25

V. BIOREAKTOR SISTEM KONTINYU

Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat menyusun alur proses kontinyu

dalam bioreaktor

A. Prinsip sistem kontinyu

Pada sistem sederhana, enzim terus-menerus dimasukkan ke dalam

bioreaktor dan dikeluarkan dari reaktor melalui pompa pengumpanan dan pengeluaran

(effluent). Sistem ini hanya praktis apabila enzim yang digunakan relatif murah. Untuk

enzim yang mahal harganya, teknik ini dimodifikasi, misalnya dengan cara diimobilisasi

atau di daur ulang.

Pada bioreaktor sel, sistem kontinyu memungkinkan pemanjangan kurva

pertumbuhan sel. Selain itu juga memungkinkan dapat mempertahankan berbagai laju

dalam keadaan stasioner, misalnya untuk keadaan konsentrasi biomassa, komposisi

kimiawi media tumbuh (berupa substrat maupun produk), dan laju pertumbuhan sel.

B. CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor)

Penggunaan jenis bioreaktor tergantung metoda yang digunakan untuk

mencapai tingkatan aktivitas enzimatik yang diperlukan, atau cara mempertahankan

konsentrasi enzim, yang ditetapkan dengan neraca massa. Pendaur ulangan enzim hanya

layak jika enzim dapat dipisahkan secara murah dari aliran produk yang keluar dari

bioreaktor. Cara lain adalah dengan teknik pengisian enzim ke dalam surfaktan

cair/membran fosfolipida dan immobilisasi enzim pada penyangga magnetik.

Bioreaktor sistem kontinyu ada berbagai macam, baik bioreaktor enzimatik

maupun bioreaktor sel. Berikut adalah gambar jenis-jenis bioreaktor kontinyu CSTR

(Continuous Stirred Tank Reactor) untuk reaksi enzimatik.

26

Kinetika reaksi dalam sistem bioreaktor CSTR enzimatik

Neraca massa pada CSTR dapat dihitung sebagai berikut:

27

+ = +

Dengan demikian dapat dirumuskan sebagai berikut:

Q S0 – rs = QS + V (dS/dt)

Dalam keadaan steady state: dS/dt = 0 maka neraca substrat menjadi:

Q(S0 – S) = rs

rs : laju pengurangan substrat dalam reaktor

Daerah dinamik dan daerah stasioner pada kinetika reaksi enzimatik dapat digambarkan

sebagai berikut:

Waktu lewat atau waktu tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai τ . Konsentrasi

substrat yang keluar dari bioreaktor tergantung kinetika reaksi.

Waktu lewat/waktu tinggal dalam bioreaktor dinyatakan sebagai:

τ = V/Q

Jumlah substrat masuk

per satuan waktu

Jumlah substrat masuk

per satuan waktu

Jumlah substrat yang ditransforma

sikan per satuan waktu

Jumlah substrat

yang keluar per satuan

waktu

Variasi jumlah substrat

per satuan waktu

28

Konsentrasi substrat yang keluar dari bioreaktor dinyatakan dalam:

a. Kinetika Michaelis-Menten

Q(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S)

b. Apabila ada penghambatan oleh substrat

Q(S0- S) = V (Vµtmaks.S)/(KM +S+ (S2/K1))

CSTR Bioreaktor sel

Pada bioreaktor kontinyu dapat terjadi:

• Pemanjangan kurva pertumbuhan sel.

• Laju konsentrasi biomassa, komposisi kimiawi media (baik substrat maupun

produk), dan laju pertumbuhan dapat dipertahankan pada keadaan stasioner.

• Kondisi optimal untuk memproduksi biomassa atau produk.

Untuk mempelajari sistem kontinyu dapat menggunakan teori kemostat. Dalam teori

kemostat untuk sistem kontinyu, digunakan hipotesis sebagai berikut:

• Bioreaktor teragitasi secara baik

• Volume media konstan

Skema kemostat untuk Bioreaktor sel kontinyu dapat digambarkan seperti:

29

Dari skema kemostat tersebut, maka dapat dihitung neraca biomassa, neraca substrat,

dan neraca produk pada keadaan stasioner.

