Bioreactor dari material akrilik - plexiglas

Reaktor adalah tempat berlangsungnya proses reaksi baik secara kimiawi ataupun biologi. Untuk reaktor dimana lebih banyak terlibat proses biologi sering disebut bioreactor. Reaksi biokimia yang terjadi dalam bioreactor melibatkan mikroorganisme, ataupun komponen biokimia aktif seperti enzim yang berasal dari organisme tertentu, baik secara aerobic maupun anaerobic. Dalam bioreactor harus diciptakan sebuah kondisi lingkungan terkontrol yang dapat mendukung terjadinya proses biokimia yang dikehendaki.

Komponen utama (tergantung kebutuhan) bioreactor biasanya terdiri dari :

1. Tangki : Kolom tempat berlangsungnya proses biasanya berbentuk silinder/ tabung
2. Sparger/ stone diffuser :  (bagian tempat keluarnya gelembung udara atau blower/ sistem aerasi)
3. Impeller :  atau biasa dikenal dengan agitator/ mixer/ pengaduk berfungsi meratakan media fluida terutama pada Continuos Stirred Tank Reactor (CSTR), impeller digerakan oleh gearbox motor.
4. Filter : Saringan untuk menyaring fraksi media kasar ataupun halus
5. Baffle/ sekat : Mencegah gerakan vortex fluida (sentrifugal) terutama pada cylindrical bioreactor (bioreactor yang berbentuk tabung silinder), sehingga proses mixing bisa berlangsung lebih merata. Baffles juga digunakan sebagai pengarah-penghambat gerakan fluida (sehingga bisa tercipta salah satunya gerakan airlift ataupun downcomer). Baffle bisa berupa bilah-bilah sekat persegi yang diatur sedemikian rupa sesuai kebutuhan.
6. Heater : Pemanas yang dilengkapi pengatur thermostat (pengatur suhu)
7. Valve : kran untuk keluar-masuk media bisa manual ataupun otomatis (selenoid valve)
8. Pompa udara (blower) ataupun pompa air dan atau terkadang juga dibutuhkan pompa peristaltic/ dosing pump (untuk memasukkan reagen ataupun bahan kimia sesuai dosis ukuran tertentu).
9. Instrumentasi (sensor) sebagai pengontrol parameter lingkungan bioreactor (seperti sensor temperature, pH, pressure, kecepatan aliran dll).

Berikut sebagai contoh skema beberapa komponen dalam bioreactor :

skema komponen dalam bioreaktor

Sebelum digunakan dalam skala industri biasanya digunakan tanki berukuran volume lebih kecil (1-30 liter) untuk di uji coba dalam skala laboratorium sehingga dapat dipelajari apa dan bagaimana sistem dan proses biokimia dapat bekerja sesuai yang diharapkan. Bioreaktor skala industri biasanya terbuat dari bahan stainless steel. Sedangkan untuk skala laboratorium dapat terbuat dari bahan stainless steel, kaca borosilikat, ataupun acrylic (Plexiglas).

Pemilihan acrylic (Plexiglas) sebagai tanki kolom bioreactor memiliki beberapa keuntungan antara lain : lebih ringan dibanding stainless steel, maupun kaca borosilikat, tidak mudah pecah dibanding kaca borosilikat, tembus pandang sehingga memudahkan pengamatan obyek maupun proses reaksi, relatif mudah dikerjakan dan dimodifikasi sesuai kebutuhan.

acrylic cylinder tower tank 

 

Kolom tanki reaktor berbahan acrylic/ plexiglas untuk skala laboratorium juga dipakai pada penelitian penelitian pengolahan limbah cair (waste water treatment), studi-studi mengenai biofilm untuk mengolah limbah banyak menggunakan kolom tanki reaktor berbahan acrylic ini, terutama untuk peneliti peneliti dibidang teknik lingkungan (environmental engineering). Tingkat kejernihan/ transparansi untuk memudahkan pengamatan, kemudahan pengerjaan untuk dimodifikasi sesuai keperluan penelitian, tidak mudah pecah (dibanding kaca), dapat dibentuk serupa kolom tabung maupun kerucut, mudah dibor, dapat dilepas-sambung antar kompartemen dengan penambahan flange (terutama tangki tangki silinder berupa tower), menjadikan acrylic/Plexiglas pilihan favorit peneliti.

