Download - Heat transfer pada Bioreaktor

Transcript
Page 1: Heat transfer pada Bioreaktor

OLEH:

BAYU KRESNA ADILIA RISADI

WANVIA VANGESTIDIDIN MASROFIANAPUTRIBONAN IMANUEL RATMO

Heat Transfer padaBioreaktor

Page 2: Heat transfer pada Bioreaktor

AbstrakDalam memproduksi sebuah rekayasa

produk, Sebuah bioreaktor harus dapat menyediakan lingkungan yang terkendali dan harus sesuai dengan persyaratan biologis, biokimia, dan biomekanik.

Dalam menghasilkan sebuah produk dari bioreaktor, kita harus mengetahui atau mengontrol reaksi yang terjadi didalam reaktor. Contohnya : Transfer eksternal massa, perpindahan panas, kecepatan parameter seperti oksigen, karbon dioksida, nutrisi dan metabolisme transportasi bahan limbah.

Page 3: Heat transfer pada Bioreaktor

Pendahuluan Bioreaktor umumnya terdapat proses biomekanik dan

biokimia lingkungan yang berfungsi untuk mengontrol nutrisi dan oksigen yang ditransfer ke sel-sel serta mengontrol produk metabolisme dari sel-sel. Hal tersebut juga merupakan perangkat yang dirancang untuk pertumbuhan optimal dan aktivitas metabolik dari organisme melalui aksi biokatalis, enzim atau mikroorganisme dan sel-sel hewan atau tanaman. Bioreaktor pada umumnya berbeda dari reaktor, hal ini dikarenakan bahwa bioreaktor mengutamakan dan mengendalikan entitas biologis. Sehingga kondisi dari bioreaktor harus benar-benar menguntungkan bagi pertumbhan dan kehidupan mikroorganisme.bioreaktor dapat digunakan untuk biokonversi dan biotransformasi. Yang termasuk produk konversi yaitu: ragi, protein sel tunggal, kultur starter, dan metabolit primer (misalnya asam amino, asam organik, vitamin, polisakarida, etanol, dll) sedangkan produk biotransformasi misalnya : biotransformasi steroid, L-sorbitol dll). bioreaktor dapat juga disebut sebagai fermentor yang menggunakan sel hidup sebagai biokatalis tersebut.

Page 4: Heat transfer pada Bioreaktor

Ukuran bioreaktor bervariasi berdasarkan sel mikroba. Kapasitas volume (100-1000 ml) untuk skala fermentor laboratorium, (1-50 mm3) untuk level percontohan, (0,3-10 m3) ke skala pabrik, (2 - 500 m3) untuk volume besar dalam aplikasi industri.

Beberapa hal bioteknologi yang harus dipahami dalam sebuah perancangan bioreaktor : laju reaksi, pertumbuhan sel, kondisi lingkungan. Yang termasuk kondisi yaitu : udara, oksigen, nitrogrn, suhu, karbon dioksida dan pH.

Page 5: Heat transfer pada Bioreaktor

Bioreaktor Desain dan OperasiSebuah desain bioreaktor yang baik harus mengatasi peningkatan produktivitas maupun validasi parameter yang diinginkan yaitu memperoleh produk-produk berkualitas yang lebih tinggi dengan biaya yang efektif. Desain dan mode pengoperasian bioreaktor tergantung pada produksi organisme, kondisi optimum diperlukan untuk produk yang diinginkan pembentukan , produk nilai dan skala produksinya. Investasi modal dan biaya operasi juga faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam desain bioreaktor. Selama fermentasi, kondisi monoseptik, pencampuran optimal yang rendah, shear rates yang seragam harus dipertahankan selama proses berlangsung.

Page 6: Heat transfer pada Bioreaktor

Suatu bioreaktor terbagi menjadi : volume kerja (working volume) dan volume head-space seperti yang terlihat pada gambar.

Volume kerja : fraksi volume total yang dipakai media, mikroba dan gelembung gas volume yg tersisa = “head-space”.

