Deskripsi, Keuntungan serta Kerugian Penggunaan Bioreaktor

Batch, Semi-Continuous, dan Continuous

Oleh,

NADIA TUADA AFNAN

1306413422

Teknologi Bioproses Universitas Indonesia, Kampus UI Depok, 16424

Reaktor dan Bioreaktor

Definisi reaktor ialah wadah terjadinya proses produksi dengan masukan

(input reactant) tertentu dan menjadi keluaran (output product). Proses produksi

dalam industri kimia pasti melibatkan reaktor sebagai tempat bereaksinya reaktan.

Tidak jauh berbeda dengan reaktor, bioreaktor pun merupakan sebuah wadah

(sistem) terjadinya reaksi. Perbedaan antar keduanya terletak pada proses reaksi

yang terjadi di dalamnya.

Secara definisi, bioreaktor merupakan wadah atau sistem terjadinya sebuah

konversi biologis. Jika pada reaktor zat-zat reaktan bereaksi satu sama lain secara

kimiawi, pada bioreaktor terdapat agen proses (process agent) yang membantu

mengubah reaktan menjadi produk biologis. Agen proses yang umum digunakan

ialah sel bakteri dan produk biologis yang dihasilkan dapat berupa enzim, protein,

metabolit sekunder, insulin, bahkan gen tertentu.

Bioreaktor memiliki definisi yang sangat luas karena dapat pula berarti

sistem yang melibatkan enzim, mikroorganisme, bahkan jaringan hewan ataupun

tumbuhan. Akan tetapi, dalam tugas mandiri ini definisi bioreaktor akan

dipersempit menjadi (a) wadah kultivasi sel dalam medium yang terkontrol dan

(b) wadah transformasi reaktan oleh agen proses.

1. Bioreaktor

1.1 Tujuan Penggunaan Bioreaktor

Bioreaktor mengandung medium standar yang menyediakan nutrisi bagi

pertumbuhan sel. Oleh karena itu, bioreaktor digunakan untuk menjaga kondisi

optimal sel. Kondisi optimal sel diindikasikan dengan kondisi aktifitas metabolis

yang menunjang tingginya tingkat reproduksi serta laju aktifitas sel dengan tujuan

mengontrol proses biokimia secara alamiah. Pada fase tersebut, sel akan

menghasilkan kuantitas serta kualitas produk yang baik.

Bioreaktor banyak digunakan dalam pendaur ulangan sampah organik baik

dalam bentuk cair maupun padatan. Selain itu, bioreaktor juga digunakan sebagai

media tumbuh dalam kultur sel ataupun jaringan. Terkadang diperlukan sedikit

modifikasi pada bioreaktor untuk menyesuaikan proses serta hasil yang

diinginkan.

Bioreaktor juga disebut fermentor karena sering kali proses yang terjadi di

dalamnya merupakan proses fermentasi oleh sel bakteri. Walaupun fermentasi

sejatinya merupakan reaksi anaerobik, bioreaktor tidak hanya digunakan dalam

reaksi anaerobik namun juga reaksi aerobik.

Produk bioreaktor terbentuk dari 3 proses utama;

a. Proses yang mana produk dihasilkan oleh sel baik secara ekstraseluler

maupun intraseluler. Contoh dari produk tersebut ialah, alkohol, asam

sitrat, dan metabolit sekunder

b. Proses yang menghasilkan massa sel. Contohnya ialah produksi single cell

protein.

c. Proses yang memodifikasi senyawa yang ditambahkan ke fermentor

(Biotransformasi). Dalam hal ini agen biologi (sel) berfungsi sebagai

biokalasitor yang dapat mengubah reaktan menjadi produk.

1.2 Jenis-jenis Bioreaktor

Penentuan penggunaan jenis bioreaktor untuk sebuah proses dengan

mempertimbangkan aspek ekonomis, keunggulan, dan hasil percobaan

sebelumnya.

Bioreaktor yang sesuai dengan kebutuhan serta tujuan peneliti dapat

dikembangkan dari jenis-jenis reaktor dasar. Terdapat 10 macam reaktor dasar

yang umum digunakan dalam proses produksi. Namun hanya 3 macam bioreaktor

yang akan diuraikan mendalam pada tulisan ini yakni, Batch reactor, Semi-

Continuous reactor, dan Continuous reactor.

1.2.1 Batch bioreactor

Batch ini merupakan rektor yang paling umum digunakan dalam proses

produksi. Reaktor batch memiliki jumlah volume konstan selama running reaksi.

Tahap awal yang dilakukan ialah melakukan sterilisasi. Setelah proses tersebut,

medium steril serta sel kultur diinokulasi dalam reaktor tersebut. Setelah itu, sel

akan tumbuh secara alami selama periode waktu tertentu. Pengadukan pada

reaktor baik dilakukan untuk menjaga suhu serta meratakan komposisi medium.

