55
4 4.1
METODE PENELITIAN
Tempat Penelitian Lokasi penelitian di industri susu Pasar Rebo Jakarta Timur di dalam pemasangan
sistem dan pengambilan data fotobioreaktornya dan di Balai Teknologi Lingkungan – BPPT di PUSPIPTEK Serpong untuk perbanyakan biomassa mikroalga. Penelitian dilaksanakan mulai bulan Agustus 2010 sampai bulan Oktober 2011, terhitung sejak penyusunan proposal sampai penyusunan disertasi dapat dilihat pada Tabel 14. Tabel 14 Jadwal pelaksanaan penelitian No
Uraian
Bulan 1
2
X
X
3
4
Agustus 2010 Oktober 2011
Jan13
Feb13
Mar13
Apr13
May13
Jun13
1
Penyusunan draf proposal penelitian
2
Kolokium dan pengesahan proposal
3
Sidang Komisi
X
4
X
5
Pelaksanaan Penelitian, analisis data dan laboratorium Draf Disertasi
6
Sidang Komisi
7 8
Seminar hasil penelitian Sidang Komisi
9
Ujian Tertutup
10
Ujian Terbuka
X
11
Perbaikan Disertasi
X
4.2 4.2.1
X
X
X
X
X
X
X X X X X
Rancangan Penelitian Rancangan Teknis Fotobioreaktor Rancangan experimen terdiri atas 3 kelompok besar sistem yaitu: cerobong
(stack), heat exchanger (cooler system), kompresor beserta dengan sistem fotobioreaktor. Percobaan ini mengambil input gas yang berasal dari cerobong industry
56
susu. Gas CO2 dan emisi lain yang berasal dari cerobong disalurkan dan ditampung di dalam kompresor. Udara yang panas dari cerobong dilewatkan heat exchanger (cooler) untuk mendinginkan suhu udara yang ada, sehingga udara di dalam tampungan kompresor suhunya relatif lebih dingin. Kemudian dari kompresor, udara disalurkan langsung ke fotobioreaktor. Sebelum masuk ke fotobioreaktor, udara yang masuk diatur kecepatan udaranya menggunakan flow meter yaitu sebesar 2 liter/menit. Gambar 25 memperlihatkan sistem keseluruhan disain fotobioreaktor mikroalga sistem kontinyu yang dikembangkan bersama sama dengan tim FBR dari Bidang 2 Pusat Teknologi Lingkungan BPPT.
Gambar 25 Disain heat exchanger dan fotobioreaktor mikroalga sistem kontinyu (BPPT 2010)
Gambar 26 memperlihatkan sistem perpipaan yang berasal dari tabung kompresor dan diteruskan ke dalam sistem fotobioreaktor. Jumlah aliran udara (flow rate) yang masuk ke dalam fotobioreaktor dapat diatur melalui flow meter yang dipasang sebelum fotobioreaktor.
57
Gambar 26 Tabung kompresor dan sistem fotobireaktor mikroalga 4.2.2 Rancangan Experimen Mikroalga Perbedaan spesies/jenis mikroalga berpengaruh terdahap tingkat serapan CO2 dan emisi yang lain. Rancangan percobaan akan mencoba 4 jenis kultur murni mikroalga yang terdiri atas 2 jenis dari air laut dan 2 jenis dari air tawar, 1 mikroalga alam serta 1 kalii percobaan tanpa spesies mikroalga (kontrol). Penelitian ini juga akan melihat tingkat serapan CO2 oleh mikroalga yang berasal dari Waduk Cirata (tidak kultur murni). Sumber injeksi CO2 berasal dari cerobong industri. Dalam penelitian ini nutrien yang dipakai pakai menggunakan pupuk organik yaitu “GROWMORE”.. Rencana ujicoba jenis mikroalga dan input perlakuan yang berbeda dapat dilihat pada Tabel 15. 15 Tabel 15 Rencana beberapa perlakukan ujicoba mikroalga melalui fotobireaktor mikroalga No
Jenis Mikroalga (kultur murni) R1 Scenedesmus sp
Sumber air
Keterangan
Air Tawar
R2 R3 R4 R5
Air Laut Air Tawar Air Tawar Air Tawar
Berasal dari BTL Serpong Berasal dari P2 LIPI Berasal dari P2 LIPI Berasal Waduk Cirata -
Nannocloropsis sp Chlorella sp. Alga Alam Kontrol (tanpa spesises)
58
4.2.3
Desain Experimen Gambar 27 memperlihatkan disain experiment secara keseluruhan. Input udara
diambil dari cerobong menggunakan pipa dengan diameter 2 inch, kemudian emisi udara disedot dan dialirkan melalui heat exchanger (HE) dengan bantuan kompresor, dari kompresor emisi udara dipompa ke sistem fotobioreaktor. Persiapan yang harus dilakukan sebelumnya adalah: mengecek kebocoran fotobioreaktor, baik kebocoran udara maupun air, kemudian sterilisasi fotobioreaktor. Dilanjutkan dengan sterilisasi media dan penyiapan biomassa mikroalga dan nutrien (pupuk organik). Pengukuran sampel udara dilakukan pada inlet sebelum udara masuk ke dalam fotobioreaktor dan outlet setelah melalui fotobioreaktor mikroalga. Selain sampel kualitas udara, juga dilakukan pengambilan sampel air seperti suhu dan pH. Pengambilan sampel dilakukan dalam satu kali siklus mikroalga, berkisar 15 hari. Dari hasil tingkat serapan karbondioksida untuk masing masing jenis mikroalga tersebut, kemudian dibuat model perhitungan ekonomisnya dengan model dinamis. Secara lebih detil, disain experiment secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 27.
4.3
Metode Penyiapan Media Kultur Jenis data yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari data primer dan data
sekunder. Data primer bersumber dari hasil pengukuran di industri susu. Pengumpulan data sekunder berasal dari penelitian sebelumnya, baik yang dilakukan di instansi pemerintah maupun lembaga penelitian lainnya. Beberapa jurnal dari luar negeri dan buku yang berkaitan dengan mikroalga dan kemampuan serapan terhadap CO2 juga dipakai untuk memperkaya penelitian ini.
