Your logo

Pengendalian BioprosesSistem pengendalian dalam proses kimia, fisikadalam bioproses

Bioprocess Engineering Control - Spring 2013/2014

Dina Wahyu IndrianiKeteknikan Pertanian- April 2013

1

Page 2

Materi Kuliah

No Materi Waktu

1 Memahami dasar teknik pengukuran dan pengendalian bioproses Pengantar

2 Memahami karakteristik bioreaktor dan variabel pengukuran

-Bioreaktor - Bagian-bagian variabel yang diukur

3 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik Pengukuran variabel lingkungan fisik

4 Memahami pengukuran variabel lingkungan fisik (2) Pengkuran variabel lingkungan fisik (2)

5 Memahami pengkuran variabel lingkungan kimia Pegukuran variabel lingkugan kimia

6 Memahami pengukuran variabel lingkungan kimia (2) Pengukuran variabel lingkungan kimia (2)

7 Memahami Penguluran Cell mass

Jadwal dan materi

Page 3

Materi Kuliah

No Materi Submateri Waktu

8 Mengetahui pengendalian bioproses dalam berbagai macam aplikasi/ penelitian Contoh-contoh pengendalian dalam Bioproses April (3)

9 Sistem Pengendalian konsentrasi pada bioreaktor fermentasi (2)Konsep Pengendalian pada sistem fermentasi April (4)

10 Sistem pengendalian pada bioreaktor pada berbagai tipe bioreaktorPemodelan pengendalian pada Bioreaktor fermentasi May (1)

11 Resume dan Persiapan Presentasi Contoh aplikasi pengendalian konsentrasi, suhu dan pH dalam penelitian

May (2)

12 Sistem Pengendalian Chemical Compund, Multistage Chemostat Systems.

Sistem pengendalian dalam mengetahui jumlah bakteri , Total Organic Compund, dalam bioreaktor fermentasi

May (3)

13 Sistem Pengendalian dalam aliran (Group Presentation)Pengendalian aliran dalam bioreaktor fermentasi May (4)

14 Presentasi Paper (Group Presentation) May (5)

Jadwal dan materi

Ketentuan Penulisan dan Penilaian Resume Paper

Page 4

Dasar Penulisan Resume Paper (10%)

1. Paper yang di resume minimal 2 paper yang saling berhubungan 2. Koordinasikan agar paper yang dibahas tidak sama satu mahasiswa

dengan mahasiswa yang lainnya3. Penulisan resume minimal dalam 2 halaman 4. Pembahasan tentang resume paper meliputi

a. Hubungan dengan pengendalian bioproses b. Model pengendalian yang di gunakan c. Kemutakhiran informasi pengendalian yang di peroleh d. Ide gagasan setelah membaca paper

5. Pengumpulan resume setelah pertemuan ke- 3 kuliah6. Buat kelompok terdiri dari 6 orang untuk mempresentasikan paper

yang terpilih 7. Dikumpulkan di Ketua Kelas

Page 5

Review Materi

Mahasiswa mempunyai kemampuan menterjemahkan dan memahami teknologi pengukuran, pengukuran variabel dan lingkungan fisik, pengukuran variabel pada lingkungan kimia, pengukuran Cell Mass, Pengendalian Loop terbuka, pengendalian Loop tertutup, konsep pengendalian fuzzy pada variabel biorposes, model Fuzzy mamdani, Model Fuzzy Sugeno, Model Fuzzy Tsukamoto, Aplikasi Fuzzy pada pengendalian bioproses

Tujuan Kuliah Pengendalian Bioproses

Konsep pengendalian secara lebih lanjut dengan berbagai jenis model dan tipe pengendalian.Penguatan dasar pengendalian pada bioprosesAplikasi pengendalian pada bioprosesPemecahan masalah pengendalian bioproses

Materi yang disampaikan setelah UTS

Pengertian dan Kegunaan Pengendalian Bioproses

Page 6

Studi Kasus Pengendalian Bioproses dalam Penelitian

1. Alur pengendalian 2. Konsep pengendalian yang diharapkan 3. Perumusan metode yang akan digunakan 4. Metode pengendalian yang digunakan 5. Jenis Pengendalian yang digunakan 6. Hasil pengendalian

Ketentuan dalam pengendalian Bioproses

Dasar Pengendalian dalam Bioproses

Kemudahan dalam mendapatkan performansi sistem dinamik Mempertinggi kualitas Menurunkan biaya produksi Meningkatkan laju produksi Meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin yang membosankan

Keunggulan Pengendalian Bioproses

Page 7

Design Fermentator Reactor

- Batch - Fed batch - Continus operation

What mode of operation

Dasar Pengendalian dalam Bioproses

Stirred tank reactor, Airlift Plug flow reactor

What reactor? What mode of operation Substrate concentration Residence times pH Temperature ...

