JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Efek Aerasi dan Konsentrasi Substrat pada Laju Pertumbuhan Alga Menggunakan Sistem Bioreaktor Proses Batch Anshah Silmi Afifah dan Joni Hermana Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: hermana@ its.ac.id Abstrak— Kebutuhan terhadap bahan bakar minyak di Indonesia bertambah pesat. Sebaliknya, pasokan yang tersedia semakin menipis karena bahan bakar minyak yang diekstrak dari minyak bumi merupakan sumber daya alam tak terbarukan. Para pakar menemukan bahwa ratusan jenis mikroalgae, beberapa diantaranya mengandung senyawa bioaktif yang cocok sebagai bahan baku biofuel. Dalam penelitian ini, akan dikaji mengenai efek aerasi dan penambahan substrat terhadap laju pertumbuhan algae menggunakan sistem Bioreaktor Proses Batch dan juga diuji mengenai efek aerasi terhadap konsumsi substrat (substrate utilization rate) pada sistem bioreaktor algae. Penelitian dilakukan dalam skala laboratorium dan digunakan variasi waktu aerasi (tanpa aerasi, aerasi 12 jam dan 24 jam) dan variasi konsentrasi substrat (50 mg/L, 100mg/L dan 150mg/L). Paremeter yang diukur yaitu: konsentrasi COD, DO, MLSS dan klorofil a. Hasil dari penelitian diketahui bahwa aerasi lebih efektif dari mixing jika keduanya digunakan untuk membantu bakteri dalam menurunkan nilai COD. Selain itu dibandingkan dengan mixing, aerasi juga sangat berpengaruh terhadap laju produksi alga. Telah ditemukan bahwa aerasi yang paling efisien digunakan untuk laju produksi alga adalah aerasi 12 jam. Dalam variasi penambahan substrat tidak terlalu diketahui efeknya terhadap laju produksi alga. Kata Kunci—Aerasi, Algae, Batch, Substrat.
I. PENDAHULUAN
K
ebutuhan terhadap bahan bakar minyak di Indonesia bertambah pesat. Sebaliknya, pasokan yang tersedia semakin menipis karena bahan bakar minyak yang diekstrak dari minyak bumi merupakan sumber daya alam tak terbarukan [4]. Dan untuk mengatasi masalah tersebut para pakar melakukan penelitian untuk membuat sebuah energi terbarukan sebagai pengganti bahan bakar minyak tersebut. Salah satu sumber energi yang paling sesuai dengan kondisi wilayah Indonesia ini yaitu biodiesel. Biodiesel direkomendasikan sebagai salah satu sumber energi pengganti minyak karena beberapa peneliti telah berhasil mengembangkan biodiesel dari berbagai bahan baku [12]. Di sisi lain, Indonesia merupakan negara dimana 81.000 km wilayahnya memiliki garis pantai serta merupakan luas laut terbesar di dunia yaitu 5,8 juta km2 [6]. Dari luas wilayah laut Indonesia, yang dapat dimanfaatkan diperkirakan mencapai 7,9 juta km2 terdiri dari 1,8 juta km2 daratan, 3,2 juta km2 laut teritorial, dan 2,9 juta km2 perairan ZEE. Wilayah perairan 6,1
juta km2 tersebut adalah 77% dari seluruh luas Indonesia. Telah diketahui bahwa perairan Indonesia ini banyak ditumbuhi mikroalgae (Kadin Batam 2004). Para pakar telah meneliti kandungan yang ada di dalam mikroalgae. Hasil penelitian para pakar menemukan bahwa minimal 14 spesies mikroalgae potensial untuk menghasilkan biodesel dengan kandungan minyak 15-77% dari berat kering. Maka dari itu, mikroalgae merupakan salah satu bahan baku yang sangat direkomendasikan dalam pembuatan biodiesel ini [5]. Untuk itu perlu adanya studi pengembangan untuk meneliti bagaimana kondisi lingkungan untuk hidup algae dan bagaimana produksi algae yang dipengaruhi oleh variasi lamanya waktu aerasi serta penambahan substrat. Adanya penambahan substrat untuk produksi algae ini sangat penting untuk diteliti sebab substrat memiliki peranan fungsi sebagai sumber energi