Bioreaktor

Pengertian Bioreaktor

Bioreaktor adalah sebuah wadah untuk melakukan proses kimia yang melibatkan organisme atau substansi biokimia aktif yang diambil dari makhluk hidup. Biasanya bioreaktor berbentuk silinder, berkisar dari beberapa liter sampai meter kubik, dan dibuat dari bahan stainless steel.

Merancang bioreaktor adalah perkara rekayasa yang lumayan rumit. Mikroba atau sel hanya mau bereproduksi dengan baik bila kondisi lingkungan optimal. Untuk mencapainya, gas dalam bioreaktor, seperti oksigen, nitrogen, dan karbon dioksida; aliran; temperatur; pH; serta kecepatan adukan harus terkendali.

               

Jenis-Jenis Bioreaktor

Berdasarkan pemasukan nutrisinya kedalam bioreaktor, ada tiga jenis bioreaktor, yaitu bioreaktor kontinu, semikontinu, dan diskontinu.

1. Bioreaktor Kontinu

Pada bioreaktor kontinu, pemberian nutrisi dan pengeluaran sejumlah fraksi dari volume kultur total terjadi secara terus menerus. Dengan metode kontinu memungkinan organisme tumbuh pada kondisi setimbang (steady state), dimana pertumbuhan terjadi pada laju konstan dan lingkungan stabil. Faktor seperti pH dan  konsentrasi nutrisi dan produk metabolit yang tidak terelakkan berubah selama siklus pertumbuhan pada suatu diskontinu dapat dijaga konstan dalam kultur kontinu.

Dalam suatu bioreaktor kontinu, medium steril dimasukkan kedalam biorekator dengan laju aliran yang konstan, dan kultur yang keluar dari bioreaktor terjadi dengan laju yang sama, sehingga volume kultur di dalam reaktor konstan.  Dengan pencampuran yang efisien, medium yang masuk tersebut menyebar secara cepat dan merata pada seluruh bagian rekator. Contoh dari biorektor kontinu yaitu Reaktor Tangki diaduk Kontinu (RTDK).

Udara steril dimasukkan pada dasar reaktor melalui pipa terbuka atau penyemprot udara. Suattu batang vertical dilengkapi dengan pengarah dengan satu atau lebih impeler. Impeler biasanya dipasang di sepanjang batang pada interval jarak sama dengan diameter reaktor untuk menghindari tipe pergerakan melingkar. Peranan impeler adalah untuk menimbulkan agitasi dalam bioreaktor untuk mempermudah aerasi. Fungsi utama agitasi adalah untuk mensuspensikan dan meratakan nutrisi dalam medium, untuk memberikan hara termasuk oksigen- bagi sel, dan untuk memindahkan panas.

2. Bioreaktor Diskontinu

Pada bioreaktor diskontinu, inokulen dan nutrisi yang akan  diperlukan bagi pertumbuhan dicampur dalam suatu bejana tertutup pada kondisi suhu, pH, dan pencampuran optimum. Sistem ini adalah tertutup, kecuali untuk organism aerobik dimana suplai udara kontinu dialirkan kedalam bioreaktor. Pada bioreaktor diskontinu, laju pertumbuhan dan laju pertumbuhan spesifik jarang konstan. Hal ini menunjukkan adanya perubahan karakteristik nutrisi dari sistem.

Salah satu contoh dari bioreaktor diskontinu adalah Bioreaktor Lumpur Buangan Teraktivasi. Bioreaktor ini digunakan secara luas untuk pengolahan secara oksidasi air buangan dan sampah industri lain. Prosesnya difungsikan untuk meningkatkan pemasukan udara, sehingga bahan organic massa dapat didegradasi secara optimum. Bioreaktor ini sangat besar, sehingga untuk mempermudah pencampuran dan penyebaran oksigen diperlukan sejumlah besar agitator pada kebanyakan pabrik pengolahan air buangan skala kota.

3. Bioreaktor semikontinu

Bioreaktor semikontinu adalah suatu bentuk kultivasi dimana medium atau substratnya ditambahkan secara kontinu atau berurutan ke dalam tumpukan diskontinu awal tanpa mengeluarkan sesuatu dari sistem. Produk yang dihasilkan dari sistem seperti ini dapat melebihi produk yang dihasilkan dari kultur diskontinu. Pendekatan ini secara luas diterapkan dalam industry misalanya dalam produksi ragi yang dibutuhkan untuk pembuatan roti.

