Jenis-Jenis Fermentasi: Panduan Lengkap untuk Pemula

Memilih fermentor yang tepat adalah investasi besar yang akan memengaruhi kecepatan proses Anda, jumlah produk yang Anda hasilkan, dan keuntungan Anda. Jika Anda tidak yakin fermentor mana yang tepat untuk tujuan produksi Anda? Panduan ini akan membahas berbagai jenis fermentor dan aplikasi industrinya.

Apa itu fermentor?

Bioreaktor, yang juga disebut fermentor, adalah wadah yang dikontrol dengan cermat untuk menumbuhkan mikroorganisme seperti bakteri, ragi, atau jamur untuk menghasilkan biomassa atau produk sampingan. Dalam skala bisnis, bioreaktor digunakan untuk menjaga suhu, pH, aliran udara, dan pengadukan pada tingkat yang sama sehingga mikroba dapat tumbuh dan produk dapat dihasilkan.

Klasifikasi Fermentor berdasarkan Mode Operasional

Fermentor Batch

Kapan fermentasi batch Jika digunakan, semua nutrisi dan kultur starter ditambahkan di awal. Proses kemudian dilanjutkan hingga selesai, dan semuanya dipanen. Namun, metode ini memiliki output volumetrik yang lebih rendah karena membutuhkan banyak waktu antar siklus untuk membersihkan, mensterilkan, dan menyiapkan peralatan. Selain itu, metode ini juga hanya memberikan kendali terbatas atas proses setelah dimulai.

Penggunaan umum meliputi pembuatan antibiotik seperti penisilin, beberapa vaksin, minuman beralkohol unik, dan bahan kimia yang tidak diproduksi dalam jumlah besar. Pembuatan ragi roti atau banyak fermentasi bir klasik adalah contoh bagus dari hal ini di dunia bisnis.

Fermentor Kontinu

Fermentor kontinu adalah perangkat terbuka yang memungkinkan Anda terus menambahkan media baru dan mengeluarkan produk serta kaldu bekas secara bersamaan. Masalah utamanya adalah tingginya kemungkinan kontaminasi atau perubahan strain dalam jangka panjang, dan desain sistem serta pengendalian prosesnya lebih rumit, yang membutuhkan banyak perencanaan teknik di awal.

Mode ini paling cocok untuk barang-barang bervolume tinggi dan bernilai rendah di mana pengaturan sudah memadai dengan output yang stabil. Beberapa penggunaan penting adalah pembuatan etanol atau biofuel untuk industri. kandang ber-AC, menghasilkan protein sel tunggal (seperti mikoprotein Quorn), membersihkan air limbah, dan menghasilkan beberapa asam organik. Sebagai contoh dalam industri minuman, "fermentor menara" digunakan untuk menjaga agar bir terus berfermentasi sepanjang waktu.

Fermentor Batch Terumpan

Di dalam fed-batch, Anda memulai dengan jumlah dasar dan perlahan menambahkan nutrisi (pakan) tanpa mengurangi media kultur hingga panen. Ini memungkinkan Anda untuk mengatasi penyumbatan substrat atau represi katabolit, mengelola jalur metabolisme, dan mendapatkan jumlah sel dan produk yang sangat tinggi. Kekurangannya adalah masih membutuhkan waktu terlalu lama untuk menghasilkan produk yang diinginkan.

Ini adalah metode yang paling sering digunakan dalam industri biofarmasi dan bioproses bernilai tinggi saat ini. Produksi protein rekombinan (misalnya, pembuatan insulin dan antibodi monoklonal), sebagian besar antibiotik saat ini, dan enzim bernilai tinggi adalah contoh penggunaan umum. Biopharma International menyatakan bahwa teknologi fed-batch digunakan dalam lebih dari 701.000 proses fermentasi industri karena memberikan perpaduan terbaik antara kontrol dan hasil.

Klasifikasi Fermentor Berdasarkan Desain

Fermentor Tangki Berpengaduk (STR)

Jenis reaktor yang paling umum digunakan adalah Stirred Tank Reactor (STR). Reaktor ini menggunakan impeller mekanis untuk mengaduk dan mencampur kultur. Hal ini memungkinkan pergerakan massa yang besar (oksigen, nutrisi) dan kondisi yang merata, sehingga sangat berguna untuk berbagai viskositas dan jenis sel. Namun, bagian yang bergerak (segel, poros) membuatnya lebih sulit digunakan dan dirawat, serta meningkatkan risiko kerusakan sel sensitif akibat kontaminasi atau tekanan.

