UNIVERSITAS INDONESIA. PENGARUH KANDUNGAN ION NITRAT TERHADAP PERTUMBUHAN Nannochloropsis sp. SKRIPSI PRIMA ERNEST

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGARUH KANDUNGAN ION NITRAT TERHADAP PERTUMBUHAN Nannochloropsis sp.

SKRIPSI

PRIMA ERNEST 0906604325

FAKULTAS TEKNIK DEPATEMEN TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012

Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

UNIVERSITAS INDONESIA

PENGARUH KANDUNGAN ION NITRAT TERHADAP PERTUMBUHAN Nannochloropsis sp.

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia

PRIMA ERNEST 0906604325

FAKULTAS TEKNIK DEPATEMEN TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012




KATA PENGANTAR Alhamdulillah, Puji dan syukur selalu saya panjatkan kepada Allah SWT , Tuhan semesta alam yang maha kuasa atas segala sesuatu. Segala puji bagi-Mu ya Allah yang telah memudahkan segala urusan dalam penelitian dan penulisan skripsi ini. Atas berkat dan rahmat-Nya saya dapat menyelesaikan makalah skripsi ini tepat pada waktunya. Makalah skripsi dengan judul ”Pengaruh Kandungan Ion Nitrat Terhadap Pertumbuhan Nannochloropsis sp.” ini disusun untuk melengkapi persyaratan untuk meraih gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Kimia FTUI. Selain itu, makalah ini diharapkan menjadi langkah awal bagi riset grup bioproses dalam menentukan efek konsentrasi nitrogen pada Medium Walne dalam kultivasi mikroalga Nannochloropsis sp. Dalam kesempatan ini saya ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1) Orang tua dan keluarga besar saya yang telah memberikan dukungan baik material maupun moral; 2) Bapak Prof.Dr.Ir. Anondho Wijanarko, M.Eng., selaku pembimbing skripsi yang telah memberikan waktu, tenaga, biaya, dan pikiran selama membimbing dan memberikan motivasi kepada saya dalam penyusunan skripsi ini; 3) Bapak Prof. Dr. Ir. Widodo W Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI beserta seluruh dosen Ketua Departemen Teknik Kimia

FTUI yang telah memberikan ilmu dan membagikan wawasannya; 4) Bapak Ir. Yuliusman, M.Eng kordinator skripsi Departemen Teknik Kimia FTUI atas segala pengarahan dan izin lembur yang telah diberikan selama ini;

5) Bapak Dr. Ir. Setiadi, M.T selaku pembimbing akademis 6) Anggota The Algae Team Gesti, Nikmat, Chiya, Indri P, S.T., Bang Yoga, Ingrid, Dimas dan Prima A selaku teman satu penelitian atas semangat, bantuan reagen, bantuan alat, informasi yang telah diberikan, dan bantuanbantuan lainnya; 7) Teman-teman Ekstensi Teknik Kimia angkatan 2009 atas dukungan semangat yang telah diberikan;

v Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

8) Teman-teman Teknik Kimia & Teknologi Bioproses yang tergabung dalam Riset Grup Bioproses atas kerjasamanya dan kebersamaannya dalam menjalani penelitian; 9) Kang Jajat, Mang Ijal, Mas Taufik, Mas Sri, Mas Mugeni, Tiwi, Diki, Mas Rinan, Mas Heri, Mang Ijal dan Mas Eko atas segala bantuannya; 10) Pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu Akhir kata, semoga Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala kebaikan dari semua pihak yang telah membantu. Semoga seminar ini membawa manfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Depok, Juni 2012

Prima Ernest

vi Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.


ABSTRAK

Nama Program Studi Judul

: Prima Ernest : Teknik Kimia : Pengaruh Kandungan Ion Nitrat Terhadap Pertumbuhan Nannochloropsis sp.

Nannochloropsis sp. merupakan spesies mikroalga yang memiliki masa panen yang singkat dan kandungan lipid yang cukup tinggi sehingga menyimpan potensi sebagai bahan baku biodiesel. Berbagai faktor dapat mempengaruhi pertumbuhan dan kandungan lipid dari Nannochloropsis sp. seperti konsentrasi ion nitrat dalam medium. Pada penelitian ini, konsentrasi ion nitrat dalam media kultur Nannochloropsis sp. memiliki variasi konsentrasi sebesar 0.125 g/L, 0.100 g/L, dan 0.075 g/L. Dalam konsentrasi nitrat 0.125 g/L kepadatan sel mencapai 0.247 g/L, konsentrasi 0.100 g/L sebesar 0.489 g/L, dan konsentrasi 0.075 g/L sebesar 0.279 g/L. Adapun kandungan lipid Nannochloropsis sp. dari konsentrasi nitrat 0.125 g/L sebesar 4.6%, dalam konsentrasi 0.100 g/L sebesar 8.6% dan dalam konsentrasi 0.075 g/L mencapai 10%.

