PENGEMBANGAN TEKNOLOGI ULTRAFILTRASI UNTUK PEMEKATAN MIKROALGA

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

PENGEMBANGAN TEKNOLOGI ULTRAFILTRASI UNTUK PEMEKATAN MIKROALGA

1)

P.G. Sasmita1), I.G. Wenten2), G. Suantika3)

KPP Bioteknologi, 2)Dept. Teknik Kimia, 3)Dept. Biologi Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa 10, Bandung – 40132 E-mail : [email protected]

Abstrak Mikroalga banyak dikultur untuk dimanfaatkan sebagai pakan awal akuakultur, bioteknologi farmasi dan lingkungan. Salah satu tahapan yang penting dalam produksi mikroalga adalah tahap pemanenan untuk memperoleh konsentrat mikroalga. Selama ini, pemanenan mikroalga banyak menggunakan teknik flokulasi kimia dan sentrifugasi. Kelemahan sistem flokulasi kimia dan sentrifugasi ini adalah membutuhkan banyak senyawa kimia dan memerlukan waktu yang cukup lama untuk mencapai konsentrasi yang diinginkan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan teknologi ultrafiltrasi (UF) dalam memekatkan mikroalga dengan menggunakan membran poliakrilonitril (PAN), tipe hollow fiber, diameter lumen 0.5 mm dan panjang 25 cm dengan MWCO 100000 Da. Kultur mikroalga ditumbuhkan dengan medium campuran larutan urea komersial, TSP, KCl dan ZA. Hasil penelitian menunjukkan bahwa teknologi ultrafiltrasi mampu memekatkan mikroalga sampai konsentrasi diatas 108 sel/ml. Selain itu fluks permeat dapat dipertahankan diatas 15 l/m2.jam. Hasil ini memberikan harapan untuk aplikasi UF dalam pemanenan mikroalga skala komersial. Kata kunci: mikroalga; pemekatan; ultrafiltrasi Pendahuluan Mikroalga adalah alga kecil (ukuran 2-20 µm) berupa tanaman talus yang memiliki klorofil sehingga mampu melakukan fotosintesis. Mikroalga bereproduksi secara aseksual melalui pembelahan sel. Mikroalga terdiri dari banyak spesies yang hampir semuanya merupakan organisme akuatik. Mikroalga ini banyak dikultur di berbagai negara terutama negara yang memiliki industri akuakultur seperti Indonesia, Thailand, Taiwan, Jepang, Ekuador dan beberapa negara di kawasan benua Eropa. Pemanfaatan mikroalga banyak diaplikasikan pada berbagai bidang antara lain dalam bidang akuakultur, bioteknologi farmasi, agrikultur, dan lingkungan. Pada sistem akuakultur, mikroalga jenis tertentu seperti Nannochloropsis sp., Chlorella sp., Skeletonema sp., dan Chaetoceros sp. digunakan sebagai pakan alami (livefood) dalam tahapan awal kehidupan larva ikan atau udang dan juga berperan sebagai pakan dari zooplankton, rotifer dan artemia. Pada bidang bioteknologi farmasi dan agrikultur, mikroalga seperti Spirulina sp. dimanfaatkan karena kandungan proteinnya yang tinggi sebagai suplemen kesehatan, campuran bahan kosmetika, selain itu beberapa jenis mikroalga yang lain juga mampu menghasilkan asam lemak tak jenuh ganda, zat pewarna dan senyawa-senyawa bioaktif. Pada bidang perlindungan lingkungan, kemampuan fotosintesis yang dimiliki mikroalga dimanfaatkan dalam aplikasi fotobioreaktor untuk mengolah gas-gas buangan dari proses industri terutama yang berupa CO2 dan NOx sehingga tidak mencemari udara dan mengurangi efek rumah kaca yang merupakan faktor utama penyebab pemanasan global. Manfaat yang demikian besar dari mikroalga dalam berbagai bidang membuat biota ini banyak dikultur dan dikembangkan. Secara prinsip, budidaya mikroalga meliputi proses produksi (proses kultur), panen dan pascapanen. Proses kultur mikroalga dapat dilakukan dengan sistem tertutup maupun terbuka baik secara indoor atau outdoor, dengan berbagai metode seperti metode batch, kontinu dan semi kontinu. Masing-masing sistem dan metode kultur bisa dikombinasikan sesuai dengan target yang ingin dicapai. Beberapa parameter yang harus dipenuhi dalam kultur mikroalga antara lain suhu, salinitas, intensitas cahaya, fotoperiod (perbandingan periode gelap dan terang) dan pH (Anonymous, 1991). Selanjutnya proses pemanenan umumnya dilakukan setelah mikroalga mencapai konsentrasi 107 sel/ml. Selama ini, proses pemanenan kultur mikroalga untuk memperoleh konsentrat mikroalga masih menggunakan cara kovensional berupa teknik flokulasi kimia dan

