28/06/2018

1

FERMENTOR / BIOREAKTORCapaian Pembelajaran :

• Mampu menjelaskan bioreaktor yang digunakandalam proses fermentasi

∗ Sebuah fermenter prinsipnya adalah alat dimana substrat dengan nilai (harga) yang rendah digunakan oleh sel hidup atau enzim untuk menghasilkan produk dengan nilai tinggi

∗ Merupakan sistem yang didisain untuk memberikan lingkungan yang baik untuk pertumbuhan dan aktivitas metabolisme dari mikroorganisme yang optimal

PENGERTIAN BIOREAKTOR

28/06/2018

2

PENGERTIAN BIOREAKTOR

� Wadah / tempat berlangsungnya bioproses� Tempat terjadinya reaksi enzimatis oleh katalis

(m.o. atau enzim m.o.)� Tempat pertumbuhan m.o. dalam mengubah

substrat menjadi produk yang dikehendaki

= Suatu unit alat yg digunakan untuk melangsungkanproses biokimia suatu bahan baku menjadi produk ygdiinginkan, prosesnya dikatalisis oleh enzim mikrobialatau mikrobial murni

� Memenuhi SYARAT-SYARAT BIOREAKTOR

1. Terbuat dari bahan yang sesuai (gelas atau stainlesssteel, permukaannya halus, tidak menimbulkanefek toksik dan tahan karat.

2. Menjamin pertumbuhan m.o dan produk3. Bebas Kontaminan4. Volume kultur relatif konstan (tdk bocor/

menguap)5. Kondisi lingkungan fisik yang sesuai bagi katalis

berinteraksi dengan substrat (suhu, pH, O2terlarut dll)

6. Desain � proses dapat dimonitor & dikontrol

SYARAT PROSES BIOREAKTOR

28/06/2018

3

SYARAT FISIK BIOREAKTOR

1. Tidak boleh ada hubungan antara bagian sistem yang steril dengan non-steril.

2. Hindari kelep-kelep / penghubung bentuk gelangan, karena bentuk demikian dapat mengendur akibat darigerakan/fibrasi alat dan kenaikan suhu, danmemungkinkan kontaminasi.

3. Bila mungkin seluruh konstruksi alat dilas.

4. Hindari ruang-ruang perangkap serta bentuk leher, karena ruangan seperti itu sulit untuk dibersihkan.

SYARAT FISIK BIOREAKTOR5. Semua bagian sistem harus dapat disterilisasi secara

tersendiri.

6. Setiap hubungan/kelep ke bejana harus dapat disterilkan dengan uap.

7. Gunakan katup-katup yang mudah dibersihkanmaupun disterilkan

8. Tekanan dalam fermentor harus tetap positif sehinggakalau ada kebocoran akan mengarah ke luar.

28/06/2018

4

Bioreaktor untuk fermentasi mikroba skala lab (10 liter) yangterbuat dary pyrex glass

Moderen Bioreactor (Agitated Bioreactor

28/06/2018

5

∗ Sistem agitator

∗ Sistem pengaliran oksigen

∗ Sistem kontrol foam

∗ Sistem kontrol suhu

∗ sistem kontrol pH

∗ Tempat pengambilan sampel

∗ Sistem pembersihan dan sterilisasi.

∗ Pipa untuk mengosongkan reaktor

Komponen Dasar

STRUKTUR BIOREAKTOR2

1

4

3

5 6

7

8

D

9

4

F

H L

KETERANGAN :

1 = pipa inokulasi

2 = seal stirrer sahft

3 = tinggi cairan kultur (=L)

4 = baffle (sekat)

5 = pipa sambung

6 = impeller

7 = pipa udara steril

8 = sparger udara

9 = pipa pengeluaran

H = tinggi fermentor

D = diameter fermentor

28/06/2018

6

ATURAN OPERASIONAL AGAR KONDISI STERIL :

∗ Sterilisasi fermentor, dengan uap bertekanan. Medium fermentasi dapatdisterilkan bersama di dalam fermentor atau secara terpisah.

∗ Sterilisasi penyediaan udara, dilakukan dengan menggunakan penyaringberserat atau penyaring absolut.

∗ Aerasi dan agitasi, berkaitan dengan jenis bahan, struktur geometrik danposisi pemasangannya serta penggunaan “seal”.

∗ Penambahan inokulum, nutrien dan bahan-bahan lain, harus dalamkeadaan tekanan positif dan lubang pemasukan dilengkapi sistempemberian uap.

∗ Pengambilan contoh (sampling).

∗ Pengontrolan buih.

