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
thank you
BalasHapus