TUGAS KULIAH KULTUR SEL

URAIAN JENIS-JENIS BIOREAKTOR

DOSEN PENGAMPU : Dr. Dianursanti S.T., M.T. dan Dr. Saptowo Jumali

Pardal

NAMA : MUH. A. H. VINCI KURNIANPM : 1306403390JURUSAN : TEKNOLOGI BIOPROSES

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 2015

A. Pendahuluan

Bioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuah peralatan

atau sistem yang mampu menyediakan sebuah lingkungan biologis yang dapat

menunjang terjadinya reaksi biokimia dari bahan mentah menjadi bahan yang

dikehendaki. Reaksi biokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan

organisme atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme

tertentu, baik secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis

yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi.

Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreactor

dengan unggun atau bioreaktor membran.

Merancang bioreaktor adalah perkara rekayasa yang lumayan rumit. Mikroba

atau sel hanya mau bereproduksi dengan baik bila kondisi lingkungan optimal.

Untuk mencapainya, gas dalam bioreaktor, seperti oksigen, nitrogen, dan karbon

dioksida; aliran; temperatur; pH; serta kecepatan adukan harus terkendali.

Umumnya klasifikasi Bioreaktor dibedakan berdasarkan pemasukan nutrisi ke

dalam bioreactor. Bioreaktor dibagi menjadi tiga jenis :

Bioreaktro curah (batch/bulk)

Bioreaktor Sinambung (continuous)

Bioreaktor Semi-sinambung (fed batch)

Gambar 1. Jenis bioreactor berdasarkan pemasukan nutrisi ke dalam bioreactor

(Sumber: https://lms.ipb.ac.id/pluginfile.php/17163/mod_resource/content/0/

DTM_VI._INOKULUM_METODE_KULTIV_revisi.ppt)

B. Bioreaktor Batch

a. Pengertian

Menurut Iman (2008), Batch Process merupakan fermentasi dengan cara

memasukan media dan inokulum secara bersamaan ke dalam bioreactor dan

pengambilan produk dilakukan pada akhir fermentasi. Pada system batch, bahan

media dan inokulum dalam waktu yang hampir bersamaan di masukan ke dalam

bioreactor, dan pada saat proses berlangsung akan terjadi terjadi perubahan

kondisi di dalam bioreactor (nutrient akan berkurang dan produk serta limbah).

Gambar 2. Bioreaktor

jenis curah (batch) (a),

serta desainnya (b).

(Sumber:

https://upload.wikimedia.

org (a) dan

www.slideshare.net (b)a. b.

b. Karakteristik

Resiko kontaminasi rendah

Kultur curah merupakan cara yang paling sederhana, sehingga menjadi titik

awal untuk studi kinetika  

Tidak perlu mikroba dengan kestabilan tinggi

Dapat untuk fase fermentasi yang berbeda pada bioreaktor yang sama (Contoh

produksi metabolit sekunder e.g antibiotik pertumbuhan sel pada fase

eksponensial & pembentukan produk pada fase stasioner)

Dari aspek rekayasa proses, kultur curah lebih fleksibel dalam perencanaan

produksi, terutama untuk memproduksi beragam produk dengan pasar kecil

Kelemahan : produk yang menghambat pertumbuhan terakumulasi, sehingga

metabolisme sel terganggu

c. Cara Kerja

Sebagai contoh, cara reaktor batch yang sering digunakan adalah cara batch

anaerob dari penelitian Soewondo (2010). Reaktor yang digunakan dalam dalam

hal ini adalah reaktor batch anaerob dengan volume operasional sebesar 4 L. Pada

penutup reaktor, terdapat 2 buah selang silikon untuk sampling gas dan

penambahan substansi (penetralan pH dengan basa), termometer, serta pengaduk.

Untuk reaktor cair, digunakan magnetic stirrer sebagai pengaduk. Substrat yang

telah dicampurkan dengan inokulum dimasukkan ke dalam reaktor. Setelah

reaktor ditutup dengan rapat, nitrogen dialirkan untuk mengusir oksigen yang

berada dalam reaktor supaya tercipta suasana anaerob. Reaktor dioperasikan

selama 65 hari.

d. Contoh Produk

Adapun contoh produk  yang dapat menggunakan system Batch Process,

diantaranya : yang mungkin dilakukan untuk skala kecil adalah fermentasi batch.

untuk pembuatan Bioetanol : Food Grade dan Industrial ( Kosmetika , kesehatan

dsb). Tidak direkomendasikan menambahkan UREA,NPK dan Bahan Kimia

lainya kecuali : Ragi ( Mikroba etanol ) (Bambang, 2010).