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

F-23-1

sentrifugasi. Teknik ini memiliki kelemahan karena banyak menggunakan zat kimia dan memerlukan waktu yang cukup lama untuk memperoleh konsentrasi mikroalga yang diinginkan. Sejalan dengan kemajuan teknologi pemisahan saat ini, pemanfaatan teknologi filtrasi untuk pemanenan sel mikroalga telah banyak diinvestigasi seperti teknologi filter press (Mohn, 1980), rotary drum vacuum dan rotary drum precoat (Gudin dan Chaumont, 1980), sand filter (Ben-Amotz dan Avron, 1991) serta teknologi membran (Petrusevski et al., 1995; Borowitzka, 1997; Rossignol et al., 1999). Namun teknik yang paling rasional untuk pemekatan mikroalga ini adalah dengan menggunakan teknologi membran ultrafiltrasi. Sebagaimana diungkapkan oleh Tutunjian (1984) dalam Cheryan (1986), membran ultrafiltrasi dapat memanen 100% sel dari air kultur. Adapun tantangan utama aplikasi ultrafiltrasi untuk pemanenan mikroalga adalah penurunan fluks yang disebabkan oleh terjadinya fouling pada membran. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh tekanan dan faktor pemekatan terhadap karakteristik fluks dan rejeksi dalam pemekatan mikroalga Nannochloropsis sp. Studi ini menggunakan membran poliakrilonitril (PAN) dengan MWCO 100000 Da. Bahan dan Metode Penelitian Kultur mikroalga yang digunakan dalam penelitian ini adalah kultur mikroalga jenis Nanochloropsis sp. yang diperoleh dari Departemen Biologi ITB. Kultur mikroalaga ditumbuhkan dengan menggunakan medium yang dibuat dari campuran pupuk urea komersial, KCL, TSP dan ZA dengan takaran masing-masing 10, 20, 30, dan 100 gram per 1000 ml aquades (Priyambodo & Wahyuningsih, 2003). Proses pemekatan mikroalga dengan teknologi ultrafiltrasi ini dilakukan dengan menggunakan membran ultrafiltrasi dengan spesifikasi bentuk hollow fiber, model crossflow, berbahan poliakrilonitril (PAN), MWCO 100000 Da, dan memiliki total luas membran sebesar 98.125 cm2. Diagaram alir prosedur kerja dapat dilihat pada Gambar 1. Pretreatment Mikroalga Nannochloropsis sp.

