Jumat, 25 Mei 2012

BIOREAKTOR



PENGERTIAN BIOREAKTOR
                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. Dua komponen penting dalam bioreaktor adalah sel atau enzim (biokatalisator). Kondisi lingkungan bioreaktor memberikan lingkungan fisik sehingga sel/biokatalisator dapat melakukan interaksi dengan lingkungan dan nutrisi yang dimasukkan ke dalamnya. Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok yaitu dengan sumber energi, nutrisi, inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul, dan kondisi fisikokimiawi optimal.
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 bioreaktor membran. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.


Gambar 1 alat bioreaktor
Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan halus atau baffle dan sensor untuk mengontrol parameter.  Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk.  Volume tanki skala laboratorium berkisar antara 1 – 30 L, sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1000 L. Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompa udara, dan mencegah pembentukan gelembung oksigen.  Impeller berperan dalam agitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel.  Impeller digerakkan oleh rotor.  Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi. Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium.
Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan stainless steel karena bahan tersebut tidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak menggangu proses biokimia yang terjadi. Selain itu, bahan tersebut juga anti karat dan tahan panas. Selain itu, bioreaktor juga harus dapat menciptakan lingkungan yang optimum bagi mikroorganisme ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan. Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah suhu (laju pertumbuhan dan pembentukan produk tergantung suhu, sehingga suhu dikendalikan misal dengan air pendingin atau sel tahan panas), pH (kecepatan reaksi enzimatis dan laju pertumbuhan terbaik pada pH optimal), substrat (sumber karbon dan nitrogen), aerasi, dan agitasi. Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.
JENIS-JENIS BIOREAKTOR
Berdasarkan pemasukan nutrisinya kedalam bioreaktor , ada tiga jenis bioreaktor, yaitu bioreaktor kontinu , semikontinu, dan diskontinu.
1. Bioreaktor Kontinu
Pada bioreaktor kontinu, pemberian nutrisi dan pengeluaran sejumlah fraksi dari volume kultur total terjadi secara terus menerus. Dengan metode kontinu memungkinan organisme tumbuh pada kondisi setimbang (steady state), dimana pertumbuhan terjadi pada laju konstan dan lingkungan stabil. Faktor seperti pH dan  konsentrasi nutrisi dan produk metabolit yang tidak terelakkan berubah selama siklus pertumbuhan pada suatu diskontinu dapat dijaga konstan dalam kultur kontinu.
Dalam suatu bioreaktor kontinu, medium steril dimasukkan kedalam biorekator dengan laju aliran yang konstan, dan kultur yang keluar dari bioreaktor terjadi dengan laju yang sama, sehingga volume kultur di dalam reaktor konstan.  Dengan pencampuran yang efisien, medium yang masuk tersebut menyebar secara cepat dan merata pada seluruh bagian rekator.
Contoh dari biorektor kontinu yaitu Reaktor Tangki diaduk Kontinu (RTDK).
Udara steril dimasukkan pada dasar reaktor melalui pipa terbuka atau penyemprot udara. Suattu batang vertical dilengkapi dengan pengarah dengan satu atau lebih impeler. Impeler biasanya dipasang di sepanjang batang pada interval jarak sama dengan diameter reaktor untuk menghindari tipe pergerakan melingkar. Peranan impeler adalah untuk menimbulkan agitasi dalam bioreaktor untuk mempermudah aerasi. Fungsi utama agitasi adalah untuk mensuspensikan dan meratakan nutrisi dalam medium, untuk memberikan hara termasuk oksigen- bagi sel, dan untuk memindahkan panas.