Gambar 3. Sequential Batch

Reactor, reactor yang sering

digunakan dalam industi pangan

(Sumber: www.dirkse-

milieutechniek.com)

C. Bioreaktor Continuous

a. Pengertian

Pada cara Sinambung (Continues Process), pengaliran subtrat dan

pengambilan produk dilakukan secara terus menerus (sinambung) setiap saat

setelah diperoleh konsentrasi produk maksimal atau subtract pembatasnya

mencapai konsentrasi yang hampir tetap (Rusmana, 2008). Dalam hal ini subtrat

dan inokulum dapat ditambahkan bersama-sama secara terus menerus sehingga

fase eksponensial dapat diperpanjang.

Gambar 4. Bioreaktor jenis CSTR (continuous stirred tank reactor) (a) dengan

agitator dan permukaan heat transfer internal, (b) dengan pompa di sekitar tempat

mixing and permukaan heat transfer eksternal

(Sumber: http://www.metal.ntua.gr)

b. Karakteristik

Karakteristik khas dari bioreactor sinambung (continuous) yaitu kondisi

lingkungan (suhu, pH, aerasi, dan konsentrasi nutrient) dapat dipertahankan tetap

(steady-state) sehingga konsentrasi biomassa atau µ (laju pertumbuhan spesifik)

dapat diatur & konstan dipertahankan selama kultivasi (dg mengatur kons.

substrat umpan). Karakteristik lainnya yaitu

Memerlukan mikroba dengan kestabilan genetik tinggi (mikroba rekombinan

kadang tidak stabil sifat genetiknya)

Produktivitas lebih tinggi

Dapat dijalankan pada waktu yang lama

Harus ada pasar/konsumen ang tetap terhadap produk

Cocok untuk proses yang resiko kontaminasinya rendah (contohnya

penanganan limbah cair) & produk yang berasosiasi dengan pertumbuhan

Pemantauan dan pengendalian proses lebih sederhana

Tidak ada akumulasi produk yang menghambat

c. Cara Kerja

Biasanya, bioreaktor yang dibuat adalah jenis one stage kontinyu, yang terdiri

dari tiga komponen utama (penampung sementara, reaktor dan gas kolektor) 

(Katherin, 2010). Pada tipe aliran kontinyu bahan dimasukkan ke dalam digester

secara teratur pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung

yang lain. Tipe ini mengatasi masalah pada proses pemasukan dan pengosongan

pada tipe batch. Menurut Aprilianto (2010), terdapat dua jenis dari tipe aliran

kontinyu:

Vertikal, dikembangkan oleh Gobar Gas Institute, India

Horisontal, dikembangkan oleh Fry di Afrika Selatan dan California, selain itu

dikembangkan  oleh Biogas Plant Ltd. dengan bioreaktor yang terbuat dari

karet Butyl (butyl rubber bag).

Dalam penelitian Tontowi (2010), yang telah terapkan pada proses fermentasi

kontinyu dilakukan dalam mixed flow reactor yang bervolume 1 L dengan

kecepatan putar 100 rpm. Proses fermentasi ini diawali dengan melakukan

fermentasi semibatch selama 16 jam. Sebelum fermentasi dimulai, reaktor terlebih

dahulu diisi dengan bead sampai volume mencapai 1/5 volume reaktor. Setelah

16 jam, proses fermentasi kontinyu mulai dilakukan dengan mengalirkan feed

dalam fermentor menggunakan pompa peristaltik. Laju alir feed (media molasses)

disesuaikan dengan variabel dilution rate yang dipakai.

d. Contoh Produk

Adapun contoh produk  yang dapat menggunakan system sinambung

(Continues Process) diantaranya : protein sel tunggal, antibiotic, pelarut organic,

kultur starter, dekomposisi selulosa, pengolahan limbah cair, beer, glukosa

isomerase, etanol (Rusmana, 2008).

