-
UNIVERSITAS INDONESIA
Judul Makalah
BIOREAKTOR TUBULAR
KELOMPOK 2 :
Annisa Kurnia (1106009431)
Ayu Kamilah (1106013214)
Fachryan Zuhri (1106012224)
Haisa Yuana (1106010061)
Lita Lianti (1106011120)
Rosyida Khusniatul Arifah (1106012432)
Tatia Chairunnisa (1106012924)
DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING
FACULTY OF ENGINEERING
UNIVERSITY OF INDONESIA
DEPOK
2014
-
2
-
3
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
...............................................................................................................
1
MINDMAP
..............................................................................................................................
2
DAFTAR
ISI.............................................................................................................................
3
DAFTAR GAMBAR
...............................................................................................................
4
DAFTAR TABEL
....................................................................................................................
5
BAB I PENDAHULUAN
.......................................................................................................
6
1.1 Latar Belakang
......................................................................................................
6
1.2 Tujuan
....................................................................................................................
6
1.3 Rumusan Masalah
..................................................................................................
6
BAB II ISI
...............................................................................................................................
8
2.1 Bioreaktor Tubular
...............................................................................................
8
2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular
..................................................................
8
2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular
..................................................................
10
2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular
..................................................................
10
2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor
Tubular............. 13
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
................................................. 15
2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Alga dalam
Pembuatan Biofuel ... 17
2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular
............................... 18
2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan
.......................................................... 19
2.4.1.2 Proses Pemanenan
........................................................................
19
2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi
Alga .......... 19
2.4.3 Material Fotobioreaktor Tubular
..............................................................
25
2.4.3.1 Energy Content Material
..............................................................
25
2.4.3.2 Material Fotobioreaktor
...............................................................
25
2.4.3.3 Kaca Borosilika
...........................................................................
28
2.4.4 Desain Perancangan Fotobioreaktor Tubular
........................................... 30
BAB III PENUTUP
...............................................................................................................
34
3.1 Kesimpulan
.......................................................................................................
34
3.2 Saran
..................................................................................................................
34
DAFTAR PUSTAKA
-
4
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Reaktor Tubular
Adiabatik..................................................................................
8
Gambar 2.2 Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal
untuk fermentasi dan
pengolahan limbah
...........................................................................................
12
Gambar 2.3 Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan
model ................... 13
Gambar 2.4 Reaktor tubular kontinu
....................................................................................
14
Gambar 2.5 Fotobioreaktor
tubular.......................................................................................
18
Gambar 2.6 Skema fotobioreaktor
tubular............................................................................
20
Gambar 2.7 Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A)
dan bubble air column (B)
............................................................................................................................
20
Gambar 2.8 Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel
(A) dan loop (B) .............. 24
Gambar 2.9 Tabung kaca borosilika
......................................................................................
26
Gambar 2.9 LDPE Film sebagai penutup sebuah greenhouse
.............................................. 26
Gambar 2.10 Tabel Karakteristik Material Fotobioreaktor dan
Kandungan Energi
Fotobioreaktor Tubular
...................................................................................
27
Gambar 2.11 Kaca borosilika sebagai material fotobioreaktor
.............................................. 28
Gambar 2.12 Struktur molekul kaca borosilika
......................................................................
29
Gambar 2.13 Spesifikasi kaca borosilika
................................................................................
30
Gambar 2.14 Komposisi kimia kaca borosilika
......................................................................
30
Gambar 2.15 Fotobioreaktor
....................................................................................................
32
Gambar 2.16 Gas liquid separator
..........................................................................................
33
-
5
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu
................................................................
15
Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
...................................................... 17
Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga
................................................. 21
Tabel 2.4 Keunggulan Kaca Borosilika
..................................................................................
29
-
6
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam beberapa dekade terakhir, bioteknologi berkembang sangat
pesat.
Perkembangan ini semakin didukung oleh meningkatnya jumlah
mikroorganisme yang
direkayasa secara genetik agar bisa menghasilkan zat-zat yang
diinginkan sesuai jumlah yang
dibutuhkan. Meskipun mikroorganisme-mikroorganisme tersebut
telah mengalami
modifikasi, lingkungan tumbuh yang sesuai harus disediakan agar
proses produksi berjalan
dengan optimal. Untuk memfasilitasi kebutuhan ini, maka
dirancanglah suatu alat atau wadah
berupa sistem tertutup yang disebut bioreaktor.
Bioreaktor adalah suatu unit alat yang digunakan untuk
melangsungkan proses
biokimia dari suatu bahan baku menjadi produk yang diinginkan,
dimana prosesnya
dikatalisis oleh enzim-enzim mikrobial atau isolat enzim murni.
Beberapa parameter yang
dikontrol dalam sistem bioreaktor di antaranya: suhu, pH,
aerasi, nutrisi (Arbusyro, 2011).
Namun, beberapa faktor lain juga perlu diperhatikan tergantung
pada jenis mikroorganisme
yang digunakan, contohnya pencahayaan. Kebutuhan-kebutuhan ini
bisa dipenuhi dengan
perancangan bioreaktor yang sesuai untuk meningkatkan aktivitas
produksi.
Terdapat berbagai jenis bioreaktor berdasarkan bentuk dan
fungsinya. Salah satunya
adalah bioreaktor tubular. Dalam makalah ini, tim penulis akan
membahas mengenai
bioreaktor tubular dan aplikasinya.
1.2 Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah Bioreaktor Tubular ini di
antaranya:
1. Memahami prinsip kerja bioreaktor tubular secara umum;
2. Memahami salah satu aplikasi bioreaktor tubular yaitu
fotobioreaktor sebagai media
kultivasi alga;
3. Memahami sistem perancangan fotobioreaktor alga.
1.3 Rumusan Masalah
Masalah yang dikaji dalam makalah ini adalah bagaimana
bioreaktor tubular
diaplikasikan dalam sistem bioproses. Selain itu, dibahas pula
mengenai desain rancangan
-
7
fotobioreaktor tubular sebagai media kultivasi alga, termasuk
material, pertimbangan
pemilihan, serta kelebihan dan kekurangannya.
-
8
BAB II
ISI
2.1 Bioreaktor Tubular
2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular
Dalam dunia rekayasa proses hayati diperlukan alat yang disebut
bioreaktor.
Bioreaktor ini digunakan dalam proses konversi reaktan menjadi
produk yang melibatkan
makhluk hidup atau sel organisme. Salah satu jenis bioreaktor
jika ditinjau dari
bentuknya adalah jenis bioreaktor tubular. Bioreaktor ini
berbentuk vessel dengan
geometri silindris. Tabung bioreaktor ini panjang dengan feed
masuk di ujung yang satu
dan produk keluar di ujung yang lain. Dalam merancang reaktor
ini cukup menantang
karena ada perubahan variabel searah berubahnya waktu pada
posisi aksial. Untuk
perhitungannya diperlukan persamaan diferensial parsial. Reaktor
tubular lebih sulit
dikontrol daripada reaktor CSTR. Variabel suhu sangat menentukan
sistem yang
berlangsung pada reaktor jenis ini.
Gambar 2.1 Reaktor Tubular Adiabatik
(Sumber: Luyben, William L. 2007. Chemical Reactor Design And
Control.)
