian selanjutnya.
24
2.4.3 Material Fotobioreaktor
2.4.3.1 Energy Content Material Energy content material adalah istilah yang digunakan untuk merujuk pada energi yang dibutuhkan untuk produksi suatu material. Energi yang digunakan memiliki pengaruh terhadap lingkungan seperti emisi CO 2, pemanasan global, dan sebagainya. Energy content
menunjukkan “keramahan” suatu bah an terhadap lingkungan. Material yang bisa diperbarui seperti kayu tergolong efisien dalam hal energi karena tidak membutuhkan biaya pemurnian atau sintesis. Logam cenderung mempunyai energy content yang tinggi karena sebagian besar logam diekstrak dari bijih, dan membutuhkan beberapa kali permurnian, yang menghabiskan banyak energi. Energy content berhubungan dengan daur ulang. Material dengan energy content yang tinggi secara khusus bisa didaur ulang, apabila energi yang digunakan dalam proses daur ulang jauh lebih sedikit daripada membuat material baru (contohnya aluminium). 2.4.3.2 Material Fotobioreaktor Bermacam-macam jenis material telah digunakan untuk fotobioreaktor tubular. Material-material tersebut di antaranya: kaca, low density polyethylene film (LDPE), dan akrilik bening ( polymethyl methylacrylate, PMMA, atau yang dikenal dengan nama dagang PlexiglasR dan PerspexR). Energy content material-material tersebut akan dijelaskan sebagai berikut. a. Kaca Pada studi saat ini, tabung kaca biasanya dibuat dari kaca borosilika (Pyrex) dengan ketebalan 1,6 mm. Estimasi energy content kaca bervariasi antara 13,0 dan 18,6 MJ.kg -1 untuk kaca jendela, hingga 15,9 MJ.kg -1 untuk float glass dan 26,2 MJ.kg -1 untuk kaca keras. Tabung kaca secara khusus dijual dengan garansi 10 tahun, yang mana merupakan batas terendah umur manfaatnya. Tabung kaca digunakan karena memiliki umur manfaat mencapai 20 tahun.
25
