Heat transfer pada Bioreaktor

download Heat transfer pada Bioreaktor

of 33

  • date post

    29-Jan-2016
  • Category

    Documents

  • view

    296
  • download

    13

Embed Size (px)

description

Heat transfer pada Bioreaktor

Transcript of Heat transfer pada Bioreaktor

Slide 1

Oleh:

Bayu kresna adiLia risadiWanvia vangestiDidin masrofianaputriBonan imanuel ratmoHeat Transfer padaBioreaktorAbstrakDalam memproduksi sebuah rekayasa produk, Sebuah bioreaktor harus dapat menyediakan lingkungan yang terkendali dan harus sesuai dengan persyaratan biologis, biokimia, dan biomekanik.Dalam menghasilkan sebuah produk dari bioreaktor, kita harus mengetahui atau mengontrol reaksi yang terjadi didalam reaktor. Contohnya : Transfer eksternal massa, perpindahan panas, kecepatan parameter seperti oksigen, karbon dioksida, nutrisi dan metabolisme transportasi bahan limbah.

Pendahuluan Bioreaktor umumnya terdapat proses biomekanik dan biokimia lingkungan yang berfungsi untuk mengontrol nutrisi dan oksigen yang ditransfer ke sel-sel serta mengontrol produk metabolisme dari sel-sel. Hal tersebut juga merupakan perangkat yang dirancang untuk pertumbuhan optimal dan aktivitas metabolik dari organisme melalui aksi biokatalis, enzim atau mikroorganisme dan sel-sel hewan atau tanaman. Bioreaktor pada umumnya berbeda dari reaktor, hal ini dikarenakan bahwa bioreaktor mengutamakan dan mengendalikan entitas biologis. Sehingga kondisi dari bioreaktor harus benar-benar menguntungkan bagi pertumbhan dan kehidupan mikroorganisme.bioreaktor dapat digunakan untuk biokonversi dan biotransformasi. Yang termasuk produk konversi yaitu: ragi, protein sel tunggal, kultur starter, dan metabolit primer (misalnya asam amino, asam organik, vitamin, polisakarida, etanol, dll) sedangkan produk biotransformasi misalnya : biotransformasi steroid, L-sorbitol dll). bioreaktor dapat juga disebut sebagai fermentor yang menggunakan sel hidup sebagai biokatalis tersebut.Ukuran bioreaktor bervariasi berdasarkan sel mikroba. Kapasitas volume (100-1000 ml) untuk skala fermentor laboratorium, (1-50 mm3) untuk level percontohan, (0,3-10 m3) ke skala pabrik, (2 - 500 m3) untuk volume besar dalam aplikasi industri.Beberapa hal bioteknologi yang harus dipahami dalam sebuah perancangan bioreaktor : laju reaksi, pertumbuhan sel, kondisi lingkungan. Yang termasuk kondisi yaitu : udara, oksigen, nitrogrn, suhu, karbon dioksida dan pH.

Bioreaktor Desain dan OperasiSebuah desain bioreaktor yang baik harus mengatasi peningkatan produktivitas maupun validasi parameter yang diinginkan yaitu memperoleh produk-produk berkualitas yang lebih tinggi dengan biaya yang efektif. Desain dan mode pengoperasian bioreaktor tergantung pada produksi organisme, kondisi optimum diperlukan untuk produk yang diinginkan pembentukan , produk nilai dan skala produksinya. Investasi modal dan biaya operasi juga faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam desain bioreaktor. Selama fermentasi, kondisi monoseptik, pencampuran optimal yang rendah, shear rates yang seragam harus dipertahankan selama proses berlangsung. Suatu bioreaktor terbagi menjadi : volume kerja (working volume) dan volume head-space seperti yang terlihat pada gambar.Volume kerja : fraksi volume total yang dipakai media, mikroba dan gelembung gas volume yg tersisa = head-space.

