SIMULASI FOTOBIOREAKTOR KOLOM GELEMBUNG BENTUK SILINDER UNTUK KULTIVASI ALGA CHLORELLA M. Istiqamah 1*), Yuswan Muharam 2, dan Dianursanti 3 1. Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok 16424, Indonesia 2. Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok 16424, Indonesia *)
e-mail:
[email protected]
ABSTRAK Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan dan simulasi fotobioreaktor kolom gelembung untuk kultivasi alga Chlorella. Pola aliran untuk fasa gas dan fasa cair dimodelkan dengan menggunakan konsep dispersi dengan mempertimbangkan konveksi, difusi, lapisan batas dan laju perpindahan massa antarfasa. Simulai menggunakan program dilakukan guna mengetahui pengaruh dari parameter hidrodinamika terhadap konsentrasi alga. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin tinggi reaktor kolom gelembung mengakibatkan turunya hold up fasa gas dan kenaikan koefisien perpindahan massa. Berbeda dengan laju superfisial gas umpan, semakin besar laju superfisial gas umpan hold up fasa gas meningkat dan terjadi penurunan koefisien perpindahan massa.
Kata Kunci : Kultivasi Alga, Chlorella, kolom gelembung, simulasi.
ABSTRACT This research is modeling and simulating a bubble column photobioreactor for the cultivation of algae Chlorella. Flow regim for gas phase and liquid phase are modeled by using the concept of dispersion taking into account convection, diffusion, boundary layer and mass transfer rate. Simulations using program was conducted to determine the effect of hydrodynamic parameters on the concentration of algae. Simulation results show that the higher the resulting bubble column reactor hold downs and rise up the gas phase mass transfer coefficient. Unlike the superficial gas feed rate, where the greater the rate of superficial feed gas hold up increased gas phase and a decrease in the mass transfer coefficient. Keywords : Cultivation of Algae, Chlorella, Bubble Column, Simulation.
1. Pendahuluan Keistimewaan dari fotosintesis mikroalga adalah potensi untuk mengkonversi karbon dioksida menjadi produk biomassa yang berharga dan hasil pengolahan biomassanya dapat menghasilkan produk hayati bernilai ekonomis. Salah satu mikroalga yang cocok
untuk memfiksasi CO2 melalui proses fotosintesis adalah Chlorella vulgaris. Mikroalga ini sangat cocok karena merupakan jenis mikroalga hijau bersel tunggal yang mempunyai kemampuan fotosintesis yang cukup tinggi. Efisiensi fotosintesis pada
Simulasi Fotobioreaktor...,Muhammad Istiqamah Zada, FT UI, 2013
Chlorella vulgaris mencapai 80% dan kandungan klorofilnya mencapai 28,9 g/kg berat biomassa, paling tinggi jika dibandingkan dengan seluruh mikroalga hijau bahkan tumbuhan tingkat tinggi di dunia [3]. Dengan melihat potensi dari Chlorella akan sangat bermanfaat bila produksi biomassa Chlorella vulgaris dilakukan dalam skala industri, sehingga diharapkan menghasilkan manfaat yang besar terhadap masyarakat dan menjadi produk biomassa komersial yang menguntungkan. Simulasi dengan pengoperasian sistem tiruan dapat mengatasi kendala-kendala dan hambatan penelitian dan percobaan. Dengan pengoperasian sistem tiruan, biaya simulasi relatif lebih murah karena tidak menggunakan bahan-bahan dan peralatan riil seperti yang digunakan pada percobaan penelitian dan pengujian lapangan Pengoperasian sistem tiruan dalam ruang waktu maya juga sangat singkat dibandingkan dengan jangka waktu yang diperlukan pada penelitian dan percobaan nyata. Hasil penelitian dan percobaan riil yang membutuhkan waktu dalam beberapa bulan misalnya dapat diperoleh dalam bentuk hasil simulasi yang berlangsung singkat dalam beberapa detik. Simulasi sistem juga tidak berisiko