Pada Gambar 2.1 terlihat sketsa reaktor tubular adiabatik.
Pembeda utama untuk
reaktor jenis ini adalah bahwa variabelnya akan berubah seiring
perubahan dimensi
secara fisik. seperti analogi prinsip pipa akan terjadi friksi
dan profil variabel tertentu
yang berbeda ketika panjangnya berubah. Secara klasik, dalam
reaktor tubular tidak
terjadi perpindahan masa dan energi secara radial dan tidak
terjadi percampuran pada
arah aksial.
-
9
Berdasarkan isi reaktor, reaktor tubular reaktor terdiri dari
dua jenis, yaitu reaktor
tubular dengan katalis dan reaktor yang tidak ada katalis tau
kosong. Katalis ini biasanya
berupa materi padat yang dipasang secara packed atau bed. Adanya
katalis tersebut
sangat mempengaruhi dinamika sistem pada reaktor. Hal itu
dikarenakan katalis
memiliki kapasitansi panas yang lebih besar dibandingkan dengan
fluida yang
melewatinya.
Ada lima perbedaan yang mendasar antara reaktor CSTR dengan
reaktor tubular.
Pertama adalah variasi sifat-sifat dalam arah aksial sepanjang
panjang reaktor. Misalnya
dalam reaktor adiabatik dengan reaksi ireversibel yang
eksotermik, suhu maksimum
terjadi pada bagian keluaran reaktor dibawah kondisi steady
state. Perbedaan kedua
adalah perubahan dinamika atau terjadinya disturbansi. Di
reaktor jenis tubular,
disturbansi akan terjadi atau muncul lebih lama dari pada di
CSTR. Ketika dilakukan
perubahan pada inlet maka reaktor tubular membutuhkan waktu
untuk merespon
perubahan hingga dapat terdeteksi di outlet. Hal ini menyebabkan
deadtime dan dinamic
lags yang besar dalam sistem jika dilakukan perubahan variabel
pada inlet. Perbedaan
yang ketiga adalah pada reaktor non-adiabatik pengontrolan suhu
pada sistem sulit
dilakukan. Hal yang dapat dilakukan untuk masalah tersebut
adalah dengan
menggunakan pemanasan atau pendinginan aliran medium, secara
aliran searah atau
berlawanan arah dengan aliran sistem. Hal hanya bisa
dimanipulasi adalah dengan
mengubah kecepatan aliran medium dan suhu pada inlet. Perbedaan
yang keempat adalah
pengaruh dari suhu inlet. Pada CSTR perubahan suhu pada inlet
tidak terlalu
berpengaruh pada sistem. Berbeda dengan reaktor tubular,
perancangan dan kontrol suhu
pada feed sangat penting untuk diperhatikan. Jika pada inlet
diberikan suhu yang rendah
maka kecepatan reaksi pada bagian ujung depan reaktor akan
lambat, maka dibutuhkan
reaktor yang lebih besar. Namun apabila suhu pada inlet
dinaikkan maka ukuran reaktor
akan menurun, tetapi suhu menuju outlet akan semakin naik. Pada
beberapa sistem
terdapat suhu maksimum yang diperbolehkan dimana nilai tersebut
dipengaruhi beberapa
faktor seperti ada tidaknya katalis, material dari reaktor dan
reaksi tambahan yang terjadi
dalam sistem. Perbedaan yang kelima adalah pressure drop. Pada
CSTR tidak terdapat
pressure drop sedangkan pada reaktor tubular variabel ini dapat
menjadi variabel yang
sangat penting dikontrol. Variabel ini dapat direduksi dengan
mengubah diameter
tabung menjadi lebih besar dan memperpendek panjangnya. Namun
dengan
memperpendek panjang tabung maka dibutuhkan reaktor pararel yang
lebih banyak.
Dengan memperbesar diameter tabung mengakibatkan transfer panas
yang lebih buruk.
-
10
Hal tersebut membutuhkan energi lebih untuk mndapatkan
perpindahan panas yang
diinginkan sehingga dengan kata lain akan meningkatkan biaya
operasi.
2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular
Berdasarkan mode atau cara pengoperasiannya, reaktor tubular
dibedakan menjadi
empat berikut akan dijelaskan secara singkat mengenai
jenis-jenis tersebut.
a) Reaktor Tubular Adiabatik
Pada jenis ini tidak ada transfer panas dalam reaktor sehingga
tidak ada gradien
suhu pada arah radial. Suhu adiabatik berubah bergantung pada
per-pass conversion,
jumlah material dalam bahan yang masuk, dan kapasitas panasnya.
Jika konversi dari
reaktan menjadi produk rendah maka perubahan suhu adiabatik akan
kecil. Jika ada
material yang inert atau bahan merupakan bukan reaktan, bahan
ini akan berfungsi
sebagai pentransfer panas yang pasif sehingga dapat mereduksi
perubahan suhu
adiabatik.
b) Reaktor Tubular dengan Heat Exchanger
Jenis reaktor ini memiliki konstruksi yang hampir sama dengan
alat penukar kalor
tube-in-shell. Aliran fluida akan dipanaskan atau didinginkan
oleh medium penukar kalor
yang ada di sistem. Perpindahan kalor dalam proses mempengaruhi
gradien suhu secara
radial. Gradien tersebut sangat dipengruhi oleh diameter tabung,
kecepatan fluida serta
sifat-sifat fluidanya. Semakin besar diameter tabung maka
gradien secara radialnya akan
semakin besar pula.
c) Reaktor Tubular dengan Intermediate Heat Exchanger
Diantara vessel reaktornya digunakan reaktor adiabatik dengan
pendingin atau
pemanas yang dikonstrukdi secara seri.
d) Reaktor Tubular dengan Cold Scot Cooling
Reaktor tubular ini dioperasikan secara adiabatis dengan
menggunakan katalis
multiple beds. Pada setiap ujung beds, aliran panas dan dingin
akan bertemu dan
bercampur yang menyebabkan suhu menurun sehingga dapat kembali
sesuai dengan
suhu yang ada di inlet.
2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular
-
11
Reaktor tubular telah banyak digunakan dalam industri baik pada
petroleum,
petrokimia, farmasi, pengolahan limbah atau untuk produksi
energi alternatif. Beberapa
contoh penggunaanya di antaranya untuk:
1) Karbonilasi (Carbonylation)
Reaksi yang terjadi adalah perubahn substrat organik atau
inorganik oleh karbon
monoksida yang dituukan untuk mensintesis bahan organik. Pada
bioproses salah satu
reaksi ini terjadi pada proses karbonilasi protein, yaitu
modifikasi ikatan asam amino
pada protein dengan ikatan karbonil (aldehid dan keton). Reaksi
ini membutuhkan
tekanan tinggi dan katalis yang heterogen. Oleh karena itu
pnggunaan reaktor jenis
tubular sangat memberikan manfaat seperti kemudahan mengontrol
residence time,
memiliki inventori yang rendah untuk reaktan dibawah tekanan
yang tinggi sehingga
keamanan proses lebih terjaga serta kemudahan dalam pemisahan
katalis.
