m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 Kuliah ke-VII m.k. DASAR REKAYASA BIOPROSES TIN 221 FENOMENA PERPINDAHAN PADA SISTEM BIOPROSES JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012

PENDAHULUAN PENGGANDAAN SKALA BIOPROSES Merupakan suatu proses peralihan kegiatan produksi dari skala laboratorium  skala pilot plant  skala industri Skala Laboratorium : penyeleksian mikroba atau identifikasi karakteristik kinerja enzim 2. Skala pilot-plant : penerapan kondisi proses yang optimal 3. Skala industri : dengan mempertimbangkan aspek ekonomi dan finansial industri bioproses

Pada kajian penggandaan skala, faktor-faktor kimiawi dan lingkungan harus dijaga konstan, sedangkan faktor fisik sangat tergantung ukuran dan skala produksi. Peubah yang tetap : rancangan dasar bioreaktor, galur mikroba, jenis dan komponen media, suhu sterilisasi, suhu operasi, metabolisme sel mikroba dan ukuran gelembung udara Peubah yang meningkat : ukuran fisik bioreaktor, bahan baku dan peralatan Peubah yang menurun : luas permukaan untuk aerasi

Penggandaan skala dapat dilakukan setelah didapatkan proses fermentasi yang mantap, pada skala yang lebih kecil. Pada rancang bangun bioreaktor terdapat 3 jenis fenomena yang penting, yaitu : Fenomena Termodinamik : contoh kelarutan oksigen Fenomena Mikrokinetik : kinetika pertumbuhan dan pembentukan produk, pH dan suhu pertumbuhan  (1) dan (2) tidak tergantung pada skala 3. Fenomena Perpindahan  sangat tergantung pada skala !

PENTING ! Mempelajari fenomena perpindahan pada sistem bioproses (massa, momentum dan panas) sebagai dasar untuk : Perancangan bioreaktor, memahami kinerja bioreaktor atau penggandaan skala Perancangan teknologi proses hilir (contoh ekstraksi dengan pelarut)

Pada pada fermentasi aerobik, aerasi dan agitasi berperan penting karena keduanya berpengaruh thd laju konsumsi oksigen oleh mikroba dan ketersediannya selama proses fermentasi berlangsung Aerasi dan agitasi bertujuan untuk memasok kebutuhan oksigen untuk mikroba, mengaduk media fermentasi agar suspensi mikroba tercampur secara homogen serta mempercepat laju perpindahan massa produk metabolik. Agitasi juga mempercepat perpindahan panas. Dengan semakin besar ukuran bioreaktor dan viskositas cairan fermentasi menyebabkan pencampuran semakin sullit

Pencampuran (mixing) pada kultivasi : Mendispersikan gelembung udara Mensuspensikan sel mikroba Meningkatkan transfer (perpindahan) panas dan massa dalam media 7 Sumber : http://niufood.niu.edu.tw .ppt

Aerasi = proses pemberian udara untuk meningkatkan konsentrasi O2 dalam cairan  penting pada kultivasi aerobik Cara aerasi dapat dilakukan dengan : a. Pemberian gelembung udara melalui cairan (bubbling air) b. Penyemburan (spraying) cairan ke udara c. Agitasi cairan untuk meningkatkan absorpsi permukaan Masalah : kelarutan O2 dalam air rendah  Kelarutan O2 dalam air murni = 8 mg/L at 4oC (bandingkan kelarutan sukrosa = 600 g/L) Kelarutan O2 menurun dengan meningkatnya : - suhu - Konsentrasi solut dalam larutan 8 http://www.foodprocessing-technology.com/glossary/aeration.html

KEBUTUHAN OKSIGEN BAGI MIKROBA Fungsi Oksigen pada metabolisme aerobik : - Penerima elektron terakhir pada RTE - Katabolisme sumber karbon Estimasi kebutuhan oksigen teoritis bagi mikroba dapat diperoleh dari stoikiometri reaksi oksidasi substrat Tingkat konsentrasi O2 terlarut kritis perlu diketahui, karena metabolisme mikroba akan terganggu kalau konsentrasi O2 terlarut lebih kecil dari tingkat kritisnya. Contohnya untuk bakteri, tingkat kelarutan oksigen kritis berkisar antara 3-10 % dari udara jenuh

Faktor yg mempengaruhi ketersediaan O2 untuk mencukupi Laju Konsumsi O2 spesifik (QO2) Bila konsentrasi O2 terlarut meningkat, maka laju konsumsi oksigen spesifik akan meningkat pula sampai batas tertentu Ckritis Konsentrasi O2 Terlarut Gambar 1. Pengaruh konsentrasi O2 terhadap laju konsumsi oksigen spesifik (QO2 ) Faktor yg mempengaruhi ketersediaan O2 untuk mencukupi kebutuhan mikroba : Laju konsumsi O2 terlarut oleh mikroba 2. Kelarutan O2 3. Laju perpindahan massa O2 ke dalam cairan kultivasi

Tabel 1. Tingkat kelarutan O2 kritis untuk beberapa mikroba Mikroba Suhu (0C) Konsentrasi O2 terlarut kritis (mmol/L) Azotobacter sp. E. Coli Saccharomyces sp. Penicillium chrysogenum 30 37 24 0.004 0.081 0.008 0.022 Sumber : Riviere di dalam Lee (1988)

Pada sistem bioproses, umumnya kultur berada dalam PERPINDAHAN MASSA Pada sistem bioproses, umumnya kultur berada dalam keadaan heterogen (gas-cairan-padatan)  perpindahan massa dapat terjadi antara padatan dengan cairan, gas dengan cairan atau ke sel mikroba Nutrien Terlarut Nutrien Padatan & Larutan yang tidak bercampur Gas Terlarut Produk dalam air Sel Perpindahan massa pada Sistem Bioproses

Tahap Perpindahan Pada Bioproses (Kultivasi) Tahap perpindahan dari gas ke cairan (dispersi udara secara fisik (aerasi) ke dalam bioreaktor serta perpindahan oksigen dari gas ke cairan) II. Tahap perpindahan dari cairan ke padatan (perpindahan massa dari cairan nutrien ke padatan sel mikroba) III. Tahap pencampuran (pencampuran cairan dan padatan serta mempertahankan kelarutan oksigen dalam bioreaktor) IV. Tahap pindah panas

Perpindahan oksigen dari udara ke sel mikroba melalui tahapan : 1.Perpindahan oksigen dari gelembung udara ke cairan fermentasi 2. Perpindahan oksigen terlarut dari media fermentasi ke sel mikroba 3. Pengambilan oksigen terlarut oleh sel

Diagram tahapan perpindahan O2 dari gelembung udara Daerah stagnasi (film cairan 1) Daerah stagnasi (film cairan 2) Agregat sel ‘Bulk gas’ 3 5 Reaksi Biokimia (sitoplasma) 1 4 Gelembung gas 2 6 7 ‘Bulk liqiud’ (Daerah cairan) Sel 9 8 Membran Sel Antar muka gas-cairan Antar muka cairan-agregat sel Diagram tahapan perpindahan O2 dari gelembung udara menuju bagian dalam sel mikroba (substrat terlarut mengalami proses perindahan yang sama)

PERPINDAHAN OKSIGEN Kelarutan O2 dalam cairan sangat rendah, sehingga harus dipasok dari luar dengan aerasi  O2 membatasi laju metabolisme mikroba (Ingat : O2 sbg akseptor elektron terakhir pada kultivasi aerob) Pada saat aerasi, O2 akan berpindah dari fasa gas (udara) ke fasa cairan (medium kultivasi)  Laju pindah massa O2 ke cairan : dCL/dt = kLa (C* - CL) mmol O2/dm3.jam CL : kons O2 dalam cairan kultivasi (mmolO2/dm3) kL : tetapan pindah massa O2 (cm/jam) a : luas antar muka gas/cairan per volume cairan (cm2/cm3) C* : kons O2 terlarut jenuh (mmol O2/dm3) t : waktu

