BIOREAKTOR

I.          Tujuan

Untuk mengetahui bagian- bagian pada biorektor beserta fungsinya

II.          Dasar Teori

2         2.1   Pengertian Bioreaktor

Bioreaktor atau dikenal juga dengan nama fermentor adalah sebuah peralatan atau sistem yang mampu menyediakan sebuah lingkungan biologis yang dapat menunjang terjadinya reaksi biokimia dari bahan mentah menjadi bahan yang dikehendaki. Reaksi biokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme tertentu, baik secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran.

Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan halus atau baffle dan sensor untuk mengontrol parameter. Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk. Volume tanki skala laboratorium berkisar antara 1 – 30 L, sedangkan untuk skala industri dapat mencapai lebih dari 1 000 L. Sparger terletak di bagian bawah bioreaktor dan berperan untuk memompa udara, dan mencegah pembentukan gelembung oksigen. Impeller berperan dalam agitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel. Impeller digerakkan oleh rotor. Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya. Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium.

Komponen- komponen penting yang terdapat dalam kegiatan bioproses yaitu biokatalis (enzim atau sel hayati) dan kondisi lingkungan. Kedua komponen tersebut berguna agar katalis dapat bekerja optimal. Lingkungan optimal ini dapat dicapai dengan menempatkan dalam wadah yang disebut bioreaktor. Bioreaktor adalah suatu unit alat yang digunakan sebagai tempat berlagsungnya suatu proses biokimia dari bahan mentah (raw material) menjadi bahan atau zat tertentu yang dikehendaki (produk), dan dikatalisis oleh suatu enzim yang terdapat pada mikroorganisme hidup atau enzim-enzim terisolasi.

Bioreakktoe harus dapat memberikan kondisi optimum kepada mikroba penghasil enzim ataupun enzim terisolasi agar produksi bahan yang dikehendaki memperoleh hasil yang maksimum. Untuk itu, umumnya bioreaktor memerlukan pengaturan- pengaturan suhu dan oksigen terlarut. Disamping itu  diperlukan bahan baku, bahan nutrisi yang cukup dan sesuai dengan sifat enzimnya.

Selama proses suasana reaksi harus dapat dipantau dan dikendalikan.bioreaktor memberikan lingkungan fisik sehingga biokatalis dapat memerlukan dengan lingkungan  dan bahan nutrisi yang dimasukkan di dalamnya.

Sistem bioreaktor ada 2 yaitu: bioreaktor non aseptik (banyak dijumpai dalam pembuatan ragi roti dan pembuangan cairan limbah), serta bioreaktor aseptik (misalnya bioreaktor untuk produksi antibiotik, asam amino, polisakarida dan lain-lain).

Dalam merancang suatu bioreaktor maka perlu dipertimbangkan beberapa hal berikut:

Ø  Bejana atau bentukan lain harus mampu dioperasikan pada suasana aseptik dalam beberapa hari dan berlangsung untuk waktu yang sama.

Ø  Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga dapat mencukupi kebutuhan biokatalis untuk melakukan metabolisme secara optimal . Proses pencampuran ini tidak boleh mengganggu atau merusak sel.

Ø  Konsumsi energi untuk pengoperasian bioreaktor harus dapat dibuat seminimal mungkin.

Ø  Suatu sistem yang dapat mengendalikan suhu dan harus merupakan bagian dari perlengkapan bioreaktor.

Ø  Bioreaktor harus dilengkapi dengan fasilitas pengambilan contoh.

Ø  Proses penguapan (atau evaporasi) perlu diupayakan agar tidak berlebihan

Ø  Bejana perlu dirancang agar dapat dioperasikan dengan jumlah kerja minimal, baik untuk pengoperasian, pengambilan produk, pembersihan, dan pemeliharaan.

Ø  Bejana atau bentukan lain harus sesuai dengan berbagai jenis proses.

Ø  Bejana harus dibuat sedemikian rupa sehingga permukaan bagian dalamnya halus.

Ø      Untuk memudahkan peningkatan skala (scale up) atau peningkatan ukuran, bioreaktor harus mempunyai bentuk geometri serupa antara yang berukuran kecil dengan yang besar. 

                2.2Tipe- tipe Bioreaktor

Sistem atau tipe bioreaktor yang digunakan dalam bioproses adalah curah (batch), sinambung (continues), semi sinambung / semi curah (fed batch).  Pada semua sistem tersebut terjadi pencampuran substrat dengan mikroorganisme secara sempurna dan seragam sehingga keadaan reksi dan taraf biokatalis merupakan suatu sistem yang homogen.