Karena sifatnya yang fleksibel, STR biasanya digunakan untuk membuat antibiotik, memproduksi protein rekombinan dalam sel mamalia, dan memfermentasi enzim. Seperti yang ditunjukkan oleh American Institute of Chemical Engineers, sebagian besar bioreaktor dan tangki farmasi baja tahan karat STR yang digunakan dalam pengolahan farmasi dan bioteknologi.

Fermentor Airlift

Fermentor airlift menggerakkan kultur dengan menyuntikkan gas (biasanya udara) di bagian bawah. Perbedaan densitas antara bagian "atas", yang diberi gas, dan bagian "bawah", yang dihilangkan gasnya, menciptakan aliran melingkar yang halus dan stabil. Desain ini menghilangkan pengaduk mekanis, yang mengurangi gesekan, kemungkinan kontaminasi, dan jumlah daya yang dibutuhkan.

Salah satu masalahnya adalah sistem ini tidak memindahkan oksigen sebaik STR ketika terdapat banyak sel, dan tidak sebaik STR dalam mencampur kaldu yang sangat kental. Sistem ini juga umumnya digunakan untuk mengolah sejumlah besar sampah dan membuat protein sel tunggal. Sistem airlift sering digunakan dalam produksi ragi industri karena efisien dan dapat ditingkatkan skalanya.

Fermentor Kolom Gelembung

Kolom gelembung adalah wadah berbentuk silinder sederhana yang diisi gas di bagian bawahnya. Ini menciptakan gelembung yang naik dan mencampur kultur serta memungkinkan udara masuk ke dalamnya. Pembuatannya bahkan lebih mudah daripada airlift karena tidak memerlukan tabung aliran udara internal. Kekurangannya adalah sulit untuk mengontrol pencampuran, dapat terjadi secara terbalik, dan tidak cocok untuk kultur dengan viskositas tinggi atau padat.

Beberapa penggunaan umum meliputi budidaya alga, beberapa fermentasi ragi, dan pembuatan bahan kimia dasar (seperti asam asetat) melalui fermentasi. Jika ditambahkan sumber cahaya, alat ini juga dapat digunakan sebagai fotobioreaktor. Banyak pabrik etanol industri menggunakan kolom gelembung besar untuk tahap pertama fermentasi.

Fermentor Isi Penuh

Dalam fermentor unggun terpadat, sel-sel menempel pada matriks pendukung padat yang dikemas ke dalam kolom. Matriks pendukung ini dapat terbuat dari butiran gel atau serat berongga. Nutrien dipompa perlahan melalui unggun datar ini. Beberapa masalah utama dengan metode ini termasuk kemungkinan terjadinya penyaluran (aliran tidak merata) dan pengendalian pH serta kadar oksigen dalam unggun yang tebal.

Reaktor-reaktor khusus ini sangat cocok untuk memproduksi berbagai zat berulang kali dengan sistem enzim atau sel yang telah difiksasi. Beberapa penggunaan umum meliputi pembuatan sirup jagung fruktosa tinggi dengan glukosa isomerase yang telah difiksasi dan menghilangkan nitrogen dari air limbah.

Fermentor Unggun Terfluidisasi

Dalam kasus ini, sel-sel menempel pada partikel kecil dan tebal yang tetap berada di udara karena aliran gas dan/atau cairan ke atas. Metode ini menggabungkan fitur terbaik dari unggun terpadat dan perangkat tersuspensi menjadi satu. Beberapa masalah dengan metode ini adalah membutuhkan banyak energi untuk memfluidisasi, partikel dapat hilang, dan hidrodinamikanya rumit, sehingga sulit untuk ditingkatkan skalanya.

Jika Anda membutuhkan sentuhan yang kuat dan laju reaksi yang cepat dengan katalis yang sudah ada, reaktor ini adalah yang Anda butuhkan. Reaktor ini digunakan untuk meningkatkan pengolahan air limbah guna menghilangkan BOD, beberapa reaksi biokatalitik, dan beberapa jenis fermentasi ragi.

Fermentor Membran

Fermentor membran memiliki unit penyaringan yang memisahkan produk atau produk sampingan dari kultur sel sambil menjaga sel tetap berada di dalam reaktor. Hal ini dapat dilakukan menggunakan ultrafiltrasi atau mikrofiltrasi. Ini memungkinkan jumlah sel yang sangat tinggi, pembuangan produk secara konstan (yang dapat membantu dengan penghambatan umpan balik), dan penggunaan kembali sel-sel lama. Lendir menumpuk pada membran; biayanya lebih mahal dan lebih rumit, serta membutuhkan sistem kontrol yang sangat canggih.

