Download - PPT Bioreaktor
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
1/39
Perancangan Bioreaktor
untuk Produksi Bioetanol
Kelompok 2
Andrey Sapati Wirya (1306412161
Kamila !ut"#ia Putri (13064121$3
!ut"#iana A%i%a" (13063&0$66
'erry u"ammad ) (13063&0&&0
*nik +uliantina ,is-i (13063&0$$2
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
2/39
DASAR
EORI
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
3/39
Proses Produksi Bioetanol
Penyiapan Bahan Baku
Gelatinisasi
Fermentasi
Destilasi
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
4/39
Substrat Fermentasi
.6/12)6
Glukosa
Glukosa adalah salah satu
monosakarida sederhana yang
mempunyai rumus molekul C6H12O6.
Glukosa tergolong gula tunggal .
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
5/39
Proses Fermentasi
.6/12)6 /2)
2.2/)/ 2.)2 energi(glukosa + air etanol + karbon dioksida)Saccharomyces
cerevisiae S-33
)perating
.ondition
' 6$ 35
P ≤ 1$& psia
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
6/39
Suhu
pH
Oksigen
nsur Hara
!edia Fermentasi
Pengadukan
Starter
"atalis
Faktor Dalam ProduksiBioetanol
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
7/39
Jenis-JenisBioreaktor
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
8/39
Reaktor Batch
"inetika pertum#uhan dalam #ioreaktor batch
Dengan menggunakan persamaan kontinuitas$
•
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
9/39
Reaktor Batch
Pada reaktor batch$ persamaan kinetika pertum#uhan dapat disusun untuksetiap spesi dalam reaksi pertum#uhan$ yaitu sel$ su#strat$ dan produk.
ntuk la%u pertum#uhan sel$
&
ntuk la%u konsumsi su#strat pada saat sel masih #ertum#uh
&
ntuk la%u konsumsi su#strat pada 'ase stasioner (pertum#uhan sel
terhenti)&
ntuk la%u pem#entukan produk dinyatakan dengan
& &
•
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
10/39
Reaktor CSTR
"inetika pertum#uhan dalam #ioreaktor CS*+
,era-a massa pada CS*+ adalah
/input0 /output0 /konsumsi karena reaksi0 /akumulasi0
F C %3 FC% &r%
•
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
11/39
Contd
4aktu tinggal (residence time) pada #ioreaktorCS*+
t sekon
4aktu pengisian (Spa-e time) pada #ioreaktorCS*+
5
Sizing reaktor
•
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
12/39
Reaktor PFR
,era-a massa pada #ioreaktor PF+
ntuk nera-a mol se-ara umum dapat diturunkan dari persamaan
kontinuitas /input0 /output0 /konsumsi karena reaksi0 /akumulasi0
F%7 F% 7 8 &! r % &!
"on7ersi dan sizing reaktor
•
F kt P ti b
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
13/39
Faktor Pertimban"anPerancan"an Bioreaktor
Faktor
Faktor Fisis
Hold up Gas
9a%u Sirkulasi
Faktor
Biokinetika
Hukum 9a%u
StokiometriSel
9a%uPertum#uhan
Sel
Produkti7itasSel
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
14/39
As#ek ekonomi Bioreaktor
Dalam mengestimasi #iaya untuk
meran-ang dapat menggunakan #e#erapa
metode$ salah satunya dengan menggunakan
metode modular guthrie. !etode modular
guthrie menggunakan persamaan
C:P;< C*P= 8 C4C
dan %uga memasukan nilai FOB pada nera-a
keuangan
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
15/39
ReaktorBatch
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
16/39
Problem
Bioethanol akan diproduksi dengan target kapasitas >33333
ton?tahun dengan menggunakan 'ermentor batch. Bagaimana
mem#uat ran-angan optimum 'ermentor terse#ut dengan
mempertim#angkan harga ethanol$ #iaya operasi (termasuk #iaya#ahan #aku)$ dan #iaya in7estasi (termasuk #iaya peran-angan).
&ariasi yang dilakukan adalah dengan mengu#ah konsentrasi
a@al su#strat dan konsentrasi a@al sel.
