Pengendalian Bioproses

Transkripsi

1 Your logo Bioprocess Engineering Control - Spring 2013/ Pengendalian Bioproses Sistem pengendalian dalam proses kimia, fisika dalam bioproses Dina Wahyu Indriani Keteknikan Pertanian- April 2013

2 Materi Kuliah Jadwal dan materi No Materi Waktu 1 2 Memahami dasar teknik pengukuran dan pengendalian bioproses Memahami karakteristik bioreaktor dan variabel pengukuran Pengantar -Bioreaktor - Bagian-bagian variabel yang diukur 3 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik 4 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik (2) 5 Memahami pengkuran variabel lingkungan kimia 6 Memahami pengukuran variabel lingkungan kimia (2) Pengukuran variabel lingkungan fisik Pengkuran variabel lingkungan fisik (2) Pegukuran variabel lingkugan kimia Pengukuran variabel lingkungan kimia (2) 7 Memahami Penguluran Cell mass Page 2

3 Materi Kuliah Jadwal dan materi No Materi Submateri Waktu Mengetahui pengendalian bioproses dalam berbagai macam aplikasi/ penelitian Sistem Pengendalian konsentrasi pada bioreaktor fermentasi (2) Sistem pengendalian pada bioreaktor pada berbagai tipe bioreaktor 11 Resume dan Persiapan Presentasi Sistem Pengendalian Chemical Compund, Multistage Chemostat Systems. Sistem Pengendalian dalam aliran (Group Presentation) Contoh-contoh pengendalian dalam Bioproses Konsep Pengendalian pada sistem fermentasi Pemodelan pengendalian pada Bioreaktor fermentasi Contoh aplikasi pengendalian konsentrasi, suhu dan ph dalam penelitian Sistem pengendalian dalam mengetahui jumlah bakteri, Total Organic Compund, dalam bioreaktor fermentasi Pengendalian aliran dalam bioreaktor fermentasi April (3) April (4) May (1) May (2) May (3) May (4) 14 Presentasi Paper (Group Presentation) May (5) Page 3

4 Ketentuan Penulisan dan Penilaian Resume Paper Dasar Penulisan Resume Paper (10%) 1. Paper yang di resume minimal 2 paper yang saling berhubungan 2. Koordinasikan agar paper yang dibahas tidak sama satu mahasiswa dengan mahasiswa yang lainnya 3. Penulisan resume minimal dalam 2 halaman 4. Pembahasan tentang resume paper meliputi a. Hubungan dengan pengendalian bioproses b. Model pengendalian yang di gunakan c. Kemutakhiran informasi pengendalian yang di peroleh d. Ide gagasan setelah membaca paper 5. Pengumpulan resume setelah pertemuan ke- 3 kuliah 6. Buat kelompok terdiri dari 6 orang untuk mempresentasikan paper yang terpilih 7. Dikumpulkan di Ketua Kelas Page 4

5 Review Materi Pengertian dan Kegunaan Pengendalian Bioproses Tujuan Kuliah Pengendalian Bioproses Mahasiswa mempunyai kemampuan menterjemahkan dan memahami teknologi pengukuran, pengukuran variabel dan lingkungan fisik, pengukuran variabel pada lingkungan kimia, pengukuran Cell Mass, Pengendalian Loop terbuka, pengendalian Loop tertutup, konsep pengendalian fuzzy pada variabel biorposes, model Fuzzy mamdani, Model Fuzzy Sugeno, Model Fuzzy Tsukamoto, Aplikasi Fuzzy pada pengendalian bioproses Materi yang disampaikan setelah UTS Konsep pengendalian secara lebih lanjut dengan berbagai jenis model dan tipe pengendalian. Penguatan dasar pengendalian pada bioproses Aplikasi pengendalian pada bioproses Pemecahan masalah pengendalian bioproses Page 5

6 Studi Kasus Pengendalian Bioproses dalam Penelitian Dasar Pengendalian dalam Bioproses Keunggulan Pengendalian Bioproses Kemudahan dalam mendapatkan performansi sistem dinamik Mempertinggi kualitas Menurunkan biaya produksi Meningkatkan laju produksi Meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin yang membosankan Ketentuan dalam pengendalian Bioproses 1. Alur pengendalian 2. Konsep pengendalian yang diharapkan 3. Perumusan metode yang akan digunakan 4. Metode pengendalian yang digunakan 5. Jenis Pengendalian yang digunakan 6. Hasil pengendalian Page 6

7 Design Fermentator Reactor Dasar Pengendalian dalam Bioproses What reactor? Stirred tank reactor, Airlift Plug flow reactor What mode of operation What mode of operation Substrate concentration Residence times ph Temperature... - Batch - Fed batch - Continus operation Page 7

