1

Rekayasa Bioproses(Kode MKA: 114151462)(Kode MKA: 114151462)

Pertemuan Ke-8Penggandaan Skala (Scale up)

Bioproses

Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 1

BioprosesDosen: Ir. Sri Sumarsih, MP.

E-mail: Sumarsih_03@yahoo.comWeblog: Sumarsih07.wordpress.com

DeskripsiPenggandaan skala bioproses:

Metoda dasarMetoda semi dasarAnalisis dimensionalKaidah ibu jari (rules of thumb)

Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 2

j ( )Coba-coba (trial and error)

Tujuan Instruksional Khusus (TIK)

M d k k l bi d Menggandakan skala bioproses dengan satu metoda

Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 3

Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-pragmatis

ISI MATERI

2

Pengembangan proses berdasar pendekatan empiris-sistematis (pemodelan matematik)

F t di ik•Fenomena termodinamiktidak tergantung pada skala misal kelarutan oksigen

•Fenomena mikrokinetiktidak tergantung pada skalamisal perilaku intrinsik makhluk hidup

•Fenomena perpindahan•Fenomena perpindahantergantung pada skala

misal unsur hara/nutrien /substrat yang dikonsumsi makhluk hidup dipasok dg perpindahan massa, makhluk hidup merupakan subyek fenomena geser yg merupakan perpindahan momentum

Proses Perpindahan dalambioreaktorMekanisme perpindahan: Pengaliran (konveksi) dan Difusi (konduksi)g ( ) ( )

Proses perpindahan sangat tergantung pada ukuran atau skala:

•Tetapan waktu perpindahan untuk pengaliran : tr = L/VUntuk bejana berpengaduk: V = NxL, maka kebutuhan tenaga per satuan volume (P/V) pada peningkatan skala: tr = L2/3

•Tetapan waktu perpindahan secara difusi : tD = L2/D

Waktu perpindahan (tr dan tD dapat meningkat selamapeningkatan skala, sedang waktu konversi (tc) relatif tetap

Fenomena yang berkaitan dengan pengaliran dan difusi

•

3

Metoda untuk meningkatkan skala (scale-up) bioreaktor

•Metoda dasar•Metoda semi dasar•Analisis dimensionalAnalisis dimensional•Kaidah ibu jari (rules of thumb)•Coba-coba (trial and error)

Cara lain untuk memperkecil perbedaan skala lab dan lapangan adalah dengan teknik pengecilan ukuran (Scale down) pada kondisi sama (OTR, waktu pencampuran, gaya geser, dan substrat/nutrien)

Skala penuh

Skalakecil

Rancangan awalBioreaktor skala penuh

Simulasi skala kecilkondisi lingkungan samadengan skala penuh

Penerapan padaskala penuh

Pemilihan galur optimasi kondisi lingkungan

Metoda dasar

Pemecahan neraca mikro untuk perpindahan momentum, massa, dan panaspanas

Rumit karena: harus menggunakan komponen perpindahan dalam 3

arahNeraca bersifat ganda, pemecahan neraca momentum

menghasilkan komponen alir yang harus digunakan dalam neraca massa dan panas

N t t k t li hNeraca momentum untuk zat alir homogen

Metoda ini hanya digunakan untuk:•Sistem sederhana•Kondisi aliran jelas•Tidak ada aliran

Metoda semi dasarPemecahan neraca disederhanakan: didasarkan pada penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan

M d l li b k di kModel aliran yang banyak digunakan:• Aliran curah (bulk flow)• Aliran piston (plug flow)• Aliran piston dengan dispersi• Aliran tercampur baik ( dalam 1 tangki/

seri beberapa tangki

Neraca massa untuk aliran piston satu arah dengan dispersi: (-v(dc/dx2))+(De(d2c/dx2))-r=0 Neraca massa untuk seri beberapa tangki (tangki no. n+1):Qv(Cn-Cn+1)=Vn+1rn+1

Analisis dimensionalMenggunakan gugus nirmatra (tidak berdimensi) sebagai parameter dalam rancang bangun bioreaktor yang dijaga tetap selama peningkatan skala

Momentum Reynolds Gaya dakhil / Gaya viskositas

Re=QvD(Reb=QND2)π π

Massa Fourier Waktu proses / Waktu difusi Fo=Dt/D2

Panas Nusselt Perpindahan

Bilangan Nirmatra yang digunakan untuk scale-up bioreaktor

Panas Nusselt Perpindahan panas total/ perpindahan panas konduksi

Nu=α .aD/λ

Reaksi Kimia Damkohler I Laju reaksi kimia/ perpindahan massa secara konveksi

Da1=rL2/vC

4

Kaidah ibu jari (rules of thumb)

Menggunakan patokan perpindahan oksigen (pO2) adalah fungsi dari Kla yang merupakan fungsi dari

/P/V

% Penggunaan patokan untuk peningkatan skala:Tetapan P/V (30%), tetapan Kla (30%), tetapan Vip (20%),

tetapan pO2 (20%)

P d b j b d k

Ukuran bejana/m3

a b

Pada bejana berpengaduk:

Kla = e(Pg/v)a.(vs)b

Peningkatan skala menyebabkan nilai a dan b mendekati sistem koalesensi

0,0050,51,00,002-2,6

0,950,6-0,70,4-0,50,4

0,670,670,500,50

Coba-coba (trial and error)

Metoda coba-coba merupakan metoda lama yang sudah jarang digunakan dalam peningkatan skala, j g g p g ,karena banyak kelemahan.

Metoda ini diterapkan secara bertahap pada sejumlah bioreaktor yang ukurannya meningkat.

Kondisi proses ditentukan, misal laju pengadukan, susunan media/nutrisi, dan kondisi lingkungan lain.

M t d i i ih b k di k t k ti iMetoda ini masih banyak digunakan untuk optimasi proses

RangkumanPenggandaan skala bioproses:Metoda dasar:

Pemecahan neraca mikro untuk perpindahan momentum, massa, dan panas (untuk sistem sederhana)Metoda semi dasar

Didasarkan pada penggunaan persamaan aliran yang disederhanakan (aliran curah, plug-flow/piston)Analisis dimensionalMenggunakan gugus tidak berdimensi sebagai parameter dalam rancang bangun bioreaktor yg dijaga tetap selama peningkatan skala

id h ib j i ( l f h b)

Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 15

Kaidah ibu jari (rules of thumb)Menggunakan patokan perpindahan oksigen (pO2) adalah fungsi dari Kla yang merupakan fungsi dari P/VCoba-coba (trial and error): diterapkan secara bertahap pada sejumlah bioreaktor yang ukurannya meningkat dengan kondisi proses tertentu

TUGAS KELOMPOK

sebagai latihan

Tugas ke 6:

Dari hasil pengerjaan tugassebelum UTS, tentukan skalawaktu dan panjang (dimensi)

g

waktu dan panjang (dimensi)bioproses untuk pilot plant atau aplikasi lapangan

5

ReferensiWajib

Sri Sumarsih, 2007. Materi kuliah Rekayasa Bioproses. on , y pline dalam Weblog: Sumarsih07.Wordpress.com (juga dapat diakses melalui www.google.com dengan kata kunci bioproses UPNVY).

Tambahan Mangunwidjaya, D. dan Suryani, A. 1994. Teknologi Bioproses, Penebar Swadaya. Jakarta.

Teknik Lingkungan- UPN[V]Yk 17