2) Hidrogenasi
Reaksi hidrogenasi merupakan penambahan hidrogen ke substrat
yang tidak
jenuh dan biasnnya melibatkan katalis. Dalam industri contoh
reaksi ini adalah
pembuatan margarin dari minyak sayur (nabati). Proses katalitik
hidrogenasi substrat
yang mengubah lemak tak jenuh ini dilakukan pada kecepatan
tinggi. Prosesnya
diperoleh dengan lipolisis dengan gas yang mengandung gas
hidrogen dimana subtrat
dan hidrogen mengalir melakukan kontak dengan katalis melalui
reaktor tubular pada
tekanan 0,5 sampai 300 bar dan suhu 60o sampai 280oC.
Perbandingan panjang dan
diameter reaktornya adalah 10:1.
3) Fermentasi dan pengolahan limbah (wastewater treatment)
Biorektor tubular untuk fermentasi atau pengolahan limbah air
memiliki jenis
konstruksi yang berbeda. Jenis tersebut dapat dilihat pada
Gambar 2.2a. Kosntruksi
yanng paling sederhana ditampilkan pada Gambar 2.2a. Bioreaktor
tersebut hanya terdiri
dari tabung lurus atau spiral. Jenis tersebut sering digunakan
dalam pengolahan air
limbah. Gambar 2.2b merupakan reaktor biodisc yang dalam hal ini
digunkan sebagai
katalis. Jenis ini biasanya digunakan untuk mikroba yang
menghasilkan biofilm. Untuk
jenis pada Gambar 2.2c. Digunakan untuk mikroba mycelial yang
tidak menghasikan
biofilm. Jenis ini memiliki blade ganda dalam tabungnya. Untuk
jenis bioreaktor pada
Gambar 2.2d, bioreaktor terdiri dari beberapa katalis silindris.
Tujuannya adalah untuk
-
12
meningkatkan proses pengadukan (mixing) dan menekan pembentukan
biofilm. Gambar
2.2e merupakan jenis bioreaktor untuk bioproses yang berbeda
dimana foaming
(pembentukan busa) rendah. Gambar 2.2f merupakan jenis
bioreaktor yang digunakan
untuk pengolahan limbah dengan mikroba aerobik. Gambar 2.2g
merupakan jenis
bioreaktor yang ditujukan untuk menghambat pertumbuhan dinding
mikroba.
Gambar 2.2 Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal
untuk fermentasi dan
pengolahan limbah
(Sumber: B. antek. 2006. Horizontal Tubular Bioreactors in
Biotechnology.)
4) Bioproses dengan organisme fototropik
Bioreaktor tubular juga dapat digunakan sebagai bioproses
fotosintetik dimana
energi matahari digunakan sebagai produksi biomassa atau
metabolit yang dihasilkan
dari mikroba. Bioreaktor tipe ini sebagian besar digunakan untuk
kultivasi alga dan
organisme fototropik lain. Pada kasus ini, bioreaktor tubular
dikonstruksi sebagai tabung
yang lurus, plat tipis degan dinding partisi untuk regulasi
aliran medium atau tabung
pengumpul sinar matahari. Biasanya terbuat dari material
transparan seperti plastik atau
gelas yang dimaksudkan untuk memperoleh suplai cahaya yang
cukup. Prinsip dasar dari
konstruksi bioreaktor ini adalah untuk mereduksi celah kecil
cahaya untuk
-
13
meningkatkan jumlah cahaya yang tersedia untuk sel. Penjelasan
lebih lanjut akan
diberikan pada bab selanjutnya.
2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor
Tubular
Untuk mengetahui hal apa saja yang diperhatikan dalam pemilihan
reaktor, maka kita
harus memahami terlebih dahulu kreiteria dalam menentukan desain
sebuah tipe reaktor
secara umum. Ada beberapa pendekatan dalam menentukan sebuah
desain reaktor,
diantaranya adalah modeling approach atau pendekatan melalui
model (Heinze, 2009).
Dalam pendekatan ini, diperlukan untuk mengkombinasikn
pengetahuan kuantitatif fisika dan
kimia untuk mendesain reaktor yang nantinya akan digunakan untuk
pemilihan reaktor.
Gambar 2.3 Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan
model
(Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: Basic
Description and Design.)
Dari skema di atas, bisa dilihat yang menjadi pertimbangan dalam
aspek fisik adalah
pola aliran, perpindahan masa dan panas, dan waktu tinggalnya
seperti apa. Untuk tubular
reaktor, merupakan jenis reaktor pipa tanpa pengaduk, dimana
tidak terjadi agitasi. Reaksi
terjadi disepanjang aliran pipa. Jika kecepatan aliran terlalu
tinggi, dan diasumsikan
perpindahan yang terjadi pada arah radial pipa sangat kecil,
maka aliran pipa tersebut
dinamakan plug flow. Jadi, apabila pola aliran yang diinginkan
laminar atau turbulen dalam
sebuah reaktor tanpa pengaduk maka reaktor bisa menjadi salah
satu yang bisa
dipertimbangkan. Begitupun juga dengan aspek yang lain seperti
perpindahan masa dan
panas, serta aspek residence time-nya, disesuaikan apakah akan
sesuai dengan menggunakan
jenis reaktor tubular. Dan juga ditambah dengan sifat-sifat
kimia, terutama data kinetik dari
sebuah proses reaksi ditambah dengan termodinamika reaksi dan
selektivitasnya.
-
14
Dari skema di atas, dapat diturunkan lebih jauh lagi dalam
melakukan pemilihan
reaktor. Hal tersebut antara lain:
1. Mengidentifikasi jumlah fase yang ada pada reaksi (homogen
atau heterogen);
2. Mengidentifikasi stoikiometri, jumlah reaksi, dan kebutuhan
energi;
3. Mengidentifikasi Mekanisme dan rute reaksi;
4. Menentukan tujuan dari pemilihan reaktor (Evaluasi data
kinetika, data untuk scale-
up, desain komersial).
Selanjutnya, kita kembali lagi ke reaktor tubular yang bersifat
aliran kontinu. Hal ini
juga menjadi dasar perhatian dalam menentukan jenis reaktor.
Berati kita juga perlu
mengetahuan peruntukan untuk masing-masing tipe reaktor kontinu
dan non-kontinu (batch)
sehingga dapat dijadikan pertimbangan dalam penentuan tipe
reaktor tubular. Berikut adalah
karakteristik dari tipe batch:
1. Produksinya kontinu;
2. Steady state setelah periode start up;
3. Tidak ada variasi konsentrasi terhadap waktu;
4. Laju reaksi yang relatif konstan;
5. Kemudahan untuk menentukan kinetika;
6. Tidak ada down-time untuk pembersihan, pengisian, dll.
Gambar 2.4 Reaktor tubular kontinu
(Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: Basic
Description and Design.)
Untuk sistem batch karakteristiknya adalah sebagai berikut:
1. Kondisi yang bervariasi terhadap waktu;
2. Produksi yang tidak kontinu;
3. Ada waktu untuk pembersihan dan pengisian, baik substrat atau
produk yang
terbentuk;
4. Fleksibel.
Dari karakteristik sistem di atas, maka ketika ingin memilih
reaktor tubular maka
perlu memahami lebih jauh tentang karakteristik dari sistem
kontinu, apakah proses yang
akan kita sintesis tepat jika menggunakan karakteristik seperti
yang tertera di atas.
