PENGENALAN BIOREAKTOR

KOMPETENSI PERTEMUAN-3Mahasiswa dapat menjelaskan fungsi utama dan faktor-faktor desain bioreaktor.Mahasiswa dapat menjelaskan tipe-tipe berdasarkan agen biologis, kebutuhan proses dan metoda aerasi serta aplikasi bioreaktor berdasarkan metoda aerasi

OUTLINEFungsi dan faktor desain bioreaktorTipe-tipe bioreaktor berdasarkan: -agen biologis -kebutuhan proses -metoda aerasiBioreaktor berdasarkan metoda aerasi dan penjelasannyaExercises

PENDAHULUANDalam desain bioreaktor ada tiga faktor penting yang harus menjadi pertimbangan:Faktor engineering. Faktor biologis (karakteristik sel, maximum specific growth rate, konstanta Monod, koefisien yield, range pH dan range temperatur).Cost/biaya juga menjadi faktor penting. Semakin besar reaktor semakin tinggi kebutuhan agitasi dan biaya yang dibutuhkan juga akan semakin besar.Pada bab ini, kita akan melihat bagaimana bioreaktor didesain untuk memenuhi ketiga hal tersebut diatas.

Fungsi Utama Bioreaktor Untuk Kultivasi Sel mikroba & Sel hewanBioreaktor merupakan peralatan atau wadah dimana didalamnya terjadi transformasi biokimia dengan adanya aktivitas sel mikroba atau enzimMemberikan lingkungan yang terkontrol (suhu, pH, O2 terlarut, dll) untuk pertumbuhan mikroba dalam menghasilkan produk yang diinginkan

Point-point Penting dalam Desain BioreaktorBejana harus dapat dioperasikan secara aseptik.Aerasi dan agitasi memadai untuk pertumbuhan mikroba aerob (ingat pengadukan harus tidak menyebabkan kerusakan pada sel mikroba)Konsumsi tenaga dan daya listrik sekecil mungkinMempunyai sistem pengontrol suhu dan pHMempunyai sarana untuk samplingEvaporasi tidak berlebihanPeralatan harus praktis dan membutuhkan tenaga kerja sedikitPermukaan bagian dalam bioreaktor licinGeometri bioreaktor skala kecil, pilot plant dan skala besar sebaiknya sama untuk memudahkan penggandaan skala

Tipe BioreaktorBerdasarkan tipe agen Berdasarkan kebutuhanBiologis Proses-bioreaktor mikrobial -aerobik: terendam &-bioreaktor enzim permukaan -anaerobik

Berdasarkan metoda aerasi - kultur diam (standing cultures) - labu kocok (shake flasks) - bioreaktor berpengaduk (STR) - bioreaktor kolom gelembung (bubble column) - air lift - fluidized bed

Kita telah melihat bagaimana produktivitas suatu fermentasi ditentukan oleh mode operasi/kultivasi dari proses fermentasi tersebut; misal dilihat dari kelebihan dan kekurangan masing-masing proses kultivasi. Seperti halnya transfer massa, transfer oksigen adalah merupakan faktor penting yang menentukan bagaimana bioreaktor tersebut harus didesain dan dioperasikan.Bioreaktor dapat bervariasi dalam ukuran dan kompleksitas dari reaktor dengan volume 10 ml pada tube test sampai ke fermenter yang dikendalikan komputer dengan volume lebih besar dari 100 m3, dengan cost mencapai beberapa juta dolar.

Kultur Diam (Standing cultures)Tidak ada tenaga yang digunakan untuk aerasi: aerasi tergantung pada transfer oksigen melalui permukaan kulturBiasanya digunakan dalam skala kecil, dimana suplai oksigen tidak terlalu penting, misal tes biokimia untuk identifikasi bakteri pada tube tes yang berisi 5-10 ml media.

Kultur Diam (Standing cultures)

Jenisnya: a. T-flasks:digunakan pada kultur sel hewan skala kecil, inkubasi dilakukan secara horizontal untuk memperluas permukaan transfer oksigen b. Fernback flasks: contoh the kombucha (teh yg diinokulasi dg khamir dan bakteri asam laktat) c. Kultur permukaan: penggunaannya tidak terbatas di laboratorium, contoh: pembuatan asam sitrat oleh Aspergillus niger dengan menggunakan tray (baki)

T-flasks:

Laju aerasi permukaan dapat ditingkatkan dengan menggunakan flask yang bervolume lebih besar.

Fernback flasks:Foto dibawah ini adalah "Fernback" flask 3 liter yang mengandung 1 liter medium dan Erlenmeyer flask 250 ml mengandung 100 ml medium.