dan juga sebagai bahan pembentuk sel dan produk metabolisme [9]. Sedangkan untuk Perlakuan aerasi ini perlu diteliti karena dengan adanya aerasi menjaga agar algae tetap tersuspensi dalam air, untuk menambah kebutuhan oksigen bagi mikroorganisme dan menjaga kebutuhan oksigen pada saat malam hari, saat algae tidak melakukan proses fotosintesa. Dalam penelitian ini akan diketahui efek aerasi dan penambahan substrat terhadap laju produksi algae menggunakan sistem bioreaktor proses batch. Selain itu penelitian ini juga akan menguji efek aerasi terhadap konsumsi substrat (substrat utilization rate) pada sistem bioreactor algae. Variabel penelitian yang digunakan adalah variabel lama waku aerasi dan penambahan substrat. Masing-masing variabel terdiri dari tiga variasi. Untuk variabel lama waktu aerasi yaitu 0 jam, 12 jam, dan 24 jam. Sedangkan untuk variabel penambahan substrat yaitu 50 mg/L, 100 mg/L, 150 mg/L. Untuk parameter yang dianalisis dalam penelitian ini yaitu parameter COD, DO, MLSS, dan klorofil a.
II. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di laboratorium dengan tahapan penelitian seperti berikut. A. Persiapan Alat dan Bahan Pada tahap ini dilakukan persiapan alat-alat dan bahanbahan yang digunakan untuk penelitian ini. Bahan yang
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
dipersiapkan sesuai dengan metode analisis yang digunakan, dimana metode analisis COD dengan menggunakan Closed reflux titrimetric, analisis DO dengan DO meter, metode analisis MLSS dengan TSS Dried, dan klorofil a menggunakan spektrofotometeri. B. Persiapan dan Pembuatan Reaktor Reaktor yang digunakan adalah sebuah galon berkapasitas 19 liter yang mana galon tersebut diisi dengan air limbah sebesar 15 liter. Reaktor tersebut berjumlah 9 buah galon. Tiap galon diberi lubang pada bagian bawahnya untuk proses keluar masuknya air limbah, cahaya, CO2, oksigen, dll. Galon tersebut disusun di dalam sebuah rak dengan posisi terbalik. Rak yang digunakan terbuat dari besi dengan panjang sebesar 120 cm, lebar sebesar 60 cm, dan tinggi sebesar 100 cm. Pada bagian atas dan bawah rak diberi pencahayaan dengan 8 buah lampu yang panjangnya sesuai panjang rak yaitu 120 cm C. Analisis Karakteristik Air Boezem Pada tahap ini dilakukan analisis terhadap konsentrasi COD dan MLSS. Nilai COD diketahui sebesar 71 mg/L sedangkan nilai MLSS diketahui sebesar 116 mg/L. Dari hasil COD di atas ditentukan untuk penambahan konsentrasi substrat dalam penelitian ini yakni sebesar 50 mg/L, 100 mg/L, dan 150 mg/L.
2
Sedangkan variasi penambahan substrat disesuaikan dengan hasil analisis karakteristik awal limbah COD UHT yaitu tidak jauh dari angka 71 mg/L. Variasi yang ditentukan yaitu 50 mg/L, 100 mg/L, dan 150 mg/L karena hasil analisis awal limbah tidak berada jauh dalam range tersebut. sedangkan untuk penambahan nutrien digunakan penambahan dengan rasio Nitrogen : Fosfat yang optimum. Algae membutuhkan nutrien (N,P) dan karbondioksida (C) yang cukup untuk melakukan fotosintesis. Untuk optimalisasi pertumbuhan algae, rasio C:N:P yang dibutuhkan adalah sebesar 100:5:1 [7]. A. Konsentrasi COD Analisis COD digunakan untuk mengetahui seberapa besar kandungan substrat yang terkandung di dalam sampel. Fungsi substrat yang terpenting adalah sebagai sumber energi, disamping itu juga sebagai bahan pembentuk sel dan produk metabolisme [9]. Pada suatu penelitian menunjukkan rumus molekul dari bakteri adalah C5H7NO2P0,074 [1]. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan metode titrimetrik refluks tertutup [2]. .
