Berdasarkan pemasukan nutrisinya kedalam bioreaktor , ada tiga jenis bioreaktor, yaitu bioreaktor kontinu , semikontinu, dan diskontinu.1. Bioreaktor Kontinu

Pada bioreaktor kontinu, pemberian nutrisi dan pengeluaran sejumlah fraksi dari volume kultur total terjadi secara terus menerus. Dengan metode kontinu memungkinan organisme tumbuh pada kondisi setimbang (steady state), dimana pertumbuhan terjadi pada laju konstan dan lingkungan stabil. Faktor seperti pH dan  konsentrasi nutrisi dan produk metabolit yang tidak terelakkan berubah selama siklus pertumbuhan pada suatu diskontinu dapat dijaga konstan dalam kultur kontinu.

Dalam suatu bioreaktor kontinu, medium steril dimasukkan kedalam biorekator dengan laju aliran yang konstan, dan kultur yang keluar dari bioreaktor terjadi dengan laju yang sama, sehingga volume kultur di dalam reaktor konstan.  Dengan pencampuran yang efisien, medium yang masuk tersebut menyebar secara cepat dan merata pada seluruh bagian rekator.Contoh dari biorektor kontinu yaitu Reaktor Tangki diaduk Kontinu (RTDK).Udara steril dimasukkan pada dasar reaktor melalui pipa terbuka atau penyemprot udara. Suattu batang vertical dilengkapi dengan pengarah dengan satu atau lebih impeler. Impeler biasanya dipasang di sepanjang batang pada interval jarak sama dengan diameter reaktor untuk menghindari tipe pergerakan melingkar. Peranan impeler adalah untuk menimbulkan agitasi dalam bioreaktor untuk mempermudah aerasi. Fungsi utama agitasi adalah untuk mensuspensikan dan meratakan nutrisi dalam medium, untuk memberikan hara termasuk oksigen- bagi sel, dan untuk memindahkan panas.2. Bioreaktor Diskontinu

Pada bioreaktor diskontinu, inokulen dan nutrisi yang akan  diperlukan bagi pertumbuhan dicampur dalam suatu bejana tertutup pada kondisi suhu, pH, dan pencampuran optimum. System ini adalah tertutup, kecuali untuk organism aerobik dimana suplai udara kontinu dialirkan kedalam bioreaktor. Pada bioreaktor diskontinu, laju pertumbuhan dan laju pertumbuhan spesifik jarang konstan. Hal ini menunjukkan adanya perubahan karakteristik nutrisi dari sistem.

Salah satu contoh dari bioreaktor diskontinu adalah Bioreaktor Lumpur Buangan Teraktivasi. Bioreaktor ini digunakan secara luas untuk pengolahan secara oksidasi air buangan dan sampah industri lain. Prosesnya difungsikan untuk meningkatkan pemasukan udara, sehingga bahan organic massa dapat didegradasi secara optimum. Bioreaktor ini sangat besar, sehingga untuk mempermudah pencampuran dan penyebaran oksigen diperlukan sejumlah besar agitator pada kebanyakan pabrik pengolahan air buangan skala kota.3. Bioreaktor semikontinu

Bioreaktor semikontinu adalah suatu bentuk kultivasi dimana medium atau substratnya ditambahkan secara kontinu atau berurutan ke dalam tumpukan diskontinu awal tanpa mengeluarkan sesuatu dari system. Produk yang dihasilkan dari system seperti ini dapat melebihi produk yang dihasilkan dari kultur diskontinu. Pendekatan ini secara luas diterapkan dalam industry misalanya dalam produksi ragi yang dibutuhkan untuk pembuatan roti.

Contoh bioreaktor  semikontinu yaitu Digestor atau bioreaktor  Anaerobik, tetapi bioreactor ini dapat pula dioperasikan secara kontinu.Pengunaan system ini pada pengolahan air buangan padat, misalnya lumpur buangan (sludge) yang diperoleh dari pengolahan buangan perkotaan,

akan memberikan stabilisasi air buangan yang efisien dan produksi metan yang tinggi. Dalam system ini Lumpur buangan dicampur dengan mikroorganisme anaerobic pada suhu 30° C dan waktu retensi hidrolik. Untuk air buangan berkekuatan sedang dari industri makanan dan fermentasi, teknik operasi yang dapat menahan biomassa mikroba lebih lama dalam system operasi kontinu sudah ditemukan. Maka waktu retensi zat padat tidak dapat digabung dengan waktu retensi cairan sehingga konsentrasi mikroba yang tinggi dapat terjadi pada digester (atau pada bioreaktor tersebut), yang memberikan laju bdegradasi yang tinggi. Bagi air buangan yang sangat encer, misalnya buangan kota, waktu retensi zat padat yang sangat panjang diperlukan.