Aerasi dapat ditambahkan pada reaktor batch jika reaksi yang diinginkan

merupakan reaksi aerob. Udara yang dialirkan membawa oksigen bagi sel dan

mengeluarkan CO2 dari reaktor. Namun, adanya aliran air tersebut membuat

reaktor tersebut bersifat semi-kontinyu.

Bioreaktor Batch umumnya digunakan jika produksi berskala kecil,

dengan fluida kental serta fluida bersifat lengket sehingga sulit mengalir dalam

reaktor kontinyu. Bioreaktor batch dapat menghasilkan produk beragam dalam

sebuah proses produksi, serta meminimalkan kontaminasi serta mutasi sel.

Berikut adalah keuntungan dari penggunaan reaktor batch;

a. Mengurangi kemungkinan kontaminasi dan mutasi sel pada periode

awal pertumbuhan.

b. Lebih ekonomis. Pada volume yang sama, pembuatan bioreaktor batch

lebih ekonomis dibandingkan dengan pembuatan bioreaktor kontinyu.

c. Fleksibel. Dapat digunakan untuk menumbuhkan berbagai jenis sel.

d. Efisien. Tingkat konversi bahan baku oleh sel pada bioreaktor batch

tinggi.

Bioreaktor batch tidak terlepas dari kerugian, berikut adalah kerugian dari

penggunaan bioreaktor jenis batch;

a. Produktifitas rendah. Walaupun memiliki tingkat konversi yang tinggi,

bioreaktor batch memerlukan waktu yang lama dalam proses

sterilisasi, pemanasan, pendinginan, dan berbagai persiapan lain

sebelum reaktor tersebut dapat digunakan.

b. Hanya digunakan untuk produksi berskala kecil.

c. Biaya untuk pegawai relatif mahal. Pegawai tetap dibayar walaupun

proses produksi sedang berhenti (reaktor dibersihkan untuk running

ke-2)

Gambar 1. Bioreaktor Batch

d. Resiko terpapar bakteri patogen dan racun tinggi. Karena reaktor

sering dibongkar untuk sterilisasi ulang sehingga laboran atau teknisi

kontak langsung dengan bakteri patogen berbahaya.

1.2.2 Semi-kontinyu

Bioreaktor tipe semi-kontinyu merupakan modifikasi dari bioreaktor batch

dan bioreaktor kontinyu. Bioreaktor semi-kontinyu banyak digunakan jika fase sel

menghasilkan produk berbeda dengan fase pertumbuhan. Tahap awal

pengaplikasian bioreaktor semi-kontinyu adalah dengan menumbuhkan sel pada

reaktor mode batch. Ketika sel telah tumbuh dan siap menghasilkan produk,

reaktan ditambahkan ke dalam bioreaktor untuk merangsang sel berproduksi

secara stasioner.

Keuntungan dari penggunaan Bioreaktor tipe semi-kontinyu ialah;

a. Yield produk tinggi. Sel terus-menerus bereaksi dengan adanya

penambahan bahan baku yang ke dalam Bioreaktor.

b. Optimal. Proses produksi sangat memanfaatkan kondisi sel pada fase

pertumbuhan (log phase). Waktu produksi pun relatif lebih cepat

karena tidak terganggu proses sterilisasi berulang kali.

c. Proses mendekati konstan. Proses produksi akan terus berlangsung

selama bahan baku mencukupi dan tidak banyak sel yang bermutasi.

Akan tetapi, dengan kontinyuitas hanya dapat berlangsung hingga

waktu tertentu di mana sel bermutasi serta terkontaminasi.

Gambar 2. Bioreaktor Semi-kontinyu

Kemungkinan kerugian yang didapatkan jika menggunakan Bioreaktor

tipe semi-kontinyu;

a. Produktifitas rendah. Produktifitas terhambat karena proses

membutuhkan waktu untuk menumbuhkan sel hingga fase optimal,

pemanasan, sterilisasi, pendinginan, serta pembersihan reaktor.

b. Biaya kontrol produksi relatif mahal.

Bioreaktor semi-kontinyu biasanya digunakan jika metode batch reaktor

tidak dapat digunakan karena tidak memenuhi ekspektasi produktifitas. Selain itu,

bioreaktor tipe semi-kontinyu hanya dapat digunakan jika sel tidak mudah

bermutasi. Pada sel yang mudah bermutasi, lebih baik menggunakan bioreaktor

tipe batch untuk mengurangi efek mutan terhadap yield produk.

1.2.3 Kontinyu

Bioreaktor kontinyu merupakan jenis reaktor di mana terdapat aliran feed

maupun produk yang berkesinambungan selama jangka waktu yang relatif lama.

Medium steril bernutrisi masuk secara terus menerus ke dalam bioreaktor. Pada

saat yang sama, produk juga dihasilkan dan dipanen secara terus menerus

sehingga merupakan proses yang bersifat steady state.