2. Bioreaktor Diskontinu
Pada bioreaktor diskontinu, inokulen dan nutrisi yang akan  diperlukan bagi pertumbuhan dicampur dalam suatu bejana tertutup pada kondisi suhu, pH, dan pencampuran optimum. System ini adalah tertutup, kecuali untuk organism aerobik dimana suplai udara kontinu dialirkan kedalam bioreaktor. Pada bioreaktor diskontinu, laju pertumbuhan dan laju pertumbuhan spesifik jarang konstan. Hal ini menunjukkan adanya perubahan karakteristik nutrisi dari sistem.
Salah satu contoh dari bioreaktor diskontinu adalah Bioreaktor Lumpur Buangan Teraktivasi. Bioreaktor ini digunakan secara luas untuk pengolahan secara oksidasi air buangan dan sampah industri lain. Prosesnya difungsikan untuk meningkatkan pemasukan udara, sehingga bahan organic massa dapat didegradasi secara optimum. Bioreaktor ini sangat besar, sehingga untuk mempermudah pencampuran dan penyebaran oksigen diperlukan sejumlah besar agitator pada kebanyakan pabrik pengolahan air buangan skala kota.
3. Bioreaktor semikontinu
Bioreaktor semikontinu adalah suatu bentuk kultivasi dimana medium atau substratnya ditambahkan secara kontinu atau berurutan ke dalam tumpukan diskontinu awal tanpa mengeluarkan sesuatu dari system. Produk yang dihasilkan dari system seperti ini dapat melebihi produk yang dihasilkan dari kultur diskontinu. Pendekatan ini secara luas diterapkan dalam industry misalanya dalam produksi ragi yang dibutuhkan untuk pembuatan roti.
Contoh bioreaktor  semikontinu yaitu Digestor atau bioreaktor  Anaerobik, tetapi bioreactor ini dapat pula dioperasikan secara kontinu.Pengunaan system ini pada pengolahan air buangan padat, misalnya lumpur buangan (sludge) yang diperoleh dari pengolahan buangan perkotaan, akan memberikan stabilisasi air buangan yang efisien dan produksi metan yang tinggi. Dalam system ini Lumpur buangan dicampur dengan mikroorganisme anaerobic pada suhu 30° C dan waktu retensi hidrolik. Untuk air buangan berkekuatan sedang dari industri makanan dan fermentasi, teknik operasi yang dapat menahan biomassa mikroba lebih lama dalam system operasi kontinu sudah ditemukan. Maka waktu retensi zat padat tidak dapat digabung dengan waktu retensi cairan sehingga konsentrasi mikroba yang tinggi dapat terjadi pada digester (atau pada bioreaktor tersebut), yang memberikan laju bdegradasi yang tinggi. Bagi air buangan yang sangat encer, misalnya buangan kota, waktu retensi zat padat yang sangat panjang diperlukan.
Berdasarkan tingkat aseptis maka sistem bioreaktor terbagi menjadi dua, yaitu bioreaktor sistem non aseptis (untuk pengolahan limbah) dan bioreaktor sistem aseptis (untuk produksi sel dan produksi metabolit). Untuk bioreaktor sistem aseptis diperlukan sterilisasi bioreaktor pada suhu dan tekanan yang tinggi. Sedangkan, bila kita melihat sistem aerasinya, bioreaktor dibagi menjadi bioreaktor stirred tank, bubble column, dan loop airlift. Prinsip stirred tank bioreaktor adalah menghasilkan aerasi dengan menggunakan agitasi mekanis, yaitu dengan impeller. Pada bubble column bioreactor, udara dalam bentuk gelembung dimasukkan ke media melalui sparger untuk aerasi. Sedangkan, pada loop airlift bioreactor, udara dan media disirkulasi bersamaan melalui kolom yang dimasukkan ke dalam kolom lain.
DESAIN BIOREAKTOR
Kriteria dasar desain bioreaktor yaitu sebagai berikut:
1.      Karakterisrtik mikrobiologi dan  biokimia dari system sel (mikroba, mamalia, tumbuhan)
2.      Karakteristik hidrodinamik bioreaktor
3.      Karakteristik massa dan panas bioreaktor
4.      Kinetika pertumbuhan sel dan  pembentukan produk
5.      Karakteristik stabilitas genetic dari system sel
6.      Desain peralatan yang aseptis
7.      Pengawasan lingkungan bioreaktor
8.      Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk menghilir
9.      Modal dan biaya operasi bioreaktor
10.    Potensi dan pengembangan desain bioreaktor

Bahan konstruksi bioreaktor hendaknya tidak beracun, mampu menahan tekanan uap dan tahan terhadap korosi kimia dan elektrolitik. Bioreaktor industri biasanya dibuat dari bahan yang dilapisi dengan baja tahan karat. Bioreaktor ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Perbandingan tingginya terhadap diameter atau rasio aspek merupakan parameter yang penting.
Produk-produk yang dihasilkan berdasarkan ukuran dari bioreaktor tersebut dapat dilihat pada table dibawah ini.