59
Cerobong
Perdagangan Karbon Emisi Udara
HE
Tingkat PenyerapanKarbondioksida
Kebutuhan Energi (KwH)
Oksigen Rieken Kieki
Kompresor
Alternatif penggunaan Fotobioreaktor
Pakan Ikan Bahan Bakar
Sterilisasi
Mikroalga
Biomassa Mikroalga
Biofuel
Pupuk/Nutrient
Starin Mikroalga
Gambar 27 Disain eksperimen
4.3.1
Penyiapan Media Kultur Secara garis besar media kultur mikroalga harus terdiri dari: (1) unsur makro yaitu
N dan P dengan perbandingan sesuai dengan yang diinginkan oleh para peneliti, namun menurut Harrison and Berges (2004), perbandingannya adalah 16:1:16, (2) unsur mikro (trace metals), dan vitamin. Namun dalam pelaksanaannya banyak sekali modifikasi yang dilakukan oleh para peneliti dan sifatnya sangat tergantung pada tujuan penelitiannya. Perbandingan pupuk yang dipakai adalah dua gram per satu liter air dengan kandungan N:P:K = 32:10:10. Pupuk yang dipakai berasal dari pupuk organik, dimana sangat mudah ditemukan di toko tanaman. Selain harganya relatif murah, hal ini berfungsi apabila ada pihak lain berkenan mencoba sistem fotobioreaktor mikroalga tersebut, sehingga dapat dengan mudah menemukan pupuk yang ada.
60
Media air laut yang berfungsi sebagai media kultur awal berasal dari Puslit Oseanologi LIPI Ancol. Pada keduanya dilakukan penyaringan terlebih dahulu. Air laut diatur salinitasnya menjadi 28 - 32 psu, kemudian di autoclave dan didinginkan. Air laut yang sudah disterilkan dan didinginkan kemudian diperkaya dengan media kultur dari pupuk organik yang dapat dilihat pada Gambar 28.
Gambar 28 Pupuk organik (growmore) Tabel 16 Komposisi pupuk dan kandungan nutrien Parameter Nitrogen (N) Availabel Phosphoric Acid (P2O) Soluble Potash Calsium (Ca) Magnesium (Mg) Sulfur (S) Boron (B) Copper (Cu) Iron (Fe) Magnesium (Mn) Molybdenum (Mo) Zinc (Zn)
4.3.2
Kandungan (%) 32 10 10 0.05 0.10 0.2 0.02 0.06 0.06 0.06 0.0006 0.05
Penyiapan Kultur Murni Mikroalga dan Mikroalga Alam Inokulum biakan murni mikroalga diperoleh dari koleksi kultur mikroalga di
Puslit Oseanografi LIPI dan berasal dari Laboratorium Balai Teknologi Lingkungan. Biakan ini ditumbuhkan dalam air laut atau air tawar steril yang diperkaya dengan medium pupuk organik dalam gelas erlenmeyer dalam volume 100 mL, salinitas media 28 psu. Biakan diinkubasikan dalam ruangan AC bersuhu 20+1oC dengan intensitas penyinaran sekitar 2000 luks selama 24 jam per hari. Biakan ini akan diperbanyak
61
hingga 10 liter dan kemudian dimasukkan ke dalam fotobioreaktor dengan volume 100 liter. Biakan mikroalga selalu disegarkan kembali setelah mencapai stasioner akhir. Sedangkan untuk mendapatkan mikroalga alam yang bukan berupa kultur murni berasal dari waduk Cirata Jawa Barat. Mikroalga alam ini dimasudkan untuk melihat perbandingan tingkat serapan dengan kultur murni dan melihat jenis-jenis mikroalga alam yang tahan terhadap emisi CO2. Sebelum dan sesudah dilakukan penelitian diambil sampelnya dan dianalisis di laboratorium. Terdapat lebih dari 10 jenis mikroalga yang berasal dari Waduk Cirata seperti Chlorella sp, Microcystis sp, Spirogyra sp, Sphaerocystis sp, Ankistrodesmus sp, Scenedesmus sp, Mougeotia sp, Fragilaria sp, Navicula sp, Nitzshia sp, dan Rhopalodia sp.
4.4
Sterilisasi Fotobioreaktor Mikroalga Banyak mikroalga phototrophs tumbuh dengan kontaminasi bakteri dan jamur.
Permasalahan ini merupakan hal serius yang sering terjadi pada kegiatan operasional FBR di luar ruangan. Di sisi lain FBR yang terbuat dari acrylic dan memiliki ukuran yang besar tidak memungkinkan untuk dimasukkan dalam autoclave. Untuk itu pemilihan metode sterilisasi dan bahan yang digunakan harus tepat dan efisien. Salah satu pilihan metode sterilisasi yang memungkinkan adalah metode bleach atau melarutkan HCL, sementara air pump, analyzer dan peralatan lain dapat dicegah terdapat kontaminasi bakteri dan jamur dengan penggunaan filter yang baik. Sebelum dilakukan percobaan, terlebih dahulu harus disterilisasi baik fotobioreaktornya maupun media tumbuh mikroalga untuk menghindari terjadinya kontaminasi dengan bakteri maupun organisme yang lain.
4.4.1 Metoda Sterilisasi Fotobioreaktor Sterilisasi fotobioreaktor adalah salah satu persyaratan yang harus dilakukan dalam pengoperasian suatu fotobioreaktor sebelum operasional dilakukan. Sterilisasi ini bertujuan untuk membersihkan fotobioreaktor dan mematikan semua mikroba yang tidak diinginkan.
