Makalah Bioreaktor
KELOMPOK 3 1. 2. 3. 4. 5.
ARIN DIAN SAFITRI DWI PUTRI BERLIANA MUHAMMAD JUNDI UTAMA NUR ALIYAH HASNA SURAHMAN LATIF SAHENDRA
POLITEKNIK NEGERI MALANG 2016/2017
I.
Bioreaktor Bioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuah peralatan atau sistem sistem yang mampu mampu menyediakan sebuah lingkungan lingkungan biologis yang dapat menunjang terjadinya terjadinya reaksi reaksi biokimia dari dari bahan mentah menjadi bahan yang dikehendaki. Reaksi biokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme organisme tertentu, baik secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan keadaan tersuspensi atau atau terimobilisasi.Conto terimobilisasi.Contoh h reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran.
II.
Definisi Fermentor (bioreactor) 1. Menurut Pujaningsih (2005), fermentor adalah tangki atau wadah dimana didalamnya seluruh sel (mikrobia) mengubah bahan dasar menjadi produk biokimia dengan atau tanpa produk sampingan. 2. Menurut Saepudin dan Sateakasih (2009) bioreaktor/ reaktor biologi/ fermenter suatu wahana/ tempat untuk keberlangsungan proses fermentasi /transformasi /transformasi bahan dasar menjadi produk yang dinginkan yang dilakukan oleh sistem enzim dalam mikroba atau enzim yang diisolasi. Bioreaktor merupakan merupakan sistem tertutup utk reaksi biologis dr suatu proses bioteknologi. 3. Menurut Dwiari et al (2008), fermentor adalah peralatan untuk mengendalikan pertumbuhan mikroorganisme dalam medium cair. Parameter-parameter Parameter-parameter seperti pH, komposisi medium, suhu, pengadukan, konsentrasi konsentrasi metabolit metabolit dan gas dapat dapat dimonitor serta serta dikendalikan. 4. Menurut Andheklawang Andheklawang (2008), bioreaktor (fermentor) merupakan bejana fermentasi fermentasi aseptis untuk untuk produksi senyawa senyawa oleh mikrobia mikrobia melalui fermentasi. Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob.
III.
Fungsi Fermentor Fungsi 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. Menurut Pujaningsih (2005), fungsi dasar fermentor/ bioreactor yaitu menyediakan kondisi lingkungan yang cocok bagi mikrobia didalamnya untuk : –– Menghasilkan Menghasilkan biomassa –– Menghasilkan Menghasilkan enzim –– Menghasilkan Menghasilkan metabolit dsb. Fungsi utama bioreaktor adalah memberikan lingkungan terkontrol bagi pertumbuhan mikroorganism mikroorganismee atau campuran tertentu tertentu mikroorganisme mikroorganisme untuk memperoleh produk yang diinginkan. - Bioreaktor hendaknya mencegah kontaminasi produksi dr lingkungan pd kultur sambil sambil mencegah pelepasan pelepasan kultur ke lingkungan. lingkungan. - Bioreaktor sebaiknya memiliki instrumentasi instrumentasi untuk pemeriksaan agar terjadi pengawasan proses optimum.
IV. Syarat Bioreaktor 1. Syarat bioreaktor a. Tidak boleh ada hubungan antara bagian sistem yang steril dengan non-steril. b. Hindari kelep-kelep / penghubung bentuk gelangan, karena bentuk demikian dapat mengendur akibat dari gerakan/fibrasi alat dan kenaikan suhu, dan memungkinkan memungkinkan kontaminasi. c. Bila mungkin seluruh konstruksi alat dilas. d. Hindari ruang-ruang perangkap serta bentuk leher, karena ruangan seperti itu sulit untuk dibersihkan. e. Semua bagian sistem harus dapat disterilisasi disterilisasi secara tersendiri. f. Setiap hubungan/kelep ke bejana harus dapat disterilkan dengan uap. g. Gunakan katup-katup katup-katup yang mudah dibersihkan dibersihkan maupun disterilkan, disterilkan, misalnya katup bola atau diafragma. h. Tekanan dalam fermentor harus tetap positif sehingga kalau ada kebocoran akan mengarah ke luar. i. Tangki dapat dioperasikan secara aseptik, agitasi dan aerasi
j. Energi pengoperasian serendah mungkin k. Temperatur harus terkontrol l. Kontrol pH m. Tempat pengambilan sample n. Penguapan berlebihan dihindari o. Tangki didesain untuk meminimalkan tenaga kerja pemanenan, pembersihan dan dan perawatan p. Peralatan general: permukaan bagian dalam halus, dihindari banyak sambungan, murah.rip-biotek-ferm murah.rip-biotek-fermentasi. entasi. 2. Aturan Operasional a. Sterilisasi fermentor, dengan uap bertekanan. Medium fermentasi dapat disterilkan bersama di dalam fermentor atau secara terpisah. b. Sterilisasi penyediaan udara, dilakukan dengan menggunakan penyaring berserat berserat atau penyaring penyaring absolut. c. Aerasi dan agitasi, berkaitan dengan jenis bahan, struktur geometrik dan posisi pemasangannya serta penggunaan “seal”. d. Penambahan inokulum, nutrien dan bahan-bahan lain, harus dalam keadaan tekanan positif dan lubang pemasukan dilengkapi sistem pemberian uap. e. Pengambilan contoh (sampling). f. Pengontrolan buih. g. Monitoring dan pengontrolan berbagai parameter
