34 VI. DASAR PERANCANGAN BIOREAKTOR Kompetensi: Setelah

VI. DASAR PERANCANGAN BIOREAKTOR
Kompetensi: Setelah mengikuti kuliah mahasiswa dapat membuat dasar rancangan
bioproses skala laboratorium
A. Strategi perancangan bioreaktor
Kinerja bioreaktor ditentukan oleh kinetika reaksi biokimiawi dan fenomena
perpindahan massa. Analisis kedua hal tersebut dilakukan secara terpadu dalam suatu
sistem. Misalnya pencampuran antara beberapa fasa zat dalam bioreaktor. Pada
bioreaktor yang mempunyai ciri alir dan pencampuran yang berbeda, maka diperlukan
rancangbangun dan tata cara penggandaan skala yang berbeda.
Dalam analisis kinerja bioreaktor, maka ada pengaruh ukuran atau skala
bioreaktor terhadap pola pencampuran, pengaliran, perpindahan massa dan panas. Selain
itu dianalisis pula pengaruh laju alir massa yang berbeda dan medan perpindahan yang
berinteraksi dengan kinetika biokatalisis.
Untuk menentukan strategi saat mendeskripsi bioreaktor perlu diperhatikan
skala yang digunakan. Pada analisis bioproses dikenal ada 2 macam skala, yaitu skala
waktu nisbi dan skala panjang nisbi.
Kunci dalam menganalisis bioreaktor adalah identifikasi skala waktu dan
panjang untuk suatu fenomena yang dikaji dalam bioreaktor. Bioproses dimungkinkan
dapat dianalisis dalam skala waktu dan panjang yang lebih kecil atau lebih besar
daripada ciri proses itu sendiri. Pembandingan skala dapat digunakan secara berulang.
Agar deskripsi bioreaktor tepat, maka diperlukan metode untuk menciri suatu proses
reaksi dan perpindahan, serta kemampuan untuk menyelesaikan suatu model matematik
berdasar deskripsi suatu bioreaktor.
34
35
SPEKTRUM SKALA WAKTU
B. Perpindahan momentum dan massa
Fenomena perpindahan merupakan penentu rancang bangun bioreaktor.
Kinetika bioproses tergantung pengubahan yang dilakukan oleh enzim atau sel makhluk
hidup. Waktu reaksi atau volume bioreaktor yang diperlukan untuk mencapai
produktivitas yang diinginkan tergantung pada laju reaksi. Selain itu masih terdapat
faktor lain yang mempengaruhi laju reaksi dan volume serta rancangan dasar bioreaktor
yang akan digunakan. Mekanisme bioproses dan kinerja bioreaktor ditentukan oleh
perpindahan momentum dan massa, serta perpindahan panas.
36
SPEKTRUM SKALA PANJANG
Perpindahan momentum
Reologi suatu media sangat beragam. Untuk pertimbangan ekonomis, sering
digunakan konsentrasi / kadar tinggi, larutan yang lebih kental, atau suspensi dengan
kandungan padatan tinggi.
Perubahan viskositas atau sifat fisik media selama berlangsungnya bioproses,
merupakan suatu hal yang diperhatikan. Selain itu adanya perubahan konsentrasi media
selama bioproses terjadi akibat reaksi-reaksi metabolisme sel. Bersamaan dengan hal itu
terjadi pertumbuhan sel makhluk hidup yang digunakan dalam bioreaktor. Pada tabel
berikut tercantum data viskositas berbagai bahan. Setelah bahan–bahan tersebut
digunakan dalam reaksi biokatalisis, maka akan terjadi perubahan viskositas.
37
Media
Viskositas pada 20oC
Air
1
Sakarosa 40%
6
Minyak kedelai
62
Gliserol
1500
Tetes tebu
6500
Sifat Reologi Media Fermentasi
Faktor yang mempengaruhi reologik media
Faktor lingkungan seperti pH, suhu, kekuatan ionik, gaya geser, dan lainnya
berkaitan dengan reologik media. Jenis sel makhluk hidup yang digunakan menentukan
reologik media dalam bioreaktor. Di dalam media terdapat substrat berupa nutrisi/hara
yang sifatnya beragam, misalnya dapat larut atau tidak larut, dan produk hasil bioproses.
Selain itu juga terdapat udara yang sengaja didispersikan atau gas yang terbentuk selama
bioproses. Faktor-faktor tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:
38
Perpindahan massa
Perpindahan massa sangat berperan pada perilaku kinetika bioproses.