Contoh bioreaktor  semikontinu yaitu digestor atau bioreaktor anaerobik, tetapi bioreaktor ini dapat pula dioperasikan secara kontinu. Pengunaan sistem ini pada pengolahan air buangan padat, misalnya lumpur buangan (sludge) yang diperoleh dari pengolahan buangan perkotaan, akan memberikan stabilisasi air buangan yang efisien dan produksi metan yang tinggi. Dalam sistem ini Lumpur buangan dicampur dengan mikroorganisme anaerobic pada suhu 30° C dan waktu retensi hidrolik. Untuk air buangan berkekuatan sedang dari industri makanan dan fermentasi, teknik operasi yang dapat menahan biomassa mikroba lebih lama dalam sistem operasi kontinu sudah ditemukan. Maka waktu retensi zat padat tidak dapat digabung dengan waktu retensi cairan sehingga konsentrasi mikroba yang tinggi dapat terjadi pada digester (atau pada bioreaktor tersebut), yang memberikan laju degradasi yang tinggi. Bagi air buangan yang sangat encer, misalnya buangan kota, waktu retensi zat padat yang sangat panjang diperlukan.

Teknik diskontinu merupakan teknik yang paling dominan digunakan dalam industri, dominasi sistem bioreaktor semikontinu dan diskontinu dalam industri disebabkan oleh beberapa alasan berikut.

1.      Pada waktu tertentu, produk bioteknologi mungkin dibutuhkan dalam jumlah yang relatif sedikit.

2.      Kebutuhan pasar mungkin bersifat musiman.

3.      Masa berlaku produk tertentu pendek (tidak tahan lama).

4.      Konsentrasi produk yang tinggi.

5.      Beberapa produk tertentu hanya dihasilkan pada fase setimbang dari siklus pertumbuhan.

6.      Ketidakstabilan beberapa galur produksi memerlukan pembaharuan secara teratur.

7.      Proses kontinu, secara teknis masih menunjukkan berbagai kesulitan.

Desain Bioreaktor dan Proses Pengendalian Bioreaktor

Bioreaktor adalah sistem tertutup dari sistem biologis untuk suatu proses bioteknologi.

Bioreaktor memberikan lingkungan yang tetap bagi optimasi pertumbuhan organisme dan aktivitas metabolisme. Bioreaktor ini hendaknya mencegah kontaminasi produksi dari lingkungan pada kultur sambil mencegah pelepasan kultur ke lingkungan. Selain itu, bioreaktor tersebut sebaiknya memiliki instrumentasi untuk pemeriksaan agar pengawasan proses yang optimum.

Kriteria dasar desain bioreaktor yaitu sebagai berikut:

1.      Karakterisrtik mikrobiologi dan  biokimia dari sistem sel (mikroba, mamalia, tumbuhan)

2.      Karakteristik hidrodinamik bioreaktor

3.      Karakteristik massa dan panas bioreaktor

4.      Kinetika pertumbuhan sel dan  pembentukan produk

5.      Karakteristik stabilitas genetic dari sistem sel

6.      Desain peralatan yang aseptis

7.      Pengawasan lingkungan bioreaktor

8.      Implikasi desain bioreaktor pada pemisahan produk menghilir

9.      Modal dan biaya operasi bioreaktor

10.  Potensi dan pengembangan desain bioreaktor

Bahan konstruksi bioreaktor hendaknya tidak beracun, mampu menahan tekanan uap dan tahan terhadap korosi kimia dan elektrolitik. Bioreaktor industri biasanya dibuat dari bahan yang dilapisi dengan baja tahan karat. Bioreaktor ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Perbandingan tingginya terhadap diameter atau rasio aspek merupakan parameter yang penting.

Produk-produk yang dihasilkan berdasarkan ukuran dari bioreaktor tersebut dapat dilihat pada table dibawah ini.

No	Ukuran fermentor	Produk
1. 2. 3. 4.	1-20.000 40-80.000 100-150.000 Lebih dari 450.000	Enzim diagnostic, substansi biologi molekuler Enzim dan antibiotic Penisilin, antibiotic aminoglikosida, protease, amylase, transformasi steroid, asam amino Asam amino, asam glutamat

Strategi Perancangan Bioreaktor:

Kinerja bioreaktor ditentukan:

1.      Kinetika reaksi biokimiawi

2.      Fenomena perpindahan massa

Analisis kinerja bioreaktor:

a.       Pengaruh ukuran atau skala bioreaktor terhadap pola pencampuran, pengaliran, perpindahan massa dan panas

b.      Pengaruh laju alir massa yang berbeda dan perpindahan yang berinteraksi dengan kinetika biokatalisis

Deskripsi Bioreaktor

Skala waktu nisbi

Skala panjang nisbi

Kunci analisis bioreaktor:

a.       Identifikasi skala waktu dan panjang: dapat dianalisis dalam skala lebih kecil atau lebih besar daripada ciri proses itu sendiri, pembandingan skala digunakan secara berulang

b.      Metode untuk menciri suatu proses reaksi dan perpindahan

c.       Kemampuan menyelesaikan suatu model matematik berdasar deskripsi suatu bioreaktor

Fenomena Perpindahan Penentu Rancang Bangun Bioreaktor

a.       Kinetika bioproses tergantung pengubahan yang dilakukan oleh enzim/sel makhluk hidup.

b.      Waktu reaksi atau volume bioreaktor tergantung pada laju reaksi.

c.       Laju reaksi dan volume serta rancangan dasar bioreaktor ditentukan oleh perpindahan momentum dan massa.

Spektrum Skala Waktu

Spektrum Skala Panjang

Perpindahan Momentum

a.       Adanya perubahan viskositas media selama bioproses

b.      Adanya perubahan konsentrasi media selama bioproses

c.       Adanya pertumbuhan makhluk hidup

Media	Viskositas pada suhu 200C
Air Sakarosa 40% Minyak kedelai Gliserol Tetes tebu	1 6 62 1500 6500

Sifat Reologi Media Fermentasi

Faktor yang mempengaruhi Reologi Media

Perpindahan Massa

a.       Sebagian besar bioproses terjadi dalam fasa cair, migrasi molekul dalam cairan relatif lamban.

b.      Perpindahan massa penting apabila bioproses melibatkan beberapa fasa (cair-gas-padat), dan apabila suatu molekul melewati membran alami/sintetik.

Perpindahan massa pada antar muka:

a.       Terjadi pada sistem heterogen terdiri atas beberapa fasa (padatan, cairan, gas atau dua cairan tidak saling melarut)

b.      Perpindahan terjadi dari fasa pertama menuju antar muka, kemudian dari antar muka menuju fasa kedua

Perpindahan Antar Fasa

Perpindahan gas-cairan:

a.       Difusi dari gas ke antar muka gas-cairan

b.      Pergerakan melalui antar muka gas-cairan

c.       Difusi zat terlarut melalui daerah cairan yang tidak tercampur dengan gelembung ke dalam daerah cairan yang tercampur baik

d.      Perpindahan zat terlarut melalui daerah cairan ke daerah cairan kedua yang tidak tercampur di sekeliling sel

e.       Perpindahan melalui daerah cairan kedua yang tidak tercampur yang berhubungan dengan sel makhluk hidup

f.       Perpindahan secara difusi ke dalam flok selular, atau partikel tanah, dan perpindahan melewati dinding sel menuju sisi reaktif intraseluler

Perpindahan Oksigen dari Gelembung Udara ke Bagian Dalam Sel

Perpindahan Oksigen:

a.       Perpindahan dari gas ke antar muka gas-cairan

b.      Pelewatan daerah antar muka (interface)

c.       Perpindahan dari antar muka gascairan ke dalam fasa cairan

Perpindahan massa antar fasa

Agitasi Dalam Bioreaktor

Jenis agitator: impeler/turbin pisau pipih, pedal, heliks/baling-baling (propeler)

TENAGA

AGITASI:

a.       Tidak beraerasi, zalir Newton/non-Newton

b.      Beraerasi, zalir Newton/non-Newton

Pertumbuhan Mikrobia Dalam Bioreaktor

Pertumbuhan mikrobia adalah peningkatan semua komponen sel, sehingga menghasilkan peningkatan ukuran sel dan jumlah sel (kecuali mikrobia yang berbentuk filamen) akan menyebabkan peningkatan jumlah individu di dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia dalam bioreaktor terjadi secara pertumbuhan individu sel dan pertumbuhan populasi pertumbuhan individu sel meliputi peningkatan substansi dan komponen sel, peningkatan ukuran sel serta pembelahan sel. Sedang pertumbuhan populasi meliputi peningkatan jumlah akibat pembelahan sel dan peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesa enzim.

