fermentor disain

  • View
    330

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of fermentor disain

Dosen:HeriHermansyah,Ph.D

Design Philosophy

The Interactions Between Oxygen and Heat Transfer

Oxygen Transfer

Heat Transfer

Design Philosophy

Design Philosophy g p yFermentor merupakan alat yang b F t k l t berguna sebagai tempat yang terproteksi, terkontrol, terkontrol dan merupakan lingkungan yang homogen dimana fermentasi dapat berlangsung secara aman dan mencapai tujuan t t t t j tertentu

Design PhilosophycriteriaTujuan dari rational design adalah untuk menghasilkan suatu rencana yang dibutuhkan untuk menghasilkan sistem yang ekonomis dan memenuhi performance

Faktor utama yang harus diperhatikan dalam mendesain alat produksi :Reliability Safety Cost Compliance with regulatory requirements

Design PhilosophyFaktor yang harus diperhatikan sesegera mungkin dalam mendesain fermentor :Monitoring/ Control Sterilization methods Number of addition vessels Types of addition vessels

Design PhilosophyPlant schedulingOperating VS capital cost

Space constraints

Overall labor requirement

Outside factor yang harus diperhatikan dalam mendesain fermentor

Containment and validation requirements

Potential interruptions in normal plant operationU ili Utility requirements

Relationship between fermentor productivity and throughput rates of downstream equipment

The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer

The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer

Laju perpindahan oksigen dan panas sangat berpengaruh dalam fermentasi aerob Pada teori kita bisa mendapatkan sel dengan laju pertumbuhan yang cepat dengan memenuhi kebutuhan oksigen, tetapi hal ini akan menyebabkan kebutuhan laju perpindahan panas yang sangat besar. Pada banyak kasus kebutuhan akan oksigen terjadi pada periode waktu yang singkat mendekati akhir dari proses fermentasi. Menentukan langkah untuk overdesigning untuk memenuhi beban puncak atau mengurangi laju fermentasi menjadi h l yang sangat penting untuk f t i j di hal t ti t k dilakukam

The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer

Laju L j perpindahan oksigen ( i d h k i (oxygen transfer rate) selama f ) l pertumbuhan sel ditentukan oleh laju pertumbuhan spesifik sel (), konsentrasi sel (X), dan yield coefficient sel pada oxygen (Yx/o)

OTR / YX / O X

Total panas yang tebentuk selama pertumbuhan sel merupakan jumlah dari panas metabolik yang terbentuk (Qmet) dengan panas yang terbentuk dari agitasi (Qmech)

Qtot Qmet Qmech

The Interaction Between Oxygen and Heat TransferOxygen and Heat Transfer Requirement: Effects of ScaleOTR Mmol/L.h Volume m3 Pressure psig % Oxygen Power hp Heat Load Btu/h x 104 Coolant oF

150 200 300 400 150 200 300 400

1 1 1 1 10 10 10 10

15 25 35 35 15 25 35 35

21 21 21 19 21 21 21 19

5.0 4.9 7.1 71 6.9 50.2 50.0 75.7 77.0

0.084 0.107 0.161 0 161 0.208 0.884 1.078 1.621 2.096

40 40 40 40 40 40 22 5

The Interaction Between Oxygen and Heat TransferFermentation histories : F t ti hi t i Oxygen ad Heat transfer for unlimited and limited OTRTime h I 0 1 2 3 4 5 6 7 7.25 1.0 10 1.8 3.3 5.9 10.5 18.3 31.0 50.0 Cell mass g/L II 2.0 20 3.6 6.6 11.8 20.0 29.8 39.0 47.8 50.0 I 19 34 62 111 197 344 582 938 OTR mmol/L.h II 38 68 124 222 350 350 350 350 350 I 0.6 06 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 h-1 II 0.6 06 0.6 0.6 0.6 0.56 0.38 0.29 0.23 0.22

Oxygen Transfer

Oxygen Transfer

Pada bagian ini akan dibahas mengenai :

Increasing OTR, and the consequences

Agitation Tip Speed and Shear

Theoritical Considerations

Foaming Gas Holdup Gas Linear Velocity Gassed Power Pressure Oxygen Enrichment

Oxygen Transfer Theoretical considerations

Laju dimana oksigen d L j di k i dapat dit t ditansfer (OTR) d i air b bbl f dari i bubble ke fermentation broth tergantung oleh driving dan konstanta perpindahan oksigen (Kga ):

OTR K g a( PO2 PO2 ) avPO2 Partial pressure of oxygen in the gas PO2 equilibrium partial pressure of oxygen in the broth

balance

OTR juga dapat di ekspresikan dalam oxygen material

OTR = Fiyi - FoyoDimana : Fi= molar flow rate gas in Fo= molar flow rate gas out Y= mol fraction of oxygen

Increasing OTR, and the ConsequencesOTR dapat ditingkatkan dengan ( PO )lm meningkatkan koefisien transfer POoksigen (Kga) atau . Kga dapat ditingkatkan dengan meningkatkan gassed horsepower g g g p (P P ) (Pg/V),kecepatan linear gas (vg), atau keduanya dapat ditingkatkan dengan keduanya. menigkatkan tekanan vessel atau dengan oxygen enriching pada inlet air.2 2

O2

O2

lm

FoamingAda dua sistem dasar untuk mengatasi foam : secara mekanik dan kimia. Secara mekanik, sebuah impeller berkecepatan tinggi memecah foam dengan cara membawanya menuju impeller dan memecahnya dengan gaya mekanik Alat ini tidak dapat digunakan untuk mammalian cell culture karena terbentuknya k l gaya yang b besar yang d dapat merusak sel. Chemical antifoams diklasifikasikan menjadi dua kategori : metabolizable ( vegetable oil), g g nonmetabolizable (silicones,polypropilene Typical mechanical glycols). Beberapa dapat menurunkan transfer foam breaker oksigen dan yang lain dapat memberikan efek negatif pada peralatan recovery.