∗ Monitoring dan pengontrolan berbagai parameter

28/06/2018

7

∗ Suhu

∗ oksigen terlarut

∗ bahan baku

∗ nutrisi

PARAMETER YANG DIKONTROL

KOMPONEN BIOREAKTORKOMPONEN FISIK1. Tangki � substrat2. Sparger � pompa udara : dispersi oksigen3. Impeller � agitasi campuran substrat + sel4. Baffle � saringan halus mencegah efek pusaran

akibat agitasi 5. Sensor � kontrol suhu, tekanan, agitasi, foam,

kecepatan aliran pH, kadar O2 dan perubahan komposisi medium

KOMPONEN PROSES1. Biokatalis � sel, enzim2. Kondisi lingkungan � dalam bioreaktor

28/06/2018

8

KOMPONEN BIOREAKTORTANGKI� Fermentor kapasitas 1-30 L

dari gelas /stainless steelpermukaan halus, tidakmenimbulkan toksik& tahan karat.

� Fermentor kapasitas >30 L biasanya dari stainless steel atau mild-steel.

KOMPONEN BIOREAKTOR

IMPELLER

1. Memperkecil ukuran gelembung udara sehingga areainterface untuk transfer oksigen menjadi besar danmenurunkan jarak difusi

2. Mempertahankan keseragaman kultur di seluruhbagian fermentor.

28/06/2018

9

Komponen-komponen agitator (impeller)

a. a. Piringan terbuka

b. Piringan van

c. Turbin terbuka

d. Propeller

28/06/2018

10

Sistem Agitator/Impeller

∗ Jumlah impeler tergantung pada tinggi cairan di dalamreaktor

∗ Setiap impeler memiliki 2-6 pisau

∗ Motor agitator fase tunggal (240 V) adigunakan untukreaktor kecil

∗ Pada reaktor besar digunakan motor 3 fase (430 v)

∗ Pengendalian kecepatan dilakukan dengan menggunakanalat pengurang kecepatan

28/06/2018

11

∗ Impeller shaft dapat dimasukkan dari dasar (Bottom entry) atau dari atas tanki (Top entry Impeller = Overhung Shaft).

∗ Overhung Shaft lebih mahal dan lebih sulit untuk dipasang

Bioreaktor Tanki Berstirer ; Sistem Agitasi ‐ Top entry dan bottom entry impellers

∗ Memerlukan perawatan yang lebih mahal karena kerusakan olehpartikel-partikel di dalam media dan komponen media yangmengkristal ketika reaktor tidak digunakan

Bottom Entry Impeller

28/06/2018

12

KOMPONEN BIOREAKTOR

• BAFFLE

� meningkatkan efisiensi aerasi dan mencegah aliran

atau sirkulasi cairan kultur yang terlalu cepat.

KOMPONEN BIOREAKTORSPARGER� memasukkan udara ke dalam cairan kultur dalam

fermentor

TIPE :� Sparger berpori : untuk fermentor skala lab.

laboratorium, tanpa agitator� Sparger orifice : pipa berlobang-lobang, mudah

tertutup mikroba� Sparger nozel : pipa terbuka atau tertutup

di bawah impeller

28/06/2018

13

Sparger

∗ Fungsi : memcah udara yang masuk menjadigelembung berukuran kecil

∗ Dapat terbuat dari gelas atau logam, tetapi yangpaling banyak digunakan adalah filter berbentuk ring

∗ Selama pengosongan fermenter, maka katup udara harus ditutup � mengurangi kontaminasi dari udara

Sparger

28/06/2018

14

Oxygen Delivery System

∗ Terdiri dari :

�Kompresor

�Sistem sterilisasi udara yang masuk

�Sparger udara untuk sistem sterilisasi udara yang keluar

∗ Kompressor

Oxygen Delivery System

28/06/2018

15

∗ Mendorong udara ke dalam reaktor � perlu tekananuntuk mendorong udara melewati filter, lubangsparger dan masuk ke dalam media fermentasi

∗ Untuk bioreaktor skala besar digunakan Kompresorudara yang dapat menghasilkan udara 250 kPa.

∗ Udara yang masuk harus kering dan bebas minyaksehinggatidak menutupi filter dan mengkontaminasimedia

Oxygen Delivery System ‐ Kompressor

∗ Mencegah kontaminasi yang berasal dari udara

∗ Juga mencegah mikroba yang ada di dalam reaktormengkontaminasi udara

∗ Metode yang umum digunakan adalah filtrasi

Oxygen Delivery System‐ Sistem Sterilisasi Udara

28/06/2018

16

∗ Jika kecepatan impeller terlalu rendah maka gelembung udara tidak akan dapat dipecahkan� terjadi buoyancy

Pengaruh Kecepatan Impeller

The bubbles will not be sheared into smaller bubbles and will tend to rise directly towards the surface

Smaller bubbles will be generated andthese bubbles will move with throughoutthe reactor increasing the gas hold up andbubble residence time

