Dosen: Heri Hermansyah, Ph.D

Design The

Interactions Design Philosophy Between

Oxygen and Heat Transfer

Oxygen Oxygen Transfer Heat Transfer

Design PhilosophyDesign Philosophy

Design Philosophyg p y

F t k l t bFermentor merupakan alat yang berguna sebagai tempat yang terproteksi,

terkontrol dan merupakan lingkunganterkontrol, dan merupakan lingkungan yang homogen dimana fermentasi dapat berlangsung secara aman dan mencapai

t j t t ttujuan tertentu

Design PhilosophyTujuan dari rational design adalah untuk menghasilkansuatu rencana yang dibutuhkan untuk menghasilkansuatu rencana yang dibutuhkan untuk menghasilkansistem yang ekonomis dan memenuhi performancecriteria

Faktor utama yang harus diperhatikan dalam mendesain alat produksi :

Reliability

Safety

Cost

Compliance with regulatory requirements

Design Philosophy

Faktor yang harus diperhatikan sesegeraFaktor yang harus diperhatikan sesegeramungkin dalam mendesain fermentor :

Monitoring/ Control

Sterilization methods

Number of addition

Types of addition Control methods vessels vessels

Design PhilosophyPlant

scheduling

Space constraints

Operating VS capital

cost

Outside factor yang harusyang harusdiperhatikan

dalammendesainfermentor

Containment and

validation requirements

Overall labor requirement

Relationship betweenPotential between fermentor

productivity and throughput

rates of downstream equipment

U ili

Potential interruptions

in normal plant

operation

Utility requirements

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 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 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 f t i j di h l t ti t kfermentasi menjadi hal yang sangat penting untuk dilakukam

The Interaction Between Oxygen

L j i d h k i ( f ) l

The Interaction Between Oxygen and Heat Transfer Laju perpindahan oksigen (oxygen transfer rate) selama

pertumbuhan sel ditentukan oleh laju pertumbuhan spesifiksel (μ), konsentrasi sel (X), dan yield coefficient sel pada oxygen (Yx/o)

// X OOTR Y X Total panas yang tebentuk selama pertumbuhan sel

merupakan jumlah dari panas metabolik yang terbentuk

(Qmet) dengan panas yang terbentuk dari agitasi (Qmech)

Q Q Qtot met mechQ Q Q

The Interaction Between Oxygen

Oxygen and Heat Transfer Requirement: Effects of Scale

and Heat TransferOxygen and Heat Transfer Requirement: Effects of ScaleOTRMmol/L.h

Volumem3

Pressurepsig

% Oxygen Powerhp

Heat LoadBtu/h x 104

CoolantoF

150 1 15 21 5.0 0.084 40200 1 25 21 4.9 0.107 40300 1 35 21 7 1 0 161 40300 1 35 21 7.1 0.161 40400 1 35 19 6.9 0.208 40150 10 15 21 50.2 0.884 40150 10 15 21 50.2 0.884 40200 10 25 21 50.0 1.078 40300 10 35 21 75.7 1.621 22400 10 35 19 77.0 2.096 5

The Interaction Between Oxygen

F t ti hi t i

and Heat TransferFermentation histories :

Oxygen ad Heat transfer for unlimited and limited OTRTime Cell mass OTRTime

hCell mass

g/LOTR

mmol/L.hμ

h-1

I II I II I II

0 1 0 2 0 19 38 0 6 0 60 1.0 2.0 19 38 0.6 0.6

1 1.8 3.6 34 68 0.6 0.6

2 3.3 6.6 62 124 0.6 0.62 3.3 6.6 62 124 0.6 0.6

3 5.9 11.8 111 222 0.6 0.6

4 10.5 20.0 197 350 0.6 0.56

5 18.3 29.8 344 350 0.6 0.38

6 31.0 39.0 582 350 0.6 0.29

7 50.0 47.8 938 350 0.6 0.23

7.25 - 50.0 - 350 - 0.22

Oxygen TransferOxygen Transfer

Oxygen TransferOxygen Transfer

Pada bagian ini akan dibahas mengenai :

