7.2 . PERGERAKAN FLUIDA

Ilmu bioproses mempelajari tentang pergerakan fluida dalam tangki dan pipa.

Karakteristik umum dari aliran fluida dijelaskan pada sub-bab dibawah ini.

7.2.1. Aliran Arus

Ketika fluida mengalir melalui pipa atau melalui benda padat, kecepatan fluida

bervariasi tergantung pada posisi. Salah satu metode yang menunjukkan adanya variasi dalam

kecepatan adalah aliran arus, yang mana mengikuti jalur aliran. Kecepatan konstan

ditunjukkan oleh spasi berjarak sama dari aliran arus paralel seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 7.2 (a). Profil kecepatan tersebut untuk fluida yang bergerak lambat dan terendam

dalam sebuah objek yang ditunjukkan pada Gambar 7.2 (b); pengurangan spasi diantara

aliran arus yang menunjukkan bahwa kecepatan di atas dan bawah obyek lebih besar daripada

di bagian depan dan belakang.

Aliran arus hanya menampilkan efek bersih dari pergerakan fluida; meskipun aliran

arus menunjukkan aliran fluida yang mulus secara terus menerus, molekul fluida sebenarnya

bisa bergerak dengan cara yang tidak menentu. Semakin lambat suatu aliran fluida (jika

dilihat pada aliran arusnya) biasanya mengambarkan gerakan aktualnya. Aliran fluida lambat

disebut aliran arus atau aliran laminar. Dalam pergerakan cepat, partikel fluida bergerak

terus-menerus membentuk aliran arus secara kontinu. Gerakan ini disebut aliran turbulen dan

ditandai oleh pembentukan pusaran.

7.2.2 Bilangan Reynold

Transisi dari laminar menjadi aliran turbulen tidak hanya bergantung pada kecepatan

fluida, tetapi juga pada viskositas, densitas, dan geometri dari saluran aliran. Sebuah

parameter yang digunakan untuk mencirikan aliran fluida adalah bilangan Reynolds. Untuk

aliran penuh dalam pipa dengan penampang melingkar, bilangan Reynolds Re didefinisikan

sebagai:

(7.1)

di mana D adalah diameter pipa, u adalah kecepatan linier rata-rata fluida, ρ adalah

densitas fluida, dan µ adalah viskositas fluida. Untuk tangki berpengaduk, ada bentuk lain

dari bilangan Reynolds:

(7.2)

Dimana Rei adalah bilangan Reynolds impeller, Ni adalah kecepatan pengaduk, Di

adalah diameter impeller, ρ adalah densitas fluida dan µ adalah viskositas fluida.

Gambar 7.2 aliran arus untuk (a) kecepatan fluida konstan, (b) aliran steady dalam sebuah

benda.

Bilangan Reynolds adalah variabel tak berdimensi; satuan dan dimensi dari parameter

dalam Persamaan (7.1) dan (7.2) dihilangkan sepenuhnya.

Bilangan Reynolds dinamai dari Osborne Reynolds yang menerbitkan suatu seri

klasik yaitu tulisan mengenai sifat aliran dalam pipa pada tahun 1883. Salah satu hasil yang

paling signifikan dari eksperimen Reynolds adalah bahwa disana ada bilangan Reynolds

kritis yang menandai batas untuk aliran laminar dalam pipa. Dalam pipa halus, aliran laminar

memiliki bilangan Reynolds kurang dari 2100. Di bawah kondisi normal, aliran turbulen pada

Re diatas 4000. Antara 2100 dan 4000 adalah daerah transisi di mana aliran dapat berupa

laminar atau turbulen tergantung pada kondisi saat masuk ke pipa dan variabel lainnya.

Aliran dalam tangki berpengaduk mungkin juga laminar atau turbulen sebagai fungsi dari

bilangan Reynolds impeller.

Nilai dari Rei yang menandai transisi antara aliran tersebut tergantung pada geometri

dari impeller dan tangki, untuk beberapa sistem pengadukan yang biasa digunakan, aliran

laminar ditemukan di Rei 10.

