KULIAH TEKNOLOGI BIOKIMAKULIAH TEKNOLOGI BIOKIMA1010 NOVEM NOVEMBER 20BER 201212

Fermenter DesignFermenter Design

PerformancePerformance OptimisationOptimisation ConstructionConstruction ConfigurationConfiguration ControlControl

Biotechnological Biotechnological processingprocessing

Types ofTypes of Process ProcessFermentationFermentation Design Design

Stirred Tank ReactorStirred Tank Reactor

Suatu unit alat yang digunakan untuk tempat berlangsungnya suatu proses biokimia dari bahan mentah menjadi bahan atau zat tertentu yang dikehendaki, dikatalisis oleh suatu enzim yang terdapat pada mikroorganisme hidup atau enzim-enzim terisolasi.

Suatu bioreakator harus dapat memberikan kondisi optimum kepada mikroba penghasil enzim ataupun enzim terisolasi agar produksi bahan yang dikehendaki memperoleh hasil yang maksimum

Diperlukan alat pengatur suhu, pH dan oksigen terlarut dan juga bahan baku, bahan nutrisi yang cukup dan serasi sesuai dengan sifat enzimnya.

The choice of suitable reactor The choice of suitable reactor is the major scale-up questionis the major scale-up question

BioreactorsBioreactors

Submerged culturesSubmerged cultures Immobilized culturesImmobilized cultures

Stirred tank reactorsStirred tank reactors

Airlift reactorsAirlift reactors

Bubble columnsBubble columnsPacked bed Packed bed reactorsreactors

Fluidized Fluidized bed reactorbed reactor

The basic function of a fermenter is to provide a suitable environment in which an organism can efficiently produce a target product that may be

- cell biomass,

- a metabolite,

- or bioconversion product.

closed or open.

A closed system implies that all the nutrient components are added at the beginning of the fermentation process and, as a result, the growth rate of the contained organisms will eventually proceed to zero due either to diminishing nutrients or accumulation of toxic waste products. A modification of the batch process is the fed batch system. Here, volumes of nutrients may be added to augment depletion of nutrients. Overall, the system, however, remains closed and there is no continuous flow.

In contrast to the above types, in the open system, organisms and nutrients can continuously enter and leave the fermenter.

What it should be capable of;

Biomass concentration must remain high Maintain sterile conditions Efficient power consumption Effective agitation Heat removal Correct shear conditions Sampling facilities

Fermenters range from simple stirred tanks to complex integrated systems involving varying levels of computer input.

Fermenter design involves cooperation in Microbiology, Biochemistry, Chemical Engineering, Mechanical Engineering, Economics

There are 3 groups of bioreactor currently used for industrial production;

- non-stirred, non-aerated- non-stirred, aerated- stirred, aerated

(Beer and wine)

(Antibiotics)

(Biomass, eg Pruteen)

All materials must be corrosion resistant to prevent trace metal contamination of the process

Materials must be non-toxic so that slight dissolution of the material or components does not inhibit culture growth

Materials of the fermenter must withstand repeated sterilization with high pressure steam

Fermenter stirrer system and entry ports be sufficiently robust not to be deformed under mechanical stress

Visual inspection of the medium and culture is advantageous, transparent materials should be used

A microbial fermentation can be viewed as a three-phase system, involving liquid-solid, gas-solid, and gas-liquid reactions.

The liquid phase contains dissolved nutrients, dissolved substrates and dissolved metabolites.

The solid phase consists of individual cells, pellets, insoluble substrates, or precipitated metabolic products.

The gaseous phase provides a reservoir for oxygen supply and for CO2 removal.

Fermenter should be designed to exclude entrance of contaminating organisms as well as containing the desired organisms

Culture volume should remain constant,

Dissolved oxygen level must be maintained above critical levels of aeration and culture agitation for aerobic organisms

Parameters such as temperature of pH must be controlled, and the culture volume must be well mixed.

Therefore a need for control exists

Intensive properties (cannot be balanced)Intensive properties (cannot be balanced)

- temperature, concentration, pressure, specific - temperature, concentration, pressure, specific heatheat

Extrinsive properties (can be balanced)Extrinsive properties (can be balanced)

- mass, volume, entropy and energy- mass, volume, entropy and energy

Mass and energy levels should balance at the start Mass and energy levels should balance at the start and finish of fermentations.and finish of fermentations.

Combining this with determination of thermodynamic Combining this with determination of thermodynamic properties and rate equations we can build computer properties and rate equations we can build computer and mathematical models to control processes.and mathematical models to control processes.

(i). Nature of microbial (or mammalian, plant tissue) cell;(a) Hydrodynamic characteristics(b) Mass and Heat Transfer(c) Kinetics(d) Genotype and Phenotype

(ii). Environmental Control and Monitoring of the process;

(a) pH, temperature, dissolved oxygen etc.(b) Asepsis and avoidance of contamination

(iii). Process factors;(a) Effect on other unit operations(b) Economics(c) Potential for scale-up

Aerobic fermenters may be classified depending on how the gas is distributed

Stirred Tank Reactor (mechanical agitation for aeration)

Bubble column reactors (bubbling air into media for aeration)

Loop Airlift reactors (air and media circulate together)

Immobilised System (Fluidized bed and Packed bed reactor)

Most commonly fermenter used Made from stainless steel when over 20 Liters Height to Diameter ratio 2:1 and 6:1 Baffles prevent a large central vortex Also used to carry coolants in large systems

Stirred Tank Reactor

An agitator system

An oxygen delivery system

A foam control system

A temperature control system

A pH control system

Sampling ports

A cleaning and sterilization system.

A sump and dump line for emptying of the reactor.

The transfer of energy, nutrients, substrate and metabolite within the bioreactor must be brought about by a suitable mixing device. The efficiency of any one nutrient may be crucial to the efficiency of the whole fermentation.

For the three phases, the stirring of a bioreactor brings about the following:

Dispersion of air in the nutrient solution Homogenisation to equalise the temperature and the

concentration of nutrients throughout the fermenter Suspension of microorganisms and solid nutrients Dispersion of immiscible liquids

Agitation system

The function of the agitation system is to provide good mixing and thus increase mass

transfer rates through the bulk liquid and bubble boundary layers.

provide the appropriate shear conditions required for the breaking up of bubbles.

The agitation system consists of the agitator and the baffles.

The baffles are used to break the liquid flow to increase turbulence and mixing efficiency.

Four basic bioreactor designs : Stirred tank reactors (mechanical agitation for aeration) Bubble column reactors (bubbling air into media for

aeration) Internal loop airlift reactors (air and media circulate

together) External loop airlift reactors

Stirred TankStirred Tank

Airlift ReactorsAirlift ReactorsBubble ColumnBubble Column

Tower fermentorTower fermentor Cylindro-conical vesselCylindro-conical vessel Air-lift fermentorAir-lift fermentor Deep jet fermentorDeep jet fermentor Packed towerPacked tower Rotating-disc fermentorRotating-disc fermentor

Dalam merancang dan mengkontruksi fermentor beberapa hal yang perlu Dalam merancang dan mengkontruksi fermentor beberapa hal yang perlu dipertimbangkan:dipertimbangkan:

• Aseptik dalam waktu operasi yang lama.• Kecukupan aerasi dan agitasi untuk kebutuhan metabolik

mikroorganisma.• Kebutuhan tenaga penggerak serendah mungkin• Adanya sistem pengaturan suhu dan kontrol pH• Fasilitas untuk sampling• Kehilangan evaporasi dari fermentor dihindari• Mudah operasional, pemanenan, pembersihan dan perawatan• Secara ideal tangki harus cocok untuk ruang lingkup proses yang luas• Permukaan tangki harus rata dan dibuat dengan bahan yang murah

•Udara kompresi•Udara kompresi steril ( 1.5 sampai 3 atm)•Air pendingin (chilled water)•Air•Air panas•Steam (tekanan tinggi)•Steam condensate•Listrik•Generator•Saluran buang•Motor•Sarana penyimpanan•peralatan monitoring•Fasilitas perawatan•Peralatan proses hilir•Peralatan pengiriman barang

•Bahan Konstruksi

• Skala kecil (1 - 30 dm3) memungkinkan terbuat dari gelas dan atau baja

• Bahan gelas harus tidak menimbulkan racun, korosi dan mudah untuk memeriksa bagian dalam dari fermentor

• Dalam skala pilot, karena memerlukan sterilisasi dengan menggunakan steam dari luar, maka bahannya tahan terhadap tekanan dan korosi. Biasanya terbuat dari baja yang mengandung < 4% chromium

• Dapat juga dengan dilapisi dengan bahan gelas atau bahan phenolic epoxy

• Bahan kayu, plastik dan beton dapat digunakan apabila kontaminasi tidak menjadikan masalah

• pH antara 1 sampai 2 dapat menggunakan bahan baja dengan kandungan 3 - 4 % molybdenum, sedangkan untuk minuman mengandung 18.5 % chromium dan 10% nikel.

•Kontrol suhu

• Panas ditimbulkan oleh : reaksi, agitasi, steam pada proses sterilisasi, dan type microorganisme

• Dapat mengeluarkan panas dan juga memerlukan panas

• Keseimbangan energi pada keadaan normal• Kebutuhan pendingin (jaket atau pipa) untuk mengambil kelebihan panas pada fermentor dapat dihitung dengan rumus

•Agitasi ( baling2)•Pengaduk dan bantalan poros•Penyekat•Sistem aerasi (sparger)

Komponen dalam fermentor

•Sterilisasi fermentor•Sterilisasi udara masuk•Sterilisasi gas buang•Sterilisasi upan masuk: inokulum,nutrisi, dan suplemen lainnya•Sampling•Sensor probe

•Gate valve, penurunan tekanan minimal tetapi tidak cocok untuk kondisi aseptik•Globe valve, kebanyakan digunakan untuk aliran air dan uap air, tidak cocok untuk kondisi aseptik •Piston valve, hampir sama dengan globe valve dan baik untuk kondisi aseptik•Needle valve, hampir sama dengan globe valve, kontrol aliran sangat akurat•Plug valve•Ball valve•Butterfly valves•Diaphragm valves, sangat baik untuk kondisi aseptik

In order to develop and optimize biological reactors and in order to operate them most efficiently, it is critical that the state of catalyst environment be monitored and controlled and that the response of catalyst to the environtment be determined

Achieving these goals requires three different functions: measurement, analysis of measurement data, and control

~~~~~~~~~~~

[[[[

o o o o o o

o o oO o o o o o o

o o o o o o o

o o oO o o o o o o

o o o O o o o o o o

Shaft power Torsion dynamometer (external) Strain gauge measurement (internal)

Impeller speed

FL : Liquid feed rate Drop count Addition vessel on load cell Electromagnetic flowmeter

Pressure simple diagram gauge

Foam detection Capacitance ConductanceControl Mechanical system Silicon emulsion antifoam Oil based (sterility) problems

Temperature Thermometer bulb Thermocouple Thermistor

Fg gas flow rate Rotameter Mass flowmeter

PO2 Paramagnetic O2 analysis Electrochemical cellPCO2

IR analyzer

Turbidity Spectrophotometer Biomass measurement

Product removal Overflow, level control, load cell Exhaust-gas analysers

Dissolved oxygen

RedoxInteraction with DO

pH Glass electrode

KategoriKategori SensorSensor Fungsi kontrolFungsi kontrol

FisikaFisika SuhuSuhu

TekananTekanan

Tenaga agitasiTenaga agitasi

RpmRpm

FoamFoam

BeratBerat

Kecepatan aliranKecepatan aliran

Panas/dinginPanas/dingin

Kontrol foamKontrol foam

Perubahan kec. aliranPerubahan kec. aliran

Perubahan kec. aliranPerubahan kec. aliran

KimiaKimia pHpH

RedoxRedox

OksigenOksigen

Analisa gas buangAnalisa gas buang

Analisa mediumAnalisa medium

Penambahan asam atau basa, kec. Penambahan asam atau basa, kec. umpan sumber karbonumpan sumber karbon

Perubahan potensi redoxPerubahan potensi redox

Perubahan kecepatan umpanPerubahan kecepatan umpan

Perubahan kecepatan umpanPerubahan kecepatan umpan

Perubahan didalam komposisi medium Perubahan didalam komposisi medium

Respon waktu Sensitivitas Keakuratan Mudah dan cepat dalam kalibrasi Stabil Tahan uji Out signal (kontinyu atau

diskontinyu) Konstruksi bahan Sterilisasi Perawatan Kemudahan dalam pengiriman Biaya

Mercury-in-glass thermometers small bench fermentor fermentor besar dimasukkan dalam

tabung Bimetallic thermometers Pressure bulb thermomethers Thermocouples

bahan: element, mica framework or ceramic framework

kawat platinum 100 keakuratan : 0.25%

A. SUHUA. SUHU

Metal-resistance thermometers or thermistors merupakan semikonduktor yang terbuat dari

campuran spesifik oksida murni dari besi, nikel dan logam lainnya.

Karakteristik utama: perubahan yang besar dalam resistance dengan perubahan temperatur yang kecil.

Perubahan resistance merupakan fungsi absolut suhu

relatif murah dan sangat stabil Kerugiannya: kurva suhu dan resistance tidak linier.

Kontrol suhu Menggunakan jaket atau pipa koil elemen pemanas: 300 W sampai 400 W untuk 10

cudm fermentor Saluran masuk untuk steam kedalam jaket dan

koil harus ada jika fermentor yang akan digunakan memerlukan sterilisasi media.

Panas yang timbul tidak merata yang diakibatkan oleh pengadukan dapat diatasi dengan menggunakan jaket kultur sel hewan

GASGAS Rotameter Keakuratannya tergantung pada

kestabilan tekanan gas Kesalahan 10% masih dianggap

tidak masalah Secara ideal, rotameter tidak

harus disterilisasi dan biasanya diletakkan diantara gas inlet dan sterile filter

Analisa gas oksigen dan karbon dioksida memerlukan ke akurasian yang tinggi pengukuran aliran gasnya.

B. PENGUKURAN ALIRAN DAN KONTROLB. PENGUKURAN ALIRAN DAN KONTROL

T1 T2

Kec.aliran masa gas

H=QCp(T2-T1)

Kontrol gas biasanya menggunakan needle valves Skala kecil menggunakan flowstat Tekanan yang berfluktuasi menyebabkan valve atau piston

yg menekan berlawanan dgn pegas secara gradual akan membuka atau menutup

Untuk flowstat: orifice ada di bagian aliran atas (upstream) jika tekanan diatur, ada di bagian aliran bawah (downstream) bila suplai tekanan berfluktuasi dan tekanan baliknya konstan

CAIRANCAIRAN Skala laboratorium bisa diukur secara manual dengan

menggunakan buret yang dihubungkan dengan pipa umpan masuk dan waktu keluar dan volumenya

Rotameter Electrical flow transducer (50 cucm•min-1~

500,000cudm•min-1) dengan keakurasian 1%

Arus listrik menginduksi bidang sebanding dengan kecepatan relatif cairan dan bidang Magnetik. Perbedaan potensial didalam cairan dapat diukur oleh pasangan electroda dan secara langsung sebanding dengan kecepatan cairan.

Methoda tidak langsung pengukuran aliran kecepatan secara aseptik menggunakan metering pump:

motorized syringe, jumlah kecil dan dimasukkan ke tangki secara perlahan-lahan

peristaltic pump, cairan dialirkan secara gradual dengan penjepitan pipa

piston pump, piston yang terbuat dari ceramik atau stainless-steel yang bergerak didalam silinder dengan dua pasang bola katup keluaran dan masuk. Dapat digunakan untuk tekanan yang tinggi, tetapi tidak dapat digunakan untuk bahan yang fibrous atau partikel suspensi. Kebocoran dapat terjadi pada shaft housing (lubang rumah)

diaphragma pump

Bahan diaphragma dibuat dari: teflon, neoprene, stainless steel

Kec. alir diatas 1,000 cudm•h-1

crucial measurement Aman Dilengkapi peralatan :

sensor, indikator, pencatatan dan kontrol tekanan

Sterilisasi media

Bourdon tube pressure gauge

• Digunakan untuk indikator tekanan secara langsung

• Digunakan untuk kondisi aseptik

Tergantung dari pemakaian Kondisi normal : 1.2 atm

Harus tergabung pada berbagai tempat di pipa dan katup

E. KATUP KESELAMATAN

Beberapa macam sensor dapat digunakan untuk pengukuran kebutuhan energi dari fermentor.

Pada skala besar, watt meter yang tertempel pada motor agitator akan memberikan indikasi yang baik utk. pengukuran kebutuhan energi yang diperlukan

F. AGITATOR SHAFT POWER

Fermentor perlu dimonitor kecepatan rotasi (rpm) dan tenaga pengadukkan

Tachometer : mekanisme deteksinya menggunakan light sensing atau magnetic force

Metoda yang digunakan untuk foam sensing dan penambahan antifoam tergantung pada proses dan pertimbangan ekonomis.

Probe untuk mendeteksi foam terbuat dari batang stainless-steel yang diinsulasi kecuali pada bagian ujungnya dan di set pada level tertentu diatas permukaan media fermentasi.

Fermentasi aerob Keseimbangan signal probe dari

electroda : P(O2)=C(O2)xPT Dimana: P(O2) :tekanan parsial

oksigen terlarut yang dibaca oleh probe

C(O2) : volume atau fraksi mol oksigen dalam fase gas

PT : tekanan total Pembacaan secara normal

ditunjukkan sebagai persen jenuh dengan udara pada tekanan atmospherik