TUGAS KULTUR SEL:

JENIS-JENIS BIOREAKTOR

(Oleh: Meriell Jade Eugenia Tendean / 1306447770)

Bioreaktor merupakan wadah mekanis tempat terjadinya konversi

biologis. Secara spesifik, bioreaktor merupakan wadah mekanik di mana di

dalamnya terjadi kultivasi organisme yang terkontrol dan/atau reaksi konversi

material tertentu melalui metabolic pathway yang dapat diatur. Bioreaktor dapat

dibedakan menjadi berbagai jenis menurut kategorinya, akan tetapi jika

dibandingkan menurut mode operasi, bioreaktor diklasifikasikan menjadi tiga

jenis: Bulk atau batch, continuous, dan semicontinuous atau semibatch. Berikut

pemaparan mengenai ketiganya.

Bulk/Batch

Dalam suatu sistem bulk atau lebih sering disebut batch, komponen-

komponen medium ditambahkan di awal proses dan bukan saat proses fermentasi

berlangsung. Produk kemudian dipanen (harvesting) pada akhir proses fermentasi.

Pada bioreaktor batch, konsentrasi sel, komponen-komponen dalam media kultur,

serta produk berubah-ubah sesuai laju penyerapan nutrisi oleh sel-sel di dalam

bioreaktor.

Sebuah bioreaktor batch umumnya berupa sebuah tanki dengan agitator

dan sistem pendinginan (cooling system). Agitator sangat dibutuhkan agar terjadi

pencampuran homogeny sehingga nutrisi terbagi rata untuk sel serta suhu dalam

bioreaktor terjaga. Sistem pendinginan terdiri atas sebuah thermal jacket atau

cooling jacket. Seringkali pada jacket terdapat agitation nozzle sehingga terjadi

turbulen yang lebih besar dan perpindahan kalor yang lebih baik. Sistem

pendinginan ini dibutuhkan untuk menjaga suhu di dalam bioreaktor. Selain itu,

terdapat juga sistem aerasi untuk reaksi-reaksi aerobik. Sebuah outlet pump juga

terdapat pada bioreaktor untuk mengalirkan produk-produk sampingan

metabolisme seperti CO2 atau senyawa-senyawa lain.

Pada sistem batch, terdapat beberapa parameter yang harus dijaga konstan,

yaitu konsentrasi oksigen, suhu, dan pH. Untuk memantau parameter-parameter

reaksi ini, terdapat sensor-sensor. Sensor pada bioreaktor ini yang akan terhubung

dengan transmitter dan akhirnya aktuator untuk mengatur parameter-parameter

tersebut. Di bawah ini adalah gambar sederhana sebuah bioreaktor sistem batch.

Gambar 1. Bioreaktor Batch

(Sumber: http://shariarbd.com/wp-content/uploads/2011/02/Bioreactor.jpg)

Perhitungan laju reaksi dengan bioreaktor batch menggunakan persamaan-

persamaan sebagai berikut:

Terdapat beberapa keuntungan menggunakan bioreaktor batch, yaitu:

• Resiko kontaminasi kecil

• Dapat digunakan untuk variasi produk atau sistem biologis

• Tingkat konversi bahan mentah lebih tinggi karena periode pertumbuhan

yang terkontrol

Akan tetapi, penggunaan sistem ini juga memiliki beberapa kerugian,

seperti:

• Produktivitas sistem rendah karena memakan banyak waktu sterilisasi,

memasukkan medium, dsb.

• Diperlukan beberapa kali subkultur sehingga penanganan media kurang

baik

• Lebih tinggi resiko higienis skala industri

Bioreaktor batch biasanya digunakan untuk:

• Produk yang harus diproduksi dengan resiko kontaminasi atau mutasi

organisme minimum

• Operasi-operasi yang hanya menghasilkan sejumlah kecil produk

• Proses-proses menggunakan satu reaktor untuk menghasilkan berbagai

produk

Continuous

Pada sistem bioreaktor kontinyu media kultur (dapat berupa steril atau

mengandung mikroorganisme atau sel) dimasukkan ke dalam bioreaktor secara

kontinyu untuk menjaga kondisi steady. Selain itu, harvesting produk dan

pembuangan produk sampingan metabolisme juga terjadi secara kontinyu.

Volume kultur dijaga tetap dan konsentrasi nutrisi tetap pada nilai-nilai konstan

tertentu. Diagram sederhana sistem kontinyu dapat dilihat pada gambar di bawah.

Gambar 2. Sistem Bioreaktor Continuous

(Sumber:

http://teaching.ust.hk/~ceng565/files/lectures/Bioreactor%20Design%20Fundame

ntals.pdf)

Bioreaktor kontinyu memiliki komponen-komponen yang mirip dengan

bioreaktor batch, perbedaannya terletak pada recycle loop yang dimiliki

bioreaktor kontinyu. Feed yang sudah mengandung produk dialirkan keluar,

kemudian dipisahkan dari produk dalam separator. Feed yang terpisahkan ini

kemudian dimasukkan kembali bersama feed yang baru ke dalam bioreaktor. Pada

sistem kontinyu, semua variabel reaksi dan parameter kendali dijaga konstan,

sehingga terdapat kondisi konstanta waktu dalam bioreaktor. Di bawah ini adalah

gambar bioreaktor kontinyu yang lebih mendetail.

