Design Bioreaktor

PERANCANGAN

BIOREAKTOR

Referensi Schüger, K, Bioreaction Engineering Vol. 1: Fundamentals,

Thermodynamics, Formal Kinetics, Idealized Reactor Types and Operation Modes, John Wiley & Sons, New York, 1987.

Schüger, K, Bioreaction Engineering Vol. 2: Characteristic Features of Bioreactors, John Wiley & Sons, New York, 1991.

Nielsen, J., Bioreaction Engineering Principles, Plenum Press, New York, 1994.

Lee, J.M., Biochemical Engineering, Prentice Hall, 1992. Sinclair, C.G., Kristiansen, Fermentation Kinetics and

Modelling, Taylor and Francis, 1987. Shuler, M.L., Kargi, Bioprocess Engineering: Basic Concepts,

Prentice Hall, 1992. Aiba, S., Biochemical Engineering, Edisi ke-2, University of

Tokyo Press, 1973. Wang, D.I., Fermentation and Enzym Technology, John

Wiley & Sons, New York, 1979.

Penggolongan Bioreaktor

Sistem Pengumpanan dan Pengoperasian

Sumber Energi Pertumbuhan dan Pemeliharaan Sel

Konstruksi Bioreaktor dan Pola Aliran

Bioreaktor Batch

Kondisi dapat berubah-ubah (S, X, laju pertumbuhan), konsentrasi substrat awal tinggi, fase pertumbuhan berbeda-beda.

Lebih umum digunakan

S = konsentrasi substrat (mg/liter)X = konsentrasi sel (mg/liter)

Udara

Contoh Aplikasi : Industri Pembuatan

Etanol

CHEMOSTATSUATU BIOREAKTOR DENGAN SISTEM PENGUMPANAN (UMPAN SEGAR) TERUS MENERUS (SINAMBUNG), SEMENTARA SISA CAIRAN NUTRIENT/SUBSTRAT, PRODUCT AKHIR METABOLIC DAN MICROORGANISME DIKELUARKAN DARI BIOREAKTOR DENGAN LAJU KECEPATAN YANG SAMA UNTUK MENJAGA VOLUME BIOREAKTOR KONSTAN

Chemostat

Proses tunak, substrat berkonsentrasi rendah dan konstan, laju pertumbuhan konstan yang diatur melalui laju pengenceran (laju alir umpan)

Lebih efisien

F S0 X0

F S X

udara

Contoh Aplikasi : Pengolahan Limbah Industri dan Rumah Tangga

Chemostat dengan Recycle

F S0 X0

(1+a)F S,X

aF S,bX

F X’

Chemostat tidak efisien jika µmax<D, karena mikroorganisme dapat terbuang bila laju alir pengenceran tinggi, sehingga dilakukan recycle

Bioreactor Fed Batch

F, S0

V0, X, S, P

Start fed-batch HarvestVw, X, S, P

Fed batch fillV, X, S, P

F, S0

Bagaimana prinsip kerja Bioreaktor ini ?

Sumber Energi Pertumbuhan dan Pemeliharaan Sel

Bioreaktor Aerobik (Oksigen sebagai Oksidator) Bioreaktor Anaerobik (Senyawa non Oksigen

sebagai Oksidator)

t fermentasi optimum

Aerasi dan Agitasi

O2 dibutuhkan atau tidak ?

Faktor design bioreaktor

Penghilangan panas

Kontrol atas foam yang terbentuk

Penyediaan oksigen

Sterilisasi

Mengapa dan Bagaimana?

Penghilangan panas

Foam Control:

Penyediaan O2

Sterilisasi

Metabolisme sel menghasilkan panas yang dihilangkan dengan internal coils atau reactor jackets.

Metabolisme sel menghasilkan komponen dan dapat memicu pembentukan foam mechanical foam breakers dan chemical additives.

Pernafasan sel membutuhkan oksigen. Sparged air dan impeller memperkecil bubbles dan meningkatkan residence time.

Hanya diinginkan 1 jenis strain. Steam dan filtering.

Bagaimana sebenarnya proses pembentukan produk metabolik?REFER KE METABOLISME SEL DAN KINETIKA PERTUMBUHAN SEL DAN PEMBENTUKAN PRODUK

CONTOH

Faktor apa yang membatasi ukuran reaktor

Kemampuan untuk mensuplai oksigen dan menghilangkan panas

Agitated tank

Bubble column

Airlift Propeller loop

Jet loop

Perbandingan Tipe BioeaktorTangki berpengaduk

› Transfer massa oksigen baik› Kebutuhan energi untuk pengadukan tinggi› Perawatan tinggi untuk menjaga tetap steril

harus di-seal

Bubble Column› Gaya geser rendah› Tidak perlu di-seal› Terbatas pada cairan berviskositas rendah› Pengadukan lebih sedikit dari tangki

berpengaduk› Gelembung koalensi membatasi laju alir

udara naik

Perbandingan Tipe Bioeaktor

Loop reactor•Pencampuran lebih baik daripada bubble column dengan gaya geser rendah, kebutuhan energi rendah dan keterbatasan