 

Umumnya volume kerja : 70-80 % volume bioreaktor, tergantung busa yang terbentuk

Bila banyak busa yg terbentuk, maka dibutuhkan headspace lebih besar dan volume kerja yang lebih kecil

Page 7: Heat transfer pada Bioreaktor

Bioreaktor-Pengertian dalam Perpindahan Massa

Perpindahan massa, disebut gerakan molekul antara fase kontrol atau pengaruh tingkat konversi reaksi. Dalam sebuah bioreaktor, komponen untuk transfer massa biasanya termasuk oksigen, elektron akseptor , jumlah karbon organik (TOC) , kebutuhan oksigen kimia (COD), biomassa, amonium dan nitrat, dan makronutrien ( Agomuoh PK , 2011) Daerah perpindahan massa antar muka ditentukan atas dasar distribusi ukuran gelembung diukur nya .Transfer massa sisi cair bervariasi dengan gas. (Raymond Lau & Tao Chen , 2012) . Tinggi cairan statis meningkatkan massa gas –cair transfer rate untuk meningkatkan daerah perpindahan massa antar muka . Ukuran gelembung karena untuk jenis distributor gas yang digunakan juga mengatur kecepatan transfer massa .

Page 8: Heat transfer pada Bioreaktor

Koefisien perpindahan massa overall adalah kombinasi koefisien perpindahan massa fase cair, fase gas, dan biofilm, diberikan dengan persamaan

1/koverall=1/kL+1/kG+1/kB

Perpindahan massa volumetri overall dari fase gas ke fase aqua (R)

R=kL a(CG /H-CL )= (DAL/δfilm )a(CG /H-CL)

Dimana, kL : koefisien volumetri (s-1)

CG : konsentrasi polutan pada fase gas (g/m3)

CL : konsentrasi polutan pada fase cair (g/m3) H : koefisien Henry DAL : Difusivitas gas polutan pada cairan (m2 s-1)

δfilm : ketebalan film cairan (m) a : area permukaan spesifik antara fase gas dan cair

(m2 m-3)

Page 9: Heat transfer pada Bioreaktor

Tipe BioreaktorAda tiga jenis reaksi yang terlibat dalam fermentasi proses yaitu batch, kontinyu dan semi-kontinyu atau fed-batch. Tergantung pada kebutuhan strategi budaya dan media ke bioreaktor (Brian McNeil & Linda M Harvey, 2008)

Page 10: Heat transfer pada Bioreaktor

Proses BatchDalam proses batch, setelah sterilisasi, medium kultur steril diinokulasi dengan mikroorganisme. Selama periode reaksi ini, sel-sel, substrat termasuk garam nutrisi, vitamin dan konsentrasi produk bervariasi dengan waktu. Fermentasi diperbolehkan untuk menjalankan untuk waktu yang telah ditetapkan dan produk dipanen pada akhir (Carberry James J, 1976). Untuk mempromosikan budidaya aerobik, media adalah aerasi untuk memberikan aliran oksigen terus menerus. Gas oleh-produk seperti CO2 dihapus; aerasi dan penghapusan gas proses berlangsung semicontinuously (Williams JA, 2002).

Page 11: Heat transfer pada Bioreaktor

Kurva Pertumbuhan Mikroorganisme

Page 12: Heat transfer pada Bioreaktor

Desain Bioreaktor Batch

Page 13: Heat transfer pada Bioreaktor

Bioreaktor Batch terdiri dari tangki tunggal yang mampu melaksanakan urutan reaksi dan mudah dioperasikan. Tangki ini dilengkapi dengan agitator (tangki reaktor berpengaduk- STR) untuk campuran reaktan bersama dengan pemanas integral dan sistem pendingin. Larutan buffer atau pH controller digunakan untuk mengontrol pH reaktan. Alat ini dapat bervariasi dalam kapasitas dari kurang dari 1 liter untuk lebih dari 15.000 liter. Cairan dan padatan biasanya dibebankan melalui lubang di penutup atas pada reaktor. Uap dan gas juga debit melalui koneksi di bagian atas. Biasanya cairandikeluarkan dari bawah.

Page 14: Heat transfer pada Bioreaktor

Mass Balance for Batch Reactors

d(VC)/dt = Q in .C in - Q out.C out + R.Vdimana, d(VC)/dt = Kecepatan massa akumulatif dalam control volumeQ in = Laju alir masuk dalam systemQ out = Laju alir keluar dari systemC = KonsentrasiR = Kecepatan reaksiV = Volume Q in – Q out = 0

Karena itu,(VC)/dt = RV (jika volume reaktan berubah signifikan) ataud(C)/dt = R (jika volume reaktan konstan)R= k. C Dimana, k = Kecepatan konstan, C= Konsentrasi