7.2.3. Lapisan Batas Hidrodinamik

Dalam aplikasi paling praktis, fluida akan mengalir jika ada permukaan padatan yang

tetap, seperti dinding pipa atau tangki. Bagian fluida di mana aliran dipengaruhi oleh zat

padat disebut lapisan batas. Sebagai contoh, anggap aliran fluida paralel dengan plat datar

yang ditunjukkan pada Gambar 7.3. Kontak antara fluida yang bergerak dan plat

menyebabkan pembentukan awal lapisan batas di tepi dan berkembang di kedua bagian atas

dan bawah plat. Gambar 7.3 hanya menunjukkan aliran atas; pergerakan fluida di bawah plat

akan menjadi bayangan cermin yang di atasnya.

Seperti yang ditunjukkan oleh anak panah pada Gambar 7.3 (a), kecepatan bagian

terbesar fluida di depan plat seragam dan besarnya uB. Besarnya lapisan batas ditunjukkan

oleh garis putus-putus.

Gambar 7.3 lapisan batas fluida untuk aliran plat datar. (a) bentuk lapisan batas di

tepi. (b) Dibandingkan dengan kecepatan uB dalam bagian terbesar fluida, kecepatan di

lapisan batas adalah nol pada permukaan plat tetapi bertambah dengan jarak dari plat untuk

mencapai uB di dekat batas terluar dari lapisan batas.

Di atas lapisan batas, gerakan fluida adalah sama jika plat tidak ada. Lapisan batas

tumbuh menebal dari tepi mengembang hingga mencapai ukuran maksimal. Ketebalan akhir

dari lapisan batas tergantung pada bilangan Reynolds untuk bagian terbesar aliran.

Ketika fluida mengalir melalui objek yang tidak bergerak, sebuah selaput tipis fluida

akan menyentuh dan melekat pada permukaan untuk mencegah terjadinya selip. Kecepatan

fluida pada permukaan plat pada Gambar 7.3 adalah nol. Ketika aliran fluida diam, aliran dari

setiap lapisan fluida akan melambat karena adanya gaya viskositas. Fenomena ini

diilustrasikan pada Gambar 7.3 (b). Kecepatan fluida pada lapisan batas, u, ditunjukkan oleh

panah, nilai u adalah nol pada permukaan plat. Gaya viskositas ditransmisikan ke fluida dari

lapisan stasioner pada permukaan. Lapisan fluida di atas permukaan plat bergerak lambat

dengan kecepatan tertentu; selanjutnya lapisan bergerak dengan kecepatan yang lebih besar

akibat gaya tarik terkait dengan pengurangan lapisan stasioner. Pada tepi lapisan batas, fluida

tidak dipengaruhi oleh kehadiran plat dan kecepatan sangat dekat kaitannya dengan bagian

besar aliran, uB. Besarnya u di beberapa titik pada lapisan batas ditunjukkan oleh Gambar 7.3

(b) dengan panah ke arah aliran. Panjang garis panah kecepatan menunjukkan profil

kecepatan dalam fluida. Sebuah gradien kecepatan, adalah suatu perubahan kecepatan

bergantung pada jarak plat, dengan kata lain gradien kecepatan arahnya tegak lurus terhadap

arah aliran. Adanya gradien kecepatan disebabkan karena gaya tarik yang dihasilkan dari

perlambatan fluida pada permukaan yang ditransmisikan melalui fluida.

Pembentukan lapisan batas penting tidak hanya untuk menentukan karakteristik aliran

fluida, tetapi juga untuk transfer panas dan massa antar fase. Topik-topik yang dibahas lebih

lanjut dalam Bab 8 dan 9.

7.2.4. Pemisahan Lapisan Batas

Apa yang terjadi jika hubungan antara fluida dan padatan yang tenggelam dalam jalur

aliran tersebut terputus ? Sebagai contoh,dengan menganggap sebuah plat datar tegak lurus

terhadap arah aliran fluida, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.4. fluida melekat pada

permukaan plat, dan membentuk lapisan batas, yang kemudian mengalir baik ke atas atau

bawah objek. Ketika fluida mencapai bagian atas atau bawah plat, momentumnya mencegah

terbentuknya pusaran tajam di sekitar tepi. Akibatnya, fluida terpisahkan dari plat dan

berlangsung keluar ke dalam bagian terbesar cairan. Bagian belakang plat adalah zona yang

fluidanya melambat dimana pusaran besar atau vortisitas terbentuk. Zona ini disebut wake.