-
15
Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu
(Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: Basic
Description and Design.)
Lebih jauh lagi, pemilihan reaktor tubular juga memperhatikan
pelaksanaan teknis
seperti keterliatan fasa pada reaksi seperti yang telah
disebutkan sebelumnya. Reaksi yang
melibatkan reaktan gas biasanya dilakukan dengan menggunakan
reaktor tubular, yang
umumnya pada kondisi turbulen. Jadi, kesimpulannya adalah kita
perlu mengetahui terlebih
dahulu perilaku proses reaksi yang akan didesain reaktornya,
jenis produksinya, sifat fisik
dan kimianya sehingga parameter-parameter tersebut akan dapat
berlangsung optimal ketika
menggunakan reaktor tubular.
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
Bioreaktor tubular, baik yang vertikal maupun horizontal,
memiliki beberapa
kelebihan jika dibandingkan dengan bioreaktor berpengaduk.
Bioreaktor tubular biasanya
memiliki konstruksi yang lebih sederhana dan dapat diaplikasikan
untuk konfigurasi dalam
yang berbeda sesuai dengan standar matrial untuk industri. Untuk
pembuatan bioreaktor
tubular sendiri dan untuk pembuatan skala pabriknya sendiri
sangat penting untuk
mengetahui parameter-parameter pembuatannya seperti jumlah
impeller, jarak antara
impeller, jumlah baling-baling dari impeller, tipe dan ukuran
dari tenaga yang digunakan.
Pencampuran didalam bioreaktor tubular lebih homogen bila
dibandingkan bioreaktor
berpengaduk. Karena itu, bioreaktor tubular lebih mudah untuk
menghindari dead zone hal
ini membuat proses skala pabrik lebih efisien. Dead zone sendiri
adalah daerah yang tidak
-
16
teraduk oleh mixer atau pengaduk. Rasio volume dari bioreaktor
tubular lebih tinggi
dibanding bioreaktor CSTR sehingga proses transfer massa dan
transfer panasnya lebih
efisien. Hal ini sangat penting dalam sistem bioproses dengan
substrat semi-solid atau solid,
reaksi yang membutuhkan cahaya maksimum, dan organisme yang
sensitif terhadap tegangan
permukaan. Bioreaktor tubular juga unggul karena dapat digunakan
untuk mempertahankan
produktivitas dan mengoptimalkan konversi selama proses
kultivasi. Disisi lain bioreaktor
juga mudah di pertahankan proses reaksinya karena elemen-elemen
standarnya banyak
digunakan dalam industri bioproses, seperti pipa, pompa dan
fitting standar.
Meskipun bioreaktor tubular memiliki potensi yang baik untuk
digunakan dalam
bioteknologi, bioreaktor ini juga memiliki beberapa kelemahan
jika dibandingkan dengan
bioreaktor berpenganduk. Bioreaktor tubular sangat cocok untuk
sistem operasi continue,
sedangkan dalam industri bioproses biasanya sistem operasi yang
digunakan adalah sistem
batch. Kekurangan lainnya adalah bioreaktor tubular biasanya
mengalirkan kadar oksigen
yang sangat rendah, hal ini membuatnya tidak cocok untuk kondisi
operasi bioproses yang
biasanya memerlukan suplay oksigen tinggi (contoh : biomassa dan
produksi asam asetat).
Dalam bioreaktor tubular biasanya terbentuk biofilm mikrobial
dalam permukaan bioreaktor
hal ini dapat menghambat laju transfer massa yang terjadi
didalamnya, jika terjadi terlalu
lama dan biofilmnya semakin tebal maka dapat menggangu
kelangsungan hidup sel. Tapi
permasalahan ini dapat diatasi dengan mengkontrol ketebalan
biofilm dengan menggunakan
alat pengikis atau abrasi dari friksi. Dari sisi lain, biofilm
yang tebal dapat menjadi
keuntungan. Hal ini dikarenakan konsentrasi substrat yang paling
baik dimana kecepatan
biokonversinya dalam kondisi optimal. Keuntungan lainnya yang
dihasilkan dari biofilm ini
adalah kultur mikroba gabungan. Dimana spesies berbeda justru
dapat tumbuh dengan baik
didalam biofilm. Contohnya adalah proses pengolahan limbah air
dimana nitrifikasi tumbuh
baik dekat permukaan dan denitrifikasi tumbuh dengan baik
didalam biofilm. Hal ini sangat
menguntungkan dalam proses denitirifikasi dan nitrifikasi
berkelanjutan. Kekurangan lainnya
pertumbuhan biofilm ini tidak menguntungkan untuk reaksi yang
membutuhkan banyak
cahaya karena lapisan biofilm ini dapat menghalangi cahaya masuk
kedalam reaktor.
Kelebihan dan kekurangan bioreaktor tubular dapat dibuat dalam
bentuk tabel seperti
dibawah ini :
-
17
Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular
Kelebihan Kekurangan
Konstruksi/pembuatannya mudah Kapasitas suplai oksigennya
sedikit
Rasio volume luas (Permukaannya luas) Tidak cocok untuk sistem
batch
Konfigurasinya fleksibel Mudah terbentuk biofilm
Sangat cocok untuk sistem continue
Pencampuran lebih homogen
Transfer massa & transfer panas lebih efisien
(Sumber: antek, et al. 2006. Horizontal Tubular Bioreactors in
Biotechnology)
2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Alga dalam
Pembuatan Biofuel
Salah satu aplikasi bioreaktor tubular yang paling sering
ditemukan adalah dalam
kultivasi alga untuk produksi biofuel. Alga merupakan suatu
organisme yang tumbuh dalam
lingkungan berair dan membutuhkan cahaya dan karbon dioksida
(CO2) dalam menghasilkan
suatu biomassa. Alga telah diketahui mempunyai potensi yang
sangat besar sebagai bahan
baku pembuatan biofuel, karena alga memiliki kandungan minyak
yang sangat tinggi dan
mampu mengahsilkan biomassa dengan cepat. Alga tumbuh dengan
lebih cepat dibandingkan
dengan tanaman darat.
Kebanyakan alga bersifat fotosintetis, yaitu memerlukan cahaya
dan karbon dioksida
sebagai sumber energi dan sumber karbon (disebut alga
fotoautotropis). Namun ada pula
beberapa spesies alga yang dapat tumbuh dalam suasana yang gelap
atau kurang cahaya dan
menggunakan karbon organik seperti glukosa atau asetat sebagai
sumber energi dan sumber
karbon (disebut alga heterotropis). Namun alga heterotropis
membutuhkan biaya yang lebih
tinggi apabila akan dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan
biofuel, karena
mengharuskan perlakuan yang lebih rumit. Maka alga yang lebih
sering digunakan dalam
produksi biofuel adalah alga fotoautotropis. Terdapat dua sistem
bioreaktor yang dapat
digunakan dalam pembuatan biofuel ini, yaitu kolam terbuka (open
ponds) dan fotobioreaktor
tertutup (enclosed photobioreactor). Sistem yang akan dibahas
disini adalah enclosed
photobioreactor.
Enclosed photobioreactor telah digunakan untuk mencegah
terjadinya kontaminasi
dan evaporasi yang dapat terjadi pada sistem open ponds. Sistem
ini terbuat dari material
transparan dan umumnya diletakkan di luar rungan agar dapat
menangkap cahaya matahari.