62
Pada prinsipnya, sterilisasi dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu secara fisik (autoclave) maupun secara kimiawi (dengan senyawa kimia pada konsentrasi tertentu). Sehubungan dengan besarnya volume fotobioreaktor yang akan disterilisasi sehingga tidak memungkinkan untuk dilakukan secara fisik dengan memasukkan ke autoclave, maka pada tahap ini sterilisasi akan dilakukan secara kimiawi. Begitu pula dengan media air laut dan air tawar yang ditambah dengan (enriched) pupuk organik juga akan disterilisasi secara kimiawi. Pada tahap ini, senyawa kimia yang akan digunakan untuk mensterilisasi fotobioreaktor adalah asam klorida (HCl) 10%, sedangkan senyawa kimia yang digunakan untuk mensterilisasi media adalah chlorine dengan konsentrasi 1 ml/ 10 L yang kemudian dilanjutkan dengan penambahan thiosulfate (Na2S2O3) untuk menetralisir chlorine yang telah ditambahkan sebelumnya. Langkah sterilisasi fotobioreaktor adalah sebagai berikut: a) Kelima sistem fotobioreaktor dicuci bersih, lalu ditambahkan HCl 10%. b) Kelima tabung fotobioreaktor diisi penuh hingga seluruh bagian terbilas dengan HCl 10%. c) Fotobioreaktor dibilas dengan air tawar, lalu air dibuang. d) Kelima tabung fotobioreaktor diisi dengan air hingga penuh dan diaerasi hingga 1 x 24 jam.
Gambar 29 Proses sterilisasi fotobireaktor
63
4.4.2 Metoda Sterilisasi Media Tumbuh Mikroalga Beberapa langkah yang dilakukan untuk sterilisasi media tumbuh mikroalga adalah sebagai berikut ini: a) Disiapkan satu buah bak air berukuran sekitar 200L yang telah dicuci bersih dengan sabun dan dikeringkan, kemudian diisi dengan air tawar/air laut. b) Ditambahkan chlorine (konsentrasi 1ml/10L) ke bak dan diaerasi hingga 1 x 24 jam c) Setelah aerasi selesai, bak ditambahkan thiosulfate (konsentrasi 0.5 gr/10L) d) Pupuk organik ditambahkan ke bak air dengan konsentrasi 1 ml/L tergantung dari stok media yang mau dipakai. Metoda sterilisasi media tumbuh mikroalga di atas dilanjutkan dengan penambahan inokulum mikroalga murni yang telah diukur kepadatannya. Inokulum mikroalga kemudian dimasukkan ke bak air, diaerasi, dan seluruh media tumbuh serta inokulum mikroalga siap dimasukkan ke kedua fotobioreaktor. 4.5 4.5.1
Metode Pengumpulan dan Analisis Data Jenis/Teknik Pengambilan Data Penelitian Pengamatan dan pengambilan sampel yang dilakukan pada percobaan ini adalah
mengambil data kualitas udara setiap tiga jam (input dan output) yang meliputi CO2, O2, CH4, CO serta intensitas cahaya, sampel kualitas air (pH, temp dan salinitas) dan biomassa mikroalga diambil setiap hari. Sehubungan dengan pengukuran beberapa parameter dengan alat ukur tertentu, maka untuk memenuhi kebutuhan pengukuran tersebut di atas peralatan yang akan digunakan meliputi: Gas analyzer reiken keiki RX-515 dengan rentang pengukuran konsentrasi CO2 antara 0-20%, CH4 0-100 %, CO antara 0-100 ppm dan O2 berkisar 0100%. Hanna HI 9828 multiparameter water quality meter, yang dapat melakukan pengukuran untuk pH, salinitas, suhu dan total dissolved solid.
64
Mikroskop cahaya dan haemocytometer untuk pengukuran kelimpahan mikroalga LUX meter untuk mengukur intensitas cahaya
4.5.2 Massa CO2 yang Diserap Prinsip perhitungan massa gas CO2 dapat dilakukan dengan berdasarkan pada berat kering biomassa dan perhitungan persamaan gas ideal. Prinsip perhitungan berdasarkan berat kering biomassa adalah dengan mengasumsikan bahwa setiap gas CO2 yang digunakan untuk proses fotosintesis akan menghasilkan biomassa mikroalga. Jadi berat kering biomassa mikroalga tersebut dianggap sama dengan berat gas CO2 yang terserap selama pertumbuhan mikroalga tersebut. Cara kedua adalah dengan cara menghitung massa molekul CO2 yang diinjeksikan dalam FBR. Menurut hukum persamaan gas ideal yang diturunkan dari hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lusac menyatakan bahwa massa suatu zat setara dengan massa molekul zat tersebut yang dinyatakan dalam 1 (satu) mol. Dengan asumsi hukum-hukum di atas, maka massa gas CO2 dapat dihitung dari jumlah mol dan volume gas CO2 yang masuk dalam FBR. Rincian penurunan rumus perhitungan gas CO2 adalah sebagai berikut : Hukum Boyle : menyatakan bahwa apabila suhu gas konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas semakin berkurang. Dengan demikian volume gas berbanding terbalik dengan tekanannya. V ~ 1/P ------→ T konstan dimana ~ = sebanding V
: volume (meter kubik = m3)
P : tekanan ( Newton per meter kuadrat (N/m2) = Pascal (pa)) T: suhu (Kelvin = K)
(4)
65
Hukum Charles : menyatakan hubungan antara suhu dan volume gas. Apabila tekanan gas konstan, maka ketika suhu mutlak gas bertambah, volume gas akan bertambah, sebaliknya ketika suhu mutlak gas berkurang, volume gas juga ikut berkurang. Secara matematis ditulis sebagai berikut : V ~ T ------→ P konstan
(5)
Hukum Gay-Lussac menyatakan bahwa pada volume gas konstan, tekanan gas bertambah, maka suhu mutlak gas akan bertambah, demikian juga sebaliknya. Jadi volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya. P ~ T ------→ V konstan
(6)
Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac diatas menghasilkan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Ketiga hukum tersebut memiliki keterkaitan erat dan saling mempengaruhi, sehingga bila diturunkan akan menghasilkan hukum persaman gas ideal. Jika hubungan 4, hubungan 5 dan hubungan 6 digabung menjadi satu, maka akan dihasilkan seperti ini : P V ~ T ------→
(7)
Hubungan ini menyatakan bahwa perkalian antara tekanan (P) dan volume (V) gas dalam suatu tempat akan sebanding dengan suhu mutlak (T) nya. Hubungan 7 dapat ditulis menjadi 2 persamaan :
keterangan : P1
= tekanan kondisi 1
P2
= tekanan kondisi 2
V1
= volume kondisi 1
V2
= volume kondisi 2
T1
= suhu mutlak kondisi 1
T2
= suhu mutlak kondisi 2
66
Setelah mengetahui hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas, maka massa gas akan dengan mudah dapat dihitung, karena setiap zat atau materi, termasuk zat gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul mempunyai massa. Massa gas (m) berbanding lurus dengan volume gas (V). Secara matematis ditulis seperti ini : V ~ m ------→
(8)
Jika perbandingan 7 digabung dengan perbandingan 8 maka akan menjadi seperti ini : PV ~ mT ------→
(9)
Pada perbandingan 9 di atas, apabila kita menggunakan jumlah mol (n) untuk menyatakan ukuran suatu zat maka diperlukan konstanta perbandingan yang besarnya sama untuk setiap gas. Konstanta perbandingan yang dimaksud adalah konstanta gas universal (R) yang nilainya adalah 8.315 (J/mol.K) atau 0.0821 (L.atm / mol.K). (J = Joule, K = Kelvin, L = liter, atm = atmosfir, kal = kalori)
Sehingga persamaan gas ideal menjadi: PV
= nRT
PV
= (m/BM) RT
m/V
= P BM/RT
ρ
= P BM/RT
keterangan: P
= tekanan gas (atm)
V
= volume gas (liter)
n
= jumlah mol
R
= konstanta gas universal (0,08205746 L.atm K-1 mol-1)
T
= suhu mutlak gas (273 K)
BM
= berat molekul
M
= massa molekul (gram)
ρ
= berat jenis (gram/liter)
Persamaan ini dikenal dengan julukan hukum gas ideal atau persamaan keadaan gas ideal. Di dalam menentukan massa gas CO2 adalah mengalikan berat jenis gas dengan volume gas yang dialirkan di dalam fotobioreaktor mikroalga.
67
Kepadatan sel dihitung dengan haemositometer (Boney 1974). Selain itu, ada berbagai macam cara untuk menghitung jumlah sel antara lain, perhitungan dalam cawan (plate count), perhitungan langsung dibawah mikroskop (direct microscopic count), atau perhitungan dengan bantuan alat yang disebut penghitung Coulter (Coulter counter). Pada metode perhitungan langsung dibawah mikroskop, sampel diletakkan di dalam suatu ruang hitung (seperti haemositometer) dan jumlah sel dapat ditentukan langsung dengan bantuan mikroskop. Rumus yang digunakan untuk perhitungan kelimpahan sel mikroalga adalah sebagai berikut (Guillard 1973): Apabila kepadatan rendah Penghitungan menggunakan kotak besar (A, B, C, dan D). Mikroalga yang dihitung adalah mikroalga yang berada di dalam kotak besar (A, B, C, dan D) dan yang menyentuh garis batas kotak besar tersebut. Kepadatan fitoplakton per mL kemudian dihitung menggunakan rumus berikut. Kepadatan mikroalga per mL = ((kepadatan kotak A + B + C + D) / 4) x 104 Apabila kepadatan tinggi Penghitungan menggunakan kotak kecil (a, b, c, d, dan e). Mikroalga yang dihitung adalah mikroalga yang berada di dalam kotak kecil (a, b, c, d, dan e) dan yang menyentuh garis batas kotak kecil tersebut. Kepadatan fitoplakton per mL kemudian dihitung menggunakan rumus berikut. Kepadatan mikroalga per mL = (kepadatan kotak a, b, c, d, dan e) x 5 x 104 Penghitungan kepadatan plankton menggunakan Hemocytometer Improved Neubauer seperti pada Gambar 30.
68
Gambar 30 Hemocytometer improved neubauer 4.5.3 Pengukuran Laju Pertumbuhan Mikroalga Pengukuran laju pertumbuhan (growth (growth rate) rate dari mikroalga dilakukan berdasarkan analisis yang dilakukan sebagai berikut: Laju pertumbuhan spesifik (μ) mikroalga dihitung dengan formula menurut Krichnavaruk et al. (2004), pada persamaan::
keterangan : Nt = Kepadatan adatan populasi pada waktu ke-t; No = Kepadatan populasi sel pada waktu keke-0; To = Waktu awal; Tt = Waktu pengamatan.
69
4.5.4 Efisiensi Penyerapan Karbondioksida (CO2) dan Kelarutan Gas Efisiensi penyerapan karbondioksida (CO2) oleh kultur mikroalga dihitung berdasarkan sebagai berikut (modifikasi dari Sobczuk 1999):
Efisiensi penyerapan
= [CO2]to – [CO2]tn / [CO2)to x 100% ….(10) Kelarutan gas, tidak seperti kelarutan zat padat dalam air, menurun seiring dengan kenaikan suhu. Pada tekanan parsial sampai 1 atm, konsentrasi keseimbangan gas dalam larutan pada suatu suhu tertentu sebanding dengan tekanan parsial gas dalam air, sesuai dengan hokum Henry:
Cs = H P. (11) dengan: Cs = konsentrasi jenuh atau keseimbangan gas dalam larutan, mg/l P = Tekanan parsial phase gas dalam air, atm H = koefisien kelarutan Henry. Hukum Henry banyak digunakan pada gas-gas yang sering dijumpai dalam teknik pengolahan air seperti oksigen, metana, karbondioksida, dan hidrogen sulfida. CO2 terlarut bereaksi dengan air sebagai berikut: CO2 + H2O H2CO3
(12)
H2CO3 H+ + HCO3
(13)
HCO3-H+ + CO3
(14)
4.5.5
Metoda dan Pengambilan Sampel Proximate Parameter proximate yang diukur pada kegiatan ini meliputi sampel klorofil a,
nutrien, lemak, protein, dan berat kering.