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
17/39
*ahapan Perhitungan
Menentukan variasi datayang dibutuhkan pada
batch ( Cs0, Cc0), CSTR
(Fs, Fc, Cs0, Cc0,
V.reaktor), dan FR (Fs,Fc, Cs0, Cc0)
Me!akukan running po!y"ath, sehingga
didapatkan (Cs, Cc, Cp)
Mencari data yangdibutuhkan untuk
perhitungan ekono"i(F#$, F. %uthrie, &nde',
harga bahan baku dan produk)
Menghitung F#$ reaktor
C*+ reaktor (reaktor untuk batch)
C*+ per tahun$iaya g!ukosa, se!, dan bahan baku per tahun
$iaya operasi !ain
#*+ en-ua!an etano! Margin per tahun
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
18/39
Data
Ba"an Baku /arga (*S78kg
9lukosa 3$A
SelSacc"aromyces cere:isae 1
;tanol 2$
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
19/39
$asil Perhitun"an
Simulasi ,'= "9lucose= kg8m> Sel= kg8m> ;t"anol= kg8m>
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
20/39
Simulasi ,'= "9lucose= kg8m> Sel= kg8m> ;t"anol= kg8m>
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
21/39
Analisis#erhitun"an%olume
&ariasi konsentrasi a@al 3$ 133 kg$ 13 kg$ 233 kg
&ariasi sel a@al 1 kg$ 2 kg$ > kg$ A kg
!enggunakan 2 reaktor$ karena reaktor #at-h tidak kontinyu (tidakada aliran masuk dan keluar selama reaksi) sehingga le#ih e'ekti' %ika menggunakan reaktor se-ara #ergantian.
4aktu retensi dan produk akhir didapat dengan menggunakanpolimath
semakin #esar %umlah su#strat semakin #anyak %umlah etanol yang
diperoleh. Hal ini karena su#strat yang digunakan akan terkon7ersimen%adi etanol sehingga semakin #anyak su#strat yang tersediasemakin #anyak yang terkon7ersi men%adi etanol.
4aktu retensi %umlah #at-h
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
22/39
Analisis&olume
Produk akhir etanol akan sama %ika konsentrasia@al glukosa sama
&olume etanol satu reaktor merupakanper#andingan #erat etanol dalam satu reaktordengan produk akhir etanol.
ika konsentrasi glukosa #er#eda tetapikonsentrasi sel sama maka akan menghasilkan
produk akhir dengan konsentrasi yang #er#eda.!aka 7olume satu reaktor akan #er#andingter#alik dengan konsentrasi etanol dan #eratetanol dalam satu reaktor
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
23/39
Simulasi 5)B satu reaktor (201&=*S7 .AP; satureaktor= *S7 .AP; duareaktor= *S7 .AP; perta"un= *S7 Biaya glukosa=*S78ta"un
1 32$ 11A1>$A31 >A2E26$E32 >A2E2$6E3 >3A2>1$33
>1$21 1A>16$A16 2E6>>A$E>1 2E6>>$AE> >3AA32A$266
$ 6EE13$ 1>3A3$E 261AE1$E 261AE$1E3 >3A6A$>6A
13 63A>$11 12>E2$61 2A6$>A> 2A6$>A >36>1$>
Simulasi Biaya sel=*S78ta"un
Biaya a"anaku= *S78ta"un
Biaya operasi
lain=
*S78ta"un
)P;= *S7
PenCualan
;t)/=
*S78ta"un
argin8ta"un= *S7
1 23263$6 >3AA2$ 11A$1>A >3A136$1> 3333333 AAAAE2>$2E
1>A6$62 >3A>3$E 1A>1$6A >3A1E2$3 3333333 AA2AAE1$A>3
$ 1131A$231 >3AE361$66 1>3$A3 >3AE236E$ 3333333 AA31>1$32
13 13>$> >3E632$2A 12>$E2 >3E>31$121 3333333 AAA2126E$E
Simulasi ,'= "
9lucose= kg8m> Sel= kg8m> ;t"anol= kg8m>?ol satu
reaktor=
m> :@al :khir :@al :khir :@al :khir
1 6 3 3 1 A$ 3 22$1 131>3$>>
E 133 3 1 E$ 3 AA$> 6>E$>1
$ $E 13 3 1 12$> 3 66$A 3$131
13 12$> 233 3 1 1$E 3 EE$> 1$6