Gas Hold upGas holdup didefinisikan sebagai berikut:h = (Vgassed-Vungassed)/Vungassed Untuk high power level most aerated fermentor, holdup untuk newtonian broth adalah: h = 1.8 (Pgassed/V)0.14 (vg)0.75 ( ) (

Gas Linear Velocity

Gas linear velocity tid k h G li l it tidak hanya mempengaruhi Kga hi tetapi juga driving force ( melalui material balance).Meningkatkan vg cenderung akan menurunkan gassed horsepower, Pg. Foaming dan gas holdup akan naik seiring naiknya vg . Low gas velocities dan foam levels dapat membahayakan b b b h k beberapa organiseme seperti i ti mammalian cells walaupun pada laju agitasi yang rendah. Pada fixed actual VVM (Volume per minute), vg akan naik sering dengan naiknya volume.

Gassed power

Daya dialirkan ke fluida melalui dua mekanisme : gaya mekanikal dari impeller, dan gaya yang terbentuk dari ekspansi gas. Daya y g dapat diberikan impeller akan y yang menurun seiring dengan meningkatnya gas flow.

PressureDriving force untuk oxygen transfer dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tekanan g g g vessel, yang akan meningkatkan tekanan parsial oksigen.

Oxygen EnrichmentOxygen transfer rate juga dapat ditingkatkan dengan memperkaya udara inlet dengan oksigen, yang akan meningkatkan PO2. g Teknik ini biasa digunakan di lab, tetapi untuk skala yang lebih besar dapat menimbulkan masalah yang serius.

Agitation

Gassed horsepower yang dib t hk G dh dibutuhkan (pada gas flow yang tetap) dapat diperoleh dengan menggunakan berbagai kombinasi dari kecepatan impeller, ukuran, tipe, jarak dan jumlah jumlah. Setiap kombinasi memberikan efek yang berbeda pada fermentasi dan desainnya desainnya. Untuk banyak fermentasi microbial, rasio diameter impeller terhadap diameter tangki berkisar antara 0.35 dan 0.45

Tip Speed and Shear

Setiap S ti organisme d i dapat rusak oleh gaya mekanikal d i t k l h k ik l dari fluida. Besarnya kerusakan dipengaruhi oleh sumber,magnitud, dan durasi dari gaya tersebut. Single-cell microbes sangat resistant Single cell Mycelial organism sedikit resistant Mammalian cell sangat sensitif

tidak melebihi 1500 feet per minute (fpm) (762 cm/s). Hal ini didasarkan pada hasil observasi beberapa tahun lalu, yaitu terjadi kerusakan pada mycelial organism p j p y g pada tip speed p p lebih besar dari 1500 fpm Berikut ini adalah persamaan mengenai tip speed, vt

Tip speed rule merekomendasikan agar impeller tip speed

vt=3 14 di N =3.14dimana di= 915 (Pg/Vt3)0.5 0.5 N= 0 0165 (vt5/Pg)0 5 0.0165

Heat Transfer

Heat TransferDriving force untuk perpindahan panas dari satu poin ke poin lainnya adalah perbedaan temperatur,T antara dua poin. L j d i perpindahan panas, Q sebanding d Laju dari i d h Q, b di dengan driving force dan berbanding terbalik dengan resistansi, R. Q= T /R Resistansi berbanding terbalik dengan area(A) dan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) 1/R=UA Untuk thin-walled vessels, U : 1/U=1/hi + t/k +1/ho + 1/hfi +1/hfo

Laminar Flow

Terdiri dari lapisanlapisan (layers) Pergerakannya ada yanglebih l b d k k d l b h lambat dari kecepatan aliran bulk Sistem difusinya sederhana

Turbulent Flow

Fluida dapat tercampur dengan sempurna karena ecepata u da te d spe s sa gat kecepatan fluida terdispersi sangat cepat

Gambar 1.FluidMechanicsDefinitions

Konsentrasi: Sel Substrat Polimer Produk Polimer P li Morfologi sel: Ukuran Bentuk Massa Fleksibilitas Tekanan & i b th Deformabilitas osmosisbroth sel Shear rate Shearrate

Newtonian N t i Fluid Non Newtonian Fluid

Viskositas tidak bergantung pada shearratedan shearstress,tapi h t d h t t i pada suhu,komposisi,pH,dan beberapa parameterpsikokimia C Contoh:organisme sel tunggal h i l l

Viskositas ikut menurun dengan meningkatnya shearrate Contoh:Pseudoplastic fluid seperti organisme mycelial,dan microbialpolysaccharide

Gambar 2.Rheology Definitions

Gambar 3.Rheology Equations

BulkMixing

Powerinputdari bulkmixinglebih banyak digunakan untuk micromixing dan dispersi gasjika dibandingkan untuk co g da d spe s gas j a d ba d g a u tu fermentasi aerobik Bulkmixingyangbaik:yangdapat menjaga homogenitas broth g g Parameterbulkmixing:mixingtime

Turbulensi dalam micromixing dapat berpengaruh pada mekanika fluida dari degradasi sel dan molekul biologi

Micromixing

Tipe impeller p p

Kecepatan p

Ukuran dan G t i Vessel l Geometri V

Laju Alir Gas