Komponen utama bioreaktor terdiri atastangki,sparger,impeller,saringanhalus ataubaffledansensoruntuk mengontrol parameter.Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk.Volume tanki skala laboratorium berkisar antara 1 30 L, sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1000 L. Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompaudara, dan mencegah pembentukangelembungoksigen.Impellerberperan dalamagitasidengan mengaduk campuran substrat dan sel.Impeller digerakkan olehrotor.Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efekpusaranair akibat agitasi.Sensorberperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensorsuhu,tekanan, agitasi,foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensorpH, kadar oksigen, dan perubahankomposisimedium.Parameter yang dikontrol pada bioreaktor :SuhupHOksigen terlarutBahan baku dan nutrisiBioreaktor biasanya terbuat dari bahanstainless steelkarena bahan tersebut tidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak mengganguprosesbiokimia yang terjadi. Selain itu, bahan tersebut juga antikaratdan tahan panas. Selain itu, bioreaktor juga harus dapat menciptakan lingkungan yangoptimumbagimikroorganismeataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan. Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalahsuhu(laju pertumbuhan dan pembentukan produk tergantung suhu, sehingga suhu dikendalikan misal dengan air pendingin atau sel tahan panas),pH(kecepatan reaksi enzimatis dan laju pertumbuhan terbaik pada pH optimal),substrat(sumber karbon dan nitrogen),aerasi, danagitasi. Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaanteknikyang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutamatemperaturdanpH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup sepertioksigen,nitrogen,fosfat, danminerallainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.JENIS-JENIS BIOREAKTORBerdasarkan pemasukan nutrisinya kedalam bioreaktor , ada tiga jenis bioreaktor, yaitu bioreaktor kontinu , semikontinu, dan diskontinu.1. Bioreaktor KontinuPada 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 DiskontinuPada 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 semikontinuBioreaktor 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.Berdasarkan tingkataseptismaka sistem bioreaktor terbagi menjadi dua, yaitu bioreaktor sistemnon aseptis(untuk pengolahanlimbah) dan bioreaktor sistem aseptis (untukproduksiseldan produksimetabolit). Untuk bioreaktor sistem aseptis diperlukansterilisasibioreaktor pada suhu dan tekanan yang tinggi.Sedangkan,bila kita melihat sistem aerasinya, bioreaktor dibagi menjadi bioreaktorstirred tank,bubble column, danloop airlift. Prinsip stirred tank bioreaktor adalah menghasilkanaerasidengan menggunakan agitasimekanis, yaitu denganimpeller. Padabubble column bioreactor, udara dalam bentuk gelembung dimasukkan ke media melaluispargeruntuk aerasi. Sedangkan, padaloop airlift bioreactor, udara dan media disirkulasi bersamaan melalui kolom yang dimasukkan ke dalam kolom lain.DESAIN BIOREAKTORKriteria dasar desain bioreaktor 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.

NoUkuran fermentorProduk

1.2.3.

4.1-20.00040-80.000100-150.000

Lebih dari 450.000Enzim diagnostic, substansi biologi molekulerEnzim dan antibioticPenisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam aminoAsam amino, asam glutamat

Untuk melakukanproduksiskalabesar menggunakan bioreaktor dibutuhkan proses peningkatan skala (scale up).Parameterkinetikmerupakan acuan dalam peningkatan skala bioreaktor.Parameter kinetik dalam bioreaktor ialah pengaturansuhu,pH,aerasi,agitasi, danagenantifoam.Pengaturan suhu dalam bioreaktor dilakukan dengan cara pemompaan air dingin ke bagian jaket bioreaktor.Pengaturan pH dilakukan dengan cara pemberianasamseperti HCl danbasaseperti NaOH. Agitasi dalam bioreaktor dibutuhkan untukhomogenisasiisi bioreaktor danaerasidalam bioreaktor. Jika organisme dalam bioreaktor bersifataerobmaka udara (oksigen) harus dimasukkan ke dalam bioreaktor. Udara dalam bioreaktor dimasukkan melaluispargeryang berada di bawah. Dalam proses aerasi dan agitasi kadang-kadangdihasilkan foam yang dapat mengganggu reaksi biokimia dalam bioreaktor. Oleh karena itu, dibutuhkan agen antifoam untuk mencegah terjadinyafoam. Agenantifoamyang umunya dipakai dapat berupaminyak sawitataupuntween.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 biomassaKinetika 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 sel

2. Pertumbuhan populasia. Peningkatan jumlah akibat pembelahan selb. Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzimReproduksi sel bakteri:1.Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuranyang 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 bakterimenerima DNA.Proses metabolik yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu:1. Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel2. Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel3. Replikasi sel kromosom4. Pengukuran ukuran dan massa5. Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik ke sel anakan

PEMILIHAN BIOREAKTORJenis makhluk hidup yang digunakan yaitu, pertama sifat aerobik atau anaerobik berupa pasokan O2dengan pendispersian udara, yang kedua jenis dan ukuran makhluk hidup sel tunggal yaitu tidak tahan terhadap gaya geser dan perlu dispersi udara lebih tinggi, dan yang ketiga letak pertumbuhan dalam bioreaktor yaitu tumbuh di permukaan (bentuk bed/tray)Sedangkan Sifat media:Sifat fisik substratGas, cairan dan senyawa larut air, bahan padat larut air, bahan cair tidak larut air, padatan larut sebagian, padatan tidak larutBiokinetik substratsubstrat yang menghambat/represi pertumbuhan misal dengan fedbatch. produk pada konsentrasi tinggi yang menghambat/represi misal dengan pengaturan multistageViskositas substrat dan produkviskositas tinggi mengganggu agitasi dan laju perpindahan oksigenParameter bioproses:OTR, oxygen transfer ratelaju perpindahan oksigen menentukanpertumbuhan sel aerobikSuhulaju pertumbuhan dan pembentukanproduk tergantung suhu, sehingga suhudikendalikan misal dengan air pendinginatau sel tahan panas (termofilik)pHKecepatan reaksi enzimatis dan lajupertumbuhan terbaik pada pH optimalFaktor produksinya meliputi:BiayaKemudahan mendapatkan bahanKetersediaan dan mutu tenaga kerjaKeadaan pasarKetersediaan energiAturan kerja dan keselamatanUndang-Undang tentang pembatasan polusi lingkunganNilai ekonomis hasil samping produkAPLIKASI BIOREAKTORAwalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksiragi, ekstrakkhamir,cuka, danalkohol. Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk menghasilkan berbagai macam produk dari makhluk hidup seperti antibiotik, berbagai jenisenzim,protein sel tunggal,asam amino, dan senyawametabolit sekunderlainnya.Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan bantuanmikroorganismesehingga menghasilkan senyawa hasiltransformasiyang berguna bagi manusia.Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang lebih ramah lingkunganTeknik bioprosesatauteknik biokimia(Bahasa Inggris:biochemical engineering) adalah cabang ilmu dariteknik kimiayang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkanagen biologi. Agensia biologis dapat berupamikroorganismeatauenzimyang dihasilkan oleh mikroorganisme.Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupabakteri,khamir, ataukapang. Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagaisuplementeknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industriobat-obatan,bioteknologi, dan industri pengolahan air.