VI. DASAR PERANCANGAN BIOREAKTOR Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat membuat dasar rancangan bioproses skala laboratorium A. Strategi perancangan bioreaktor Kinerja bioreaktor ditentukan oleh kinetika reaksi biokimiawi dan fenomena perpindahan massa. Analisis kedua hal tersebut dilakukan secara terpadu dalam suatu sistem. Misalnya pencampuran antara beberapa fasa zat dalam bioreaktor. Pada bioreaktor yang mempunyai ciri alir dan pencampuran yang berbeda, maka diperlukan rancangbangun dan tata cara penggandaan skala yang berbeda. Dalam analisis kinerja bioreaktor, maka ada pengaruh ukuran atau skala bioreaktor terhadap pola pencampuran, pengaliran, perpindahan massa dan panas. Selain itu dianalisis pula pengaruh laju alir massa yang berbeda dan medan perpindahan yang berinteraksi dengan kinetika biokatalisis. Untuk menentukan strategi saat mendeskripsi bioreaktor perlu diperhatikan skala yang digunakan. Pada analisis bioproses dikenal ada 2 macam skala, yaitu skala waktu nisbi dan skala panjang nisbi. Kunci dalam menganalisis bioreaktor adalah identifikasi skala waktu dan panjang untuk suatu fenomena yang dikaji dalam bioreaktor. Bioproses dimungkinkan dapat dianalisis dalam skala waktu dan panjang yang lebih kecil atau lebih besar daripada ciri proses itu sendiri. Pembandingan skala dapat digunakan secara berulang. Agar deskripsi bioreaktor tepat, maka diperlukan metode untuk menciri suatu proses reaksi dan perpindahan, serta kemampuan untuk menyelesaikan suatu model matematik berdasar deskripsi suatu bioreaktor. 34
35 SPEKTRUM SKALA WAKTU B. Perpindahan momentum dan massa Fenomena perpindahan merupakan penentu rancang bangun bioreaktor. Kinetika bioproses tergantung pengubahan yang dilakukan oleh enzim atau sel makhluk hidup. Waktu reaksi atau volume bioreaktor yang diperlukan untuk mencapai produktivitas yang diinginkan tergantung pada laju reaksi. Selain itu masih terdapat faktor lain yang mempengaruhi laju reaksi dan volume serta rancangan dasar bioreaktor yang akan digunakan. Mekanisme bioproses dan kinerja bioreaktor ditentukan oleh perpindahan momentum dan massa, serta perpindahan panas.
36 SPEKTRUM SKALA PANJANG Perpindahan momentum Reologi suatu media sangat beragam. Untuk pertimbangan ekonomis, sering digunakan konsentrasi / kadar tinggi, larutan yang lebih kental, atau suspensi dengan kandungan padatan tinggi. Perubahan viskositas atau sifat fisik media selama berlangsungnya bioproses, merupakan suatu hal yang diperhatikan. Selain itu adanya perubahan konsentrasi media selama bioproses terjadi akibat reaksi-reaksi metabolisme sel. Bersamaan dengan hal itu terjadi pertumbuhan sel makhluk hidup yang digunakan dalam bioreaktor. Pada tabel berikut tercantum data viskositas berbagai bahan. Setelah bahan bahan tersebut digunakan dalam reaksi biokatalisis, maka akan terjadi perubahan viskositas.
37 Media Air Sakarosa 40% Minyak kedelai Gliserol Tetes tebu Viskositas pada 20 o C 1 6 62 1500 6500 Sifat Reologi Media Fermentasi Faktor yang mempengaruhi reologik media Faktor lingkungan seperti ph, suhu, kekuatan ionik, gaya geser, dan lainnya berkaitan dengan reologik media. Jenis sel makhluk hidup yang digunakan menentukan reologik media dalam bioreaktor. Di dalam media terdapat substrat berupa nutrisi/hara yang sifatnya beragam, misalnya dapat larut atau tidak larut, dan produk hasil bioproses. Selain itu juga terdapat udara yang sengaja didispersikan atau gas yang terbentuk selama bioproses. Faktor-faktor tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:
38 Perpindahan massa Perpindahan massa sangat berperan pada perilaku kinetika bioproses. Sebagian besar bioproses terjadi dalam fasa cair, dalam hal ini migrasi molekul dalam cairan relatif lamban. Perpindahan massa menjadi penting apabila bioproses melibatkan beberapa fasa (cair-gas-padat), dan apabila suatu molekul melewati membran alami atau sintetik. Sebagai contoh molekul yang melewati membran sel yang bersifat selektif permeabel. Perpindahan massa pada antar muka: Perpindahan ini terjadi pada sistem heterogen yang terdiri atas beberapa fasa (padatan, cairan, gas atau dua cairan tidak saling melarut). Perpindahan terjadi dari fasa pertama menuju antar muka, kemudian dari antar muka menuju fasa kedua.
