Peningkatan Skala (scalingup) Bioreaktor. Djumali Mangunwidjaja Bagian Bioindustri Dept Teknologi Industri Pertanian,IPB

Transkripsi

1 Peningkatan Skala (scalingup) Bioreaktor Djumali Mangunwidjaja Bagian Bioindustri Dept Teknologi Industri Pertanian,IPB

2 PENGERTIAN: (1) pengembangan suatu sistem baru yang lebih besar (kapal,pesawat,pabrik,administrasi) (2) Perancangan dan penyusunan sistem lebih besar berdasarkan hasil percobaan pada skala kecil MENGAPA PERLU PS? Proses bioteknologis (bioproses) melibatkan beberapa fenomena (fisik,kimia,biokimia) yang rumit dan kompleks, sehingga sangat riskan kalau dilakukan dengan coba-coba (trial-error). Bioreaktor merupakan komponen biaya yang besar dari sisi investasi PS bagian dari Perancangan Bioreaktor (Bioreactor Design) : (1) empirispragmatis, (2) empiris-sistematis

3 Bioreaktor mini (lab): riset dasar media produk,kelayakan Pilot-plant: kriteria PShasil,P/V,HvTR,OTR,mutu produk Bioreaktor komersial: produksi secara industri

4 Bioreaktor mini (lab): riset eksploratif media produk,kelayakan Bioreaktor Model sempurna bioreaktor (analisis kinetika : pemodelan,biokinetika,perpindahan,uji model) Pilot plant:perancangan proses (OTR,hasil,P/V,HvTR,ujiekonomis) Bioreaktor komersial: produksi secara industri

5 3 FENOMENA PENTING DALAM PERANCANGAN BIOREAKTOR TERMODINAMIKA: TIDAK TERGANTUNG SKALA (kelarutan oksigen, tekanan parsial) MIKROKINETIKA : TIDAK TERGANTUNG SKALA (pertumbuhan sel, pembentukan produk,penggunaan substrat) PERPINDAHAN : TERGANTUNG PADA SKALA (laju geser, perpindahan oksigen, perpindahan massa, difusi, aerasi)

6 METODA PENINGKATAN SKALA Dasar Semi Dasar Analisis Dimensional Kaidah Ibujari Coba-coba/trialerror Penggunaa neraca massa (mikro) untuk perpindaha n massa,mom entum,pana s Penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan (aliran piston/sumbat/pl ug-flow, aliran piston dg dispersi, aliran percampuran sempurna Penggunaan gugus takberdimens i. Selama peningkatan parameter tak berdimensi ini dijaga tetap Berdasark an pengalam an empiris, dirumuska n pedoman umum Penggunaan prinsip cobasalah-ulang. Sudah jarang diterapkan Sistem imobilisasi Sebagian besar sistem bioproses Bioreaktor kompleks, sistem imobilisasi Sebagian besar sistem bioproses Bioproses sederhana

7 Beberapa kasus peningkatan skala Semidasar : aliran piston dengan dispersi - V dc/dx2 + De d2c/dx2 r = 0 AD : pers diatas diubah menjadi pers = takberdimensi, mis. C dan X dibagi dengan suatu tetapan tak berdimensi (mis Co dan L) -v Co d(c/co)/ld(x/l) + De Cod2(C/Co)/L2d(x/L)2 k Co(C/C0) = 0 &=C/Co dan K=x/L - vl/de d&/dk + d2c/dk2+ KL2/De.& = 0 Pers baru AD : & =f (vl/de,kl2/de,k) Kaidah ibujari : Pers pd bejana berpengaduk Kla = e (Pg/V)a (Vs) b

8 Beberapa kasus peningkatan skala Kaidah ibujari : pengembangan kriteria/patokan PS Kriteria nilai pada skala 1000X (Vm = 10 L) PS P P/V N (t/mn) ND Re N/D P/V ,22 2,15 2,15 0,22 N ,1 ND 100 0,1 0, Re 0, , N/D

9 ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI Bioindustri industri yang menerapkan bioproses (kompleks) : industri berisiko tinggi Meskipun demikian: bioindustri industri paling tinggi nilai tambah tinggi keuntungan (profitability) Sangat bergantung R&D jarak labo dg komersial sangat dekat Profitability = f (t, biaya R&D) biaya pengembangan vs waktu (lab,pilotplant, demo,produksi) teknologi baru 80% perdagangan bioproduk : farmasi dan medis

10 ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI Tahapan pengembangan pabrik Bioindustri Pembangkitan gagasan (inception) Evaluasi awal pasar dan ekonomi Perancangan awal ( predesign) Pengembangan data yang diperlukan untuk rancangan akhir Analisis ekonomi purna Rancangan teknik rinci (detailed eng design) Pembelian Konstruksi Start-up dan ujicoba Produksi