8 Control Structure Design Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi ph, DO 2, T, rpm Data Acquisition x,s, p Model Estimation Personal Computer (PC) Optimal Control Lab Optimal T, ph, DO 2, Problem T, rpm Optimal trajectory of T, ph, DO, F Calculation of Controller Parameters Controller parameters Local Controller Fermentation Process Sensors for Physiochemical variables Flow Diagram of Fermentation Process Page 8

9 The fed-batch fermentation process characteristics Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi Bioprocess characteristic To use simple model, convenient for calculations in real time, To use simple methods for modelling and control, which do not require complex calculation and more expensive hardware. Complex sensors for measurements of biological variables not to be used, Control to be based on the available hardware in industry to minimize costs. The hardware and software system to be simple and user friendly as possible to allow easy dialog with the operator. Page 9

10 Fed-batch Operation (1/11) In fed-batch culture/nutrients are continuously or semicontinuously fed, while effluent is removed discontinuously (Fig. 1.1). Such a system is called a repeated fed-batch culture. Consider a batch culture where the concentration of biomass afa certain time is given by (1.1) The rate of increase in culture volume is (1.2)

11 Fed-batch Operation (2/11) Figure 1.1.

12 Fed-batch Operation (3/11) Integration of eq. 1.2 yields (1.3) The biomass concentration in the vessel at any time t is (1.4) The rate of change in biomass concentration's (1.5) Since dx t /dt =µ net X t, dv/dt = F, and F/V= D, eq. 1.5 becomes (1.6)

13 Fed-batch Operation (4/11) When the substrate is totally consumed, S 0 and X = X m = S 0 Y m x/s. Since dx/dt = 0 at quasi-steady state, then If maintenance energy can be neglected, (1.7) then (1.8)

14 Fed-batch Operation (5/11) Figure 1.2.

15 Fed-batch Operation (6/11) The balance on the rate- limiting substrate without maintenance energy is Where S is the total amount of the rate-limiting substate in the culture and So is the concentration of substrate in the feed stream At Quasi-steady state X = VX

16 Fed-batch Operation (7/11) The Product Yield Coeficient The Potential Product output The Specific rate of product formation Subtituing yield

17 Fed-batch Operation (8/11) In term of Product Concentration Product Concentration at the end of each cycle is given The Cycle time is define as Substitution yield

18 Fed-batch Operation (10/11) Figure 1.3

19 Fed-batch Operation (11/11) Contoh Soal Dalam fed-batch reactor dengan volume 1000 ml, terdapat penambahan glukosa (initial substrate concentration 100 g glukosa /l) Kinetic constant of the organism µ m = 0.3 /h, Ks =0.1 g glukosa/l. Initial Biomass concentration 30 g. Yield coeficient 0.5 g dw cell/g glukosa. Flow Rate 200 ml/h. t= 2 h. a.carilah nilai V 0 (initial volume of the culture) b.hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam reaktor pada keadaan steady state c.hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada t = 2h

20 Fed-batch Operation (11/11) Homework Dalam fed-batch reactor dengan volume 500 l, Initial culture volume pada steady state glukosa- campuran berisi nutrient yang ditambahkan pada kecepatan aliran 50 l/h. Konsentrasi glukosa dalam feed solution S 0 = 300 g/l dan initial concentration X 0 = 20 g/l. Kinetik dan coeficient yield of organism µ m = 0.2 h -1, K s = 0.5 g/l dan Y x/s = 0.3 g dw /g glukosa. a.carilah nilai V 0 (initial volume of the culture) b.hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam reaktor pada keadaan steady state c.hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada t = 10 h

21 Assignments Tugas Mingguan 1 sheet, two sides printing Q1. Which parameters can be used to evaluate performance of your bioprosess system? Q2. please interpret the meaning of physical and chemical paramater in your selected process Please submitted the assignments before next week, say 24 April. At class s leader Page 21

22 Rumusan Perkuliahan Pengendalian Bioproses Pengukuran dan pengendalian bioproses merupakan matakuliah terapan dari Elektronika dan Intrumentasi, Sistem Kontrol, Matetmatika Terapan, Fisika serta Kinia dasar. Sistem Pengendalian Bioproses lebih difokuskan kepada arahan dan bimbingan kepada mahasiswa yang akan melakukan pengendalian bioproses dalam penelitian sehingga dasar serta konsep pengendalian yang diajarkan dalam matakuliah ini teraplikasikan. Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Brawijaya Malang Join UB be The Best Selain itu sistem pengndalian yang terdapat dalam matakuliah ini merupakan sistem pengendalian yang difokuskan kepada bioproses. Sehingga mahasiswa dapat membedakan konsep proses dan bioproses. Page 22