Teknik Bioproses

Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) adalah cabang ilmu dari teknik kimia yang berhubungan dengan perancangan dan konstruksi proses produksi yang melibatkan agen biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Mikroorganisme yang digunakan pada umumnya berupa bakteri, khamir, atau kapang. Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagaisuplemen teknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya. Kesamaan ini meliputi ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan, bioteknologi, dan industri pengolahan air.

Bioreaktor

Sebuah bioreaktor adalah suatu alat atau sistem yang mendukung aktivitas agensia biologis. Dengan kata lain, sebuah bioreaktor adalah tempat berlangsungnya proses kimia yang melibatkan mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Bioreaktor dikenal juga dengan nama fermentor. Proses reaksi kimia yang berlangsung dapat bersifat aerobik ataupunanaerobik. 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.

Perancangan bioreaktor

Struktur suatu bioreaktor.

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.

Neraca massa

Neraca Massa adalah cabang keilmuan yang mempelajari kesetimbangan massa dalam sebuah sistem. Dalam neraca massa, sistem adalah sesuatu yang diamati atau dikaji. Neraca massa adalah konsekuensi logis dari Hukum Kekekalan Massa yang menyebutkan bahwa di alam ini jumlah total massa adalah kekal; tidak dapat dimusnahkan ataupun diciptakan. Contoh dari pemanfaatan neraca massa adalah untuk merancang reaktor kimia, menganalisa berbagai alternatif proses produksi bahan kimia, dan untuk memodelkan pendispersian polusi.

Penjelasan Umum

Massa yang masuk ke dalam suatu sistem harus keluar meninggalkan sistem tersebut atau terakumulasi di dalam sistem. Konsekuensi logis hukum kekekalan massa ini memberikan persamaan dasar neraca massa :

[massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa]

dengan [massa masuk] merupakan massa yang masuk ke dalam sistem, [massa keluar] merupakan massa yang keluar dari sistem, dan [akumulasi massa] merupakan akumulasi massa dalam sistem. Akumulasi massa dapat bernilai negatif atau positif. Pada umumnya, neraca massa dibangun dengan memperhitungkan total massa yang melalui suatu sistem. Pada perhitungan teknik kimia, neraca massa juga dibangun dengan memperhitungkan total massa komponen-komponen senyawa kimia yang melalui sistem (contoh: air) atau total massa suatu elemen (contoh: karbon). Bila dalam sistem yang dilalui terjadi reaksi kimia, maka ke dalam persamaan neraca massa ditambahkan variabel [produksi] sehingga persamaan neraca massa menjadi:

[massa masuk] + [produksi] = [massa keluar] + [akumulasi massa]

Variabel [produksi] pada persamaan neraca massa termodifikasi merupakan laju reaksi kimia. Laju reaksi kimia dapat berupa laju reaksi pembentukan ataupun laju reaksi pengurangan. Oleh karena itu, variabel [produksi] dapat bernilai positif atau negatif. neraca adalah alat pengukur massa pad asuatu benda,dan neraca memiliki beberapa jenis

Jenis Neraca Massa

Neraca massa dapat berjenis integral atau diferensial. Suatu neraca massa integral menggunakan pendekatan kotak hitam dan berfokus pada karakteristik menyeluruh dari sistem. Sementara itu, neraca massa diferensial berfokus pada detail yang terjadi dalam sistem (yang juga memengaruhi karakteristik menyeluruh). Untuk membuat suatu neraca massa integral, pada awalnya harus diidentifikasi batasan sistem, bagaimana sistem terhubung dengan lingkungan dan bagaimana lingkungan memengaruhi sistem. Pada beberapa sistem, batasan sistem dengan mudah dapat diidentifikasi. Contohnya adalah suatu tangki reaktor dengan dinding tangki sebagai batas sistem. Pada tangki reaktor ini, lingkungan memengaruhi sistem melalui saluran masuk tangki dan saluran keluar tangki. Untuk kasus seperti studi tanah perhutanan, penetapan vegetasi sebagai eksternal atau internal sistem (pendefinisian batasan sistem) sangat tergantung dari fokus dan tujuan studi yang dilakukan. Untuk membuat suatu neraca massa diferensial, pada awalnya perlu diidentifikasi detail yang ada dalam sistem. Reaksi yang terjadi dalam sistem dan senyawa kimia apa saja yang terlibat di dalamnya perlu dengan jelas diketahui.

B. Penyusunan Neraca Massa

Langkah penyusunan neraca massa yang menurut saya paling mudah adalah :
1. Menentukan basis perhitungan, misalnya basis perhitungan : umpan A 1000 kg/j.

2. Menghitung satu per satu per alat massa masing - masing senyawa berdasarkan ketentuan tiap alat, dari depan ke belakang sampai diperoleh produk akhir.

3. Hitung berapa produk akhir yang diperoleh berdasarkan basis, misalnya dengan basis umpan A 1000 kg/j diperoleh produk B 950 kg/j.

4. Hitung Ratio perhitungan
Ratio= produk sebenarnya diinginkan/produk didapat dari basis
Maka umpan A sebenarnya = Ratio x 1000 kg/j

6. Tinggal hitung ke belakang menggunakan umpan sebenarnya, atau kalikan massa semua yang telah hitung berdasarkan basis dengan Ratio perhitungan.

7. Cek neraca massa total overall pabrik, total masuk harus = total keluar