STUDI EKSPERIMENTAL HIDRODINAMIK DAN PERPINDAHAN MASSA GAS- LIQUID DI DALAM AIRLIFT BIOREACTOR MENGGUNAKAN FLUIDA NEWTONIAN DAN NON-NEWTONIAN

Abstract

ABSTRAK: Sebagian besar proses fermentasi di industri berlangsung dalam suasana aerobik dan umumnya dilakukan di dalam media kental baik Newtonian maupun non-Newtonian. Masalah utama yang dihadapi pada semua jenis bioreaktor adalah kecilnya laju perpindahan massa oksigen ke dalam media kental. Penelitian ini melakukan percobaan dengan menggunakan reaktor jenis Internal-Loop Airlift Bioreactor, dengan menggunakan tiga jenis fluida, dengan empat konsentrasi berbeda, dan lima variasi kecepatan superfisial gas (Vsg). Hasil penelitian mengambarkan bahwa koefisien perpindahan massa volumetrik (kLa) mengalami peningkatan sebanding dengan meningkatnya Vsg, namun berbanding terbalik dengan kenaikan konsentrasi fluida. Gas holdup (εG) merupakan faktor penting dalam peningkatan nilai kLa, selain propertis fluida, sifat fisika, dan desain reaktor. Hasil terbaik didapatkan ketika menggunakan variasi Vsg 9,6x10-3 ms-1 . Larutan gliserol memberikan hasil terbaik pada konsentrasi 2,5% dengan nilai εG 0,108 dan menghasilkan nilai kLa 0,0131, larutan xanthan gum pada konsentrasi 0,02% dengan nilai εG 0,1165 dan menghasilkan nilai kLa 0,0097, larutan CMC pada konsentrasi 0,025% dengan nilai εG 0,1098 dan menghasilkan nilai kLa 0,0106. Hasil utama dari penelitian ini adalah korelasi empiris untuk mengkalkulasi nilai kLa yang dihubungkan dengan Vsg dan viskositas fluida. Persamaan empiris kLa dan εG untuk fluida Newtonian adalah 0,3729 Vsg0,7044 μL -1,9832 dan 2,5006 Vsg0,6967 μL - 0,7440 . Persamaan empiris kLa dan εG untuk fluida Non-Newtonian adalah 0,0411 Vsg0,3172 μeff 0,0476 dan 1,0159 Vsg0,5879 μeff -0,1036 .

Kata Kunci: Air-lift Bioreaktor; Gas holdup; kLa; Transfer massa; Rezim aliran

ABSTRACT: Most of the fermentation processes in industry take place in an aerobic atmosphere and are generally carried out in both Newtonian and non-Newtonian fluid. The main problem faced by all types of bioreactors is the small mass transfer rate of oxygen into the viscous medium. This study conducted an experiment using an Internal-Loop Airlift Bioreactor type reactor, using three types of fluid, with four different concentrations, and five variations of the superficial velocity of the gas (Vsg). The results of this study found that the volumetric mass transfer coefficient (kLa) has increased in proportion to the increase in the superficial velocity of the gas, but inversely proportional to the increase in fluid concentration. Gas holdup (εG) is an important factor in increasing the value of kLa, in addition to fluid properties, physical properties, and reactor design. The best results were obtained when using the Vsg variation 9.6x10-3 ms-1 . The glycerol solution gave the best results at a concentration of 2.5% with an εG value of 0.108 and resulted in a kLa value of 0.0131, xanthan gum solution at a concentration of 0.02% with an εG value of 0.1165 and a kLa value of 0.0097, solution CMC at a concentration of 0.025% with an εG value of 0.1098 and a kLa value of 0.0106. The main outcome of this study is empirical correlation to calculate the kLa value associated with Vsg and fluid viscosity. The empirical equations kLa and εG for Newtonian fluids are 0.3729 Vsg 0.7044 μL -1.9832 and 2.5006 Vsg 0.6967 μL -0.7440. The empirical equations kLa and εG for Non-Newtonian fluids are 0.0411 Vsg 0.3172 μeff 0.0476 and 1.0159 Vsg 0.5879 μeff -0.1036 .

Keywords: Air-lift Bioreactor; Gas holdup; kLa; Mass transfer; Flow regime