No
Ukuran fermentor
Produk
1.
2.
3.

4.
1-20.000
40-80.000
100-150.000

Lebih dari 450.000
Enzim diagnostic, substansi biologi molekuler
Enzim dan antibiotic
Penisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam amino
Asam amino, asam glutamat

Untuk melakukan produksi skala besar menggunakan bioreaktor dibutuhkan proses peningkatan skala (scale up). Parameter kinetik merupakan acuan dalam peningkatan skala bioreaktor.  Parameter kinetik dalam bioreaktor ialah pengaturan suhu, pH, aerasi, agitasi, dan agen antifoam.  Pengaturan suhu dalam bioreaktor dilakukan dengan cara pemompaan air dingin ke bagian jaket bioreaktor.  Pengaturan pH dilakukan dengan cara pemberian asam seperti HCl dan basa seperti NaOH. Agitasi dalam bioreaktor dibutuhkan untuk homogenisasi isi bioreaktor dan aerasi dalam bioreaktor. Jika organisme dalam bioreaktor bersifat aerob maka udara (oksigen) harus dimasukkan ke dalam bioreaktor. Udara dalam bioreaktor dimasukkan melalui sparger yang berada di bawah. Dalam proses aerasi dan agitasi kadang-kadang dihasilkan foam yang dapat mengganggu reaksi biokimia dalam bioreaktor. Oleh karena itu, dibutuhkan agen antifoam untuk mencegah terjadinya foam. Agen antifoam yang umunya dipakai dapat berupa minyak sawit ataupun tween.
PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR
Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa enzim.

Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium ke dalam sel, konversi bahan nutrient menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran, dan massa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.
Kinetika pertumbuhan mikrobia dalam system diskontinu, kontinu, dan semikontinu, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (Pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.
Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomassa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:
1.      Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)
2.      Waktu mengganda (doubling time)
3.      Hasil pertumbuhan (growth yield)
4.      Kemampuan metabolisme (metabolic quosient)
5.      Affinitas substrat
6.      Jumlah maksimum biomassa
Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filament maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.
Pertumbuhan untuk mikrobia yaitu peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreactor:
1.      Pertumbuhan individu sel;
a.       Peningkatan substansi dan komponen sel
b.      Peningkatan ukuran sel
c.       Pembelahan sel

2.      Pertumbuhan populasi
a.       Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel
b.      Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzim
Reproduksi sel bakteri:
1.   Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran  yang sama.
2.   Melibatkan 3 proses:
 a.      Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel) : memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu.
b.      Replika DNA : indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.
c.       Pembelahan sel : diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel hampir semua bakteri   menerima DNA.
Proses metabolik yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu:
1.      Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel
2.      Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel  
3.      Replikasi sel kromosom
4.      Pengukuran ukuran dan massa
5.      Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik ke sel anakan

