Download - fermentor disain
Dosen: Heri Hermansyah, Ph.D
Design The
Interactions Design Philosophy Between
Oxygen and Heat Transfer
Oxygen Oxygen Transfer Heat Transfer
Design PhilosophyDesign Philosophy
Design Philosophyg p y
F t k l t bFermentor merupakan alat yang berguna sebagai tempat yang terproteksi,
terkontrol dan merupakan lingkunganterkontrol, dan merupakan lingkungan yang homogen dimana fermentasi dapat berlangsung secara aman dan mencapai
t j t t ttujuan tertentu
Design PhilosophyTujuan dari rational design adalah untuk menghasilkansuatu rencana yang dibutuhkan untuk menghasilkansuatu rencana yang dibutuhkan untuk menghasilkansistem yang ekonomis dan memenuhi performancecriteria
Faktor utama yang harus diperhatikan dalam mendesain alat produksi :
Reliability
Safety
Cost
Compliance with regulatory requirements
Design Philosophy
Faktor yang harus diperhatikan sesegeraFaktor yang harus diperhatikan sesegeramungkin dalam mendesain fermentor :
Monitoring/ Control
Sterilization methods
Number of addition
Types of addition Control methods vessels vessels
Design PhilosophyPlant
scheduling
Space constraints
Operating VS capital
cost
Outside factor yang harusyang harusdiperhatikan
dalammendesainfermentor
Containment and
validation requirements
Overall labor requirement
Relationship betweenPotential between fermentor
productivity and throughput
rates of downstream equipment
U ili
Potential interruptions
in normal plant
operation
Utility requirements
The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer
The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer
Laju perpindahan oksigen dan panas sangat berpengaruh dalam fermentasi aerob
Pada teori kita bisa mendapatkan sel dengan laju Pada teori kita bisa mendapatkan sel dengan laju pertumbuhan yang cepat dengan memenuhi kebutuhan oksigen, tetapi hal ini akan menyebabkan kebutuhan laju perpindahan panas yang sangat besar.
Pada banyak kasus kebutuhan akan oksigen terjadi Pada banyak kasus kebutuhan akan oksigen terjadi pada periode waktu yang singkat mendekati akhir dari proses fermentasi.
Menentukan langkah untuk overdesigning untuk memenuhi beban puncak atau mengurangi laju f t i j di h l t ti t kfermentasi menjadi hal yang sangat penting untuk dilakukam
The Interaction Between Oxygen
L j i d h k i ( f ) l
The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer Laju perpindahan oksigen (oxygen transfer rate) selama
pertumbuhan sel ditentukan oleh laju pertumbuhan spesifiksel (μ), konsentrasi sel (X), dan yield coefficient sel pada oxygen (Yx/o)
// X OOTR Y X Total panas yang tebentuk selama pertumbuhan sel
merupakan jumlah dari panas metabolik yang terbentuk
(Qmet) dengan panas yang terbentuk dari agitasi (Qmech)
Q Q Qtot met mechQ Q Q
The Interaction Between Oxygen
Oxygen and Heat Transfer Requirement: Effects of Scale
and Heat TransferOxygen and Heat Transfer Requirement: Effects of ScaleOTRMmol/L.h
Volumem3
Pressurepsig
% Oxygen Powerhp
Heat LoadBtu/h x 104
CoolantoF
150 1 15 21 5.0 0.084 40200 1 25 21 4.9 0.107 40300 1 35 21 7 1 0 161 40300 1 35 21 7.1 0.161 40400 1 35 19 6.9 0.208 40150 10 15 21 50.2 0.884 40150 10 15 21 50.2 0.884 40200 10 25 21 50.0 1.078 40300 10 35 21 75.7 1.621 22400 10 35 19 77.0 2.096 5
The Interaction Between Oxygen
F t ti hi t i
and Heat TransferFermentation histories :
Oxygen ad Heat transfer for unlimited and limited OTRTime Cell mass OTRTime
hCell mass
g/LOTR
mmol/L.hμ
h-1
I II I II I II
0 1 0 2 0 19 38 0 6 0 60 1.0 2.0 19 38 0.6 0.6
1 1.8 3.6 34 68 0.6 0.6