Sebagian besar bioproses terjadi dalam fasa cair, dalam hal ini migrasi molekul dalam
cairan relatif lamban. Perpindahan massa menjadi penting apabila bioproses melibatkan
beberapa fasa (cair-gas-padat), dan apabila suatu molekul melewati membran alami atau
sintetik. Sebagai contoh molekul yang melewati membran sel yang bersifat selektif
permeabel.
Perpindahan massa pada antar muka:
Perpindahan ini terjadi pada sistem heterogen yang terdiri atas beberapa fasa
(padatan, cairan, gas atau dua cairan tidak saling melarut). Perpindahan terjadi dari fasa
pertama menuju antar muka, kemudian dari antar muka menuju fasa kedua.
39
Perpindahan antar fasa:
Perpindahan massa antar fasa mempunyai arti penting, terutama dalam sistem
aerasi untuk bioreaktor yang menggunakan sel serobik. Perpindahan oksigen dari fasa
gas yang berupa udara ke media tumbuh yang berupa cairan atau padatan merupakan
proses yang terbatas. Oleh karenanya ini penting untuk diperhitungkan dalam merancang
suatu bioreaktor.
Perpindahan oksigen dari fasa gas ke fasa cairan berlangsung melalui beberapa tahap:
•
Difusi dari gas ke antar muka gas-cairan
•
Pergerakan melalui antar muka gas-cairan
•
Difusi zat terlarut melalui daerah cairan yang tidak tercampur dengan gelembung
ke dalam daerah cairan yang tercampur baik
•
Perpindahan zat terlarut melalui daerah cairan ke daerah cairan kedua yang tidak
tercampur di sekeliling sel
•
Perpindahan melalui daerah cairan kedua yang tidak tercampur yang
berhubungan dengan sel makhluk hidup
•
Perpindahan secara difusi ke dalam flok selular, atau partikel tanah, dan
perpindahan melewati dinding sel menuju sisi reaktif intraseluler
Berdasarkan teori dua film, maka perpindahan massa oksigen tersebut dapat
disederhanakan menjadi:
•
Perpindahan dari gas ke antar muka gas-cairan
•
Pelewatan daerah antar muka (interface)
•
Perpindahan dari antar muka gas-cairan ke dalam fasa cairan
40
Perpindahan Oksigen dari gelembung udara ke bagian dalam sel dapat digambarkan:
Perpindahan massa antar muka
41
Pada sistem heterogen yang terdiri atas beberapa fasa padatan dan cair, cair
dan gas, dan dua cairan yang tidak melarut, maka massa harus dipindahkan antara satu
fasa dan antarmuka yang memisahkan dua fasa tersebut. Perpindahan massa dari satu
fasa ke fasa yang lain terdiri atas dua perpindahan antarmuka, yaitu dari fasa pertama
menuju antar muka, dan dari antar muka menuju ke fasa ke dua.
C. Aliran dalam kolom dan pipa
Pada sistem bioproses yang heterogen, seperti enzim ztzu sel makhluk hidup
yang immobil, operasi dilakukan dalam suatu bioproses yang mempunyai konfigurasi
dasar berupa pipa atau kolom yang berisi butiran padat. Saat menganalisis energi yang
diperlukan untuk memindahkan zat alir memerlukan beberapa prinsip dasar fenomena
pengaliran.
D. Agitasi dalam bioreaktor
Umumnya suatu bioreaktor dilengkapi dengan suatu sistem pengadukan
(agitasi). Jenis-jenis agitator ada berbagai macam, dapat berupa impeler atau turbin pisau
pipih, pedal, heliks atau baling-baling (propeler). Skema agitator dapat dilihat pada
gambar berikut.
42
Tenaga agitasi:
Besarnya tenaga yang diperlukan untuk agitasi tergantung pada jenis agitator
dan sifat reologik media tumbuh dalam bioreaktor. Ada atau tidaknya turbulensi dapat
ditetapkan berdasarkan kaitannya dengan bilangan Reynolds agitasi, yang dapat
dituliskan sebagai berikut:
Rea = da2Np / µ
Keterangan: da : garis tengah agitator, N : laju rotasi (rps), p: densitas zat alir, µ =
viskositas zat alir.
Pengaliran dalam suatu bejana adalah laminar bila Re < 10, dan turbulen bila Re >
10.000. Re diantaranya, jenis pengalirannya adalah peralihan, lebih turbulen bila
dekat dengan turbin, dan laminar untuk yang jauh dari turbin. Tenaga agitasi pada
bejana tidak beraerasi dengan zat alir Newton atau non-Newton, akan berbeda
dengan tenaga agitasi pada bejana beraerasi dengan zat alir Newton atau nonNewton. Berikut hubungan bilangan tenaga dengan bilangan Reynolds untuk
berbagai jenis agitator.