Page 15: Heat transfer pada Bioreaktor

Proses Kontinu

Page 16: Heat transfer pada Bioreaktor

Desain Bioreaktor Kontinu

Page 17: Heat transfer pada Bioreaktor

Mass Balance for CSTR

Page 18: Heat transfer pada Bioreaktor

Fed-Batch Process

Page 19: Heat transfer pada Bioreaktor

Special Purpose Bioreactor Plug Flow Reactor

Plug flow reactor juga disebut sebagai tubular atau reaktor piston-flow. Ini adalah bejana, yang mana alirannya kontinu dan searah dikondisi steady state. Dalam reaktor tubular ideal, aliran fluida bagaikan plug solid atau piston, dan waktu reaksi adalah sama untuk semua material yang mengalir pada setiap tabung penampang diberikan. Aliran fluida dihipotesiskan sebagai plug atau piston dalam reaktor tubular dengan waktu reaksi yang identik di atas reaktor penampang. Konsentrasi substrat dan mikroorganisme bervariasi di seluruh reaktor. Reaktor tubular fungsional mirip dengan reaktor batch karena mereka memberikan kekuatan pendorong tinggi di awal; hal ini berkurang saat reaksi terus-menerus sepanjang tabung. (National Technical University of Athens, 2008).

Page 20: Heat transfer pada Bioreaktor

Mass balance for plug flow reactordaerah lintas reaktor sectional sebagai 'A c' dan disk tipis dengan ketebalan infinitesimal 'Δz' untuk elemen volume reaktor, material balance untuk elemen volume adalah sebagai berikut: d (VC) / dt = Qin z. Cin - Qout z + Δ z. Cout + R. ΔVDimana d (VC) / dt = Tingkat akumulasi massa dalam volume control Qin (laju aliran ke dalam sistem) = Qout (tingkat ow keluar dari sistem) = QCin = Konsentrasi aliran disk inlet (z); Cout = Konsentrasi aliran disk outlet (z + Δz)R = Tingkat reaksiV = Volume ReaktorMembagi persamaan di atas dengan ΔVd (C) / dt = - dC.Q / dV + RJika tabung memiliki penampang konstan, 'Ac', kemudian kecepatan, 'v' terkait dengan laju aliran volumetrik oleh v = Q / Ac, panjang aksial berkaitan dengan volume tabung dengan z=V/Ac,Persamaan dapat disusun kembali sebagaidC / dt = d (C v) / dz + R atau R = dC / dt - d (Cv) / dz

Page 21: Heat transfer pada Bioreaktor

Reaktor Bubble ColumnReaktor kolom gelembung adalah salah satu jenis yang paling sederhana dari reaktor, yang mudah untuk di-scale-up (Kantarci N, et. al 2005). Reaktor terdiri dari bejana silinder dilengkapi dengan gas sparger, yang mendorong gelembung gas ke fase cair atau suspensi cair-padat. Untuk penanganan fase padat, reaktor yang disebut sebagaislurry bubble column reactor. (Borakb &Kutlu O. Ulgena, 2005; Henzler H.J & Kauling, 1985). Reaktor dapat digunakan untuk memproduksi bahan bakar sintetis ramah lingkungan seperti methanol (Kawase Y & T Kumagi, 1991; afrodita.rcub.bg.ac.rs). Gelembung (bubble) ini menciptakan tegangan geser (shear stress) yang lebih kecil dibandingkan dengan reaktor lain dengan agitator. (Kantarci N, et. al 2005).

Page 22: Heat transfer pada Bioreaktor

Airlift Bioreactor (ALB)Dikenal juga sebagai reaktor menara menggunakan perluasan kompresi gas untuk pencampuran. ALB dapat digunakan dengan bebas dan imobilisasi sel dan cocok untuk bakteri, ragi, jamur, tanaman, dan sel hewan. Dalam reaktor ini, volume fluida dibagi dengan menyediakan aliran udara di dalam pipa untuk meningkatkan sirkulasi & perpindahan oksigen dan menyamakan gaya geser dalam reaktor (Veera UP & Joshi JB, 1999).Udara mengalir melalui riser tube, membentuk gelembung, dan gas buang dilepaskan dari atas kolom. Cairan yang kehilangan gas (degassed liquid) kemudian mengalir melalui downcomer dan produk dikosongkan dari bawah tangki. Tabung downcomer dapat dirancang sebagai internalheat exchanger, atau eat exchanger dapat ditambahkan ke sirkulasi loop internal. (Christi M.Y, 1989). Sparging dilakukan baik di dalam atau di luar draft tube. Jika tanpa pengadukan, reaktor membutuhkan energi yang rendah sehingga energi sistem menjadi efisien. ALB meningkat kan perpindahan massa seperti peningkatan kelarutan oksigen yang dicapai dalam tangki besar dengan airan yang terkendali dan pencampuran efisien dengan waktu tinggal yang baik (Bailey & Olis, 1986).