fatal dan tidak menimbulkan kerugian karena kerusakan komponen maya pada pengoperasian sistem dalam ruang maya tidak menimbulkan kerugian dalam bentuk riil dan resiko kecelakaan yang fatal. Hidrodinamika (karakteristik pencampuran) merupakan fungsi dari geometri reaktor dan kondisi operasi (laju alir gas dan cair). Hidrodinamika mempengaruhi efisiensi fotosintesis, produktivitas dan komposisi sel. Beberapa parameter hidrodinamika yang diukur dalam suatu liquid antara lain volume, diameter dan kecepatan gelembung, gas hold up, kecepatan cairan, slip velocity, dispersi aksial, bilangan reynold, waktu pencampuran dan koefisien perpindahan massa [6] Dua parameter penting dalam hidrodinamika kolom gelembung adalah gas hold up dan koefisien perpindahan massa. Dua parameter ini sangat tergantung dengan kecepatan superficial gas yang beraerasi di kolom. Kecepatan superficial gas (UG) sendiri merupakan kondisi operasi yang harus ditentukan sebelum kultivasi serta menentukan hasil
biomassa yang didapat. Jika pengesetan kecepatan superficial gas kurang bagus maka hasil kurang optimal.
2. Persamaan Model 4.2.1
Neraca Massa CO2 fasa gas
Persamaan kontinuitas umum komponen A pada koodinat silinder dengan densitas (ρ) dan koefisien difusi DA konstan [1] adalah :
(1) Sistem fotobioreaktor tipe kolom gelembung untuk kultivasi alga menggunakan persamaan kontinuita carbon dioxide fasa gas, yang diambil dari persamaan kontinuitas umum komponen A dengan beberapa modifikasi.
(2) Pemodelan neraca CO2 fasa gas ini mengacu pada Gambar 4.1. Karena aliran fasa gas dimodelkan dengan konsep dispersi transien maka koefisien dispersi gas (DG) digunakan menggantikan koefisien difusi. Laju reaksi kimia digantikan oleh laju perpindahan massa dari antarfasa gas-cair ke cairan ruah dimana KL adalah koefisien perpindahan massa pada antarfasa gas-cair. Karena reaktor beroperasi dalam keadaan tunak, maka suku pertama persamaan (4-2) sama dengan nol. Kecepatan superficial dan dispersi arah (r) dan (∅) sangat kecil maka suku-suku persamaan (4-2)
Simulasi Fotobioreaktor...,Muhammad Istiqamah Zada, FT UI, 2013
yang mengandung kecepatan dan dispersi gas arah (r) dan (∅) diabaikan.
Laju transfer CO2 Spesifik, qCO2 menunjukkan banyaknya gas CO2 yang ditransfer dalam suatu volum permedium persatuan massa sel selama satu satuan waktu tertentu. Nilai qCO2 dapat dihitung melalui persamaan Haldane :
(3)
(7)
Neraca massa CO2 fasa cair dirumuskan dengan cara yang sama seperti neraca massa fasa gas. Pada fasa cair, laju alir fasa cair yang disebabkan oleh aliran konvektif sangat kecil sehingga diabaikan. Oleh karena itu, persamaan (4-1) dapat disederhanakan menjadi :
3. Hasil dan Pembahasan
(4) Laju carbon dioxide di dalam gas umpan yang masuk ke dalam reaktor ditambah laju dimana carbon dioxide di transportasikan oleh dispersi aksial ke sisi masuk reaktor sama dengan laju dimana carbon dioxide ditransportasikan oleh aliran konvektif menjauhi sisi masuk reaktor. Oleh karena itu,
(5) Model pendekatan pertumbuhan Chlorella dibuat sebagai upaya untuk melihat prediksi sederhana secara empiris korelasi antara pertumbuhan Chlorella dengan ketersediaan substratnya dalam medium. Model persamaan yang dipergunakan adalah persamaan Haldane :
(6) Konversi biokimia dari CO2 menjadi karbohidrat adalah reaksi reduksi yang melibatkan penyusunan ulang dari ikatan kovalen antara karbon, hydrogen, dan oksigen. Energi tersedia yang diperlukan untuk mereduksi karbon berasal dari molekul yang kaya energy yang dihasilkan pada reaksi transfer electron yang digerakkan oleh cahaya. Reduksi karbon dapat terjadi pada keadaan gelap dan melibatkan serangkaian reaksi biokimia.