D. Penelitian Pendahuluan Penelitian pendahuluan dilakukan dengan menumbuhkan algae secara indoor dengan percobaan dua sampel yang berbeda perlakuan. Salah satu sampel diberi perlakuan aerasi 24 jam dan sampel satunya lagi tanpa aerasi (mixing). Kedua sampel diberi pencahayaan menggunakan lampu selama 24 jam. Perlakuan aerasi dan tanpa aerasi (mixing) ini dilakukan untuk mengetahui apakah algae dapat tumbuh optimal meskipun di dalam ruangan. E. Seeding dan Aklimatisasi Pada tahap ini sampel yang digunakan adalah sampel yang sama dengan penelitian pendahuluan. Seeding dilakukan dengan menambahkan substrat dan nutrien pada air alga yang akan ditumbuhkan. Penambahan dilakukan dengan melarutkan substrat dan nutrien berlebih pada air kran. Kemudian larutan tersebut dituang ke dalam sampel biakan.seeding dan aklimatisasi dilakukan selama 6-10 hari [8].
Gambar 1. Analisis COD Running ke-1
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pelaksanaan penelitian dilakukan dengan dua kali running. Biakan yang digunakan pada running pertama berasal dari hasil proses seeding aklimatisasi atau hasil penelitian pendahuluan. Sedangkan untuk running ke 2 biakan yang digunakan adalah hasil dari running ke 1. Komposisi untuk biakan dan air limbah yaitu 25% biakan : 75% air limbah. Selama pelaksanaan penelitian sampel akan diberi pencahayaan selama 12 jam pada pukul 06.30 – 18.30. Variasi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu lama waktu aerasi dan banyaknya penambahan substrat. Untuk variasi lama waktu aerasi yaitu, 0 jam (mixing), 12 jam, dan 24 jam.
Gambar 2. Analisis COD Running ke-2 Tren grafik pada running ke-1 dan ke-2 ini sampel aerasi 24 jam dan 12 jam terlihat paling dominan megalami penurunan nilai grafiknya. Hal ini menandakan bahwa dalam meremoval COD yang lebih efektif adalah sampel aerasi 24 jam dan 12 jam. Sampel aerasi lebih mendominasi dalam meremoval substrat sebab pada aerasi terdapat suplai oksigen yang cukup
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
untuk bakteri. Saat alga tidak melakukan fotosintesis pada malam hari, oksigen tetap tersuplai dalam sampel reaktor. Sehingga dengan demikian, keberadaan jumlah bakteri dalam sampel tetap terjagadan bakteri tetap dapat berkembang biak pada malam hari. Maka dari itu dalam penelitian ini dapat disimpulkan bahwa sampel dengan aerasi lebih efektif untuk membantu bakteri dalam mengkonsumsi substrat. Adanya penggunaan aerasi dapat mempengaruhi proses penyisihan konsentrasi COD dalam air boezem. Dengan penggunaan aerasi, maka persediaan oksigen terlarut di dalam air boezem akan semakin bertambah, sehingga cukup membantu mikroorganisme aerob yang bekerja untuk menguraikan polutan organik yang terdapat dalam air boezem [10]. B. Analisis DO Analisis DO ini bertujuan untuk mengetahui jumlah oksigen yang terlarut dalam sampel reaktor baik suplai oksigen dari aerator maupun dari alga itu sendiri. Proses fotosintesis dari alga akan menghasilkan oksigen yang akan digunakan bakteri untuk melakukan respirasi.Analisis kandungan oksigen terlarut (DO) dilakukan dengan menggunakan alat Oxygen Meter Lutron DO-5510.