PEMILIHAN BIOREAKTOR
Jenis makhluk hidup yang digunakan yaitu, pertama sifat aerobik atau anaerobik berupa pasokan O2 dengan pendispersian udara, yang kedua jenis dan ukuran makhluk hidup sel tunggal yaitu tidak tahan terhadap gaya geser dan perlu dispersi udara lebih tinggi, dan yang ketiga letak pertumbuhan dalam bioreaktor yaitu tumbuh di permukaan (bentuk bed/tray)
Sedangkan Sifat media:
●Sifat fisik substrat
Gas, cairan dan senyawa larut air, bahan padat larut air, bahan cair tidak larut air, padatan larut sebagian, padatan tidak larut
●Biokinetik substrat
substrat yang menghambat/represi pertumbuhan misal dengan fedbatch. produk pada konsentrasi tinggi yang menghambat/represi misal dengan pengaturan multistage
●Viskositas substrat dan produk
viskositas tinggi mengganggu agitasi dan laju perpindahan oksigen
Parameter bioproses:
•OTR, oxygen transfer rate
laju perpindahan oksigen menentukan
pertumbuhan sel aerobik
•Suhu
laju pertumbuhan dan pembentukan
produk tergantung suhu, sehingga suhu
dikendalikan misal dengan air pendingin
atau sel tahan panas (termofilik)
•pH
Kecepatan reaksi enzimatis dan laju
pertumbuhan terbaik pada pH optimal
Faktor produksinya meliputi:
•Biaya
•Kemudahan mendapatkan bahan
•Ketersediaan dan mutu tenaga kerja
•Keadaan pasar
•Ketersediaan energi
•Aturan kerja dan keselamatan
•Undang-Undang tentang pembatasan polusi lingkungan
•Nilai ekonomis hasil samping produk

APLIKASI BIOREAKTOR

Awalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksi ragi, ekstrak khamir, cuka, dan alkohol. Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk menghasilkan berbagai macam produk dari makhluk hidup seperti antibiotik, berbagai jenis enzim, protein sel tunggal, asam amino, dan senyawa metabolit sekunder lainnya. Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan senyawa hasil transformasi yang berguna bagi manusia. Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang lebih ramah lingkungan
Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) adalah cabang ilmu dari teknik kimia yang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkan agen biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme.  Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupa bakteri, khamir, atau kapang. Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagai suplemen teknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan, bioteknologi, dan industri pengolahan air.

DAFTAR PUSTAKA
http://id.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor

http://elangbiru3004.blogspot.com/2010/11/jenis-jenis-bioreaktor.html

http://roilbilad.wordpress.com/2011/01/12/konfigurasi-bioreaktor-membran/

Diposting oleh di
Label: ,

1 komentar:

Langganan: Posting Komentar (Atom)

Jumat, 25 Mei 2012

BIOREAKTOR



PENGERTIAN BIOREAKTOR
                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. Dua komponen penting dalam bioreaktor adalah sel atau enzim (biokatalisator). Kondisi lingkungan bioreaktor memberikan lingkungan fisik sehingga sel/biokatalisator dapat melakukan interaksi dengan lingkungan dan nutrisi yang dimasukkan ke dalamnya. Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok yaitu dengan sumber energi, nutrisi, inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul, dan kondisi fisikokimiawi optimal.
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 bioreaktor membran. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.


Gambar 1 alat bioreaktor
Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan halus atau baffle dan sensor untuk mengontrol parameter.  Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk.  Volume tanki skala laboratorium berkisar antara 1 – 30 L, sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1000 L. Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompa udara, dan mencegah pembentukan gelembung oksigen.  Impeller berperan dalam agitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel.  Impeller digerakkan oleh rotor.  Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi. Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium.
Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan stainless steel karena bahan tersebut tidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak menggangu proses biokimia yang terjadi. Selain itu, bahan tersebut juga anti karat dan tahan panas. Selain itu, bioreaktor juga harus dapat menciptakan lingkungan yang optimum bagi mikroorganisme ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan. Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah suhu (laju pertumbuhan dan pembentukan produk tergantung suhu, sehingga suhu dikendalikan misal dengan air pendingin atau sel tahan panas), pH (kecepatan reaksi enzimatis dan laju pertumbuhan terbaik pada pH optimal), substrat (sumber karbon dan nitrogen), aerasi, dan agitasi. Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang mempengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.
JENIS-JENIS BIOREAKTOR
Berdasarkan pemasukan nutrisinya kedalam bioreaktor , ada tiga jenis bioreaktor, yaitu bioreaktor kontinu , semikontinu, dan diskontinu.
1. Bioreaktor Kontinu
Pada bioreaktor kontinu, pemberian nutrisi dan pengeluaran sejumlah fraksi dari volume kultur total terjadi secara terus menerus. Dengan metode kontinu memungkinan organisme tumbuh pada kondisi setimbang (steady state), dimana pertumbuhan terjadi pada laju konstan dan lingkungan stabil. Faktor seperti pH dan  konsentrasi nutrisi dan produk metabolit yang tidak terelakkan berubah selama siklus pertumbuhan pada suatu diskontinu dapat dijaga konstan dalam kultur kontinu.
Dalam suatu bioreaktor kontinu, medium steril dimasukkan kedalam biorekator dengan laju aliran yang konstan, dan kultur yang keluar dari bioreaktor terjadi dengan laju yang sama, sehingga volume kultur di dalam reaktor konstan.  Dengan pencampuran yang efisien, medium yang masuk tersebut menyebar secara cepat dan merata pada seluruh bagian rekator.
Contoh dari biorektor kontinu yaitu Reaktor Tangki diaduk Kontinu (RTDK).
Udara steril dimasukkan pada dasar reaktor melalui pipa terbuka atau penyemprot udara. Suattu batang vertical dilengkapi dengan pengarah dengan satu atau lebih impeler. Impeler biasanya dipasang di sepanjang batang pada interval jarak sama dengan diameter reaktor untuk menghindari tipe pergerakan melingkar. Peranan impeler adalah untuk menimbulkan agitasi dalam bioreaktor untuk mempermudah aerasi. Fungsi utama agitasi adalah untuk mensuspensikan dan meratakan nutrisi dalam medium, untuk memberikan hara termasuk oksigen- bagi sel, dan untuk memindahkan panas.