2 3.3 6.6 62 124 0.6 0.62 3.3 6.6 62 124 0.6 0.6
3 5.9 11.8 111 222 0.6 0.6
4 10.5 20.0 197 350 0.6 0.56
5 18.3 29.8 344 350 0.6 0.38
6 31.0 39.0 582 350 0.6 0.29
7 50.0 47.8 938 350 0.6 0.23
7.25 - 50.0 - 350 - 0.22
Oxygen TransferOxygen Transfer
Oxygen TransferOxygen Transfer
Pada bagian ini akan dibahas mengenai :
Theoritical
Increasing OTR, and the consequences•Foaming
Agitation• Tip Speed and ShearTheoritical
Considerations•Gas Holdup•Gas Linear Velocity•Gassed Power•Pressure•Oxygen Enrichment
Oxygen Transfer – Theoretical considerations
L j di k i d t dit f (OTR) d i i b bbl Laju dimana oksigen dapat ditansfer (OTR) dari air bubble ke fermentation broth tergantung oleh driving dankonstanta perpindahan oksigen (Kga ):
2 2( )g O O avOTR K a P P
Partial pressure of oxygen in the gasP
OTR juga dapat di ekspresikan dalam oxygen material
2
2
Partial pressure of oxygen in the gas
equilibrium partial pressure of oxygen in the brothO
O
P
P
OTR juga dapat di ekspresikan dalam oxygen material balance
OTR = Fiyi - Foyo
Dimana :Fi= molar flow rate gas inFo= molar flow rate gas outY= mol fraction of oxygen
Increasing OTR, and the Consequences
OTR dapat ditingkatkan denganmeningkatkan koefisien transfer oksigen2 2
( )O O lmP P
(Kga) atau . Kga dapat ditingkatkandengan meningkatkan gassed horsepowerg g g p(Pg/V),kecepatan linear gas (vg), ataukeduanya dapat ditingkatkan dengan
2 2( )O O lmP P
keduanya. dapat ditingkatkan denganmenigkatkan tekanan vessel atau denganoxygen enriching pada inlet airoxygen enriching pada inlet air.
FoamingFoaming Ada dua sistem dasar untuk mengatasi foam :
secara mekanik dan kimia.
Secara mekanik, sebuah impeller Secara mekanik, sebuah impellerberkecepatan tinggi memecah foam dengan cara membawanya menuju impeller dan memecahnya dengan gaya mekanikmemecahnya dengan gaya mekanik
Alat ini tidak dapat digunakan untuk mammalian cell culture karena terbentuknya
b d k lgaya yang besar yang dapat merusak sel.
Chemical antifoams diklasifikasikan menjadi dua kategori : metabolizable ( vegetable oil), g ( g ),nonmetabolizable (silicones,polypropilene glycols). Beberapa dapat menurunkan transfer oksigen dan yang lain dapat memberikan efek
Typical mechanical foam breaker
oksigen dan yang lain dapat memberikan efek negatif pada peralatan recovery.
Gas Hold upGas Hold up
Gas holdup didefinisikan sebagai berikut:
h = (Vgassed-Vungassed)/Vungassed
Untuk high power level most aerated fermentor, holdup untuk newtonian broth adalah:
h = 1.8 (Pgassed/V)0.14 (vg)0.75( gassed ) ( g)
Gas Linear VelocityGas Linear Velocity G li l it tid k h hi K Gas linear velocity tidak hanya mempengaruhi Kga
tetapi juga driving force ( melalui material balance).
Meningkatkan vg cenderung akan menurunkan gassed horsepower, Pg.
Foaming dan gas holdup akan naik seiring naiknya Foaming dan gas holdup akan naik seiring naiknya vg.
Low gas velocities dan foam levels dapat b h k b b i timembahayakan beberapa organiseme seperti
mammalian cells walaupun pada laju agitasi yang rendah.
Pada fixed actual VVM (Volume per minute), vgakan naik sering dengan naiknya volume.
Gassed powerGassed power Daya dialirkan ke fluida melalui dua
mekanisme : gaya mekanikal dari impeller, dan gaya yang terbentuk dari ekspansi gas.
Daya yang dapat diberikan impeller akan y y gmenurun seiring dengan meningkatnya gas flow.
PressurePressure
Driving force untuk oxygen transfer dapatditingkatkan dengan meningkatkan tekanang g gvessel, yang akan meningkatkan tekananparsial oksigen.parsial oksigen.