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
24/39
Simulasi
5)B satu
reaktor (201&=
*S7
.AP; satureaktor= *S7
.AP; dua
reaktor=
*S7
.AP; per
ta"un=
*S7
Biaya glukosa=*S78ta"un
>1$21 1A>16$A16 2E6>>A$E>1 2E6>>$AE> >3AA32A$266
6 66231$A 12E2$AA 216$EE 216$E >3AA32A$266
& 63A>A$2 11AE26$AA 2262$EA 226$2E >3AA32A$266
@ 6>EA$E2 131>1$16 21A262$>2 21A26$2> >3AA32A$266
SimulasiBiaya sel=
*S78ta"un
Biaya a"an
aku= *S78ta"un
Biaya
operasi lain=
*S78ta"un
)P;= *S7PenCualan ;t)/=
*S78ta"unargin8ta"un= *S7
1>A6$62 >3A>3$E 1A>1$6A >3A1E2$3 3333333 AA2AAE1$A>3
6 2321A$AA >3A63AE$213 12$E2 >3A61A$3> 3333333 AA2>E22$61
& 2A6>$>36 >3A63>$2 11AE$26A >3A661E$E> 3333333 AA2>>E1A$16>
@ 2E>33$21 >3A6E$1E 131$>12 >3A66A6$A 3333333 AA2>3>>$31
Simulasi ,'= "
9lucose= kg8m> Sel= kg8m> ;t"anol= kg8m>?ol satu
reaktor= m> :@al :khir :@al :khir :@al :khir
E 133 3 1 E$ 3 AA$> 6>E$>1
6 6 133 3 2 $ 3 AA$> 3>$>6
& A$ 133 3 > 13$ 3 AA$> A12$21E
@ A$2 133 3 A 11$ 3 AA$> >>$61
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
25/39
AnalisisEkonomi
menggunakan metode Guthrie$ dimana dihitung hargaFOB satu reaktor$ C:P;< per tahun$ #iaya #ahan #akudan #iaya operasi lain$ harga OP;.>) dengan %umlahsu#strat 133 kg dan %umlah sel se#anyak 1 kgdidapatkan nilai marginal paling tinggi.
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
26/39
AnalisisEkonomi
,ilai C:P;< pada simulasi ke lima (*a#el >.>) -ukuptinggi karena 7olume satu reaktor yang didapat -ukuptinggi sehingga mempengaruhi nilai FOB.
,ilai FOB akan mempengaruhi nilai C:P;
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
27/39
'esim#ulan
*erdapat #e#erapa 'aktor yang mempengaruhi kapasitasproduksi suatu #ioreaktor$ yaitu konsentrasi su#strat dankonsentrasi sel a@al$ la%u alir setiap spesi pada reaktorkontinyu$ dan 7olume reaktor yang digunakan.
nruk meningkatkan produksi ethanol pada reaktor batch dapat dilakukan penam#ahan konsentasi su#strat a@al$penam#ahan konsentrasi sel a@al$ dan mengurangi#esarnya 7olume reaktor yang digunakan.
Pada simulasi reaktor batch didapatkan 7ariasi konsentrasisu#strat dan sel a@al ter#aik yaitu masingmasing se#esar133 kg?m> dan 1 kg?m> #erdasarkan dari nilai marginal cost produksi
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
28/39
ReaktorCSTR
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
29/39
Problem
Bioethanol akan diproduksi dengan target kapasitas per %amse#esar >.333 kg?%am di dalam 'ermentor #erupa tangki
#erpengaduk dan #eroperasi se-ara CS*+. Bagaimana mem#uat
ran-angan optimum 'ermentor terse#ut dengan
mempertim#angkan harga ethanol$ #iaya operasi (termasuk #iaya
#ahan #aku)$ dan #iaya in7estasi (termasuk #iaya peran-angan).Data tam#ahan
- Harga reaktor se#esar SD 13.333 ? A333 9 (Sum#er 4eihai
Borui Chemi-al !a-hinery)
-
,ilai eksponen se#esar 3$A.- Faktor Guthrie se#esar 1$.
- =ndeks pada tahun 233 se#esar 2$A dan tahun 231 se#esar
2>$61.
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
30/39
$asil Pen"olahan Data
Si"u!asiFc,
"12h
Fs,
"12h
Fp,
"12h
%!ucose, kg2"1 Se!, kg2"1 *thano!, kg2"1
*thano!2-a" *thano!2hariVo!