Page 8

Control Structure Design

pH, DO2, T, rpm x,s, p

Personal Computer (PC)

Optimal T, pH, DO2, T, rpm Optimal trajectory of T, pH, DO, F

Controller parameters

Pengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi

Flow Diagram of Fermentation Process

Data AcquisitionData Acquisition

Model EstimationModel Estimation

Optimal Control Problem

Optimal Control Problem

Calculation of Controller Parameters

Calculation of Controller Parameters

Local ControllerLocal ControllerFermentation

ProcessFermentation

Process

Sensors for Physiochemical variables

Sensors for Physiochemical variables

LabLab

Page 9

The fed-batch fermentation process characteristicsPengendalian Konsentrasi dalam Bioreaktor Fermentasi

To use simple model, convenient for calculations in real time, To use simple methods for modelling and control, which do not require complex calculation and more expensive hardware. Complex sensors for measurements of biological variables not to be

used, Control to be based on the available hardware in industry to minimize

costs. The hardware and software system to be simple and user friendly as

possible to allow easy dialog with the operator.

Bioprocess characteristic

Fed-batch Operation (1/11)In fed-batch culture/nutrients are continuously or semicontinuously fed, while effluent is removed discontinuously (Fig. 1.1). Such a system is called a repeated fed-batch culture. Consider a batch culture where the concentration of biomass afa certain time is given by

(1.1)

The rate of increase in culture volume is

(1.2)

Fed-batch Operation (2/11)Figure 1.1.

Fed-batch Operation (3/11)

Integration of eq. 1.2 yields

(1.3) The biomass concentration in the vessel at any time t is

(1.4)The rate of change in biomass concentration's

(1.5)Since dXt/dt =netXt, dV/dt = F, and F/V= D, eq. 1.5 becomes

(1.6)

Fed-batch Operation (4/11)

When the substrate is totally consumed, S 0 and X = Xm = S0Ymx/s.Since dX/dt = 0 at quasi-steady state, then

(1.7)If maintenance energy can be neglected,

then (1.8)

Fed-batch Operation (5/11)

Figure 1.2.

Fed-batch Operation (6/11)The balance on the rate- limiting substrate without maintenance energy is

Where S is the total amount of the rate-limiting substate in the culture and So is the concentration of substrate in the feed stream At Quasi-steady state X= VX

Fed-batch Operation (7/11)

The Product Yield Coeficient

The Potential Product output

The Specific rate of product formation

Subtituing yield

Fed-batch Operation (8/11)In term of Product Concentration

Product Concentration at the end of each cycle is given

The Cycle time is define as

Substitution yield

Fed-batch Operation (10/11)

Figure 1.3

Fed-batch Operation (11/11)Contoh Soal Dalam fed-Batch reactor dengan volume 1000 ml, terdapat penambahan glukosa (initial substrate concentration 100 g glukosa /l) Kinetic constant of the organism m = 0.3 /h ,Ks =0.1 g glukosa/L. Initial Biomass concentration 30 g. Yield coeficient 0.5 g dw cell/g glukosa. Flow Rate 200 ml/h. t= 2 h.

a.Carilah nilai V0 (initial volume of the culture) b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam

reaktor pada keadaan steady state c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada

t = 2h

Fed-batch Operation (11/11)Homework Dalam fed-Batch reactor dengan volume 500 l, Initial culture volume pada steady state glukosa- campuran berisi nutrient yang ditambahkan pada kecepatan aliran 50 l/h. Konsentrasi glukosa dalam feed solution S0 = 300 g/l dan initial concentration X0 = 20 g/l. Kinetik dan coeficient yield of organism m = 0.2 h-1 , Ks = 0.5 g/l dan Yx/s = 0.3 g dw /g glukosa .

a.Carilah nilai V0 (initial volume of the culture) b.Hitung Concentrasi dari pertumbuhan substrate dalam

reaktor pada keadaan steady state c.Hitung konsentrasi dan jumlah Biomass dalam reaktor pada

t = 10 h

Page 21

AssignmentsTugas Mingguan

Q1. Which parameters can be used to evaluate performance of your bioprosess system?

Q2. please interpret the meaning of physical and chemical paramater in your selected process

1 sheet, two sides printing

Please submitted the assignments before next week, say 24 April.

At classs leader

Page 22

Universitas Brawijaya Malang Join UB be The Best

Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Pengukuran dan pengendalian bioproses merupakan matakuliah terapan dari Elektronika dan Intrumentasi, Sistem Kontrol, Matetmatika Terapan, Fisika serta Kinia dasar.

Sistem Pengendalian Bioproses lebih difokuskan kepada arahan dan bimbingan kepada mahasiswa yang akan melakukan pengendalian bioproses dalam penelitian sehingga dasar serta konsep pengendalian yang diajarkan dalam matakuliah ini teraplikasikan.

Selain itu sistem pengndalian yang terdapat dalam matakuliah inimerupakan sistem pengendalian yang difokuskan kepada bioproses. Sehingga mahasiswa dapat membedakan konsep proses dan bioproses.

E-Mail: dinawahyu@lecture.ub.ac.id

Rumusan Perkuliahan Pengendalian Bioproses