11 ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI 4 HIRARKI pengembangan proses u/ Bioindustri Batch (curah) vs Continuous (sinambung) Struktur masukan - keluaran Reaksi, termasuk pendaurulangan (recycling) Pemisahan dan pemaduan energi TAHAPAN PROYEK Pemasaran/penjualan (y1 y4(1/2)) R&D (y1) Engineering (y1 y2 (1/2)) Produksi (y1(1/2) y4,...yn )

12 FAKTOR UTAMA PROFITABILITY Sukses suatu bioproduk bergantung pada mutu, teknologi produksi, keamanan toksikologis, dan kelayakan produksi Harga bioproduk ditentukan banyak faktor bergantung pada sektor, lokasi, aturan, struktur perusahaan dll Biaya produksi : biaya tetap (fixed costs) & biaya berubah (variable costs) Biaya tetap : fasilitas produksi, bangunan, utilitas, instalasi, start-up, biaya administrasi. Maintenace costs : keamanan,asuransi, pengawasan mutu, R&D Biaya berubah : bahan dasar/ substrat,bahan bakar,energi, tenagakerja produksi KOMPONEN : proses (BB = 51%, BT =21%), pemanenan (BB=12%, BT = 5%) overhead 8%

13 FAKTOR UTAMA PROFITABILITY BIAYA SUBSTRAT PENGELOLAAN ENERGI & UTILITAS LAIN (AIR, STEAM, DLL) PENGEMBANGAN PROSES PENGEMBANGAN BIOREAKTOR PEMANENAN PURIFIKASI PRODUK

14 EKONOMI BIOINDUSTRI Analisis beaya didasarkan : MODAL (perlengkapan bioproses dan pemanenan produk) BIAYA PRODUKSI (upah,supplies,pemeliharaan,pajak,depresiasi, dll) BIAYA BAHAN DAN UTILITAS (substrat,bahan tambahan,pengemasan,listrik,gas,steam, air)

15 EKONOMI BIOINDUSTRI Perkiraan Biaya Produksi : depresiasi = 6,7 10% modal pajak dan asuransi = 2 6 % modal (tergantung lokasi0 Upah,kecuali supervisi pemeliharaan = % upah pekerja langsung pekerja taklangsung = % upah pekerja langsung associated payroll costs = % payroll supplies = % upah pekerja langsung overhead = % upah pekerja langsung pemeliharaan = 4 8 % modal beaya umum : penjualan/administrasi/r&d : 10-15% harga jual bersih, provisi pajak = 50% laba, start-up = 5-10% modal, modal kerja = 20-30% harga jual bersih

16 EKONOMI BIOINDUSTRI Analisis kelayakan finansial = profitability: nilai sekarang (NPV, net present value) positif Internal Rate of Return (IRR) IRR> bunga pinjaman Nisbah untung/biaya (B/C Ratio) >1 Waktu pengembalian modal (PBP, payback period) <umur investasi Pengembalian modal (ROI, return on investment) ROI> bunga pinjaman RINCI PERLU DILAKUKAN ANALISIS KEPEKAAN (SENSITIVITAS)

17 EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Modal (capital costs)- komponen(%) peralatan 18 bangunan baja 4 instalasi 1 pengukuran dan pengendalian 2 pemipaan 9 instalasi listrik 12 bangunan 9 piranti bahan kerja 16 tanah 2 laboratorium 3 spare parts 0,5 operasi teknik 7 instalasi 5 stock, modal kerja,pemeliharaan,wahana dll 9

18 EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Biaya produksi (operating costs)- komponen(%) FAKTOR BIAYA FERMENTASI PEMANENAN bahan dasar 46 3 staf 5 6 pemeliharaan 12 3 laboratorium 0,3 bahan kerja/utilitas steam 2 3 listrik 13 2 air 0,3 penanganan limbah 2 lain-lain 2

19 EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN Biaya bahan dasar/substrat - komponen(%) SUBSTRAT glukosa 47 sodium phenylacetate 40 corn step liquor 4 ammonium sulfat 2 potassium fosfat 2 lain-lain 5

20 Ekonomi biofuel (alcohol) BIAYA PRODUKSI (komponen, %) FAKTOR BIAYA BASIS cassava tebu Investasi Substrat utama Enzim,bahan kimia 16 4 Staf 3 4 Pemeliharaan,asuransi manajemen 5 7 Pajak 4 7 Depresiasi 8 14 Net proceeds 8 14 Harga jual,fob

21