Umumnya volume kerja : 70-80 % volume bioreaktor, tergantung busa yang terbentuk Bila banyak busa yg terbentuk, maka dibutuhkan headspace lebih besar dan volume kerja yang lebih kecil

Bioreaktor-Pengertian dalam Perpindahan MassaPerpindahan massa, disebut gerakan molekul antara fase kontrol atau pengaruh tingkat konversi reaksi. Dalam sebuah bioreaktor, komponen untuk transfer massa biasanya termasuk oksigen, elektron akseptor , jumlah karbon organik (TOC) , kebutuhan oksigen kimia (COD), biomassa, amonium dan nitrat, dan makronutrien ( Agomuoh PK , 2011) Daerah perpindahan massa antar muka ditentukan atas dasar distribusi ukuran gelembung diukur nya .Transfer massa sisi cair bervariasi dengan gas. (Raymond Lau & Tao Chen , 2012) . Tinggi cairan statis meningkatkan massa gas cair transfer rate untuk meningkatkan daerah perpindahan massa antar muka . Ukuran gelembung karena untuk jenis distributor gas yang digunakan juga mengatur kecepatan transfer massa .Koefisien perpindahan massa overall adalah kombinasi koefisien perpindahan massa fase cair, fase gas, dan biofilm, diberikan dengan persamaan1/koverall=1/kL+1/kG+1/kBPerpindahan massa volumetri overall dari fase gas ke fase aqua (R)R=kL a(CG /H-CL )= (DAL/film )a(CG /H-CL) Dimana,kL : koefisien volumetri (s-1)CG : konsentrasi polutan pada fase gas (g/m3)CL : konsentrasi polutan pada fase cair (g/m3)H : koefisien HenryDAL : Difusivitas gas polutan pada cairan (m2 s-1)film : ketebalan film cairan (m)a : area permukaan spesifik antara fase gas dan cair (m2 m-3)Tipe BioreaktorAda tiga jenis reaksi yang terlibat dalam fermentasi proses yaitu batch, kontinyu dan semi-kontinyu atau fed-batch. Tergantung pada kebutuhan strategi budaya dan media ke bioreaktor (Brian McNeil & Linda M Harvey, 2008)Proses BatchDalam proses batch, setelah sterilisasi, medium kultur steril diinokulasi dengan mikroorganisme. Selama periode reaksi ini, sel-sel, substrat termasuk garam nutrisi, vitamin dan konsentrasi produk bervariasi dengan waktu. Fermentasi diperbolehkan untuk menjalankan untuk waktu yang telah ditetapkan dan produk dipanen pada akhir (Carberry James J, 1976). Untuk mempromosikan budidaya aerobik, media adalah aerasi untuk memberikan aliran oksigen terus menerus. Gas oleh-produk seperti CO2 dihapus; aerasi dan penghapusan gas proses berlangsung semicontinuously (Williams JA, 2002).

Kurva Pertumbuhan MikroorganismeDesain Bioreaktor Batch

Bioreaktor Batch terdiri dari tangki tunggal yang mampu melaksanakan urutan reaksi dan mudah dioperasikan. Tangki ini dilengkapi dengan agitator (tangki reaktor berpengaduk- STR) untuk campuran reaktan bersama dengan pemanas integral dan sistem pendingin. Larutan buffer atau pH controller digunakan untuk mengontrol pH reaktan. Alat ini dapat bervariasi dalam kapasitas dari kurang dari 1 liter untuk lebih dari 15.000 liter. Cairan dan padatan biasanya dibebankan melalui lubang di penutup atas pada reaktor. Uap dan gas juga debit melalui koneksi di bagian atas. Biasanya cairandikeluarkan dari bawah.