14 hari periode kultur

Media Kultur Urea, TSP, KCL, ZA

Unit Ultrafiltrasi

Konsentrat (produk) Permeat

Gambar 1. Diagram alir proses pemekatan mikroalga dengan unit ultrafiltrasi (UF) Dalam penelitian ini akan dipelajari pengaruh variasi tekanan (TMP) dan konsentrasi umpan terhadap profil fluks dan rejeksi membran. Dari data yang diperoleh akan diketahui kondisi tekanan operasi optimum untuk pemekatan mikroalga. Konsentrasi umpan kultur mikroalga akan dipekatkan jika telah mencapai konsentrasi 107 sel/ml. Dalam tahap ini akan dipelajari pengaruh fluks dan rejeksi terhadap volume concentration ratio (VCR). Pemekatan sendiri akan dilakukan sampai VCR 10. Konsentrasi sel mikroalga sebelum dan sesudah pemekatan akan dihitung dengan menggunakan alat haemositometer improved Neubauer. Proses pemekatan dilakukan dalam sistem curah dengan target pemekatan ≥ 108 sel/ml. Hasil dan Pembahasan Pada penelitian ini, terlebih dahulu akan dipelajari karakteristik fluks dan fouling dari membran dengan menggunakan umpan suspensi kultur mikroalga. Fluks adalah jumlah volume yang dapat dilewatkan oleh membran per luas membran dalam jangka waktu tertentu yang dinyatakan dalam satuan (l/m2.jam). Sedangkan fouling adalah suatu fenomena yang disebabkan oleh deposisi dan akumulasi secara irreversible dari partikel-partikel pada permukaan membran dan/atau kristalisasi serta presipitasi dari partikel di dalam membran. Pengaruh TMP terhadap profil fluks dan rejeksi Tekanan lintas membran atau transmembran pressure (TMP) merupakan gaya dorong untuk proses ultrafiltrasi. Secara teoritis, fluks meningkat secara proporsional terhadap TMP. Pada Gambar 2. ditunjukkan profil fluks permeat selama filtrasi pada TMP 0.75 – 2.5 bar. Eksperimen dilakukan pada temperatur konstan 25 oC dan kecepatan linier konstan 3.86 m/s. Konsentrasi mikroalga dalam umpan adalah 107 sel/ml. Seperti terlihat pada Gambar 2, penurunan fluks yang signifikan terjadi pada 60 menit pertama akibat dari terjadinya polarisasi konsentrasi dan fouling membran.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

F-23-2

300 TMP = 0,75 bar TMP = 1,1 bar

250

TMP = 1,5 bar TMP = 1,7 bar TMP = 2,1 bar

Fluks (l/m2/jam)

200

TMP = 2,5 bar 150

100

50

0 0

20

40

60 Menit operasi

80

100

120

Gambar 2. Kurva hubungan fluks dan waktu operasi terhadap variasi tekanan Pengaruh TMP terhadap fluks tunak dapat dilihat pada Gambar 3. Pada kisaran TMP 0.75 sampai 2.5 bar, peningkatan TMP akan memberikan kenaikan fluks meskipun tidak proporsional. Hal ini mengindikasikan bahwa peningkatan TMP juga akan meningkatkan tekanan hidrolik perpindahan air melewati membran. Melihat kecenderungan seperti Gambar 3, ada kemungkinan peningkatan TMP lebih lanjut tidak akan memberikan kenaikan fluks. Artinya bahwa proses filtrasi dikendalikan oleh perpindahan massa dari bulk ke permukaan membran. Hasil yang sangat menarik adalah bahwa fluks yang dihasilkan masih sangat tinggi yaitu sekitar 80 l/m2.jam pada TMP 1 bar. 100 80

150

60 100 40

Fluks Permeat Fluks Air

50

Rejeksi (%)

Fluks (l/m2.jam)

200

20

Rejeksi 0

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

TMP (bar)

Gambar 3. Kurva profil fluks dan rejeksi terhadap tekanan Selain fluks yang tinggi, hasil penelitian ini juga menunjukkan bahwa mikroalga terejeksi sempurna oleh membran seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. Hal ini dapat dimengerti karena ukuran mikroalga (2-10 µm) jauh lebih besar dibandingkan dengan ukuran pori-pori membran (100000 Da setara dengan 0.1 µm). Hal ini berarti bahwa seluruh mikroalga dapat dipanen sebagai konsentrat. Rejeksi mikroalga yang diperoleh tidak bergantung pada tekanan. Namun jumlah sel mikroalga yang pecah meningkat dengan kenaikan TMP. Oleh karena itu eksperimen selanjutnya dilakukan pada TMP maksimum 1 bar. Karakteristik fluks dan rejeksi terhadap VCR Volume concentration ratio (VCR) yaitu perbandingan volume awal umpan (Vo) dengan volume umpan pada waktu t (Vt) merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi karakteristik fluks dan rejeksi pada proses pemekatan menggunakan membran ultrafiltrasi. Untuk mendapatkan gambaran pengaruh VCR terhadap kinerja membran ultrafiltrasi ini, dilakukan percobaan dengan VCR 1, 1.25, 2.5, 5, 10. Dari penelitian diperoleh hasil bahwa semakin besar VCR maka fluks akan semakin kecil, sedangkan rejeksi konstan 100% terhadap peningkatan VCR, seperti yang telihat pada Gambar 4.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