Desain berteknologi tinggi ini digunakan untuk tugas-tugas berkelanjutan dan bernilai tinggi. Beberapa penggunaan terpentingnya adalah pembuatan asam laktat, pembuatan etanol secara berkelanjutan dengan daur ulang sel, dan pertumbuhan kultur sel mamalia perfusi untuk protein yang tidak stabil.

Fotobioreaktor

Fotobioreaktor (PBR) dibuat untuk menumbuhkan makhluk hidup yang menggunakan cahaya untuk membuat makanan, seperti alga dan sianobakteri. PBR mengontrol jumlah cahaya yang masuk (melalui pencahayaan internal atau permukaan transparan), memindahkan CO2, dan mencampurnya. PBR tertutup menjaga kebersihan dan memberikan banyak kendali, tetapi membutuhkan biaya besar dan dapat mengalami masalah penumpukan oksigen dan keterbatasan gradien cahaya.

Penggunaan utamanya adalah untuk menumbuhkan banyak mikroalga guna mendapatkan barang-barang berharga seperti biofuel, astaxanthin, beta-karoten, dan asam lemak omega-3. Bioplastik (PHA) atau pewarna yang dibuat oleh sianobakteri juga diproduksi di dalamnya. Salah satu contoh dari dunia bisnis adalah penggunaan PBR tabung atau panel datar untuk membuat Spirulina untuk nutrasetika.

Jenis-Jenis Fermentor Khusus & Baru Muncul

Bioreaktor Sekali Pakai

Bioreaktor Sekali Pakai (SUB) menggunakan kantung sekali pakai yang sudah disterilkan sebagai wadah kultur di dalam jaket penyangga dan kontrol yang dapat digunakan berulang kali. Tidak adanya validasi pembersihan dan sterilisasi secara signifikan mengurangi waktu reaksi dan kontaminasi silang. Masalah utamanya adalah biaya berkelanjutan yang lebih tinggi untuk bahan habis pakai, skala yang terbatas (meskipun semakin membaik), dan kekhawatiran lingkungan tentang limbah plastik.

Karena fleksibel, sistem ini sangat cocok untuk organisasi manufaktur kontrak (CMO) yang bekerja dengan berbagai macam barang. Pall (Cytiva) dan Sartorius adalah dua pemasok terbesar, dan sistem mereka sekarang dapat menangani hingga 2.000 liter.

Bioreaktor Skala Kecil

Ini adalah bioreaktor yang sangat kecil dengan volume kerja sekitar 1 mL hingga 1 L. Bioreaktor ini dilengkapi dengan instrumentasi canggih dan dirancang untuk meniru kondisi bejana produksi besar. Bioreaktor ini memungkinkan Anda untuk melakukan pembuatan proses, optimasi, dan penyaringan klon dengan kapasitas tinggi sambil menggunakan bahan yang sangat sedikit.

Sistem ini sangat penting untuk mengembangkan bioproses dan melakukan studi tentang cara meningkatkan atau mengurangi skala produksi. Beberapa penggunaan umum meliputi pengoptimalan media, penyusunan strategi pemberian nutrisi baru, dan perbaikan masalah dalam proses manufaktur skala besar yang digunakan dalam obat-obatan dan bioteknologi industri. Sistem yang dibuat oleh Applikon Biotechnology dan M2P-Labs adalah standar di bidang ini. Tegangan geser, transfer oksigen, dan pencampuran dalam sistem ini sangat penting. fermentor baja tahan karat harus sesuai dengan jalur metabolisme organisme dan produk Anda (misalnya, aerobik/anaerobik).

Tabel Perbandingan: Bioreaktor Sekali Pakai vs. Bioreaktor Skala Kecil

Fitur	Bioreaktor Sekali Pakai (SUB)	Bioreaktor Skala Kecil (SDR)
Tujuan Utama	Produksi batch klinis/komersial	Pengembangan & Optimalisasi Proses
Keunggulan Utama	Menghilangkan CIP/SIP; mengurangi kontaminasi silang	Penyaringan berkapasitas tinggi dengan penggunaan sumber daya minimal.
Skala Khas	50L – 2000L	1 mL – 10L
Model Biaya	Biaya bahan habis pakai (tas) tinggi, modal lebih rendah	Biaya modal sistem yang tinggi, biaya per pengoperasian yang rendah.
Pengguna Ideal	Fasilitas manufaktur GMP multi-produk	Laboratorium penelitian dan pengembangan bioproses

Cara Memilih Fermenter yang Tepat

Pertimbangkan Produk dan Mikroorganisme Anda

Skala Produksi

Ini adalah skala laboratorium untuk penelitian dan pengembangan. Data skalabilitas diperlukan untuk program uji coba. Jadilah andal, efisien, dan nyaman dengan keterampilan penempaan KDM Steel untuk manufaktur.

