PENGGANDAAN SKALA
Penggandaan skala merupakan Suatu proses perallihan dari suatu kegiatan produksi skala laboratorium ke skala industry.
Tahapan Pelaksanaan :
1. Skala Laboratorium (tahap penyeleksian mikroba) - ukuran : dari tabung reaksi ke tabung kocok 500 ml - fungsi : seleksi dan pengembangan strain mikroba
2. Skala Pilot Plan (kond isi-kon disio peras i opt imummulai diterapkan) - ukuran : 5 ± 40 - 200 liter - fungsi : optimasi faktor-faktor lingkungan
3. Skala Industri (pelaksanaan proses-proses denganmempertimbangkan perhitungan ekonomi industrifermentasi tersebut)
- ukuran : 5.000 - 100.000 liter - fun gsi : membawa proses ke ar ah keu ntungan perusahaan
Seleksi
Ukuran :
Fungsi :
(-) Tab. reaksi/ kocok 500 ml
(-) Seleksi kultur pengembangan
Pilot Plan
(-) 5 - 40 - 200 liter
(-) Optimasi faktorfaktor lingkungan
Industri
(-) 5000 - 100.000 liter
(-) membawa proses ke ara keuntungan per usahaan
Fungsi penggandaan skala dalam pengembangan mikrobiologik :
1. Untuk menerapkan penemuan proses-proses baru kedalam skala industri 2. Untuk memperbaiki kultur mikroorganisme yang tersedia dengan mengembangkan strain-strain yang lebih baik, medium yang lebih efisien dan peralatan yang lebih sempurna .
Kondisi Lingkungan Optimal dalam Penggandana Skala
1. Faktor kimia : konsentrasi subtrat , konsentrasiprecursor, dll. 2. Faktor fisik : Kemampuan pindah panas dan pencampuran ,disipasi tenaga, gayagunting, dll.
PENDEKATAN LINGKUNGAN UNTUK PENGGANDAAN SKALA
Penentuan jalannya reaksi, kinetika, termodinamikapembentukan produk hubungannya denganmetabol ism esel , kons ums i oksi gen .
Menentukan hub. fisiologik mikroorganisme denganlingkungan eksternal (contoh : kebutuhan oksigenden ga n di st ri bu si ga ya gu n t in g)
Menentukan hubungan antara variabel operasi danperalatan (skala produksi, kecepatan impeller, aliranudara, suhu dll) dan kontrol proses terhadap variabel lingkungan
Dasar-Dasar Metode Penggandaan Skala
1. Konstanta gaya gunting Fermentasi pada media yang mengandung miselia yang padat (fermentasi kapang), dipengaruhi olehgaya gunting atau nilai mutlak kecepatan pengadukannya.
2. Konstanta waktu pencampuran Apabila fermentor berukuran kecil (<500 liter) biasanya tidak tercampur dengan baik. Apabila fermentor berukuran besar (>5000 liter) kura ng tercampur dengan baik. 3. Bilangan Reynolds Hubungan antara hasil proses dari penggandaan skala fermentasi (misalnya hasil antibiotic dengan bilangan reynold) 4. Faktor momentum Impeller dapat juga berfungsi sebagai sebuah pompa,maka penggandaan skala dapat didasarkan pada lajupemompaan, atau
trans fer
moment um
impell er.
F a k t o r m o me nt um
impeller
5. Efek Pengadukan Pengadukan
mekanis
di
bawah
kecepatan
ND
tertentu
ternyata
mempunyai pengaruh yang kecil terhadap nilai ka di bawah nilai kritis ka terutama ditentukan oleh efek aerasi, gelembung udara.
Permasalahan dalam penggandaan
Penanggulangan masalah penggandaan skala dapatdilakukan dengan penataan kondisi lingkungan yangdiperlukan untuk mikroorganisme tertentu pula.
Fermentoryang sering digunakan yaitu fermentoraerobik berpengaduk. Dalam hal ini, agitatorm e m i l i k i 2 f u n g s i :
o
Mencampurkan seluruh isi fermentor
o
Penyempurnaan dalam transfer panas dan massa
Proses pengadukan ini bertujuan untuk memperolehhomogenitas produk yang baik.
Homogenitas yang sempurna akan sulit dicapai dalamskala industri, sedangkan dalam skala laboratoriumdapat mendekati kondisi optimal denganmempertimbangkan jumlah pengadukan atau lamapengadukan
Waktu pencampuran : waktu yang diperlukan untuk meminimalkan perbedaan konsentrasi
dalam
seluruh volume
cairan
dan
dapat
diukur
dengan
memberikanpenambahan sensor oksigen pada cairan fermentasi. Waktu pencampuran dipengaruhi oleh 2 faktor, yaitu :
o
Faktor reologis kultur
o
Sistem serta konfigurasi agitasi
Tangki pencampuran skala besar memerlukan inputtenaga per unit volume yang
lebih
lebihrendah
kecil per
sekaligusmemerlukan
unit
volume
tangki
kapasitas
pencampur
pemompaan skalakecil.
yang
Hal
ini
menyebabkan perlunya waktupencampuran lebih lama
PENGEMBANGAN BIOPROSES
Bioreaktor dapat digunakan sebagai bejana reaksi dalam berbagai ukuran yang digunakan untuk kuantifikasi 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 3 tahapan.
