Pokok Bahasan V RANCANG BANGUN BIOREAKTOR Deskripsi singkat Bioreaktor (fermentor) merupakan bejana fermentasi aseptis untuk produksi senyawa oleh mikrobia melalui fermentasi. Kendala yang timbul adalah terjadinya kontaminasi selama proses fermentasi terutama bila sistemnya berkesinambungan (kontinyu). Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob. Apakah sistem sekali unduh berkesinambungan atau nutrien terputus. Fungsi bioreaktor adalah untuk rnenghasilkan produk oleh mikrobia baik kultur murni atau campuran, yang dikendalikan menggunakan sistem komputer dalarn mengatur faktor lingkungan dan pertumbuhan serta kebutuhan nutriennya. Rancangan dan kontroksi bioreaktor perlu diperhatikan tentang bejana harus dapat dioperasikan dalam jangka waktu lama, serasi dan agitasi memadai untuk kelangsungan proses metabolik mikrobia, sistem kontrol suhu, ph dan penambahan nutrien, bejana harus dapat dicuci dan disterilisasi fasilitas sampling harus ada konsumsi tenaga serendah mungkin, bahan kontroksi rnurah dan evaporasi diusahakan tidak terlalu besar. Macam-macam bioreaktor ada empat yaitu: Bioreaktor tangki adukan (stirred tank bioreaktor), kolum gelembung (Bubble colum bioreaktor), dengan pancaran udara (Airlift bioreaktor) dan bioreaktor terkemas padat (Packed bed bioreaktor) Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa mampu menyelesaikan fungsi bioreaktor dan rnengetahui bentuk dan macam bioreaktor serta operasi pengendaliannya. Suatu kebutuhan untuk melangsungkan dan pengembangan proses untuk produksi hasil fermentasi yang melibatkan mikrobia adalah bejana fermentasi yang aseptis, disebut FERMENTOR atau BIOREAKTOR. Apakah FERMENTOR atau BIOREAKTOR? Bejana untuk rnelaksanakan proses industry Ukuran bervariasi: 5-10 liter untuk skala laboratorium 10-500 liter untuk skala percobaan 50-400.000 liter untuk skala industri besar
Ukuran bioreaktor tergantung pada: Proses : sekali unduh, berkesinambungan, nutrien terputus. Bagaimana proses yang dioperasikan : pancaran ke bawah (down flow) atau pancaran ke atas (up flow) Produk yang diproduksi : No. Ukuran fermentor Produk 1. 1 20.000 Ensim diagnostic, substansi biologi 2. 40 80.000 Molekuler 3. 100 150.000 Ensim dan antibiotic Penisilin, antibiotika aminoglikosida, protease, amylase,transformasi steroid 4. Lebih dari 450.000 Asam amino Asam amino, asam glutamat Proses yang berlangsung selama produksi : proses aerobik, anaerobik. Proses kultur tungal atau kultur campuran Fungsi Dasar Fermentor atau Bioreaktor Suatu tempat yang menyediakan lingkungan yang tepat dan dapat dipantau untuk pertumbuhan dan aktivitas mikrobia atau kultur campuran tertentu untuk menghasilkan produk yang diinginkan. Desain dan konstruksi bioreaktor harus memperhatikan beberapa hal: a. Bejana dapat dioperasikan dalam keadaan aseptis untuk jangka waktu lama. b. Aerasi dan agitasi cukup memadai untuk kelangsungan proses metabolik mikrobia. c. Konsumsi tenaga serendah mungkin. d. Sistim kontrol temperatur, ph harus ada. e. Fasilitas untuk sampling harus ada. f. Evaporasi diusahakan tidak terlalu besar. g. Bejana harus dapat dicuci, dbersihkan dan mudah dipelihara, mempunyai geometri yang sama baik untuk laboratoriurn maupun skala industri. h. Dikonstruksi dari bahan yang murah.
Karakteristik fermenter Fermentor anaerobik memerlukan alat khusus kecuali untuk menghilangkan panas. Fermentor aerobik memerlukan alat untuk mengaduk dan mernberikan aerasi cukup. Konstruksi fermentor aerobik Terbuat dari baja anti karat. Berupa silinder besar, tertutup di bagian atas atau bawah, dilengkapi pipa-pipa (Gambar 1). Bagian fermentor terpenting: sistem aerasi berperan dalam transfer oksigen dari bentuk gas ke bentuk cair. Karena oksigen itu tidak mudah larut dalam air, maka perlu agitasi atau pengadukan atau disebut impeller dan sparger (alat untuk memecah gelembung udara yang masuk melaiuinya) Process control and monitoring meliputi: Pantauan proses : untuk memantau aktivitas mikrobia dalam fermentasi seperti yang diinginkan. Kontrol : ph, temperatur, masa sel dan konsentrasi produk Kontrol komputer proses fermentasi untuk : Memperoleh data yang menunjukkan perubahan selama fermentasi. Mengendalikan faktor lingkungan yang harus selalu dipantau Peningkatan kinerja fermentor bioreaktor (Scale-up) Beberapa aspek mikrobiologi industri adalah perpindahan dari skala laboratorium ke skala industri. Prosedur ini disebut peningkatan proses (scale-up) Mengapa scale up itu sangat penting Karena aktivitas masing-masing mikrobia pada fermentor skala laboratorium itu sama Mengapa proses mikrobia berbeda antara skala industri dengan skala laboratorium? Mengapa pengetahuan scale up sangat esensial? Pengadukan dan oksigen Iebih mudah ditangani pada fermenter kecil. Kalau ukuran fermentor ditingkatkan, Maka perbandingan antara permukaan/volum berubah.