Neraca biomassa:

jumlah biomassa + Jumlah biomassa = jumlah biomassa + variasi jumlah

masuk/waktu terbentuk/waktu keluar/waktu biomassa perwaktu

Dari neraca tersebut dapat dirumuskan sebagai:

QX0 + V rµtx = QX + (d(XV)/dt)

Laju pembentukan biomassa per satuan volume media tumbuh dalam bioreaktor,

dinyatakan sebagai :

rµtx = Q/V(X-X0)

Neraca substrat:

Berdasarkan keseimbangan masukan dan keluaran substrat, seperti pada

neraca biomassa, maka neraca substrat dapat dinyatakan sebagai:

QS0 - V rµts = QS + (d(VS)/dt)

Laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor pada keadaan stasioner adalah:

rµts = D (S0-S)

Neraca produk:

Pembentukan produk juga dapat diperhitungkan sebagai neraca produk, dan

dinyatakan dengan rumus:

V rµtp = QP + (d(V/P)/dt)

rµtp = laju pembentukan produk per satuan volume bioreaktor

30

C. CSTR bioreaktor sel dengan pendaur ulangan

Skema CSTR dengan pendaur ulangan

Analisis kinetik CSTR dengan pendaur ulangan:

Pada sistem CSTR dengan pendaur ulangan, laju dilusi(D) atau pengenceran

lebih besar dari laju pertumbuhan spesifik (µ). Konsentrasi sel pada aliran daur lebih

tinggi dibanding aliran keluar. Laju pertumbuhan sel sama tetapi dapat memproses

substrat lebih banyak. Umumnya produk biomassa per satuan volume lebih besar dari

CSTR biasa tanpa pendaur ulangan. Dengan demikian dimungkinkan untuk berproses

pada laju D tinggi tanpa terjadi pencucian sel keluar bioreaktor (washout). Pada CSTR

biasa apabila D>µ maka akan terjadi washout.

Kemostat dalam praktek ada beberapa faktor pembatas substrat, yaitu:

• Pembatas substrat: C, K, Mg, fosfat, N, sulfat, dan substrat kompleks

• Pembatas oksigenasi

• Reaksi penghambatan

• Pendaur ulangan biomassa

31

Skema CSTR dengan pendaur ulangan biomassa

D. PFTR/PFR (Plug-Flow Tubular Reactor)

PFR (Plug Flow Reactor)/PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) merupakan

sistem bioreaktor tubular piston atau aliran sumbat. Apabila suatu zat alir mengalir

dalam suatu pipa atau terowongan dengan bilangan Reynolds cukup besar ( 2.100),

maka hal ini menyerupai suatu aliran piston (plug-flow). Tidak ada variasi kecepatan

aksial pada penampang melintang pipa. Berdasarkan hal ini, maka keseimbangan massa

dalam PFTR dapat disusun menggunakan persamaan diferensial.

Dengan pendekatan tersebut maka dalam aliran piston dengan kecepatan

tetap, setiap lapisan tipis zat alir yang mengalir dalam pipa tidak bereaksi dengan lapisan

di sebelahnya. PFTR ini merupakan suatu sistem segregasi total, dengan setiap lapisan

zat alir merupakan suatu bioreaktor curah (batch). Apabila waktu tinggalnya sama

dengan sistem batch, maka produk yang keluar sama dengan bioreaktor batch. Skema

bioreaktor piston dapat digambarkan seperti berikut ini:

32

Neraca massa dinyatakan dalam:

QS- rµts dV = (S + dS)

Apabila dibandingkan antara PFTR dengan CSTR, maka PFTR pada volume sama,

konsentrasi substrat dan produk lebih tinggi dari CSTR. PFTR dapat digunakan untuk

memaksimalkan konsentrasi produk pada aliran keluar.

Perbandingan PFR dan CSTR:

Perbandingan waktu tinggal atau waktu lewat dalam bioreaktor (τ):

CSTR : τ = V/Q = (S0-S)/ rµts

PFR : τ = V/Q = dS/ rµts …………………..waktu tinggal lebih pendek

rµts : laju penggunaan substrat per satuan volume bioreaktor

konsentrasi substrat masuk (S0) dan konsentrasi substrat keluar (S)

Perbandingan waktu tinggal dalam bioreaktor antara PFTR dengan CSTR

dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:

33

OTR (oxygen transfer rate) PFTR Bioreaktor sel

PFR Bioreaktor sel

Sistem PFR dapat dirancang menggunakan pendaur ulangan maupun tanpa

pendaur ulangan. Skema PFR tanpa pendaur ulangan dapat digambarkan sebagai

berikut: