Review : SELECTION, SCALE UP AND OPERATION OF BIOREACTOR

Souphaline Soulyavong, Maroloan Aruan, Fidyaningrum Anandita
Jurusan Bioteknolgi SITH ITB 2013

Ringkasan : Untuk dapat meningkatkan produk dari Bioreactor diperlukan adanya proses scale-up yaitu peningkatan skala produksi. Untuk menunjang proses scale-up ini maka perlu dilakukan proses seleksi terhadap bioreactor yang tepat untuk menunjang proses ini. Setelah proses seleksi bioreactor yang tepat selesai maka sistem operasi untuk bioreactor ini harus di optimasi.


Arahan :
a.Mengapa performa dari kultur fungi dalam pembuatan Antibiotik sangatlah berbeda pada perbandingan 10.000:1 dengan 10:1?
b.Bagaimana memindahkan skala produksi laboratorium ke skala industr?
c.Bagaimana proses seleksi bioreactor yang dilakukan?
d.Bagaimana proses optimasi yang dilakukan?


A. SELECTION
Pada awalnya mungkin akan sulit memahami mengapa performa kultur fungi pada skala 10.000:1 sangatlah berbeda dengan pada skala 10: 1. Jawabannya adalah tergantung dari bagaimana kita mengatur homogenitas kultur, perubahan pada perbandingan luas permukaan dan perubahan kultur itu sendiri selama pertumbuhannya pada skala yang lebih besar. Proses pemilihan dari bioreactor yang akan kita pakai dalam menumbuhkan mikroorganisme akan sangat penting untuk hal ini.

Jenis-jenis bioreactor dengan fungsi dasar, yaitu:
a. Reactor, dengan pengadukan internal secara mekanik.
b. Bubble Columns, yang mengadalkan masuknya gas ke dalam cairan.
c. Loop reactor, dimana pencampuran dan sirkulasi cairan diinduksi oleh gerakan injeksi gas atau oleh pompa mekanik atau kombinasi keduanya.


Bentuk umum dari persamaan matematika dari permodelan bioproses adalah sebagai berikut:
Local change in the reaction volume = local infloe-outflow (convective transport) – local inflow-outflow (diffusive transport)

Sementara variabel-variabel dari permodelan, yaitu:
1.Input variables (misal: laju alir)
2.Output variables (misal: tingkat penyerapan oksigen)
3.State variables (misal: konsentrasi)

Selain pemilihan struktur model yang benar, data eksperimen/percobaan kuantitatif yang tepat dengan menentukan parameter model sangat dibutuhkan dalam permodelan matematika pada bioproses.

Struktur dan Operasi Pabrik Bioproses
Secara umum, garis produksi pada industri bioproses dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu:
1.Pembuatan dan Pengolahan Bahan Baku
Sumber energi primer seperti uap dan udara bertekanan diubah menjadi energi proses. Proses produksi dimulai dari pembersihan/sterilisasi reaktor, mengisi reaktor dengan substrat, dan inokulasi dengan proses prakultur.
2.Kultivasi
Asumsikan pada proses batch, ketika konsentrasi sel dalam reaktor telah mencapai pada kondisi optimum, kaldu fermentasi diinokulasi untuk tahap selanjutnya.
3.Proses Kultivasi Medium pada Sektor Downstream
Terdapat banyak proses dan cara pengolahan, tergantung dari sifat dan jenis produk seperti apa yang diinginkan. Seringkali bahan baku dimodifikasi menggunakan bahan kimia tertentu untuk mendapatkan produk akhir dengan sifat tertentu.

Jenis dan Struktur Bioreaktor
Di dalam biorekator, harus lah menyediakan lingkungan fisika dan kimia yang sesuai, misalnya kondisi pH, suhu, konsentrasi substrat, dan memastikan kecepatan transportasi yang optimum dari substrat dan produk. Tujuan dari desain bioreaktor adalah untuk memberikan pencampuran yang baik untuk menghasilkan tingkat reaktan terlarut dan suhu yang tidak terlalu tinggi.

1 Stirred Tank Reactor sebagai contoh reaktor dengan masukan berupa energi mekanik
Biasa digunakan dalam proses pencampuran larutan ideal. Namun kerugian menggunakan jenis reaktor ini adalah daerah basis yang besar, dapat terjadinya pusaran air dan tegangan muka yang tinggi di dekat impeller/pengaduk.

2 Reaktor dengan masukan energi berupa udara bertekanan
Penggunaan energi udara terkompresi sebagai masukan daya yang paling efektif untuk reaktor yang sangat besar dengan volum mencapai 500 m3. Kenuntungan yang diperoleh adalah daerah basis yang rendah, desain sederhana, dan untuk pencampuran hanya membutuhkan energi yang tidak terlalu besar.

3 Reaktor Membran untuk Aerasi Gelembung
1.Fase Cair
Semua zat dan substrat yang digunakan untuk pertumbuhan atau sintesis produk dilarutkan atau disuspensikan dalam medium cair.
2.Fase Gas
Pada jenis ini, dapat dibagi menjadi fase gas terdispersi yang terkandung dalam gelembung-gelembung gas kecil dalam fase cair, serta fase gas yang disebut headface atau ruang kosong yang ada di antara larutan dengan kepala reaktor.
3.Fase Padat
Adanya fase padat dalam reaktor akan dapat sangat mempengaruhi hidrodinamika dan proses transportasi substrat dan produk karena adalnya tambahan resistensi difusi.
4.Fase Biotik
Kelompok-kelompok fungsional yang berbeda dari metabolisme sel untuk degradasi substrat, produksi energi, dan biosintesis bahan sel yang berhubungan erat satu sama lain oleh jaringan reaksi metabolik.

4 Mode Pengoperasian Bioreaktor bergantung pada arus medium atau atau reaktor dan pasokan oksigen
1.Batch Cultivation
Tidak ada pertukaran medium cair, semua substrat sudah terdapat dalam meduim dari awal.
2.Fed-Batch Cultivation
Digunakan ketika konsentrasi substrat harus tetap rendah untuk pertumbuhan atau pembentukan produk yang optimal. Komponen substrat harus selalu diumpankan ke dalam reaktor hingga pada kondisi tertentu.
3.Continuous Cultivation
Ada arus masuk permanen untuk substrat dan arus keluar untuk medium, termasuk sel dari reaktor. Biasanya aliran masuk dan keluar ememiliki kecepatan dan volum yang sama.
4.Cultivation with Cell Retention
Sel diambil dari reaktor bersamaan dengan medium dan produktivitas dapat ditingkatkan dengan menjaga biokatalis (enzim) di dalam reaktor.
5.Repeated or Cyclic Batch or Fed-Batch Cultivation
Dengan metode ini, produktivitas meningkat karena interval waktu tidak produktif dikurangi dan rata-rata konsentrasi sel dapat lebih tinggi dibandingkan dengan Batch Reactor.
6.Aerobic Processes
Bioreaktor disuplai dengan udara yang sudah dilengkapi dengan oksigen murni untuk memenuhi kebutuhan sel.
7.Anaerobic Processes
Desain reaktor ini dimanfaatkan untuk sel anaerob dimana oksigen merupakan racun, sehingga sebisa mungkin tidak ada kandungan oksigen di dalam reaktor. Gas yang biasa digunakan adalah karbondioksida (CO2).
8.Micro-Aerobic Processes
Digunakan untuk sel yang dapat mentolerir keberadaan oksigen, namun dengan konsentrasi yang sangat rendah. Tingkat aerasi, kecepatan pengadukan, dan konsentrasi oksigan harus sangat dikontrol.