IV. BIOREAKTOR SISTEM BATCH Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat menyusun alur proses batch dalam bioreaktor Sistem bioreaktor yang digunakan dalam bioproses ada berbagai macam, tetapi dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu: Sistem batch (curah) Sistem kontinyu (sinambung) Sistem semi sinambung/semi curah (fedbatch) Pada semua sistem tersebut terjadi proses pencampuran substrat dan sel yang digunakan untuk bioproses secara sempurna dan seragam sehingga keadaan reaksi biokatalisme dalam keadaan homogen. Sistem ini ideal, sehingga wahananya disebut bioreaktor ideal dan dijadikan model untuk analisis bioreaktor. Walaupun pada kenyataannya pencampuran yang ideal sulit tercapai, terutama untuk media berviskositas tinggi atau padat. Demikian pula penggunaan makhluk hidup yang berukuran besar seperti tanaman maupun hewan, atau mikroba yang menghasilkan polimer eksoselular umumnya membentuk flok/ biofilm. Dalam penerapan rancangan bioproses ditentukan dengan penilaian kelayakan teknis/teknologis dan kelayakan ekonomis. Kelayakan teknis sangat ditentukan oleh kinerja (performance) bioreaktor. Kinerja dapat dinilai berdasarkan kinetika reaksi biokatalisis (reaksi enzimatik), dengan parameter dasar berupa produktivitas, hasil (yield), dan tingkat konversi substrat menjadi produk. Analisis bioreaktor dikembangkan atas dasar perilaku bioreaktor yang dapat dipilah menjadi sistem batch/ diskontinyu, fedbatch, dan kontinyu. A. Prinsip Sistem Batch Pada Discontinuous Stirred Tank Reaktor (DSTR), substrat (S) dan biokatalis (sel makhluk hidup yang digunakan untuk bioproses) dimasukkan ke dalam bioreaktor yang teragitasi baik di awal pengerjaan bioproses. Perubahan konsentrasi S terhadap waktu diberikan oleh neraca massa dalam bioreaktor, digambarkan dengan rumus: 17
18 -rs = v (ds/dt) v: volume bioreaktor (konstan), r: laju perubahan S ( mol atau g per satuan waktu, perubahan S terhadap waktu tergantung pada hukum tentang laju (rs) B. DSTR (Discontinuous Stirred Tank Reactor) Kinetika reaksi biokatalisis pada sistem homogen Dengan menganggap laju pengurangan substrat mengikuti model kinetika MICHAELIS (K M ), maka neraca massa dapat dirumuskan sebagai berikut: V(V maks. S / (K M +S)) = V (ds/dt) Vmaks adalah aktivitas enzimatik maksimal per satuan volume bioreaktor. Integrasi persamaan tersebut menghasilkan variasi substrat terhadap waktu: Vmaks.t = K M ln S 0 /S = (S 0 -S) S0: konsentrasi awal substrat, bila X: derajat konversi reaksi, maka: X = (S 0 -S)/S 0 Maka persamaan diatas menjadi: Vmaks.t = X.S 0 K M ln(1-x) V = f (S) V = Vmaks [S]/K M +[S] Secara sederhana, parameter bioproses (Vmaks, K M, S, X) dapat ditentukan dengan menggambarkan perubahan substrat atau biomassa terhadap waktu
19 Laju -rs (pengurangan substrat) mengikuti model Michaelis-Menten Perubahan substrat yang dikonversi menjadi produk dapat digambarkan dalam grafik sebagai berikut: Bioreaktor sering dibedakan menjadi bioreaktor enzimatik dan bioreaktor sel. Bioreaktor enzimatik ditinjau dari proses reaksinya yang ditentukan oleh kinetika reaksi enzimatik. Sedang bioreaktor sel ditekankan pada kinetika pertumbuhan sel makhluk hidup yang menentukan aktivitas bioproses.
20 Skema dasar bioreaktor enzimatik sistem batch Skema bioreaktor sel
21 Perubahan konsentrasi substrat, produk dan biomassa pada bioreaktor sel dapat digambarkan pada grafik berikut: Konsentrasi biomassa awal X 0, dalam media bervolume V. Substrat: sumber C, N, O2 atau senyawa dan unsur lain yang digunakan untuk pertumbuhan, maka: rx = dx/dt -rs = v ds/dt rp = v dp/dt Pertumbuhan dan hasil biomassa pada bioreaktor sel Persamaan pertumbuhan yang tidak dibatasi substrat ditulis sebagai berikut: rx = µmaks.x Laju penggunaan substrat yang berbanding proporsional dengan pertumbuhan dirumuskan: rs = rx/yx/s Yx/s: hasil rendemen biomassa serta produk reaksi yang berhubungan dengan pertumbuhan: rp = Yp/x.rx Yp/x: rendemen produk-biomassa
22 Maka perubahan konsentrasi X, S, dan P terhadap waktu adalah: Pembentukan biomassa berlangsung hingga substrat menjadi pembatas, dan pertumbuhan biomassa mengikuti model Monod: rx = ((µmaks.s) / (Ks+S)).X Apabila semua substrat dikonsumsi, maka konsentrasi biomassa tetap pada nilai: X 0 +Yx/s.S 0 Perubahan konsentrasi substrat digambarkan dengan persamaan: X-X 0 = Yx/s (S 0 -S) Perubahan konsentrasi produk ditulis sebagai: P = Yp/x (X-X 0 ) Dalam beberapa kasus perubahan X, S, dan P lebih kompleks, yaitu pada keadaan: Rendemen tidak konstan Fase pertumbuhan awal Kematian/flokulasi sel Penggunaan substrat secara berantai Fenomena penghambatan oleh produk Produksi metabolit yang tidak berhubungan dengan pertumbuhan C. Fedbatch reaktor Bioreaktor semi sinambung (Fedbatch), sering digunakan apabila substrat dapat menghambat reaksi. Dalam hal ini, bioproses memerlukan penambahan aliran cairan ke dalam bioreaktor batch. Untuk penambahan senyawa prekursor produk atau senyawa pengatur (inducer) agar taraf hara tetap pada konsentrasi rendah, agar tidak terjadi represi katabolit.
23 Skema bioreaktor semi sinambung (Fedbatch) dapat digambarkan sebagai berikut: Pada t=0, S= S(nilai optimal), dan X= X 0 Pemasokan substrat dilakukan untuk mempertahankan konsentrasi optimal Produksi biomassa pada bioreaktor semi sinambung dapat dijelaskan sebagai berikut: Neraca bioreaktor fedbatch: Neraca massa total: Q= dv/dt Neraca biomassa: Vrµtx = d(xv)/dt µxv = d(xv)/dt Karena µ = µ nilai konstan pada S = St Maka integrasi persamaan tersebut: XV = (XV) 0 eµt
Volume media kultur fedbatch 24