Gambar 1. Profil Konsentrasi CO2 pada Fasa Gas Grafik diatas memperlihatkan profil konsentrasi CO2 fasa gas tak berdimensi (y ̅) terhadap tinggi reaktor di setiap waktunya. Garis berwarna yang menunjukkan kondisi di setiap waktu memperlihatkan bahwa semakin lama waktu berlangsungnya proses, konsentrasi CO2 fasa gas semakin bertambah di sepanjang rekator. Konsentrasi CO2 di dasar reaktor lebih cepat bertambah dibandingkan puncak reaktor. Hal tersebut dikarenakan udara masuk melalui sparger yang berada di dasar reaktor. Kecepatan gas yang mengenai permukaan cairan didasar reaktor bertumbukan dengan permukaan cairan, sehingga terjadi arus pusaran yang mengakibatkan gelembung maupun cairan tidak segera mengalir disepanjang reaktor. Dengan terjadinya akumulasi di daerah tersebut, konsentrasi CO2 pun lebih cepat meningkat, baru lah gelembung mengalir di sepanjang reaktor. Setelah mencapai waktu tertentu dimana pada saat 0.6 (satuan waktu tak berdimensi) atau 36 menit, konsentrasi CO2 di dalam reaktor menjadi seragam dan dapat dikatakan setimbang. Keseragaman di dalam reaktor ini di perlihatkan dengan profil konsentrasi CO2 telah menbentuk garis lurus.
Simulasi Fotobioreaktor...,Muhammad Istiqamah Zada, FT UI, 2013
Hasil dari simulasi yang di dapat menunjukkan untuk konsentrasi CO2 tak berdimensi pada fasa cair (x ̅) hampir seragam di sepanjang reaktor pada setiap waktunya. Dengan kata lain, dari sudut pandang perpindahan massa dapat dikatakan bahwa fasa cair mengalami pengadukan sempurna (well mixed). Hal ini terlihat pada Gambar 2 yang menunjukkan profil konsentrasi CO2 fasa cair tak berdimensi (CCO2/C*CO2) terhadap tinggi reaktor tak berdimensi (z/L). Profil konsentrasi CO2 pada fasa cair sangat mendatar disebabkan disperse sangat tinggi sehingga mampu menghomogenkan cairan di dalam reaktor.
ini terlihat pada Gambar 5.4. Seiring bertambahnya waktu, konsentrasi Alga Chlorella mengalami peningkatan yang constant, dengan terjadinya pertumbuhan Chlorella yang tumbuh secara linear ini menunjukkan pertumbuhan alga sedang berada pada Fasa Log.
Gambar 4. Profil Konsentrasi Alga
4. Kesimpulan
Gambar 2. Profil Konsentrasi CO2 pada Fasa Cair Laju pertumbuhan Alga dipengaruhi oleh konsentrasi subtrat [CO2] didalam reaktor. Dengan melihat Gambar 2 dimana konsentrasi CO2 di fasa cair semakin bertambah dari waktu ke waktu, hal itu pun mempengaruhi laju pertumbuhan alga yang ikut bertambah. Hal ini menunjukkan bahwa laju pertumbuhan berbanding lurus dengan konsentrasi CO2 di fasa cair.