Bioreaktor besar maka volume meningkat, memberikan area permukaan yang meluas. Transfer lebih oksigen sukar terjadi. Hampir semua bioreaktor pada umumnya aerobik maka transfer oksigen yang efektif sangat diperlukan. Perlu media yang kaya sehingga terjadi peningkatan biomasa yang perlu oksigen lebih besar. Scale up proses industri merupakan tanggung jawab insinyur biokimia karena mereka ahli dalam transfer oksigen, dinamika cairan, pengadukan dan termodinamika, bekerja sama dengan ahii mikrobiologi industri untuk memastikan semua parameter yang diperlukan sehingga menghasilkan proses fermentasi berlangsung dengan baik. Ahli mikrobiologi industri sangat diperlukan dalam scale-up yaitu berperan untuk meningkatkan strain mikrobia yang tepat yang diaplikasikan pada proses skala besar. Transfer proses dari laboratorium ke bioreaktor skala industri, beberapa tahapan proses yang harus diperhatikan 1. Tahap percobaan di laboratorium : menunjukkan indikasi fermentasi menarik untuk diaplikasikan ke industri. 2. Percobaan tahap awal di laboratorium untuk optimasi pertumbuhan dan aktivitas mikrobia peningkatan proses, menggunakan fermentor gelas (1-5 liter). Percobaan di laboratoirurn, meliputi menguji berbagai macam media, temperatur, ph, dan sebagainya semurah mungkin (Gambar 1). a. Bioreaktor terkemas padat: di isi dengan bahan padatan yang dapat menjaring mikrobia masuk ke dalamnya. Medium dapat dipompakan melalui mikrobia dengan arah ke atas atau ke bawah (Gambar.2)
3. Tahap percobaan lapangan (pilot plant stage) biasanya menggunakan bioreaktor 300-3.000 liter. Pada tahap ini kondisi mendekati dengan skala industri. 4. Tahap komersial atau industri, menggunakan fermentor 10.000-400..000 liter
Aerasi dan agitasi Aerasi diperlukan untuk pengadaan oksigen yang cukup demi kelangsungan hidup mikrobia yang ditumbuhkan dalam medium cair (kultur tenggelam - submerged culture) Agitasi diperlukan untuk mencampur semua isi bioreaktor sehingga diperoleh kondisi homogen Tipe sistem aerasi dan agitasi sangat tipikal tergantung pada karakteristik proses fermentatif yang diinginkan. Aerasi dapat diadakan dengan mengalirkan udara steril melalui aerator, kemudian gelembung udara dibuat sekecil mungkin, sehingga memungkinkan terjadi oksigen udara masuk ke fase cair. Gelembung udara dapat diperkecil melalui alat yang porus disebut sparger. Agitasi selain berfungsi sebagai pengaduk (agitator) juga dapat berfungsi untuk memecah gelembung yang lewat di dalam medium. Agitator atau disebut impeller ini khususnya didesign khusus yang diperlukan untuk fermentor yang digunakan untuk menumbuhkan fungi atau aktinomisetes. Komponen utama struktur fermentor yang diperlukan aerasi dan agitasi: a. Agitator (impeller) b. Pengaduk c. Sistem aerator d. Saringan halus atau penyekat (baffle) Macam-macam reaktor 1. Bioreaktor tanki adukan (stirres tank bioreactor), udara disirkulasikan melalui medium yang diaduk dengan impeller. 2. Biorekator kolum gelembung (Bubble column bioreactor): udara dialirkan melalui sparger di dasar hejana. 3. Bioreaktor dengan pancaran udara (Airlift bioreactor): terdiri dari dua kolum yang dimasukkan ke dalam kolum yang lain. Udara dipaksa masuk melewati pipa sehingga udara dapat terpancar keatas dan medium ikut terbawa. 4. Bioreaktor terkemas padat: diisi dengan bahan padatan yang dapat menjaring mikrobia masuk kedalamnya. Medium dapat dipompakan melalui mikrobia dengan arah ke atas atau ke bawah (Gambar 2).
Latihan soal: 1. Mengapa bejana fermentasi disebut dengan fermenter atau bioreactor? 2. Jelaskan perbedaan fermentor aerob dan anaerob? 3. Sebutkan faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam merancang fermentasi! 4. Apakah yang dimaksud dengan : a. Scale-up b. Agitasi c. aseptis