Makalah Bioreaktor

UNIVERSITAS INDONESIA

Judul Makalah

BIOREAKTOR TUBULAR

KELOMPOK 2 :

Annisa Kurnia (1106009431)

Ayu Kamilah (1106013214)

Fachryan Zuhri (1106012224)

Haisa Yuana (1106010061)

Lita Lianti (1106011120)

Rosyida Khusniatul Arifah (1106012432)

Tatia Chairunnisa (1106012924)

DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING

FACULTY OF ENGINEERING

UNIVERSITY OF INDONESIA

DEPOK

2014

3

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................................... 1

MINDMAP .............................................................................................................................. 2

DAFTAR ISI............................................................................................................................. 3

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... 4

DAFTAR TABEL .................................................................................................................... 5

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................................... 6

1.1 Latar Belakang ...................................................................................................... 6

1.2 Tujuan .................................................................................................................... 6

1.3 Rumusan Masalah .................................................................................................. 6

BAB II ISI ............................................................................................................................... 8

2.1 Bioreaktor Tubular ............................................................................................... 8

2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular .................................................................. 8

2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular .................................................................. 10

2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular .................................................................. 10

2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor Tubular............. 13

2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular ................................................. 15

2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Alga dalam Pembuatan Biofuel ... 17

2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular ............................... 18

2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan .......................................................... 19

2.4.1.2 Proses Pemanenan ........................................................................ 19

2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi Alga .......... 19

2.4.3 Material Fotobioreaktor Tubular .............................................................. 25

2.4.3.1 Energy Content Material .............................................................. 25

2.4.3.2 Material Fotobioreaktor ............................................................... 25

2.4.3.3 Kaca Borosilika ........................................................................... 28

2.4.4 Desain Perancangan Fotobioreaktor Tubular ........................................... 30

BAB III PENUTUP ............................................................................................................... 34

3.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 34

3.2 Saran .................................................................................................................. 34

DAFTAR PUSTAKA

4

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Reaktor Tubular Adiabatik.................................................................................. 8

Gambar 2.2 Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal untuk fermentasi dan

pengolahan limbah ........................................................................................... 12

Gambar 2.3 Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan model ................... 13

Gambar 2.4 Reaktor tubular kontinu .................................................................................... 14

Gambar 2.5 Fotobioreaktor tubular....................................................................................... 18

Gambar 2.6 Skema fotobioreaktor tubular............................................................................ 20

Gambar 2.7 Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A) dan bubble air column (B)

............................................................................................................................ 20

Gambar 2.8 Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel (A) dan loop (B) .............. 24

Gambar 2.9 Tabung kaca borosilika ...................................................................................... 26

Gambar 2.9 LDPE Film sebagai penutup sebuah greenhouse .............................................. 26

Gambar 2.10 Tabel Karakteristik Material Fotobioreaktor dan Kandungan Energi

Fotobioreaktor Tubular ................................................................................... 27

Gambar 2.11 Kaca borosilika sebagai material fotobioreaktor .............................................. 28

Gambar 2.12 Struktur molekul kaca borosilika ...................................................................... 29

Gambar 2.13 Spesifikasi kaca borosilika ................................................................................ 30

Gambar 2.14 Komposisi kimia kaca borosilika ...................................................................... 30

Gambar 2.15 Fotobioreaktor .................................................................................................... 32

Gambar 2.16 Gas liquid separator .......................................................................................... 33

5

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu ................................................................ 15

Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular ...................................................... 17

Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga ................................................. 21

Tabel 2.4 Keunggulan Kaca Borosilika .................................................................................. 29

6

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam beberapa dekade terakhir, bioteknologi berkembang sangat pesat.

Perkembangan ini semakin didukung oleh meningkatnya jumlah mikroorganisme yang

direkayasa secara genetik agar bisa menghasilkan zat-zat yang diinginkan sesuai jumlah yang

dibutuhkan. Meskipun mikroorganisme-mikroorganisme tersebut telah mengalami

modifikasi, lingkungan tumbuh yang sesuai harus disediakan agar proses produksi berjalan

dengan optimal. Untuk memfasilitasi kebutuhan ini, maka dirancanglah suatu alat atau wadah

berupa sistem tertutup yang disebut bioreaktor.

Bioreaktor adalah suatu unit alat yang digunakan untuk melangsungkan proses

biokimia dari suatu bahan baku menjadi produk yang diinginkan, dimana prosesnya

dikatalisis oleh enzim-enzim mikrobial atau isolat enzim murni. Beberapa parameter yang

dikontrol dalam sistem bioreaktor di antaranya: suhu, pH, aerasi, nutrisi (Arbusyro, 2011).

Namun, beberapa faktor lain juga perlu diperhatikan tergantung pada jenis mikroorganisme

yang digunakan, contohnya pencahayaan. Kebutuhan-kebutuhan ini bisa dipenuhi dengan

perancangan bioreaktor yang sesuai untuk meningkatkan aktivitas produksi.

Terdapat berbagai jenis bioreaktor berdasarkan bentuk dan fungsinya. Salah satunya

adalah bioreaktor tubular. Dalam makalah ini, tim penulis akan membahas mengenai

bioreaktor tubular dan aplikasinya.

1.2 Tujuan

Tujuan dari penulisan makalah Bioreaktor Tubular ini di antaranya:

1. Memahami prinsip kerja bioreaktor tubular secara umum;

2. Memahami salah satu aplikasi bioreaktor tubular yaitu fotobioreaktor sebagai media

kultivasi alga;

3. Memahami sistem perancangan fotobioreaktor alga.

1.3 Rumusan Masalah

Masalah yang dikaji dalam makalah ini adalah bagaimana bioreaktor tubular

diaplikasikan dalam sistem bioproses. Selain itu, dibahas pula mengenai desain rancangan

7

fotobioreaktor tubular sebagai media kultivasi alga, termasuk material, pertimbangan

pemilihan, serta kelebihan dan kekurangannya.

8

BAB II

ISI

2.1 Bioreaktor Tubular

2.1.1 Pengertian Bioreaktor Tubular

Dalam dunia rekayasa proses hayati diperlukan alat yang disebut bioreaktor.

Bioreaktor ini digunakan dalam proses konversi reaktan menjadi produk yang melibatkan

makhluk hidup atau sel organisme. Salah satu jenis bioreaktor jika ditinjau dari

bentuknya adalah jenis bioreaktor tubular. Bioreaktor ini berbentuk vessel dengan

geometri silindris. Tabung bioreaktor ini panjang dengan feed masuk di ujung yang satu

dan produk keluar di ujung yang lain. Dalam merancang reaktor ini cukup menantang

karena ada perubahan variabel searah berubahnya waktu pada posisi aksial. Untuk

perhitungannya diperlukan persamaan diferensial parsial. Reaktor tubular lebih sulit

dikontrol daripada reaktor CSTR. Variabel suhu sangat menentukan sistem yang

berlangsung pada reaktor jenis ini.

Gambar 2.1 Reaktor Tubular Adiabatik

(Sumber: Luyben, William L. 2007. Chemical Reactor Design And Control.)