Pengambilan sampel selama percobaan
dilakukan sebanyak tiga kali, pada awal, pertengahan dan akhir percobaan. Alat dan Bahan yang diperlukan antara lain wadah 100 ml, pipet ukur 5 ml, filter flash, rubber pump, kertas saring GFC diameter 48 mm, aluminium foil, kertas label, pinset, dan gelas ukur 50ml.
Tahapan pengambilan sampel adalah sebagai berikut :
70
1. Sampel media diambil melalui kran dengan wadah 100 ml. Yang perlu diperhatikan dalam pengambilan sampel ini adalah pada saat membuka kran, air sampel harus dibuang sedikit, untuk menghindari kotoran akibat korosi dari kran. 2. Sampel yang diperoleh kemudian disaring sebanyak empat kali untuk dianalisis kandungan klorofil-a, lemak, protein dan karbohidrat dengan volume masing-masing seperti terlihat pada Tabel 17. 3. Kertas saring bekas penyaringan kemudian dilipat menjadi 4 dengan bantuan pinset dan dibungkus dengan aluminium foil serta dimasukkan ke kantong-kantong plastik. 4. Sampel yang sudah terbungkus diberi kode sampel dan disimpat dalam freezer sebelum dialukan analisis lebih lanjut. Tabel 17 Jumlah sampel (volume) yang diambil untuk beberapa parameter analisis proximate No Volume Keperluan Analisa sampel (ml) 1 5 Protein 2 10 Lemak 3 10 Klorofil a 4 20 Karbohidrat 5 50 Berat Basah Tabel 18 memperlihatkan jadwal pengukuran parameter kualitas udara, intensitas cahaya, kualitas air media dan pengambilan sampel biomassa dan proximate. Pengukuran kualitas udara dan intensitas cahaya dilakukan setiap tiga jam sekali,pengambilan sampel nutrien dan proximate setiap lima hari sekali, sedangkan parameter yang lain dilakukan setiap hari sekali seperti biomassa.
71
Tabel 18 Jadwal pengukuran/pengambilan sampel
4.6
Pemodelan Profitabilitas Fotobioreaktor menggunakan PowerSim Setelah mendapatkan semua data pengukuran, maka dilakukan pemodelan untuk
melihat faktor faktor dominan tingkat penyerapan karbondioksida oleh mikroalga dan tingkat pertumbuhan mikroalga. Dengan menggunakan simulasi maka model akan mengkomputasikan jalur waktu dan variabel model untuk tujuan tertentu dari asupan sistem dan parameter model. Model juga dapat digunakan untuk keperluan optimasi, dimana suatu kriteria model dioptimalkan terhadap asupan atau struktur sistem alternatif. Karena itu, model dapat dibangun dengan basis data (data base) atau basis pengetahuan (knowledge base) (Eriyatno 2003). Pemodelan sistem merupakan perumusan masalah ke dalam bentuk matematis yang dapat mewakili sistem nyata. Formulasi model menghubungkan faktor-faktor kunci yang diperoleh dalam bentuk kontekstual dengan bahasa simbolis. Formulasi model dalam penelitian ini, terdiri atas satu struktur model sistem input data beserta dengan pertumbuhan mikroalga dan faktor faktor nilai laba yang dapat dihasilkan. Struktur model sistem input data beserta dengan pertumbuhan mikroalga adalah struktur model yang menggambarkan hubungan antar elemen/faktor kunci yang berpengaruh terhadap tingkat serapan karbondioksida untuk mencapai kapabilitas reaktor secara maksimal. Tingkat pertumbuhan mikroalga sangat menentukan di dalam input model, demikian juga dengan jumlah persentase mikroalga yang sebaiknya digunakan kembali di dalam proses supaya terjadi pemanenan mikroaga secara
72
berkelanjutan. Model tersebut melihat nilai nilai ekonomi (laba) yang dapat dihasilkan dari mikroalga dan kebutuhan energi yang diperlukan di dalam memproduksi satu liter biodiesel. Nilai laba yang dapat dihasilkan dari mikroalga antara lain untuk biodiesel, gliserol, aspas dari alga dapat digunakan sebagai bahan bakar, pakan bibit ikan dan tingkat serapan karbondioksida dapat dinilai dalam rupiah (carbon trading). Gambar 31 memperlihatkan struktur model sistem input data, pertumbuhan mikroalga dan profitabilitas FBR di dalam program power sim.
Profit_CO2 kwh Rupiah_energi
harga_CO2 Rupiah_CO2
harga_energi
fraksi_CO2
Budidaya
Kebutuhan_energi energi_panen
CO2_Reduction penen_co2
Pupuk
Lipid Penen_karbon
fraksi_CO2panen
Fraksi_pupuk Pupuk_7_hr
konstanta
kapasitas_reaktor fraksi_kemt
fraksi_pert
Biodiesel Rupiah_pupuk pupuk1
Profitabilitas_FBR
Alga kematian
Pertumbuhan
harga_pupuk
waktupanen fraksi_biofuel
Panen
rupiah_reaktor
reaktor_1
fraksi_panen
alga_biofuel
reaktor
fraksi_pakan harga_eaktor reaktor_7hr fractiob_BB
alga_pakan fraksi_pembentuk_pakan
biofuel bhn_bakar
fraksi_reaktor pakan Harga_biodiesel harga_bakar
harga_pakan fraksi_pakan1
harga_gliserol Rupiah_biodiesel rupiah_bhn_bakar fraksi_biodiesel
rupiah_gliserol fraksi_gliserol
Rupiah_pakan
profit_1
Gambar 31 Struktur model sistem input data, pertumbuhan dan profitabilitas FBR
73
