VII. PENGGANDAAN SKALA BIOREAKTOR Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat menggandakan skala bioproses dengan menggunakan salah satu metoda A. Pengembangan Bioproses Bioreaktor dapat digunakan sebagai bejana reaksi dalam berbagai ukuran yang digunakan untuk kuantifikasi fenomena bioproses, mulai dari skala laboratorium sampai skala pilot plant dan skala industri. Pengalihan data proses dari skala laboratorium sampai ke skala produksi komersial umumnya berlangsung dalam 3 tahapan. Tahap pertama merupakan pencarian atau pemilihan jenis-jenis sel makhluk hidup yang mempunyai sifat unggul. Tahap ke dua diuji pada kondisi media atau lingkungan untuk menyesuaikan dengan kondisi produksi. Pada tahap ini diperoleh perilaku secara kuantitatif maupun semi kuantitatif dalam sistem bioproses yang digunakan. Pada skala pilot plant sudah diuji dengan kondisi teknis yang diterapkan pada skala industri. Peningkatan proses dari skala laboratorium ke pilot-plant dan selanjutnya ke skala industri umumnya sangat bersifat empirik, dapat dibantu dengan model. Berdasar hasil penelitian yang diperoleh di laboratorium, dapat diprediksi suatu strategi optimal untuk mengoperasikan bioreaktor pada skala industri berdasarkan model yang berkaitan dengan fisiologi sel makhluk hidup, pengaliran, atau perpindahan massa. Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-pragmatis Pada pengembangan proses menggunakan pendekatan empiris pragmatis, dilakukan setelah evaluasi ekonomis untuk suatu proses produksi. Kajian bioreaktor skala pilot plant dilakukan untuk memperoleh hasil yang secara ekonomis menentukan mutu produk. Biasanya kriteria yang digunakan adalah konsumsi tenaga (P/V), serta kemampuan perpindahan massa dan panas. Sebagai contoh perpindahan oksigen 43
44 dinyatakan dalam OTR. Pada waktu yang sama dipilih kriteria yang secara pragmatis dapat digunakan untuk meningkatkan unit produksi ke skala industri. Misalnya pada kondisi P/V tetap dan OTR tetap. Skema pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-pragmatis dapat digambarkan sebagai berikut: Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-sistematis (pemodelan matematik) Bioreaktor yang mempunyai proses kompleks, tidak dapat menggunakan pendekatan sederhana seperti pendekatan empiris-pragmatis. Pendekatan yang lebih sistematis dapat menggunakan model matematik. Dengan pendekatan matematik, maka hasil uji dalam setiap tahap merupakan masukan bagi tahap berikutnya. Pada tahap pertama hasil penelitian laboratorium dianalisis untuk memperoleh kinetika bioproses yang terjadi. Besaran kuantitatif bioreaktor dikaji berdasarkan ciri perpindahan fisik, seperti OTR dan waktu pencampuran. Analisis kinetika bioproses dikerjakan menggunakan bantuan model matematik. Berdasar
45 pendekatan ini, pada skala pilot plant mempunyai arti lebih penting daripada model bioproses yang diperoleh dari skala laboratorium. Pilot Plant digunakan untuk memverifikasi kinerja model bioreaktor dan bioreaktor ideal. Skema pendekatan ini dapat dilihat pada gambar berikut: Fenomena Rancangbangun Bioreaktor Dalam rancangbangun bioreaktor, terdapat tiga fenomena penting yang diperhatikan dalam perancangan, yaitu: Fenomena termodinamik (tidak tergantung pada skala) Fenomena mikrokinetik (tidak tergantung pada skala) Fenomena perpindahan (tergantung pada skala) Fenomena termodinamik, misalnya kelarutan oksigen tidak tergantung pada ukuran bioreaktor. Fenomena mikrokinetik, misal perilaku intrinsik makhluk hidup yang mekanisme pengaturannya ada di dalam sel makhluk hidup tersebut. Sedangkan fenomena perpindahan, misal unsur hara atau nutrien atau substrat yang dikonsumsi
46 makhluk hidup dipasok melalui perpindahan massa, makhluk hidup juga merupakan subyek fenomena geser yg merupakan perpindahan momentum. Proses perpindahan sangat tergantung pada skala. Perpindahan massa dapat terjadi dari media ke dalam sel makhluk hidup. Proses perpindahan dalam bioreaktor terjadi menurut dua mekanisme perpindahan, yaitu pengaliran (konveksi) dan difusi (konduksi). Proses perpindahan yang sangat tergantung pada ukuran atau skala, dapat ditulis sebagai: Tetapan waktu perpindahan untuk pengaliran : tr = L/V Untuk bejana berpengaduk: V = NxL maka kebutuhan tenaga per satuan volume (P/V) pada peningkatan skala: tr = L2/3 Tetapan waktu perpindahan secara difusi : td = L2/D Waktu perpindahan (tr dan td ) dapat meningkat selama peningkatan skala, sedang waktu konversi (tc) relatif tetap Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi adalah: Gaya geser Pencampuran Perpindahan massa Perpindahan panas Kinetika makro (perpaduan kinetika mikro dengan difusi) Fenomena yang berkaitan dengan pengaliran dan difusi dapat digambarkan berikut:
