Scale-up
Proses Fermentasi (2) Scale Up dengan Metode Konvensional
Scale up metode konvensional Pengertian: scale up fermentor berpengaduk mekanis dan aerator berdasarkan 2 hal: Kesamaan geometrik antara fermentor skala industri dengan pilot plant Mempertahankan salah satu konstanta : input power/waktu; koefisien transfer oksigen dan koefisien laju pengambilan oksigen dan kecepatan tip impeller optional
PENDEKATAN SCALE UP 1. Membangun satu hubungan antara hasil proses yang dibutuhkan yang dinyatakan dalam: Hasil Produktivitas Konsentrasi produk Kemurnian produk 2. Hubungan/korelasi antar parameter
Diuji pada fermentor dengan geometri yang sama (skala besar)
Fermentor
untuk pertumbuhan kultur mikroba memiliki rasio H : D = 2-3 : 1 Meskipun perbandingan H:D konstan, perbandingan luas permukaan terhadap volume berkurang secara dramatis selama scale up Pengurangan
ini menyumbang persoalan terhadap luas permukaan dan penyediaan oksigen Untuk fermentasi bakteri, luas permukaan tidak penting, tetapi untuk kultur yang sensitif terhadap gesekan dapat menjadi variabel yang kritis karena adanya pengadukan dan penyemburan gas.
Faktor Rasio H : D dlm Scale Up
Pertimbangan
penting dalam fermentasi bakteri dan fungi adalah dinding pertumbuhan. Bila sel legket pada permukaan, sulit untuk memprediksi kinerja fermentor besar berdasarkan data skala kecil. Kondisi fermentor dalam skala besar tidak selalu dapat diduplikasi secara tepat dari fermenter kecil walau perbandingan ukuran tetap. Kalau ada perubahan dimensi dapat memberikan pengaruh pada mikroba yang dapat mempengaruhi secara fisiologi, metabolisma dan kinerja scale up
Problem sel yang melekat pada dinding fermentor
Aturan Scale up yang dapat digunakan : Input power yang kosntan (P0/V):Yang berarti laju transfer oksigen (OTR) konstan Jumlah rotasi impeler konstan (N): waktu pencampuran konstan Laju tetap pada ujung impeller (N·Di): regangan konstan. Bilangan Reynold (NRe) tetap: pola aliran sama.
Aturan scale up
Pada
prakteknya, proses scale up bersifat sangat empiris yang berarti parameter operasi sering ditentukan secara eksperimen (trial and error) Parameter rancangan yang umum adalah:KLLa yang kosntan atau substrat tetap (DO) atau level produk pada scale-up
Sebagai
contoh: Bila DO konstan, maka untuk DO yang tetap pada skala besar, maka parameter lain (laju pengaduk, laju aerasi, campuran gas) harus divariasikan untuk mencapai DO yang ditetapkan.
Parameter yang saling tergantung dalam Scale-Up
Parameter
◦ ◦ ◦ ◦ ◦
yang dapat diprediksi:
Waktu pencampuran Transfer oksigen Perpindahan panas Input power Laju aerasi
Parameter
yang sulit diprediksi: - kualitas produk - busa yang timbul - pembentukan produk samping
Persoalan dalam scale up
Contoh Soal Ketika suatu proses fermentasi curah berakhir, dilakukan pembongkaran sistem bioreaktor. Diperoleh temuan bahwa sekitar 75% massa sel tersuspensi dalam fase cair (2 l), sementara sisanya (25%) melekat pada dinding bioreaktor dalam bentuk lapisan film tipis (0,3 cm). Dengan menggunakan tracer radioaktif diketahui bahwa 50% adalah target produk (intraseluler) dan produktivitas bioreaktor adalah 2 g/l pada skala 2 liter. Berapa produktivitas bioreaktor pada skala 20.000 liter bila kedua bioreaktor mempunyai perbandingan tinggi dan diamater 2 : 1?
Penyelesaian Kedua tangki secara geometri adalah sama,sehingga dapat dihitung diameter dan luas permukaan dan volume pada kedua tangki. Volume: V = ¼ D2H = ¼ D2 2D = ½ D3 Luas permukaan: S = D.H = D.2D = 2 D2
Perbandingan H : D = 2 : 1
TENTUKAN DIMENSI BIOREAKTOR SKALA BESAR (20.000 liter) dan SKALA KECIL (2 liter)
DIMENSI BIOREAKTOR Untuk
sistem 2 liter: D = 10,8 cm S = 738 cm2 V = 2000 cm3 Untuk sistem 20.000 liter: D = 233,5 cm S = 342,600 cm2 V = 2 x 107 cm3
Pada
skala kecil ( 2 liter) jumlah produk yang dihasilkan oleh sel yang melekat pada permukaan adalah: 2g/liter . 2 liter. ½ = 2 g untuk luas permukaan 738 cm2. Dengan prinsip scale up diperoleh produk pada bioreaktor skala besar Jumlah produk yang terbentuk pada bioreaktor skala besar (20.000 liter) yang disebabkan pertumbuhan sel yang melekat pada permukaan adalah: 342.600 cm2/738 cm2 x 2 g = 928 g dari hasil scale up luas permukaan
Hasil
keseluruhan dalam sistem 2 liter adalah: 2 g/liter. 2 liter = 4 g Hasil keseluruhan pada sistem 20.000 liter adalah: 928 g + (2 g/liter. ½ .20.000 liter) = 20.928 g Bila tidak ada pertumbuhan di dinding, tangki 20.000 liter akan menghasilkan produktivitas sebesar 40.000 g. Sehingga pertumbuhan di dinding akan menjadi masalah serius karena merubah produktivitas dalam skala besar
INSTRUMENTASI
Sensors
yang digunakan untuk memantau kinerja fermenter Biaya fermenter tinggi (bahan dan waktu) perlu dipastikanproses sesuai jalur yang diinginkan Makin banyak pemantaun makinbanyak potensi untukterkontaminasi Diperlukan neraca untuk pemantauan
INSTRUMENTASI
Alat
yang dimasukkan : pH, redox potential, oksigen terlarut, CO2, biosensors Analisa gas masuk: GC-FID, spektrometer massa Pengukuran dalam cairan: HPLC, LC-MS, GC-MS
ALAT INSTRUMENTASI