Teknik diskontinu merupakan teknik yang paling dominan digunakan dalam industri, dominasi sistem bioreaktor semikontinu dan diskontinu dalam industri disebabkan oleh beberapa alasan berikut:

1.                       Pada waktu tertentu,produk bioteknologi mungkin dibutuhkan dalam jumlah yang relative sedikit.

2.                       Kebutuhan pasar mungkin bersifat musiman3.                       Masa berlaku produk tertentu pendek (tidak tahan lama)4.                       Konsentrasi produk yang tinggi5.                       Beberapa produk tertentu hanya dihasilkan pada fase setimbang dari siklus pertumbuhan.6.                       Ketidakstabilan beberapa galur produksi memerlukan pembaharuan secara teratur7.                       Proses kontinu, secara teknis masih menunjukkan berbagai kesulitan

B. DESAIN BIOREAKTORBioreaktor adalah system tertutup dari system biologis untuk suatu proses bioteknologi.

Bioreaktor memberikan lingkungan yang tetap bagi optimasi pertumbuhan organisme dan aktivitas metabolisme. Bioreaktor ini hendaknya mencegah kontaminasi produksi dari lingkungan pada kultur sambil mencegah pelepasan kultur ke lingkungan. Selain itu, bioreactor tersebut sebaiknya memiliki instrumentasi untuk pemeriksaan agar pengawasan proses yang optimum.

Kriteria dasar desain bioreactor yaitu sebagai berikut:1.      Karakterisrtik mikrobiologi dan  biokimia dari system sel (mikroba, mamalia, tumbuhan)2.      Karakteristik hidrodinamik bioreaktor3.      Karakteristik massa dan panas bioreaktor4.      Kinetika pertumbuhan sel dan  pembentukan produk5.      Karakteristik stabilitas genetic dari system sel6.      Desain peralatan yang aseptis7.      Pengawasan lingkungan bioreaktor8.      Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk menghilir9.      Modal dan biaya operasi bioreaktor10.  Potensi dan pengembangan desain bioreaktor

Bahan konstruksi bioreaktor hendaknya tidak beracun, mampu menahan tekanan uap dan tahan terhadap korosi kimia dan elektrolitik. Bioreaktor industri biasanya dibuat dari bahan yang dilapisi dengan baja tahan karat. Bioreaktor ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Perbandingan tingginya terhadap diameter atau rasio aspek merupakan parameter yang penting.

Produk-produk yang dihasilkan berdasarkan ukuran dari bioreaktor tersebut dapat dilihat pada table dibawah ini.

No Ukuran fermentor Produk1.2.3.

4.

1-20.00040-80.000100-150.000

Lebih dari 450.000

Enzim diagnostic, substansi biologi molekulerEnzim dan antibioticPenisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam aminoAsam amino, asam glutamat

C. PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTORPertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan

peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu di dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa enzim.

Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium ke dalam sel, konversi bahan nutrient menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran, dan massa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.

Kinetika pertumbuhan mikrobia dalam system diskontinu, kontinu, dan semikontinu, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (Pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.

Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomassa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:

1.      Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)2.      Waktu mengganda (doubling time)3.      Hasil pertumbuhan (growth yield)4.      Kemampuan metabolisme (metabolic quosient)5.      Affinitas substrat6.      Jumlah maksimum biomassa

Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filament maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.Pertumbuhan untuk mikrobia yaitu peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreactor:1.      Pertumbuhan individu sel;a.       Peningkatan substansi dan komponen selb.      Peningkatan ukuran selc.       Pembelahan sel2.      Pertumbuhan populasia.       Peningkatan jumlah akibat pembelahan selb.      Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzim

Reproduksi sel bakteri:1.      Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran yang

sama.2.      Melibatkan 3 proses:a.       Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel) : memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk

menutup permukaan pada sisi tertentu.b.      Replika DNA : indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.c.       Pembelahan sel : diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel Hampir semua bakteri

menerima DNA.Proses metabolic yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu:

1.      Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel2.      Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel  3.      Replikasi sel kromosom4.      Pengukuran ukuran dan massa5.      Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetic ke sel anakan