1. Tinggi Reaktor dan kecepatan superfisial gas umpan sangat mempengaruhi hidrodinamika pada kolom gelembung dan hidrodinamika yang sangat terpengaruh pada perubahan kondisi operasi serta geometri ini adalah hold up fasa gas maupun fasa cair. 2. Semakin tinggi reaktor, laju perpindahan massa CO2 semakin baik dan laju pertumbuhan alga semakin meningkat, namun hal ini harus dibarengi dengan kecepatan superfisial gas umpan yang tepat pula. 3. Laju Pertumbuhan Alga Chlorella terbaik dicapai pada saat kecepatan superfisial gas umpan 15.2 m/h dengan laju pertumbuhan sebesar 4.6x10-4 mol/m3s. 4. Perubahan hold up fasa gas dan cair serta koefisien dispersi yang disebabkan oleh perubahan kondisi operasi berupa laju superfisial gas umpan memberikan pengaruh yang lebih sensitif terhadap produk biomassa Alga dibandingkan perubahan geometri reaktor.
Gambar 3. Profil Laju Pertumbuhan Alga Pada Alga di dalam reaktor, pertumbuhan alga semakin meningkat secara linier di dalah reaktor, hal
5. Besar kecilnya suatu laju perpindahan massa CO2 menunjukkan fenomena perpindahan massa di dalam reaktor. Fenomena perpindahan massa ini berbanding lurus terhadap pertumbuhan alga, sehingga profil laju
Simulasi Fotobioreaktor...,Muhammad Istiqamah Zada, FT UI, 2013
pertumbuhan alga akan memiliki kecenderungan yang sama terhadap laju perpindahan massa CO2.
[7]
Daftar Pustaka [1] [2]
[3]
[4] [5] [6]
Bird R.Bryron, Warren E.Stewart, Edwin N.Lighfoot (1960). Transport Phenomena. Wiley International Edition Dianursanti, Nasikin, M., & Wijanarko, A. (2010). NOx Enriched Flue Gas Fixation for Biomass Production of Chlorella vulgaris. Journal of Asean Chemical Engineering, Number 1, 14-20. Dianursanti.(2009). Dissertation: Pengembangan Sistem Produksi Biomassa Chlorella vulgaris dalam Reaktor Plat Datar melalui Optimasi Pencahayaan Menggunakan Teknik Filtrasi pada Aliran Media Kultur. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Kirk-Othmer. Encyclopedia Of Chemical Technology. 4th edition. USA Jurnal Teknik Kimia Indonesia (Vol. 8), 2009 Merchuk, J.C., Gluz, M., & Mukmenev, I. (2000). Comparison of photobioreactors for cultivation of the microalga Porphyridium sp.
[8]
[9] [10]
[11] [12]
Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 75, 1119–1126. Muharam Yuswan. (1995). Theses: Pemodelan Reaktor Slurry Tipe Kolom Gelembung. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Ohtaguchi K. & Wijanarko, A. (2002). Elevation of the efficiency of cyanobacterial carbon dioxide removal by monoethanolamine solutions. Journal of Technology, 8, 267-286. Peng Chen (2004). Dissertation: Modeling the Fluid Dynamics of Bubble Column Flows. Sever Institute of Washington University. Pulz O. & Scheibenbogen, K. (1998). Photobioreaktors: design and performance with respect to light energy input. Advance Bio-chemical Engineering and Biotechnology, 59, 123-151. Ugwu, C.U., Aoyagi, H., & Uchiyama, H.(2007). Photobioreaktor for Mass Cultivation of Algae. Bioresource Technology. Wijanarko A., Dianursanti, Heidi, Soemantojo, R.W. & Ohtaguchi, K. (2006). Effect of light illumination alteration on Chlorella vulgaris’s CO2 fixation in bubble column photobioreactor. International Journal of Algae, 8(1), 53-60.
Simulasi Fotobioreaktor...,Muhammad Istiqamah Zada, FT UI, 2013