3
aerasi 24 jam dan 12 jam ini tidak terlalu signifikan perbedaan DOnya, sebab pada aerasi 24 jam, kematian alga lebih tinggi jika dibandingkan dengan aerasi 12 jam. Dengan kematian alga yang cukup tinggi pada sampel aerasi 24 jam, meskipun aerasi 24 jam lebih lama dari 12 jam tidak membuat DO pada sampel meningkat drastis karena adanya kematian alga tersebut. C. Analisis MLSS Analisis MLSS dilakukan dengan menggunakan metode TSS Dried at 103ᵒ - 105ᵒC. Analisis ini digunakan untuk mengetahui total berat dalam bentuk padatan dari alga, bakteri, serta komponen-komponen lain baik organik maupun anorganik. Namun persentase keberadaan komponenkomponen tersebut yang paling mendominasi adalah bakteri. Untuk itu dalam analisis MLSS ini dapat digunakan untuk mengetahui konsentrasi bakteri dalam sampel.
Gambar 5. Analisis MLSS Running ke-1
Gambar 3. Analisis DO Running ke-1
Gambar 4. Analisis DO Running ke-2 Dalam peningkatan nilai DO yang tertinggi yang paling mendominasi adalah aerasi 24 jam dan aerasi 12 jam. Hal ini dikarenakan pada sampel mixing 24 jam ini kurang adanya suplai oksigen, sehingga menyebabkan nilai DO pada sampel menjadi rendah. Berbeda pada sampel 12 jam. Pada sampel aerasi 12 jam saat alga tidak melakukan fotosintesis pada malam hari, suplai oksigen tetap terjaga dari aerator. Pada
Gambar 6. Analisis MLSS Running ke-2 Kenaikan nilai MLSS dari grafik di atas lebih didominasi oleh sampel aerasi. DO dibutuhkan oleh semua jasad hidup untuk pernapasan dan oksidasi bahan-bahan organik dan anorganik dalam proses aerobik [11]. Untuk itu dalam hal ini sampel aerasi memiliki nilai MLSS yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan sampel mixing. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Cahayanti, 2012 menyatakan bahwa konsentrasi klorofil sangat bergantung pada konsentrasi MLSS. Jika nilai MLSS meningkat maka nilai klorofil seharusnya juga meningkat. Berikut ini merupakan proses respirasi yang dilakukan oleh bakteri:
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) CxHyOz + O2 CO2 +H2O + NH3 + energi Hasil dari proses respirasi dari bakteri ini akan digunakan oleh alga untuk proses fotosintesis. Fotosintesis merupakan suatu proses yang hanya terjadi pada tumbuhan yang berklorofil (Devlin, 1975). Namun dalam kondisi tertentu kondisi MLSS dan klorofil dapat berkebalikan. Apabila nilai klorofil a turun, nilai MLSS justru malah meningkat. Hal ini diindikasikan karena senyawa anorganik dalam sampel juga meningkat. D. Analisis Klorofil a Analisis klorofil a ini perlu dilakukan karena dengan adanya analisis klorofil a ini dapat digunakan untuk mengetahui keberadaan phytoplankton dalam suatu danau.
4
besar dibandingkan dengan reaktor tanpa penggunaan aerasi [10]. Namun ketika siang hari aerasi selama 24 jam menyebabkan gangguan fotosintesis pada algae. Hal ini dikarenakan aerasi 24 jam yang diberikan terus menerus menyebabkan suplai oksigen berlebih pada reaktor. Hal ini memicu berkembangnya bakteri lebih banyak daripada reaktor lain [3]. Dalam penelitian ini variasi penambahan substrat tidak terlalu memberikan pengaruh terhadap laju produksi alga. Namun nilai konsentrasi klorofil a paling optimum yang didapat dalam penelitian ini yaitu dengan konsentrasi penambahan substrat sebesar 50 mg/L. Nilai konsentrasi terkecil untuk substrat ini dirasa paling optimum sebab memiliki konsentrasi limbah atau beban pencemar yang sedikit. Sehingga alga lebih cepat dalam bereproduksi. IV. KESIMPULAN Hasil dari penelitian ini diketahui bahwa aerasi lebih efektif dari mixing jika keduanya digunakan untuk membantu bakteri dalam menurunkan nilai COD. Selain itu dibandingkan dengan mixing, aerasi juga sangat berpengaruh terhadap laju produksi alga. Telah ditemukan bahwa aerasi yang paling efisien digunakan untuk laju produksi alga adalah aerasi 12 jam. Dalam variasi penambahan substrat tidak terlalu diketahui efeknya terhadap laju produksi alga UCAPAN TERIMA KASIH
Gambar 7. Analisis Klorofil a Running ke-1
PENULIS A.S.A MENGUCAPKAN TERIMAKASIH KEPADA PROF. IR. JONI HERMANA, MSCES DAN IR. AGUS SLAMET, MSC. SELAKU DOSEN PEMBIMBING YANG TELAH MEMBIMBING DAN MEMOTIVASI HINGGA TERSELESAINYA PENELITIAN INI.
