Rekayasa Bioproses. Pertemuan Ke-2. Prinsip Bioreaktor & Sistem Batch

Transkripsi

1 Rekayasa Bioproses (Kode MKA: ) Pertemuan Ke-2 Prinsip Bioreaktor & Sistem Batch Dosen: Ir. Sri Sumarsih, MP. Weblog: Sumarsih07.wordpress.com Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 1 Deskripsi Prinsip bioreaktor: Pemilihan bioreaktor Jenis makhluk hidup yang digunakan Sifat media Parameter bioproses Faktor produksi Bioreaktor sistem batch: Prinsip sistem batch DSTR Fedbatch reaktor Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 2 1

2 Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Menyusun prinsip i kerja bioreaktor berdasar aktivitas makhluk hidup Menyusun alur proses batch dalam bioreaktor Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 3 ISI MATERI Pemilihan bioreaktor ditentukan: t Jenis makhluk hidup yang digunakan Sifat t media Parameter bioproses Faktor produksi 2

3 Dua komponen penting dalam bioreaktor: Sel atau enzim (biokatalisator) Kondisi lingkungan Bioreaktor: wadah yang memberikan lingkungan fisik sehingga sel/ biokatalisator dapat melakukan interaksi dengan lingkungan dan nutrisi yang dimasukkan ke dalamnya Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok: Sumber energi Nutrisi Inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul Optimalisasi kondisi fisikokimiawi Beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan bioreaktor: Bentuk mudah untuk operasi & pemeliharaan Aerasi dan agitasi Konsumsi energi seminimal mungkin Pengendalian suhu, ph, dan faktor fisikokimia lain Fasilitas pengambilan contoh Proses evaporasi Bentuk geometri serupa pada penggandaan skala 3

4 Jenis makhluk hidup yang digunakan: Sifat aerobik atau anaerobik -pasokan O2 dengan pendispersian udara Jenis dan ukuran makhluk hidup -sel tunggal tidak tahan terhadap gaya geser dan perlu dispersi udara lebih tinggi Letak pertumbuhan dalam bioreaktor -tumbuh di permukaan (bentuk bed/tray) Sifat media: Sifat fisik substrat Gas, cairan dan senyawa larut air, bahan padat larut air, bahan cair tidak larut air, padatan larut sebagian, padatan tidak larut Biokinetik substrat -substrat yang menghambat/represi pertumbuhan misal dengan fedbatch. -produk pada konsentrasi tinggi yang menghambat/ represi misal dengan pengaturan multistage Viskositas substrat dan produk viskositas tinggi mengganggu agitasi dan laju perpindahan oksigen 4

5 Parameter bioproses: OTR, oxygen transfer rate laju perpindahan p oksigen menentukan pertumbuhan sel aerobik Suhu laju pertumbuhan dan pembentukan produk tergantung suhu, sehingga suhu dikendalikan misal dengan air pendingin atau sel tahan panas (termofilik) ph Kecepatan reaksi enzimatis dan laju pertumbuhan terbaik pada ph optimal Faktor produksi : Biaya Kemudahan mendapatkan bahan Ketersediaan dan mutu tenaga kerja Keadaan pasar Ketersediaan energi Aturan kerja dan keselamatan Undang-Undang tentang pembatasan polusi lingkungan Nilai ekonomis hasil samping produk 5

6 Sistem Bioreaktor ideal: Sistem batch (curah) Sistem kontinyu (sinambung) Sistem semi sinambung/semi curah (fedbatch) Pada semua sistem tersebut terjadi proses pencampuran substrat dan sel yang digunakan untuk bioproses secara sempurna dan seragam sehingga keadaan reaksi biokatalisme dalam keadaan homogen Discontinuous Stirred Tank Reaktor (DSTR) Substrat (S) dan biokatalis (sel makhluk hidup yang digunakan untuk bioproses) dimasukkan ke dalam bioreaktor yang teragitasi baik di awal pengerjaan bioproses. Perubahan konsentrasi S terhadap waktu diberikan oleh neraca massa dalam bioreaktor, digambarkan dengan rumus: -rs = v (ds/dt) v: volume bioreaktor (konstan), r: laju perubahan S ( mol atau g per satuan waktu, perubahan S terhadap waktu tergantung pada hukum tentang laju (rs) 6