Validasi Model Validasi model dilakukan dengan pengecekan secara dimensional (satuan ukuran) terhadap variabel-variabel model, meliputi level, rate dan konstanta terhadap data aktual, mengetahui ketepatan penggunaan metode integrasi dan time step yang dipilih, serta meminta stakeholder untuk mengevaluasi model yang dibuat. Validasi model merupakan usaha untuk menyimpulkan apakah model sistem yang dibangun merupakan perwakilan yang sah dari realitas yang dikaji sehingga dapat menghasilkan kesimpulan yang meyakinkan (Eriyatno 2003). Validasi model umumnya dilakukan sesuai dengan tujuan pemodelan, yaitu dengan membandingkan perilaku dinamis model dengan kondisi sistem nyata, apabila model telah dianggap valid, selanjutnya model dapat dipergunakan sebagai wakil sistem nyata. Menurut Muhammadi et al. (2001), validasi model terbagi atas dua tahap, yaitu validasi struktur model dan validasi kinerja output model. Validasi struktur model bertujuan melihat sejauhmana keserupaan struktur model mendekati struktur nyata. Sebagai model struktural yang berorientasi proses, keserupaan struktur model dengan struktur nyata ditunjukkan dengan sejauhmana interaksi variabel model dapat menirukan interaksi kejadian nyata. Validasi kinerja output model bertujuan memperoleh keyakinan sejauhmana kinerja model sesuai (compatible) dengan kinerja sistem nyata, sehingga memenuhi syarat sebagai model ilmiah yang taat pada fakta. Validasi kinerja model output dilakukan dengan dua langkah, yaitu: langkah pertama, membandingkan secara visual output simulasi dengan pola perilaku secara empirik, jika ada penyimpangan yang menonjol, kemudian memperbaiki variabel dari parameter model berdasarkan hasil penelusuran terhadap sebab-sebab penyimpangan tersebut. Langkah kedua, jika secara visual pada output simulasi sudah mengikuti pola data aktual, maka dilakukan uji statistik, dengan tujuan membandingkan sejauhmana data simulasi dan pola simulasi dapat menirukan data statistik dan informasi aktual. Uji statistik yang dapat dipakai untuk mengukur penyimpangan antara output simulasi dengan data aktual, dalam penelitian ini menggunakan Mean Absolut Percentage Error (MAPE), untuk mengukur keakuratan output simulasi, (Hauke et al. 2001), dengan formula matematik sebagai berikut:
74
^
1 n
MAPE
n
i 1
Y
t
Y
t
Y1
………………………..(15)
keterangan: Yt
= nilai data aktual
Ŷt
= nilai simulasi model
n
= tahun/interval waktu
Kriteria ketepatan model dengan uji MAPE Lomauro dan Bakshi (1985) dalam Utami (2006) adalah: MAPE <5% (sangat tepat); 5%<MAPE<10% (tepat), dan MAPE>10% (tidak tepat). Kriteria ketapatan model dengan uji MAPE di atas adalah apabila nilai MAPE mendekati nol maka model tidak bias atau dapat dikatakan secara konsisten nilai simulasi tidak melebihi atau di bawah nilai data aktual (Hauke et al. 2001).
4.7
Analisis Profitabilitas Fotobioreaktor Kajian mengenai analisis ekonomi sangat diperlukan untuk menghitung nilai
kelayakan dari suatu sistem fotobioreaktor mikroalga. Analisis ekonomi bisa didapatkan dari nilai lebih hasil biomassa mikroalga yang dapat dipakai sebagai pakan ikan, bahan bakar atau dikembangkan lebih lanjut untuk biofuel. Ada berbagai produk yang berharga yang dapat dipanen dari produksi biomassa. Jenis dan kualitas produk yang diperoleh tergantung pada spesies mikroalga, kondisi pertumbuhan, dan metode pemulihan. Bidang pemanfaatan mikroalga dapat dibagi menjadi tiga kategori (Michiki 1995): 1. Energi - produksi zat-zat seperti hidrokarbon, hidrogen, metanol, dll 2. Makanan dan bahan kimia - misalnya, protein, minyak dan lemak, sterol, karbohidrat,gula,alkohol,dll 3. Bahan kimia lain - misalnya, pewarna, parfum, vitamin / suplemen, dll Saat ini, terdapat pasar yang cukup besar untuk berbagai produk yang dibuat dari mikroalga. Banyak peneliti menerangkan kalau biomasa dapat digunakan sebagai pengganti pakan yang efektif untuk bibit ikan. Chae et al. (2006) menemukan bahwa
75
jenis E. Gracilis dapat diproduksi sangat efektif sebagai sumber pakan untuk ayam broiler. Rata-rata, satu ayam pedaging dapat mengkonsumsi sekitar 114 g kering mikroalga setiap hari. Ayam akan menghasilkan sekitar 30 L (60 g) CO2/hari karena respirasi. Studi ini menyimpulkan bahwa efisiensi penghapusan CO2 bersih sekitar19 %. Menurut Singh (2005) jenis mikroalga cyanobacteria atau ganggang hijau biru, telah dipelajari secara ekstensif karena banyak menghasilkan produk berharga seperti spesies Nostoc, Spirulina, dan Aphanizomenon, yang dapat digunakan sebagai bahan baku, tidak dapat diproses sebagai makanan karena kaya akan karotenoid, klorofil, phycocyanin, asam amino, mineral, dan bioaktif. Disamping mempunyai nilai gizi, senyawa ini memiliki nilai pengobatan luar biasa, seperti kekebalan-merangsang, metabolisme meningkat, mengurangi kolesterol, anti inflamasi, dan antioksidan. Sebagai bahan pangan fungsional, Sprirulina. platensis mengandung bahanbahan aktif secara intraseluler yang memiliki khasiat kesehatan dan bernilai ekonomis tinggi, antara lain: 1. Berbagai vitamin dan karotenoida antara lain: b-karotena (provitamin A) untuk kesehatan mata, asam nikotinat, riboflavin (vit. B2), thiamin (vit. B1), sianokobalamin (vit. B12), tokoferol (vit. E), senyawa karotenoida (termasuk santofil) dan lain-lainnya (Richmond 1987, Ciferi 1983). Kandungan riboflavin dalam biomassa Spirulina yang diproduksi Balai Penelitian Bioteknologi Perkebunan Indonesia (BPBPI) skala komersial yaitu 745.6 mg/kg. Vitamin B berperan penting untuk pencegahan beri-beri dan peningkatan stamina tubuh. Vitamin E untuk peremajaan kulit, sedangkan karotenoida merupakan senyawaan antioksidan dan antikanker/anti tumor. Biomassa Spirulina BPBPI mengandung karotenoida yang sangat tinggi yaitu 2.7 – 6.5 kali dibanding dengan Spirulina impor (Panji et al. 2003). 