Jenis Bioreaktor [PDF]

Citation preview

TUGAS KULIAH KULTUR SEL URAIAN JENIS-JENIS BIOREAKTOR DOSEN PENGAMPU : Dr. Dianursanti S.T., M.T. dan Dr. Saptowo Jumali Pardal



NAMA : MUH. A. H. VINCI KURNIA NPM : 1306403390 JURUSAN : TEKNOLOGI BIOPROSES



PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2015 A. Pendahuluan



Bioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuah peralatan atau sistem yang mampu menyediakan sebuah lingkungan biologis yang dapat menunjang terjadinya reaksi biokimia dari bahan mentah menjadi bahan yang dikehendaki. Reaksi biokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme tertentu, baik secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreactor dengan unggun atau bioreaktor membran. Merancang bioreaktor adalah perkara rekayasa yang lumayan rumit. Mikroba atau sel hanya mau bereproduksi dengan baik bila kondisi lingkungan optimal. Untuk mencapainya, gas dalam bioreaktor, seperti oksigen, nitrogen, dan karbon dioksida; aliran; temperatur; pH; serta kecepatan adukan harus terkendali. Umumnya klasifikasi Bioreaktor dibedakan berdasarkan pemasukan nutrisi ke dalam bioreactor. Bioreaktor dibagi menjadi tiga jenis :   



Bioreaktro curah (batch/bulk) Bioreaktor Sinambung (continuous) Bioreaktor Semi-sinambung (fed batch)



Gambar 1. Jenis bioreactor berdasarkan pemasukan nutrisi ke dalam bioreactor (Sumber: https://lms.ipb.ac.id/pluginfile.php/17163/mod_resource/content/0/DTM_VI._IN OKULUM_METODE_KULTIV_revisi.ppt)



B. Bioreaktor Batch



a. Pengertian Menurut Iman (2008), Batch Process merupakan fermentasi dengan cara memasukan media dan inokulum secara bersamaan ke dalam bioreactor dan pengambilan produk dilakukan pada akhir fermentasi. Pada system batch, bahan media dan inokulum dalam waktu yang hampir bersamaan di masukan ke dalam bioreactor, dan pada saat proses berlangsung akan terjadi terjadi perubahan kondisi di dalam bioreactor (nutrient akan berkurang dan produk serta limbah).



Gambar 2. Bioreaktor jenis curah (batch) (a), serta desainnya (b). (Sumber: https://upload.wikimedia. org (a) dan a.



b.



www.slideshare.net (b)



b. Karakteristik 



Resiko kontaminasi rendah







Kultur curah merupakan cara yang paling sederhana, sehingga menjadi titik awal untuk studi kinetika







Tidak perlu mikroba dengan kestabilan tinggi







Dapat untuk fase fermentasi yang berbeda pada bioreaktor yang sama (Contoh produksi metabolit sekunder e.g antibiotik



pertumbuhan sel pada fase



eksponensial & pembentukan produk pada fase stasioner) 



Dari aspek rekayasa proses, kultur curah lebih fleksibel dalam perencanaan produksi, terutama untuk memproduksi beragam produk dengan pasar kecil







Kelemahan : produk yang menghambat pertumbuhan terakumulasi, sehingga metabolisme sel terganggu



c. Cara Kerja Sebagai contoh, cara reaktor batch yang sering digunakan adalah cara batch anaerob dari penelitian Soewondo (2010). Reaktor yang digunakan dalam dalam hal ini adalah reaktor batch anaerob dengan volume operasional sebesar 4 L. Pada penutup reaktor, terdapat 2 buah selang silikon untuk sampling gas dan penambahan substansi (penetralan pH dengan basa), termometer, serta pengaduk. Untuk reaktor cair, digunakan magnetic stirrer sebagai pengaduk. Substrat yang telah dicampurkan dengan inokulum dimasukkan ke dalam reaktor. Setelah reaktor ditutup dengan rapat, nitrogen dialirkan untuk mengusir oksigen yang berada dalam reaktor supaya tercipta suasana anaerob. Reaktor dioperasikan selama 65 hari. d. Contoh Produk Adapun contoh produk yang dapat menggunakan system Batch Process, diantaranya : yang mungkin dilakukan untuk skala kecil adalah fermentasi batch. untuk pembuatan Bioetanol : Food Grade dan Industrial ( Kosmetika , kesehatan dsb). Tidak direkomendasikan menambahkan UREA,NPK dan Bahan Kimia lainya kecuali : Ragi ( Mikroba etanol ) (Bambang, 2010).