Pada Gambar 2.1 terlihat sketsa reaktor tubular adiabatik. Pembeda utama untuk

reaktor jenis ini adalah bahwa variabelnya akan berubah seiring perubahan dimensi

secara fisik. seperti analogi prinsip pipa akan terjadi friksi dan profil variabel tertentu

yang berbeda ketika panjangnya berubah. Secara klasik, dalam reaktor tubular tidak

terjadi perpindahan masa dan energi secara radial dan tidak terjadi percampuran pada

arah aksial.

9

Berdasarkan isi reaktor, reaktor tubular reaktor terdiri dari dua jenis, yaitu reaktor

tubular dengan katalis dan reaktor yang tidak ada katalis tau kosong. Katalis ini biasanya

berupa materi padat yang dipasang secara packed atau bed. Adanya katalis tersebut

sangat mempengaruhi dinamika sistem pada reaktor. Hal itu dikarenakan katalis

memiliki kapasitansi panas yang lebih besar dibandingkan dengan fluida yang

melewatinya.

Ada lima perbedaan yang mendasar antara reaktor CSTR dengan reaktor tubular.

Pertama adalah variasi sifat-sifat dalam arah aksial sepanjang panjang reaktor. Misalnya

dalam reaktor adiabatik dengan reaksi ireversibel yang eksotermik, suhu maksimum

terjadi pada bagian keluaran reaktor dibawah kondisi steady state. Perbedaan kedua

adalah perubahan dinamika atau terjadinya disturbansi. Di reaktor jenis tubular,

disturbansi akan terjadi atau muncul lebih lama dari pada di CSTR. Ketika dilakukan

perubahan pada inlet maka reaktor tubular membutuhkan waktu untuk merespon

perubahan hingga dapat terdeteksi di outlet. Hal ini menyebabkan deadtime dan dinamic

lags yang besar dalam sistem jika dilakukan perubahan variabel pada inlet. Perbedaan

yang ketiga adalah pada reaktor non-adiabatik pengontrolan suhu pada sistem sulit

dilakukan. Hal yang dapat dilakukan untuk masalah tersebut adalah dengan

menggunakan pemanasan atau pendinginan aliran medium, secara aliran searah atau

berlawanan arah dengan aliran sistem. Hal hanya bisa dimanipulasi adalah dengan

mengubah kecepatan aliran medium dan suhu pada inlet. Perbedaan yang keempat adalah

pengaruh dari suhu inlet. Pada CSTR perubahan suhu pada inlet tidak terlalu

berpengaruh pada sistem. Berbeda dengan reaktor tubular, perancangan dan kontrol suhu

pada feed sangat penting untuk diperhatikan. Jika pada inlet diberikan suhu yang rendah

maka kecepatan reaksi pada bagian ujung depan reaktor akan lambat, maka dibutuhkan

reaktor yang lebih besar. Namun apabila suhu pada inlet dinaikkan maka ukuran reaktor

akan menurun, tetapi suhu menuju outlet akan semakin naik. Pada beberapa sistem

terdapat suhu maksimum yang diperbolehkan dimana nilai tersebut dipengaruhi beberapa

faktor seperti ada tidaknya katalis, material dari reaktor dan reaksi tambahan yang terjadi

dalam sistem. Perbedaan yang kelima adalah pressure drop. Pada CSTR tidak terdapat

pressure drop sedangkan pada reaktor tubular variabel ini dapat menjadi variabel yang

sangat penting dikontrol. Variabel ini dapat direduksi dengan mengubah diameter

tabung menjadi lebih besar dan memperpendek panjangnya. Namun dengan

memperpendek panjang tabung maka dibutuhkan reaktor pararel yang lebih banyak.

Dengan memperbesar diameter tabung mengakibatkan transfer panas yang lebih buruk.

10

Hal tersebut membutuhkan energi lebih untuk mndapatkan perpindahan panas yang

diinginkan sehingga dengan kata lain akan meningkatkan biaya operasi.

2.1.2 Jenis-jenis Bioreaktor Tubular

Berdasarkan mode atau cara pengoperasiannya, reaktor tubular dibedakan menjadi

empat berikut akan dijelaskan secara singkat mengenai jenis-jenis tersebut.

a) Reaktor Tubular Adiabatik

Pada jenis ini tidak ada transfer panas dalam reaktor sehingga tidak ada gradien

suhu pada arah radial. Suhu adiabatik berubah bergantung pada per-pass conversion,

jumlah material dalam bahan yang masuk, dan kapasitas panasnya. Jika konversi dari

reaktan menjadi produk rendah maka perubahan suhu adiabatik akan kecil. Jika ada

material yang inert atau bahan merupakan bukan reaktan, bahan ini akan berfungsi

sebagai pentransfer panas yang pasif sehingga dapat mereduksi perubahan suhu

adiabatik.

b) Reaktor Tubular dengan Heat Exchanger

Jenis reaktor ini memiliki konstruksi yang hampir sama dengan alat penukar kalor

tube-in-shell. Aliran fluida akan dipanaskan atau didinginkan oleh medium penukar kalor

yang ada di sistem. Perpindahan kalor dalam proses mempengaruhi gradien suhu secara

radial. Gradien tersebut sangat dipengruhi oleh diameter tabung, kecepatan fluida serta

sifat-sifat fluidanya. Semakin besar diameter tabung maka gradien secara radialnya akan

semakin besar pula.

c) Reaktor Tubular dengan Intermediate Heat Exchanger

Diantara vessel reaktornya digunakan reaktor adiabatik dengan pendingin atau

pemanas yang dikonstrukdi secara seri.

d) Reaktor Tubular dengan Cold Scot Cooling

Reaktor tubular ini dioperasikan secara adiabatis dengan menggunakan katalis

multiple beds. Pada setiap ujung beds, aliran panas dan dingin akan bertemu dan

bercampur yang menyebabkan suhu menurun sehingga dapat kembali sesuai dengan

suhu yang ada di inlet.

2.1.3 Kegunaan Bioreaktor Tubular

11

Reaktor tubular telah banyak digunakan dalam industri baik pada petroleum,

petrokimia, farmasi, pengolahan limbah atau untuk produksi energi alternatif. Beberapa

contoh penggunaanya di antaranya untuk:

1) Karbonilasi (Carbonylation)

Reaksi yang terjadi adalah perubahn substrat organik atau inorganik oleh karbon

monoksida yang dituukan untuk mensintesis bahan organik. Pada bioproses salah satu

reaksi ini terjadi pada proses karbonilasi protein, yaitu modifikasi ikatan asam amino

pada protein dengan ikatan karbonil (aldehid dan keton). Reaksi ini membutuhkan

tekanan tinggi dan katalis yang heterogen. Oleh karena itu pnggunaan reaktor jenis

tubular sangat memberikan manfaat seperti kemudahan mengontrol residence time,

memiliki inventori yang rendah untuk reaktan dibawah tekanan yang tinggi sehingga

keamanan proses lebih terjaga serta kemudahan dalam pemisahan katalis.