Page 23: Heat transfer pada Bioreaktor

Packed Bed Bioreactor

Biokatalis yang bergerak dikemas dalam kolom dan diberi umpan dengannutrisi baik dari atas atau dari bawah. Terdiri dari cairan nutrisi terlarut dan substrat mengalir melalui solid bed. Laju aliran fluida dan waktu tinggal dikendalikan untuk menambah atau mengurangi kontak substrat dengan bed. Bagian dalam packed-bed terletak baik eksternal, atau dalam, reservoir medium (metal.ntua.gr/).

Packed-bed dapat dijalankan dalam mode terendam (submerged) (dengan atau tanpa aerasi) atau dalam mode tetesan aliran (trickle flow). Kecepatan aliran di saluran dapat ditinggikan untuk menghilangkan batasan perpindahan massa eksternal dalam film cair yang berdekatan. Secara bersamaan, penyumbatan dapat dihindari, meskipun pada nilai penurunan tekanan tinggi ( Wang G et.al, 1992)

Sifat tidak dikehendaki reaktor ini meliputi pengaturan suhu yang buruk, gradien panas, reaksi samping yang tidak diinginkan dan kesulitan menggantikan katalis, juga dapat mengalami penyumbatan dan memiliki perpindahan oksigen yang buruk. Perubahanporositas bed selama operasi mengubah karakteristik aliran reaktor tersebut.

Reaktor ini umumnya digunakan dalam teknik air limbah.

Page 24: Heat transfer pada Bioreaktor

Fluidized Bed ReactorsFluidized bed reactors (FBRs) merupakan packed bed dengan ukuran partikel yang lebih kecil. Dengan demikian masalah penyumbatan, tinggi penurunan tekanan cairan, daripenyaluran dan solid bed dapat dicegah dibandingkan dengan reaktor packed bed. Reaktor ini beroperasi dalam keadaan kontinu dengan pencampuran partikel dan gradien suhu yang seragam. Dalam reaktor ini, sel-sel yangpartikel-partikel kecil yang bergerak bergerak dengan fluida tersebut. Semakin kecilukuran partikel memfasilitasi tingkat yang lebih tinggi dari perpindahan massa, transfer oksigen dan nutrisi ke sel. Konsentrasi biokatalis secara signifikan dapat lebih tinggi dan keterbatasan pencucian dari sistem sel bebas dapat diatasi (Gibilaro L.G, 2001). Dalam reaktor ini, area penampang diperluas dekat bagian atas untuk mengurangi kecepatan superficial dari fluidisasi cair untuk nilai di bawah kecepatan terminal partikel untuk mencegah elutriasi. Efisiensi FBR tergantung pada ikatan partikel yang dipertahankan dalam suspensi oleh laju aliran ke atas dari fluida. Partikel sering disebut biofilm carrier dan merupakan inti lembam (inert) pada biomassa yang dibuat oleh lampiran sel; atau partikel berpor di mana biokatalis yang terperangkap (self-imobilization).

Page 25: Heat transfer pada Bioreaktor

Heat Transfer pada BioreactorPerpindahan panas (heat transfer) untuk bioreaktor bervariasi.Fermentor anaerob dan reaktor kultur sel biasanya memiliki tingkat produksi panas yang sangat rendah, sedangkan fermentor aerob dapat memiliki nilai produksi panas cukup tinggi. Nilai ini biasanya berkorelasi dengan konsumsi oksigen. Perkiraannya 460.000 kJ/mol oksigen yang dikonsumsi, atau sekitar 110 kkal/mol. Mid-range OUR (Oxygen Uptake Range) sebesar 200 mmol/L-hditafsirkan menjadi tingkat perpindahan panas sebesar 22 kkal/L-h. Panas pengadukan dan kekuatan ekspansi udara harus ditambahkanuntuk ini, dan panas penguapan air dengan aliran udara dikurangi (karena diasumsikan bahwa gas masuk keadaan kering dan meninggalkan dalam keadaan jenuh dengan air).