Pipa-pipa kultivasi pada sistem ini memiliki rasio luas
permukaan dan volume yang tinggi.
-
18
Umunya fotobioreaktor ini di desain dalam bentuk tubular yang
memiliki banyak pipa pipa
bersih yang transparan, yang biasanya selaras dengan sinar
matahari.
Gambar 2.5 Fotobioreaktor tubular
(sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)
2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular
Pipa-pipa tersebut umumnya memiliki diameter kurang dari 10 cm
agar
memaksimalkan penyerapan sinar matahari. Media tumbuh alga
dialirkan melalui pompa
meuju ke dalam pipa, dimana pipa tersebut mendapatkan sumber
cahaya dari sinar
matahri langsung untuk melakukan fotosintetis alga, dan
dialirkan kembali ke dalam
reservoir. Biomassa yang terbentuk dicegah agar tidak menempel
pada permukaan dalam
pipa dengan cara mempertahankan aliran medium (kaldu) dalam
aliran turbulen
menggunakan pipa mekanik. Atau dapat juga dilakukan dengan
pengangkutan
menggunakan pompa udara.
Gambar 2.6 Skema fotobioreaktor tubular
(sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)
Proses fotosintesis yang terjadi membentuk oksigen. Pada sistem
terbuka, hal ini
bukanlah suatu masalah karena oksigen akan dengan mudah
dikembalikan ke atmosfir.
-
19
Namun, dalam sistem bioreaktor tertutup, level oksigen akan
terus terbentuk sehingga
dapat membahayakan alga dan menghambat pertimbuhannya. Maka
proses kultur harus
dikontrol secara bertahap dengan menaruhnya pada degassing zone
yaitu area dimana
medium alga diberikan aliran udara untuk menghilangkan kelebihan
oksigen.
Alga menggunakan karbon dioksida yang dapat menyebabkan
peningkatan pH
dan kekurangan karbon. Maka dari itu, alga harus diberikan
karbon dioksida agar proses
kultivasi alga dalam skala besar dapat berhasil. Fotobioreaktor
bisa saja membutuhkan
proses pendinginan pada siang hari, dan temperature harus diatur
pula saat malam hari.
Hal ini dapat dilakukan menggunakan heat exchanger yang dapat
diletakkan baik dalam
pipa maupun dalam degassing zone.
2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan
Kelebihan dari enclosed tubular photobiorator ini di
antaranya:
Kemampuannya dalam mencegah permasalahan kontaminasi dan
evaporasi yang tejadi dalam open ponds.
Produktivitas bimassa pada bioreaktornya ini juga jauh lebih
baik, yaitu
13 kali lebih baik dibandingkan dengan open ponds.
Pemanenan dapat dilakukan dengan biaya yang lebih mudah.
Namun terdapat beberapa kelemahan seperti berikut ini:
Harga bioreaktor yang relatif lebih mahal dan proses scale up
yang
lebih sulit dilakukan.
Pembatasan pencahayaan tidak dapat sepenuhnya dicegah,
mengingat
penyerapan sinar matahari berbanding terbalik dengan konsentrasi
sel.
Penempelan biomassa pada permukaan dalam pipa juga dapat
menyebabkan penyerapan cahaya matahari terganggu.
2.4.1.2 Proses Pemanenan
Pengambilan biomassa yang terbentuk dapat dilakukan dengan
penyedotan
dengan menggunakan pompa udara. Setelah biomassa tersebut
diambil, dapat
diletakkan dalam sentrifugasi dimana minyak dari biomassa
tersebut akan
dipisahkan dan selanjtunya dimasukkan ke dalam proses pembuatan
biodiesel.
2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi
Alga
-
20
Parameter yang perlu diperhatikan dalam kultivasi alga untuk
produksi biofuel
adalah transfer karbon dioksida (sumber karbon), pengadukan, dan
kebutuhan cahaya.
Cahaya dan karbon merupakan parameter utama dalam produksi
biomassa oleh alga
melalui proses fotosintesis. Oleh karena itu, dalam kultivasi
alga dibutuhkan reaktor
yang memiliki hal-hal berikut.
1. Luas permukaan yang besar
Luas permukaan reaktor yang besar akan memfasilitasi alga
mendapatkan
penyinaran yang cukup untuk fotosintesis.
2. Sirkulasi atau pencampuran yang baik
Reaktor harus memiliki kemampuan untuk mencampurkan sumber
karbon dan
medium secara merata agar yield yang dihasilkan akan lebih
besar.
3. Kemudahan pembuatan dan scale up
Tabel 2.2 merupakan tabel perbandingan beberapa bioreaktor untuk
kultivasi
alga. Dari tabel tersebut dapat kita lihat bahwa reaktor tubular
baik secara vertikal
maupun horizontal dan reaktor plat datar lebih baik untuk
kultivasi alga produksi biofuel
dibandingkan kultivasi alga dengan kolam. Namun, reaktor plat
datar memiliki luas
permukaan penyinaran yang lebih kecil dibandingkan dengan
reaktor tubular. Reaktor
tubular yang memiliki diameter yang kecil dan panjang (terutama
horizontal) akan lebih
merata penyinarannya dan memiliki luas permukaan yang sangat
besar. Namun, jika
diameter terlalu kecil akan menghambat aliran dalam reaktor
tubular, sehingga diameter
harus disesuaikan.
Dari sisi pencampuran dalam reaktor tubular, transfer CO2pada
reaktor tubular
vertikal biasanya melalui airlift atau bubble air column. Kedua
metode aerasi ini
sekaligus menjadi pencampur dalam reaktor tersebut.
Gambar 2.7 Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A)
dan bubble air column (B)
(Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal Reactors: A Review of
Enclosed System Designs and
Performances.)
-
21
Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga
Kolam Plat Datar Tubular
Vertikal Horizontal
Luas
Permukaan
Penyinaran
Hanya di permukaan
kolam
Cukup luas di
permukaan yang
terkena sinar,
tergantung ketebalan
reaktor.
Sepanjang Reaktor
Tubular
Sepanjang Reaktor Tubular
Pencampura
n
Buruk
Membutuhkan beberapa
impeller dan baffle agar
sumber karbon merata
Baik
Pengadukan
sekaligus aerasi CO2
Baik
Pengadukan sekaligus
aerasi CO2
Baik
Pengadukan dengan
sirkulasi menggunakan
pompa.
-
22
Kolam Plat Datar Tubular
Vertikal Horizontal
Bentuk
Dead Zone
Banyak Cukup
Terutama terdapat
area yang tersisa
untuk udara
(oksigen) akan
mengurangi
efektivitas kontrol
kontaminasi
Sedikit
Jika diameter kecil,
seluruh bagian akan
terlewati udara
Sedikit
Jika diameter kecil, alga,
sumber karbon, dan nutrisi
akan tersirkulasi dengan
baik. Namun, jika diameter
terlalu kecil akan
menghambat aliran.