2) Hidrogenasi

Reaksi hidrogenasi merupakan penambahan hidrogen ke substrat yang tidak

jenuh dan biasnnya melibatkan katalis. Dalam industri contoh reaksi ini adalah

pembuatan margarin dari minyak sayur (nabati). Proses katalitik hidrogenasi substrat

yang mengubah lemak tak jenuh ini dilakukan pada kecepatan tinggi. Prosesnya

diperoleh dengan lipolisis dengan gas yang mengandung gas hidrogen dimana subtrat

dan hidrogen mengalir melakukan kontak dengan katalis melalui reaktor tubular pada

tekanan 0,5 sampai 300 bar dan suhu 60o sampai 280oC. Perbandingan panjang dan

diameter reaktornya adalah 10:1.

3) Fermentasi dan pengolahan limbah (wastewater treatment)

Biorektor tubular untuk fermentasi atau pengolahan limbah air memiliki jenis

konstruksi yang berbeda. Jenis tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2a. Kosntruksi

yanng paling sederhana ditampilkan pada Gambar 2.2a. Bioreaktor tersebut hanya terdiri

dari tabung lurus atau spiral. Jenis tersebut sering digunakan dalam pengolahan air

limbah. Gambar 2.2b merupakan reaktor biodisc yang dalam hal ini digunkan sebagai

katalis. Jenis ini biasanya digunakan untuk mikroba yang menghasilkan biofilm. Untuk

jenis pada Gambar 2.2c. Digunakan untuk mikroba mycelial yang tidak menghasikan

biofilm. Jenis ini memiliki blade ganda dalam tabungnya. Untuk jenis bioreaktor pada

Gambar 2.2d, bioreaktor terdiri dari beberapa katalis silindris. Tujuannya adalah untuk

12

meningkatkan proses pengadukan (mixing) dan menekan pembentukan biofilm. Gambar

2.2e merupakan jenis bioreaktor untuk bioproses yang berbeda dimana foaming

(pembentukan busa) rendah. Gambar 2.2f merupakan jenis bioreaktor yang digunakan

untuk pengolahan limbah dengan mikroba aerobik. Gambar 2.2g merupakan jenis

bioreaktor yang ditujukan untuk menghambat pertumbuhan dinding mikroba.

Gambar 2.2 Macam-macam konstruksi bioreaktor tubular horizontal untuk fermentasi dan

pengolahan limbah

(Sumber: B. antek. 2006. Horizontal Tubular Bioreactors in Biotechnology.)

4) Bioproses dengan organisme fototropik

Bioreaktor tubular juga dapat digunakan sebagai bioproses fotosintetik dimana

energi matahari digunakan sebagai produksi biomassa atau metabolit yang dihasilkan

dari mikroba. Bioreaktor tipe ini sebagian besar digunakan untuk kultivasi alga dan

organisme fototropik lain. Pada kasus ini, bioreaktor tubular dikonstruksi sebagai tabung

yang lurus, plat tipis degan dinding partisi untuk regulasi aliran medium atau tabung

pengumpul sinar matahari. Biasanya terbuat dari material transparan seperti plastik atau

gelas yang dimaksudkan untuk memperoleh suplai cahaya yang cukup. Prinsip dasar dari

konstruksi bioreaktor ini adalah untuk mereduksi celah kecil cahaya untuk

13

meningkatkan jumlah cahaya yang tersedia untuk sel. Penjelasan lebih lanjut akan

diberikan pada bab selanjutnya.

2.2 Hal-hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pemilihan Bioreaktor Tubular

Untuk mengetahui hal apa saja yang diperhatikan dalam pemilihan reaktor, maka kita

harus memahami terlebih dahulu kreiteria dalam menentukan desain sebuah tipe reaktor

secara umum. Ada beberapa pendekatan dalam menentukan sebuah desain reaktor,

diantaranya adalah modeling approach atau pendekatan melalui model (Heinze, 2009).

Dalam pendekatan ini, diperlukan untuk mengkombinasikn pengetahuan kuantitatif fisika dan

kimia untuk mendesain reaktor yang nantinya akan digunakan untuk pemilihan reaktor.

Gambar 2.3 Informasi yang dibutuhkan untuk melakukan pendekatan model

(Sumber: Heinze, E. 2009. Introduction to Ideal Reactors: Basic Description and Design.)

Dari skema di atas, bisa dilihat yang menjadi pertimbangan dalam aspek fisik adalah

pola aliran, perpindahan masa dan panas, dan waktu tinggalnya seperti apa. Untuk tubular

reaktor, merupakan jenis reaktor pipa tanpa pengaduk, dimana tidak terjadi agitasi. Reaksi

terjadi disepanjang aliran pipa. Jika kecepatan aliran terlalu tinggi, dan diasumsikan

perpindahan yang terjadi pada arah radial pipa sangat kecil, maka aliran pipa tersebut

dinamakan plug flow. Jadi, apabila pola aliran yang diinginkan laminar atau turbulen dalam

sebuah reaktor tanpa pengaduk maka reaktor bisa menjadi salah satu yang bisa

dipertimbangkan. Begitupun juga dengan aspek yang lain seperti perpindahan masa dan

panas, serta aspek residence time-nya, disesuaikan apakah akan sesuai dengan menggunakan

jenis reaktor tubular. Dan juga ditambah dengan sifat-sifat kimia, terutama data kinetik dari

sebuah proses reaksi ditambah dengan termodinamika reaksi dan selektivitasnya.

14

Dari skema di atas, dapat diturunkan lebih jauh lagi dalam melakukan pemilihan

reaktor. Hal tersebut antara lain:

1. Mengidentifikasi jumlah fase yang ada pada reaksi (homogen atau heterogen);

2. Mengidentifikasi stoikiometri, jumlah reaksi, dan kebutuhan energi;

3. Mengidentifikasi Mekanisme dan rute reaksi;

4. Menentukan tujuan dari pemilihan reaktor (Evaluasi data kinetika, data untuk scale-

up, desain komersial).

Selanjutnya, kita kembali lagi ke reaktor tubular yang bersifat aliran kontinu. Hal ini

juga menjadi dasar perhatian dalam menentukan jenis reaktor. Berati kita juga perlu

mengetahuan peruntukan untuk masing-masing tipe reaktor kontinu dan non-kontinu (batch)

sehingga dapat dijadikan pertimbangan dalam penentuan tipe reaktor tubular. Berikut adalah

karakteristik dari tipe batch:

1. Produksinya kontinu;

2. Steady state setelah periode start up;

3. Tidak ada variasi konsentrasi terhadap waktu;

4. Laju reaksi yang relatif konstan;

5. Kemudahan untuk menentukan kinetika;

6. Tidak ada down-time untuk pembersihan, pengisian, dll.

Gambar 2.4 Reaktor tubular kontinu


Untuk sistem batch karakteristiknya adalah sebagai berikut:

1. Kondisi yang bervariasi terhadap waktu;

2. Produksi yang tidak kontinu;

3. Ada waktu untuk pembersihan dan pengisian, baik substrat atau produk yang

terbentuk;

4. Fleksibel.

Dari karakteristik sistem di atas, maka ketika ingin memilih reaktor tubular maka

perlu memahami lebih jauh tentang karakteristik dari sistem kontinu, apakah proses yang

akan kita sintesis tepat jika menggunakan karakteristik seperti yang tertera di atas.