Oxygen EnrichmentOxygen Enrichment
Oxygen transfer rate juga dapat ditingkatkan dengan memperkaya udara inlet dengan oksigen, yang akan meningkatkan PO2. g O2
Teknik ini biasa digunakan di lab, tetapi untuk skala yang lebih besar dapatuntuk skala yang lebih besar dapat menimbulkan masalah yang serius.
AgitationAgitationG d h dib t hk Gassed horsepower yang dibutuhkan (pada gas flow yang tetap) dapat diperoleh dengan menggunakan berbagai kombinasidengan menggunakan berbagai kombinasi dari kecepatan impeller, ukuran, tipe, jarak dan jumlahdan jumlah.
Setiap kombinasi memberikan efek yang berbeda pada fermentasi dan desainnyaberbeda pada fermentasi dan desainnya.
Untuk banyak fermentasi microbial, rasio diameter impeller terhadap diameter tangkidiameter impeller terhadap diameter tangki berkisar antara 0.35 dan 0.45
Tip Speed and ShearTip Speed and Shear S ti i d t k l h k ik l d i Setiap organisme dapat rusak oleh gaya mekanikal dari
fluida. Besarnya kerusakan dipengaruhi oleh sumber,magnitud, dan durasi dari gaya tersebut. Single-cell microbes sangat resistant Single cell microbes sangat resistant Mycelial organism sedikit resistant Mammalian cell sangat sensitif
Tip speed rule merekomendasikan agar impeller tip speed Tip speed rule merekomendasikan agar impeller tip speed tidak melebihi 1500 feet per minute (fpm) (762 cm/s). Hal ini didasarkan pada hasil observasi beberapa tahun lalu, yaituterjadi kerusakan pada mycelial organism pada tip speed j p y g p p plebih besar dari 1500 fpm
Berikut ini adalah persamaan mengenai tip speed, vt
v =3 14 d Nvt=3.14 di Ndimanadi= 915 (Pg/Vt
3)0.5
N= 0 0165 (v 5/P )0 5N= 0.0165 (vt5/Pg)0.5
Heat TransferHeat Transfer
Heat TransferHeat Transfer Driving force untuk perpindahan panas dari satu poin Driving force untuk perpindahan panas dari satu poin
ke poin lainnya adalah perbedaan temperatur,∆T antara dua poin.L j d i i d h Q b di d Laju dari perpindahan panas, Q, sebanding dengan driving force dan berbanding terbalik dengan resistansi, R.
Q= ∆T /R Resistansi berbanding terbalik dengan area(A) dan
koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)1/R=UA
Untuk thin-walled vessels, U :1/U=1/hi + t/k +1/ho + 1/hfi +1/hfo
• Terdiri dari lapisan‐lapisan (layers)k d l b h l b d k
Laminar Flow
• Pergerakannya ada yang lebih lambat dari kecepatanaliran bulk
• Sistem difusinya sederhanaFlow Sistem difusinya sederhana
Turbulent • Fluida dapat tercampur dengan sempurna karenakecepatan fluida terdispersi sangat cepatTurbulent
Flowecepata u da te d spe s sa gat cepat
Gambar 1. Fluid Mechanics Definitions
Konsentrasi:
Sel
Substrat
Morfologi sel:
UkuranFleksibilitas
& Tekanani b th Shear rate
Polimer
Produk
P li
Bentuk
Massa
Deformabilitassel
osmosis broth Shear rate
Polimer
• Viskositas tidak bergantung padah t d h t t iN t i shear rate dan shear stress, tapipada suhu, komposisi, pH, danbeberapa parameter psikokimiaC h i l l
Newtonian Fluid • Contoh: organisme sel tunggalFluid
• Viskositas ikut menurun denganmeningkatnya shear rateNon‐
• Contoh: Pseudoplastic fluid seperti organismemycelial, danmicrobial polysaccharide
Newtonian FluidFluid
Gambar 2. Rheology Definitions
Gambar 3. Rheology Equations
• Power input dari bulk mixing lebih banyak digunakan untukmicromixing dan dispersi gas jika dibandingkan untuk
Bulk Mixing
c o g da d spe s gas j a d ba d g a u tufermentasi aerobik