Bioreaktor curah (batch) adalah bioreaktor yang sederhana, dimana pada saat proses berlangsung tidak ada bahan yang masuk maupun yang keluar dari bioreaktor. Kondisi bahan maupun mikroorganisme dalam bioreaktor batch secara menyeluruh mengalami perubahan seiring dengan waktu sampai pada tingkat tertentu.  Saat pemanenan produk, harus dilakukan proses lebih lanjut seperti pemurnian dan lain sebagainya.

Bioreaktor sinambung(continius) adalah bioreaktor dimana pada saat proses berlangsung ada bahan yang masuk maupun keluar dari bioreaktor. Salah satu jenis bioreaktor sinambung adalah CSTR (Continues Stirred Tank Reactor ) untuk reaksi enzimatik dapat digunakan.

Bioreaktor Turbular Piston (Plug Flow Tabulator Reaktor, PFTR) memiliki prinsip kerja yaitu bila suatu zat alir mengalir mengalir dalam suatu pipa atauu terowongan, bilangan Reynold  cukup besar, maka aliran ini menyerupai suatu aliran piston (plug flow) yang berarti tidak ada variasi kecepatan axial pada penampang melintang pipa. Dibandingkan dengan CSTR, tidak adanya umpan masuk pada PFTR akan menyebabkan konsentrasi biomassa sama dengan nol pada keluaran.

2.3  Pemilihan bioreaktor

Pemilihan bioreaktor sangat ditentukan oleh jenis makhluk hidup yang digunakan, sifat media tumbuh makhluk hidup tersebut, parameter bioproses yang akan dicapai, dan faktor-faktor produksi. Optimasi bioproses dalam bioreaktor dapat dicapai dengan memasok:

• Sumber energi

• Nutrisi

• Inokulum sel atau makhluk hidup yang unggul

• Kondisi fisikokimiawi yang optimal

Faktor-faktor yang harusdipertimbangkan dalam pemilihan bioreaktor adalah sebagai berikut:

• Biaya

Biaya meliputi biaya tetap terutama untuk membangun bioreaktor dan biaya tidak tetap atau biaya operasional. Biaya operasional terutama untuk menyediakan bahan-bahan yang diperlukan selama bioreaktor dioperasikan. Selain itu biaya untuk tenaga dan energi serta kelengkapan lain perlu diperhitungkan seekonomis mungkin.

• Kemudahan mendapatkan bahan

Penggunaan bahan-bahan yang mudah didapat merupakan jaminan berlangsungnya operasional bioreaktor dalam jangka waktu yang panjang.

• Ketersediaan dan mutu tenaga kerja

Ketersediaan dan mutu tenaga kerja sangat mempengaruhi pemilihan bioreaktor. Bioreaktor sederhana dapat dioperasionalkan oleh tenaga menengah yang tidak perlu pendidikan tinggi. Akan tetapi untuk bioreaktor modern yang sistemnya dirancang secara otomatik atau dengan pengendalian komputer memerlukan tenaga dengan pendidikan dan keterampilan tinggi, terutama apabila timbul permasalahan operasional.

• Keadaan pasar

Seperti halnya industri lain, maka industri yang menggunakan bioproses tergantung pada keadaan pasar. Misalnya kondisi penjualan apakah stabil atau berubah-ubah. Nilai ekonomis hasil samping produk juga sering dipertimbangkan untuk memilih bioreaktor. Hasil samping dapat digunakan untuk membantu membiayai operasional bioreaktor.

• Ketersediaan energi

Dalam merancang bioreaktor dibuat sedemikian sehingga energi yang digunakan untuk operasional bioreaktor seefisien mungkin. Walaupun demikian tetap memperhatikan ketersedian energi yang ada.

• Aturan kerja dan keselamatan dan Undang-Undang tentang pembatasan polusi lingkungan merupakan acuan yang digunakan untuk merancang bioreaktor.

2.4  Jenis makhluk hidup yang digunakan

Berdasarkan kebutuhan oksigen, maka terdapat sel yang membutuhkan O2 untuk hidupnya (bersifat aerobik) dan ada sel yang tidak membutuhkan O2 (bersifat anaerobik). Bioreaktor yang menggunakan sel aerobik, oleh karena kelarutan oksigen dalam media rendah, maka O2 harus selalu dipasok terus menerus. Oksigen dapat diberikan dengan cara mendispersikan udara ke dalam media. Hal ini terkait dengan berbagai perlengkapan bioreaktor yang berfungsi untuk memasok udara.