Theoritical

Increasing OTR, and the consequences•Foaming

Agitation• Tip Speed and ShearTheoritical

Considerations•Gas Holdup•Gas Linear Velocity•Gassed Power•Pressure•Oxygen Enrichment

Oxygen Transfer – Theoretical considerations

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

2 2( )g O O avOTR K a P P

Partial pressure of oxygen in the gasP

OTR juga dapat di ekspresikan dalam oxygen material

2

2

Partial pressure of oxygen in the gas

equilibrium partial pressure of oxygen in the brothO

O

P

P

OTR juga dapat di ekspresikan dalam oxygen material balance

OTR = Fiyi - Foyo

Dimana :Fi= molar flow rate gas inFo= molar flow rate gas outY= mol fraction of oxygen

Increasing OTR, and the Consequences

OTR dapat ditingkatkan denganmeningkatkan koefisien transfer oksigen2 2

( )O O lmP P

(Kga) atau . Kga dapat ditingkatkandengan meningkatkan gassed horsepowerg g g p(Pg/V),kecepatan linear gas (vg), ataukeduanya dapat ditingkatkan dengan

2 2( )O O lmP P

keduanya. dapat ditingkatkan denganmenigkatkan tekanan vessel atau denganoxygen enriching pada inlet airoxygen enriching pada inlet air.

FoamingFoaming Ada dua sistem dasar untuk mengatasi foam :

secara mekanik dan kimia.

Secara mekanik, sebuah impeller Secara mekanik, sebuah impellerberkecepatan tinggi memecah foam dengan cara membawanya menuju impeller dan memecahnya dengan gaya mekanikmemecahnya dengan gaya mekanik

Alat ini tidak dapat digunakan untuk mammalian cell culture karena terbentuknya

b d k lgaya yang besar yang dapat merusak sel.

Chemical antifoams diklasifikasikan menjadi dua kategori : metabolizable ( vegetable oil), g ( g ),nonmetabolizable (silicones,polypropilene glycols). Beberapa dapat menurunkan transfer oksigen dan yang lain dapat memberikan efek

Typical mechanical foam breaker

oksigen dan yang lain dapat memberikan efek negatif pada peralatan recovery.

Gas Hold upGas Hold up

Gas 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( gassed ) ( g)

Gas Linear VelocityGas Linear Velocity G li l it tid k h hi K Gas linear velocity tidak hanya mempengaruhi Kga

tetapi juga driving force ( melalui material balance).

Meningkatkan vg cenderung akan menurunkan gassed horsepower, Pg.

Foaming dan gas holdup akan naik seiring naiknya Foaming dan gas holdup akan naik seiring naiknya vg.

Low gas velocities dan foam levels dapat b h k b b i timembahayakan beberapa organiseme seperti

mammalian cells walaupun pada laju agitasi yang rendah.

Pada fixed actual VVM (Volume per minute), vgakan naik sering dengan naiknya volume.

Gassed powerGassed power Daya dialirkan ke fluida melalui dua

mekanisme : gaya mekanikal dari impeller, dan gaya yang terbentuk dari ekspansi gas.

Daya yang dapat diberikan impeller akan y y gmenurun seiring dengan meningkatnya gas flow.

PressurePressure

Driving force untuk oxygen transfer dapatditingkatkan dengan meningkatkan tekanang g gvessel, yang akan meningkatkan tekananparsial oksigen.parsial oksigen.

Oxygen EnrichmentOxygen Enrichment

Oxygen transfer rate juga dapat ditingkatkan dengan memperkaya udara inlet dengan oksigen, yang akan meningkatkan PO2. g O2

Teknik ini biasa digunakan di lab, tetapi untuk skala yang lebih besar dapatuntuk skala yang lebih besar dapat menimbulkan masalah yang serius.

