PENGENALAN BIOREAKTOR

Pengertian bioreaktor/fermentor Menurut Pujaningsih (2005)

fermentor adalah tangki atau wadah dimana didalamnya seluruh sel(mikrobia) mengubah bahan dasar menjadi produk biokimia dengan atau tanpa produk sampingan.

Menurut Andheklawang (2008)

bioreaktor (fermentor) merupakan bejana fermentasi aseptis untuk produksi senyawa oleh mikrobia melalui fermentasi. Bioreaktor dirancang untuk proses fermentasi secara anaerob dan aerob.

Jadi... Defenisi fermentor secara umum adalah

Fungsi Utama Bioreaktor Untuk Kultivasi Sel mikroba & Sel hewan

Bioreaktor merupakan peralatan atau wadah dimana didalamnya terjadi transformasi biokimia dengan adanya aktivitas sel mikroba atau enzim

Memberikan lingkungan yang terkontrol (suhu, pH, O2 terlarut, dll) untuk pertumbuhan mikroba dalam menghasilkan produk yang diinginkan

Hal-hal Penting dalam Desain Bioreaktor

Bejana harus dapat dioperasikan secara aseptik (untuk kultur murni).

Aerasi dan agitasi yang memadai untuk pertumbuhan mikroba aerob (ingat pengadukan harus tidak menyebabkan kerusakan pada sel mikroba)

Konsumsi tenaga dan daya listrik sekecil mungkin

Mempunyai sistem pengontrol suhu dan pH Mempunyai sarana untuk sampling

Evaporasi yang tidak berlebihan Peralatan harus praktis dan

membutuhkan tenaga kerja sedikit Permukaan bagian dalam bioreaktor

harus baik (eg. smooth surface) Memiliki geometri bioreaktor untuk skala

kecil, pilot plant dan skala besar sebaiknya sama untuk memudahkan penggandaan skala (scaling up)

Produktivitas suatu fermentasi ditentukan oleh mode operasi/kultivasi dari proses fermentasi tersebut; misal dilihat dari kelebihan dan kekurangan masing-masing proses kultivasi. Seperti halnya transfer massa, transfer oksigen adalah merupakan faktor penting yang menentukan bagaimana bioreaktor tersebut harus didesain dan dioperasikan.

Bioreaktor dapat bervariasi dalam ukuran dan kompleksitas dari reaktor dengan volume 10 ml pada tube test sampai ke fermenter yang dikendalikan komputer dengan volume lebih besar dari 100 m3, dengan cost bisa mencapai beberapa juta dolar.

Tipe BioreaktorBerdasarkan tipe agen Berdasarkan kebutuhanBiologis Proses-bioreaktor mikrobial -aerobik: terendam &-bioreaktor enzim permukaan -anaerobik

Berdasarkan metoda aerasi - kultur diam (standing cultures)

- labu kocok (shake flasks) - bioreaktor berpengaduk (STR) - bioreaktor kolom gelembung (bubble column) - air lift - fluidized bed

Kultur Diam (Standing cultures) Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi:

aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kultur

Biasanya digunakan dalam skala kecil, dimana suplai oksigen tidak terlalu penting, misal tes biokimia untuk identifikasi bakteri pada tube tes yang berisi 5-10 ml media.

Kultur Diam (Standing cultures) Jenisnya: a. T-flasks:digunakan pada kultur sel hewan

skala kecil, inkubasi dilakukan secara horizontal untuk memperluas permukaan transfer oksigen

b. Fernback flasks: contoh untuk teh kombucha (teh yg diinokulasi dg khamir dan bakteri asam laktat)

c. Kultur permukaan: penggunaannya tidak terbatas di laboratorium, contoh: pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger dengan menggunakan tray (baki)

T-flasks:

Laju aerasi permukaan dapat ditingkatkan dengan menggunakan flask yang bervolume lebih besar.

Fernback flasks:Foto dibawah ini adalah "Fernback" flask 3 liter yang mengandung 1 liter medium dan Erlenmeyer flask 250 ml mengandung 100 ml medium.

Lihat bahwa yang terdahulu (T-flasks) mempunyai luas permukaan yang lebih besar. Pyrex flask besar digunakan untuk produksi skala kecil produk-produk fermentasi (Kombucha tea).

Kultur permukaan:

Fermentasi solid state aerob adalah salah satu contoh kultur permukaan. Pada fermentasi jenis ini, substrat padat (contoh water softened bran/sekam padi, rice atau gandum) ditaruh diatas baki. Substrat bisa secara kontinu atau periodik diaduk untuk menambah aerasi dan mengatur temperatur kultur. Contoh: koji oleh Aspergillus oryzae pada soya beans pada proses pembuatan kecap.