Mass Balance for Batch Reactorsd(VC)/dt = Q in .C in - Q out.C out + R.Vdimana, d(VC)/dt = Kecepatan massa akumulatif dalam control volumeQ in = Laju alir masuk dalam systemQ out = Laju alir keluar dari systemC = KonsentrasiR = Kecepatan reaksiV = Volume Q in Q out = 0

Karena itu,(VC)/dt = RV (jika volume reaktan berubah signifikan) ataud(C)/dt = R (jika volume reaktan konstan)R= k. C Dimana, k = Kecepatan konstan, C= Konsentrasi

Proses KontinuDesain Bioreaktor KontinuMass Balance for CSTR Fed-Batch ProcessSpecial Purpose BioreactorPlug Flow ReactorPlug flow reactor juga disebut sebagai tubular atau reaktor piston-flow. Ini adalah bejana, yang mana alirannya kontinu dan searah dikondisi steady state. Dalam reaktor tubular ideal, aliran fluida bagaikan plug solid atau piston, dan waktu reaksi adalah sama untuk semua material yang mengalir pada setiap tabung penampang diberikan. Aliran fluida dihipotesiskan sebagai plug atau piston dalam reaktor tubular dengan waktu reaksi yang identik di atas reaktor penampang. Konsentrasi substrat dan mikroorganisme bervariasi di seluruh reaktor. Reaktor tubular fungsional mirip dengan reaktor batch karena mereka memberikan kekuatan pendorong tinggi di awal; hal ini berkurang saat reaksi terus-menerus sepanjang tabung. (National Technical University of Athens, 2008).

Mass balance for plug flow reactordaerah lintas reaktor sectional sebagai 'A c' dan disk tipis dengan ketebalan infinitesimal 'z' untuk elemen volume reaktor, material balance untuk elemen volume adalah sebagai berikut: d (VC) / dt = Qin z. Cin - Qout z + z. Cout + R. VDimana d (VC) / dt = Tingkat akumulasi massa dalam volume control Qin (laju aliran ke dalam sistem) = Qout (tingkat ow keluar dari sistem) = QCin = Konsentrasi aliran disk inlet (z); Cout = Konsentrasi aliran disk outlet (z + z)R = Tingkat reaksiV = Volume ReaktorMembagi persamaan di atas dengan Vd (C) / dt = - dC.Q / dV + RJika tabung memiliki penampang konstan, 'Ac', kemudian kecepatan, 'v' terkait dengan laju aliran volumetrik oleh v = Q / Ac, panjang aksial berkaitan dengan volume tabung dengan z=V/Ac,Persamaan dapat disusun kembali sebagaidC / dt = d (C v) / dz + R atau R = dC / dt - d (Cv) / dz

Reaktor Bubble ColumnReaktor kolom gelembung adalah salah satu jenis yang paling sederhana dari reaktor, yang mudah untuk di-scale-up (Kantarci N, et. al 2005). Reaktor terdiri dari bejana silinder dilengkapi dengan gas sparger, yang mendorong gelembung gas ke fase cair atau suspensi cair-padat. Untuk penanganan fase padat, reaktor yang disebut sebagaislurry bubble column reactor. (Borakb &Kutlu O. Ulgena, 2005; Henzler H.J & Kauling, 1985). Reaktor dapat digunakan untuk memproduksi bahan bakar sintetis ramah lingkungan seperti methanol (Kawase Y & T Kumagi, 1991; afrodita.rcub.bg.ac.rs). Gelembung (bubble) ini menciptakan tegangan geser (shear stress) yang lebih kecil dibandingkan dengan reaktor lain dengan agitator. (Kantarci N, et. al 2005).

Airlift Bioreactor (ALB)Dikenal juga sebagai reaktor menara menggunakan perluasan kompresi gas untuk pencampuran. ALB dapat digunakan dengan bebas dan imobilisasi sel dan cocok untuk bakteri, ragi, jamur, tanaman, dan sel hewan. Dalam reaktor ini, volume fluida dibagi dengan menyediakan aliran udara di dalam pipa untuk meningkatkan sirkulasi & perpindahan oksigen dan menyamakan gaya geser dalam reaktor (Veera UP & Joshi JB, 1999).Udara mengalir melalui riser tube, membentuk gelembung, dan gas buang dilepaskan dari atas kolom. Cairan yang kehilangan gas (degassed liquid) kemudian mengalir melalui downcomer dan produk dikosongkan dari bawah tangki. Tabung downcomer dapat dirancang sebagai internalheat exchanger, atau eat exchanger dapat ditambahkan ke sirkulasi loop internal. (Christi M.Y, 1989). Sparging dil