V. Tipe Bioreaktor 1. Kontstruksi Kontstruksi fermentor a. Bahan fermentor dibuat tahan karat untuk mencegah kontaminasi logam/ion selama proses b. Bahan fermentor harus tidak beracun & tidak mudah terlarut, shg tdk menghambat pertumb.mikrobia pertumb.mikrobia c. Bahan fermentor harus kuat utk sterilisasi sterilisasi berulang kali pd tekanan uap tinggi d. Sistem stirer dari fermenter & lubang pemasukannya cukup, sehingga tidak mengalami stress mekanik akibat terlampau rapat e. Pemeriksaan secara visual dari medium & kultur hrs tersedia, dibuat dari bahan transparan.
2. Karakteristik fermentor
a. Fermentor anaerobik memerlukan alat khusus kecuali untuk menghilangkan panas. b. Fermentor aerobik aerobik memerlukan memerlukan alat untuk mengaduk mengaduk dan memberikan memberikan aerasi cukup. c. Konstruksi fermentor aerobik d. Tebuat dari baja anti karat. e. Berupa silinder besar, tertutup di bagian atas atau bawah, dilengkapi pipa-pipa.
3. Karakteristik bahan pembentuk fermentor a. Fermentor kapasitas 1-30 liter biasanya terbuat dari gelas atau stainless steel steel , permukaannya halus, tidak menimbulkan efek toksik dan tahan karat. b. Fermentor kapasitas > 30 liter biasanya terbuat dari stainless steel atau mild-steel. 4. Tipe fermentor a. Fermentor skala laboratorium dan pilot memeiliki ukuran 1 -15 liter
b. Fermentor skala industry besar memiliki kapasitas 5000-100.000 gallon c. Setiap fermentor harus mempunyai mempunyai “head space” sekitar ¼ atau 1/5 dari volume total, yang berguna untuk menyediakan ruangan pada waktu aerasi dan pembentukan buih. VI.
Struktur Bioreaktor 2
1
3
F 4 5
4 6 H
8
7
9
D
Keterangan : 1 = pipa inokulasi 2 = seal stirrer sahft 3 = tinggi cairan kultur (=L) 4 = baffle 5 = pipa sambung 6 = impeller 7 = pipa udara steril 8 = sparger udara 9 = pipa pengeluaran H = tinggi fermentor D = diameter fermentor
L
1. Komponen Sistem Aerasi dan Agitasi Bioreaktor Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan halus atau baffle dan sensor untuk mengontrol parameter. Tangki berfungsi untuk untuk menampung menampung campuran substrat, substrat, sel mikroorganism mikroorganisme, e, serta produk. Volume Volume tanki skala laboratorium laboratorium berkisar antara antara 1 – 1 – 30 30 L, sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1 000 L. Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompa udara, dan mencegah pembentukan gelembung oksigen. Impeller berperan dalam agitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel. Impeller digerakkan oleh rotor. Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya. Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. bioreaktor. Kontrol fisika fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium a. Impeller. Semacam piringan berongga dengan sudut-sudut melengkung di dalamnya dan dipasang pada poros yang digerakkan oleh motor listrik, mesin uap atau turbin uap. Fungsi. -memperkecil ukuran gelembung udara sehingga area interface untuk transfer oksigen menjadi besar dan menurunkan jarak difusi. -mempertahankan -mempertahankan keseragaman kultur di seluruh bagian fermentor.
a. Piringan terbuka
b. Piringan van
c. Turbin terbuka
d. Propeller
b. Baffle. Plat penahan aliran yang terdapat didalam equipment vessel. Fungsi. -meningkatkan efisien efisiensi si aerasi dan mencegah aliran atau sirkulasi cairan kultur yang terlalu cepat. -untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya.
c. Sparger. Berfungsi Berfungsi untuk memasukkan udara ke dalam cairan kultur dalam fermentor
Tipe. -Sparger berpori (untuk (untuk fermentor skala laboratorium, tanpa tanpa agitator) -Sparger orifice (pipa berlobang-lobang, berlobang-lobang, mudah tertutup mikroba) -Sparger nozel (pipa terbuka atau tertutup di bawah impeller)
VII.