Inovasi model-model reaktor biofilm terus bermunculan bersamaan dengan studi studi yang terus berkembang, guna mendapatkan optimalisasi bioproses sehingga diharapkan nantinya bioremediasi pada skala aplikasi dapat berlangsung lebih singkat, murah, dan sesuai dengan standar baku mutu lingkungan yang diharapkan. Berikut gambar skema, bagaimana studi studi yang lebih mendetail diperlukan sehingga diperlukan penambahan transducer (sensor) yang dihubungkan dengan computer.

skema bioreaktor dengan tambahan sensor

Apa sih biofilm itu :

Biofilm adalah kumpulan sel mikroorganisme, khususnya bakteri yang melekat di suatu permukaan dan diselimuti oleh pelekat karbohidrat yang dikeluarkan oleh bakteri. Biofilm terbentuk karena mikroorganisme cenderung menciptakan lingkungan mikro dan niche mereka sendiri. Biofilm memerangkap nutrisi untuk pertumbuhan populasi mikroorganisme dan membantu mencegah lepasnya sel sel dari permukaan pada sistem yang mengalir. Permukaan sendiri adalah habitat yang penting bagi mikroorganisme karena nutrisi dapat terjerap sehingga kandungan nutrisinya menjadi lebih tinggi daripada di dalam larutan. Konsekuensinya jumlah dan aktivitas mikroba pada permukaan biasanya lebih tinggi daripada di air.  Sampai awal 1980-an, model pertumbuhan dengan biofilm lebih dianggap sebagai sesuatu yang menarik saja dan bukan merupakan studi ilmiah yang serius, namun bukti bukti yang terkumpul kemudian menunjukkan bahwa pembentukan biofilm lebih disukai oleh mikroorganisme dan hampir semua permukaan yang terkena kontak dengan mikroba  dapat mendukung pembentukan biofilm.

Pemanfaatan biofilm untuk mengolah limbah sudah diaplikasikan saat ini, terutama untuk mengolah limbah cair. Pada biofilm di fasilitas pengolahan limbah cair terdapat berbagai macam  mikroba yang dapat menguraikan senyawa senyawa baik organik maupun anorganik. Limbah pabrik yang banyak tercemar logam berat dapat dibersihkan oleh mikroorganisme yang dapat mengikat dan menggunakan logam berat sebagai nutrient, dan atau hanya menjerab (imobilisasi) logam berat misalnya bakteri pengikat uranium yaitu desulfovibrio desulfuricans. Contoh lain adalah bakteri Thiobacillus ferrooxidans yang mendapatkan energi dari senyawa anorganik seperti besi sulfida dan mengubahnya manjadi bahan bahan yang berguna seperti asam fumarat dan besi sulfat.

Beragam alat bioreaktor yang dikembangkan melalui studi terus menerus untuk mengolah limbah dengan pemanfaatan biofilm, antara lain : 

1. BCR (Buble Column Reactor)
2. ALRS (Airlift Reactors)
3. PFTR (Plug Flow tubular Reactor)
4. TBBR (Tricle Bed Biofilm Reactor)
5. SMFBR (Submerged Fixed Bed Biofilm Reactor)
6. SBBR (Sequencing Batch Biofilm Reactor)
7. MBBR (Moving Bed BiofilmReactor)
8. FBBR (Fixed Bed Biofilm Reactor)
9. PBBR (Packed Bed Biofilm Reactor)
10. FBBR (Fluidized Bed Biofilm Reactor)
11. DFBR (Drip Flow Biofilm Reactor)
12. UASB(Up Flow Anaerobic Sludge Blanket Reactor)
13. RCBR (Rotating Cell Biofilm Reactor)
14. MBR (Membran Biofilm Reactor). 

Beberapa akan kami bahas pada tulisan blog selanjutnya.

bioreactor types

mesh screen dan ukuran mikron pada filter atau membran

Cukup sering saya diminta membuat tabung reaktor berbahan acrylic ("Menerima Jasa Pembuatan Tabung Berbahan Akrilik"), beberapa diantaranya dipakai untuk melihat pemisahan partikel, ataupun untuk tujuan pemurnian suatu reaksi, ataupun sebagai perangkat untuk mendukung desain membran biofilm reaktor MBfR. 

