MATERI KULIAH 5 REKAYASA BIOPROSES Bioreaktor Sistem Fedbatch & Kontinyu Dosen: Ir. Sri Sumarsih, MP. Bioreaktor Semi Sinambung (Fedbatch): Untuk bioproses yang 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. 1
Bioreaktor Semi Sinambung (Fedbatch): Pada t=0 S= S(nilai optimal) X= X0 Pemasokan substrat untuk mempertahankan konsentrasi optimal Q Neraca Bioreaktor Fedbatch: Neraca massa total Q= dv/dt Neraca biomassa Vr µt x = d(xv)/dt µxv = d(xv)/dt Karena µ = µ nilai konstan pada S = S t Maka integrasi persamaan tersebut: XV = (XV) 0 e µt 2
Volume media kultur fedbatch Jenis Bioreaktor Kontinyu CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik 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 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 Neraca massa pada CSTR: CSTR enzimatik Jumlah substrat masuk per satuan waktu Jumlah substrat yang ditransformasi per satuan waktu Jumlah substrat yang keluar per satuan 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 4
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 0 - S) = V (V µt maks.s)/(km +S) a. Ada Penghambatan oleh substrat Q(S 0 - S) = V (V µt maks.s)/(km +S+ (S 2 /K1)) 5
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 µ (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 6
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: QS0 - 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 Analisis kinetik CSTR dengan pendaur ulangan: Skema 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 7
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. 8
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 9
PFR Bioreaktor sel TUGAS KELOMPOK SUSUN ALUR BIOPROSES SESUAI DENGAN TUGAS KE 2 YANG SUDAH DIKERJAKAN MENGGUNAKAN SISTEM KONTINYU 10