-
23
Kolam Plat Datar Tubular
Vertikal Horizontal
Kebutuhan
Area Banyak Cukup Cukup
Banyak : Jika
menggunakan matahari
Cukup : Jika terdapat
sistem pencahayaan
Kontrol
dalam
reaktor
Sulit Cukup Mudah Cukup Mudah Cukup Mudah
Scale Up Mudah Mudah Mudah Mudah
Maintenanc
e Sulit Mudah Cukup Cukup
(Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal Reactors: A Review of
Enclosed System Designs and Performances.)
-
24
Adapun aerasi CO2 pada reaktor tubular horizontal biasanya
terpisah pada suatu kolom
degasser dan pencampuran dilakukan dengan sirkulasi menggunakan
pompa ke dalam
reaktor tubular agar merata. Kedua reaktor tubular ini (vertikal
dan horizontal) sama-
sama memfasilitasi pencampuran nutrisi dan sumber karbon yang
baik.
Gambar 2.8 Reaktor tubular horizontal
(Sumber: Christi. 2007.
https://wiki.uiowa.edu/display/greenergy/Algae+Biofuels)
Gambar 2.8 Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel
(A) dan loop (B)
(Sumber : Carvalho, AP. 2006. Microalgal reactors: A Review of
Enclosed System Designs and
Performances.)
Selain itu, reaktor tubular vertikal dan horizontal mudah untuk
di scale up, namun
area yang dibutuhkan untuk menaruh reaktor tubular horizontal
lebih banyak
dibandingkan reaktor tubular secara vertikal. Kebutuhan wilayah
reaktor vertikal kurang
lebih sama dengan reaktor plat datar. Dari perbandingan
tersebut, reaktor tubular
memenuhi 3 parameter reaktor yang dibutuhkan untuk kultivasi
alga. Berdasarkan
pertimbangan-pertimbangan diatas, terutama dalam hal luas
permukaan penyinaran dan
pencampuran adalah dua hal yang menjadi poin utama kami memilih
bioreaktor tubular
untuk kultivasi alga produksi biofuel ini. Bahan yang digunakan
dan perancangan
bioreaktor tubular ini akan dijelaskan lebih lanjut di bagian
selanjutnya.
-
25
2.4.3 Material Fotobioreaktor
2.4.3.1 Energy Content Material
Energy content material adalah istilah yang digunakan untuk
merujuk pada energi
yang dibutuhkan untuk produksi suatu material. Energi yang
digunakan memiliki pengaruh
terhadap lingkungan seperti emisi CO2, pemanasan global, dan
sebagainya. Energy content
menunjukkan keramahan suatu bahan terhadap lingkungan.
Material yang bisa diperbarui seperti kayu tergolong efisien
dalam hal energi karena
tidak membutuhkan biaya pemurnian atau sintesis. Logam cenderung
mempunyai energy
content yang tinggi karena sebagian besar logam diekstrak dari
bijih, dan membutuhkan
beberapa kali permurnian, yang menghabiskan banyak energi.
Energy content berhubungan dengan daur ulang. Material dengan
energy content yang
tinggi secara khusus bisa didaur ulang, apabila energi yang
digunakan dalam proses daur
ulang jauh lebih sedikit daripada membuat material baru
(contohnya aluminium).
2.4.3.2 Material Fotobioreaktor
Bermacam-macam jenis material telah digunakan untuk
fotobioreaktor tubular.
Material-material tersebut di antaranya: kaca, low density
polyethylene film (LDPE), dan
akrilik bening (polymethyl methylacrylate, PMMA, atau yang
dikenal dengan nama dagang
PlexiglasR dan PerspexR). Energy content material-material
tersebut akan dijelaskan sebagai
berikut.
a. Kaca
Pada studi saat ini, tabung kaca biasanya dibuat dari kaca
borosilika (Pyrex) dengan
ketebalan 1,6 mm. Estimasi energy content kaca bervariasi antara
13,0 dan 18,6 MJ.kg-1
untuk kaca jendela, hingga 15,9 MJ.kg-1 untuk float glass dan
26,2 MJ.kg-1 untuk kaca keras.
Tabung kaca secara khusus dijual dengan garansi 10 tahun, yang
mana merupakan batas
terendah umur manfaatnya. Tabung kaca digunakan karena memiliki
umur manfaat mencapai
20 tahun.
-
26
Gambar 2.9 Tabung kaca borosilika
(Sumber: Anonim. 2013. Manual SCHOTT)
b. Low Density Polyethylene Film (LDPE)
Fotobioreaktor tubular yang terbuat dari polyethylene telah
banyak dibahas di
berbagai artikel ilmiah, serta digunakan secara komersial. Film
LDPE digunakan secara luas
sebagai penutup sebuah greenhouse (Gambar 2.9).
Gambar 2.9 LDPE Film sebagai penutup sebuah greenhouse
(Sumber: Anonim. 2012.
http://maggielongxing.en.ec21.com/offer_detail/Sell_LDPE_greenhouse_film-
-18491738.html?gubun=S)
Film LDPE yang digunakan sebagai penutup greenhouse memiliki
kebutuhan
spesifikasi yang sama dengan fotobioreaktor: penetrasi cahaya
tinggi, transmisi infra merah
jarak dekat, transmisi UV rendah, dan harganya terjangkau.
Variasi polimer berbasis LDPE yang juga digunakan sebagai film
greenhouse adalah
kopolimer LDPE/EVA (ethyl-vinyl acetate) dan LDPE/LLDPE (LDPE
linier). Kekurangan
utama dari material-material ini adalah umur manfaatnya yang
pendek: bahkan dengan
penambahan penstabil UV, umur manfaat maksimum film LDPE yang
digunakan sebagai
penutup greenhouse adalah 3 tahun.
-
27
Faktor-faktor lingkungan yang bisa mempengaruhi umur manfaat
film di antaranya:
radiasi UV, suhu, siklus termal, dan kontak dengan permukaan
keras dan bahan-bahan kimia
(seperti polutan atmosferik). Sebuah penelitian dilakukan oleh
Australia National University
untuk menguji umur manfaat LDPE fotobioreaktor selama 3 tahun.
Hasil penelitian
menunjukkan bahwa umur manfaat LDPE sebagai penutup greenhouse
adalah 3 tahun, yang
mana ini sesuai karena amplitudo siklus termal untuk material
fotobioreaktor lebih rendah
daripada penutup greenhouse, sebagaimana ia juga dibatasi oleh
massa termal kultur.
Sebuah percobaan menunjukkan bahwa film greenhouse standar 180 m
sesuai untuk
digunakan sebagai material fotobioreaktor. Adapun dalam film
greenhouse, LDPE yang
digunakan adalah multilayer dengan karakteristik spesifik
(contohnya permeabilitas gas yang
rendah), tetapi dalam kasus fotobioreaktor, LDPE yang digunakan
bersifat homogen.
Estimasi energy content film LDPE adalah 787,1 MJ.kg-1 dan 74,0
MJ.kg-1.
c. Akrilik Keras/Polymethylmethacrylate (PMMA)
Tabung akrilik bening telah digunakan pada sejumlah prototype
sistem fotobioreaktor,
dengan diameter luar sekitar 30-60 mm dan ketebalan dinding
sebesar 3 hingga 5 mm.