15

Tabel 2.1 Perbandingan operasi batch dan kontinu


Lebih jauh lagi, pemilihan reaktor tubular juga memperhatikan pelaksanaan teknis

seperti keterliatan fasa pada reaksi seperti yang telah disebutkan sebelumnya. Reaksi yang

melibatkan reaktan gas biasanya dilakukan dengan menggunakan reaktor tubular, yang

umumnya pada kondisi turbulen. Jadi, kesimpulannya adalah kita perlu mengetahui terlebih

dahulu perilaku proses reaksi yang akan didesain reaktornya, jenis produksinya, sifat fisik

dan kimianya sehingga parameter-parameter tersebut akan dapat berlangsung optimal ketika

menggunakan reaktor tubular.

2.3 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular

Bioreaktor tubular, baik yang vertikal maupun horizontal, memiliki beberapa

kelebihan jika dibandingkan dengan bioreaktor berpengaduk. Bioreaktor tubular biasanya

memiliki konstruksi yang lebih sederhana dan dapat diaplikasikan untuk konfigurasi dalam

yang berbeda sesuai dengan standar matrial untuk industri. Untuk pembuatan bioreaktor

tubular sendiri dan untuk pembuatan skala pabriknya sendiri sangat penting untuk

mengetahui parameter-parameter pembuatannya seperti jumlah impeller, jarak antara

impeller, jumlah baling-baling dari impeller, tipe dan ukuran dari tenaga yang digunakan.

Pencampuran didalam bioreaktor tubular lebih homogen bila dibandingkan bioreaktor

berpengaduk. Karena itu, bioreaktor tubular lebih mudah untuk menghindari dead zone hal

ini membuat proses skala pabrik lebih efisien. Dead zone sendiri adalah daerah yang tidak

16

teraduk oleh mixer atau pengaduk. Rasio volume dari bioreaktor tubular lebih tinggi

dibanding bioreaktor CSTR sehingga proses transfer massa dan transfer panasnya lebih

efisien. Hal ini sangat penting dalam sistem bioproses dengan substrat semi-solid atau solid,

reaksi yang membutuhkan cahaya maksimum, dan organisme yang sensitif terhadap tegangan

permukaan. Bioreaktor tubular juga unggul karena dapat digunakan untuk mempertahankan

produktivitas dan mengoptimalkan konversi selama proses kultivasi. Disisi lain bioreaktor

juga mudah di pertahankan proses reaksinya karena elemen-elemen standarnya banyak

digunakan dalam industri bioproses, seperti pipa, pompa dan fitting standar.

Meskipun bioreaktor tubular memiliki potensi yang baik untuk digunakan dalam

bioteknologi, bioreaktor ini juga memiliki beberapa kelemahan jika dibandingkan dengan

bioreaktor berpenganduk. Bioreaktor tubular sangat cocok untuk sistem operasi continue,

sedangkan dalam industri bioproses biasanya sistem operasi yang digunakan adalah sistem

batch. Kekurangan lainnya adalah bioreaktor tubular biasanya mengalirkan kadar oksigen

yang sangat rendah, hal ini membuatnya tidak cocok untuk kondisi operasi bioproses yang

biasanya memerlukan suplay oksigen tinggi (contoh : biomassa dan produksi asam asetat).

Dalam bioreaktor tubular biasanya terbentuk biofilm mikrobial dalam permukaan bioreaktor

hal ini dapat menghambat laju transfer massa yang terjadi didalamnya, jika terjadi terlalu

lama dan biofilmnya semakin tebal maka dapat menggangu kelangsungan hidup sel. Tapi

permasalahan ini dapat diatasi dengan mengkontrol ketebalan biofilm dengan menggunakan

alat pengikis atau abrasi dari friksi. Dari sisi lain, biofilm yang tebal dapat menjadi

keuntungan. Hal ini dikarenakan konsentrasi substrat yang paling baik dimana kecepatan

biokonversinya dalam kondisi optimal. Keuntungan lainnya yang dihasilkan dari biofilm ini

adalah kultur mikroba gabungan. Dimana spesies berbeda justru dapat tumbuh dengan baik

didalam biofilm. Contohnya adalah proses pengolahan limbah air dimana nitrifikasi tumbuh

baik dekat permukaan dan denitrifikasi tumbuh dengan baik didalam biofilm. Hal ini sangat

menguntungkan dalam proses denitirifikasi dan nitrifikasi berkelanjutan. Kekurangan lainnya

pertumbuhan biofilm ini tidak menguntungkan untuk reaksi yang membutuhkan banyak

cahaya karena lapisan biofilm ini dapat menghalangi cahaya masuk kedalam reaktor.

Kelebihan dan kekurangan bioreaktor tubular dapat dibuat dalam bentuk tabel seperti

dibawah ini :

17

Tabel 2.2 Kelebihan dan Kekurangan Bioreaktor Tubular

Kelebihan Kekurangan

Konstruksi/pembuatannya mudah Kapasitas suplai oksigennya sedikit

Rasio volume luas (Permukaannya luas) Tidak cocok untuk sistem batch

Konfigurasinya fleksibel Mudah terbentuk biofilm

Sangat cocok untuk sistem continue

Pencampuran lebih homogen

Transfer massa & transfer panas lebih efisien

(Sumber: antek, et al. 2006. Horizontal Tubular Bioreactors in Biotechnology)

2.4 Aplikasi Bioreaktor Tubular pada Kultivasi Alga dalam Pembuatan Biofuel

Salah satu aplikasi bioreaktor tubular yang paling sering ditemukan adalah dalam

kultivasi alga untuk produksi biofuel. Alga merupakan suatu organisme yang tumbuh dalam

lingkungan berair dan membutuhkan cahaya dan karbon dioksida (CO2) dalam menghasilkan

suatu biomassa. Alga telah diketahui mempunyai potensi yang sangat besar sebagai bahan

baku pembuatan biofuel, karena alga memiliki kandungan minyak yang sangat tinggi dan

mampu mengahsilkan biomassa dengan cepat. Alga tumbuh dengan lebih cepat dibandingkan

dengan tanaman darat.

Kebanyakan alga bersifat fotosintetis, yaitu memerlukan cahaya dan karbon dioksida

sebagai sumber energi dan sumber karbon (disebut alga fotoautotropis). Namun ada pula

beberapa spesies alga yang dapat tumbuh dalam suasana yang gelap atau kurang cahaya dan

menggunakan karbon organik seperti glukosa atau asetat sebagai sumber energi dan sumber

karbon (disebut alga heterotropis). Namun alga heterotropis membutuhkan biaya yang lebih

tinggi apabila akan dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biofuel, karena

mengharuskan perlakuan yang lebih rumit. Maka alga yang lebih sering digunakan dalam

produksi biofuel adalah alga fotoautotropis. Terdapat dua sistem bioreaktor yang dapat

digunakan dalam pembuatan biofuel ini, yaitu kolam terbuka (open ponds) dan fotobioreaktor

tertutup (enclosed photobioreactor). Sistem yang akan dibahas disini adalah enclosed

photobioreactor.

Enclosed photobioreactor telah digunakan untuk mencegah terjadinya kontaminasi

dan evaporasi yang dapat terjadi pada sistem open ponds. Sistem ini terbuat dari material

transparan dan umumnya diletakkan di luar rungan agar dapat menangkap cahaya matahari.