2. Bioreaktor Diskontinu
Pada bioreaktor diskontinu, inokulen dan nutrisi yang akan  diperlukan bagi pertumbuhan dicampur dalam suatu bejana tertutup pada kondisi suhu, pH, dan pencampuran optimum. System ini adalah tertutup, kecuali untuk organism aerobik dimana suplai udara kontinu dialirkan kedalam bioreaktor. Pada bioreaktor diskontinu, laju pertumbuhan dan laju pertumbuhan spesifik jarang konstan. Hal ini menunjukkan adanya perubahan karakteristik nutrisi dari sistem.
Salah satu contoh dari bioreaktor diskontinu adalah Bioreaktor Lumpur Buangan Teraktivasi. Bioreaktor ini digunakan secara luas untuk pengolahan secara oksidasi air buangan dan sampah industri lain. Prosesnya difungsikan untuk meningkatkan pemasukan udara, sehingga bahan organic massa dapat didegradasi secara optimum. Bioreaktor ini sangat besar, sehingga untuk mempermudah pencampuran dan penyebaran oksigen diperlukan sejumlah besar agitator pada kebanyakan pabrik pengolahan air buangan skala kota.
3. Bioreaktor semikontinu
Bioreaktor semikontinu adalah suatu bentuk kultivasi dimana medium atau substratnya ditambahkan secara kontinu atau berurutan ke dalam tumpukan diskontinu awal tanpa mengeluarkan sesuatu dari system. Produk yang dihasilkan dari system seperti ini dapat melebihi produk yang dihasilkan dari kultur diskontinu. Pendekatan ini secara luas diterapkan dalam industry misalanya dalam produksi ragi yang dibutuhkan untuk pembuatan roti.
Contoh bioreaktor  semikontinu yaitu Digestor atau bioreaktor  Anaerobik, tetapi bioreactor ini dapat pula dioperasikan secara kontinu.Pengunaan system ini pada pengolahan air buangan padat, misalnya lumpur buangan (sludge) yang diperoleh dari pengolahan buangan perkotaan, akan memberikan stabilisasi air buangan yang efisien dan produksi metan yang tinggi. Dalam system ini Lumpur buangan dicampur dengan mikroorganisme anaerobic pada suhu 30° C dan waktu retensi hidrolik. Untuk air buangan berkekuatan sedang dari industri makanan dan fermentasi, teknik operasi yang dapat menahan biomassa mikroba lebih lama dalam system operasi kontinu sudah ditemukan. Maka waktu retensi zat padat tidak dapat digabung dengan waktu retensi cairan sehingga konsentrasi mikroba yang tinggi dapat terjadi pada digester (atau pada bioreaktor tersebut), yang memberikan laju bdegradasi yang tinggi. Bagi air buangan yang sangat encer, misalnya buangan kota, waktu retensi zat padat yang sangat panjang diperlukan.
Berdasarkan tingkat aseptis maka sistem bioreaktor terbagi menjadi dua, yaitu bioreaktor sistem non aseptis (untuk pengolahan limbah) dan bioreaktor sistem aseptis (untuk produksi sel dan produksi metabolit). Untuk bioreaktor sistem aseptis diperlukan sterilisasi bioreaktor pada suhu dan tekanan yang tinggi. Sedangkan, bila kita melihat sistem aerasinya, bioreaktor dibagi menjadi bioreaktor stirred tank, bubble column, dan loop airlift. Prinsip stirred tank bioreaktor adalah menghasilkan aerasi dengan menggunakan agitasi mekanis, yaitu dengan impeller. Pada bubble column bioreactor, udara dalam bentuk gelembung dimasukkan ke media melalui sparger untuk aerasi. Sedangkan, pada loop airlift bioreactor, udara dan media disirkulasi bersamaan melalui kolom yang dimasukkan ke dalam kolom lain.
DESAIN BIOREAKTOR
Kriteria dasar desain bioreaktor yaitu sebagai berikut:
1.      Karakterisrtik mikrobiologi dan  biokimia dari system sel (mikroba, mamalia, tumbuhan)
2.      Karakteristik hidrodinamik bioreaktor
3.      Karakteristik massa dan panas bioreaktor
4.      Kinetika pertumbuhan sel dan  pembentukan produk
5.      Karakteristik stabilitas genetic dari system sel
6.      Desain peralatan yang aseptis
7.      Pengawasan lingkungan bioreaktor
8.      Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk menghilir
9.      Modal dan biaya operasi bioreaktor
10.    Potensi dan pengembangan desain bioreaktor

