VIII. PENGENDALIAN BIOPROSES Kompetensi: Setelah kuliah mahasiswa dapat menetapkan kendali bioproses pada rancangan bioproses A. Prinsip pengendalian bioproses Bioproses merupakan reaksi biokimiawi kompleks serta fenomena perpindahan yang kompleks pula. Pengukuran parameter kunci biokimiawi dan fisiologik sulit dilakukan, bahkan tidak mungkin dilakukan karena belum ada peralatan (instrumen) yang dapat mengukur beberapa parameter sekaligus. Sedapat mungkin tujuan pengendalian bioproses adalah memanipulasi peubah-peubah di dalam sistem pengendalian bioproses. Ada beberapa kelompok peubah dalam bioproses, yaitu: Peubah yang dikontrol Peubah gangguan Peubah yang dimanipulasi Peubah acuan Manipulasi peubah-peubah adalah untuk: 1. Mencapai keluaran pada suatu tetapan nilai yang diinginkan (masalah regulasi/set point) dengan menekan pengaruh gangguan. 2. Menstabilkan proses-proses yang tidak stabil/ berpotensi tidak stabil. 3. Mengoptimasi kinerja yang telah didefinisikan oleh pengukuran-pengukuran seperti rendemen, produktivitas dan keuntungan. Berbagai masalah yang dapat dikaitkan dengan rancang bangun dalam sistem pengendalian bioproses, antara lain: Apa yang harus diukur dalam pengendalian? Apa yang harus dimanipulasi? Manakah peubah pengendali yang dipasangkan dengan keluaran yang diukur? Haruskah gangguan diukur? 52
53 Bagaimana mengukur parameter? Bagaimana membuat keputusan kondisi operasi terbaik? Contoh permasalahan misalnya pengontrolan suhu (T) dan konsentrasi oksigen terlarut (DO) pada nilai yang diinginkan dapat dikontrol dengan memanipulasi laju aliran pendingin (Fc) dan laju aerasi (Ra). Contoh pengendali yang berpasangan, misalnya suhu harus dipasangkan dengan laju aliran pendingin, DO dengan laju aerasi. B. Pemantauan bioproses Pemantauan langsung (on-line) bioproses biasanya untuk mengukur parameter fisikokimia seperti ph, O2, atau CO2 dalam bioreaktor. Hasil pengukuran langsung diketahui setiap saat Untuk merancang pengendalian on line suatu bioreaktor dapat dilakukan lebih efisien dengan menggunakan model. Dengan suatu model, penduga yang memberi perubahan peubah-peubah keadaan, dimungkinkan untuk mengembangkan suatu penduga (estimator). Dengan jumlah sensor yang lebih sedikit dimungkinkan untuk memantau proses lebih rinci. Pemantauan tidak langsung (off-line) biasanya dilakukan untuk analisis biokimiawi. Biasanya digunakan untuk mengevaluasi proses atau menganalisis akhir proses. Sebagai contoh untuk mengukur substrat, metabolit, produk, atau biomassa dalam bioreaktor. Dalam hal ini diperlukan pengambilan sampel dan perlu waktu untuk menganalisisnya di laboratorium
54 Skema dasar pengendalian C. Instrumentasi/sensor bioproses Suatu sensor terdiri bagian-bagian yang dirangkai dalam unit penterjemah yang dapat mengubah sinyal biokimiawi menjadi sinyal listrik dengan adanya daya elektrokimia. Penterjemah yang digunakan misalnya potensiometrik atau elektroda amperometrik, detektor optoelektronik, field effect transistor, termistor, dan sebagainya. Cara penerapan sensor tersebut bisa langsung atau secara tidak langsung. Contoh instrumen/sensor adalah: Sensor BOD menggunakan elektroda oksigen Sensor CO2 menggunakan elektroda potensiometrik atau amperometrik Sensor aliran udara menggunakan rotameter/flow meter Sensor pengukur panas menggunakan termometer/termistor Sensor pengendali busa Sensor pengendali ph Sensor pengukur oksigen Sensor enzim, dan sebagainya
55 Skema sensor penterjemah Sensor BOD
56 Sensor ph Sensor pengukur oksigen
57 D. Pengendalian dan optimasi Jenis-jenis pengendalian ada berbagai macam mulai dari yang sederhana sampai kompleks, dapat dikelompokkan menjadi: 1. Manual (sistemnya sederhana, masih penting pada saat start-up dan shut-down) 2. Otomatik (klasik), menggunakan sistem analog atau on-off rangkaian pengendalian/pengendalian umpan balik. Pengendalian otomatik biasanya untuk: pengendalian lingkungan bioreaktor pengendalian media sel pengendalian aktivitas sel pengendalian ketersediaan pemasok sel dan media 3. Komputerisasi, pengendalian dengan komputer berkembang dengan tersedianya berbagai instrumen baru, perangkat komputer dan software yang sangat membantu operasional sistem pengendalian. E. Konsep komputerisasi pengendalian Komputer digunakan untuk melengkapi pengendalian mutu, penghematan waktu kerja operator, dokumentasi otomatik, mengefisienkan akuisisi data, pemantauan lingkungan bioproses, pengendali otomatik. Pengembangan bioproses yang dikontrol secara otomatik penuh oleh komputer, tergantung pada ketersediaan sensor-sensor yang menghasilkan sinyal yang dapat diterjemahkan ke dalam aksi pengendalian. Ada beberapa variasi jenis komputer pengendali: o Pengendali digital langsung (DDC= Direct Digital Conrol) o Pengendali Supervisory o Pengendali Set Point (SPC=Supervisory Set Point Control) o Pengendali Modern Tugas pengendalian otomatik dapat digambarkan sebagai berikut:
58 Pengukuran dan Pengendalian Peubah dalam Bioreaktor Baku Pengukuran Kecepatan pengadukan Suhu lingkungan Laju aliran gas Tekanan ph media Tekanan oksigen terlarut po2 Volume cairan Tingkatan busa Analisis gas keluar O2 CO2 Keseimbangan gas Pasokan O2 Evolusi CO2 Pengendalian Peubah SIRC TIRC FIRC PIRC QIRC QIRC WIRC LC QIR QIR UIR UIR Keterangan: I: ditunjukkan, R: dicatat, C: dikendalikan: A:alarm, Q: mutu, U: hitung, L: rendah, H: tinggi..sumber: Luttman, 1992
59 Contoh struktur pengendalian otomatik dapat dilihat pada skema berikut: Contoh komputerisasi pengendalian terlihat pada skema berikut: