Bioreaktor

Rizza Umam Alharis

rizza_umam@yahoo.com

A.      PENGERTIAN

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. Reaksi biokimia yang terjadi di dalam bioreaktor melibatkan organisme atau komponen biokimia aktif (enzim) yang berasal dari organisme tertentu, baik secara aerobik maupun anaerobik. Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat berada dalam keadaan tersuspensi atau terimobilisasi. Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi adalah bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran.

B.       KOMPONEN

Komponen utama bioreaktor terdiri atas tangki, sparger, impeller, saringan halus atau baffle dan sensor untuk mengontrol parameter.  Tanki berfungsi untuk menampung campuran substrat, sel mikroorganisme, serta produk.  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. Impeller berperan dalam agitasi dengan mengaduk campuran substrat dan sel. Impeller digerakkan oleh rotor. Baffle juga berperan untuk mencegah terjadinya efek pusaran air akibat agitasi yang dapat mengganggu agitasi yang seharusnya. Sensor berperan untuk mengontrol lingkungan dalam bioreaktor. Kontrol fisika meliputi sensor suhu, tekanan, agitasi, foam, dan kecepatan aliran. Sedangkan, kontrol kimia meliputi sensor pH, kadar oksigen, dan perubahan komposisi medium.

C.      PERANCANGAN

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. Selain itu, bahan tersebut juga anti karat dan tahan panas. Bioreaktor harus dapat menciptakan lingkungan yang optimum bagi mikroorganisme ataupun reaksi yang diinginkan maka diperlukan pengontrolan. Parameter yang biasa dikontrol pada bioreaktor adalah suhu, pH, substrat (sumber karbon dan nitrogen), aerasi, dan agitasi.

Perancangan bioreaktor adalah suatu pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada keadaan optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan aktivitasnya dengan sangat baik. Keadaan yang memengaruhi 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. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada saat fermentasi terjadi di dalamnya. 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. Bahan yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi. 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. Untuk meratakan media di dalam bioreaktor digunakan alat pengaduk yang disebut agitator atau impeler. Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem biorektor digunakan sistem aerasi yang berupa sparger. Untuk bioreaktor aerob, biasanya digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga pertumbuhan mikrooganisme dapat berlangsung dengan baik.

Pada bagian dalam bioreaktor, dipasang suatu sekat yang disebut baffle untuk mecegah vorteks dan meningkatkan efisiensi aerasi. Baffle ini merupakan metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di dindingnya. 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. 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. Untuk menjaga kondisi dalam bioreaktor agar tetap terkontrol, digunakan sensor pH, suhu, anti-buih, dan oksigen terlarut (DO). Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan dan harus dilakukan perlakuan tertentu untuk mempertahankan kondisi di dalam bioreaktor. Misalkan terjadi perubahan pH maka harus ditambahkan larutan asam atau basa untuk menjaga kestabilan pH. Penambahan zat ini dapat dilakukan secara manual namun juga dapat dilakukan secara otomatis menggunakan bantuan pompa peristaltik. Selain asam dan basa, pompa peristaltik juga membantu penambahan anti-buih dan substrat ke dalam bioreaktor.

D.      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. System 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 system. Produk yang dihasilkan dari system 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 bioreactor ini dapat pula dioperasikan secara kontinu.Pengunaan system 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 system 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 system 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 bdegradasi 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 relative 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

E.       DESAIN BIOREAKTOR

Bioreaktor adalah system tertutup dari system 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, bioreactor tersebut sebaiknya memiliki instrumentasi untuk pemeriksaan agar pengawasan proses yang optimum.

Kriteria dasar desain bioreactor yaitu sebagai berikut:

1.      Karakterisrtik mikrobiologi dan  biokimia dari system 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 system 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

F.       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 system 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 (metabolic 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 bioreactor:

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 metabolic 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