Bioreaktor Kultur Jaringan

1. DEFINISI BIOREAKTOR
Bio-Reaktor merupakan wadah/bejana (dapat terbuat dari kaca atau baja) tempat terjadinya suatu interaksi bagian mahluk hidup (tanaman) dengan lingkungan (medium cair, udara dll), di mana interaksi tersebut kondisikan pada lingkungan yang terkendali (steril) dan bersifat aerob dengan tujuan mendapatkan propagul dalam jumlah besar.

2. PEMBAGIAN BIOREAKTOR BERDASARKAN SISTEM KONTROL
a. Bioreaktor Dengan Kontrol Otomatis
Bioreaktor dengan kontrol otomatis pada umumya digunakan dalam riset dan industri propagasi sel maupun organ. Secara umum digunakan untuk tujuan mengetahui produktifitas dan mempelajari biosintesis suatu senyawa aktif yang bernilai ekonomis dari kultur sel maupun organ, sehingga dapat dilakukan manipulasi dalam menghasilkan senyawa aktif dalam kapasitas yang besar. Kontrol otomatisasi pada bioreaktor jenis ini meliputi :
– Kontrol temperatur kultur
– Kontrol pH kultur
– Kontrol konduktivitas
– Kontrol sistem kultur (termasuk waktu kultur, medium, bahan elisitor)
– Kontrol aerasi
– Kontrol atmosfer kultur (gas CO2 dan gas etilen)
– Kontrol homogenasi kultur
Sistem otomatisasi dijalankan oleh suatu sistem dan peralatan dengan teknologi tinggi yang telah diatur dengan sistem komputasi

Gambar contoh Bioreaktor full otomatis

b. Bioreaktor Dengan Kontrol Semi Otomatis (Sederhana)
Bioraktor dengan kontrol semi otomatis banyak digunakan dalam riset dan produksi propagul (umumnya berupa organ, PLB, tunas, dan plantlet) dalam kapasitas kecil maupun besar. Bioreaktor jenis ini dioperasikan dengan bantuan manusia dan peralatan sederhana. Kontrol kondisi fisik dan kimia dalam proses kultur dilakukan secara manual saat (preparasi sebelum atau sesudah) kultur berlangsung dan tidak dikontrol setelahnya. Kontrol yang biasa dilakukan dalam penggunaan bioreaktor jenis ini meliputi:
– Kontrol pH saat preparasi medium (selanjutnya tidak dikontrol)
– Kontrol konduktifitas saat preparasi medium (selanjutnya tidak dikontrol)
– Kontrol aerasi saat memulai kultur (selanjutnya tidak dikontrol)
– Kontrol sistem kultur (termasuk waktu, medium, dan elisitor) saat kultur berlangsung

Gambar contoh bioreaktor semi otomatis

3. PENGGUNAAN/APLIKASI BIOREAKTOR
– Industri/riset farmasi dan biomedis
Meningkatkan dan memproduksi biomassa serta senyawa aktif dari tanaman untuk bahan baku obat
– Industri/riset propagasi
Meningkatkan dan memproduksi bibit unggul tanaman

4. TUJUAN PENGGUNAAN BIOREAKTOR
Tujuan utama dari penggunaan bioreaktor dalam kultur jaringan tanaman adalah:
– Meningkatkan biomassa (baik berupa sel, organ, tunas, plantlet)
– Meningkatkan produksi senyawa aktif
– Meningkatkan multiplikasi

5. ALASAN BIOREAKTOR UNTUK MIKROPROPAGASI
– Kontrol sistem dan handling :
– Otomatisasi (mekanis dan pneumatis)
– Kebutuhan energi dan space kecil
– Menghindari penanganan manual
– Mengurangi biaya
– Mengurangi waktu
– Peningkatan produksi

6. MACAM BIOREAKTOR BERDASARKAN KONSTRUKSI DAN SISTEM KERJA

a. Bioreaktor teragitasi secara mekanik

Stirred tank bioreaktor

Rotating drum bioreactor

Spin filter bioreactor

b. Bioreaktor teragitasi udara (pnuematik agitasi dan non agitasi)

Simple aeration bioreactor

Bubble column dan Airlift bioreactor

Balloon type bubble bioreactor (BTBB)

Gaseous phase bioreactor

c. Temporary Immersion System

7. MACAM SISTEM KULTUR DALAM BIOREAKTOR
– Batch culture : atau umumnya disebut sistem tertutup. Sistem ini menggunakan volume medium tetap untuk sejumlah inokulum eksplan tanaman dalam bioreaktor dengan lama kultur yang telah ditentukan
– Fed batch culture : merupakan variasi dari batch culture, namun dalam sistem ini dilakukan penambahan medium seiring peningkatan biomassa inokulum di dalam bioreaktor sehingga dapat memperpanjang waktu kultur
– Continuous Culture: merupakan sistem kultur dengan mengganti medium kultur secara berkala dengan medium yang baru