Pada kebanyakan sistem kultivasi aerobik, laju perpindahan O2 dari gas ke cairan menjadi faktor pembatas karena berjalan paling lambat Laju perpindahan O2 dari gas ke cairan dipengaruhi faktor : Luas daerah antar muka udara-cairan Tahanan perpindahan massa Penahanan gas (hold-up) Distribusi waktu tinggal udara dalam bejana bioreaktor  faktor-faktor tersebut tergantung aerasi (laju alir udara) serta karakteristik agitasi (geometri sistem agitasi, kecepatan rotasi, masukan tenaga dll.) yang harus diperhatikan pada waktu merancang bioreaktor

kLa : merupakan tetapan perpindahan O2 volumetrik (jam-1)  merupakan ukuran kapasitas aerasi bioreaktor Penentuan kLa bertujuan untuk mengetahui efisiensi aerasi dan melihat pengaruh variabel operasi terhadap penyediaan O2  semakin besar nilai kLa, maka semakin besar pula kapasitas aerasi sistem Nilai kLa suatu bioreaktor harus dapat mempertahankan konsentrasi O2 optimum untuk pertumbuhan & pembentukan produk dan dapat dipertahankan sepanjang kultivasi Nilai kLa dipengaruhi oleh faktor sifat fisikokimia media & kondisi operasi bioreaktor: Laju alir udara 3. Sifat rheologi cairan kultivasi Tingkat agitasi 4. Pemberian senyawa antibusa

AGITASI Mengendalikan laju perpindahan massa  mempengaruhi tetapan pindah massa Tujuan : 1. Menghomogenkan media kultivasi & suspensi mikroba agar terdistribusi secara merata 2. Mengurangi gradien suhu 3. Mempercepat laju pindah massa dan panas dengan cara : a. Memperkecil gelembung udara  luas permukaan pindah massa O2 lebih besar b. Memperlambat perginya gelembung udara dari cairan kultivasi c. Mencegah bergabungnya gelembung udara d. Mengurangi ketebalan film cairan pada daerah antar muka gas-cairan dengan menciptakan turbulensi pada cairan

Peningkatan agitasi akan menyebabkan laju perpindahan massa lebih cepat, namun juga berarti meningkatkan konsumsi tenaga dan gaya geser (shear force) yang dapat merusak mikroba Tingkat agitasi diukur berdasarkan jumlah konsumsi tenaga untuk pengadukan cairan dalam bejana bioreaktor Kesempurnaan pengadukan ditentukan oleh : - Geometri bioreaktor - Jenis impeler - Kecepatan pengadukan Kecepatan Cairan (Q) : Q ~ ND3 N : kecepatan impeler D : diameter impeler

Karakteristik aliran yang menggambarkan pergerakan cairan akibat agitasi dinyatakan dengan Bilangan Reynold (NRe) Di2 N ρ Di : diameter impeler (m) NRe = ρ : densitas (kg/m3) μ N : kecepatan impeler (Hz) μ : viskositas (kg/m.det) 10  Aliran Laminar NRe 10 – 10.000  Aliran Transisi (peralihan) 10.000  Aliran Turbulen  homogen

Hubungan antara NRe dengan Np (Bilangan Tenaga) menggambarkan kaitan konsumsi energi dengan kecepatan pengadukan Bilangan Reynold Bilangan Tenaga (Np = Power Number) Agitator Power (P) N = kecepatan agitasi/impeler Di = diameter impeler gc = faktor gravitasi Np dpt ditentukan dr grafik antara NRe dan Np untuk berbagai impeler ρ N3 Di5 Np P = gc P : konsumsi tenaga (HP atau W) yang dibutuhkan bioreaktor untuk menggerakkan impeler Konsumsi tenaga per satuan volume media (Pg/V) dapat dijadikan sebagai parameter translasi pada Penggandaan Skala