Pipa-pipa kultivasi pada sistem ini memiliki rasio luas permukaan dan volume yang tinggi.

18

Umunya fotobioreaktor ini di desain dalam bentuk tubular yang memiliki banyak pipa pipa

bersih yang transparan, yang biasanya selaras dengan sinar matahari.

Gambar 2.5 Fotobioreaktor tubular

(sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)

2.4.1 Sistem Kultivasi Alga dalam Fotobioreaktor Tubular

Pipa-pipa tersebut umumnya memiliki diameter kurang dari 10 cm agar

memaksimalkan penyerapan sinar matahari. Media tumbuh alga dialirkan melalui pompa

meuju ke dalam pipa, dimana pipa tersebut mendapatkan sumber cahaya dari sinar

matahri langsung untuk melakukan fotosintetis alga, dan dialirkan kembali ke dalam

reservoir. Biomassa yang terbentuk dicegah agar tidak menempel pada permukaan dalam

pipa dengan cara mempertahankan aliran medium (kaldu) dalam aliran turbulen

menggunakan pipa mekanik. Atau dapat juga dilakukan dengan pengangkutan

menggunakan pompa udara.

Gambar 2.6 Skema fotobioreaktor tubular

(sumber: Anonim. 2014. http://www.extension.org.)

Proses fotosintesis yang terjadi membentuk oksigen. Pada sistem terbuka, hal ini

bukanlah suatu masalah karena oksigen akan dengan mudah dikembalikan ke atmosfir.

19

Namun, dalam sistem bioreaktor tertutup, level oksigen akan terus terbentuk sehingga

dapat membahayakan alga dan menghambat pertimbuhannya. Maka proses kultur harus

dikontrol secara bertahap dengan menaruhnya pada degassing zone yaitu area dimana

medium alga diberikan aliran udara untuk menghilangkan kelebihan oksigen.

Alga menggunakan karbon dioksida yang dapat menyebabkan peningkatan pH

dan kekurangan karbon. Maka dari itu, alga harus diberikan karbon dioksida agar proses

kultivasi alga dalam skala besar dapat berhasil. Fotobioreaktor bisa saja membutuhkan

proses pendinginan pada siang hari, dan temperature harus diatur pula saat malam hari.

Hal ini dapat dilakukan menggunakan heat exchanger yang dapat diletakkan baik dalam

pipa maupun dalam degassing zone.

2.4.1.1 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan dari enclosed tubular photobiorator ini di antaranya:

Kemampuannya dalam mencegah permasalahan kontaminasi dan

evaporasi yang tejadi dalam open ponds.

Produktivitas bimassa pada bioreaktornya ini juga jauh lebih baik, yaitu

13 kali lebih baik dibandingkan dengan open ponds.

Pemanenan dapat dilakukan dengan biaya yang lebih mudah.

Namun terdapat beberapa kelemahan seperti berikut ini:

Harga bioreaktor yang relatif lebih mahal dan proses scale up yang

lebih sulit dilakukan.

Pembatasan pencahayaan tidak dapat sepenuhnya dicegah, mengingat

penyerapan sinar matahari berbanding terbalik dengan konsentrasi sel.

Penempelan biomassa pada permukaan dalam pipa juga dapat

menyebabkan penyerapan cahaya matahari terganggu.

2.4.1.2 Proses Pemanenan

Pengambilan biomassa yang terbentuk dapat dilakukan dengan penyedotan

dengan menggunakan pompa udara. Setelah biomassa tersebut diambil, dapat

diletakkan dalam sentrifugasi dimana minyak dari biomassa tersebut akan

dipisahkan dan selanjtunya dimasukkan ke dalam proses pembuatan biodiesel.

2.4.2 Pertimbangan Penggunaan Reaktor Tubular untuk Kultivasi Alga

20

Parameter yang perlu diperhatikan dalam kultivasi alga untuk produksi biofuel

adalah transfer karbon dioksida (sumber karbon), pengadukan, dan kebutuhan cahaya.

Cahaya dan karbon merupakan parameter utama dalam produksi biomassa oleh alga

melalui proses fotosintesis. Oleh karena itu, dalam kultivasi alga dibutuhkan reaktor

yang memiliki hal-hal berikut.

1. Luas permukaan yang besar

Luas permukaan reaktor yang besar akan memfasilitasi alga mendapatkan

penyinaran yang cukup untuk fotosintesis.

2. Sirkulasi atau pencampuran yang baik

Reaktor harus memiliki kemampuan untuk mencampurkan sumber karbon dan

medium secara merata agar yield yang dihasilkan akan lebih besar.

3. Kemudahan pembuatan dan scale up

Tabel 2.2 merupakan tabel perbandingan beberapa bioreaktor untuk kultivasi

alga. Dari tabel tersebut dapat kita lihat bahwa reaktor tubular baik secara vertikal

maupun horizontal dan reaktor plat datar lebih baik untuk kultivasi alga produksi biofuel

dibandingkan kultivasi alga dengan kolam. Namun, reaktor plat datar memiliki luas

permukaan penyinaran yang lebih kecil dibandingkan dengan reaktor tubular. Reaktor

tubular yang memiliki diameter yang kecil dan panjang (terutama horizontal) akan lebih

merata penyinarannya dan memiliki luas permukaan yang sangat besar. Namun, jika

diameter terlalu kecil akan menghambat aliran dalam reaktor tubular, sehingga diameter

harus disesuaikan.

Dari sisi pencampuran dalam reaktor tubular, transfer CO2pada reaktor tubular

vertikal biasanya melalui airlift atau bubble air column. Kedua metode aerasi ini

sekaligus menjadi pencampur dalam reaktor tersebut.

Gambar 2.7 Skematik reaktor tubular vertikal dengan airlift (A) dan bubble air column (B)

(Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal Reactors: A Review of Enclosed System Designs and

Performances.)

21

Tabel 2.3 Tabel Perbandingan Reaktor untuk Kultivasi Alga

Kolam Plat Datar Tubular

Vertikal Horizontal

Luas

Permukaan

Penyinaran

Hanya di permukaan

kolam

Cukup luas di

permukaan yang

terkena sinar,

tergantung ketebalan

reaktor.

Sepanjang Reaktor

Tubular

Sepanjang Reaktor Tubular

Pencampura

n

Buruk

Membutuhkan beberapa

impeller dan baffle agar

sumber karbon merata

Baik

Pengadukan

sekaligus aerasi CO2

Baik

Pengadukan sekaligus

aerasi CO2

Baik

Pengadukan dengan

sirkulasi menggunakan

pompa.

22


Vertikal Horizontal

Bentuk

Dead Zone

Banyak Cukup

Terutama terdapat

area yang tersisa

untuk udara

(oksigen) akan

mengurangi

efektivitas kontrol

kontaminasi

Sedikit

Jika diameter kecil,

seluruh bagian akan

terlewati udara

Sedikit

Jika diameter kecil, alga,

sumber karbon, dan nutrisi

akan tersirkulasi dengan

baik. Namun, jika diameter

terlalu kecil akan

menghambat aliran.