Contoh lainnya adalah kultivasi mushroom.

LABU KOCOK (SHAKE FLASKS)

Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil, OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam, keterbatasan transfer oksigen masih tidak dapat dihindari apabila menginginkan densitas sel yang tinggi, baffle meningkatkan efisiensi transfer O2 (orbital shaker)

Shake flasks- faktor yang mempengaruhi kLa

Laju transfer oksigen pada shake flasks tgt pada: shaking speed/kecepatan pengadukan volume liquid design shake flask.

kLa decreases kLa increases kLa is higher

with liquid volume with liquid surface when baffles

area are present

KLa akan naik dengan kenaikan shaking speed.

Pada shaking speeds yang tinggi, bubble akan terbentuk dalam medium sehingga meningkatkan laju transfer oksigen.

Volume liquid yang sesuai ditentukan dengan volume flask. Misalnya, untuk flask 250ml standard, biasanya volume liquid sekitar 70 ml sedangkan untuk flask 1 liter, biasanya volume liquid lebih kecil dari 200 ml.

Untuk volume liquid yang lebih besar dapat dengan menggunakan flask yang lebih lebar.

Shake flasks- baffle Kehadiran baffle pada flask akan lebih meningkatkan

efisiensi transfer oksigen, terutama pada orbital shakers. Gambar dibawah menunjukkan bagaimana baffle meningkatkan level entrainment gas dalam shake flask yang digoyang pada orbital shaker 150 rpm.

Unbaffled flask Baffled flask

BIOREAKTOR TANGKI BERPENGADUK (STR)

Untuk aerasi volume liquid besar dari 200 ml, beberapa opsi tersedia. Non-sparged STR dapat memberikan aerasi yang cukup untuk volume liquid s.d. 3 liter. Namun perlu untuk menaikkan kecepatan pengadukan s.d 600 rpm agar kultur tidak

kekurangan oksigen.

Pada non-sparged STR, oksigen ditransfer dari head-space diatas liquid fermentasi. Agitasi secara kontinu memecah permukaan liquid dan meningkatkan surface area untuk transfer oksigen.

Efek kecepatan stirrer/pengadukan pada entrainment gas pada bioreaktor laboratorium 2 liter ditunjukkan oleh gambar:

Pd 300 rpm, hanya sedikit entrainment gas

Pd 450 rpm, gelembung-gelembung gas besar terlihat

didalam medium

Pd 750 rpm, fluida dalam fermenter fluid terlihat sangat

banyak gelembung-gelembung gas kecil dari atas

ke bawah

Sparged STRUntuk volume liquid besar dari 3 liter, sparging udara dibutuhkan untuk keefektifan transfer oksigen. Dengan sparging, sangat meningkatkan area transfer oksigen.

Agitasi biasanya digunakan untuk memecah bubble sehingga menaikkan nilai kLa. Fermenter dengan sparging membutuhkan kecepatan agitasi yang jauh lebih rendah untuk efisiensi aerasinya dibandingkan dengan fermenter yang non-sparged. Air-sparged fermenters dapat mempunyai volume kerja liquid lebih dari 500,000 liter.

Sparged STR

Bubble Driven Bioreactor Sparging tanpa pengadukan secara mekanik dapat juga digunakan untuk aerasi dan agitasi. Dalam hal ini adalah Bubble driven bioreactors yaitu Bubble column fermenters dan airlift fermenters.

Bubble Driven Bioreactor Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap

shear (kapang & sel tanaman) Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STR Perbedaan bioreaktor Bubble Column dan Airlift

-bioreaktor airlift memiliki draft tube yang menyebabkan peningkatan efisiensi transfer panas dan transfer massa

-bioreaktor airlift mampu memberikan kondisi shear yang lebih merata

-konstruksi bioreaktor airlift lebih mahal Kerugian penggunaan bioreaktor Bubble Column dan Airlift

-membutuhkan energi yang lebih besar

-pembentukan busa lebih banyak

-untuk kultur sel hewan dapat terjadinya kerusakan sel

Rasio tinggi terhadap diameter pada bubble driven bioreactors

Bubble driven fermenters umumnya mempunyai ketinggian dengan rasio ketinggian liquid terhadap dasar antara 8:1 dan 20:1.