AgitationAgitationG d h dib t hk Gassed horsepower yang dibutuhkan (pada gas flow yang tetap) dapat diperoleh dengan menggunakan berbagai kombinasidengan menggunakan berbagai kombinasi dari kecepatan impeller, ukuran, tipe, jarak dan jumlahdan jumlah.

Setiap kombinasi memberikan efek yang berbeda pada fermentasi dan desainnyaberbeda pada fermentasi dan desainnya.

Untuk banyak fermentasi microbial, rasio diameter impeller terhadap diameter tangkidiameter impeller terhadap diameter tangki berkisar antara 0.35 dan 0.45

Tip Speed and ShearTip Speed and Shear S ti i d t k l h k ik l d i Setiap organisme dapat rusak oleh gaya mekanikal dari

fluida. Besarnya kerusakan dipengaruhi oleh sumber,magnitud, dan durasi dari gaya tersebut. Single-cell microbes sangat resistant Single cell microbes sangat resistant Mycelial organism sedikit resistant Mammalian cell sangat sensitif

Tip speed rule merekomendasikan agar impeller tip speed Tip speed rule merekomendasikan agar impeller tip speed tidak melebihi 1500 feet per minute (fpm) (762 cm/s). Hal ini didasarkan pada hasil observasi beberapa tahun lalu, yaituterjadi kerusakan pada mycelial organism pada tip speed j p y g p p plebih besar dari 1500 fpm

Berikut ini adalah persamaan mengenai tip speed, vt

v =3 14 d Nvt=3.14 di Ndimanadi= 915 (Pg/Vt

3)0.5

N= 0 0165 (v 5/P )0 5N= 0.0165 (vt5/Pg)0.5

Heat TransferHeat Transfer

Heat TransferHeat Transfer Driving force untuk perpindahan panas dari satu poin Driving force untuk perpindahan panas dari satu poin

ke poin lainnya adalah perbedaan temperatur,∆T antara dua poin.L j d i i d h Q b di d Laju dari perpindahan panas, Q, sebanding dengan driving force dan berbanding terbalik dengan resistansi, R.

Q= ∆T /R Resistansi berbanding terbalik dengan area(A) dan

koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)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

• Terdiri dari lapisan‐lapisan (layers)k d l b h l b d k

Laminar Flow

• Pergerakannya ada yang lebih lambat dari kecepatanaliran bulk

• Sistem difusinya sederhanaFlow Sistem difusinya sederhana

Turbulent • Fluida dapat tercampur dengan sempurna karenakecepatan fluida terdispersi sangat cepatTurbulent 

Flowecepata u da te d spe s sa gat cepat

Gambar 1. Fluid Mechanics Definitions

Konsentrasi:

Sel

Substrat

Morfologi sel:

UkuranFleksibilitas

&  Tekanani b th Shear rate

Polimer

Produk

P li

Bentuk

Massa

Deformabilitassel

osmosis broth Shear rate

Polimer

• Viskositas tidak bergantung padah   t  d h   t  t iN t i   shear rate dan shear stress, tapipada suhu, komposisi, pH, danbeberapa parameter psikokimiaC h   i l l

Newtonian Fluid • Contoh: organisme sel tunggalFluid

• Viskositas ikut menurun denganmeningkatnya shear rateNon‐

• Contoh: Pseudoplastic fluid seperti organismemycelial, danmicrobial polysaccharide

Newtonian FluidFluid

Gambar 2. Rheology Definitions

Gambar 3. Rheology Equations

• Power input dari bulk mixing lebih banyak digunakan untukmicromixing dan dispersi gas jika dibandingkan untuk

Bulk Mixing

c o g da d spe s gas j a d ba d g a u tufermentasi aerobik

• Bulk mixing yang baik: yang dapat menjaga homogenitas broth• Parameter bulk mixing: mixing timeg g

• Turbulensi dalammicromixing dapat berpengaruh padamekanika fluida dari degradasi sel dan molekul biologi

