Automatic Bell Siphon

Diagram Automatic Bell Siphon

Ide pemanfaatan bell siphon otomatis terilhami dari sistem pasang surut (ebb and flow system) pada hidroponik. Seperti kita ketahui akar tanaman juga membutuhkan oksigen yang cukup untuk bernapas, dan akar tanaman tidak boleh terendam terus menerus dalam air supaya tidak membusuk. Sistem ebb and flow bekerja dengan cara membanjiri sementara net pot dengan campuran air dan nutrisi sampai pada batas tertentu, kemudian mengembalikan nutrisi itu (mengosongkan /draining) ke dalam bak penampungan nutrisi (pada aquaponic berupa aquarium ataupun kolam ikan) , begitu seterusnya sehingga sistem ini menjaga akar tanaman untuk tidak terus menerus terendam. Sistem ini bekerja dengan pompa (submerged pump) yang dikoneksikan ke timer dan dibenamkan dalam larutan nutrisi. Ketika timer menghidupkan pompa, larutan nutrisi akan dipompa ke net pot (tempat tanaman). Ketika timer mematikan pompa air, larutan nutrisi akan mengalir kembali ke bak penampungan. Kekurangan sistem ebb and flow ini karena biaya pembuatannya cukup mahal, dan penambahan biaya pemakaian daya listrik.

Bell siphon memecahkan persoalan ini dengan cara sederhana, lebih menguntungkan, murah, dapat dibuat sendiri diy tanpa menambah beban listrik. Ini cara keren memanfaatkan prinsip fisika mengenai tekanan hidrostatik, tekanan udara, kondisi vakum dan gravitasi.

Riset menunjukkan bahwa membanjiri secara perlahan (slow flooding) dan mengosongkan secara cepat (rapid draining) pada net pot atau grow bed, menyediakan akses nutrisi yang baik bagi tanaman dan oksigenasi yang tinggi untuk akar tanaman. Mekanisme ini bisa dikerjakan sangat baik dengan menggunakan bell siphon. Terdengar sangat misterius dan membingungkan baik bagi pemula bahkan juga bagi yang sudah berpengalaman di bidang aquaponik. Memang mekanisme automatic bell siphon relatif rumit bila dijelaskan secara fisika. Namun yang terpenting bagi praktisi hidroponik maupun aquaponik tentunya dapat mengatasi kekurangan sistem pasang surut dengan mudah, murah tanpa tambahan alat elektrik apapun.

Penasaran ?, untuk lebih cepat membayangkannya bisa menyaksikan melalui video ini :

Tapi bagi anda yang tetap penasaran bagaimana prinsip bell siphon ini bekerja  dapat meneruskan membaca ini :

Prinsip dasar bell siphon, adalah tekanan hidrostatik, tekanan atmosfer yang berhubungan dengan ketinggian air pada kolom siphon. Saat air yang dipompakan memasuki kolom siphon hingga menyentuh puncak bibir tabung (drain), momentum saat itu akan terjadi : tekanan hidrostatik lebih rendah dibanding tekanan atmosfer (kondisi vakum). Kondisi yang melalui momentum perbedaan tekanan ini mengakibatkan tekanan atmosfer mendorong air menyentuh puncak kolom siphon, selanjutnya yang bekerja adalah ikatan antar molekul air dan gaya gravitasi yang dengan cepat mendorong air tersebut keluar.

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