Kata Kunci : Nannochloropsis sp., Ion Nitrat, Lipid

viii Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

ABSTRACT

Name Study Program Title

: Prima Ernest : Chemical Engineering : Effect of Nitrate Ion on Nannochloropsis sp. Growth

Nannochloropsis sp. is one of microalgae spesies which has short growth time and high lipid content so it has a potential as biodiesel feedstock. Many factors can affect Nannochloropsis sp. growth and lipid content. One of them is nitrate ion concentration. In this research, concentration of nitrate ion has been varied to 0.125 g/L, 0.100 g/L, and 0.075 g/L. In 0.125 g/L, cell density reached 0.247 g/L, at 0.100 g/L cell density reached 0.489 g/L, and at 0.075 cell density only reached 0.279 g/L. The lipid content of Nannochloropsis sp. of the nitrate ion concentration of 0.125 g/L at 4.6%, at concentration 0.100 g/L by 8.6% and at concentration of 0.075 g/L reached 10%

Keywords: Nannochloropsis sp., Nitrate Ion, Lipid

ix Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

DAFTAR ISI

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv KATA PENGANTAR ............................................................................................ v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ............................................................. vii ABSTRAK ........................................................................................................... viii ABSTRACT ........................................................................................................... ix DAFTAR ISI ........................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv BAB 1 ..................................................................................................................... 1 PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 1.1.

Latar Belakang Masalah ............................................................................... 1

1.2.

Rumusan Masalah ........................................................................................ 3

1.3.

Tujuan Penelitian ......................................................................................... 3

1.4.

Batasan Masalah........................................................................................... 3

1.5.

Sistematika Penulisan .................................................................................. 4

BAB 2 ..................................................................................................................... 6 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 6 2.1

Mikroalga Nannochloropsis sp. ................................................................... 6

2.1.1

Struktur Sel Nannochloropsis sp. ......................................................... 8

2.1.2

Manfaat Nannochloropsis sp. ............................................................... 9

2.2

Pertumbuhan Nannochloropsis sp. ............................................................. 10

2.2.1. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Mikroalga Nannochloropsis sp. .......................................................................................... 10 2.2.1.1

Jenis Medium .............................................................................. 10

2.2.1.2

Pencahayaan ................................................................................ 12



Pencahayaan Terang-Gelap .................................................................... 12



Pencahayaan Kontinyu ........................................................................... 12



Pencahayaan Alterasi ............................................................................. 13

2.2.1.3

pH ................................................................................................ 13

2.2.1.4

Salinitas ....................................................................................... 13

2.2.1.5

Suhu ............................................................................................. 14 x Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

2.2.1.6

Flowrate ....................................................................................... 14

2.2.1.7

Konsentrasi CO2 ......................................................................... 14

2.2.1.8

Agitasi ......................................................................................... 14

2.2.1.9

Kontaminasi................................................................................. 14

2.2.1.10

Pre-culture ................................................................................... 15

2.2.2.

2.3

Fase Pertumbuhan ............................................................................... 15

2.2.2.1.

Fase Lag atau Fase Perkenalan .................................................... 15

2.2.2.2.

Fase Eksponensial ....................................................................... 15

2.2.2.3.

Fase Penurunan Laju Pertumbuhan ............................................. 16

2.2.2.4.

Fase Stasioner .............................................................................. 16

2.2.2.5.

Fase Kematian ............................................................................. 16

Kandungan Essensial Nannochloropsis sp. ................................................ 17

2.3.1.

Protein ................................................................................................. 17

2.3.2.

Klorofil................................................................................................ 17

2.3.3.

Karbohidrat ......................................................................................... 18

2.3.4.

Lipid .................................................................................................... 18

2.3.5.

