Bioreaktor: Perbedaan antara revisi

[[Berkas:Pg166 bioreactor.jpg|thumbjmpl|rightka|250px|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.<ref name=ratledge>{{en}} Ratledge C, Kristiansen B. 2001. Basic Biotechnology. Cambridge: Cambridge University Pr. Hal. 5-17.</ref><ref name="a"></ref> Reaksi [[biokimia]] yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme atau komponen biokimia aktif ([[enzim]]) yang berasal dari [[organisme]] tertentu, baik secara [[aerobik]] maupun [[anaerobik]].<ref name=ratledge/><ref name="a"></ref> Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan [[suspensi|tersuspensi]] atau [[Enzim terimobilisasi|terimobilisasi]].<ref name="a"></ref> Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor [[membran sintetis|membran]].<ref name="a">{{en}} {{cite book |last= John Tampion, M. D. Tampion|first= |authorlink= |coauthors= |title= Immobilized cells: principles and applications|year= 1987|publisher= Cambridge University Press|location= |id= ISBN 978-0-521-25556-1 }}</ref>

Komponen utama bioreaktor terdiri atas [[tangki]], [[sparger]], [[impeller]], [[saringan]] halus atau [[baffle]] dan [[sensor]] untuk mengontrol parameter.<ref name=vill>{{en}} Villadsen J, Lidén G. 2003. Bioreactor Engineering Principles. New York : Plenum Press. Hal. 11-15.</ref> Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk.<ref name=vill/> 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.<ref name=vill/> [[Impeller]] berperan dalam [[agitasi]] dengan mengaduk campuran substrat dan sel.<ref name=vill/> Impeller digerakkan oleh [[rotor]].<ref name=vill/> Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek [[pusaran]] air akibat agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya. [[Sensor]] berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor.<ref name=william/> Kontrol fisika meliputi sensor [[suhu]], [[tekanan]], agitasi, [[foam]], dan kecepatan aliran.<ref name=william/> Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor [[pH]], kadar oksigen, dan perubahan [[komposisi]] [[medium]].<ref name=williamvill/><ref name=villwilliam/>

== Perancangan bioreaktor ==

[[Berkas:Bioreactor principle.svg svgedit.png|thumbjmpl|300px|rightka|Struktur suatu bioreaktor.]]

Bioreaktor biasanya terbuat dari bahan ''stainless steel'' karena bahan tersebut tidak bereaksi dengan bahan-bahan yang berada dalam bioreaktor sehingga tidak menggangu [[proses]] biokimia yang terjadi.<ref name=ratledge/> Selain itu, bahan tersebut juga anti [[karat]] dan tahan panas.<ref name=ratledge/> Selain itu, bioreaktor jugaBioreaktor harus dapat menciptakan lingkungan yang [[optimum]] bagi [[mikroorganisme]] ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan.<ref name=william>{{en}} Williams JA. 2002. Keys to bioreactor selection. ''Chemical Eng Progress'' 98(3):34-41.</ref> Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah [[suhu]], [[pH]], [[substrat]] (sumber [[karbon]] dan [[nitrogen]]), [[aerasi]], dan [[agitasi]].<ref name=william/>

Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan [[insinyur|teknik]] yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang mempengaruhimemengaruhi kinerja agensia biologis terutama [[temperatur]] dan [[pH]]. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, kebutuhan untuk hidup seperti [[oksigen]], [[nitrogen]], [[fosfat]], dan [[mineral]] lainnya perlu diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya berada dalam keadaan tersuspensi, sistem pengadukan perlu diperhatikan agar cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan dijaga agar kinerja agensia biologis tetap optimum.