Kebutuhan tenaga untuk mengaduk cairan pada sistem beraerasi (Pg) lebih kecil dibandingkan sistem tanpa agitasi (P)  disebabkan terjadi penurunan densitas cairan di sekitar pengaduk akibat terdapatnya gelembung udara di dalam cairan Perbandingan antara tenaga pengadukan sistem beraerasi dengan sistem tanpa aerasi (Pg/P) bervariasi antara 0.3-1.0 tergantung jenis impeler dan laju aerasi Koreksi terhadap penurunan tenaga pengadukan karena adanya aerasi, dilakukan dengan menggunakan Bilangan Aerasi (Aeration Number = Na) yang menggambarkan perbandingan antara dispersi gelembung udara di sekitar pengaduk dan di dalam tangki bioreaktor

Kecepatan aliran udara pada tangki bioreaktor Na = Kecepatan Ujung Pengaduk F/Di2 F Na = = F : laju alir (m3/menit) N = kecepatan agitasi/impeler Di = diameter impeler N Di3 N Di Dengan mengetahui nilai Na (Bilangan Aerasi) dan dengan menggunakan grafik hubungan antara (Pg/P) dengan Na pada berbagai tipe pengaduk (impeler), maka nilai Pg/P Diketahui  Pg dapat dihitung (Aiba et al., 1973) Tipe Impeler : - Turbin pipih - Baling-baling - Dayung - dll Pg/P Na x !02)

Pada penggandaan skala harus diusahakan kondisi lingkungan yang optimal. Namun umumnya penggandaan skala akan menyebabkan berubahnya faktor-faktor lingkungan fisik. Harus dicari patokan penggandaan skala yang sesuai. Patokan/persamaan penggandaan skala yang dapat dipilih : Masukan tenaga per unit volume (Pg/V) P/V ~ N3D2 Tetapan perpindahan oksigen (kLa) Kecepatan ujung pengaduk (v)  v ~ ND) Laju sirkulasi cairan fermentasi (F/V ~ N) Bilangan Reynolds P : konsumsi tenaga; V : volume cairan fermentasi; F : laju alir; N : laju sirkulasi cairan; D : diameter pengaduk;  yang terbanyak digunakan no 1 dan no. 2

Untuk memperoleh produksi yang konsisten, maka kondisi operasi bioreaktor harus dipertahankan seragam pada berbagai skala produksi Harus diusahakan kondisi lingkungan optimal tetap terjaga, sehingga harus dipilih patokan penggandaan skala yang tepat  yang umum digunakan : 1. Masukan tenaga per unit volume (Pg/V) 2. Tetapan perpindahan O2 volumetrik (kLa) dengan menggunakan bioreaktor yang sama geometri & konfigurasinya !!

Berdasarkan nilai Pg/V atau kLa dapat dihitung kecepatan agitasi atau laju aerasi dalam rangka untuk mempertahankan kondisi yang sama pada skala produksi yang lebih besar

Konsumsi tenaga per satuan volume cairan (Pg/V) merupakan patokan penggandaan skal ayang penting karena relevan dgn karakteristik cairan dalam bioreaktor berpengaduk Namun harus diperhatikan masalah yang timbul akibat me- ningkatnya laju geser dan waktu sirkulasi

Patokan penggandaan skala pada sistem aerobik adalah nilai laju perpindahan oksigen volumetrik (kLa) pada bioreaktor skala kecil = skala besar Asumsi dengan efisiensi aerasi yang sama, akan diperoleh rendemen produk yang sama, baik pada skala kecil mau- pun skala besar. Dasar penggunaan nilai kLa untuk penggandaan skala pada sistem aerobik adalah dalam rangka mempertahankan laju konsumsi oksigen (oxygen uptake rate = OUR) tetap OUR = kLa (C* - CL)  (OUR)1 = (OUR)2

Nilai kLa dipertahankan tetap dengan cara mempertahankan laju alir udara yang akan menentukan nilai OUR.  pada keadaan steady-state, laju perpindahan oksigen ke cairan fermentasi (OTR) seimbang dengan laju konsumsi mikroba kLa (C* - C) = OUR atau kLa = OUR/(C*-C)

QUIZ : Apa yang sdr ketahui tentang “Rekayasa Bioproses” ? Jelaskan faktor apa saja yang harus diperhatikan untuk mendapatkan kinerja bioproses yg efisien, ekonomis dan produktivitasnya tinggi