Dalam pertumbuhan mikrobia juga terlibat proses metabolik yaitu mulai dari transport nutrien dari medium ke dalam sel, konversi bahan nutrient menjadi energi dan konstituen sel, replikasi kromosom, peningkatan ukuran, dan massa sel serta pembelahan sel secara biner yang terjadi pula pewarisan genetik (genom turunan) ke sel anakan.

Kinetika pertumbuhan mikrobia dalam sistem diskontinu, kontinu, dan semikontinu, studi kinetika pertumbuhan dan fermentasi diperlukan sebagai dasar untuk memahami setiap proses fermentasi. Kinetika pertumbuhan mikrobia terutama menguraikan tentang kecepatan produksi sel (biomassa) dan pengaruh lingkungan terhadap kecepatannya. Pengamatan pertumbuhan mikrobia tidak cukup untuk mengetahui apakah biakan tumbuh atau tidak (Pengamatan kuantitatif) tetapi juga diperlukan pengamatan yang bersifat kualitatif dari studi kinetika pertumbuhan.

Pengukuran pertumbuhan secara kuantitatif disajikan dalam bentuk kurva yang menunjukkan hubungan antara waktu dan jumlah biomassa. Data pengamatan pertumbuhan mikrobia perlu diamati parameter-parameter seperti:

1.      Kecepatan pertumbuhan (specific growth rate)

2.      Waktu mengganda (doubling time)

3.      Hasil pertumbuhan (growth yield)

4.      Kemampuan metabolisme (metabolik quosient)

5.      Affinitas substrat

6.      Jumlah maksimum biomassa

Kinetika untuk pertumbuhan mikrobia pembentuk koloni, filament maupun imobilisasi sel memiliki kinetika pertumbuhan yang lebih kompleks.

Pertumbuhan untuk mikrobia yaitu peningkatan semua komponen di dalam sel sehingga menghasilkan suatu peningkatan ukuran sel dan pembelahan sel (kecuali mikrobia yang membentuk filamen) sehingga terjadi peningkatan jumlah individu di dalam populasi.

Pertumbuhan mikrobia di dalam bioreaktor:

1.      Pertumbuhan individu sel;

a.       Peningkatan substansi dan komponen sel

b.      Peningkatan ukuran sel

c.       Pembelahan sel

2.      Pertumbuhan populasi

a.       Peningkatan jumlah akibat pembelahan sel

b.      Peningkatan aktivitas sel yang melibatkan sintesis enzim

Reproduksi sel bakteri:

1.      Pembelahan biner: proses pembelahan sel menjadi dua sel anakan yang mempunyai ukuran yang sama.

2.      Melibatkan 3 proses:

a.       Peningkatan ukuran sel (pemanjangan sel) : memerlukan pertumbuhan dinding sel, yaitu untuk menutup permukaan pada sisi tertentu.

b.      Replika DNA : indikasi pertumbuhan awal pada sel bakteri.

c.       Pembelahan sel : diawali dengan invaginasi lapisan di bagian tengah sel Hampir semua bakteri menerima DNA.

Proses metabolik yang terlibat dalam pertumbuhan yaitu:

1.      Transfortasi nutrient dari medium ke dalam sel

2.      Konversi bahan nutrient sehingga menjadi tenaga dan konstituen sel  

3.      Replikasi sel kromosom

4.      Pengukuran ukuran dan massa

5.      Pembelahansel secara biner yang dibarengi dengan pewarisan genetic ke sel anakan

 
Dikutip dari makalah biofermentasi I Wayan Madia, Putu Diantarasa dan Ana Farhana
Jurusan Pendidikan Kimia, Universitas Pendidikan Ganesha