Pusaran pada wake dipengaruhi oleh gerak rotasi oleh gaya pada perbatasan arus.

Gambar 7.4 Arus sekitar plat datar sejajar tegak lurus terhadap arah aliran. (Dari W.L.

McCabe dan J.C. Smith, 1.976 Operasi Unit dari Teknik Kimia, edisi ke-3, McGraw-Hill,

Tokyo.)

Pemisahan lapisan batas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.4 dapat terbentuk

karena adanya perubahan mendadak pada arah kecepatan fluida yang terlalu besar untuk

memenuhi permukaan padat. Ini terjadi jika adanya kontraksi tiba-tiba, ekspansi atau belokan

pada saluran aliran, atau ketika sebuah benda ditempatkan melewati aliran. Energi dapat

dikaitkan dengan zona wake; energi berasal dari aliran. Pembentukan zona wake harus

diminimalkan untuk menghindari kehilangan tekanan yang besar; pada kasus lain seperti

pengadukan dan perpindahan panas, pemisahan lapisan batas mungkin diinginkan.

7.7. SIFAT RHEOLOGI DARI FERMENTASI KALDU

Data rheologi telah digunakan untuk berbagai fermentasi fluida. data ini diperoleh

dengan menggunakan berbagai macam viskometer dan teknik pengukuran, namun, perihal

pengendapan partikel dan sentrifugasi kaldu telah diabaikan dalam banyak kasus.

Kebanyakan suspensi miselium dimodelkan sebagai cairan pseudoplastik atau, tegangan

luluh, Bingham atau plastik Casson. Di sisi lain, rheologi dari pengenceran kaldu dan

pemeliharaan ragi bukan serangkaian bakteri yang membentuknya tetapi biasanya

Newtonian. Sifat rheologi dari beberapa mikroba dan sel tanaman suspensi tercantum dalam

Tabel 7.2. dalam kebanyakan kasus, sifat tersebut berlaku hanya selama kisaran tertentu

tergantung dari kondisi geser yang ditentukan oleh viskometer yang dipilih. Ketika

fermentasi menghasilkan polimer ekstraseluler seperti dalam produksi mikroba pullulan dan

xanthan, karakteristik rheologi dari kaldu sangat bergantung pada sifat dan konsentrasi bahan

tersebut.

7.10. DAYA YANG DIBUTUHKAN UNTUK PROSES PENGADUKAN

Biasanya, daya listrik digunakan untuk menggerakkan impeler pada vessel pengaduk.

Untuk kecepatan pengaduk, daya yang diperlukan tergantung pada daya tahan yang diberikan

oleh fluida untuk perputaran impeller. Rata-rata daya konsumsi per satuan volume untuk

industri bioreaktor berkisar dari 10 kW m-3 untuk vessel kecil (ca. 0,1 m3), hingga 1-2 kWm-3

untuk vessel besar (ca. 100 m3). Gesekan pada roda gigi motor dan segel mengurangi

transmisi energi ke fluida, sehingga daya listrik yang dikonsumsi oleh motor berpengaduk

selalu lebih besar dari daya pengadukan dengan jumlah yang tergantung pada efisiensi

penggerakkan. Biaya energi untuk pengoperasian pengaduk dalam bioreaktor penting untuk

pertimbangan dalam proses ekonomi. panduan umum untuk menghitung kebutuhan daya

dibahas di bawah ini.

7.10.1. Fluida Newtonian Bukan Gas

Daya pengadukan untuk fluida non-aerasi tergantung pada kecepatan pengaduk,

diameter impeller dan geometri, dan sifat dari fluida seperti densitas dan viskositas.

Hubungan antara variabel-variabel biasanya ditunjukkan dalam bentuk bilangan dimensi

seperti bilangan Reynolds impeller Rei dan jumlah daya Np. Np didefinisikan sebagai :

(7.17)

di mana P adalah Daya, ρ adalah densitas fluida, Ni adalah kecepatan pengaduk dan Di

adalah diameter impeller. Hubungan antara Rei dan Np telah ditentukan secara eksperimen

untuk berbagai konfigurasi impeller dan tangki. Lima desain impeller yaitu turbin Rushton,

paddle, marine propeller, anchor dan pita heliks, yang ditunjukkan dalam Gambar 7.24 dan

7.25 [29-31]. Setelah nilai dari Np diketahui, daya yang diperlukan dihitung dari Persamaan.