39 Perpindahan antar fasa: Perpindahan massa antar fasa mempunyai arti penting, terutama dalam sistem aerasi untuk bioreaktor yang menggunakan sel serobik. Perpindahan oksigen dari fasa gas yang berupa udara ke media tumbuh yang berupa cairan atau padatan merupakan proses yang terbatas. Oleh karenanya ini penting untuk diperhitungkan dalam merancang suatu bioreaktor. Perpindahan oksigen dari fasa gas ke fasa cairan berlangsung melalui beberapa tahap: Difusi dari gas ke antar muka gas-cairan Pergerakan melalui antar muka gas-cairan Difusi zat terlarut melalui daerah cairan yang tidak tercampur dengan gelembung ke dalam daerah cairan yang tercampur baik Perpindahan zat terlarut melalui daerah cairan ke daerah cairan kedua yang tidak tercampur di sekeliling sel Perpindahan melalui daerah cairan kedua yang tidak tercampur yang berhubungan dengan sel makhluk hidup Perpindahan secara difusi ke dalam flok selular, atau partikel tanah, dan perpindahan melewati dinding sel menuju sisi reaktif intraseluler Berdasarkan teori dua film, maka perpindahan massa oksigen tersebut dapat disederhanakan menjadi: Perpindahan dari gas ke antar muka gas-cairan Pelewatan daerah antar muka (interface) Perpindahan dari antar muka gas-cairan ke dalam fasa cairan
40 Perpindahan Oksigen dari gelembung udara ke bagian dalam sel dapat digambarkan: Perpindahan massa antar muka
41 Pada sistem heterogen yang terdiri atas beberapa fasa padatan dan cair, cair dan gas, dan dua cairan yang tidak melarut, maka massa harus dipindahkan antara satu fasa dan antarmuka yang memisahkan dua fasa tersebut. Perpindahan massa dari satu fasa ke fasa yang lain terdiri atas dua perpindahan antarmuka, yaitu dari fasa pertama menuju antar muka, dan dari antar muka menuju ke fasa ke dua. C. Aliran dalam kolom dan pipa Pada sistem bioproses yang heterogen, seperti enzim ztzu sel makhluk hidup yang immobil, operasi dilakukan dalam suatu bioproses yang mempunyai konfigurasi dasar berupa pipa atau kolom yang berisi butiran padat. Saat menganalisis energi yang diperlukan untuk memindahkan zat alir memerlukan beberapa prinsip dasar fenomena pengaliran. D. Agitasi dalam bioreaktor Umumnya suatu bioreaktor dilengkapi dengan suatu sistem pengadukan (agitasi). Jenis-jenis agitator ada berbagai macam, dapat berupa impeler atau turbin pisau pipih, pedal, heliks atau baling-baling (propeler). Skema agitator dapat dilihat pada gambar berikut.
42 Tenaga agitasi: Besarnya tenaga yang diperlukan untuk agitasi tergantung pada jenis agitator dan sifat reologik media tumbuh dalam bioreaktor. Ada atau tidaknya turbulensi dapat ditetapkan berdasarkan kaitannya dengan bilangan Reynolds agitasi, yang dapat dituliskan sebagai berikut: Re a = d 2 a N p / µ Keterangan: d a : garis tengah agitator, N : laju rotasi (rps), p: densitas zat alir, µ = viskositas zat alir. Pengaliran dalam suatu bejana adalah laminar bila Re < 10, dan turbulen bila Re > 10.000. Re diantaranya, jenis pengalirannya adalah peralihan, lebih turbulen bila dekat dengan turbin, dan laminar untuk yang jauh dari turbin. Tenaga agitasi pada bejana tidak beraerasi dengan zat alir Newton atau non-newton, akan berbeda dengan tenaga agitasi pada bejana beraerasi dengan zat alir Newton atau non- Newton. Berikut hubungan bilangan tenaga dengan bilangan Reynolds untuk berbagai jenis agitator.