Lihat bahwa yang terdahulu (T-flasks) mempunyai luas permukaan yang lebih besar. Pyrex flask besar digunakan untuk produksi skala kecil produk-produk fermentasi (Kombucha tea).

Kultur permukaan:

Fermentasi solid state aerob adalah salah satu contoh kultur permukaan. Pada fermentasi jenis ini, substrat padatan (contoh water softened bran/sekam padi, rice atau gandum) ditaruh diatas baki. Substrat bisa secara kontinu atau periodik diaduk untuk menambah aerasi dan mengatur temperatur kultur. Contoh: koji oleh Aspergillus oryzae pada soya beans pada proses pembuatan kecap. Contoh lainnya adalah kultivasi mushroom.

LABU KOCOK (SHAKE FLASKS)

Biasanya digunakan pada kultivasi sel skala kecil, OTR (oxygen transfer rate) lebih tinggi dibanding pada kultur diam, keterbatasan transfer oksigen masih tidak dapat dihindari apabila menginginkan densitas sel yang tinggi, baffle meningkatkan efisiensi transfer O2 (orbital shaker)

Shake flasks- faktor yang mempengaruhi kLa Laju transfer oksigen pada shake flasks tgt pada:shaking speed volume liquiddesign shake flask.

kLa decreases kLa increases kLa is higher with liquid volume with liquid surface when baffles area are present

KLa akan naik dengan kenaikan shaking speed. Pada shaking speeds yang tinggi, bubble akan terbentuk dalam medium sehingga meningkatkan laju transfer oksigen. Volume liquid yang sesuai ditentukan dengan volume flask. Misalnya, untuk flask 250ml standard, volume liquid harus tidak boleh melebihi 70 ml sedangkan untuk flask 1 liter, volume liquid harus lebih kecil dari 200 ml. Untuk volume liquid yang lebih besar dapat dengan menggunakan flask yang lebih lebar.

Shake flasks- baffle Kehadiran baffle pada flask akan lebih meningkatkan efisiensi transfer oksigen, terutama pada orbital shakers. Gambar dibawah menunjukkan bagaimana baffle meningkatkan level increase the level entrainment gas dalam shake flask yang digoyang pada orbital shaker 150 rpm.

Unbaffled flask Baffled flask

BIOREAKTOR TANGKI BERPENGADUK (STR)

Untuk aerasi volume liquid besar dari 200 ml, beberapa opsi tersedia. Non-sparged STR dapat memberikan aerasi yang cukup untuk volume liquid s.d. 3 liter. Namun perlu untuk menaikkan kecepatan pengadukan s.d 600 rpm agar kultur tidak kekurangan oksigen.

Pada non-sparged STR, oksigen ditransfer dari head-space diatas liquid fermentasi. Agitasi secara kontinu memecah permukaan liquid dan meningkatkan surface area untuk transfer oksigen. Efek kecepatan stirrer/pengadukan pada entrainment gas pada bioreaktor laboratorium 2 liter ditunjukkan oleh gambar:

Pd 300 rpm, hanya sedikit entrainment gasPd 450 rpm, gelembung-gelembung gas besar terlihat didalam mediumPd 750 rpm, fluida dalam fermenter fluid terlihat sangat banyak gelembung-gelembung gas kecil dari atas ke bawah

Sparged STR

Untuk volume liquid besar dari 3 liter, sparging udara dibutuhkan untuk keefektifan transfer oksigen. Dengan sparging, sangat meningkatkan area transfer oksigen.

Sparged STR

Agitasi biasanya digunakan untuk memecah bubble sehingga menaikkan nilai kLa. Fermenter dengan sparging membutuhkan kecepatan agitasi yang jauh lebih rendah untuk efisiensi aerasinya dibandingkan dengan fermenter yang non-sparged. Air-sparged fermenters dapat mempunyai volume kerja liquid lebih dari 500,000 liter.

Bubble Driven Bioreactor

Sparging tanpa pengadukan secara mekanik dapat juga digunakan untuk aerasi dan agitasi. Dalam hal ini adalah Bubble driven bioreactors yaitu Bubble column fermenters dan airlift fermenters.