47 Metoda untuk meningkatkan skala (scale-up) bioreaktor, yaitu: Metoda dasar Metoda semi dasar Analisis dimensional Kaidah ibu jari (rules of thumb) Coba-coba (trial and error)
48 Cara lain untuk memperkecil perbedaan skala lab dan lapangan adalah dengan teknik pengecilan ukuran (Scale down) pada kondisi sama (OTR, waktu pencampuran, gaya geser, dan substratatau nutrien) dengan kondisi dalam skala penuh. Skala penuh Rancangan awal Bioreaktor skala penuh Penerapan pada skala penuh Skala kecil Simulasi skala kecil Kondisi lingkungan sama Dengan skala penuh Pemilihan galur optimasi kondisi lingkungan B. Metoda Dasar Pada metoda ini menggunakan pemecahan neraca mikro untuk perpindahan momentum, massa, dan panas. Akan tetapi ini menjadi rumit karena: Harus menggunakan komponen perpindahan dalam 3 arah. Neraca bersifat ganda, pemecahan neraca momentum menghasilkan komponen alir yang harus digunakan dalam neraca massa dan panas. Neraca momentum umumnya digunakan untuk zat alir homogen, yang sangat tidak realistik untuk skala yang lebih besar. Metoda dasar ini hanya dapat digunakan untuk: Sistem sederhana Kondisi aliran jelas (misal aliran laminar) Tidak ada aliran (sel makhluk hidup yang diam) C. Metoda semi dasar Pada metoda ini menggunakan pemecahan neraca yang disederhanakan. Pemecahan neraca didasarkan pada penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan. Model aliran yang banyak digunakan adalah: Aliran curah (bulk flow)
49 Aliran piston (plug flow) Aliran piston dengan dispersi Aliran tercampur baik ( dalam 1 tangki atau seri beberapa tangki) Neraca massa untuk aliran piston satu arah secara dispersi dapat dirumuskan: (-v(dc/dx 2 ))+(De(d 2 c/dx 2 ))-r=0 Neraca massa untuk seri beberapa tangki (tangki no. n+1) dirumuskan sebagai: Q v (C n -C n+1 )=V n+1 r n+1 Neraca tersebut dapat dianalisis menggunakan metoda numerik atau analitik. Pengukuran distribusi waktu tinggal (RTD = Residence Time Distribution) penting untuk mempelajari perilaku aliran dalam bioreaktor. Metoda semi dasar ini yang digabung dengan kaidah ibu jari merupakan metoda yang paling luas penggunaannya untuk rancang bangun bioreaktor. D. Analisis dimensional Metoda analisis dimensional merupakan teknik yang menggunakan gugus nirmatra (tidak berdimensi) sebagai parameter dalam rancang bangun bioreaktor yang dijaga tetap selama peningkatan skala. Arti fisik gugus nirmatra itu adalah tetapan waktu untuk mekanisme yang berbeda. Apabila pada keadaan awal neraca momentum, massa, panas, dan batasnya ditulis dalam bentuk nismatra, maka sejumlah bilangan nirmatra akan muncul dengan sendirinya.
50 Contoh bilangan yang termasuk Nirmatra yang digunakan untuk scale-up bioreaktor Momentum Reynolds Gaya dakhil / Gaya viskositas Re=QvD(Re b =QND 2 ) π π Massa Fourier Waktu proses / Waktu difusi Fo=Dt/D 2 Panas Nusselt Perpindahan panas total / perpindahan panas konduksi Reaksi Kimia Damkohler I Laju reaksi kimia / perpindahan massa secara konveksi Nu=α.aD/λ Da 1 =rl 2 /vc E. Kaidah ibu jari (rules of thumb) Metode ini menggunakan patokan perpindahan oksigen (po 2 ) adalah fungsi dari K la yang merupakan fungsi dari P/V. Persentase industri yang menggunakan patokan untuk peningkatan skala adalah menggunakan tetapan P/V (30%), tetapan K la (30%), tetapan V ip (20%), tetapan po 2 (20%). Pada bejana berpengaduk persamaan K la adalah: Kla = e(pg/v)a.(vs)b Peningkatan skala menyebabkan nilai a dan b mendekati sistem koalesensi, pengaruh ukuran bioreaktor pada nilai eksponen a dan b dapat dilihat pada tabel berikut:
51 Ukuran bejana/m3 a b 0,005 0,5 1,0 0,002-2,6 0,95 0,6-0,7 0,4-0,5 0,4 0,67 0,67 0,50 0,50 F. Coba-coba (trial and error) Metoda coba-coba merupakan cara lama yang sudah jarang digunakan dalam peningkatan skala, karena banyak kelemahan. Metoda ini diterapkan secara bertahap pada sejumlah bioreaktor yang ukurannya meningkat. Kondisi proses ditentukan, misal laju pengadukan, susunan media/nutrisi, dan kondisi lingkungan lain. Walaupun jarang digunakan untuk peningkatan skala bioproses, tetapi metoda ini masih banyak digunakan untuk optimasi proses