Rekayasa Bioproses (Kode MKA: 114151462) Pertemuan Ke-3 Bioreaktor Sistem Kontinyu Dosen: Ir. Sri Sumarsih, MP. E-mail: Sumarsih_03@yahoo.com Weblog: Sumarsih07.wordpress.com Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 1 Deskripsi Bioreaktor sistem kontinyu: Prinsip sistem kontinyu CSTR CSTR dengan daur ulang PFR Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 2 1
Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Menyusun alur proses kontinyu dalam bioreaktor Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 3 ISI MATERI Jenis Bioreaktor Kontinyu CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik 2
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 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 CSTR enzimatik Neraca massa pada CSTR: Jumlah substrat masuk per satuan waktu Jumlah substrat Jumlah substrat yang ditransformasi yang keluar + = per satuan + per satuan waktu waktu Variasi jumlah substrat per satuan waktu Q S 0 r s = QS + V (ds/dt) Dalam keadaan steady state: ds/dt = 0 maka neraca substrat: Q(S 0 S) = r s r s : laju pengurangan substrat dalam reaktor 3
CSTR enzimatik Waktu lewat/tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai τ Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor tergantung kinetika reaksi CSTR enzimatik Waktu lewat/waktu tinggal dalam bioreaktor: τ = V/Q Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor: a. Kinetika Michaelis-Menten Q(S - = µt 0 S) V (V maks.s)/(km +S) a. Ada Penghambatan oleh substrat Q(S 0 - S) = V (V µt maks.s)/(km +S+ (S 2 /K1)) 4
CSTR Bioreaktor sel Pada bioreaktor kontinyu dapat terjadi: Pemanjangan pertumbuhan sel Laju konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media (baik substrat 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 Teori kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu 5
CSTR Bioreaktor sel Dari gambar 5.16 maka dapat dihitung pada keadaan stasioner: Neraca biomassa: jumlah biomassa + Jumlah biomassa = jumlah biomassa + variasi jumlah Masuk/waktu terbentuk/waktu keluar/waktu biomassa perwaktu QX0 + V r µt x = QX + (d(xv)/dt) Laju pembentukan biomassa per satuan waktu : r µt x = Q/V(X-X0) Neraca substrat: QS0Q -V r µt s = QS + (d(vs)/dt)( ) Laju penggunaan substrat 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 CSTR Bioreaktor sel dengan pendaur ulangan 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 substrat 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 6
CSTR Bioreaktor sel Kemostat dalam praktek ada beberapa pembatas substrat: Pembatas substrat: C, K, Mg, fosfat, N, sulfat, dan substrat 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 waktu tinggalnya sama dengan sistem batch, maka produk yang keluar sama dengan bioreaktor batch. PFTR pada volume sama, konsentrasi substrat dan produk lebih tinggi dari CSTR. PFTR untuk memaksimalkan konsentrasi produk pada aliran keluar. 7
Perbandingan PFR dan CSTR Perbandingan waktu tinggal/lewat (τ): CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ r µt s PFR : τ = V/Q = ds/ r µt s..waktu lebih pendek r µt s : laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor konsentrasi substrat masuk (S0) dan keluar (S) OTR (oxygen transfer rate) PFTR Bioreaktor sel a b 8
PFR Bioreaktor sel Rangkuman Bioreaktor sistem kontinyu: Prinsip sistem kontinyu: Konsentrasi substrat, 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 9
Soal sebagai tugas ke 3 Susunlah bagan alir bioproses pada tugas ke 2 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 10