23


Vertikal Horizontal

Kebutuhan

Area Banyak Cukup Cukup

Banyak : Jika

menggunakan matahari

Cukup : Jika terdapat

sistem pencahayaan

Kontrol

dalam

reaktor

Sulit Cukup Mudah Cukup Mudah Cukup Mudah

Scale Up Mudah Mudah Mudah Mudah

Maintenanc

e Sulit Mudah Cukup Cukup

(Sumber: Carvalho, AP. 2006. Microalgal Reactors: A Review of Enclosed System Designs and Performances.)

24

Adapun aerasi CO2 pada reaktor tubular horizontal biasanya terpisah pada suatu kolom

degasser dan pencampuran dilakukan dengan sirkulasi menggunakan pompa ke dalam

reaktor tubular agar merata. Kedua reaktor tubular ini (vertikal dan horizontal) sama-

sama memfasilitasi pencampuran nutrisi dan sumber karbon yang baik.

Gambar 2.8 Reaktor tubular horizontal

(Sumber: Christi. 2007. https://wiki.uiowa.edu/display/greenergy/Algae+Biofuels)

Gambar 2.8 Skematik reaktor tubular horizontal secara paralel (A) dan loop (B)

(Sumber : Carvalho, AP. 2006. Microalgal reactors: A Review of Enclosed System Designs and

Performances.)

Selain itu, reaktor tubular vertikal dan horizontal mudah untuk di scale up, namun

area yang dibutuhkan untuk menaruh reaktor tubular horizontal lebih banyak

dibandingkan reaktor tubular secara vertikal. Kebutuhan wilayah reaktor vertikal kurang

lebih sama dengan reaktor plat datar. Dari perbandingan tersebut, reaktor tubular

memenuhi 3 parameter reaktor yang dibutuhkan untuk kultivasi alga. Berdasarkan

pertimbangan-pertimbangan diatas, terutama dalam hal luas permukaan penyinaran dan

pencampuran adalah dua hal yang menjadi poin utama kami memilih bioreaktor tubular

untuk kultivasi alga produksi biofuel ini. Bahan yang digunakan dan perancangan

bioreaktor tubular ini akan dijelaskan lebih lanjut di bagian selanjutnya.

25

2.4.3 Material Fotobioreaktor

2.4.3.1 Energy Content Material

Energy content material adalah istilah yang digunakan untuk merujuk pada energi

yang dibutuhkan untuk produksi suatu material. Energi yang digunakan memiliki pengaruh

terhadap lingkungan seperti emisi CO2, pemanasan global, dan sebagainya. Energy content

menunjukkan keramahan suatu bahan terhadap lingkungan.

Material yang bisa diperbarui seperti kayu tergolong efisien dalam hal energi karena

tidak membutuhkan biaya pemurnian atau sintesis. Logam cenderung mempunyai energy

content yang tinggi karena sebagian besar logam diekstrak dari bijih, dan membutuhkan

beberapa kali permurnian, yang menghabiskan banyak energi.

Energy content berhubungan dengan daur ulang. Material dengan energy content yang

tinggi secara khusus bisa didaur ulang, apabila energi yang digunakan dalam proses daur

ulang jauh lebih sedikit daripada membuat material baru (contohnya aluminium).

2.4.3.2 Material Fotobioreaktor

Bermacam-macam jenis material telah digunakan untuk fotobioreaktor tubular.

Material-material tersebut di antaranya: kaca, low density polyethylene film (LDPE), dan

akrilik bening (polymethyl methylacrylate, PMMA, atau yang dikenal dengan nama dagang

PlexiglasR dan PerspexR). Energy content material-material tersebut akan dijelaskan sebagai

berikut.

a. Kaca

Pada studi saat ini, tabung kaca biasanya dibuat dari kaca borosilika (Pyrex) dengan

ketebalan 1,6 mm. Estimasi energy content kaca bervariasi antara 13,0 dan 18,6 MJ.kg-1

untuk kaca jendela, hingga 15,9 MJ.kg-1 untuk float glass dan 26,2 MJ.kg-1 untuk kaca keras.

Tabung kaca secara khusus dijual dengan garansi 10 tahun, yang mana merupakan batas

terendah umur manfaatnya. Tabung kaca digunakan karena memiliki umur manfaat mencapai

20 tahun.

26

Gambar 2.9 Tabung kaca borosilika

(Sumber: Anonim. 2013. Manual SCHOTT)

b. Low Density Polyethylene Film (LDPE)

Fotobioreaktor tubular yang terbuat dari polyethylene telah banyak dibahas di

berbagai artikel ilmiah, serta digunakan secara komersial. Film LDPE digunakan secara luas

sebagai penutup sebuah greenhouse (Gambar 2.9).

Gambar 2.9 LDPE Film sebagai penutup sebuah greenhouse

(Sumber: Anonim. 2012. http://maggielongxing.en.ec21.com/offer_detail/Sell_LDPE_greenhouse_film-

-18491738.html?gubun=S)

Film LDPE yang digunakan sebagai penutup greenhouse memiliki kebutuhan

spesifikasi yang sama dengan fotobioreaktor: penetrasi cahaya tinggi, transmisi infra merah

jarak dekat, transmisi UV rendah, dan harganya terjangkau.

Variasi polimer berbasis LDPE yang juga digunakan sebagai film greenhouse adalah

kopolimer LDPE/EVA (ethyl-vinyl acetate) dan LDPE/LLDPE (LDPE linier). Kekurangan

utama dari material-material ini adalah umur manfaatnya yang pendek: bahkan dengan

penambahan penstabil UV, umur manfaat maksimum film LDPE yang digunakan sebagai

penutup greenhouse adalah 3 tahun.

27

Faktor-faktor lingkungan yang bisa mempengaruhi umur manfaat film di antaranya:

radiasi UV, suhu, siklus termal, dan kontak dengan permukaan keras dan bahan-bahan kimia

(seperti polutan atmosferik). Sebuah penelitian dilakukan oleh Australia National University

untuk menguji umur manfaat LDPE fotobioreaktor selama 3 tahun. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa umur manfaat LDPE sebagai penutup greenhouse adalah 3 tahun, yang

mana ini sesuai karena amplitudo siklus termal untuk material fotobioreaktor lebih rendah

daripada penutup greenhouse, sebagaimana ia juga dibatasi oleh massa termal kultur.

Sebuah percobaan menunjukkan bahwa film greenhouse standar 180 m sesuai untuk

digunakan sebagai material fotobioreaktor. Adapun dalam film greenhouse, LDPE yang

digunakan adalah multilayer dengan karakteristik spesifik (contohnya permeabilitas gas yang

rendah), tetapi dalam kasus fotobioreaktor, LDPE yang digunakan bersifat homogen.

Estimasi energy content film LDPE adalah 787,1 MJ.kg-1 dan 74,0 MJ.kg-1.

c. Akrilik Keras/Polymethylmethacrylate (PMMA)

Tabung akrilik bening telah digunakan pada sejumlah prototype sistem fotobioreaktor,

dengan diameter luar sekitar 30-60 mm dan ketebalan dinding sebesar 3 hingga 5 mm.