Jenis dan ukuran sel sangat berpengaruh terhadap bioreaktor dan pengoperasiannya. Sel tunggal seperti mikroba tidak tahan terhadap gaya geser dan perlupendispersian udara lebih tinggi. Bentuk dan ukuran tanaman atau hewan yang bervariasi juga menentukan pengoperasian bioreaktor. Tanaman menghasilkan akar-akar yang tumbuh dengan sifat tertentu, umumnya memerlukan pengaturan aliran agar kontakantara akar dengan nutrisi dan bahan yang akan diabsorbsi berlangsung optimal. Mikroba atau tanaman tertentu tumbuhnya hanya di permukaan, oleh karenanya digunakan bioreaktor permukaan, misal bioreaktor bed atau tray (baki).

2.5   Sifat media

Jenis makhluk hidup sangat menentukan susunan media yang digunakan dalam bioreaktor. Sifat-sifat media menentukan jenis bioreaktor yang akan digunakan. Sifat fisik substrat yang akan direaksikan sangat beragam, misalnya gas, cair atau padat. Gas, misalnya CO2, SOx, NOx yang dapat diabsorpsi oleh daun-daun tanaman. Cairan ada berbagai sifat, misalnya cairan dan senyawa larut air (metanol, etanol), bahan padat 15 terlarut dalam air (glukosa, laktosa), bahan cair tidak larut air (minyak bumi, parafin).

Padatan ada beberapa sifat, padatan larut sebagian atau padatan tidak larut (pati, selulosa). Efek biokinetik substrat juga berpengaruh terhadap pemilihan bioreaktor. Substrat tertentu dapat menyebabkan reaksi penghambatan atau represi pertumbuhan. Untuk substrat seperti ini lebih tepat apabila menggunakan operasi semi sinambung atau biakan sinambung. Apabila produk hasil bioproses pada konsentrasi tinggi yang menyebabkan penghambatan, diperlukan pengaturan tahap banyak/multistage. Perilaku reologi aliran zat/bahan sangat menentukan bioreaktor yang dipilih.

Media/substrat yang mempunyai viskositas rendah tidak menimbulkan masalah waktu pencampuran dan laju perpindahan oksigen. Akan tetapi pada substrat dan produk yang mempunyai viskositas tinggi, maka menimbulkan masalah pada perpindahan oksigen.

Pada suatu bioreaktor harus dilengkapi alat- alat kontrol. Adapun hal- hal yang dikontrol diantaranya:

·         Suhu (T)

·         Tekanan (P)

·         pH

·         Laju alir (F)

·         Level (L)

·         Dissolved O₂

·         Terjadinya busa (foam)

Komponen- komponen dari bioreaktor :

1.       Kabel power

Kabel power seperti terlihat pada gambar 1 berfungsi untuk menghubungkan shaker dengan sumber listrik. Kabel power harus dihubungkan dengan sumber listrik dengan tegangan 220 volt 50 Hz.

2.       Tutup Reaktor

Tutup reaktor terlihat pada gambar 1 dan 2 (kiri),  berfungsi sebagai penutup badan reaktor agar terhindar dari kontaminasi lingkungan luar dan juga sebagai pendukung kedudukan motor pengaduk. Penutup dikuatkan ke badan reaktor dengan pengencang baut, sehingga sekali-kali dapat dibuka/dipisahkan dari badan reaktor.

3.       Motor Pengaduk

Motor pengaduk (gambar 1)  berfungsi sebagai penggerak pengaduk media dalam bioreaktor. Motor pengaduk adalah berupa motor 3 phase 0,5 HP.

4.       Box/Panel Kontrol

Box/panel control adalah tempat unit pengontrol ditempatkan, (gambar 1).  Ada beberapa unit pengontrol yaitu:

Saklar Power

Saklar power berfungsi untuk menghidupkan/mematikan operasi. Ada tiga saklar power, 1) saklar power untuk menghidupkan/mematikan motor pengaduk, 2) saklar power untuk menghidupkan/mematikan pemanas dan 3) saklar power untuk menghidupkan/mematikan pendingin.

