Peningkatan Skala (scaling-up) Bioreaktor

Djumali MangunwidjajaBagian Bioindustri

Dept Teknologi Industri Pertanian,IPB

PENGERTIAN: (1) pengembangan suatu sistem baru yang lebih besar (kapal,pesawat,pabrik,administrasi)(2) Perancangan dan penyusunan sistem lebih besar berdasarkan hasil percobaan pada skala kecil

MENGAPA PERLU PS ? Proses bioteknologis (bioproses) melibatkan beberapa fenomena (fisik,kimia,biokimia) yang rumit dan kompleks, sehingga sangat riskan kalau dilakukan dengan coba-coba (trial-error). Bioreaktor merupakan komponen biaya yang besar dari sisi investasi

PS bagian dari Perancangan Bioreaktor (Bioreactor Design) : (1) empiris-pragmatis, (2) empiris-sistematis

Bioreaktor mini (lab): riset dasar –media produk,kelayakan

Pilot-plant: kriteria PS-hasil,P/V,HvTR,OTR,mutu produk

Bioreaktor komersial: produksi secara industri

Bioreaktor mini (lab): riset eksploratif – media produk,kelayakan

Bioreaktor Modelsempurna bioreaktor

(analisis kinetika : pemodelan,biokinetika,perpindahan,uji model)

Pilot plant:perancangan proses (OTR,hasil,P/V,HvTR,ujiekonomis)

Bioreaktor komersial: produksi secara industri

3 FENOMENA PENTING DALAM PERANCANGAN BIOREAKTOR

TERMODINAMIKA: TIDAK TERGANTUNG SKALA (kelarutan oksigen, tekanan parsial)

MIKROKINETIKA : TIDAK TERGANTUNG SKALA (pertumbuhan sel, pembentukan

produk,penggunaan substrat)

PERPINDAHAN : TERGANTUNG PADA SKALA(laju geser, perpindahan oksigen, perpindahan

massa, difusi, aerasi)

METODA PENINGKATAN SKALA

Dasar Semi Dasar Analisis Dimensional

KaidahIbujari

Coba-coba/trial-error

Penggunaaneraca massa (mikro) untuk perpindahan massa,momentum,panas

Penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan (aliran piston/sumbat/plug-flow, aliran piston dg dispersi, aliran percampuran sempurna

Penggunaan gugus takberdimensi. Selama peningkatan parameter tak berdimensi ini dijaga tetap

Berdasarkan pengalaman empiris, dirumuskan pedoman umum

Penggunaan prinsip coba-salah-ulang. Sudah jarang diterapkan

Sistem imobilisasi

Sebagian besar sistem bioproses

Bioreaktor kompleks, sistem imobilisasi

Sebagian besar sistem bioproses

Bioprosessederhana

Semidasar : aliran piston dengan dispersi- V dc/dx2 + De d2c/dx2 – r = 0 AD : pers diatas diubah menjadi pers =

takberdimensi, mis. C dan X dibagi dengan suatu tetapan tak berdimensi (mis Co dan L)-v Co d(C/Co)/Ld(x/L) + De Cod2(C/Co)/L2d(x/L)2 – k

Co(C/C0) = 0&=C/Co dan K=x/L - vL/De d&/dK + d2c/dK2+

KL2/De.& = 0 Pers baru AD : & =f (vL/De,KL2/De,K)Kaidah ibujari : Pers pd bejana berpengadukKla = e (Pg/V)a (Vs) b

Beberapa kasus peningkatan skala

Kaidah ibujari : pengembangan kriteria/patokan PS___________________________________________Kriteria nilai pada skala 1000X (Vm = 10 L)PS P P/V N (t/mn) ND Re N/D_______________________________________________P/V 1000 1 0,22 2,15 2,15 0,22N 10.000 100 1 100 0,1ND 100 0,1 0,1 1 10 10Re 0,1 10-4 10 -2 0,1 1 10-3N/D 10.8 10.5 10 100 1000 1

Beberapa kasus peningkatan skala

ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI

Bioindustri industri yang menerapkan bioproses (kompleks) : industri berisiko tinggi Meskipun demikian: bioindustri industri paling tinggi nilai tambah tinggi keuntungan (profitability)Sangat bergantung R&D jarak labo dg komersial sangat dekatProfitability = f (t, biaya R&D) biaya pengembangan vs waktu (lab,pilotplant, demo,produksi) teknologi baru80% perdagangan bioproduk : farmasi dan medis

ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI

Tahapan pengembangan pabrik BioindustriPembangkitan gagasan (inception)Evaluasi awal pasar dan ekonomiPerancangan awal ( predesign)Pengembangan data yang diperlukan untuk rancangan akhirAnalisis ekonomi purnaRancangan teknik rinci (detailed eng design)PembelianKonstruksiStart-up dan ujicobaProduksi