Gambar 5. Produksi etanol secara Continuous dengan daur-ulang sel khamir

(Sumber: http://collections.infocollections.org)

D. Bioreaktor Fed-Batch

a. Pengertian

Sistem fed-batch adalah suatu sistem yang rnenambahkan media baru secara

teratur pada kultur tertutup, tanpa mengetuarkan cairan kultur yang ada di dalam

fermentor sehingga volume kultur makin lama makin bertambah Tri Widjaja

(2010. Menurut Rusmana (2008), pada cara fed-batch yaitu memasukan sebagian

sumber nutrisi (sumber C, N dan lain-lain) ke dalam bioreactor dengan volume

tertentu hingga diperoleh produk yang mendekati maksimal, akan tetapi

konsentrasi sumber nutrisi dibuat konstan.

Gambar 6. Kultur jenis fed-

batch

(Sumber:

http://www.coleparmer.com)

b. Karakteristik

Media segar ditambahkan ke dalam bioreaktor secara kontinyu/sekuensial

tanpa pengeluaran isi bioreaktor

Pada saat isi bioreaktor penuh, bioreaktor dikosongkan, baik sebagian atau

seluruhnya dan proses dimulai kembali.

Harus disediakan ruang dalam bioreaktor (head space) untuk penambahan

media

Meskipun total biomassa meningkat terhadap waktu, namun konsentrasi sel

tetap mengingat volume juga meningkat, akibat ada penambahan

media/umpan

c. Cara Kerja

Kultur inokulum yang digunakan untuk proses utama sejumlah 100 ml. Kultun

inokulum tersebut diinokulasikan ke dalam 700 ml media fermentasi dalam

fermentor. Fermentasi berlangsung selama tiga kali 24 jam, dengan tiga kali

pengambilan contoh setiap hari.  Pada 24 jam pertama fermentasi berlangsung

secara batch sedangkan 2 kali 24 jam berikutnya benlangsung secara fed-batch.

Awal penambahan substrat dilakukan pada jam ke-24. Volume substrat yang

ditambahkan selama proses fed-batch sekitar 900 ml dengan laju penambahan 19

mL/jam. Pada penelitian mi fermentasi berlangsung dalam fermentor kapasitas

dua liter dengan pengaturan pH pada pH 7 dan 8 serta kecepatan putaran 300 dan

500 rpm. Secara keseluruhan hasil penelitian produksi enzim dengan fermentasi

sistem fed-batch pada penlakuan kecepatan putaran 500 rpm mempunyai

kecenderungan yang sama dengan fermentasi sistem batch. (Budiatman, 2009)

d. Contoh Produk

Contoh produk yang dapat diperoleh pada system Fed-Batch Process adalah

Dekstranase, hal ini juga telah dilakukan penelitian oleh Satia Wihardja (2010)

yang berjudul “Proses Fermentasi Fed-Batch untuk Produksi Dekstranase dengan

Streptococcus sp. B7 Fed-Batch Fermentation Processes to Produce Dextranase

from of Streptococcus sp. B7”

Ragi roti (Saccharomyces cerevisae) dan metabolit sekunder penisilin juga

merupakan salah satu produk industry dengan cara fed-batch. Pada industry ragi

roti dengan fed-batch, konsentrasi glukosa dipertahankan agar tetap rendah agar

rendemen biomassa maksimum dan hasil samping etanol diminimalkan. Pada

penisilin produksi dilakukan dua tahap yaitu produksi glukosa per unit produksi

biomassa dan produksi glukosa untuk produksi penisilin.

Gambar 7. Bioreaktor fed-batch

yang digunakan dalam industry

penisilin

(Sumber:

https://upload.wikimedia.org)

DAFTAR PUSTAKA

Bu’lock, J and D. Kristiansen, 1997, Basic Technology. Academic Press Limited

London.

FATETA IPB, 2012. Kuliah VI:

PENYIAPAN INOKULUM & METODE KULTIVASI. Diakses dari:

https://lms.ipb.ac.id/pluginfile.php/17163/mod_resource/content/0/

DTM_VI._INOKULUM_METODE_KULTIV_revisi.ppt pada 9 November

2015 pukul 14.30

Majeed, Mohammed Abdul. 2010. Small Scale Cell Culture Performance of

Recombinant Chinese Hamster Ovary Cells. Biologics Development Center:

Hyderabad

Sa’id, G. 1991. Bioindustri Penerapan Teknologi Fermentasi. PT. Meiyatama

Sarana Perkasa, Jakarta.