7 KINETIKA REAKSI BIOKATALISME PADA SISTEM HOMOGEN Tetapan Kinetika MICHAELIS MENTEN (KM) V = f (S) V = vmaks [S]/KM+[S] Laju -rs (pengurangan substrat) mengikuti model Michaelis-Menten Maka neraca massa: v (vmaks.s/km+s) = v (ds/dt) Vmaks: aktivitas biokatalisme maksimal per satuan volume bioreaktor Variasi substrat terhadap waktu: Vmaks.t = KM ln S0/S + (S0-S) S0: konsentrasi awal substrat, bila X: derajat konversi reaksi, maka: X = (S0-S)/S0 Maka persamaan diatas menjadi: vmaks.t = X.S0 KM ln(1-x) 7

8 Penentuan vmaks, KM, X parameter bioproses: vmaks, KM, X dapat ditentukan dengan menggambarkan perubahan substrat atau biomassa terhadap waktu: si Konsentras Skema dasar bioreaktor biokatalisme sistem batch 8

9 Skema bioreaktor sel Perubahan konsentrasi substrat, produk dan biomassa pada bioreaktor sel K o n s e n t r a s i waktu Konsentrasi biomassa awal X0, dalam media bervolume v. Substrat: sumber C, N, O2 atau senyawa dan unsur lain yang digunakan untuk pertumbuhan rx = dx/dt -rs = v ds/dt rp = v dp/dt 9

10 Bioreaktor Semi Sinambung (Fedbatch): Untuk bioproses yang memerlukan penambahan aliran cairan ke dalam bioreaktor batch. Untuk penambahan senyawa prekursor produk atau senyawa pengatur (inducer) agar taraf hara tetap pada konsentrasi rendah, agar tidak terjadi represi katabolit. Bioreaktor Semi Sinambung (Fedbatch): Pada t=0 S= S(nilai optimal) X= X0 Pemasokan substrat untuk mempertahankan konsentrasi optimal Q 10

11 Neraca Bioreaktor Fedbatch: Neraca massa total Neraca biomassa Q= dv/dt Vr µt x = d(xv)/dt µxv = d(xv)/dt Karena µ = µ nilai konstan pada S = S t Maka integrasi persamaan tersebut: XV = (XV) 0 e µt Volume media kultur fedbatch 11

12 Ringkasan Komponen penting bioreaktor: Sel/enzim dan kondisi lingkungan g (energi, nutrisi, fisikokimiawi) Jenis makhluk hidup menentukan: Kebutuhan O2, ukuran, dan bentuk bioreaktor Sifat media: Sifat fisik, biokinetik, dan viskositas Parameter bioproses penting: OTR, suhu, ph menentukan pertumbuhan dan kecepatan reaksi enzimatis Faktor produksi: Pertimbangan ekonomis, teknis, & peraturan Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 23 Rangkuman Bioreaktor sistem batch: DSTR Substrat (S) dan biokatalis (sel /enzim) dimasukkan ke dalam bioreaktor yang teragitasi baik di awal pengerjaan bioproses. Fedbatch reaktor Untuk bioproses yang memerlukan penambahan aliran cairan ke dalam bioreaktor batch. Untuk penambahan senyawa prekursor produk atau senyawa pengatur (inducer) agar taraf hara tetap pada konsentrasi rendah, agar tidak terjadi represi katabolit. Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 24 12

13 Soal sebagai tugas ke 2 1. Pilih satu jenis makhluk hidup yang dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan lingkungan yang telah diuraikan pada tugas pertama. Jelaskan kemampuan makhluk hidup tersebut. 2. Jelaskan prinsip p kerja bioreaktor berdasarkan kemampuan makhluk hidup yang telah dipilih pada no.1. Susun bagan alir proses bioreaktor tersebut dalam sistem batch 13