Bubble Driven Bioreactor

Biasanya digunakan untuk mikroba yang sensitif terhadap shear (kapang & sel tanaman)Produktivitas yang dihasilkan lebih tinggi dari STRPerbedaan bioreaktor Bubble Column dan Airlift -bioreaktor airlift memiliki draft tube yang menyebabkan peningkatan efisiensi transfer panas dan transfer massa -bioreaktor airlift mampu memberikan kondisi shear yang lebih merata -konstruksi bioreaktor airlift lebih mahalKerugian penggunaan bioreaktor Bubble Column dan Airlift -membutuhkan energi yang lebih esar -pembentukan busa lebih banyak -untuk kultur sel hewan dapat terjadinya kerusakan sel

Bubble Driven Bioreactor

Rasio tinggi terhadap diameter pada bubble driven bioreactorsBubble driven fermenters umumnya tinggi dengan rasio ketinggian liquid terhadap dasar antara 8:1 dan 20:1. Desainnya yang tinggi menyebabkan gas hold-up yang besar, residence time bubble yang lama dan region/daerah hydrostatic pressure tinggi dekat sparger pada dasar fermenter Faktor-faktor ini menyebabkan nilai kLa dan Co* yang tinggi shg mendorong laju transfer oksigen.Contoh Aplikasi: Gum Xanthan, PST dg subsrat metanol, biosurfaktan

Airlift bioreactors - draft tubeFermenter airlift berbeda dari bubble column bioreactor karena adanya draft tube yang mempunyai fungsi utama:Meningkatkan mixing dalam reaktor Mendorong axial mixing keseluruhan reaktorMengurangi bubble coalescence, karena diasumsikan adanya induksi sirkulasi dari draft tube didalam reaktor. Sirkulasi terjadi satu arah sehingga bubble juga bersirkulasi satu arah. Dengan bubble yang kecil akan meningkatkan surface area transfer oksigen.

Airlift bioreactors - draft tubeShear forces yang merata didalam reaktor. Hal ini dipercaya sebagai alasan utama mengapa airlift bioreactors mempunyai produktivitas yang lebih tinggi dari stirred tank reactors.

Airlift bioreactors - draft tubeAir-riser dan down-comer Reaktor air-lift dibagi menjadi tiga region: air-riser region, down-comer region dan disengagement zone.

Disengagement zoneFungsi dari Disengagement zone adalah untuk tambahan volume pada reaktor, mengurangi foaming/busa dan meminimalkan resirkulasi bubble melalui down comer.

Pelebaran bagian atas reaktor menurunkan kecepatan bubble sehingga melepaskan bubble dari aliran liquid. Aliran Carbon-dioxide yang banyak bubblenya maka akan tercegah dari masuk ke aliran downcomer. Kurangnya kecepatan bubble pada Disengagement zone juga dapat mengurangi kehilangan medium akibat pembentukan aerosol. Peningkatan area juga akan mendorong bubble kedalam busa dan membantu dalam proses pemecahan bubble dalam foam/busa. Sirkulasi aliran axial akibat adanya draft tube juga menurunkan pembusaan didalam reaktor.

Packed bed and trickle flow bioreactors Laju transfer massa antara sel dan medium tergantung dari flow rate/laju alir dan ketebalan biomass film diatas/dekat permukaan solid particles. Packed bed reactors sering mengalami masalah laju transfer massa yang rendah dan penyumbatan/clogging. Diluar hal itu, reaktor ini secara komersial sudah dipakai dengan katalis enzimatis dengan menggunakan sel yang slowly/non-growing.

The liquid medium trickles over the surface of the solids on which the cells are immobilized

Secara luas digunakan pada pengolahan limbah secara aerobik. Transfer oksigen ditingkatkan dengan upaya agar sel hanya tertutupi oleh lapisan liquid yang tipis sehingga proses difusi oksigen kedalam sel tidak terhambat.

Oxygen berdifusi melalui lapisan tipis liquid disekitar sel

Karena tidak dipakai pengadukan, capital dan energy cost dapat dihemat. Namun, laju transfer oksigen per unit volume rendah dibandingkan dengan sistem sparged stirred tanks. Sistem Trickle flow biasa digunakan untuk treatment effluent dari activated sludge atau anaerobic digestion process dan untuk nitrifikasi ammonia.

Fluidized Bed Reactors

Merupakan salah satu metoda untuk memelihara konsentrasi sel yang tinggi dan laju transfer massa yang baik pada kultur kontinuDalam reaktor ini, sel atau enzim diamobil pada partikel/support yang ringan.