Beta Karoten ....................................................................................... 19

2.4

Sistem Kultivasi Mikroalga........................................................................ 20

2.4.1

Kultivasi Sistem Terbuka.................................................................... 21

2.4.2

Kultivasi Sistem Tertutup ................................................................... 21

2.4.2.1

Karakteristik Fotobioreaktor ....................................................... 21

2.4.2.2

Jenis Fotobioreaktor .................................................................... 23

2.5

Fotosintesis Alga Hijau .............................................................................. 24

2.6

Peran Nutrisi Nitrogen ............................................................................... 25

2.7

Siklus Nitrogen .......................................................................................... 26

2.8

State of the Art ........................................................................................... 27

BAB III ................................................................................................................. 29 METODE PENELITIAN ...................................................................................... 29 3.1

Diagram Alir Penelitian ............................................................................. 29

3.2

Alat dan Bahan Penelitian .......................................................................... 30

3.3

Variabel dalam Penelitian .......................................................................... 32

3.3.1.

Variabel Bebas .................................................................................... 32

3.3.2.

Variabel Terikat .................................................................................. 32

3.3.3.

Variabel Tetap..................................................................................... 32

3.4

Prosedur Penelitian..................................................................................... 32

3.4.1

Tahap Perangkaian Fotobioreaktor ..................................................... 32 xi Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

3.4.2

Sterilisasi Peralatan ............................................................................. 33

3.4.3

Pembuatan Medium Walne ................................................................. 34

3.4.4

Pembiakan Kultur Murni .................................................................... 34

3.4.5

Penentuan Jumlah Inokulum Nannochloropsis sp. ............................. 35

3.4.6

Pembuatan Kurva Kalibrasi ................................................................ 36

3.4.7

Pelaksanaan Penelitian ........................................................................ 37

3.4.8

Pengambilan Data ............................................................................... 37

3.5

Pengolahan Data......................................................................................... 40

BAB IV ................................................................................................................. 45 ANALISA & PEMBAHASAN............................................................................. 45 4.1

Pembahasan Umum .................................................................................... 45

4.2

Data Penelitian ........................................................................................... 51

4.2.1 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap Tingkat Produksi Biomassa Nannochloropsis sp. .......................................................................................... 51 4.2.2 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap Laju Pertumbuhan Nannochloropsis sp. .......................................................................................... 52 4.2.3 sp.

Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap [HCO3-] pada Nannochloropsis 54

4.2.4 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap Fiksasi CO2 oleh Nannochloropsis sp. .......................................................................................... 56 4.2.5

Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Kandungan Esensial. 60

4.2.5.1 Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Lipid Nannochloropsis sp. ...................................................................................... 60 4.2.5.2 Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Protein, Klorofil & Karotenoid pada Nannochloropsis sp. ...................................................... 62 BAB V................................................................................................................... 65 KESIMPULAN ..................................................................................................... 65 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 66

xii Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Sel Nannochloropsis sp. ..................................................................... 7 Gambar 2.2. Ilustrasi Morfologis Sel Nannochloropsis sp. (Waggoner dan Speer, 1999) ....................................................................................................................... 8 Gambar 2.3. Fase Pertumbuhan Mikroalga (Peter, 1996) ..................................... 16 Gambar 2.4. Struktur Klorofil A dan B ................................................................ 18 Gambar 2.5. Rumus bangun fosfolipid (Borowitzka, 1988) ................................. 19 Gambar 2.6. Struktur Beberapa Jenis Karotenoid (Borowitzka,1988) ................. 20 Gambar 2.7. Produk utama dari fotosintetis reaksi gelap dan terang. (Yusandi, 2010) ..................................................................................................................... 24 Gambar 2.8. Pengubahan Amonium menjadi Senyawa Organik Utama (Salisbury, 1992) ..................................................................................................................... 27 Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ..................................................................... 29 Gambar 3.2. Skema proses pengambilan data kandungan .................................... 30 Gambar 3.3. Skema peralatan ............................................................................... 33 Gambar 4.1. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Produksi Biomassa Nannochloropsis sp. .............................................................................................. 51 Gambar 4.2. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap µ (laju pertumbuhan) pada Nannochloropsis sp. .............................................................................................. 53 Gambar 4.3. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap [HCO3-] pada Nannochloropsis sp. .......................................................................................................................... 55 Gambar 4.4. Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap qCO2 (laju fiksasi) pada Nannochloropsis sp. .............................................................................................. 57 Gambar 4.5. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap CTR (Carbon Transfer Rate) pada Nannochloropsis sp. ..................................................................................... 59 Gambar 4.6. Pengaruh Variasi Nutrisi Nitrogen terhadap Akumulasi Kandungan Lipid ...................................................................................................................... 60 Gambar 4.7. Pengaruh Variasi Nutrisi Nitrogen terhadap Akumulasi Kandungan Protein, Klorofil, dan Karotenoid.......................................................................... 61