∗ Untuk fermenter skala besar (>1000 liter) digunakan filtermembran berupa polipropilen

Sterilisasi Udara

28/06/2018

17

SKALA BIOREAKTOR

1. SKALA LABORATORIUMDalam botol erlenmeyer ( 50-2000 ml dengan pengisianmaksimum 20 %).Kelebihan : dpt mengukur komposisi larutan nutrisi, suhudan suplementasi substratKelemahan : tidak dapat mengukur pH dan konsentrasioksigen

2. SKALA PILOT PROJECT3. SKALA INDUSTRI

• Setiap fermentor harus mempunyai “head space” sekitar ¼ atau 1/5 dari volume total, yang berguna untuk menyediakanruangan pada waktu aerasi dan pembentukan buih.

Headspace Volume

28/06/2018

18

JENIS BIOREAKTOR

1. Berdasarkan Tingkat Aseptis

2. Berdasarkan Sistem Aerasi

3. Berdsarkan Pemberian Substrat

TIPE BIOREAKTOR – BERDASARKAN TINGKAT ASEPTIS

1. TIPE SEPTIS (Non Aseptis)� Mikroorganisme kultur campuran � produk : pengembang roti, brewing/bir

2. TIPE ASEPTIS� tidak ada Mikroorganisme kontaminan� fine produk : antibiotik, SCP dll

28/06/2018

19

Tipe Non AseptisTipe Aseptis

SISTEM AERASI BIOREAKTOR

• Stirred tank (menggunakan sistem agitasi)

• Bubble column (udara dialirkan melaluisparger)

• Loop bubble column bioreactor (udara danmedia disirkulasi bersamaan melalui suatukolom)

28/06/2018

20

Proses fermentasi :

∗ Sistem tertutup

� Fermentor diisi oleh

nutrisi/medium, suhu & pH di set

sterilisasi

� Inokulum dimasukan proses

fermentasi hingga waktu yang

ditentukan

� Proses sampai fase akhir

log/stasioner

� Proses selanjutnya diulang

� Tidak ada nutrisi yang

ditambahkan

SubstratKonsentrasi

awal

Waktu

BATCH FERMENTOR

PEMBERIAN SUBSTRAT BIOREAKTOR

PEMBERIAN SUBSTRAT BIOREAKTOR

CONTINUOUS FERMENTOR

�Pemberian nutrisi secara kontinyu/berkala dalam

jangka waktu tertentu

� Volume nutrisi di dalam reaktor harus tepat antara

nutrisi yang dikeluarkan dan dimasukan harus ekivalen

� Proses fermentasi bersifat sensitif terhadap

kontaminasi, biomasa berkurang karena ikut terbuang,

perubahan fase biotik

28/06/2018

21

FED BATCH FERMENTOR

� Intermediary bioreactor

� Nutrisi ditambahkan pada saat fase yang dibutuhkan

� Selama proses fermentasi kecepatan pertumbuhan

mo dan konsentrasi biomasa dapat dikontrol dengan

penambahan nutrisi saat fase tertentu

PEMBERIAN SUBSTRAT BIOREAKTOR

RETENSI MIKROORGANISME

BATCH FERMENTOR�Mikroorganisme tidak hilang selama proses

fermentasi�MO. Memiliki waktu untuk beradaptasi dan

kecepatan pembelahan maksimum�Biotransformasi MO. Berjalan dgn baik dengan

parameter lingkungan yang terkontrol�MO dapat lebih cepat/lambat masuk ke fase

stasioner dan terakumulasi toksin saat nutrisiterbatas

28/06/2018

22

RETENSI MIKROORGANISME

CONTINUOUS FERMENTOR

�MO, nutrisi dan cairan dapat ikut terbuang

�MO membutuhkan waktu untuk beradaptasi lagisetiap penambahan nutrisi

�Rentan terhadap MO kontaminan

RETENSI MIKROORGANISME

FED BATCH FERMENTOR

� Pemberian nutrisi secara berselang

�Mikroorganisme lebih sehat karena nutrisidapat terpenuhi

28/06/2018

23

Contoh batch fermentor pada produksi lysin

PRINSIP KERJA BIOREAKTOR

28/06/2018

24

HAL-HAL YANG PERLU DIPERHATIKAN DALAM PENENTUAN MODEL BIOREAKTOR

∗ Pemilihan sistem fermentasi (batch, continuous, fed batch).

∗ Tipe bioreaktor dan cara operasinya.

∗ Sifat-sifat mikroba yang digunakan

∗ Melakukan penelitian pendahuluan untukmenentukan kondisi optimum suatu galur mikrobapada skala laboratorium, lalu di-scale up hingga layakuntuk diproduksi skala industri.