Perancangan Bioreaktor Perancangan bioreaktor adalah suatu 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 dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang yang agensia biologisnya biologisnya berada dalam keadaan keadaan tersuspensi, tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum. Untuk bioreaktor skala laboratorium yang berukuran 1,5-2,5 L umumnya terbuat dari bahan kaca atau borosilikat, namun untuk skala industri, umunya digunakan bahan baja tahan karat (stainless steel) yang tahan karat. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada saat fermentasi terjadi di dalamnya. Bahan baja yang mengandung < 4% kromium disebut juga baja ringan, sedangkan bila kadar kromium di dalamnya >4% maka disebut stainless steel. Bioreaktor yang umum digunakan terbuat dari bahan baja 316 yang mengandung 18% kromium, 2-2,5% molibdenum, dan 10% nikel
Gambar Bioreaktor skala laboratium
Gambar Bioreaktor skala Pilot
Bahan yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi. Untuk mencegah kontaminasi, bagian atas biorektor dapat ditambahkan dengan segel aseptis (aseptic seal) yang terbuat dari campuran metal-kaca atau metal-metal, seperti O-ring dan gasket. Untuk meratakan media di dalam bioreaktor digunakan digunakan alat pengaduk pengaduk yang disebut agitator agitator atau impeler. impeler. Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem biorektor digunakan sistem aerasi yang berupa sparger. Untuk bioreaktor aerob, biasanya digunakan digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga sehingga pertumbuhan pertumbuhan mikrooganisme mikrooganisme dapat berlangsung dengan baik.
Fermentor skala industri
Pada bagian dalam bioreaktor, dipasang suatu sekat yang disebut baffle untuk mecegah mecegah vorteks dan dan meningkatkan efisiensi efisiensi aerasi. aerasi. Baffle ini merupakan metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di dindingnya. Bagian lain yang harus dimiliki oleh suatu bioreaktor adalah kondensor untuk mengeluarkan hasil kondensasi saat terjadi sterilisasi dan filter (0,2 μm) untuk menyaring udara yang masuk dan keluar tangki. Untuk proses inokulasi kultur, pengambilan sampel, sampel, dan pemanenan, pemanenan, diperlukan adanya adanya saluran khusus khusus dan pengambilannya harus dilakukan dengan hati-hati dan aseptis agar
tidak terjadi kontaminasi. Untuk menjaga kondisi dalam bioreaktor agar tetap terkontrol, digunakan sensor pH, suhu, anti-buih, anti -buih, dan oksigen terlarut (DO). Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan dan harus dilakukan perlakuan tertentu untuk mempertahankan mempertahankan kondisi di dalam bioreaktor. Misalkan terjadi perubahan pH maka maka harus ditambahkan ditambahkan larutan asam atau basa untuk menjaga kestabilan pH. Penambahan zat ini dapat dilakukan secara manual namun juga dapat dilakukan secara otomatis menggunakan bantuan pompa pompa peristaltik. Selain Selain asam dan basa, basa, pompa peristaltik peristaltik juga membantu penambahan anti-buih dan substrat ke dalam d alam bioreaktor.
VIII. PERTANYAAN 1. Adisti Tantri : Apa pengaruh suhu pada bioreaktor ? Jawab : Suhu merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi proses anaerob pada bioreaktor. Dimana pertumbuhan mikroorganisme dipengaruhi oleh perubahan suhu. Maka dari itu akan dilakukan pengendalian temperatur secara real-time pada dinding tabung bioreaktor anaerob. 2. Renanda : Apa itu agitasi dan pengaruhnya pada proses fermentasi enzim? Jawab : Agitasi adalah proses pengadukan. agitasi mempunyai pengaruh yang nyata terhadap efisiensi transfer oksigen di dalam fermentasi dengan pengaduk an mekanik. Agitasi sangat membantu proses transfer oksigen di dalam fermentor dengan cara sebagai berikut: Agitasi menyebabkan ukuran gelembung udara menjadi lebih kecil sehingga luas permukaan untuk terjadinya transfer oksigen menjadi lebih besar. Agitasi menyebabkan waktu tinggal gelembung udara di medium menjadi lebih lama. Agitasi mencegah bergabungnya kembali gelembung-gelembung udara yang sudah ada. Agitasi memperkecil tebal lapisan film pada permukaan antar fase gas dan cairan karena sifat alir fluida yang menjadi tubulen. 3. Desi : Pada aturan operasional jelaskan fungsi buih dan mengapa harus dikontrol? Jawab : 4. Dinar : Apa kelebihan dan kekurangan bioreaktor pada skala laboratorium? Jawab : Kelebihan : Dapat mengukur komposisi larutan, nutrisi, suhu, dan suplementasi substrat. : Tidak dapat mengukur ph dan konsentrasi oksigen. Kekurangan 5. Heldiana : Aplikasi dari aerasi dan agitasi? Jawab : 6. Tessa : Mengapa fermentor terbuat dari gelas / stainless steel? Apakah boleh terbuat dari bahan lain?