Gambar 3. Komponen-komponen Bioreaktor Kontinyu

(Sumber: http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/reactbio.pdf)

Persamaan umum yang digunakan dalam sistem bioreaktor kontinyu

adalah:

Keuntungan-keuntungan menggunakan bioreaktor kontinyu yaitu:

• Laju pembelahan sel yang lebih tinggi

• Pertumbuhan kultur suspensi sel dapat dimonitor berdasarkan satuan

volume sel yang berkorelasi dengan pertumbuhan berat segar sel. Densitas

sel dapat diperkirakan dan dipantau menggunakan alat haemocytometer.

• Automasi proses relatif mudah

• Waktu yang digunakan lebih efisien

• Kualitas produk konsisten karena parameter operasi yang bernilai konstan

• Resiko toksisitas skala industri rendah

Di sisi lain, kerugian menggunakan sistem ini yaitu:

• Variasi produk atau sistem biologis tidak banyak

• Komposisi dan kondisi media harus selalu seragam untuk menjaga kualitas

dan kontinuitas

• Investasi besar dalam menjaga kondisi steril

• Resiko kontaminasi dan mutasi lebih tinggi

Bioreaktor continuous dapat digunakan untuk:

• Proses-proses dengan volume produksi tinggi

• Proses-proses menggunakan gas, cairan, atau solid yang dapat terlarut

• Proses yang melibatkan mikroorganisme yang memiliki ketahanan

terhadap mutasi yang tinggi

Secara umum, bioreaktor continuous biasanya digunakan untuk produk-

produk seperti cuka, ragi, dan pengolahan air limbah.

Semicontinuous (Semibatch)

Sistem semicontinuous merupakan gabungan sistem batch dan kontinyu.

Pada mode operasi ini, reaksi diinisiasi dengan memasukkan media kultur pada

mode batch hingga semua substrat pembatas dikonsumsi. Selanjutnya, media

kultur diumpankan bisa secara batch atau secara kontinyu dengan memanipulasi

laju alir umpan. Proses pemanenan mengikuti sistem batch yaitu hanya dilakukan

di akhir waktu operasi. Pemanenan dapat dilakukan untuk seluruh atau hanya

sebagia media kultur. Pemanenan sebagian maksudnya supaya media kultur sisa

dapat digunakan kembali untuk running fermentasi selanjutnya.

Proses ini dapat diulang beberapa kali. Dalam bioreaktor sistem semi-

continuous, terdapat satu atau lebih aliran masukan, tetapi tidak ada aliran keluar.

Karena laju alir umpan dimanipulasi tetapi pemanenan hanya dilakukan di akhir,

volume kultur meningkat hingga penuh. Konsentrasi nutrisi seperti oksigen,

glukosa, dan lain-lain dapat diatur agar tetap optimum dengan manipulasi laju alir

umpan tersebut. Berikut adalah diagram sederhana bioreaktor sistem

semicontinuous.

Gambar 4. Bioreaktor Semicontinuous

(Sumber: http://userpages.umbc.edu/~gferre1/fermentor.gif)

Kemudian, di bawah ini adalah grafik perubahan variabel-variabel reaksi dalam

sistem semicontinuous.

Gambar 5. Grafik Dinamika Reaksi dalam Bioreaktor Semicontinuous

(Sumber: http://userpages.umbc.edu/~gferre1/nongrowthassociated.gif)

Beberapa keuntungan menggunakan sistem biroeaktor ini adalah:

• Yield yang lebih tinggi

• Kondisi mikroorganisme dapat dioptimasi dengan lebih mudah

Kerugian menggunakan sistem ini adalah:

• Tingkat produktivitas rendah karena prosedur yang memakan waktu

(seperti pada batch)

• Kontrol dinamik proses lebih memakan cost

Awalnya, sistem semicontinuous digunakan untuk produksi ragi (yeast)

dari glukosa dalam jumlah kecil. Selanjutnya sistem ini berkembang dan

digunakan untuk fermentasi penicillin. Hingga saat ini, sistem semicontinuous

digunakan untuk hampir seluruh reaksi-reaksi biologis. Aplikasi sistem ini dapat

dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Aplikasi Bioreaktor Semi-continuous

Referensi

1. Introduction to Fed-batch Cultures

http://assets.cambridge.org/97805215/13364/excerpt/9780521513364_exc

erpt.pdf (Diakses pada 10 November 2015)

2. Keys to Bioreactor Selections

http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/reactbio.pdf (Diakses pada 10

November 2015)