SISTEM BIOREAKTOR

ASSALAMU’ALAIKUM WR.WB

Suatu unit alat yang digunakan untuk melangsungkan proses biokimia (fermentasi) dari suatu bahan baku tertentu menjadi produk yang diinginkan, dimana prosesnya dikatalisis oleh enzim-enzim mikrobial atau isolat enzim murni.

DEFINISI BIOREAKTOR

1. Bioreaktor aseptis : misalnya bioreactor untuk produksi antibiotik, asam amino, polisakarida, danm protein sel tunggal

2. Bioreaktor non-aseptis : banyak dijumpai dalam pembuatan ragi roti (baker jeast) dan pembuangan cairan limbah

MACAM-MACAM

BIOREAKTOR

FERMENTOR ASEPTIS

FERMENTOR NON ASEPTIS

FERMENTOR BERDASARKAN TINGKAT ASEPTIS

Fermentor Aseptis

Fermentor Non-Aseptis

1. STIRRED TANK (MENGGUNAKAN SISTEM AGITASI)

2. BUBBLE COLUMN (UDARA DIALIRKAN MELALUI SPARGER)

3. LOOP BUBBLE COLUMN BIOREACTOR (UDARA DAN MEDIA DISIRKULASI BERSAMAAN MELALUI SUATU KOLOM)

FERMENTOR BERDASARKAN SISTEM AERASI :

1.Skala laboratorium : ukuran 1-15 liter

2.Skala pilot : ukuran 1-15 liter

3. Skala industri : 5.000-100.000 gallon

Setiap fermentor harus mempunyai “head space” sekitar ¼ atau 1/5 dari volume total, yang berguna untuk menyediakan ruangan pada waktu aerasi dan pembentukan buih.

MACAM BIOREAKTOR

BERDASARKAN KAPASITAS

FERMENTOR LAB DAN PILOT

FERMENTOR INDUSTRI

1. Pemilihan sistem fermentasi (batch, continuous, fed batch).

2. Tipe bioreaktor dan cara operasinya.

3. Sifat-sifat mikroba yang digunakan

4. Melakukan penelitian pendahuluan untuk menentukan kondisi optimum suatu galur mikroba pada skala laboratorium, lalu di-scale up hingga layak untuk diproduksi skala industri.

HAL-HAL YANG PERLU DIPERHATIKAN DALAM PENENTUAN MODEL BIOREAKTOR

1. Tidak boleh ada hubungan antara bagian sistem yang steril dengan non-steril.

2. Hindari kelep-kelep / penghubung bentuk gelangan, karena bentuk demikian dapat mengendur akibat dari gerakan/fibrasi alat dan kenaikan suhu, dan memungkinkan kontaminasi.

3. Bila mungkin seluruh konstruksi alat dilas.

4. Hindari ruang-ruang perangkap serta bentuk leher, karena ruangan seperti itu sulit untuk dibersihkan.

5. Semua bagian sistem harus dapat disterilisasi secara tersendiri.

6. Setiap hubungan/kelep ke bejana harus dapat disterilkan dengan uap.

7. Gunakan katup-katup yang mudah dibersihkan maupun disterilkan, misalnya katup bola atau diafragma.

8. Tekanan dalam fermentor harus tetap positif sehingga kalau ada kebocoran akan mengarah ke luar.

SYARAT

BIOREAKTOR

1. Sterilisasi fermentor, dengan uap bertekanan. Medium fermentasi dapat disterilkan bersama di dalam fermentor atau secara terpisah.

2. Sterilisasi penyediaan udara, dilakukan dengan menggunakan penyaring berserat atau penyaring absolut.

3. Aerasi dan agitasi, berkaitan dengan jenis bahan, struktur geometrik dan posisi pemasangannya serta penggunaan “seal”.

4. Penambahan inokulum, nutrien dan bahan-bahan lain, harus dalam keadaan tekanan positif dan lubang pemasukan dilengkapi sistem pemberian uap.