reaktor 3a! khir 3a! khir 3a! khir
40 40 400 540 ,04 6 55,7 0 85,6 599:0 687590 5400 40 40 400 540 ,5 6 54,79 0 8:,: 580 6750:0 50005 40 40 400 5:0 ,9 6 54,55 0 8,8 5954 698:0 5000: 40 40 400 540 ,4 4 55,9 0 8:,94 5854 674600 5000
4 80 80 4:0 540 ,:8 6 59,75 0 8:,6: :0:5,9 79779,: 50009 :0 :0 :60 540 ,5 6 54,:8 0 8:,8 5490,9 64::56,: 5000
F#$ satu
reaktor
(08), ;S<
C*+ satu
reaktor, ;S<
C*+ per
tahun, ;S<
$iaya
g!ukosa,
;S
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
31/39
Analisis Perhitun"an
• Semakin ke-il 7olume maka konsentrasi
produk yang dihasilkan semakin #esar
Simulation
Fcm()*am
Fsm()*am
F#m()*am
+lucose, k")m(
Cell,k")m(
Ethanol,k")m( Ethano
l)*am
&olreaktor
m(.A/al A/al Akhir
0 123 123 233 (23 04 5(614(778
3 (233
1 123 123 233 (23 04 58681(510
3 (333
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
32/39
Analisis Perhitun"an
• Simulasi kedua men%adi a-uan dalam
menentukan 7ariasi #erikutnya karena
men-apai target produksi ethanol per %am
yaitu >$333 kg?%am• Simulasi kedua menggunakan
– 9a%u alir sel dan su#strat se#anyak 23 m>?%am
–"onsentrasi glukosa >3 kg?m>
– "onsentrasi sel 1E kg?m>
– &olume >333 m>
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
33/39
Analisis Perhitun"an
• Penam#ahan konsentrasi sel akan
mengurangi produksi ethanol
Simulation
Fcm()*am
Fsm()*am
F#m()*am
+lucose, k")m(
Cell,k")m(
Ethanol, k")m( Ethan
ol)*am
&ol reaktorm(.
A/al A/al Akhir
1 123 123 233 (23 04 58681 (5103 (333
( 123 123 233 (23 11 58607(534
3 (333
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
34/39
Analisis Per"itungan
• Penam#ahan konsentrasi su#strat a@al
akan menam#ah produksi ethanol
Simulation
Fcm()*a
m
Fsm()*a
m
F#m()*a
m
+lucose, k")m(
Cell,k")m(
Ethanol, k")m(
Ethanol)*am
&olreakto
rA/al A/al Akhir
1 123123233 (23 04 58681 (5103 (3338 123123233 (53 04 54674 (9(83 (333
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
35/39
Analisis Perhitun"an
Simulasi keD2 Simulasi keD4
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
36/39
Analisis Perhitun"an
• Penam#ahan dan pengurangan la%u alir su#strat
dan sel akan mempengaruhi produksi ethanol.
• Semakin #esar la%u alir su#strat dan sel$
semakin #esar pula produksi ethanolnya.
Simulation
Fcm()*am
Fsm()*a
m
F#m()*a
m
+lucose, k")m(
Cell,k")m(
Ethanol,k")m(
Ethanol)*am
&olreaktor
m(.A/al A/al Akhir
1 123123 233 (23 04 58681 (5103 (333
2 153 153 283 (23 04 58648 8380(67 (333
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
37/39
Analisis ;konomi
Simula
si17
&ol
reaktor
FOB satu reaktor
1305., :SD(333 84011613955(333 84011613955
CAPE; #er tahun,
:SD
Bia
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
38/39
'esim#ulan
• ntuk meningkatkan produksi ethanol padaCS*+ dapat dilakukan – penam#ahan konsentrasi su#strat a@al$
– pengurangan konsentrasi sel a@al$
– mengurangi 7olume reaktor yang digunakan$ dan
– menam#ah la%u alir umpan yang masuk ke dalam
reaktor.
• Pada simulasi CS*+ didapatkan produksiethanol ter#esar yaitu se#esar EA.A>E$A
kg?hari$ yang terdapat pada simulasi
keenam.
-
8/18/2019 PPT Bioreaktor
39/39
Re>erensi
: 4illiam$ ohn$ 2332. "eys to Biorea-tor Sele-tions. ;PS
;n7ironmental and Produ-tion Solutions$ 99C.
:shari$ :hmad !uhlis. 231>. :rtikel +an-ang Bangun Bioreaktor.
https://wwwacademia!
edu/"#"$#%#/&'*E,'&-.&-G,&-G0-, O'E&*O'
diakses pada 2 Fe#ruari 2316 3.33
Caylak$ dan &ardan$ 1E$ .omparison o1 2i11erent 3roduction
3rocesses 1or ioethanol4 *urk Chem 22$ >1 >).
Fogler$ H. S-ott$ 2336$ Elements o1 .hemical 'eaction Engineering4
, Prenti-e Hall
9im$ Henry C$ H@a Sung Shin. 2313. 5ed atch .ulture : 3rinciples
and &pplications o1 Semi!atch ioreactors. Cam#ridge
ni7ersity Press.