Jawab : Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan stainless steel (skala pilot dan industri) steel (skala dan kaca (skala laboratorium) 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. Bahan lain boleh digunakan asalkan tidak bereaksi dengan bahan di dalam bioreaktor, tahan karat, tahan panas, bersifat panas, bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi. Contohnya : besi. 7. Lingga : Apakah maksud dari keadaan tekanan positif pada penambahan inokulum, nutrien dan bahan-bahan lain? Jawab : 8. Aliffiandika: Apa yang dimaksud dengan metabolit mikrobia dan berikan contohnya? Jawab : suatu proses kimiawi yang terjadi di dalam tubuh mikroba, proses ini merupakan pertukaran zat ataupun suatu organisme dengan lingkungannya. Metabolit mikroorganisme dapat dibedakan menjadi :
Metabolit primer, merupakan metabolit yang berperanan penting dalam penyusunan makromolekul ensensial maupun enzim. Termasuk disini hasil antaranya dan produk akhir. Metabolit-metabolit ini biasanya diproduksi selam fase pertumbuhan eksponensial (fase log), disebut sebagai “trophophase”. Produk -produk -produk fermentasi yang termasuk dalam kelompok ini antara lain asam-asam organik (asetat, laktat, sitrat, propionat), alkohol (metanol, etanol, etano l, butanol, propanol), asam-asam amino (glutamat, aspartat, lisin, metionin), asam-asam lemak, karbohidrat (levan, glukan, mannan, glukosa), nukleotida dan vitamin-vitamin. Metabolit sekunder, merupakan metabolit yang disintesa oleh mikroorganisme tetapi tidak langsung disebutkan di atas, yang memerlukan cara pengunduhan dan pemurnian yang cukup rumit, juga terdapat produk-produk fermentasi yang berupa makanan atau minuman yang langsung dapat dikonsumsi tanpa perlakuan pemurnian. Tempe, tape, keju (makanan) dan bir, anggur, arak (minuman) merupakan produk-p roduk yang tidak memerlukan pemurnian. 9. Yuni : Pada sterilisasi fementor, kenapa medium fermentasi disterilkan secara terpisah? Jawab : 10. Hardika : Mengapa dengan memperkecil ukuran gelembung udara membuat area interface untuk transfer oksigen menjadi besar? Jawab : Hal ini berhubungan dengan proses aerasi yang prinsip kerjanya membuat kontak antara air dan oksigen. Ukuran gelembung mempengaruhi kecepatan transfer oksigen dari lingkungan ke dalam cairan. Karena ukuran gelembung mempengaruhi kecepatan transfer oksigen dari lingkungan ke dalam cairan. Apabila ukuran gelembung besar, jumlah oksigen yang disuplai semakin kecil. Sebaliknya apabila ukuran gelembung kecil, maka suplai oksigen pada cairan akan semakin banyak karena ukuran gelembung yang ke cil akan menyebabkan permukaan yang kontak dengan udara semakin luas. 11.Puput
: Bagaimana cara kita mengontrol adanya oksigen terlarut dalam bioreaktor?
Jawab : Dengan melakukan pengaturan pada sensor yang dimiliki pada bioreaktor. Karena sensor berfungsi untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran.Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium. 12.Kamelia : Adakah pengecualian bahan yang digunakan untuk fermentasi menggunakan bioreaktor? Jawab 13. Dana Jawab
: : Apa peran Oksigen terlarut dalam pengontrolan bioreactor? :
14. Bidayatul : Solusi jika tekanan tekanan negative? Cara mengatasinya? mengatasinya? Jawab 15. Rinjani
: : Berapa tekanan optimal pada fermentor?
DAFTAR PUSTAKA
