design bioreaktor
Post on 10-Apr-2016
238 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
PERANCANGAN
BIOREAKTOR
Referensi Schüger, K, Bioreaction Engineering Vol. 1: Fundamentals,
Thermodynamics, Formal Kinetics, Idealized Reactor Types and Operation Modes, John Wiley & Sons, New York, 1987.
Schüger, K, Bioreaction Engineering Vol. 2: Characteristic Features of Bioreactors, John Wiley & Sons, New York, 1991.
Nielsen, J., Bioreaction Engineering Principles, Plenum Press, New York, 1994.
Lee, J.M., Biochemical Engineering, Prentice Hall, 1992. Sinclair, C.G., Kristiansen, Fermentation Kinetics and
Modelling, Taylor and Francis, 1987. Shuler, M.L., Kargi, Bioprocess Engineering: Basic Concepts,
Prentice Hall, 1992. Aiba, S., Biochemical Engineering, Edisi ke-2, University of
Tokyo Press, 1973. Wang, D.I., Fermentation and Enzym Technology, John
Wiley & Sons, New York, 1979.
Penggolongan Bioreaktor
Sistem Pengumpanan dan Pengoperasian
Sumber Energi Pertumbuhan dan Pemeliharaan Sel
Konstruksi Bioreaktor dan Pola Aliran
Bioreaktor Batch
Kondisi dapat berubah-ubah (S, X, laju pertumbuhan), konsentrasi substrat awal tinggi, fase pertumbuhan berbeda-beda.
Lebih umum digunakan
S = konsentrasi substrat (mg/liter)X = konsentrasi sel (mg/liter)
Udara
Contoh Aplikasi : Industri Pembuatan
Etanol
CHEMOSTATSUATU BIOREAKTOR DENGAN SISTEM PENGUMPANAN (UMPAN SEGAR) TERUS MENERUS (SINAMBUNG), SEMENTARA SISA CAIRAN NUTRIENT/SUBSTRAT, PRODUCT AKHIR METABOLIC DAN MICROORGANISME DIKELUARKAN DARI BIOREAKTOR DENGAN LAJU KECEPATAN YANG SAMA UNTUK MENJAGA VOLUME BIOREAKTOR KONSTAN
Chemostat
Proses tunak, substrat berkonsentrasi rendah dan konstan, laju pertumbuhan konstan yang diatur melalui laju pengenceran (laju alir umpan)
Lebih efisien
F S0 X0
F S X
udara
Contoh Aplikasi : Pengolahan Limbah Industri dan Rumah Tangga
Chemostat dengan Recycle
F S0 X0
(1+a)F S,X
aF S,bX
F X’
Chemostat tidak efisien jika µmax<D, karena mikroorganisme dapat terbuang bila laju alir pengenceran tinggi, sehingga dilakukan recycle
Bioreactor Fed Batch
F, S0
V0, X, S, P
Start fed-batch HarvestVw, X, S, P
Fed batch fillV, X, S, P
F, S0
Bagaimana prinsip kerja Bioreaktor ini ?
Sumber Energi Pertumbuhan dan Pemeliharaan Sel
Bioreaktor Aerobik (Oksigen sebagai Oksidator) Bioreaktor Anaerobik (Senyawa non Oksigen
sebagai Oksidator)
t fermentasi optimum
Aerasi dan Agitasi
O2 dibutuhkan atau tidak ?
Faktor design bioreaktor
Penghilangan panas
Kontrol atas foam yang terbentuk
Penyediaan oksigen
Sterilisasi
Mengapa dan Bagaimana?
Penghilangan panas
Foam Control:
Penyediaan O2
Sterilisasi
Metabolisme sel menghasilkan panas yang dihilangkan dengan internal coils atau reactor jackets.
Metabolisme sel menghasilkan komponen dan dapat memicu pembentukan foam mechanical foam breakers dan chemical additives.
Pernafasan sel membutuhkan oksigen. Sparged air dan impeller memperkecil bubbles dan meningkatkan residence time.
Hanya diinginkan 1 jenis strain. Steam dan filtering.
Bagaimana sebenarnya proses pembentukan produk metabolik?REFER KE METABOLISME SEL DAN KINETIKA PERTUMBUHAN SEL DAN PEMBENTUKAN PRODUK
CONTOH
Faktor apa yang membatasi ukuran reaktor
Kemampuan untuk mensuplai oksigen dan menghilangkan panas
Agitated tank
Bubble column
Airlift Propeller loop
Jet loop
Perbandingan Tipe BioeaktorTangki berpengaduk
› Transfer massa oksigen baik› Kebutuhan energi untuk pengadukan tinggi› Perawatan tinggi untuk menjaga tetap steril
harus di-seal
Bubble Column› Gaya geser rendah› Tidak perlu di-seal› Terbatas pada cairan berviskositas rendah› Pengadukan lebih sedikit dari tangki
berpengaduk› Gelembung koalensi membatasi laju alir
udara naik
Perbandingan Tipe Bioeaktor
Loop reactor•Pencampuran lebih baik daripada bubble column dengan gaya geser rendah, kebutuhan energi rendah dan keterbatasan
•Digunakan untuk cairan dengan viskositas tinggi daripada bubble columns
•Pencampuran lebih sedikit daripada agitated tank
AGITATED
TANK
Pengaduk
Fermentor
Penambah-an/peng-hilangan panas
memecah gelembung menjadi senyawa2 yang kecil untuk agar tercipta transfer perpindahan massa oksigen yang lebih baik.