• Bulk mixing yang baik: yang dapat menjaga homogenitas broth• Parameter bulk mixing: mixing timeg g
• Turbulensi dalammicromixing dapat berpengaruh padamekanika fluida dari degradasi sel dan molekul biologi
Micromixingmekanika fluida dari degradasi sel dan molekul biologi
Tipe impellerp p
Ukuran danG t iV lKecepatan GeometriVesselp
LajuAlir Gasj
Daya yang dihasilkan paling b di
Kelebihan
Menghasilkanli i l
Kekurangan
besar diantaraimpeller komersiallainnya
aliran axial yang kecil sekali
Pada impeller multisistem, dapat Menurunkandibuat sistemisolasi mixing sebagian
Menurunkanintensitas agitasi
Menghasilkanaxial mixing
KelebihanMenghasilkandaya yang
Kekurangan
axial mixing yang bagus
daya yang kecil
Gambar 4. Axial Flow Impeller dan PolaAlirannya
KETINGGIAN FLUIDA : DIAMETER TANGKI <2:1KETINGGIAN FLUIDA : DIAMETER TANGKI <2:1
JARAK ANTAR IMPELLER HARUS TEPAT
Terlalu dekatmenurunkan power input, OTR, dan kualitaspengadukanpengadukan
Terlalu jauh homogenitas kecil
SPACING ANTARA 1‐1,5 DIAMETER IMPELLER
Gambar 5. Jenis‐jenis impeller
Gambar 6. Viscosity ranges of different impellers
Fully baffled dapatmeminimalkan putaranmeminimalkan putarandan pusaran dari fluidadan menghindarkan darigterciptanya udara yang terselubung padag pimpeller yang dapatmengurangi power input, g g p pkualitas pengadukan, dantransfer oksigen
Gambar 7. Baffle Arrangements
Gambar 8. Type of Mixing Tanks
Membutuhkan sedikit transfer oksigenoksigen
Sangat sensitif dan mudah rusak
Tidak membutuhkan baffle dalamproses pengadukanp p g
Space
Transportations
Space requirements
Vendor considerations
Special heads
considerations
KOMPONEN PENTING DALAM REAKTOR
Keterangan Gambar:(1) Reactor Vessel(2) Jacket(3) Insulation(4) Shroud(5) Inoculum Connection(6) Ports for pH, temperature, and dissolved oxygen sensor(7) Agitator(8) Gas Sparger(9) Mechanical Seals(10) Reducing Gearbox(11) Motor(12) Harvest Nozzle(13) Jacket Connection(14) Sample valve with steam connection(15) Sight Glass(16) Connection for acid, alkali, and antifoam chemicals(17) Air Inlet(18) Removable top
d f d l(19) Medium or feed nozzle(20) Air exhaust nozzle(21) Instrument ports(22) Foam Breaker
Gambar 9. Fermentation Tank
(23) Steam connection(24) Rupture disc nozzle
Safety
MaterialCleanability
WeldFinish WeldFinish
1.Disain sistem agitasiLokasi driveSealsShaft vibration and orientation
2. Contoh disainBasis disainTahapan perancanganDisain mekanis
3. Kesimpulan
Ada dua jenis lokasi drivetop drive dan bottom drive
Jenis Drive Keuntungan
Top drive
•Mencegah terjadinya tumpahan
•Mengurangi risiko kebocoran pada
bagian bawahbagian bawah
•Tangkai pengaduk lebih pendek
•Struktur support lebih murahBottom drive
pp
•Lebih mudah diakses dan dirawat
•Ketinggian fermentor dapat dikurangi
D’best double mechanical seal denganbahan tungsten carbide
Ada dua tipe disain:
Tipe Disain Seal Kegunaan Kondisi Operasi
Back to back Chemical reactor Housing pressure > vessel Back-to-back Chemical reactor Housing pressure > vessel pressure
T l d A ti t At h i Top seal reversed Aseptic reactor Atmospheric pressure
Vibrasi padafermentor
•Vibrasi rotor pengaduk•Instabilitas disain kecepatan
•Safety hazard•Kerusakan mekanikp
pengadukan
0 50 5 187 7/)( /)(60/2N 0.5T
0.5Tcr 187.7/=) (g/)(60/2=N
i
isT
IELW /384/5 LIEbW 3/22 ss IELW /384/5s LIEbaW iiii 3/22i