8. TIPE BIOREAKTOR YANG SERING DIGUNAKAN
a. Balloon Type Bubble Bioreactor (BTBB)

Sistem kerja BTBB
Sistem Airlift merupakan dasar sistem kerja dari Balloon Type Bubble Bioreacto (BTBB). Airlift merupakan sistem dimana udara sebagai faktor utama penggerak non mekanik yang berfungsi sebagai penyuplai oksigen (aerasi), pengadukan (agitasi), dan sirkulasi.
Desain konstruksi BTBB
Sistem Airlift dalam BTBB dijalankan melalui desain yang sederhana menggunakan wadah berbahan kaca, berbentuk balon dengan tabung berukuran lebih kecil terletak konsentris ditengah konstruksi balon. Wadah berbentuk balon memungkinkan sirkulasi dan agitasi udara menjangkau keseluruh bagian medium, sehingga penyerapan medium dan udara terjadi maksimal dengan sedikit resiko kerusakan sel atau jaringan akibat rendah gesekan selama pengadukan dalam medium. Tabung konsentris dibagian bawah balon merupakan saluran yang dibuat untuk jalur difusi udara yang dipecah oleh sparger keramik menjadi gelembung, dan menghindari terbentuknya busa dipermukaan medium. Berbahan kaca borosilikat yang transparan membantu memaksimalkan penetrasi cahaya pada eksplan.
Kelebihan dan kekurangan BTBB
Kelebihan :
– Meningkatkan dispersi dan pencampuran, Daya potong/gesek rendah, Aerasi medium optimal, dan Dapat digunakan untuk berbagai kultur tanaman
Kekurangan :
– Menimbulkan busa Rentan terjadi hiperhidrisitas

b. Temporary Immersion System Bioreactor (TIS-B)

Sistem kerja TIB
Sistem perendaman sementara (temporary immersion system) merupakan dasar sistem kerja dari Temporary Immersion Bioreactor (TIB). Sistem ini bekerja dengan cara mengatur posisi medium untuk merendam (suplai nutrisi) eksplan dan posisi stand by (kembali ke reservoir), sehingga nutrisi diserap tanaman secara berkala. Sistem kerja Temporary immersion dengan bantuan tekanan udara dan grafitasi.
Desain konstruksi TIB
Desain kompak TIB terdiri dari 3 (tiga) bagian utama, yaitu: medium vessel, culture vessel, dan vessel cap. Konstruksi sederhana dengan sillicone o-ring untuk menghindari kebocoran udara dan medium diperkuat dengan penggunaan klem stainless sederhana agar mudah dirakit. Desain kompak TIB meminimalkan penggunaan banyak vessel (wadah) dalam rangkaian bioreaktor. Berbahan kaca borosilikat yang transparan membantu memaksimalkan penetrasi cahaya pada eksplan. Aliran udara yang masuk melalui port medium vessel akan memberikan tekanan terhadap medium, sehingga medium dapat bergerak menuju ke posisi culture vessel. Dan ketika aliran udara berhenti, medium kembali ke posisi medium vessel menggunakan gaya grafitasi. Pengadukan (agitasi) medium dan eksplan terjadi saat terdapat aliran udara sehingga suplai oksigen, sirkulasi udara dan penyerapan nutrisi berjalan maksimal.
Kelebihan dan kekurangan TIS-B
Kelebihan :
– Terhindar dari perendaman eksplan dalam media cair Hyperhidrisitas berkurang dan tanaman tampil lebih baik selama masa aklimatisasi
Kekurangan :
– Tidak dapat digunakan untuk kultur suspensi sel

9. PERSYARATAN BAHAN DAN KOMPONEN DALAM PEMBUATAN BIOREAKTOR (MODIFIKASI)
– Semua komponen bioreaktor harus sepenuhnya autoclavable /dapat disterilkan dan dapat mempertahankan sterilitas selama beberapa waktu
– Wadah untuk pertumbuhan (culture camber)harus transparan untuk memaksimalkan transmisi cahaya dan bersifat tembus pandang (visible)
– Bahan yang digunakan harus kuat, bahkan jika terbuat dari kaca
– Komponen harus mudah dirakit dan dibongkar untuk mempermudah dibersihkan
– Mengurangi pembukaan minimal untuk menghindari kontaminasi.
– Terdapat ventilasi untuk suplai oksigen sehingga terhindar dari kerusakan sel, jaringan atau organ tumbuhan yang dikulturkan
– Agitasi mekanik maupun non mekanik yang digunakan harus sesuai agar tidak merusak biomassa
– Bioreaktor yang terbuat dari kaca atau plastik, harus memiliki konstruksi ruang yang kuat untuk menahan berat, tekanan dan goncangan dari biomassa
– Mampu untuk disesuaikan dengan sistem kerja yang diinginkan

10. ALUR KERJA PROPAGASI TANAMAN DALAM KULTUR JARINGAN TANAMAN MENGGUNAKAN BIOREAKTOR

11. PERBANDINGAN EFISIENSI PROPAGASI TANAMAN MENGGUNAKAN BIOREAKTOR