rancangan bioreaktor dan kontrol proses fermentasi

39
BIOREAKTOR

Upload: ahmad-ulin-nuha

Post on 28-Sep-2015

190 views

Category:

Documents


14 download

DESCRIPTION

Rekayasa Biokimia

TRANSCRIPT

  • BIOREAKTOR

  • Apa itu Bioreaktor?Adalah suatu wadah atau tangki dimana sel atau enzim (tanpa sel) melakukan transformasi terhadap bahan baku menjadi produk biokimia atau produk yang dikehendaki.

    Disebut juga sebagai Fermentor

  • Bioreaktor Fungsi DasarFungsi pokok bioreaktor adalah dapat menyediakan lingkungan yang sesuai (nyaman) dimana organisme dapat secara efisien menghasilkan target produk yang dikehendaki, misalnya :- Biomassa sel, - Metabolit (primer atau sekunder), - Atau produk biokonversi.

  • Syarat Bioreaktor :Kemampuan apa yag harus dipenuhi bioreaktor ?Konsentrasi biomassa harus tetap tinggiMampu mempertahankan kondisi sterilKonsumsi tenaga/energi efisienAgitasi efektifMampu memindahkan panasMudah dibersihkanAda fasilitas samplingInternal smooth surfaceAda fasilitas pengendalian pH dan suhuSyarat bahan: Bersifat tidak beracun (baja tahan karat), mampu menahan tekanan uap, & tahan thd korosi kimia& elektrolit

  • Aturan dasar bioreaktor1. Tidak boleh ada hubungan antara bagian sistem yang steril dengan non steril2. Kurangi hubungan berbentuk gelangan oleh gerakan atau fibrasi alat dan kenaikan suhu3. Pergunakan las untuk seluruh konstruksi4. Hindari ruang-ruang benbentuk leher5. Senua bagian sistem harus steril (uap)6.Gunakan katup-katup yang mudah dibersihkan/disterilkan7. Tekanan dalam fermentor harus tetap pos

  • Mencapai &Menjaga Kondisi AseptisSterilisasi fermentorSterilisasi udaraSterilisasi exhaust gas dari fermentorPengisian inokulum, media dan suplemen lainSampling portFoam control

  • Ada 3 kelompok bioreaktor yg digunakan dalam produksi industri :- non-stirred, non-aerated (Beer and wine)- non-stirred, aerated (Biomass, eg Protein)- stirred, aerated (Antibiotics)

  • Bioreaktor Non-stirred, non-aerated :Traditional fermented productUmumnya batch, aerobik

  • Bioreaktor Stirred aerated Sebagian besar produk fermentasi memerlukan pertumbuhan mikrobia pada aerated, agitated fermentor

    Dua faktor utama yang mempengaruhi disain reaktor: oxygen transfer dan shear effects

  • Bioreaktor Non-stirred, aerated

    AIR-LIFT FERMENTER

  • CSTR : paling sering digunakan

  • Transfer Oksigen Pertumbuhan mikrobia aerobik perlu oksigen terlarut dalam mediumOksigen hanya sedikit larut dalam air/larutan sehingga harus selalui disuplaiTransfer oksigen dari gas ke mikrobia melalui beberapa tahapan:Transfer oksigen dari gas ke gas-liquid interfaceTransfer sepanjang cairanTransfer dari cairan ke mikrobia.

  • Stirred-Tank Bioreactor Conventional mixing bioreactor: low capital cost, low operating costs:Lab exp: up to 20 l (glass), lebih besar (stainless steel).Rasio L:d = 2:1 sampai 6:1Foaming sering menjadi problem pada sistem aerasi skala besarAntifoam tidak selalu dapat ditambahkan karena kadang dapat menghambat pertumbuhan mikrobia.

  • STR - Control systems Ada sistem agitator Ada sistem penghantaran oksigen Ada sistem kontrol buih Ada sistem kontrol temperatur Ada sistem kontrol pH Ada bagian untuk Sampling Ada sistem utk pembersighan dan sterilisasi. Ada bagian (pipa) utk pengosongan reaktor.

  • Agitator Tujuan agitasi pada bioreaktor:Mendispersi udara pada media/larutan nutrienMendapatkan suhu dan konsentrasi nutrien yang seragam dalam fermentorMensuspensi mikroba dan nutrien padatMendispersikan cairan yang tidak larut yang ada

  • Fungsi Impeller (agitator) Untuk mengecilkan ukuran gelembung udara untuk memberikan interfacial area yang lebih besar untuk transfer oksigen dan penurunkan jalur difusiUntuk mempertahankan keseragaman lingkungan dalam fermentorMacam impeller: disc turbine, vaned disc, open turbine, marine propeller

  • Pengertian :Suatu proses perallihan dari suatu kegiatan produksi skala laboratorium ke skala industri Tahapan Pelaksanaan :1. Skala Laboratorium2. Skala Pilot Plan3. Skala IndustriPENGENDALIAN SKALA

  • Pengembangan Proses Laboratorium Ekxperimen Fermentor Skala LabBatch processFed-batch processContinuous processSemi-continuous process

  • Ada 2 Tipe Sistem Fermentasi : Sistem Tertutup : Tidak ada penambahan nutrien lagi setelah inokulasi (kecuali oksigen utk yg aerob) Pertumbuhan berhenti setelah bbrp saatshake flaskagar plateSistem Terbuka : Nutrient secara kontinyu dimasukkan setelah inokulasi, pertumbuhan akan berlangsung terus sepanjang medium segar (fresh medium) ditambahkan. mikroorganisme dan nutrien secara koninyu masuk dan keluar dari fermenter(di lab)

  • Tipe Sistem FermentasiBatch culture: microorganisms are inoculated into a fixed volume of medium and as growth takes place nutrients are consumed and products of growth (biomass, metabolites) accumulate.