F-23-3

100 80

60

60 40 40 20

Rejeksi (%)

Fluks (l/m 2.jam)

80

20 Fluks

Rejeksi

0

0 0

2

4

6

8

10

12

VCR

Gambar 4. Kurva profil fluks dan rejeksi terhadap VCR Karena rejeksi mikroalga mencapai 100% maka peningkatan konsentrasi mikroalga sebanding dengan VCR. VCR yang semakin besar dalam proses pemekatan suatu suspensi menunjukkan adanya kenaikan konsentrasi pada suspensi tersebut. Pada VCR 10 (konsentrasi mikroalga 108 sel/ml) fluks mencapai 38.34 l/m2.jam. Peningkatan konsentrasi akan memperkecil fluks karena kemungkinan terjadinya fouling semakin besar. Pada penelitian ini, fouling yang terjadi disebabkan oleh terakumulasinya lapisan sel mikroalga pada permukaan membran sehingga semakin banyak mikroalga atau semakin besar konsentrasi, semakin mudah pula terbentuk fouling. Selain itu, peningkatan konsentrasi juga akan meningkatkan tekanan osmotik membran sehingga driving force larutan untuk melewati membran berkurang (Mulder, 1996). Berdasarkan hasil ini jika konsentrasi mikroalga terus ditingkatkan sampai 1010 sel/ml, fluks tunak diperkirakan masih dapat dipertahankan diatas 20 l/m2.jam dengan rejeksi mikroalga yang masih sempurna (100%). Proses pemekatan mikroalga dalam sistem curah (batch) Ada beberapa sistem operasi yang bisa digunakan untuk melakukan proses ultrafiltrasi diantaranya operasi curah (batch), proses single-pass, feed and bleed dan operasi multistage recycle (Cheryan, 1986). Setiap sistem tersebut memiliki kelebihan maupun kelemahan masing-masing. Pada penelitian ini digunakan sistem curah untuk melakukan pemekatan mikroalga karena sistem ini merupakan salah satu sistem yang sederhana dan sangat umum dilakukan baik dalam skala laboratorium maupun skala pilot. Dalam sistem curah, retentat akan dikembalikan lagi ke tangki umpan. Cheryan (1986) juga menyatakan bahwa metode curah adalah metode tercepat untuk proses pemekatan dengan kebutuhan luas membran yang tidak terlalu besar. Pada proses pemekatan mikroalga ini, 3000 ml kultur mikroalga dengan kepadatan 107 sel/ml diumpankan ke dalam membran ultrafiltrasi secara curah. TMP dijaga agar tidak lebih dari 1 bar. Hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa mikroalga hasil pemekatan memiliki kualitas yang bagus. Jika dilihat dibawah mikroskop dengan pembesaran 40 kali, sel mikroalga yang bagus ditunjukkan oleh kondisi sel yang utuh dan tidak pecah serta tidak ditemukannya kontaminan dalam konsentrat mikroalga. Konsentrasi pemekatan yang dicapai dalam penelitian ini adalah 108 sel/ml (volume konsentrat 300 ml) dengan fluks permeat rata-rata sebesar 54.13 l/m2.jam dan VCR 10 (Gambar 5). Konsentrasi mikroalga 108 sel/ml ini ideal sekali untuk diaplikasikan dalam akuakultur dengan sistem green water technique. 80

12

8 40

6

VCR

Fluks (l/m2.jam)

10 60

4 20 2 Fluks

VCR

0 0

50

100

150

200

250

300

0 350

Menit Operasi

.