Gambar 3. Sequential Batch Reactor, reactor yang sering digunakan dalam industi pangan (Sumber: www.dirksemilieutechniek.com)



C. Bioreaktor Continuous a. Pengertian Pada cara



Sinambung (Continues Process),



pengaliran subtrat dan



pengambilan produk dilakukan secara terus menerus (sinambung) setiap saat



setelah diperoleh konsentrasi produk maksimal atau subtract pembatasnya mencapai konsentrasi yang hampir tetap (Rusmana, 2008). Dalam hal ini subtrat dan inokulum dapat ditambahkan bersama-sama secara terus menerus sehingga fase eksponensial dapat diperpanjang.



Gambar 4. Bioreaktor jenis CSTR (continuous stirred tank reactor) (a) dengan agitator dan permukaan heat transfer internal, (b) dengan pompa di sekitar tempat mixing and permukaan heat transfer eksternal (Sumber: http://www.metal.ntua.gr) b. Karakteristik Karakteristik khas dari bioreactor sinambung (continuous) yaitu kondisi lingkungan (suhu, pH, aerasi, dan konsentrasi nutrient) dapat dipertahankan tetap (steady-state) sehingga konsentrasi biomassa atau µ (laju pertumbuhan spesifik) dapat diatur & konstan dipertahankan selama kultivasi (dg mengatur kons. substrat umpan). Karakteristik lainnya yaitu 



Memerlukan mikroba dengan kestabilan genetik tinggi (mikroba rekombinan kadang tidak stabil sifat genetiknya)







Produktivitas lebih tinggi







Dapat dijalankan pada waktu yang lama







Harus ada pasar/konsumen ang tetap terhadap produk







Cocok untuk proses yang resiko kontaminasinya rendah (contohnya penanganan limbah cair) & produk yang berasosiasi dengan pertumbuhan







Pemantauan dan pengendalian proses lebih sederhana







Tidak ada akumulasi produk yang menghambat



c. Cara Kerja Biasanya, bioreaktor yang dibuat adalah jenis one stage kontinyu, yang terdiri dari tiga komponen utama (penampung sementara, reaktor dan gas kolektor) (Katherin, 2010). Pada tipe aliran kontinyu bahan dimasukkan ke dalam digester secara teratur pada satu ujung dan setelah melalui jarak tertentu, keluar di ujung yang lain. Tipe ini mengatasi masalah pada proses pemasukan dan pengosongan pada tipe batch. Menurut Aprilianto (2010), terdapat dua jenis dari tipe aliran kontinyu: 



Vertikal, dikembangkan oleh Gobar Gas Institute, India







Horisontal, dikembangkan oleh Fry di Afrika Selatan dan California, selain itu dikembangkan oleh Biogas Plant Ltd. dengan bioreaktor yang terbuat dari karet Butyl (butyl rubber bag). Dalam penelitian Tontowi (2010), yang telah terapkan pada proses fermentasi



kontinyu dilakukan dalam mixed flow reactor yang bervolume 1 L dengan kecepatan putar 100 rpm. Proses fermentasi ini diawali dengan melakukan fermentasi semibatch selama 16 jam. Sebelum fermentasi dimulai, reaktor terlebih dahulu diisi dengan bead sampai volume mencapai 1/5 volume reaktor. Setelah 16 jam, proses fermentasi kontinyu mulai dilakukan dengan mengalirkan feed dalam fermentor menggunakan pompa peristaltik. Laju alir feed (media molasses) disesuaikan dengan variabel dilution rate yang dipakai. d. Contoh Produk Adapun contoh produk



yang dapat menggunakan system sinambung



(Continues Process) diantaranya : protein sel tunggal, antibiotic, pelarut organic, kultur starter, dekomposisi selulosa, pengolahan limbah cair, beer, glukosa isomerase, etanol (Rusmana, 2008).