Dan biasanya digunakan mesh screen baik berbahan plastik polypropilene, nylon maupun berbahan stainless steel, bahkan woven cloth. Berikut saya share pengertian mesh dan mikron untuk pengetahuan bersama.

stainless steel mesh screen filter

nylon screen mesh

woven cloth filter

Apa itu micron, micron adalah satuan ukuran yang biasa digunakan untuk menyebut ukuran suatu partikel, ukuran satu micron sama dengan seper-satu juta meter, atau seper-seribu mm atau seper-duapuluhlimaribu inch.

Apa itu ukuran mesh, sederhananya mesh adalah banyaknya jumlah lubang/bukaan dalam panjang satu inch, jadi apabila ada empat buah lubang dalam satu inch maka disebut berukuran 4 mesh, kalau ada 100 lubang dalam satu inch, maka disebut ukuran 100 mesh. Jadi apabila jumlah lubang semakin banyak dalam 1 inch (semakin rapat), maka ukuran lubang (opening) semakin kecil, atau dengan kata lain partikel semakin sulit lolos melalui screen/filter. Atau dengan kata lain angka mesh semakin besar digunakan bila ingin menyaring partikel dengan ukuran yang lebih kecil/ halus, supaya partikel tersebut tidak mudah lolos pada screen/ filter/ media penyaring.

Untuk mengetahui berapa ukuran mesh screen yang dibutuhkan untuk menyaring suatu partikel tertentu. Kita mesti mengetahui partikel apa yang akan disaring, berapa rata-rata ukuran partikelnya. Sebagai contoh kita ingin menyaring garam dapur yang memiliki ukuran sekitar 100 mikron (sepersepuluh mm) maka kita dapat menggunakan ukuran 170 mesh (dalam 1 inch terdapat 170 lubang atau besar perlubang/ opening sekitar 88 mikron), sehingga diharapkan partikel garam yang berukuran > 88 mikron dapat tertahan pada screen tersebut.

Linear Equivalents:

1 micron = .0000394 inches

25,400 microns = 1 inch

1,000 microns = 1 millimeter

Berikut beberapa contoh perbandingan ukuran partikel :

Radius of a hydrogen atom = 0.00005 microns

Bacteria = 2 microns

Diameter of a red blood cell = 8 microns

Talcum powder = 10 microns

Diameter of a white blood cell = 25 microns
Human sperma = 55 microns

Naked-eye visibility threshold = 40 microns

Pollen = 60 microns

Diameter of a human hair, typical human = 70 microns

Table salt = 100 microns

Beach sand = 700 microns

Fine sand = 250 microns

Portland cement = 74 microns

Silt = 44 microns

Cigarette smoke = 2 microns

Terkadang dalam penulisan diberi penegasan tanda  - atau + ; misal -170 mesh artinya partikel yang berukuran kurang dari 170 mesh akan lolos melalui saringan, atau +170 mesh artinya partikel yang berukuran lebih besar dari 170 mesh akan tertahan dalam saringan. (tentunya kita bertanya 170 mesh itu seukuran berapa micron ?)

Bagaimana mengetahui kesesuaian ukuran mesh dengan ukuran lubang/opening dalam micron ? Tidak ada formula khusus/ rumus tertentu. Kita hanya dapat menggunakan konversi antara mesh dan micron mengikuti kesepakatan (konvensi) pada dunia industri. 

Pada tabel konversi tersebut terjawab sudah 170 mesh = berukuran partikel  88 mikron, jadi + 170 mesh berarti partikel yang berukuran lebih besar dari 88 mikron akan tertahan pada saringan.

Contoh soal : kita ingin agar partikel yang lebih kecil dari 1 mm, akan lolos pada saringan dan partikel yang sama atau lebih besar dari 1 mm akan tertahan, maka kita dapat menggunakan saringan berukuran 16 mesh.
Contoh lain : kita ingin supaya sperma manusia tidak lolos pada alat penyaring, maka kita dapat menggunakan filter berukuran 325 mesh (diketahui ukuran sperma manusia sekitar 55 mikron)