Kebutuhan Kontrol & Otomasi

Untuk proses yang membutuhkan ketelitian tinggi, seperti produksi produk biologis, diperlukan sensor dan robotika berteknologi tinggi. Sistem kontrol dasar dapat digunakan untuk proses yang lebih sederhana, seperti beberapa jenis biofuel.

Anggaran & Biaya Operasional

Perhatikan total biaya kepemilikan, yang meliputi investasi awal, instalasi, layanan (seperti pendinginan dan pengadukan), perawatan, dan bahan habis pakai (seperti kantong sekali pakai atau produk pembersih).

Kepatuhan & Pembersihan di Tempat (CIP)/Sterilisasi di Tempat (SIP)

Industri yang diatur, seperti makanan dan obat-obatan, membutuhkan fermentor yang dibuat untuk siklus CIP/SIP yang telah divalidasi dan memiliki permukaan yang halus, perlengkapan yang higienis, dan paket dokumen lengkap.

Tanya Jawab Umum

Apa jenis fermentor yang paling sederhana?

Fermentor tangki campuran yang dioperasikan secara batch adalah tipe yang paling dasar. Fermentor ini populer di lingkungan skala kecil atau tingkat pemula, seperti pembuatan bir dan laboratorium pendidikan, dan tidak membutuhkan banyak otomatisasi.

Batch vs. kontinu: mana yang lebih baik?

Fermentor kontinu lebih baik dalam memanfaatkan volume untuk menjaga output tetap stabil. Sistem fed-batch, di sisi lain, seringkali membuat barang bernilai tinggi lebih efisien secara ekonomi dengan meningkatkan hasil dan menurunkan risiko.

Jenis wadah apa yang paling cocok untuk fermentasi skala besar?

Reaktor Tangki Berpengaduk (STR) adalah yang paling umum dan bermanfaat. Pilihan wadah akan bergantung pada mikroorganisme, produk, dan skala produksi yang Anda gunakan.

Ukuran fermentor apa yang saya butuhkan?

Ukuran yang Anda butuhkan bergantung pada berapa banyak yang ingin Anda produksi setiap tahun, seberapa pekat produk tersebut, dan seberapa sering Anda membuat batch produksi. Lakukan studi peningkatan skala secara mendalam dan bicaralah dengan ahli fabrikasi untuk menentukan jumlah yang terbaik.

Apakah fermentor dan bioreaktor itu sama?

“Bioreaktor” adalah istilah yang lebih umum untuk sejumlah proses biologis yang berbeda. “Fermenter” biasanya hanya merujuk pada wadah yang digunakan untuk menumbuhkan mikroorganisme seperti ragi dan bakteri.

Berapa harga sebuah fermentor?

Kisaran harga mulai dari sekitar 10.000 dolar AS untuk unit laboratorium hingga jutaan dolar AS untuk sistem industri yang sepenuhnya otomatis. Harga tersebut bergantung pada faktor-faktor seperti ukuran mesin, bahan yang digunakan, instrumen yang digunakan, dan tingkat otomatisasi yang dibutuhkan.

Apakah fermentor dapat diotomatisasi?

Ya, sebagian besar fermentor industri saat ini memiliki otomatisasi berteknologi tinggi untuk faktor-faktor penting seperti pH dan oksigen terlarut. Otomatisasi ini memastikan konsistensi, mengurangi pekerjaan manual, dan memenuhi kriteria peraturan.

Dapatkan Solusi Fermentor Kustom Anda dari KDM Steel

Baja KDM Kami bekerja sama dengan Anda untuk menciptakan dan membangun fermentor dan bejana bioproses khusus yang kuat dan sesuai dengan cara kerja Anda, desain yang Anda pilih, dan kebutuhan kepatuhan Anda. Kami merancang semua yang kami buat agar berfungsi dengan baik dan tahan lama, mulai dari tangki pengaduk yang terbuat dari baja tahan karat hingga sistem khusus. Hubungi kami dan dapatkan penawaran harga yang dipersonalisasi.