(7.17) sebagai berikuit :

(7.18)

Untuk impeller, hubungan antara jumlah daya dan bilangan Reynolds tergantung pada

aliran resim di tangki. Tiga aliran resim dapat diidentifikasi dalam gambar 7.24 dan 7.25:

i. Resim Laminar. Resim laminar memiliki Rei <10 untuk banyak impeler, untuk

pengaduk dengan jarak ruang dinding sangat kecil seperti anchor dan pita heliks

pengaduk, aliran laminar dapat bertahan sampai Rei = 100 atau lebih. Di resim

laminar:

(7.19)

di mana k1 adalah konstanta proporsionalitas. Nilai k1 untuk impeler diilustrasikan

pada Gambar 7.24 dan 7.25 yang terdaftar pada Tabel 7.3 [29]. Daya yang diperlukan

untuk aliran laminar tidak tergantung pada densitas fluida tetapi sebanding untuk

viskositas fluida.

ii. Rezim Turbulent. jumlah daya tidak tergantung pada bilangan Reynolds dalam aliran

turbulen. Oleh karena itu:

(7.20)

di mana adalah nilai konstanta dari jumlah daya di rezim turbulen. Perkiraan nilai

untuk impeler dari gambar 7.24 dan 7.25 tercantum dalam Tabel 7.3 [29]. Nilai

untuk turbin lebih tinggi daripada nilai untuk impeller, hal ini menunjukkan bahwa

turbin mengirimkan lebih banyak daya kepada fluida daripada desain yang lainnya.

Daya yang diperlukan untuk aliran turbulen tidak bergantung pada viskositas fluida

tapi bergantung pada densitas fluida. Rezim turbulen terjadi pada Rei > 103 atau 104

untuk impeler pada vessel berbaffle. Untuk impeler yang sama tapi pada vessel tanpa

baffle, kurva daya agak berbeda dari yang ditunjukkan pada Gambar 7.24. Tanpa

baffle, turbulensinya tidak sepenuhnya meningkat hingga Rei > 105, bahkan nilai

dapat berkurang menjadi antara 1/2 dan 1/10 apabila menggunakan baffle [29-31].

iii. Rezim transisi. Diantara aliran laminar dan turbulen terdapat rezim transisi. Densitas

dan viskositas mempengaruhi daya yang dibutuhkan dalam rezim ini. Biasanya

transisi terjadi secara bertahap sebagai akibat dari perubahan aliran laminar menjadi

aliran turbulen dalam tangki berpengaduk, pola aliran dan kisaran bilangan Reynolds

untuk transisi tergantung pada sistem geometri.

Persamaan (7.19) dan (7.20) menunjukkan hubungan yang kuat antara daya yang

digunakan pada berbagai ukuran diameter pengaduk dengan kecepatan pengaduk. Perubahan

kecil dalam ukuran impeller memiliki dampak yang besar terhadap daya yang dibutuhkan,

yaitu dengan meningkanya diameter impeler maka akan meningkatkan daya menjadi tiga atau

lima kali dari sebelumnya. Dalam rezim turbulensi, peningkatan 10% dari diameter impeller

akan meningkatkan daya yang diperlukan menjadi lebih dari 60%, peningkatan 10%

kecepatan pengaduk akan meningkatkan daya yang diperlukan menjadi lebih dari 30%.

Daya yang diperlukan untuk mengaduk, tergantung pada geometri impeller dan

konfigurasi tangki. Kurva dari gambar 7.24 dan 7.25 menunjukkan pada geometri tertentu

akan berubah jika jumlah atau ukuran baffle, bilangan, panjang, lebar, puncak atau sudut

pisau pada impeller, ketinggian impeler dari bagian bawah tangki, dan lain-lain juga berubah.

