Teknik bioproses

Pengolahan limbah secara biologis merupakan salah satu aplikasi teknik bioproses.

Teknik bioproses atau teknik biokimia (Bahasa Inggris: biochemical engineering) merupakan cabang ilmu dari teknik kimia yang berkomunikasi dengan perancangan dan konstruksi pengolahan produksi yang melibatkan perwakilan biologi. Agensia biologis dapat berupa mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme.^[1] Mikroorganisme yang digunakan biasanya berupa bakteri, khamir, atau kapang.^[1] Teknik bioproses biasanya diajarkan sebagai suplemen teknik kimia karena persamaan mendasar yang dimiliki keduanya.^[2] Kesamaan ini mencakup ilmu dasar keduanya dan teknik penyelesaian masalah yang digunakan kedua jurusan. Aplikasi dari teknik bioproses dijumpai pada industri obat-obatan, bioteknologi, dan industri pengolahan cairan.^[2]

Bioreaktor

Sebuah bioreaktor merupakan suatu alat atau sistem yang mendukung keaktifan agensia biologis. Dengan ucap lain, sebuah bioreaktor merupakan tempat berlanjutnya pengolahan kimia yang melibatkan mikroorganisme atau enzim yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme. Bioreaktor dikenal juga dengan nama fermentor.^[3] Pengolahan reaksi kimia yang berlanjut dapat bersifat aerobik ataupun anaerobik.^[3] Sementara itu, agensia biologis yang digunakan dapat tidak kekurangan dalam kondisi tersuspensi atau terimobilisasi.^[3] Contoh reaktor yang menggunakan agensia terimobilisasi merupakan bioreaktor dengan unggun atau bioreaktor membran.^[3]

Perancangan bioreaktor

Bentuk suatu bioreaktor.

Perancangan bioreaktor merupakan suatu pekerjaan teknik yang cukup kompleks. Pada kondisi optimum, mikroorganisme atau enzim dapat melakukan keaktifannya dengan sangat baik. Kondisi yang memengaruhi kinerja agensia biologis terutama temperatur dan pH. Untuk bioreaktor dengan menggunakan mikroorganisme, keperluan untuk hidup seperti oksigen, nitrogen, fosfat, dan mineral lainnya butuh diperhatikan. Pada bioreaktor yang agensia biologisnya tidak kekurangan dalam kondisi tersuspensi, sistem pengadukan butuh diperhatikan supaya cairan di dalam bioreaktor tercampur merata (homogen). Seluruh parameter ini harus dimonitor dan diamankan supaya 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.^[4] Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kontaminasi senyawa metal pada masa fermentasi terjadi di dalamnya.^[4] Bahan baja yang berisi < 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 berisi 18% kromium, 2-2,5% molibdenum, dan 10% nikel.^[4] Bahan yang dipilih harus bersifat non-toksik dan tahan terhadap sterilisasi berulang-ulang menggunakan uap tekanan tinggi.^[4] Untuk mencegah kontaminasi, anggota atas biorektor dapat ditambahkan dengan segel aseptis (aseptic seal) yang terbuat dari campuran metal-kaca atau metal-metal, seperti O-ring dan gasket.^[5] Untuk meratakan media di dalam bioreaktor digunakan alat pengaduk yang disebut agitator atau impeler.^[5] Sementara itu, untuk asupan udara dari luar ke dalam sistem biorektor digunakan sistem aerasi yang berupa sparger.^[5] Untuk bioreaktor aerob, biasanya digunakan kombinasi sparger-agitator sehingga pertumbuhan mikrooganisme dapat berlanjut dengan baik.^[5]

Pada anggota dalam bioreaktor, dipasang suatu sekat yang disebut baffle untuk mecegah vorteks dan meningkatkan efisiensi aerasi.^[6] Baffle ini merupakan metal dengan ukuran 1/10 diameter bioreaktor dan menempel secara radial di dindingnya.^[6] Anggota lain yang harus dimiliki oleh suatu bioreaktor merupakan kondensor untuk mengeluarkan hasil kondensasi masa terjadi sterilisasi dan filter (0,2 μm) untuk menyaring udara yang masuk dan keluar tangki.^[6] Untuk pengolahan inokulasi kultur, pengambilan sampel, dan pemanenan, diperlukan keadaan aliran khusus dan pengambilannya harus diterapkan dengan beragak-agak dan aseptis supaya tanpa terjadi kontaminasi.^[1] Untuk mengawal kondisi dalam bioreaktor supaya tetap terkontrol, digunakan sensor pH, suhu, anti-buih, dan oksigen terlarut (DO).^[1] Apabila kondisi di dalam sel mengalami perubahan, sensor akan memperingatkan dan harus diterapkan perlakuan tertentu untuk mempertahankan kondisi di dalam bioreaktor.^[1] Misalkan terjadi perubahan pH maka harus ditambahkan larutan asam atau basa untuk mengawal kestabilan pH.^[1] Penambahan zat ini dapat diterapkan secara manual namun juga dapat diterapkan secara otomatis menggunakan bantuan pompa peristaltik.^[1] Selain asam dan basa, pompa peristaltik juga membantu penambahan anti-buih dan substrat ke dalam bioreaktor.^[1]

Aplikasi bioreaktor

Awalnya bioreaktor hanya digunakan untuk memproduksi ragi, ekstrak khamir, cuka, dan alkohol.^[2] Namun, alat ini telah digunakan secara luas untuk menghasilkan berbagai jenis produk dari makhluk hidup seperti antibiotik, berbagai jenis enzim, protein sel tunggal, asam amino, dan senyawa metabolit sekunder lainnya.^[2] Selain itu, suatu senyawa juga dapat dimodifikasi dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan senyawa hasil transformasi yang berharga untuk manusia.^[2] Pengolahan limbah buangan industri ataupun rumah tangga pun sudah dapat menggunakan bioreaktor untuk memperoleh hasil buangan yang lebih ramah lingkungan.^[7]

Referensi