    2) Fed batch: fed batch-gradual addition of concentrated nutrients so that the culture volume and product amount are increased (e.g. industrial production of bakers yeast); Perfusion-addition of medium to the culture and withdrawal of an equal volume of used cell-free medium (e.g. animal cell cultivations).

    3) Continuous: fresh medium is added to the bioreactor at the exponential phase of growth with a corresponding withdrawal of medium and cells. Cells will grow at a constant rate under a constant condition.

  • Biotechnological processes of growing microorganisms in a bioreactor

  • Batch CultureMerupakan suatu sistem tertutupMerupakan operasi reaktor yg sederhana.bioreaktor diisi dg medium fermentasi dan inokulum selanjutnya dibiarkan utk melakukan proses hingga saat pemanenan. Ketika fermentasi sudah berakhir, hasil fermentasi dipanen dan dilakukan downstream processing. Bioreaktor dibersihkan, disterilkan, diisi,dan diinokulasi kembali, selanjutnya proses fermentasi berjalan lagi.

  • Batch Culturekomponen media steril dimasukkan pd awal fermentasi dg tidak ada penambahan makanan lagi setelah inokulasi.laju pertumbuhan mikroorganisme akan berlangsung terus sehingga mencapai titik nol seiring dengan semakin menurunnya nutrien atau terakumulasinya produk toksik.

  • Tahap pertumbuhan dlm sistem batch:Lag phaseExponential phaseStationary phaseDeath phase

  • Keuntungan Sistem BatchSistem sederhana sekali sterilisasi dan tidak memungkinkan utk kontaminasi biaya peralatan lebih rendahProduksi seragam - consistency

  • Kerugian Sistem BatchTerdapat lag timeTerbentuk ToxinUtk produk-produk potensial, produksinya terbatas

  • Fed Batch

    Merupakan modifikasi sistem batch culture proses fermentasi berkelanjutan dirancang sedemikian rupa shg pemasukan nutrisi dikontrol dan berlangsung secara konstan.Tahap awal proses sama dg kultur batch, namun ketika kultur sudah mencapai tahap eksponensial, maka dpt diperpanjang terus sampai tak terbatas dg secara kontinyu menambahkan medium segar ke dalam sistem.

  • KEUNTUNGAN FED-BATCH CULTUREKapasitas aerasi kultur dalam fermentor dpt dipertahankan. Dapat dihindari efek penghambatan dari komponen medium spt : cepatnya konsumsi karbon, nitrogen, atau fosfat;Dapat dihindari efek toksik dari komponen medium;

  • FED-BATCH CULTUREProduksi ragi rotiProduksi penisilin

  • Continuous FermentationBioreaktor secara terus menerus di stirer dan volume konstan selalu dipertahankan dengan cara medium baru secara konstan selalu ditambahkan dan hasil fermentasi juga secara konstan dipanen sebanding dg volume yg ditambahkan.

    Keadaan steady-state akan selalu tercapai, dimana laju pertumbuhan mikrobia akan sama dengan jumlah mikrobia yang digantikan dari fermentor. Proporsional dengan laju pelarutan oleh medium.

  • Keuntungan continuous culture Keadaan steady state mudah dikontrolLaju konsumsi nutrien dan laju pemanenan dapat dipertahankan pada kondisi optimal. Selektivitas tinggi dan mendukung perkembangbiakan mikroorganisme dengan adaptasi terbaik dalam kultur.

  • Kelemahan sistem continuousPengoperasiannya mahalLebih sulit utk mempertahankan sterilitasnyaLittle value, apabila produknya tdk disekresikan atau dihasilkan setelah periode waktu tertentu yang ditentukan

  • Batch vs kontinuBatch:Penurunan konsentrasi nutrientPenurunan substrat cepat mencapai fase stationary dan kematianPembentukan toxin menurunkan kecepatan reaksiSiklus proses: persiapan, proses, pengeluaran produk, pembersihan reaktor labour intensiveKontinu:Steady state

  • Modifikasi reaktor batch dan kontinu1. Continuous dengan recycle- untuk meningkatkan konsentrasi sel dan produktifitas

  • 2. Fed-batch - digunakan untuk substrate inhibition dengan menjaga konsentrasi substrate di medium rendah.

  • Contoh: entrapment dalam calcium alginate10 of 25 3. Bioreaktor dengan immobilized cell

  • Continuous cultivation with cell immobilisationAdvantages: High cell concentration Rapid fermentation Ease of downstream processing No washout of the cells

    Disadvantages: More cost Mass transfer limitation11 of 25

  • TugasJelaskan bagian-bagian dari fermentor serta fungsi masing-masingJelaskan tentang Mechanical Stirred Fermenter dan Air-Lift Fermenter (prinsip kerja, kelebihan dan kelemahan)

    *****