Material dengan ketebalan dinding 1,6 mm (1/16) juga merupakan standar produk, tetapi

hanya bila diameter

28

Gambar 2.10 Tabel Karakteristik Material Fotobioreaktor dan Kandungan Energi Fotobioreaktor

Tubular

(Sumber: Burgess, G. et al. 2006. Materials, Geometry, and Net Enery Ratio of Tubular Photobioreactors for

Microalgal Hydrogen Production)

Gambar di atas menunjukkan bahwa tabung akrilik memiliki energy content tertinggi

per luas penampang, sedangkan tabung LDPE terendah. Setelah normalisasi dengan umur

manfaat yang diperkirakan, tabung kaca dan LDPE memiliki life span-weighted energy

content yang hampir sama, sekitar 5 kali lebih rendah daripada tabung akrilik. Dengan

mempertimbangkan biaya pembuatan material dan umur manfaat terpanjang, maka tabung

kaca dinilai lebih lebih menguntungkan.

2.4.3.3 Kaca Borosilika

Setelah membandingkan ketiga jenis material yang umumnya digunakan sebagai

pembentuk fotobioreaktor, kami akan sedikit mengulas mengenai jenis kaca yang sering

digunakan oleh para peneliti, yaitu kaca borosilika.

Kaca borosilika adalah suatu jenis kaca yang mengandung sedikitnya 5% borit oksida

(B2O3). Borit oksida menyebabkan kaca resisten terhadap suhu tinggi, dan juga meningkatkan

resistensi terhadap korosi kimia. Kaca ini sangat populer dalam industri peralatan sains dan

juga pernah digunakan secara luas untuk membuat kaca keperluan dapur.

Gambar 2.11 Kaca borosilika sebagai material fotobioreaktor

(Sumber: Anonim. 2013. SCHOTT Catalog)

Penemuan kaca borosilika secara umum dilakukan oleh Otto Schott, seorang pembuat

kaca Jerman yang bekerja di abad ke-19. Kaca ini bersifat kuat dan memiliki durabilitas

tinggi daripada kaca biasa sehingga memiliki umur manfaat yang panjang.

Kaca ini tentu saja bisa pecah apabila dipaparkan pada fluktuasi suhu radikal

mendadak, atau dijatuhkan. Kaca cenderung akan retak daripada remuk, tetapi, ia juga harus

dijaga dari kondisi-kondisi yang dapat merusaknya.

29

Gambar 2.12 Struktur molekul kaca borosilika


Berikut ini adalah keunggulan dari kaca borosilika.

Tabel 2.4 Keunggulan Kaca Borosilika

Umur manfaat yang panjang Stabil terhadap UV sehingga bisa mempertahankan

transmisi yang tinggi

Tahan gores baik di bagian dalam maupun luar

Umur manfaat mencapai >20 tahun

Mudah dibersihkan Kestabilan mekanis memudahkan pembersihan secara

kontinyu dengan butir polimer

Bisa dibersihkan dengan zat kimia pembersih biasa (tidak

memerlukan zat kimia khusus)

Hemat biaya Harga beli dan biaya perawatan lebih murah daripada

polimer berkualitas

Tidak perlu penggantian tabung selama masa umur

manfaat

Mengurangi jumlah sambungan karena panjangnya bisa

mencapai 10 m

Toleransi terhadap suhu tinggi Resistensi terhadap pemuaian lebih tinggi daripada

polimer

Tidak ada perubahan bentuk permanen, dibandingkan

dengan polimer


Gambar-gambar di bawah ini memuat tabel beberapa spesifikasi dan presentase komposisi

kaca borosilika.

30

Gambar 2.13 Spesifikasi kaca borosilika


Gambar 2.14 Komposisi kimia kaca borosilika


2.4.4 Desain Perancangan Fotobioreaktor Tubular

Kultivasi mikroalga di kolam terbuka dikembangkan dengan baik, tetapi hanya

beberapa spesies yang dapat dipertahankan dalam sistem terbuka yang mengontrol

kontaminasi dengan menggunakan lingkungan yang sangat selektif alkali atau garam.

Fotobioreaktor tertutup sepenuhnya memberikan kesempatan untuk kultivasi alga daripada

dalam sistem terbuka. Dari banyak desain, fotobioreaktor tertutup yang telah dievaluasi,

perangkat dengan kolektor surya tubular yang paling menjanjikan.

Fotobioreaktor tubular selama ini menggunakan perangkat airlift yang sangat menarik

karena beberapa alasan: sirkulasi dicapai dengan potensi penurunan kontaminasi; kerusakan

sel yang berhubungan dengan pemompaan mekanik dihindari; dan perangkat airlift

31

menggabungkan fungsi pompa dan penukar gas yang menghilangkan oksigen yang dihasilkan

oleh fotosintesis.

2.4.4.1 Pemilihan letak penampatan fotobioreaktor tubular

Untuk memaksimalkan produktivitas biomassa, radiasi pada permukaan tabung surya

harus dimaksimalkan. Terutama radiasi permukaan eksternal yang tergantung pada radiasi

matahari, merupakan fungsi dari lokasi dan kondisi cuaca. Untuk lokasi dan cuaca tertentu,

susunan geometris dari tabung pengumpul cahaya matahari juga menentukan radiasi pada

permukaan tabung dan efek peningkatan radiasi karena pantulan dari sekitarnya. Distribusi

geometrik tabung di atas permukaan tanah memberikan pencahayaan yang lebih baik. Cara

meletakkan fotobioreaktor tubular yaitu dari utara ke selatan agar solar receiver menerima

cahaya dengan sangat baik.

2.4.4.2 Mengatur kecepatan aliran dalam tabung

Untuk mengetahui jenis aliran dalam tabung, terdapat persamaan untuk menghitung

bilangan reynolds, Re. Bilangan Reynolds, Re dapat dihitung sebagai berikut:

=

dimana adalah kecepatan cairan dalam tabung, adalah densitas fluida, adalah

diameter tabung dan adalah viskositas fluida.

Aliran cairan dalam tabung pengumpul cahaya didorong oleh pompa airlift. Untuk air

seperti cairan seperti kaldu mikroalga, kecepatan aliran induksi terutama tergantung pada

prngaturan geometris loop sirkulasi dan perbedaan gas tahan di riser dan zona downcomer

kolom airlift. Hubungan telah ditetapkan sebagai berikut:

Dimana KT dan KB adalah koefisien kehilangan gesekan untuk bagian atas dan

bagian bawah yang menghubungkan bagian-bagian masing-masing dari loop airlift.

Persamaan ini didasarkan pada prinsip konservasi energi dan telah berulang kali divalidasi

untuk berbagai skala dan konfigurasi perangkat airlift. Dalam persamaan ini hr adalah tinggi

dari bagian riser, Ar dan Ad adalah area penampang riser, adalah gas yang bertahan pada

riser dan adalah gas yang bertahan di downcomer. Secara umum, KT jauh lebih kecil

daripada Kb, maka KT dapat diabaikan. Hal ini terutama berlaku dalam konfigurasi loop

32

yang digunakan untuk fotobioreaktor. Karena bagian bawah loop pipa hanya continous

(penerima solar), koefisien kehilangan friksi KB dapat diperkirakan sebagai berikut :

Dimana Cf merupakan fanning factor dari persamaan Blasius ( Cf = 0.0791 Re -0.25)

dan Leq adalah panjang ekivalen loop. Dan adalah panjang tabung L ditambah panjang

penunjang yang memberikan penurunan tekanan yang sama sebagai tikungan dan katup

dalam gabungan loop.