2. Berbagai asam lemak tak jenuh penting bagi kesehatan, antara lain asam γ-linolenat (GLA) (Cohen et al. 1987). GLA berguna untuk pengobatan hiperkolesterolemia (Ishikawa et al. 1989), sindroma prahaid (Horrobin 1983), eksema atopik (Biagi et al. 1988) dan memiliki efek antitrombotik (Suzuki 1991). Asam lemak tak jenuh majemuk dalam Spirulina juga berperan sebagai nutrisi otak untuk peningkatan kecerdasan anak. Komposisi asam lemak dalam biomassa Spirulina hasil budidaya
76
dari BPBPI antara lain terdiri dari asam oleat (1.06%), asam linoleat (0.56%) dam asam gamma linolenat (GLA) (0.75%) b/b biomassa. (Panji et al. 2003). 3. Enzim superoksida dismutase (SOD) merupakan senyawaan pengusir radikal bebas dan antikanker. Dalam dunia farmasi, SOD digunakan sebagai bahan aktif kosmetika guna melindungi kulit dari radiasi sinar UV dan menghambat proses penuaan kulit. Biomassa S. platensis hasil budidaya skala komersial BPBPI mengandung superoksida dismutase dengan aktivitas total yang tinggi (1.500.000 unit) dan harganya mencapai US$ 4.000/kg biomassa (Panji et al. 2003). 4. Fikosianin atau fikobiliprotein, suatu protein yang mengandung gugus tetrapirol sehingga berwarna biru kehijauan (cyan). Senyawa ini berperan dalam detoksifikasi merkuri, logam berat lainnya, dan obat-obatan kimiawi. Dalam bidang lainnya, fikosianin dapat digunakan sebagai pewarna pada reaksi imunologi deteksi HIV, serta sebagai zat warna alami. Harga fikosianin murni saat ini adalah US$ 40.0000/kg. Komposisi asam-asam amino penyusun fikosianin dalam S. platensis produksi BPBPI. 5. Kandungan protein yang tinggi (65-70%) dan kemudahan dicerna (digestibility) merupakan sebagian faktor yang menyebabkan ganggang ini berpotensi sebagai sumber protein sel tunggal untuk suplemen pangan/makanan kesehatan. Harga impor biomassa ganggang ini (food grade) sekitar US$ 50 atau sekitar Rp 450.000,00 per kilogram. Spirulina platensis (10 g) yang dikembangkan di BPBPI mengandung protein, vitamin-vitamin dan mineral yang lebih tinggi dibanding dengan susu dan telur. Selain manfaat langsung sebagai suplemen pangan, Spirulina yang bermutu lebih rendah (feed grade) juga dapat digunakan sebagai suplemen pakan, yang pada gilirannya juga dapat memberikan manfaat bagi kesehatan manusia. Biomassa Spirulina platensis telah diteliti pemanfaatannya untuk suplemen pakan ayam petelur. Telur dan daging ayam yang diberi pakan dengan suplemen biomassa S. platensis sebanyak 1% (b/b) mengalami penurunan kadar kolesterol LDL sekitar 30%, sehingga pemberian biomassa S. platensis dapat digunakan untuk produksi teluromega, yaitu telur rendah kolesterol (Panji et al. 2003).
77
Tabel 19 Komposisi karotenoida Spirulina sp Karotenoida Spirulina sp1 Kadar (mg/100g) 4694.7 mengandung 6 komponen karotenoida Komposisi (% total karotenoida) -Carotene 27 -Carotene-5,6-epoxide -Carotene-4-keto-3,-hydroxy 2 Echinenone 3 -Cryptoxnathin 3-Hydroxyechinenone Zeaxanthin 15 Diatoxanthin Canthaxanthin Myxoxanthin 46 Oscillaxanthin 5 Total unidentified 2 1 Keterangan: Data primer BPBPI 2 Cohen 1997
S. maxima2 648
15 11-13 6-8 7-11 25 5 5 13-17 3-5 3-4
Tabel 20 Kadar protein, vitamin dan mineral Spirulina Plantesis. Komponen kimia 10 g Sprirulina 200 ml susu 1 butir telur Protein (g) 6.4 6.6 6.6. Vitamin A (IU) 14.000 248 1050 Asam nikotinat (mg) 1.18 0.20 0.04 0.40 0.38 0.19 Riboflavin (vit B2, mg) 0.55 0.10 0.09 Tiamin (Vit B1, mg) 30.0 0.28 2.3 Vitamin B12 (µg) 5.8 0.40 1.6 Zat Besi (mg) Sumber: Panji et al. 2003 dan Seshagiri 1984 4.7.1
Perhitungan Biofuel Perhitungan biomassa mikroalga menjadi biofuel dapat dilakukan secara kimia
maupun fisik. Proses mendapatkan minyak secara kimiawi dari mikroalga dapat melalui dewatering dan ekstraksi lipid. Secara keseluruhan untuk mendapatkan minyak biodiesel 1 liter diperkirakan membutuhkan 12.330 liter mikroalga. Tingkat kepadatan mikroalga di Indonesia masih relatif rendah, dengan perbandingan 0.3 gr/liter, sehingga dalam 1000 gr berat kering (BK) membutuhkan 3.333 liter, sedangkan untuk menghasilkan 1 liter biodiesel mikroalga membutuhkab 3.7 kg BK. Gambar 32 di bawah ini memperlihatkan ilustrasi proses kebutuhan mikroalga yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1 liter minyak biodiesel yang berasal dari
78
beberapa jurnal berkaitan dengan kebutuhan minyak biodiesel dari mikroalga mikroalga. (Christi 2007, Santoso 2009) Tingkat kepadatan mikroalga dari penelitian dari dari manca negara jauh lebih baik, dengan perbandingan 5 gr/liter, gr/liter, sehingga untuk menghasilkan 1 liter minyak biodiesel mikroalga membutuhkan sekitar 740 liter mikroalga.