Tahap pertama merupakan pencarian atau pemilihan jenis-jenis sel makhluk hidup yang mempunyai sifat unggul. Tahap ke dua diuji 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 diuji dengan kondisi teknis yang diterapkan pada skala industri.
Peningkatan proses dari skala laboratorium ke pilot-plant dan selanjutnya 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 fisiologi sel makhluk hidup, pengaliran, atau perpindahan massa
Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-pragmatis
Pada pengembangan proses menggunakan pendekatan empiris pragmatis, dilakukan setelah evaluasi ekonomis untuk suatu proses produksi. Kajian bioreactor skala pilot plant dilakukan untuk memperoleh hasil yang secara ekonomis menentukan mutu produk. Biasanya kriteria yang digunakan adalah konsumsi tenaga (P/V), serta kemampuan perpindahan massa dan panas. Sebagai contoh perpindahan oksigen. dinyatakan dalam OTR. Pada waktu yang sama dipilih kriteria yang secara pragmatis dapat digunakan untuk meningkatkan unit produksi ke skala industri. Misalnya pada kondisi P/V tetap dan OTR tetap. Skema pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-pragmatis dapat digambarkan sebagai berikut:
Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-sistematis (pemodelan matematik)
Bioreaktor yang mempunyai proses kompleks, tidak dapat menggunakan pendekatan sederhana seperti pendekatan empiris-pragmatis. Pendekatan yang lebih sistematis dapat menggunakan model matematik. Dengan pendekatan matematik, maka hasil uji dalam setiap tahap merupakan masukan bagi tahap berikutnya. Pada tahap pertama hasil penelitian laboratorium dianalisis untuk memperoleh kinetika bioproses yang terjadi. Besaran kuantitatif bioreaktor dikaji berdasarkan ciri perpindahan fisik, seperti OTR dan waktu pencampuran. Analisis kinetika bioproses dikerjakan menggunakan bantuan model matematik. Berdasar pendekatan ini, pada skala pilot plant mempunyai arti lebih penting daripada model bioproses yang diperoleh dari skala laboratorium. Pilot Plant digunakan untuk memverifikasi kinerja model bioreaktor dan bioreaktor ideal. Skema pendekatan ini dapat dilihat pada gambar berikut:
Fenomena Rancangbangun Bioreaktor
Dalam rancangbangun bioreaktor, terdapat tiga fenomena penting yang diperhatikan dalam perancangan, yaitu: •
Fenomena termodinamik (tidak tergantung pada skala)
•
Fenomena mikrokinetik (tidak tergantung pada skala)
•
Fenomena perpindahan (tergantung pada skala)
Fenomena termodinamik, misalnya kelarutan oksigen tidak tergantung pada ukuran bioreaktor. Fenomena mikrokinetik, misal perilaku intrinsik makhluk hidup yang mekanisme pengaturannya ada di dalam sel makhluk hidup tersebut. Sedangkan fenomena perpindahan, misal unsur hara atau nutrien atau substrat yang dikonsumsi makhluk hidup dipasok melalui perpindahan massa, makhluk hidup juga merupakan subyek fenomena geser yg merupakan perpindahan momentum. Proses perpindahan sangat tergantung pada skala. Perpindahan massa dapat terjadi dari media ke dalam sel makhluk hidup. Proses perpindahan dalam bioreaktor terjadi menurut dua mekanisme perpindahan, yaitu pengaliran (konveksi) dan difusi (konduksi). Proses perpindahan yang sangat tergantung pada ukuran atau skala, dapatditulis sebagai:
Tetapan waktu perpindahan untuk pengaliran : tr = L/V Untuk bejana berpengaduk: V = NxL maka kebutuhan tenaga per satuan volume (P/V) pada peningkatan skala: tr = L2/3 Tetapan waktu perpindahan secara difusi :
tD = L2/D Waktu perpindahan (tr dan tD ) dapat meningkat selama peningkatan skala, sedang waktu konversi (tc) relatif tetap .
Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi adalah: •
Gaya geser
•
Pencampuran
•
Perpindahan massa
•
Perpindahan panas
•
Kinetika makro (perpaduan kinetika mikro dengan difusi)
Metoda untuk meningkatkan skala (scale-up) bioreaktor, yaitu: •
Metoda dasar
•
Metoda semi dasar
•
Analisis dimensional
•
Kaidah ibu jari ( rules of thumb)
•
Coba-coba ( trial and error )
Cara lain untuk memperkecil perbedaan skala lab dan lapangan adalah dengan teknik pengecilan ukuran ( Scale down) pada kondisi sama (OTR, waktu pencampuran, gaya geser, dan substratatau nutrien) dengan kondisi dalam skala penuh.