Fluidized Bed Reactors

Pencampuran dibantu dengan pompa, yang ditempatkan pada bagian dasar tangki sehingga katalis yang telah diimmobilisasi bergerak bersama cairan kearah vertikal, diimbangi dengan pergerakan partikel kebawah karena gravitasi.Pada sistem kultivasi aerobik, aerasi diperlukan untuk meningkatkan OTR (Oxygen Transfer Rate)Fluidized Bed Reactors aerob dan anaerob telah banyak dikembangkan dalam pengolahan limbah

Fluidized Bed Reactors

Draft tube bisa digunakan untuk meningkatkan sirkulasi dan transfer oksigen. Fluidized beds dapat juga menggunakan microcarrier beads pada kultur sel hewan. Yang dioperasikan secara batch maupun kontinu. Fluida fermentasi direcycle kedalam reaktor dengan pump-around loop.

SEKIAN DAN TERIMA KASIH

EXERCISESWhat are the types of aerated bioreactors?T-flasks are incubated horizontally to increase the .. area for oxygen transfer.The koji step in soya source manufacturing is an example of a . substrate fermentation. During solid substrate fermentations the solids, the solids are turned over. This is to increase .. and heat transfer rates into and out of the solids.Which of the following will increase the oxygen transfer rate in a shake flask system? A. Use of baffled flasks B. Larger liquid volume C. Higher stirrer speed D. Wider flask

Which of the following would have the highest oxygen transfer rate characteristics? a. A sparged stirred tank bioreactor being stirred at 200 rpm. b. A non-sparged stirred tank bioreactor being stirred at 200 rpm. c. A shake flask being mixed at 200 rpm. d. All of the above would have equivalent oxygen transfer rate characteristics.Besides better aeration and mixing properties, what other advantages do stirred tank bioreactors have over shake flasks? Which of the following is not correct with regards to bubble driven bioreactors? a. They are designed to be tall to encourage low shear conditions. b. The absence of an impeller reduces shear conditions. c. The presence of a draft tube in airlift reactors increases mass and heat transfer rates. d. The large height to diameter ratio increases oxygen transfer rates

Calculate the partial pressure of oxygen (Po) and the saturation concentration of oxygen at the base and surface of the reactor. Assume that air contains 22% oxygen and the Henry's constant (H) for the medium is 3 kPa.l.mg-1. The medium has the same density as water.Pressure 101 kPa Po kPaCo* mg.l-1Pressure . kPaPo .. kPaCo* .. mg.l-1Hints: Partial Pressure of oxygen Po = 0.22 x P Pressure of oxygen at the base of the reactor Pbase = Psurface + rgh Saturation concentration of oxygen Co* =Po / H

Explain why bubble driven bioreactors tall with height to diameter ratios of more than 10:1 while stirred tank bioreactors have height to diameter ratios of less than 2:1. The function(s) of a draft tube is/are to: a. increase mixing efficiency b. reduce bubble coalescence c. increase the saturation concentration of oxygen d. equalize shear throughout the reactorWhich of the following is/are correct with regards to the air-riser and down-comer of an airlift bioreactor? a. The air riser is always inside the draft tube b. An air-riser which is on the outside of the draft tube is the preferred configuration c. The region where air is bubbled into is referred to as the air-riser d. The downcomer is another term for the disengagement zone.The role(s) of the disengagement zone include(s) a. adding volume to the reactor b. removal of excess carbon dioxide c. reduce foaming d. minimize recirculation of bubbles

Calculate the superficial gas velocity in the disengagement zone and reactor tube for an airlift reactor which has the following dimensions shown in the following diagram. The air flow rate and liquid volume of the reactor are :Liquid volume (VL) = 50m3Air flow rate (FA) 1.0 vvm = . m3.min-1 The superficial gas velocity (vs) is defined as: Note how superficial gas velocity and thus the bubble rise velocity slows in the disengagement zone.

Dd2.0 mAd..m2vs..m.min-1

Dt1.0 mAtm2vs..m.min-1

Which of the following is/are correct with regards to trickle flow bioreactors? a. The solids are completely immersed in the reactor liquid. b. A stirrer is typically used c. The liquid trickles over the surfaces over the solid surfaces d. The solids are covered by a thin layer of liquid to maximize oxygen transfer rates to the cells. Perform an Internet search using the keywords "trickle filter" and you will find many links referring to aquarium related sites. The term "wet and dry filter" is also used to describe these bioreactors as used in aquaria. Describe the function of trickle filter reactors in aquaria.Access the url:http://www.srs.gov/general/sci-tech/environmental/BioMobTrikFiltr.html Is the reactor being described at this site used with aerobic or anaerobic cells? The article refers to the term "biofilm". Why are the manufacturers of this system so concerned about biofilm growth?

What is rotating biological contactor? a. Draw a diagram of a rotating biological contactor. b. How is it similar to a trickle bed reactor and what are their advantages over a trickle bed reactor?