Pengontrol Suhu

Pengontrol suhu berfungsi untuk megatur suhu operasi dalam reaktor agar sesuai dengan kebutuhan. Setting suhu dilakukan secara analog dengan cara menset suhu operasi. Suhu operasi aktual akan terlihat pada display secara digital.

Speed Controler

Speed controller berfungsi untuk mengatur jumlah putaran pengaduk yang dilakukan saat operasi.Pengaturan ini delakukan dengan memutar tombol lalau atur sesuai kebutuhan. Perhatikan pada bagian indikator putaran akan menunjukkan jumlah putaran sesuai dengan arah putaran pada saklar speed controller. Putaran saklar ke searah jarum jam akan mengubah jumlah putaran semakin besar dan sebaliknya.

5.       Kondensor

Kondensor dapat dilihat pada gambar 2 (kiri) , berfungsi untuk mengembunkan cairan yang menguap selama operasi berlangsung dalam reaktor dan mengembalikan lagi ke tangki reaktor. Dengan cara ini maka konsentrasi media dalam reaktor diharapkan tidak banyak terjadi perubahan akibat kehilangan cairan selama operasi berlangsung. Agar kondensor dapat berfungsi dengan baik, maka perlu pendinginan dengan media pendingin.

6.       Badan Reaktor

Badan reaktor (gambar 3 &4 ) adalah tangki reaktor tempat media diproses. Badan reaktor berupa tangki berjaket untuk operasi pendinginan jika diperlukan. Di bagian bawah ditempatkan filament pemanas untuk sterilisasi dan pemanasan saat proses jika diperlukan

7.       Flowrate Aerator

Flowrate aerator (gambar 7) berfungsi untuk mengatur jumlah udara yang dimasukkan ke dalam reaktor selama operasi berlangsung. Jumlah volume udara yang dialirkan dapat terlihat pada display aliran. Tempat udara yang masuk dapat dilihat pada gambar 8 dengan menggunakan tekanan maksimal 0,5 bar.

8.       Corong Input

Corong input (gambar 2)  berfungsi untuk memuat bahan/media yang akan diproses dalam reaktor secara perlahan-lahan. Corong input dapat juga disambungkan dengan menggunakan selang untuk input menggunakan pompa.

9.       Manhole Input

Manhole input (gambar 2/kiri)  berfungsi untuk pemuatan bahan/media ke dalam reaktor secara cepat. Manhole input dikuatkan pada tutup reaktor dengan menggunakan pengencang baut yang mudah dibuka/dikencangkan.

10.   Jendela Pengintip

Jendela pengintip (gambar 3) berfungsi untuk melihat atau memperhatikan secara visual kondisi opersi dalam reaktor selama proses berlangsung.

11.   Pipa Input Media Pendingin

Pipa input media pendingin (gambar 6)  berfungsi untuk mengalirkan media pendingin berupa air dingin untuk mendinginkan media selama berlangsungnya proses jika diperlukan. Operasi pendinginan akan berjalan otomatis, sehingga suhu dalam reaktor sesuai dengan yang diharapkan (kondisi preset).

12.   Valve Output

Valve output berfungsi untuk memanen hasil proses dalam reaktor. Pemanenan dilakukan dengan cara membuka valve output tersebut.

13.   Control asam basa, sensor pH dan tempat larutan asam basa 

 Control asam basa (gambar 9)  berfungsi untuk mengendalikan pH pada kondisi yang sesuai saat terjadi perubahan selama proses berlangsung, (naik atau turun), setelah menerima sinyal-sinyal dari sensor pH (gambar 10). Tempat larutan asam basa (gbr. 11) berfungsi sebagai tempat persediaan asam/ basa yang akan mengalir secara otomatis ke dalam reaktor setelah mendapat perintah dari control asam basa, agar sesuai dengan pH yang didinginkan.

14.   Control busa (foam), Sensor busa dan tempat larutan anti foam

Seperti pada no. 12, komponen- komponen ini berfungsi untuk mengendalikan proses dari gangguan yang diakibatkan oleh terjadinya busa (foam). Oleh karena itu dilengkapi dengan larutan anti foam (gambar 12) yang secara otomatis akan terbuka jika dalam proses terjadi busa.  

15.   Tempat sampling gambar no. 13

Terdapat pada gambar no.13 berfungsi sebagai tempat pengambilan sampel untuk pengambilan data pada waktu-waktu tertentu.