Bahan konstruksi bioreaktor hendaknya tidak beracun, mampu menahan tekanan uap dan tahan terhadap korosi kimia dan elektrolitik. Bioreaktor industri biasanya dibuat dari bahan yang dilapisi dengan baja tahan karat. Bioreaktor ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Perbandingan tingginya terhadap diameter atau rasio aspek merupakan parameter yang penting.
Produk-produk yang dihasilkan berdasarkan ukuran dari bioreaktor tersebut dapat dilihat pada table dibawah ini.


No
Ukuran fermentor
Produk
1.
2.
3.

4.
1-20.000
40-80.000
100-150.000

Lebih dari 450.000
Enzim diagnostic, substansi biologi molekuler
Enzim dan antibiotic
Penisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam amino
Asam amino, asam glutamat

Untuk melakukan produksi skala besar menggunakan bioreaktor dibutuhkan proses peningkatan skala (scale up). Parameter kinetik merupakan acuan dalam peningkatan skala bioreaktor.  Parameter kinetik dalam bioreaktor ialah pengaturan suhu, pH, aerasi, agitasi, dan agen antifoam.  Pengaturan suhu dalam bioreaktor dilakukan dengan cara pemompaan air dingin ke bagian jaket bioreaktor.  Pengaturan pH dilakukan dengan cara pemberian asam seperti HCl dan basa seperti NaOH. Agitasi dalam bioreaktor dibutuhkan untuk homogenisasi isi bioreaktor dan aerasi dalam bioreaktor. Jika organisme dalam bioreaktor bersifat aerob maka udara (oksigen) harus dimasukkan ke dalam bioreaktor. Udara dalam bioreaktor dimasukkan melalui sparger yang berada di bawah. Dalam proses aerasi dan agitasi kadang-kadang dihasilkan foam yang dapat mengganggu reaksi biokimia dalam bioreaktor. Oleh karena itu, dibutuhkan agen antifoam untuk mencegah terjadinya foam. Agen antifoam yang umunya dipakai dapat berupa minyak sawit ataupun tween.
PERTUMBUHAN MIKROBIA DALAM BIOREAKTOR
Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa enzim.

Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium ke dalam sel, konversi bahan nutrient menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran, dan massa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.
Kinetika pertumbuhan mikrobia dalam system diskontinu, kontinu, dan semikontinu, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (Pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.
Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomassa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:
1.      Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)
2.      Waktu mengganda (doubling time)
3.      Hasil pertumbuhan (growth yield)
4.      Kemampuan metabolisme (metabolic quosient)
5.      Affinitas substrat
6.      Jumlah maksimum biomassa
Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filament maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.
Pertumbuhan untuk mikrobia yaitu peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.
Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreactor:
1.      Pertumbuhan individu sel;
a.       Peningkatan substansi dan komponen sel
b.      Peningkatan ukuran sel
c.       Pembelahan sel

2.      Pertumbuhan populasi
a.       Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel
b.      Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzim
Reproduksi sel bakteri:
1.   Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran  yang sama.
2.   Melibatkan 3 proses:
 a.      Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel) : memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu.
b.      Replika DNA : indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.
c.       Pembelahan sel : diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel hampir semua bakteri   menerima DNA.
Proses metabolik yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu:
1.      Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel
2.      Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel  
3.      Replikasi sel kromosom
4.      Pengukuran ukuran dan massa
5.      Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetik ke sel anakan

PEMILIHAN BIOREAKTOR
Jenis makhluk hidup yang digunakan yaitu, pertama sifat aerobik atau anaerobik berupa pasokan O2 dengan pendispersian udara, yang kedua jenis dan ukuran makhluk hidup sel tunggal yaitu tidak tahan terhadap gaya geser dan perlu dispersi udara lebih tinggi, dan yang ketiga letak pertumbuhan dalam bioreaktor yaitu tumbuh di permukaan (bentuk bed/tray)
Sedangkan Sifat media:
●Sifat fisik substrat
Gas, cairan dan senyawa larut air, bahan padat larut air, bahan cair tidak larut air, padatan larut sebagian, padatan tidak larut
●Biokinetik substrat
substrat yang menghambat/represi pertumbuhan misal dengan fedbatch. produk pada konsentrasi tinggi yang menghambat/represi misal dengan pengaturan multistage
●Viskositas substrat dan produk
viskositas tinggi mengganggu agitasi dan laju perpindahan oksigen
Parameter bioproses:
•OTR, oxygen transfer rate
laju perpindahan oksigen menentukan
pertumbuhan sel aerobik
•Suhu
laju pertumbuhan dan pembentukan
produk tergantung suhu, sehingga suhu
dikendalikan misal dengan air pendingin
atau sel tahan panas (termofilik)
•pH
Kecepatan reaksi enzimatis dan laju
pertumbuhan terbaik pada pH optimal
Faktor produksinya meliputi:
•Biaya
•Kemudahan mendapatkan bahan
•Ketersediaan dan mutu tenaga kerja
•Keadaan pasar
•Ketersediaan energi
•Aturan kerja dan keselamatan
•Undang-Undang tentang pembatasan polusi lingkungan
•Nilai ekonomis hasil samping produk

APLIKASI BIOREAKTOR

Awalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksi ragi, ekstrak khamir, cuka, dan alkohol. Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk menghasilkan berbagai macam produk dari makhluk hidup seperti antibiotik, berbagai jenis enzim, protein sel tunggal, asam amino, dan senyawa metabolit sekunder lainnya. Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan senyawa hasil transformasi yang berguna bagi manusia. Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang lebih ramah lingkungan
Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) adalah cabang ilmu dari teknik kimia yang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkan agen biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme.  Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupa bakteri, khamir, atau kapang. Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagai suplemen teknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan, bioteknologi, dan industri pengolahan air.

DAFTAR PUSTAKA
http://id.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor

http://elangbiru3004.blogspot.com/2010/11/jenis-jenis-bioreaktor.html

http://roilbilad.wordpress.com/2011/01/12/konfigurasi-bioreaktor-membran/

Diposting oleh di
Label: ,

1 komentar:

Langganan: Posting Komentar (Atom)