DAFTAR PUSTAKA [1]
Gambar 8. Analisis Klorofil a Running ke-2 Dari semua grafik pada Gambar 7 dan 8, dalam peningkatan laju konsentrasi klorofil a yang tertinggi yang paling mendominasi adalah aerasi 12 jam. Hal ini terjadi karena pada aerasi 12 jam merupakan perlakuan yang paling optimum dalam kenaikan klorofil a. Untuk aerasi 24 jam dirasa teralalu tinggi suplai oksigennya dan memberikan tekanan yang lebih besar di dalam sampel. Sehingga hal ini mengakibatkan lisis atau kematian alga. Sedangkan pada sampel mixing 24 jam ini kurang adanya suplai oksigen, sehingga mengindikasikan adanya kematian bakteri yang tinggi dan alga menjadi kekurangan suplai karbondioksida dari bakteri. Jika dibandingkan reaktor dengan penggunaan aerasi dan tanpa aerasi (mixing), dapat diamati bahwa reaktor dengan penggunaan aerasi mempunyai konsentrasi chlorophyll a lebih
Ammary, Baashar Y., Nutrients Requirements in Biological Industrial Wastewater Treatment. African Journal of Biotechnology, Vol. 3, 2004. [2] American Public Health Association (APHA) , American Water Work Association, Water Environmental Federation.1998.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 th Edition. Washington. [3] Anggraeni, B.I. 2011. Efek Aerasi Terhadap Dominasi Mikroba dalam Sistem High Rate Algae Pond (HRAP) Untuk Pengolahan Air Boezem Morokrembangan. Institut Teknologi Sepuluh Nopember : Surabaya [4] Basmal, J.2012. Peluang dan Tantangan Produksi Mikroalaga Sebagai Biofuel. Balai Besar Riset Pengolahan Produk dan Bioteknologi Kelautan dan Perikanan: Jakarta [5] Chisti, Y. 2007. Biodiesel from Microalgae. Institut of Technology and Engineering. Massey University. Biotechnology Advances [6] DEPLU. 2005. Diskusi Panel “Studi Kebijakan Kelautan Indonesia dalam Rangka mendukung Pembangunan dan Integritas Nasional”. Direktorat Informasi dan Media departemen Luar Negeri-Republik Indonesia. Siaran Pers DEPLU No. 41/PR/IV/2005 [7] Fulazzaky, MA and A.H.A. Gany. 2009. Challenges of soil erosion and sludge management for sustainable development in Indonesia. Journal of Environmental Management, Vol. 90 Kadin Batam.2004. Ekonomi Lintas batas.Kadin Batam [8] Mostert, E.S., dan Grobbelarm J.U.1987.The Influence of Nitrogen and Phosphorus on Algael Growth and Qualaity in Outdoor Mass Algael Cultures.Biomass.13(4),219-233 [9] Rahman A. 1989. Pengantar Teknologi Fermentasi. Bogor: PAU IPB. [10] Ratnawati, R. 2011. Efek Penambahan Unsur Kalium dan Aerasi Terhadap Kinerja Alga-Bakteri untuk Mereduksi Polutan pada Air
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Boezem Morokrembangan, Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember : Surabaya [11] Welch, E. B. 1952. Ecological Effect of Waste Water. Cambridge University Press. Cambridge. [12] Zuhdi dan Sukardi. 2005. Potensi Pengembangan Algae Sebagai Salah Satu Alternatif Bahan Baku Pembuatan Biodiesel di Indonesia. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.
5