xiii Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Komposisi biomassa Mikroakga ............................................................ 2 Tabel 2.1. Klasifikasi mikroalga Nannochloropsis sp. ........................................... 6 Tabel 2.2. Komposisi Medium Pembiakan Nannochloropsis sp. (M.Kawaroe et. Al., 2008) .............................................................................................................. 11 Tabel 2.3. Kondisi pertumbuhan Nannochloropsis sp. (Peter, 1996) ................... 15 Tabel 2.4. Karakteritik Beberapa Jenis Fotobioreaktor. (www.link.sprniger.de) . 23 Tabel 2.5. Road Map Penelitian ............................................................................ 28 Tabel 3.1. Komposisi Walne. (Culture Collection of Algae and Protozoa) ......... 34 Tabel 3.2. Penentuan kadar protein dengan metode Lowry .................................. 40 Tabel 4.1. Konstanta Nilai Hukum Henry…………………………………….. 55 Tabel 4.2. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Protein, Klorofil & Karotenoid pada Nannochloropsis sp…………………………………………… 63

xiv Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

BAB 1 PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dijelaskan mengenai latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

1.1.

Latar Belakang Masalah Pemanfaatan alga sebagai bahan bakar alternatif khususnya biodiesel

sudah banyak dilakukan mulai dari tahun 1978 dimana diluncurkannya sebuah program riset di Amerika bernama Aquatic Species Program yang dibiayai oleh U.S Department of Energy. Awalnya, program tersebut difokuskan pada produksi hidrogen dari alga. Namun, fokus tersebut berubah ke produksi biodiesel karena kandungan minyak yang dimilki oleh alga pada tahun 1982 dan berakhir pada 1998. Pengembangan selanjutnya pun terus dilakukan, hingga penentuan efisiensi mikroalga untuk produksi biodiesel dengan hasil efisiensi yang tinggi. Menurut Victor Garlington, terdapat tiga alasan utama kenapa alga menjadi biofuel baru. Pertama karena alga bukanlah sumber makanan utama manusia sehingga konversi dari sumber makanan ke sumber energi tidak berpengaruh. Kedua karena alga tumbuh dengan cepat sehingga tidak perlu waktu lama untuk memanen. Ketiga karena alga mampu memfiksasi CO2 yang ada di udara sehingga membantu menanggulangi permasalahan pemanasan global. Alga sebagai sumber nutrisi manusia dikarenakan oleh kandungan protein dan klorofil yang dimilikinya. Selain sebagai sumber nutrisi, klorofil mempunyai fungsi yang lain seperti antioksidan, aflatoksin, anti proteolitik, dll. Selain itu, mikroalga ini sangat mudah dibudidayakan secara kontinyu dengan masa panen yang singkat. Berikut adalah Tabel 1.1. perbandingan kandungan nutrisi dalam beberapa mikroalga, dari sini dapat dilihat bahwa kandungan lipid dari Nannochloropsis

sp.

adalah

terbesar

sehingga

sangat

potensial

untuk

dimanfaatkan biomassanya sebagai sumber bahan bakar alternatif (biodiesel).

1 Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

2

Tabel 1.1. Komposisi biomassa Mikroakga

Mikroalga

Protein

Karbohidrat

Lemak

Klorofil

Nannochloropsis sp.