Desainnya yang tinggi menyebabkan residence time bubble yang lama dan region/daerah hydrostatic pressure tinggi dekat sparger pada dasar fermenter

Faktor-faktor ini menyebabkan nilai kLa dan Co* yang tinggi shg mendorong laju transfer oksigen.

ContohAplikasi:Gum Xanthan, PST dg subsrat metanol, biosurfaktan

Bubble Driven Bioreactor

Airlift bioreactors - draft tubeFermenter airlift berbeda dari bubble column bioreactor karena adanya draft tube yang mempunyai fungsi utama:Meningkatkan mixing dalam reaktor Mendorong axial mixing keseluruhan reaktorMengurangi bubble coalescence, karena diasumsikan adanya induksi sirkulasi dari draft tube didalam reaktor. Sirkulasi terjadi satu arah sehingga bubble juga bersirkulasi satu arah. Dengan bubble yang kecil akan meningkatkan surface area transfer oksigen.

Shear forces yang merata didalam reaktor. Hal ini dipercaya sebagai alasan utama mengapa

airlift bioreactors mempunyai produktivitas yang lebih tinggi dari stirred tank reactors.

Airlift bioreactors - draft tube

Air-riser dan down-comer

Reaktor air-lift dibagi menjadi tiga region: air-riser region, down-comer region dan disengagement zone.

Airlift bioreactors - draft tube

Disengagement zone

Fungsi dari Disengagement zone adalah untuk sebagai tambahan volume pada reaktor, mengurangi foaming/busa dan meminimalkan resirkulasi bubble melalui down comer.

Pelebaran bagian atas reaktor menurunkan kecepatan bubble sehingga melepaskan bubble dari aliran liquid.

Aliran Carbon-dioxide yang banyak bubblenya maka akan tercegah dari masuk ke aliran downcomer.

Kurangnya kecepatan bubble pada Disengagement zone juga dapat mengurangi kehilangan medium akibat pembentukan aerosol.

Peningkatan area juga akan mendorong bubble kedalam busa dan membantu dalam proses pemecahan bubble dalam foam/busa. Sirkulasi aliran axial akibat adanya draft tube juga menurunkan pembusaan didalam reaktor.

Packed bed and trickle flow bioreactors

Packed Bed:Laju transfer massa antara sel dan medium tergantung dari flow rate/laju alir dan ketebalan film biomass diatas/dekat permukaan solid particles. Packed bed reactors sering mengalami masalah laju transfer massa yang rendah dan penyumbatan/clogging. Diluar hal itu, reaktor ini secara komersial sudah dipakai dengan katalis enzimatis dengan menggunakan sel yang slowly/non-growing.

The liquid medium trickles over the surface of

the solids on which the cells are immobilized

Trickle Bed: Secara luas digunakan pada pengolahan limbah

secara aerobik. Transfer oksigen ditingkatkan dengan upaya agar sel

hanya tertutupi oleh lapisan liquid yang tipis sehingga proses difusi oksigen kedalam sel tidak terhambat.

Oxygen berdifusi melalui lapisan tipis liquid disekitar sel

Karena tidak dipakai pengadukan, capital dan energy cost dapat dihemat. Namun, laju transfer oksigen per unit volume rendah dibandingkan dengan sistem sparged stirred tanks.

Sistem Trickle flow biasa digunakan untuk treatment effluent dari activated sludge atau anaerobic digestion process dan untuk nitrifikasi ammonia.

Fluidized Bed Reactors

Merupakan salah satu metoda untuk memelihara konsentrasi sel yang tinggi dan laju transfer massa yang baik pada kultur kontinu

Dalam reaktor ini, sel atau enzim diamobil pada partikel/support yang ringan.

Pencampuran dibantu dengan pompa, yang ditempatkan pada bagian dasar tangki sehingga katalis yang telah diimmobilisasi bergerak bersama cairan kearah vertikal, diimbangi dengan pergerakan partikel kebawah karena gravitasi.

Pada sistem kultivasi aerobik, aerasi diperlukan untuk meningkatkan OTR (Oxygen Transfer Rate)

Fluidized Bed Reactors aerob dan anaerob telah banyak dikembangkan dalam pengolahan limbah

Fluidized Bed Reactors

Draft tube bisa digunakan untuk meningkatkan sirkulasi dan transfer oksigen. Fluidized beds dapat juga menggunakan microcarrier beads pada kultur sel hewan. Yang dioperasikan secara batch maupun kontinu. Fluida fermentasi direcycle kedalam reaktor dengan pump-around loop.

Fluidized Bed Reactors

TERIMA KASIH