Di samping itu, geometri fotobioreaktor harus memaksimalkan penangkapan sinar

matahari dan meminimalkan permukaan tanah yang ditempati. Efek dari panjang tabung,

kecepatan aliran, tinggi kolom airlift, konfigurasi geometris dari penerima solar pada

berbagai parameter kinerja telah dibahas. Berikut adalah gambar sistem fotobioreaktor :

Gambar 2.15 Fotobioreaktor

(Sumber : Molina, 2000)

Tabung fotobioreaktor dioperasikan dengan kepadatan tinggi kultur untuk mencapai

produktivitas yang tinggi mengandung cahaya terbatas pada zona gelap pusat dan

relatifbanyak cahaya pada zona perifer. Intensitas cahaya di foto zona terbatas lebih rendah

dari tingkat saturasi cahaya.

2.4.4.3 Sistem airlift

Dalam airlift didorong fotobioreaktor tubular, kecepatan resirkulasi kultur dan

karakteristik oksigen removal terkait erat. Kinerja kultur sangat tergantung pada pencapaian

desain yang optimal yang menyediakan syarat dan aliran perpindahan gas. Kolom airlift

33

sirkulasi kultur melalui tabung kolektor surya di mana sebagian besar fotosintesis kembal

Oksigen yang dihasilkan oleh fotosintesis terakumulasi dalam kaldu sampai cairan kembali

ke zona airlift di mana akumulasi oksigen dilucuti oleh udara. Pemisah gas cair di bagian atas

dari kolom airlift mencegah gelembung gas dari resirkulasi ke dalam kolektor surya. Loop

surya dirancang secara efisien untuk mengumpulkan radiasi matahari, meminimalkan

resistensi terhadap aliran, dan menempati wilayah minimal untuk mengurangi kebutuhan

akan lahan. Di samping itu, diameter pipa surya dipilih dengan tepat sehingga volume cahaya

pada zona gelap diajaga minimum. Juga, pertukaran cairan antara zona terang dan zona gelap

dalam lingkaran matahari harus cukup cepat sehingga unsur cairan tidak berada terus

menerus di zona gelap untuk waktu yang lama.

Head zone pada kolom airlift dirancang untuk pemisahan gas dari cairan, sebelum

kaldu diresirkulasi ke dalam kolektor surya. Pelepasan gas lengkap berarti bahwa kekuatan

pendorong untuk sirkulasi cairan telah dicapai maksimum untuk setiap tingkat aerasi dalam

riser airlift. Untuk mencapai pemisahan yang efektif dari gas dan cairan, jarak antara pintu

masuk dan pintu keluar degasser harus sedemikian rupa agar gelembung terkecil memiliki

waktu yang cukup untuk melepaskan diri sebelum cairan memasuki downcomer.

Perangkat airlift memenuhi dua kebutuhan: sirkulasi cairan melalui loop surya dan

stripping oksigen dari kaldu. Volume kaldu dalam perangkat airlift perlu dibuat lebih kecil

dibandingkan dengan volume dalam lingkaran surya sehingga sel-sel menghabiskan waktu

sebanyak mungkin dalam illuminated loop. Volume dalam separator gas cair diperkecil

dengan mengurangi jarak antara dinding sejajar dengan lebar riser (atau down comer) tabung.

Gambar 2.16 Gas liquid separator

(Sumber : Molina, 2000)

34

BAB III

PENUTUP

2.4 Kesimpulan

Bioreaktor tubular memfasilitasi sistem tertutup untuk mendukung pertumbuhan

kultur mikroorganisme yang membutuhkan syarat tumbuh tertentu guna meningkatkan

produktivitasnya. Untuk memenuhi kebutuhan mikroorganisme tersebut, maka desain

bioreaktor yang sesuai diperlukan untuk mendukung pertumbuhannya, misalnya

pertimbangan dari segi material dan bentuk.

2.5 Saran

Untuk memahami prinsip kerja bioreaktor tubular pada berbagai aplikasi, sebaiknya

menambah ulasan tentang contoh penggunaan untuk sistem bioproses lainnya. Lebih jauh

lagi, untuk meningkatkan kompetensi dalam sistem perancangan bioreaktor, ada baiknya

diberikan sebuah studi kasus untuk mendesain sebuah bioreaktor.

35

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Algae for Biofuel. http://www.extension.org/pages/26600/algae-for-biofuel-

production#.Uz7mm6iSxcg (Diakses pada tanggal 5 April 2014 pukul 20.30).

Anonim. Selection of Bioreactor. http://www.metal.ntua.gr/ (Diakses pada tanggal 1 April

2014 pukul 22.00).

Anonim. (2013). Tubular Glass Photobioreator. New York: SCHOTT.

Beveren, P.J.M. (2011). Algae Growth in Horizontal Tubular Reactor. Thesis System and

Control: Wangenigen University.

Burgess, G. et al. (2006). Materials, Geometry, and Net Energy Ratio of Tubular

Photobioreactors for Microalgal Hydrogen Production. Journal of

Photobioenergetics Group, Biological Science WHEC 16 / 13-16 June 2006: Lyon

France.

Carvalho, AP. (2006). Microalgal Reactors: A Review of Enclosed System Designs and

Performances. Journal of Biotechnology Progress Volume/Issue 2006Dec., v. 22,

no.6: Wiley Online Library.

Chaumont, Daniel. (1993). Biotechnology of algal biomass production: a review of systems

for outdoor mass culture. Journal of Applied Phycology 5: 593-604, 1993: Kluwer

Academic Publishers.

Grobbelaar, J.U. (2004). Algal Nutrition. In: A. Richmond, ed. Handbook of Microalgal

Culture: Biotechnology and Applied Phycology. Blackwell Publishing. pp. 97-115.

Gobel, G. (1998). Process for The Continuous Hydrogenation of Fats, Fatty Acids and Fatty

Acid Derivatives in The Presence of A Heterogeneous Catalyst.

https://www.google.com/patents/US4847016?dq=tubular+reactor+for+hydrogenation+f

atty+oil&hl=en&sa=X&ei=moc_U4ixDMfF0gHguoGoBw&ved=0CDcQ6AEwAA

(Diakses pada tanggal 4 April 2014).

Hamilton, D. dan Murielle, F. (2001). Carbonylation Reaction. Tersedia di:

http://www.google.it/patents/WO2001007388A1?cl=en (Diakses pada tanggal 4 April

2014).

Heinze, E. (2009). Introduction to Ideal Reactors: Basic Description and Design.

Saarbrcken: Uni-saarland.

Luyben, William L. (2007). Chemical Reactor Design And Control. New Jersey: John Wiley

& Sons, Inc.

36

antek, B., et al. (2006). Horizontal Tubular Bioreactors in Biotechnology. University of

Zagreb: Chem. Biochem. Eng. Q. 20 (4) 389399.

Documents

Makalah Bioreaktor