skala lab bahan glass, komersial stainless steel
coil sepanjang dinding fermentor, atau water jacket sekeliling tangki
Antifoam
AGIT
ATED
TAN
K Antifoam
Volume kerja
Seal
Baffle/pe-nyekat
mencegah problem foaming, tetapi dapat menambah tahanan perpindahan massa
volume cairan dalam tangki tidak termasuk ruang bagian tutup fermentor
seal untuk batang pengaduk harus menjamin tidak terjadi kontaminasi
memperbesar pengadukan dan dispersi gas
Agitated Tank
Baffle
Motor
Tipe-tipe pengaduk
Rushton : berbentuk cakram dengan 6 - 8 buah bilah. Pom. pa cairan dalam arah radial. Batang pengaduk dengan > 1 pengaduk dapat menciptakan pembagian ruang pengadukan
Axial flow : memompakan cairan ke arah vertikal. Energi yang dibutuhkan untuk perpindahan massa lebih rendah. Laju geser lebih rendah.
Tipe-tipe pengaduk nRusthon Rusthon
Rusthon Axial flow
21 34 5
Perpindahan massa O2
1. Konsentrasi bulk O2 dalam fase gas
2. Perpindahan melewati lapisan gas yang stagnan
3. Pemisahan fase gas fase cair ( temp pd titik jenuh)
4. Perpindahan melewati lapisan cairan yang stagnan
5. Konsentrasi bulk cairan (CL)
6. Perpindahan melewati lapisan cairan stagnan menuju sel
6
gelembungsel
Profile oksigenKons O2
Radius gelembung
jarak
O2 dalam aliran udara masuk
Kons O2 dalam sel
Batas antara gas dan cairan
Kons O2 dalam bulk cairan
Kons O2 pada interface cairan
Perpindahan massa O2
Laju perpindahan pada kondisi tunak (steady state) ditentukan berdasarkan laju reaksi yang terlambat OUROTR
XqO2kLa C
* CL OTR is not the rate at which you provide air to the reactor. You will actually provide much more oxygen to the reactor than is transferred to the cells.
Oxygen Mass Transfer
The value of the product kLa often determines the maximum cell mass X
X= the cell density (g/L)
qO2= the specific oxygen uptake rate (mol O2/g/hr)
kL=the oxygen mass transfer coefficient (cm/hr)
a=the interfacial area per unit reactor volume (cm2/cm3)
C*= the concentration of O2 in the liquid at the gas-liquid interface (often assumed to the the saturation value)
CL=the concentration of O2 in the “bulk” liquid
Perpindahan massa O2
Determining O2 Mass Transfer
Correlations can be used to predict the volumetric transfer coefficient kLa
Many correlations can be found in the literature. Shuler gives the general form:
kLakPgVR
0.4
vs 0.5 N 0.5
Where:k= an empirical constant that depends on the reactor type and bubble diameter, among (probably) other things
Pg= the power required for an aerated reactor
VR= the reactor volume
vs= the superficial gas exit speed (volumetric exit flow rate divided by vessel cross-sectional area times the volume of gas per volume of reactor)
N= the impeller rotational speed
Experimental Determination of O2 Mass Transfer
The previous correlation offer design estimates.
Medium components, temperature, and pressure can affect kLa and oxygen solubility
Simple experiments can be done to measure kLa
Unsteady state, steady state, dynamic and sulfite methods to measure kLa
Unsteady Method
dCLdt
kLa C* CL
ln C* CL kLat
Separate and integrate
Plot ln(C*-CL) versus t, slope is -kLa
Fill the reactor with medium only – no cells. Measure the DO concentration in the medium. Remove oxygen from the medium by sparging with N2. Introduce air, and record the increase in DO.
Steady-State MethodRequires an oxygen gas analyzer for the
effluent air.Perform an O2 mass balance to obtain OUR.
Difficulty in both methods – C* is a function of pressure (height of liquid and high pressure aeration gas).
kLaOURC* CL
Dynamic Method Utilizes a fermentor with actively
growing cells. Requires only a DO meter. The air to the fermentor is shut off,
and the DO decreases due to consumption by the microorganisms. The air is then turned on, and the the DO increases.
When the air is off, kLa = 0, so the slope of DO vs. time is equal to –qO2X.
The slope of the assending curve with time can be determined from tangents to the curve. The slope of the plot dCL/dt-qO2X vs (C*-CL) will be kLa.
XqCCakdt
dC2OL
*L
L
top related