Untuk bioreaktor skala [[laboratorium]] yang berukuran 1,5-2,5 L umumnya terbuat dari bahan kaca atau [[borosilikat]], namun untuk skala industri, umunya digunakan bahan baja tahan karat (''[[stainless steel]]'') yang tahan karat.<ref name="b">{{en}} {{cite journal

}}</ref> Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa [[metal]] pada saat fermentasi terjadi di dalamnya.<ref name="b">< /ref> Bahan baja yang mengandung < 4% kromium disebut juga baja ringan, sedangkan bila kadar kromium di dalamnya >4% maka disebut ''[[stainless steel]]''. Bioreaktor yang umum digunakan terbuat dari bahan [[baja]] 316 yang mengandung 18% [[kromium]], 2-2,5% [[molibdenum]], dan 10% [[nikel]].<ref name="b">< /ref> Bahan yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi.<ref name="b">< /ref> Untuk mencegah kontaminasi, bagian atas biorektor dapat ditambahkan dengan [[segel]] aseptis (''aseptic seal'') yang terbuat dari campuran [[metal]]-kaca atau metal-metal, seperti ''O-ring'' dan gasket.<ref name="c">< /ref> Untuk meratakan media di dalam bioreaktor digunakan alat pengaduk yang disebut agitator atau [[impeler]].<ref name="c">< /ref> Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem biorektor digunakan sistem [[aerasi]] yang berupa sparger.<ref name="c">< /ref> Untuk bioreaktor [[aerob]], biasanya digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga pertumbuhan mikrooganisme dapat berlangsung dengan baik.<ref name="c">{{en}} {{cite book

| last = Mukesh Doble, Anil Kurnar Kruthiventi, Vilas Gajanan Gaikar

| first =

| title = Biotransformations and Bioprocesses

| publisher = MARCEL DEKKER Inc.

| year = 2004

| doi =

| id = ISBN 0-8247-4775-5 }}</ref>

Pada bagian dalam bioreaktor, dipasang suatu [[sekat]] yang disebut'' baffle'' untuk mecegah [[vorteks]] dan meningkatkan efisiensi aerasi.<ref name="d"></ref> ''Baffle'' ini merupakan metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di dindingnya.<ref name="d"></ref> Bagian lain yang harus dimiliki oleh suatu bioreaktor adalah [[kondensor]] untuk mengeluarkan hasil kondensasi saat terjadi [[sterilisasi]] dan [[filter]] (0,2 μm) untuk menyaring udara yang masuk dan keluar tangki.<ref name="d">{{en}} {{cite journal

| doi = doi:10.1016/S0043-1354(96)00234-5 }}</ref> Untuk proses [[inokulasi]] kultur, pengambilan sampel, dan pemanenan, diperlukan adanya saluran khusus dan pengambilannya harus dilakukan dengan hati-hati dan aseptis agar tidak terjadi kontaminasi.<ref name="e">< /ref> Untuk menjaga kondisi dalam bioreaktor agar tetap terkontrol, digunakan [[sensor]] [[pH]], [[suhu]], anti-buih, dan [[oksigen]] terlarut (DO).<ref name="e">< /ref> Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan dan harus dilakukan perlakuan tertentu untuk mempertahankan kondisi di dalam bioreaktor.<ref name="e">< /ref> Misalkan terjadi perubahan pH maka harus ditambahkan larutan [[asam]] atau [[basa]] untuk menjaga kestabilan pH.<ref name="e">< /ref> Penambahan zat ini dapat dilakukan secara manual namun juga dapat dilakukan secara otomatis menggunakan bantuan pompa peristaltik.<ref name="e">< /ref> Selain asam dan basa, pompa [[peristaltik]] juga membantu penambahan [[anti-buih]] dan [[substrat]] ke dalam bioreaktor.<ref name="e">{{en}} {{cite book