Material dengan ketebalan dinding 1,6 mm (1/16) juga merupakan
standar produk, tetapi
hanya bila diameter
-
28
Gambar 2.10 Tabel Karakteristik Material Fotobioreaktor dan
Kandungan Energi Fotobioreaktor
Tubular
(Sumber: Burgess, G. et al. 2006. Materials, Geometry, and Net
Enery Ratio of Tubular Photobioreactors for
Microalgal Hydrogen Production)
Gambar di atas menunjukkan bahwa tabung akrilik memiliki energy
content tertinggi
per luas penampang, sedangkan tabung LDPE terendah. Setelah
normalisasi dengan umur
manfaat yang diperkirakan, tabung kaca dan LDPE memiliki life
span-weighted energy
content yang hampir sama, sekitar 5 kali lebih rendah daripada
tabung akrilik. Dengan
mempertimbangkan biaya pembuatan material dan umur manfaat
terpanjang, maka tabung
kaca dinilai lebih lebih menguntungkan.
2.4.3.3 Kaca Borosilika
Setelah membandingkan ketiga jenis material yang umumnya
digunakan sebagai
pembentuk fotobioreaktor, kami akan sedikit mengulas mengenai
jenis kaca yang sering
digunakan oleh para peneliti, yaitu kaca borosilika.
Kaca borosilika adalah suatu jenis kaca yang mengandung
sedikitnya 5% borit oksida
(B2O3). Borit oksida menyebabkan kaca resisten terhadap suhu
tinggi, dan juga meningkatkan
resistensi terhadap korosi kimia. Kaca ini sangat populer dalam
industri peralatan sains dan
juga pernah digunakan secara luas untuk membuat kaca keperluan
dapur.
Gambar 2.11 Kaca borosilika sebagai material fotobioreaktor
(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)
Penemuan kaca borosilika secara umum dilakukan oleh Otto Schott,
seorang pembuat
kaca Jerman yang bekerja di abad ke-19. Kaca ini bersifat kuat
dan memiliki durabilitas
tinggi daripada kaca biasa sehingga memiliki umur manfaat yang
panjang.
Kaca ini tentu saja bisa pecah apabila dipaparkan pada fluktuasi
suhu radikal
mendadak, atau dijatuhkan. Kaca cenderung akan retak daripada
remuk, tetapi, ia juga harus
dijaga dari kondisi-kondisi yang dapat merusaknya.
-
29
Gambar 2.12 Struktur molekul kaca borosilika
(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)
Berikut ini adalah keunggulan dari kaca borosilika.
Tabel 2.4 Keunggulan Kaca Borosilika
Umur manfaat yang panjang Stabil terhadap UV sehingga bisa
mempertahankan
transmisi yang tinggi
Tahan gores baik di bagian dalam maupun luar
Umur manfaat mencapai >20 tahun
Mudah dibersihkan Kestabilan mekanis memudahkan pembersihan
secara
kontinyu dengan butir polimer
Bisa dibersihkan dengan zat kimia pembersih biasa (tidak
memerlukan zat kimia khusus)
Hemat biaya Harga beli dan biaya perawatan lebih murah
daripada
polimer berkualitas
Tidak perlu penggantian tabung selama masa umur
manfaat
Mengurangi jumlah sambungan karena panjangnya bisa
mencapai 10 m
Toleransi terhadap suhu tinggi Resistensi terhadap pemuaian
lebih tinggi daripada
polimer
Tidak ada perubahan bentuk permanen, dibandingkan
dengan polimer
(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)
Gambar-gambar di bawah ini memuat tabel beberapa spesifikasi dan
presentase komposisi
kaca borosilika.
-
30
Gambar 2.13 Spesifikasi kaca borosilika
(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)
Gambar 2.14 Komposisi kimia kaca borosilika
(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)
2.4.4 Desain Perancangan Fotobioreaktor Tubular
Kultivasi mikroalga di kolam terbuka dikembangkan dengan baik,
tetapi hanya
beberapa spesies yang dapat dipertahankan dalam sistem terbuka
yang mengontrol
kontaminasi dengan menggunakan lingkungan yang sangat selektif
alkali atau garam.
Fotobioreaktor tertutup sepenuhnya memberikan kesempatan untuk
kultivasi alga daripada
dalam sistem terbuka. Dari banyak desain, fotobioreaktor
tertutup yang telah dievaluasi,
perangkat dengan kolektor surya tubular yang paling
menjanjikan.
Fotobioreaktor tubular selama ini menggunakan perangkat airlift
yang sangat menarik
karena beberapa alasan: sirkulasi dicapai dengan potensi
penurunan kontaminasi; kerusakan
sel yang berhubungan dengan pemompaan mekanik dihindari; dan
perangkat airlift
-
31
menggabungkan fungsi pompa dan penukar gas yang menghilangkan
oksigen yang dihasilkan
oleh fotosintesis.
2.4.4.1 Pemilihan letak penampatan fotobioreaktor tubular
Untuk memaksimalkan produktivitas biomassa, radiasi pada
permukaan tabung surya
harus dimaksimalkan. Terutama radiasi permukaan eksternal yang
tergantung pada radiasi
matahari, merupakan fungsi dari lokasi dan kondisi cuaca. Untuk
lokasi dan cuaca tertentu,
susunan geometris dari tabung pengumpul cahaya matahari juga
menentukan radiasi pada
permukaan tabung dan efek peningkatan radiasi karena pantulan
dari sekitarnya. Distribusi
geometrik tabung di atas permukaan tanah memberikan pencahayaan
yang lebih baik. Cara
meletakkan fotobioreaktor tubular yaitu dari utara ke selatan
agar solar receiver menerima
cahaya dengan sangat baik.
2.4.4.2 Mengatur kecepatan aliran dalam tabung
Untuk mengetahui jenis aliran dalam tabung, terdapat persamaan
untuk menghitung
bilangan reynolds, Re. Bilangan Reynolds, Re dapat dihitung
sebagai berikut:
=
dimana adalah kecepatan cairan dalam tabung, adalah densitas
fluida, adalah
diameter tabung dan adalah viskositas fluida.
Aliran cairan dalam tabung pengumpul cahaya didorong oleh pompa
airlift. Untuk air
seperti cairan seperti kaldu mikroalga, kecepatan aliran induksi
terutama tergantung pada
prngaturan geometris loop sirkulasi dan perbedaan gas tahan di
riser dan zona downcomer
kolom airlift. Hubungan telah ditetapkan sebagai berikut:
Dimana KT dan KB adalah koefisien kehilangan gesekan untuk
bagian atas dan
bagian bawah yang menghubungkan bagian-bagian masing-masing dari
loop airlift.
Persamaan ini didasarkan pada prinsip konservasi energi dan
telah berulang kali divalidasi
untuk berbagai skala dan konfigurasi perangkat airlift. Dalam
persamaan ini hr adalah tinggi
dari bagian riser, Ar dan Ad adalah area penampang riser, adalah
gas yang bertahan pada
riser dan adalah gas yang bertahan di downcomer. Secara umum, KT
jauh lebih kecil
daripada Kb, maka KT dapat diabaikan. Hal ini terutama berlaku
dalam konfigurasi loop
-
32
yang digunakan untuk fotobioreaktor. Karena bagian bawah loop
pipa hanya continous
(penerima solar), koefisien kehilangan friksi KB dapat
diperkirakan sebagai berikut :
Dimana Cf merupakan fanning factor dari persamaan Blasius ( Cf =
0.0791 Re -0.25)
dan Leq adalah panjang ekivalen loop. Dan adalah panjang tabung
L ditambah panjang
penunjang yang memberikan penurunan tekanan yang sama sebagai
tikungan dan katup
dalam gabungan loop.