Untuk turbin Rushton dalam tangki berbaffle pada kondisi turbulen sepenuhnya (Rei > 104),

jumlah daya terletak antara sekitar 2 dan 10 tergantung pada parameter [25, 31]. Untuk

propeller, puncak impeller memiliki dampak yang besar pada jumlah daya di Rezim turbulen

[25].

Tabel 7.3 Konstanta dalam Persamaan (7.19) dan (7.20)

Gambar 7.25 Korelasi antara jumlah daya dan bilangan Reynolds untuk anchor dan pita

heliks impeler tanpa Sparging. (Dari M. Zlokarnik dan H. Judat, 1988, Pengadukan. Dalam:.

W. Gerhartz, Ed, Encyclopedia Ullmann dari Industri Kimia, vol. B2, hlm 25-1-25-33, VCH,

Weinheim.)

Contoh 7.2 Perhitungan dari daya yang dibutuhkan

Sebuah kaldu fermentasi dengan viskositas 10-2 Pa s dan densitas 1000 kg m-3 diaduk dalam

50 m3 tangki berbaffle menggunakan marine propeller dengan diameter 1,3 m. Geometri

tangki seperti yang ditentukan dalam Gambar 7.24. Hitung daya yang diperlukan untuk

kecepatan pengaduk 4s-1 .

solusi:

Dari Persamaan. (7.2) :

Dari Gambar 7.24, aliran pada Rei ini adalah turbulent. Dari Tabel 7.3, adalah 0.35; oleh

karena itu :

7.10.2. Fluida Non-Newtonian Bukan Gas

Estimasi kebutuhan daya untuk fluida non-Newtonian lebih sulit. Itu bisa saja

dikarenakan tingginya kekentalan fluida untuk mencapai tingkat turbulensi, sehingga nilai Np

selalu tergantung pada Rei. Sebagai tambahan, karena viskositas dari fluida non-Newtonian

bervariasi dengan kondisi geser, bilangan Reynolds impeller digunakan untuk

mengkorelasikan kebutuhan daya. Beberapa korelasi daya telah ditunjukkan dengan

menggunakan bilangan Reynolds impeller yang didasarkan pada viskositas µa :

(7.21)

sehingga, dari Persamaan. (7.8) untuk hukum daya fluida:

(7.22)

dimana n adalah indeks perilaku aliran dan K adalah indeks konsistensi. Kesulitan

yang timbul dengan penerapan Persamaan. (7.22) adalah pada penentuan dari nilai γ. Untuk

tangki berpengaduk, relasi untuk fluida pseudoplastik yang sering digunakan:

(7.11)

di mana k adalah konstanta yang besarnya tergantung pada geometri impeller.

Hubungan dari pers. (7.11) dibahas lebih lanjut dalam Bagian 7.13, untuk impeler turbin,

nilai k adalah sekitar 10. Substitusi Pers. (7.11) ke dalam Pers. (7.22) sehingga didapatkan

suatu bilangan Reynolds yang tepat untuk fluida pseudoplastik:

(7.23)

Hubungan antara jumlah daya dan bilangan Reynolds untuk turbin Rushton di tangki

berbaffle yang mengandung fluida pseudoplastik non-Newtonian ditunjukkan pada Gambar

7.26 [32, 35]. Garis yang ke atas didapat dari pengukuran fluida Newtonian yang Rei nya

didefinisikan oleh Persamaan (7.2); garis ini sama seperti kurva yang sudah ditunjukkan pada

Gambar 7.24. Garis yang ke bawah menunjukkan hubungan Np-Rei untuk fluida

pseudoplastik dengan Rei.

Gambar 7.26 Korelasi antara jumlah daya dan bilangan Reynolds untuk turbin Rushton di

fluida tak teranginkan non-Newtonian dalam tangki berbaffle. (Dari A.B. Metzner, R.H.

Feehs, H. Lopez Ramos, R.E. Otto dan J.D. Tuthill, 1961, Agitasi fluida Newtonian dan non-

Newtonian kental. AIChEJ. 7, 3-9.)

didefinisikan oleh Persamaan. (7.23). Daerah laminar lebih luas ke bilangan Reynolds

yang lebih tinggi dalam fluida pseudoplastik daripada pada sistem Newtonian. Pada Rei

dibawah 10 dan diatas 200, nilai untuk fluida Newtonian dan non-Newtonian adalah sama,

pada kisaran menengah, fluida pseudoplastik menggunakan lebih sedikit daya dari pada

fluida Newtonian.

