Rekayasa Bioproses (Kode MKA: 114151462) Pertemuan Ke-5 Bioreaktor Sistem Kontinyu Dosen: Ir. Sri Sumarsih, MP. E-mail: Sumarsih_03@yahoo.com Weblog: Sumarsih07.wordpress.com Deskripsi Bioreaktor sistem kontinyu: Prinsip sistem kontinyu CSTR CSTR dengan daur ulang PFR Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 1 Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 2 Tujuan Instruksional Khusus (TIK) ISI MATERI Jenis Bioreaktor Kontinyu CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik Menyusun alur proses kontinyu dalam bioreaktor Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 3
Sistem bioreaktor CSTR enzimatik Penggunaan jenis bioreaktor tergantung metoda yang digunakan untuk mencapai tingkatan aktivitas enzimatik yang diperlukan, atau cara mempertahankan konsentrasi enzim, yang ditetapkan dengan neraca massa Neraca massa pada CSTR: masuk per satuan yang ditransformasi yang keluar + = per satuan + per satuan Variasi jumlah per satuan Q S 0 r s = QS + V (ds/dt) Dalam keadaan steady state: ds/dt = 0 maka neraca : Pendaur ulangan enzim hanya layak jika enzim dapat dipisahkan secara murah dari aliran produk yang keluar dari bioreaktor. Bisa dengan teknik pengisian enzim ke dalam surfaktan cair/membran fosfolipida dan immobilisasi enzim pada penyangga magnetik Q(S 0 S) = r s r s : laju pengurangan dalam reaktor Waktu lewat/ tinggal dalam bioreaktor: τ = V/Q Konsentrasi yang keluar dari bioreaktor: a. Kinetika Michaelis-Menten Q(S - = µt 0 S) V (V maks.s)/(km +S) Waktu lewat/tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai τ Konsentrasi yang keluar dari bioreaktor tergantung kinetika reaksi a. Ada Penghambatan oleh Q(S 0 - S) = V (V µt maks.s)/(km +S+ (S 2 /K1))
CSTR Bioreaktor sel Teori kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu Pada bioreaktor kontinyu dapat terjadi: Pemanjangan pertumbuhan sel Laju konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media (baik maupun produk), dan laju pertumbuhan dapat dipertahankan pada keadaan tunak (stasioner) Kondisi optimal untuk memproduksi biomassa atau produk Teori kemostat untuk sistem kontinyu, digunakan hipotesis sbb: Bioreaktor teragitasi secara baik Volume media konstan CSTR Bioreaktor sel CSTR Bioreaktor sel dengan pendaur ulangan Dari gambar 5.16 maka dapat dihitung pada keadaan stasioner: Neraca biomassa: jumlah biomassa + biomassa = jumlah biomassa + variasi jumlah Masuk/ terbentuk/ keluar/ biomassa per QX0 + V r µt x= QX + (d(xv)/dt) Laju pembentukan biomassa per satuan : r µt x = Q/V(X-X0) Neraca : QS0Q -V r µt s= QS + (d(vs)/dt)( ) Laju penggunaan per satuan volume bioreaktor: r µt s= D (S0-S) Neraca produk: V r µt p = QP + (d(v/p)/dt) r µt p = laju pembentukan produk per satuan volume bioreaktor Skema CSTR dengan pendaur ulangan Analisis kinetik CSTR dengan pendaur ulangan: Laju dilusi(d) (pengenceran) lebih besar dari laju pertumbuhan spesifik (µ) Konsentrasi sel pada aliran daur lebih tinggi dibanding aliran keluar Laju pertumbuhan sel sama tetapi dapat memproses lebih banyak Produk biomassa per satuan volume lebih besar dari CSTR biasa Berproses pada laju D tinggi tanpa terjadi pencucian sel keluar bioreaktor (washout), pada CSTR biasa apabila D>µ akan terjadi washout
CSTR Bioreaktor sel Kemostat dalam praktek ada beberapa pembatas : Pembatas : C, K, Mg, fosfat, N, sulfat, dan kompleks Pembatas oksigenasi Reaksi penghambatan Pendaur ulangan biomassa CSTR dengan pendaur ulangan biomassa PFR (Plug Flow Reactor)/PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) Sistem Bioreaktor Piston/aliran sumbat Neraca massa: QS- r µt s dv = (S + ds) Aliran piston dengan kecepatan tetap, setiap lapisan tipis zalir yang mengalir dalam pipa atau bejana tidak beraksi dengan lapisan di sebelahnya. Setiap lapisan zalir merupakan bioreaktor batch, sehingga apabila tinggalnya sama dengan sistem batch, maka produk yang keluar sama dengan bioreaktor batch. PFTR pada volume sama, konsentrasi dan produk lebih tinggi dari CSTR. PFTR untuk memaksimalkan konsentrasi produk pada aliran keluar. Perbandingan PFR dan CSTR OTR (oxygen transfer rate) PFTR Bioreaktor sel Perbandingan tinggal/lewat (τ): CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ r µt s PFR : τ = V/Q = ds/ r µt s.. lebih pendek r µt s : laju penggunaan per satuan volume bioreaktor konsentrasi masuk (S0) dan keluar (S) a b
PFR Bioreaktor sel Rangkuman Bioreaktor sistem kontinyu: Prinsip sistem kontinyu: Konsentrasi, sel/enzim, dipertahankan dalam keadaan steady state CSTR Bioreaktor sel dan bioreaktor enzimatik CSTR dengan daur ulang Berproses pada laju D tinggi tanpa terjadi pencucian sel keluar bioreaktor (washout), pada CSTR biasa apabila D>µ akan terjadi washout PFR: menyerupai suatu aliran piston (plug-flow) dengan kecepatan tetap, setiap lapisan tipis zat alir yang mengalir dalam pipa merupakan suatu bioreaktor curah (batch). Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 18 TUGAS KELOMPOK sebagai latihan Tugas ke 4: SUSUN ALUR BIOPROSES SESUAI DENGAN TUGAS KE 2 YANG SUDAH DIKERJAKAN MENGGUNAKAN SISTEM KONTINYU Referensi Wajib Sri Sumarsih, 2007. Materi kuliah Rekayasa Bioproses. on line dalam Weblog: Sumarsih07.Wordpress.com (juga dapat diakses melalui www.google.com dengan kata kunci bioproses UPNVY). Tambahan Mangunwidjaya, D. dan Suryani, A. 1994. Teknologi Bioproses, Penebar Swadaya. Jakarta. Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 20