Di samping itu, geometri fotobioreaktor harus memaksimalkan
penangkapan sinar
matahari dan meminimalkan permukaan tanah yang ditempati. Efek
dari panjang tabung,
kecepatan aliran, tinggi kolom airlift, konfigurasi geometris
dari penerima solar pada
berbagai parameter kinerja telah dibahas. Berikut adalah gambar
sistem fotobioreaktor :
Gambar 2.15 Fotobioreaktor
(Sumber : Molina, 2000)
Tabung fotobioreaktor dioperasikan dengan kepadatan tinggi
kultur untuk mencapai
produktivitas yang tinggi mengandung cahaya terbatas pada zona
gelap pusat dan
relatifbanyak cahaya pada zona perifer. Intensitas cahaya di
foto zona terbatas lebih rendah
dari tingkat saturasi cahaya.
2.4.4.3 Sistem airlift
Dalam airlift didorong fotobioreaktor tubular, kecepatan
resirkulasi kultur dan
karakteristik oksigen removal terkait erat. Kinerja kultur
sangat tergantung pada pencapaian
desain yang optimal yang menyediakan syarat dan aliran
perpindahan gas. Kolom airlift
-
33
sirkulasi kultur melalui tabung kolektor surya di mana sebagian
besar fotosintesis kembal
Oksigen yang dihasilkan oleh fotosintesis terakumulasi dalam
kaldu sampai cairan kembali
ke zona airlift di mana akumulasi oksigen dilucuti oleh udara.
Pemisah gas cair di bagian atas
dari kolom airlift mencegah gelembung gas dari resirkulasi ke
dalam kolektor surya. Loop
surya dirancang secara efisien untuk mengumpulkan radiasi
matahari, meminimalkan
resistensi terhadap aliran, dan menempati wilayah minimal untuk
mengurangi kebutuhan
akan lahan. Di samping itu, diameter pipa surya dipilih dengan
tepat sehingga volume cahaya
pada zona gelap diajaga minimum. Juga, pertukaran cairan antara
zona terang dan zona gelap
dalam lingkaran matahari harus cukup cepat sehingga unsur cairan
tidak berada terus
menerus di zona gelap untuk waktu yang lama.
Head zone pada kolom airlift dirancang untuk pemisahan gas dari
cairan, sebelum
kaldu diresirkulasi ke dalam kolektor surya. Pelepasan gas
lengkap berarti bahwa kekuatan
pendorong untuk sirkulasi cairan telah dicapai maksimum untuk
setiap tingkat aerasi dalam
riser airlift. Untuk mencapai pemisahan yang efektif dari gas
dan cairan, jarak antara pintu
masuk dan pintu keluar degasser harus sedemikian rupa agar
gelembung terkecil memiliki
waktu yang cukup untuk melepaskan diri sebelum cairan memasuki
downcomer.
Perangkat airlift memenuhi dua kebutuhan: sirkulasi cairan
melalui loop surya dan
stripping oksigen dari kaldu. Volume kaldu dalam perangkat
airlift perlu dibuat lebih kecil
dibandingkan dengan volume dalam lingkaran surya sehingga
sel-sel menghabiskan waktu
sebanyak mungkin dalam illuminated loop. Volume dalam separator
gas cair diperkecil
dengan mengurangi jarak antara dinding sejajar dengan lebar
riser (atau down comer) tabung.
Gambar 2.16 Gas liquid separator
(Sumber : Molina, 2000)
-
34
BAB III
PENUTUP
2.4 Kesimpulan
Bioreaktor tubular memfasilitasi sistem tertutup untuk mendukung
pertumbuhan
kultur mikroorganisme yang membutuhkan syarat tumbuh tertentu
guna meningkatkan
produktivitasnya. Untuk memenuhi kebutuhan mikroorganisme
tersebut, maka desain
bioreaktor yang sesuai diperlukan untuk mendukung
pertumbuhannya, misalnya
pertimbangan dari segi material dan bentuk.
2.5 Saran
Untuk memahami prinsip kerja bioreaktor tubular pada berbagai
aplikasi, sebaiknya
menambah ulasan tentang contoh penggunaan untuk sistem bioproses
lainnya. Lebih jauh
lagi, untuk meningkatkan kompetensi dalam sistem perancangan
bioreaktor, ada baiknya
diberikan sebuah studi kasus untuk mendesain sebuah
bioreaktor.
-
35
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. Algae for Biofuel.
http://www.extension.org/pages/26600/algae-for-biofuel-
production#.Uz7mm6iSxcg (Diakses pada tanggal 5 April 2014 pukul
20.30).
Anonim. Selection of Bioreactor. http://www.metal.ntua.gr/
(Diakses pada tanggal 1 April
2014 pukul 22.00).
Anonim. (2013). Tubular Glass Photobioreator. New York:
SCHOTT.
Beveren, P.J.M. (2011). Algae Growth in Horizontal Tubular
Reactor. Thesis System and
Control: Wangenigen University.
Burgess, G. et al. (2006). Materials, Geometry, and Net Energy
Ratio of Tubular
Photobioreactors for Microalgal Hydrogen Production. Journal
of
Photobioenergetics Group, Biological Science WHEC 16 / 13-16
June 2006: Lyon
France.
Carvalho, AP. (2006). Microalgal Reactors: A Review of Enclosed
System Designs and
Performances. Journal of Biotechnology Progress Volume/Issue
2006Dec., v. 22,
no.6: Wiley Online Library.
Chaumont, Daniel. (1993). Biotechnology of algal biomass
production: a review of systems
for outdoor mass culture. Journal of Applied Phycology 5:
593-604, 1993: Kluwer
Academic Publishers.
Grobbelaar, J.U. (2004). Algal Nutrition. In: A. Richmond, ed.
Handbook of Microalgal
Culture: Biotechnology and Applied Phycology. Blackwell
Publishing. pp. 97-115.
Gobel, G. (1998). Process for The Continuous Hydrogenation of
Fats, Fatty Acids and Fatty
Acid Derivatives in The Presence of A Heterogeneous
Catalyst.
https://www.google.com/patents/US4847016?dq=tubular+reactor+for+hydrogenation+f
atty+oil&hl=en&sa=X&ei=moc_U4ixDMfF0gHguoGoBw&ved=0CDcQ6AEwAA
(Diakses pada tanggal 4 April 2014).
Hamilton, D. dan Murielle, F. (2001). Carbonylation Reaction.
Tersedia di:
http://www.google.it/patents/WO2001007388A1?cl=en (Diakses pada
tanggal 4 April
2014).
Heinze, E. (2009). Introduction to Ideal Reactors: Basic
Description and Design.
Saarbrcken: Uni-saarland.
Luyben, William L. (2007). Chemical Reactor Design And Control.
New Jersey: John Wiley
& Sons, Inc.
-
36
antek, B., et al. (2006). Horizontal Tubular Bioreactors in
Biotechnology. University of
Zagreb: Chem. Biochem. Eng. Q. 20 (4) 389399.