Ada beberapa kesulitan dengan penerapan Gambar 7.26 untuk desain bioreaktor.

Seperti dibahas lebih lanjut pada bagian 7.13, pola aliran pada fluida pseudoplastik dan

Newtonian berbeda secara signifikan. Bahkan ketika ada turbulensi tinggi dekat impeller

dalam sistem pseudoplastik, sebagian besar cairan mungkin akan bergerak sangat lambat dan

memakai sedikit daya. Masalah lain seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7.10, bahwa

parameter non-Newtonian K, n, dan µa, dapat mengubah substansi selama fermentasi.

7.10.3. Fluida Gas

Cairan pada gas sparged dapat mengurangi kebutuhan akan daya. Gelembung gas

dapat mengurangi densitas dari fluida, namun, pengaruh densitas pada kebutuhan daya seperti

yang diungkapkan pada Persamaan. (7.20) tidak cukup menjelaskan semua karakteristik daya

pada sistem gas-cair. Keberadaan gelembung juga mempengaruhi perilaku hidrodinamik

fluida di sekitar impeller. Besar gas pengisi rongga bertambah pada bagian belakang

pengaduk dalam cairan soda, rongga ini mengurangi resistensi terhadap aliran fluida dan

mengurangi koefisien tarikan dari impeller. Ciri khas gas rongga ditunjukkan pada Gambar

7.27, foto ini diambil pada dasar tangki berbaffle yang menunjukkan sembilan-blade

discturbine dengan sparger yang diposisikan tepat di bawah impeller [33].

Semua perubahan perilaku hidrodinamika untuk gas tidak sepenuhnya dipahami.

Pemakaian daya sangat dikendalikan oleh pembentukan rongga gas, karena proses ini tidak

terus-menerus dan munculnya agak acak, penurunan penggunaan daya biasanya tidak

seragam. Sifat acak dispersi gas dalam tangki pengaduk mengakibatkan sulitnya

mendapatkan prediksi yang akurat dari daya yang dibutuhkan. Namun, pernyataan untuk

rasio dari daya gas ke bukan gas sebagai fungsi kondisi operasi telah diperoleh [34]:

(7.24)

dimana Pg adalah daya pemakaian dengan Sparging, P0 adalah daya pemakaian tanpa

Sparging, Fg adalah laju alir volumetrik gas, Ni adalah kecepatan pengaduk, V adalah volume

cairan, Di adalah diameter impeller, g adalah percepatan gravitasi, dan W i adalah lebar pisau

impeller. Deviasi rata-rata nilai eksperimental dari Persamaan. (7.24) adalah sekitar 12%.

Dengan Sparging, penggunaan daya bisa dikurangi menjadi setengahnya dari nilai bukan gas,

tergantung pada laju alir gas [33].

Gambar 7.27 pembentukan rongga Gas pada bagian belakang pisau dari 7,6 cm sembilan

pisau datar-disc turbine dalam air sparged dengan udara. Kecepatan pengaduk adalah 720

rpm. (Dari W. Bruijn, K. van't Riet dan J.M. Smith, 1974, konsumsi daya dengan aerasi

Rushton turbin. Trans. Iche 52, 88-104.)

7.13. EFEK DARI SIFAT RHEOLOGI PADA PENGADUKAN

Untuk pengadukan yang efektif harus ada kondisi turbulen dalam vessel pengadukan.

Intensitas turbulensi diwakili oleh bilangan Reynolds impeller Re i. Seperti yang ditunjukkan

dalam Gambar 7.23 untuk tangki berbaffle dengan impeller turbin, saat Re i turun di bawah

sekitar 5 x 103 turbulensi yang teredam maka waktu pencampuran akan meningkat secara

signifikan. Nilai Rei seperti yang didefinisikan dalam Persamaan (7.2) akan menurun untuk

meningkatkan viskositas. Oleh karena itu, kondisi yang tidak turbulen dan pengadukan yang

lebih sedikit mungkin akan terjadi selama agitasi dari fluida yang sangat kental.