ANALISIS TEKNOEKONOMI BIOINDUSTRI

4 HIRARKI pengembangan proses u/ Bioindustri

• Batch (curah) vs Continuous (sinambung)• Struktur masukan - keluaran• Reaksi, termasuk pendaurulangan (recycling)• Pemisahan dan pemaduan energi

TAHAPAN PROYEK• Pemasaran/penjualan (y1 – y4(1/2))• R&D (y1)• Engineering (y1 – y2 (1/2))• Produksi (y1(1/2) – y4,......yn )

FAKTOR UTAMA PROFITABILITYSukses suatu bioproduk bergantung pada mutu, teknologi produksi, keamanan toksikologis, dan kelayakan produksi

Harga bioproduk ditentukan banyak faktor bergantung pada sektor, lokasi, aturan, struktur perusahaan dll

Biaya produksi : biaya tetap (fixed costs) & biaya berubah (variable costs)

Biaya tetap : fasilitas produksi, bangunan, utilitas, instalasi, start-up, biaya administrasi. Maintenace costs : keamanan,asuransi, pengawasan mutu, R&DBiaya berubah : bahan dasar/ substrat ,bahan bakar,energi, tenagakerja produksiKOMPONEN : proses (BB = 51%, BT =21%), pemanenan (BB=12%, BT = 5%) overhead 8%

FAKTOR UTAMA PROFITABILITY

BIAYA SUBSTRATPENGELOLAAN ENERGI & UTILITAS

LAIN (AIR, STEAM, DLL)PENGEMBANGAN PROSES PENGEMBANGAN BIOREAKTORPEMANENANPURIFIKASI PRODUK

EKONOMI BIOINDUSTRI

Analisis beaya didasarkan :MODAL (perlengkapan bioproses dan pemanenan produk)

BIAYA PRODUKSI (upah,supplies,pemeliharaan,pajak,depresiasi, dll)

BIAYA BAHAN DAN UTILITAS (substrat,bahan tambahan,pengemasan,listrik,gas,steam, air)

EKONOMI BIOINDUSTRI

Perkiraan Biaya Produksi :depresiasi = 6,7 – 10% modalpajak dan asuransi = 2 – 6 % modal (tergantung lokasi0Upah,kecuali supervisi pemeliharaan = 70 – 100 % upah

pekerja langsungpekerja taklangsung = 30 – 50 % upah pekerja langsungassociated payroll costs = 20 – 40 % payrollsupplies = 20 – 30 % upah pekerja langsungoverhead = 50 – 70 % upah pekerja langsungpemeliharaan = 4 – 8 % modalbeaya umum : penjualan/administrasi/R&D : 10 -15% harga

jual bersih, provisi pajak = 50% laba, start-up = 5-10% modal, modal kerja = 20 -30% harga jual bersih

EKONOMI BIOINDUSTRI

Analisis kelayakan finansial = profitability:nilai sekarang (NPV, net present value) positif

Internal Rate of Return (IRR) IRR> bunga pinjaman

Nisbah untung/biaya (B/C Ratio) >1

Waktu pengembalian modal (PBP, payback period) <umur investasi

Pengembalian modal (ROI, return on investment) ROI> bunga pinjaman

RINCI PERLU DILAKUKAN ANALISIS KEPEKAAN (SENSITIVITAS)

EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN

Modal (capital costs)- komponen(%)peralatan 18bangunan baja 4instalasi 1

pengukuran dan pengendalian 2pemipaan 9instalasi listrik 12bangunan 9piranti bahan kerja 16tanah 2

laboratorium 3spare parts 0,5operasi teknik 7instalasi 5stock, modal kerja,pemeliharaan,wahana dll 9

EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN

Biaya produksi (operating costs)- komponen(%)FAKTOR BIAYA FERMENTASI PEMANENAN

bahan dasar 46 3staf 5 6pemeliharaan 12 3laboratorium 0,3bahan kerja/utilitassteam 2 3listrik 13 2air 0,3penanganan limbah 2lain-lain 2

EKONOMI BIOINDUSTRI :PENISILIN

Biaya bahan dasar/substrat - komponen(%)SUBSTRAT

glukosa 47sodium phenylacetate 40corn step liquor 4ammonium sulfat 2potassium fosfat 2lain-lain 5

Ekonomi biofuel (alcohol)

• BIAYA PRODUKSI (komponen, %)• FAKTOR BIAYA BASIS

cassava tebuInvestasiSubstrat utama 60 57Enzim,bahan kimia 16 4Staf 3 4Pemeliharaan,asuransimanajemen 5 7Pajak 4 7Depresiasi 8 14Net proceeds 8 14Harga jual,fob 100 100