Gambar 5. Kurva profil fluks dan VCR terhadap menit operasi

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

F-23-4

Pada Gambar 5 terlihat bahwa fluks cenderung menurun dengan semakin bertambahnya waktu operasi sedangkan VCR sebanding dengan bertambahnya waktu operasi. Kecenderungan perubahan fluks dan VCR ini dimodelkan secara empirik menurut hubungan pangkat (y = 85.648x-0.1232 untuk fluks dan y = 0.467x0.417 untuk VCR). Model ini dapat digunakan untuk menghitung kebutuhan luas membran dan waktu yang diperlukan untuk mencapai konsentrasi konsentrat mikroalga yang diinginkan. Hal ini menunjukkan bahwa teknologi ultrafiltrasi dapat menjadi teknologi alternatif dalam pemanenan mikroalga dan memberikan harapan untuk aplikasi membran ultrafiltrasi dalam skala komersial di masa mendatang. Kesimpulan Penelitian untuk mengeksplorasi kemampuan membran ultrafiltrasi dalam memekatkan kultur mikroalga telah dilakukan. Kesimpulan yang diperoleh dalam penelitian ini adalah bahwa peningkatan TMP akan mengakibatkan kenaikan fluks permeat, akan tetapi kenaikan TMP juga berpengaruh terhadap peningkatan jumlah sel yang pecah. Selain itu, besar rejeksi ternyata tidak tergantung pada TMP maupun konsentrasi. Berdasarkan hal itu dapat diketahui bahwa membran ultrafiltrasi sangat mungkin diaplikasikan untuk memekatkan mikroalga sampai konsentrasi 1010 sel/ml dengan fluks stabil diatas 15 l/m2.jam Perlu diperhatikan bahwa untuk mencapai fluks tertinggi dan meminimalisasi jumlah sel yang pecah, disarankan agar menggunakan tekanan operasi maksimum 1 bar. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Laboratorium Analisis Ekosistem Akuatik Departemen Biologi FMIPA ITB, Laboratorium Proses Hilir dan Laboratorium Analisis KPP Bioteknologi ITB atas semua fasilitas yang telah diberikan untuk penelitian ini. Daftar Pustaka Anonymous, (1991), “The Design and Operations of Live Feeds Production System”, In : Rotifer and MicroAlgae Culture System, Fulks, W. And Main K.L. (Eds.)., Proceedings of a US-Asia Workshop, Honolulu, Hawaii, Januari 28-31, 1991., The Oceanic Institute, Hawai, USA hal 3-52. Ben-Amotz, A., and M. Avron, (1987),”The Biotechnology of Mass Culturing of Dunaliella for Products of Commercial Interest”. In Cresswell RC, Rees TAV, Shah N, editors, Algal and Cyanobacterial Technology, Longman London Hal. 90-114 Bermejo, Roman R., J.M. Alvarez-Pez, F.G. Acien Fernandez, E. Molina Grima, (2002), “Recovery of Pure b-Phycoerythrin from the Microalga Porphyridium cruentum”. J Biotechnol 93, hal 73-85. Borowitzka M.A., (1997),”Microalgae for Aquaculture, Opportunities and Constraints”, Journal Application Phycology Vol. 9, hal. 393-401 Cheryan, Munir, (1986),”Ultrafiltration Handbook”, Tachnomic Publishing Company, Inc. USA, hal 205 Gudin, C. And D. Choumont, (1991),”Cell Fragility, The Key Problem of Microalgae Mass Production in Closed Fotobioreactor”, Bioresor. Technol., Vol. 38 hal. 141-151. Mohn, F.H., (1980),”Experiences and Strategies in The Recovery of Biomass from Mass Culture of Microalgae”, In Shelef G, Soeder C.J., editors. Algae Biomass, Amsterdam : Elsevier; hal 547-571. Mulder M., (1996),”Basic Principles of Membrane Technology”, Kluwer Academic Publisher, Netherland Petrusevski, B., G. Boiler, A.N. van Bremen and G.J. Alerts, (1995), “Tangential Flow filtration: a method to concentrate freshwater algae”, Water Res., Vol. 29 Hal. 1419-1424 Priyambodo, K. dan Tri Wahyuningsih, (2003),”Budidaya Pakan Alami Untuk Ikan”, Cet. 3, Penebar Swadaya, Jakarta, hal 5-13. Pulz O., K. Scheinbenbogen and W. Gross, (2001), “Biotechnology with Cyanobacteria and Microalgae”. In: Rehm H.J., Reed G. editors. Biotechnology vol. 10., Weinheim: Wiley-VCH, hal 36-105. Rossignol N., L. Vandanjon, P. Jaouen, and F. Quemeneur, (1999),”Membrane Technology for The Continous Separation Microalgae/Culture Medium: Compared Performances of Cross-Flow Microfiltration and Ultrafiltration”, Aquaculture Engineering, Vol. 20, hal. 191-208.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

F-23-5