Meningkatkan kecepatan impeller adalah solusi yang tepat, tetapi, seperti yang dibahas dalam

bagian 7.11, ini memerlukan pertimbangan dalam hal peningkatan penggunaan daya dan

mungkin ini tidak dapat dikerjakan dengan mudah.

Kebanyakan fluida non-Newtonian dalam Bioproses adalah pseudoplastik. Karena

viskositas dari fluida ini tergantung pada laju geser, maka perilaku reologi dari pemeliharaan

kaldu tergantung pada kondisi geser dalam fermentor tersebut. Metzner dan Otto [32] telah

mengusulkan bahwa tingkat rata-rata geser dalam vessel berpengaduk adalah fungsi linear

dari kecepatan pengaduk:

(7.27)

dimana γav adalah laju geser rata-rata, k adalah konstanta yang tergantung pada desain

impeller dan Ni adalah kecepatan pengaduk. Nilai eksperimental dari k dirangkum dalam

Tabel 7.4. Validitas Pers. (7.27) disahkan oleh Metzner et al. [35]. Namun, laju geser dalam

vessel berpengaduk tidak seragam, kekuatan sangat tergantung pada jarak dari impeller.

Gambar 7.29 menunjukkan penurunan yang cepat dalam laju geser pada fluida pseudoplastik

dengan meningkatnya jarak radial dari ujung turbin pipih impeller [37]. Tingkat geser

maksimum yang dekat dengan impeller jauh lebih tinggi daripada rata-rata yang dihitung

pada Persamaan. (7.27).

Fluida pseudoplastik merupakan geseran tipis, dimana viskositas mereka akan

menurun dengan meningkatnya geseran. Oleh karena itu, dalam vessel berpengaduk, fluida

pseudoplastik memiliki viskositas yang relatif rendah pada zona geser yang tinggi di dekat

impeller, dan relatif tinggi viskositasnya ketika fluida ini jauh dari impeller. Sebagai

Hasilnya, pola aliran mirip dengan yang diilustrasikan pada Gambar 7.30, kolam sirkulasi

kecil dari hasil pergeseran fluida yang sangat tinggi mengelilingi impeller saat sebagian besar

cairan jarang bergerak sama sekali. Dalam bioreaktor yang mengandung kaldu non-

Newtonian, hal ini dapat menyebabkan pengembangan zona statis yang jauh dari impeller.

Efek dari fluida lokal dalam fluida pseudoplastik dapat diatasi dengan memodifikasi

geometri dari sistem atau desain impeller. Pengaduk dengan diameter yang lebih besar sangat

dianjurkan. Untuk turbin impeller, sebagai pengganti dari tangki konvensional untuk diameter

impeller dengan rasio 3:1 digunakan fluida dengan viskositas rendah, rasio ini berkurang

menjadi kisaran antara 1.6 dan 2. Perbedaan desain impeller pada vessel juga dianjurkan.

Jenis yang paling umum digunakan untuk pengadukan fluida yang kental adalah impeler

heliks dan gate-dan paddle-anchors yang dipasang dengan jarak ruang kecil antara impeller

dan dinding tangki. Pengadukan dengan jenis pengaduk tersebut dapat dicapai dengan

kecepatan rendah tanpa adanya kecepatan arus yang tinggi. Pengaduk Helik digunakan untuk

mengurangi kerusakan geser dan meningkatkan pencampuran dalam suspensi sel kental [38].

Desain alternatif impeller seperti pita heliks dan anchor dapat meningkatkan

pencampuran dalam fluida kental, namun aplikasi mereka dalam fermentor hanya mungkin

apabila kebutuhan oksigen dalam pemeliharaan relatif rendah. Meskipun diameter impeller

yang besar beroperasi pada kecepatan yang relatif lambat akan memberikan pengadukan yang

maksimal dan tingginya sistem geseran yang kecil, tetapi kecepatan tinggi impeller lebih baik

untuk memecah gelembung gas dan menaikkan pemindahan oksigen ke cairan tersebut.

Dalam desain fermentor untuk fluida kental, pengecualian biasanya diperlukan untuk

efektivitas pengadukan dan perpindahan massa yang memadai.