| last = Peter M. Huck

| authorlink =

| title = Design of Biological Processes for Organics Control

| publisher = Amer Water Works Assn

| year = 1998

| doi =

| id = ISBN 978-0-89867-936-6 }}

Berdasarkan tingkat [[aseptis]] maka sistem bioreaktor terbagi menjadi 2, yaitu bioreaktor sistem [[non aseptis]] (untuk pengolahan [[limbah]]) dan bioreasktorbioreaktor sistem aseptis (untuk [[produksi]] [[sel]] dan produksi [[metabolit]]).<ref name=ratledge/> Untuk bioreaktor sistem aseptis diperlukan [[sterilisasi]] bioreaktor pada suhu dan tekanan yang tinggi.<ref name=ratledge/> Sedangkan, berdasarkan pemberian [[substrat]] maka sistem fermentasi dalam bioreaktor terbagi menjadi tiga, yaitu ''batch fermentation'', ''continouscontinuous batch fermentation'', dan ''fed batch fermentation''.<ref name=she>{{en}} Shetty K, Paliyath G, Pometto A, Levin RE. 2006. Food Biotechnology. Boca Raton: CRC Pr. Hal. 61-63.</ref> Pada ''batch fermentation'', makanan hanya diberikan satu kali saja kemudian produk dipanen.<ref name=she/> Pada ''continous batch fermentation'', makanan diberikan terus menerus.<ref name=she/> Pada ''fed batch fermentation'', makanan diberikan kemudian produk dipanen, makanan yang baru diberikan sebelum makanan pertama yang diberikan habis.<ref name=she/> Lalu, bila kita melihat sistem aerasinya, bioreaktor dibagi menjadi bioreaktor ''stirred tank'', ''bubble column'', dan ''loop airlift''.<ref name=she/> Prinsip stirred tank bioreactor adalah menghasilkan [[aerasi]] dengan menggunakan agitasi [[mekanis]], yaitu dengan [[impeller]]. Pada ''bubble column bioreactor'', udara dalam bentuk gelembung dimasukkan ke media melalui [[sparger]] untuk aerasi. Sedangkan, pada ''loop airlift bioreactor'', udara dan media disirkulasi bersamaan melalui kolom yang dimasukkan ke dalam kolom lain.<ref name=vill/><ref>{{en}} Christael L, Kawase Y, Znad H. 2007. Hydrodynamic modelling of internal loop airlift reactor applying drift-flux model in bubbly flow regime. ''Canadian J Chem Eng'' 1(7):1-8.</ref>

== Produksi bioreaktor skala besar ==

Untuk melakukan [[produksi]] [[skala]] besar menggunakan bioreaktor dibutuhkan proses peningkatan skala (''scale up'').<ref name=vill/> [[Parameter]] [[kinetik]] merupakan acuan dalam peningkatan skala bioreaktor.<ref name=vill/> Parameter kinetik dalam bioreaktor ialah pengaturan [[suhu]], [[pH]], [[aerasi]], [[agitasi]], dan [[agen]] [[antifoam]].<ref name=vill/> Pengaturan suhu dalam bioreaktor dilakukan dengan cara pemompaan air dingin ke bagian jaket bioreaktor.<ref name=vill/> Pengaturan pH dilakukan dengan cara pemberian [[asam]] seperti HCl dan [[basa]] seperti NaOH.<ref name=vill/> Agitasi dalam bioreaktor dibutuhkan untuk [[homogenisasi]] isi bioreaktor dan [[aerasi]] dalam bioreaktor.<ref name=vill/> Jika organisme dalam bioreaktor bersifat [[aerob]] maka udara (oksigen) harus dimasukkan ke dalam bioreaktor.<ref name=vill/> Udara dalam bioreaktor dimasukkan melalui [[sparger]] yang berada di bawah.<ref name=vill/> Dalam proses aerasi dan agitasi terkadangkadang-kadang dihasilkan foam yang dapat mengganggu reaksi biokimia dalam bioreaktor.<ref name=ratledge/> Oleh karena itu, dibutuhkan agen antifoam untuk mencegah terjadinya [[foam]].<ref name=ratledge/> Agen [[antifoam]] yang umunya dipakai dapat berupa [[minyak sawit]] ataupun [[tween]].<ref name=ratledge/>