Gambar 32 Kebutuhan minyak biodiesel dari mikroalga 4.7.2 Perhitungan profitabilitas profitabil biodiesel dari mikroalga Perhitungan profitabilitas biodiesel mikroalga dilakukan dengan membandingkan biaya produksi minyak alga dengan biaya produksi minyak mentah. Berdasarkan kajian tersebut, Chisty (2009) memberikan persamaan seperti di bawah ini: C minyak alga = 6,9 x 10-3 C minyak mentah = 6,9 x 10-3 C X 80 US$ = 0,552 US$ Keterangan C minyak alga
: harga
minyak alga (US$/liter)
C minyak mentah : harga mentah (US$/barell) Hasil perhitungan di atas menyatakan bahwa harga limit minyak alga sebagai bahan biodiesel agar menjadi usaha konversi yang menguntungkan mengu 0.552 552 US$/liter atau Rp. 5.113. Persentase jumlah biodiesel juga dipengaruhi oleh tingkat kandungan lemak oleh masing masing jenis mikroalga. Tingkat kandungan lemak tertinggi yaitu dari jenis
79
Botryococcus braunii sebesar 25-75 kemudian Nannochloropsis sp sebesar 31-68, sedangkan yang mempunyai kandungan lemak terendah yaitu dari jenis Crypthecodium cohnii sebesar 20. Di dalam perhitungan profitabilitas mikroalga, selain profit (laba) yang dihasilkan berasal dari hasil samping mikroalga berupa biodiesel, bahan bakar, pakan ikan dan serapan karbondioksida, maka kebutuhan energi untuk menghasilkan biodiesel sebanyak 1 liter juga diperhitungkan di dalam model tersebut. Tabel 22 memperlihatkan kebutuhan energi (KwH) untuk memproduksi biodiesel sebantak 1 liter, dengan komponennya berupa kebutuhan untuk budidaya, pemanenan, dan proses mendapatkan lipid dan biodiesel. Adanya peluang perdagangan karbon, jika harga karbon dioksida sebesar USD 9.12 per ton, atau bila disetarakan pada nilai U$D1 sebesar Rp. 9.000 maka harga karbon dioksida per ton yakni sekitar 82 ribu rupiah (Asmani et al. 2010).
Tabel 21 Kandungan lipid dari beberapa jenis mikroalga Jenis Mikroalga Botryococcus braunii Chlorella sp Crypthecodium cohnii Dunaliella primolecta Isochrysis sp Monallanthus salina Nannochloris sp Nannochloropsis sp Neochloris oleoabundans Nitzschia sp Phaeodactylum tricomutun Schizochytrium sp Tetraselmis sueica Sumber : Krawczyk. 1996
Kandungan lemak (%) 25 – 75 28 – 32 20 23 25 – 33 >20 20 – 35 31 – 68 35 – 64 45 – 47 20 – 30 50 – 77 15 – 23
80
Tabel 22 Kebutuhan KwH untuk memproduksi biodiesel sebanyak 1 liter komponen MJ 1 MJ = 0.28 1 kWh = 790 Total KwH rupiah Rupiah Budidaya 3 0.28 790 663.6 Panen 50 0.28 790 11,060.0 Lipid 35 0.28 790 7,742.0 Biodiesel 10 0.28 790 2,212.0 TOTAL 21,677.6 Sumber : Amer et al. 2011; Harun et al. 2010, Christi. 2007 Keterangan : MJ = mega joule
Tabel 23 Harga nilai produk akhir dari mikroalga No Produk Harga (Rupiah/kg) 1 Pakan bibit ikan 20,000 2 Biodiesel 5,244 3 Gliserol 200,000 4 Bahan Bakar 9,480 5 Karbondioksida 83 Sumber: BBL Lampung. 2010, Christi. 2007, Asmani et al. 2010
4.7.3 Kebutuhan Reaktor Mikroalga dan Pupuk Organik (Nutrien) Tabel 24 memperlihatkan kebutuhan fotobioreaktor dan kebutuhan pupuk untuk menghasilkan 1 liter minyak biodiesel dari mikroalga. Dari total kebutuhan tersebut, kemudian dihitung nilai barang yang dapat dipakai hingga 10 tahun ke depan, sehingga dana yang dibutuhkan untuk membuat reaktor mikroalga sebesar Rp. 406.330 per hari, atau kali dikaitkan dengan siklus pemanenan mikroalga setiap tujuh hari sekali, maka dana yang diperlukan sebesar Rp. 2.844.310.
81
Tabel 24 Kebutuhan dana untuk membuat reaktor dan perlengkapannya dalam menghasilkan 1 liter minyak biodiesel dari mikroalga No Komponen 1 Tabung Reaktor 2 Draught tube 3 4 5 6 7 8 8
U kolom One way pulp Karet Flans Difuser Regulator Peralatan lain
Spesifikasi Akrilik 5 mm, diameter 10 cm, tinggi 160 Akrilik 3 mm, diameter 8 cm, tinggi 120 cm PVC ukuran 10 cm plastik Karet Sintetis PVC Batu Besi pipa, dll
Harga (Rp) 900.000 175.000
Jumlah Total (Rp) 1200 1.080.000.000 1200
210.000.000
35.000 1.680 3.500 1200 75.000 120 30.000 1680 5.000 1.200 35.000 1.200 2.000 1.200 Jumlah Total
58.800.000 4.200.000 9.000.000 50.400.000 6.000.000 42.000.000 2.400.000 1.462.800.000
Tabel 25 Kebutuhan dana untuk pupuk (nutrien) dalam menghasilkan 1 liter minyak biodiesel dari mikroalga No Komponen 1 Pupuk Growmore
Harga (Rp) Jumlah Total (Rp) 5000 120 600.000
Keberadaan pupuk (nutrien) sangat mudah ditemukan di pasar. Kebutuhan pupuk setiap 7 hari sekali, setiap kali pemanenan diperlukan penambahan pupuk sebanyak 120 bungkus untuk 120.000 liter air. Konsentrasi pemberian 1:1 atau 1 gram untuk 1 liter air.