Gambar 5. Produksi etanol secara Continuous dengan daur-ulang sel khamir (Sumber: http://collections.infocollections.org) D. Bioreaktor Fed-Batch a. Pengertian Sistem fed-batch adalah suatu sistem yang rnenambahkan media baru secara teratur pada kultur tertutup, tanpa mengetuarkan cairan kultur yang ada di dalam fermentor sehingga volume kultur makin lama makin bertambah Tri Widjaja (2010. Menurut Rusmana (2008), pada cara fed-batch yaitu memasukan sebagian sumber nutrisi (sumber C, N dan lain-lain) ke dalam bioreactor dengan volume tertentu hingga diperoleh produk yang mendekati maksimal, akan tetapi konsentrasi sumber nutrisi dibuat konstan.



Gambar 6. Kultur jenis fedbatch (Sumber: http://www.coleparmer.com)



b. Karakteristik 



Media segar ditambahkan ke dalam bioreaktor secara kontinyu/sekuensial tanpa pengeluaran isi bioreaktor







Pada saat isi bioreaktor penuh, bioreaktor dikosongkan, baik sebagian atau seluruhnya dan proses dimulai kembali.







Harus disediakan ruang dalam bioreaktor (head space) untuk penambahan media







Meskipun total biomassa meningkat terhadap waktu, namun konsentrasi sel tetap



mengingat



volume



juga



meningkat,



akibat



ada



penambahan



media/umpan c. Cara Kerja Kultur inokulum yang digunakan untuk proses utama sejumlah 100 ml. Kultun inokulum tersebut diinokulasikan ke dalam 700 ml media fermentasi dalam fermentor. Fermentasi berlangsung selama tiga kali 24 jam, dengan tiga kali pengambilan contoh setiap hari. Pada 24 jam pertama fermentasi berlangsung secara batch sedangkan 2 kali 24 jam berikutnya benlangsung secara fed-batch. Awal penambahan substrat dilakukan pada jam ke-24. Volume substrat yang ditambahkan selama proses fed-batch sekitar 900 ml dengan laju penambahan 19 mL/jam. Pada penelitian mi fermentasi berlangsung dalam fermentor kapasitas dua liter dengan pengaturan pH pada pH 7 dan 8 serta kecepatan putaran 300 dan 500 rpm. Secara keseluruhan hasil penelitian produksi enzim dengan fermentasi sistem fed-batch pada penlakuan kecepatan putaran 500 rpm mempunyai kecenderungan yang sama dengan fermentasi sistem batch. (Budiatman, 2009) d. Contoh Produk Contoh produk yang dapat diperoleh pada system Fed-Batch Process adalah Dekstranase, hal ini juga telah dilakukan penelitian oleh Satia Wihardja (2010) yang berjudul “Proses Fermentasi Fed-Batch untuk Produksi Dekstranase dengan Streptococcus sp. B7 Fed-Batch Fermentation Processes to Produce Dextranase from of Streptococcus sp. B7”



Ragi roti (Saccharomyces cerevisae) dan metabolit sekunder penisilin juga merupakan salah satu produk industry dengan cara fed-batch. Pada industry ragi roti dengan fed-batch, konsentrasi glukosa dipertahankan agar tetap rendah agar rendemen biomassa maksimum dan hasil samping etanol diminimalkan. Pada penisilin produksi dilakukan dua tahap yaitu produksi glukosa per unit produksi biomassa dan produksi glukosa untuk produksi penisilin.



Gambar 7. Bioreaktor fed-batch yang digunakan dalam industry penisilin (Sumber: https://upload.wikimedia.org)



DAFTAR PUSTAKA Bu’lock, J and D. Kristiansen, 1997, Basic Technology. Academic Press Limited London. FATETA IPB, 2012. Kuliah VI: PENYIAPAN INOKULUM & METODE KULTIVASI. Diakses dari: https://lms.ipb.ac.id/pluginfile.php/17163/mod_resource/content/0/DTM_VI._ INOKULUM_METODE_KULTIV_revisi.ppt pada 9 November 2015 pukul 14.30 Majeed, Mohammed Abdul. 2010. Small Scale Cell Culture Performance of Recombinant Chinese Hamster Ovary Cells. Biologics Development Center: Hyderabad Sa’id, G. 1991. Bioindustri Penerapan Teknologi Fermentasi. PT. Meiyatama Sarana Perkasa, Jakarta.