Micromixingmekanika fluida dari degradasi sel dan molekul biologi

Tipe impellerp p

Ukuran danG t iV lKecepatan GeometriVesselp

LajuAlir Gasj

Daya yang dihasilkan paling b di

Kelebihan

Menghasilkanli i l   

Kekurangan

besar diantaraimpeller komersiallainnya

aliran axial yang kecil sekali

Pada impeller multisistem, dapat Menurunkandibuat sistemisolasi mixing sebagian

Menurunkanintensitas agitasi

Menghasilkanaxial mixing 

KelebihanMenghasilkandaya yang 

Kekurangan

axial mixing yang bagus

daya yang kecil

Gambar 4.  Axial Flow Impeller dan PolaAlirannya

KETINGGIAN FLUIDA : DIAMETER TANGKI <2:1KETINGGIAN FLUIDA : DIAMETER TANGKI <2:1

JARAK ANTAR IMPELLER HARUS TEPAT

Terlalu dekatmenurunkan power input, OTR, dan kualitaspengadukanpengadukan

Terlalu jauh homogenitas kecil

SPACING ANTARA 1‐1,5 DIAMETER IMPELLER

Gambar 5. Jenis‐jenis impeller

Gambar 6. Viscosity ranges of different impellers

Fully baffled dapatmeminimalkan putaranmeminimalkan putarandan pusaran dari fluidadan menghindarkan darigterciptanya udara yang terselubung padag pimpeller yang dapatmengurangi power input, g g p pkualitas pengadukan, dantransfer oksigen

Gambar 7. Baffle Arrangements

Gambar 8. Type of Mixing Tanks

Membutuhkan sedikit transfer oksigenoksigen

Sangat sensitif dan mudah rusak

Tidak membutuhkan baffle dalamproses pengadukanp p g

Space 

Transportations

Space requirements

Vendor considerations

Special heads

considerations

KOMPONEN PENTING DALAM REAKTOR

Keterangan Gambar:(1) Reactor Vessel(2) Jacket(3) Insulation(4) Shroud(5) Inoculum Connection(6) Ports for pH, temperature, and dissolved oxygen sensor(7) Agitator(8) Gas Sparger(9) Mechanical Seals(10) Reducing Gearbox(11) Motor(12) Harvest Nozzle(13) Jacket Connection(14) Sample valve with steam connection(15) Sight Glass(16) Connection for acid, alkali, and antifoam chemicals(17) Air Inlet(18) Removable top

d f d l(19) Medium or feed nozzle(20) Air exhaust nozzle(21) Instrument ports(22) Foam Breaker

Gambar 9. Fermentation Tank

(23) Steam connection(24) Rupture disc nozzle

Safety

MaterialCleanability

WeldFinish WeldFinish

1.Disain sistem agitasiLokasi driveSealsShaft vibration and orientation

2. Contoh disainBasis disainTahapan perancanganDisain mekanis

3. Kesimpulan

Ada dua jenis lokasi drivetop drive dan bottom drive

Jenis Drive Keuntungan

Top drive

•Mencegah terjadinya tumpahan

•Mengurangi risiko kebocoran pada

bagian bawahbagian bawah

•Tangkai pengaduk lebih pendek

•Struktur support lebih murahBottom drive

pp

•Lebih mudah diakses dan dirawat

•Ketinggian fermentor dapat dikurangi

D’best double mechanical seal denganbahan tungsten carbide

Ada dua tipe disain:

Tipe Disain Seal Kegunaan Kondisi Operasi

Back to back Chemical reactor Housing pressure > vessel Back-to-back Chemical reactor Housing pressure > vessel pressure

T l d A ti t At h i Top seal reversed Aseptic reactor Atmospheric pressure

Vibrasi padafermentor

•Vibrasi rotor pengaduk•Instabilitas disain kecepatan

•Safety hazard•Kerusakan mekanikp

pengadukan

0 50 5 187 7/)( /)(60/2N 0.5T

0.5Tcr 187.7/=) (g/)(60/2=N

i

isT

IELW /384/5 LIEbW 3/22 ss IELW /384/5s LIEbaW iiii 3/22i