Panas dapat dihilangkan oleh loop pertukaran panas eksternal atau permukaan internal bejana. Loop eksternal dapat dibuat dalam kapasitas apa pun yang dibutuhkan, tetapi mungkin menjadikan organisme bersifat thermal-shock dan kekurangan oksigen. Kebanyakan fermentor, oleh karena itu, menggunakan permukaan internal. Contoh ini meliputi tank jackets (Gambar 5), helical coils (Gambar 6), dan ikatan vertikal tabung, yang berfungsi ganda sebagai tank baffles (Gambar 7). Besar fermentor mungkin memerlukan beberapa bundel/ikatan dengan beberapa baris tabung per ikat (Gambar 8).

Page 26: Heat transfer pada Bioreaktor
Page 27: Heat transfer pada Bioreaktor
Page 28: Heat transfer pada Bioreaktor

Persamaan berikut mungkin berguna untuk menghitungkoefisien perpindahan panas proses-side konvektif (h dan hc), Yang dimasukkan ke dalam jumlah Nusselt (NNU).Bilangan Nusselt digunakan dalam semua standar panas- konvektifmentransfer korelasi untuk menghubungkan koefisien konvektif perpindahan panas ke dimensi fisik, konduktivitas termal,turbulensi, dan efek properti fluida dan geometri lainnya. Untuk jaket bawah (seperti pada Gambar 5):

NNu = K(NRe)2/3(NPr)1/3(μ/μw)0.14

Dimana K = 0,5 untuk turbin Rushton, K = 1,08 untuk pitched-turbin blade, dan K = 0,9 untuk hydrofoils umum. untukjaket, jumlah Nusselt adalah NNU = hT/k.

Untuk dinding samping jaket (Gambar 5):

NNu = K(NRe)2/3(NPr)1/3(μ/μw)0.14

dimana K = 0,74 untuk turbin Rushton, K = 0,45 untuk pitched-turbin blade, dan K = 0,31 untuk hydrofoils umum.

Page 29: Heat transfer pada Bioreaktor

Untuk coil heliks tunggal, bilangan Nusselt didefinisikan sebagai NNU = hc dt/ k

NNU = K (NRE)0,67 (NPR)0,37 (D/T)0,1 (dt/T)0,5

dimana K = 0,17 untuk pitched-blade atau turbin radial dan K = 0,14 untuk hydrofoils umum.

Untuk sebuah tumpukan baffle tabung tunggal vertikal dan bilangan Nusselt sama (NNU = hcdt/ k):NNU= K (NRE) 0.65(NPR)0,3(D / T)0,33(2 / nb)0,2(μ / μw)0,14

dimana K = 0,09 untuk pitched-blade atau turbin radial dan K = 0,074 untuk hydrofoils umum.

Page 30: Heat transfer pada Bioreaktor

Untuk beberapa tumpukan dari kumparan heliks (helical coil), atau beberapa baris tabung dalam bundel, masking effect pada koefisien process-side dapat diperkirakan dengan menggunakan faktor 0,8 untuk setiap baris tambahan lebih dari 1: K (mutiple)= K(0.8)(n-1)

dimana n adalah jumlah baris dalam setiap bundel.

Page 31: Heat transfer pada Bioreaktor

Keterangan:

dt = coil or tube diameter, m

h = convective heat-transfer coeffcient, J/m2-s

hc = convective heat-transfer coeffcient to coil, J/m2-s

K = correlation constant

NNu = Nusselt number (dimensionless), hT/k or hc dt/k

NPr = Prandtl number (dimensionless), CPμ/k

NRe = impeller Reynolds number (dimensionless), D2Nρ/μ

T = tank diameter, m

μ = viscosity, kg/m-s

μw = viscosity at wall or heat-transfer surface, kg/m-s

Page 32: Heat transfer pada Bioreaktor

Kesimpulan

Pemilihan desain bioreactor dan memahami proses atau operasi merupakan hal yang menentukan kelayakan ekonomi dan menentukan efektifitas dari sebuah bioproses.

Metode perhitungan rekayasa yang tepat akan memberikan pemahaman kuantitatif dari perpindahan massa dan panas.

Desain dan bentuk pengoperasian bioreactor bergantung pada produksi jenis organismenya, morfologi sel, kondisi optimum untuk pembentukan produk, serta nilai dan skala produksinya.

Page 33: Heat transfer pada Bioreaktor

ReferensiSingh, Jagriti et. al. 2014. Bioreactors –

Technology and Design Analysis. The Scitech Journal vol. 01

Benz, Gregory T. 2011. Bioreactor Design For Chemical Engineers. American Institute of Chemical Engineers (AlChE)