5. Pengambilan contoh (sampling).

6. Pengontrolan buih.

7. Monitoring dan pengontrolan berbagai parameter

ATURAN OPERASIONAL AGAR KONDISI STERIL

A. Lingkungan fisik

- Suhu

- Tekanan

- Kecepatan impeller

- Busa

- Laju alir gas

- Laju umpan cairan

-Viskositas cairan fermentasi

- Kekeruhan

- Masukan tenaga corong

SENSOR PENGENDALI

B. Lingkungan kimiawi- pH- O2 terlarut- Konsentrasi gas O2

keluar- Konsentrasi gas CO2

keluar- Faktor lingkungan kimia

lainnya

1. Fermentor kapasitas 1-30 liter biasanya terbuat dari gelas atau stainless steel, permukaannya halus, tidak menimbulkan efek toksik dan tahan karat.

2. Fermentor kapasitas > 30 liter biasanya terbuat dari stainless steel atau mild-steel.

KARAKTERISTIK BAHAN PEMBENTUK FERMENTOR

Keterangan :1 = pipa inokulasi2 = seal stirrer sahft3 = tinggi cairan kultur (=L)4 = baffl e5 = pipa sambung6 = impeller7 = pipa udara steril8 = sparger udara9 = pipa pengeluaranH = tinggi fermentorD = diameter fermentor

STRUKTUR FERMENTOR (SATU IMPELLER MULTI-

BLADE)

21

4

3

5 6

7

8

D

9

4

F

H L

Impeller

Fungsi : 1. memperkecil ukuran

gelembung udara sehingga area

interface untuk transfer oksigen

menjadi besar dan menurunkan

jarak difusi.

2. mempertahankan keseragaman

kultur di seluruh bagian fermentor.

KOMPONEN SISTEM AERASI & AGITASI FERMENTOR

Baffle

Fungsi : meningkatkan

efisiensi aerasi dan

mencegah aliran atau

sirkulasi cairan kultur yang

terlalu cepat.

Sparger

Fungsi : memasukkan udara ke dalam cairan kultur dalam fermentor

Tipe : Sparger berpori (untuk fermentor skala laboratorium, tanpa agitator), Sparger orifice (pipa berlobang-lobang, mudah tertutup mikroba), dan Sparger nozel (pipa terbuka atau tertutup di bawah impeller)

a. a. Piringan terbuka

b. Piringan van

c. Turbin terbuka

d. Propeller

Batch Fermentor

JENIS-JENIS FERMENTOR BERDASARKAN PEMBERIAN SUBSTRAT

(DENBIGH&TURNER (1971) :

Proses fermentasi :

1. Sistem tertutup

2. Fermentor diisi oleh nutrisi/medium, suhu & pH di set sterilisasi

3. Inokulum dimasukan proses fermentasi hingga waktu yg ditentukan

4. Proses s.d fase akhir log/stasioner

5. Proses selanjutnya diulang

6. Tidak ada nutrisi yang ditambahkan

Substrat

Konsentrasi awal

Waktu

1. Pemberian nutrisi secara kontinu/berkala dalam jangka waktu tertentu

2. Volume nutrisi di dalam reaktor harus tepat antara nutrisi yang dikeluarkan dan dimasukan harus ekivalen

3. Proses fermentasi bersifat sensitif terhadap kontaminasi, biomasa berkurang karena ikut terbuang, perubahan fase biotik

CONTINUOUS FERMENTER

1. Intermediary bioreactor

2. Nutrisi ditambahkan pada saat fase yang dibutuhkan

3. Selam proses fermentasi kecepatan pertumbuhan mo dan konsentrasi biomasa dapat dikontrol dengan penambahan nutrisi saat fase tertentu

FED BATCH FERMENTER

Contoh batch fermentor pada produksi lysin

RETENSI MIKROORGANISME DI DALAM FERMENTOR

Continous Fermentor

1. MO., nutrisi dan cairan dapat ikut terbuang

2. MO. Membutuhkan waktu utk beradaptasi lagi setiap penambahan nutrisi

3. Rentan terhadap MO kontaminan

Batch Fermentor

1. Mikroorganisme tdk hilang selama proses fermentasi

2. MO. Memiliki waktu utk beradaptasi dan kecepatan pembelahan maksimum

3. Biotransformasi MO. Berjalan dgn baik dgn parameter lingkungan yang terkontrol

4. MO dpt lebih cepat/lambat msk ke fase stasioner dan terakumulasi toksin saat nutrisi terbatas