1

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.

2

Bioreaktor Semi Sinambung

(Fedbatch):

Q

Pada t=0

S= S(nilai optimal)

X= X0

Pemasokan substrat

untuk mempertahankan

konsentrasi optimal

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)0eµt

3

Volume media kultur fedbatch

Jenis Bioreaktor Kontinyu CSTR (Continuous

Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik

4

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

yang di-

transformasi

per satuan

waktu

Jumlah

substrat

yang keluar

per satuan

waktu

Variasi

jumlah

substrat

per satuan

waktu

+ = +

Q S0 – rs = QS + V (dS/dt)

Dalam keadaan steady state: dS/dt = 0 maka neraca substrat:

Q(S0 – S) = rs

rs : laju pengurangan substrat dalam reaktor

5

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(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S)

a. Ada Penghambatan oleh substrat

Q(S0- S) = V (Vµt

maks.S)/(KM +S+ (S2/K1))

6

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

µ

Teori kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu

7

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 rµtx = QX + (d(XV)/dt)

Laju pembentukan biomassa per satuan waktu : rµtx = Q/V(X-X0)

Neraca substrat: QS0 - V rµts = QS + (d(VS)/dt)

Laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor: rµts = D (S0-S)

Neraca produk: V rµtp = QP + (d(V/P)/dt)

rµtp = 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

8

CSTR Bioreaktor sel

CSTR dengan pendaur

ulangan biomassa

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

PFR (Plug Flow Reactor)/PFTR (Plug Flow Tubular

Reactor) Sistem Bioreaktor Piston/aliran sumbat

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.

Neraca massa:

QS- rµts dV = (S + dS)

9

Perbandingan PFR dan CSTRPerbandingan waktu tinggal/lewat (τ):

CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ rµts

PFR : τ = V/Q = dS/ rµts …………………..waktu lebih pendek

rµts : laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor

konsentrasi substrat masuk (S0) dan keluar (S)

OTR (oxygen transfer rate) PFTR

Bioreaktor sel

a b

10

PFR Bioreaktor sel

TUGAS KELOMPOK

SUSUN ALUR

BIOPROSES SESUAI

DENGAN TUGAS KE 2

YANG SUDAH

DIKERJAKAN

MENGGUNAKAN

SISTEM KONTINYU