Variabel maupun parameter pada bioreaktor terjaga tetap sehingga tidak

membutuhkan banyak kontrol serta penyesuaian. Proses produksi yang

menggunakan tipe bioreaktor kontinyu haruslah memanfaatkan jenis sel yang

tidak mudah bermutasi akibat lingkungan (sistem reaktor).

Gambar 3. Bioreaktor Kontinyu

Berikut adalah keuntungan dari penggunaan bioreaktor tipe kontinyu;

a. Mengurangi jumlah pegawai. Proses produksi dengan bioreaktor tipe

kontinyu dirancang bekerja secara otomatis. Proses tersebut tidak

memerlukan banyak kontrol dan penyesuaian sehingga dapat

mengurangi jumlah serta biaya yang dikeluarkan untuk pegawai.

b. Meminimalkan resiko paparan. Proses yang telah berjalan secara

otomatis memperkecil frekuensi kontak pegawai/laboran dengan sel.

c. Efektif secara waktu. Proses produksi dengan bioreaktor tidak

membutuhkan waktu sterilisasi, pengosongan reaktor, maupun

pemanasan berulang kali. Proses tersebut dapat berlangsung secara

terus-menerus untuk jangka waktu yang relatif lama. Sehingga tidak

banyak waktu terbuang dalam tahap persiapan produksi.

d. Memaksimalkan produksi dengan jumlah yang banyak.

Bentuk-bentuk kerugian reaksi dengan bioreaktor kontinyu;

a. Investasi peralatan besar. Biaya yang dibutuhkan untuk membangun

site serta membuat rangkaian bioreaktor besar.

b. Non-fleksibel. Proses yang telah berjalan secara otomatis lebih sulit

diatur untuk menghasilkan produk yang beragam.

c. Resiko kontaminasi serta mutasi besar. Proses produksi yang dirancang

berjalan dalam waktu yang relatif lama memperbesar kemungkinan sel

untuk bermutasi. Selain itu, proses kultivasi yang singkat juga

memungkinkan sel tidak terseleksi dengan baik sehingga kontaminan

dapat hidup bersama dengan sel yang diinginkan.

Umumnya produk yang dihasilkan dengan bioreaktor bertipe kontinyu

ialah vinegar maupun air hasil olahan limbah.

2. Aplikasi bioreaktor kontinyu dalam produksi Insulin

Bioreaktor banyak digunakan di industri terlepas dari aplikasi biomedis.

Bioreaktor dapat digunakan untuk berbagai tujuan mulai dari mendaur ulang

sampah hingga memproduksi obat. Terdapat berbagai jenis bioreaktor yang dapat

disesuaikan dengan kebutuhan serta tujuan.

Pada proses produksi penisilin, media bernutrisi yang mengandung gula

asam fenilasetat ditambahkan ke secara kontinu. Asam fenilasetat ini digunakan

untuk membuat rantai samping benzil pada penisilin G. Penisilin G diekstraksi

dari filtrat dan dikristalisasi. Untuk membuat penisilin semisintetik, penisilin G

dicampur dengan bakteri yang mensekresi enzim asilase. Enzim ini akan melepas

gugus benzil dari penisilin G dan mengubahnya menjadi 6-aminopebicillanic acid

(6-APA). Aminopenicilanic acid adalah molekul yang digunakan untuk membuat

penisilin jenis lain. Bebagai gugus kimia ditambahkan pada aminopenicillanic.

Hal yang serupa juga terjadi pada sefalosporin C yang diperoduksi oleh

cephalosporium acremonium. Molekul sepalosporin C dapat ditranspormasi

dengan melepas rantai samping α-aminodipic acid dan menambahkan gugus baru

yang memiliki kisaran antibakteri yang lebih luas.

Strain streptomyces griseus dan Actinomycetes lainnya menghasilkan

streptomisin dan bebagai antibiotik lainnya. Spora S. Griseus diinokulasi kedalam

media untuk mendapatkan kultur pertumbuhan dengan biomassa miselia yang

tinggi sebelum dimasukkan kedalam tangki inokulum. Media dasar untuk

praduksi streptomisin mengandung pati kedelai sebagai sumber nitrogen, glukosa

sebagai sumber karbon, dan NaCl. Temperatur optimum untuk proses fermentasi

ini berkisar pada 28°C, dengan kecepatan pengadukan dan aerasi yang tinggi

diperlukan untuk mendapatkan produksi streptomisin yang maksimal. Proses

fermentasi berlangsung sekitar 10 hari dengan jumlah streptomisin yang dipanen

berkisar 1g/L.

Referensi

Cemre Özgöçmen. 2014. Bioreactors and Insulin Production. Journal from: Faculty Engineering of Near East University.

Wang, Daniel I. C. 1979. Fermentation and Enzyme Technology. New York: John

Wiley.

Williams, John. A. 2002. Keys to Bioreactor Selesctions. New York: CEP

Magazine