•Digunakan untuk cairan dengan viskositas tinggi daripada bubble columns

•Pencampuran lebih sedikit daripada agitated tank

AGITATED

TANK

Pengaduk

Fermentor

Penambah-an/peng-hilangan panas

memecah gelembung menjadi senyawa2 yang kecil untuk agar tercipta transfer perpindahan massa oksigen yang lebih baik.

skala lab bahan glass, komersial stainless steel

coil sepanjang dinding fermentor, atau water jacket sekeliling tangki

Antifoam

AGIT

ATED

TAN

K Antifoam

Volume kerja

Seal

Baffle/pe-nyekat

mencegah problem foaming, tetapi dapat menambah tahanan perpindahan massa

volume cairan dalam tangki tidak termasuk ruang bagian tutup fermentor

seal untuk batang pengaduk harus menjamin tidak terjadi kontaminasi

memperbesar pengadukan dan dispersi gas

Agitated Tank

Baffle

Motor

Tipe-tipe pengaduk

Rushton : berbentuk cakram dengan 6 - 8 buah bilah. Pom. pa cairan dalam arah radial. Batang pengaduk dengan > 1 pengaduk dapat menciptakan pembagian ruang pengadukan

Axial flow : memompakan cairan ke arah vertikal. Energi yang dibutuhkan untuk perpindahan massa lebih rendah. Laju geser lebih rendah.

Tipe-tipe pengaduk nRusthon Rusthon

Rusthon Axial flow

21 34 5

Perpindahan massa O2

1. Konsentrasi bulk O2 dalam fase gas

2. Perpindahan melewati lapisan gas yang stagnan

3. Pemisahan fase gas fase cair ( temp pd titik jenuh)

4. Perpindahan melewati lapisan cairan yang stagnan

5. Konsentrasi bulk cairan (CL)

6. Perpindahan melewati lapisan cairan stagnan menuju sel

6

gelembungsel

Profile oksigenKons O2

Radius gelembung

jarak

O2 dalam aliran udara masuk

Kons O2 dalam sel

Batas antara gas dan cairan

Kons O2 dalam bulk cairan

Kons O2 pada interface cairan

Perpindahan massa O2

Laju perpindahan pada kondisi tunak (steady state) ditentukan berdasarkan laju reaksi yang terlambat OUROTR

XqO2kLa C

* CL OTR is not the rate at which you provide air to the reactor. You will actually provide much more oxygen to the reactor than is transferred to the cells.

Oxygen Mass Transfer

The value of the product kLa often determines the maximum cell mass X

X= the cell density (g/L)

qO2= the specific oxygen uptake rate (mol O2/g/hr)

kL=the oxygen mass transfer coefficient (cm/hr)

a=the interfacial area per unit reactor volume (cm2/cm3)

C*= the concentration of O2 in the liquid at the gas-liquid interface (often assumed to the the saturation value)

CL=the concentration of O2 in the “bulk” liquid

Perpindahan massa O2

Determining O2 Mass Transfer

Correlations can be used to predict the volumetric transfer coefficient kLa

Many correlations can be found in the literature. Shuler gives the general form:

kLakPgVR

0.4

vs 0.5 N 0.5

Where:k= an empirical constant that depends on the reactor type and bubble diameter, among (probably) other things

Pg= the power required for an aerated reactor

VR= the reactor volume

vs= the superficial gas exit speed (volumetric exit flow rate divided by vessel cross-sectional area times the volume of gas per volume of reactor)

N= the impeller rotational speed

Experimental Determination of O2 Mass Transfer

The previous correlation offer design estimates.

Medium components, temperature, and pressure can affect kLa and oxygen solubility

Simple experiments can be done to measure kLa

Unsteady state, steady state, dynamic and sulfite methods to measure kLa

Unsteady Method

dCLdt

kLa C* CL

ln C* CL kLat

Separate and integrate

Plot ln(C*-CL) versus t, slope is -kLa

Fill the reactor with medium only – no cells. Measure the DO concentration in the medium. Remove oxygen from the medium by sparging with N2. Introduce air, and record the increase in DO.

Steady-State MethodRequires an oxygen gas analyzer for the

effluent air.Perform an O2 mass balance to obtain OUR.

Difficulty in both methods – C* is a function of pressure (height of liquid and high pressure aeration gas).

kLaOURC* CL

Dynamic Method Utilizes a fermentor with actively

growing cells. Requires only a DO meter. The air to the fermentor is shut off,

and the DO decreases due to consumption by the microorganisms. The air is then turned on, and the the DO increases.

When the air is off, kLa = 0, so the slope of DO vs. time is equal to –qO2X.

The slope of the assending curve with time can be determined from tangents to the curve. The slope of the plot dCL/dt-qO2X vs (C*-CL) will be kLa.

XqCCakdt

dC2OL

*L

L