52,11 %

12,32 %

27,64 %

0,89 %

Spirulina paltensis

46-63 %

8-14 %

4-9 %

1,21 %

Chlorella vulgaris

51-58 %

12-17 %

14-22 %

0,7-2.7 %

Nannochloropsis sp. merupakan salah satu jenis mikroalga yang juga banyak mengandung nutrisi dengan persentase sebagai berikut : protein 52,11 %; karbohidrat 16,00 % dan lemak 27,64 % yang terdiri dari EPA (Eicosapentaenoic Acid) hingga 31,42 % dan ARA/AA (Arachidonic Acid) 3,94 % (Bentley et.al., 2008). Nitrogen yang dapat diserap oleh alga adalah nitrogen yang berada dalam bentuk ion nitrat dan ion ammonium. Namun ion yang biasanya paling mudah diserap adalah ion ammonium. Oleh karena itu, ion nitrat biasanya diubah terlebih dahulu menjadi ion ammonium. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk melihat pengaruh variasi konsentrasi nitrogen terhadap pertumbuhan, pembentukkan biomassa, mauoun kandungan esensial mikroalga. Pada Spirulina fusiformis, penurunan konsentrasi nitrogen memberikan dampak berupa penurunan pembentukkan biomassa, penurunan kandungan protein, dan penurunan kandungan klorofil (Chrismadha, dkk, 2006). Penurunan kandungan nitrogen pada Chlorella pyrenoidosa memberikan dampak berupa penurunan pembentukkan biomassa tetapi menaikkan kandungan lipidnya (Nigam, dkk, 2011).Pada Dunaliella tertiolecta, penurunan konsentrasi nitrogen membuat kandungan lipid pada mikroalga tersebut meningkat (Chen, dkk, 2011). Pengurangan nitrogen juga menaikkan kandungan lipid pada Scenedesmus sp. Penurunan konsentrasi nitrogen juga menaikkan produktivitas lipid Scenedesmus sp. Akan tetapi, pada mikroalga ini, penurunan nitrogen menyebabkan penurunan pertumbuhan pertumbuhan (Xin, dkk, 2010). Peluang mikroalga untuk produksi biodiesel di Indonesia adalah negara kepulauan yang sangat besar dengan jumlah pulau 17.508 dan garis pantai lebih kurang 81.000 kilometer, yang kaya akan species mikroalga. Selain itu,

Universitas Indonesia Pengaruh kandungan..., Prima Ernest, FT UI, 2012.

3

keberadaan karbon dioksida dan sinar matahari yang cukup sangat mendukung petumbuhan alga. Organisme fotosintesis mikroskopik ini dapat tumbuh cepat, sehingga memungkinkan dapat dipanen beberapa hari, hal inilah yang tidak dapat dilakukan pada sayuran atau gandum (Danielo et al., 2005). Selain itu, Indonesia juga mempunyai perairan dangkal yang sangat luas dengan sinar matahari yang cukup sepanjang tahun, sehingga sangat besar kemungkinan nya untuk membudidayakan alga.

1.2.

Rumusan Masalah Rumusan masalah dari penelitian ini, bagaimana pengaruh dari : 

Berapa besar keterbatasan nitrogen berpengaruh terhadap pertumbuhan Nannochloropsis sp.?



Berapa besar kadar nitrogen yang diperlukan untuk menghasilkan kandungan lipid Nannochloropsis sp. yang maksimal melalui variasi kandungan ion nitrat ini?



Berapa besar keterbatasan nitrogen berpengaruh terhadap kandungan protein, klorofil, dan beta karoten Nannochloropsis sp.?

1.3.

Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Menentukan kandungan nitrogen yang optimum dalam medium sehingga

menghasilkan

akumulasi

lipid

yang

tinggi

dalam

Nannochloropsis sp. 2. Mengkaji pengaruh keterbatasan nitrogen terhadap pertumbuhan dan pembentukkan biomassa Nannochloropsis sp. 3. Mengkaji pengaruh keterbatasan nitrogen terhadap kandungan esensial Nannochloropsis sp.

1.4.

Batasan Masalah Batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Penelitian dilakukan di Laboratorium Rekayasa Bioproses Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia


4

2. Nannochloropsis sp. yang dipakai adalah jenis mikroalga yang berasal dari biakan koleksi Departemen Kelautan & Perikanan 3. Kajian mengenai variasi konsentrasi nitrogen medium Walne terhadap pertumbuhan optimum Nannochloropsis sp. 4. Sistem reaktor yang di gunakan adalah fotobioreaktor kolom gelembung dengan volume 18 dm3 yang dialiri oleh udara yang mengandung 5% CO2 dengan kecepatan superficial (UG) 2.4m/jam. 5. Pencahayaan menggunakan lampu Phillips Halogen 20W/120V/50Hz 6. Perhitungan sel (N) dan berat kering (X) dilakukan dengan metode spektroskopi cahaya tampak pada λ = 540 nm (OD540) 7. Kondisi operasional sistem pada intensitas cahaya 14.75 W/M2 (3000 lux), suhu 29oC, tekanan 1 atmosfer dan turbulansi medium kultur dengan menggunakan laju alir udara sebesar 7 dm3/menit yang dijaga kestabilannya.

1.5.

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan yang digunakan dalam makalah skripsi ini adalah

sebagai berikut: BAB I

PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan mengenai latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan makalah.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA Bab ini menjelaskan mengenai teori mencantumkan penjelasan tentang mikroalga Nannochloropsis sp., proses fotosintesis, faktorfaktor yang mempengaruhi pertumbuhan dan produksi biomassa mikroalga Nannochloropsis sp. dan state of the art.

BAB III

METODE PENELITIAN Bab ini berisi penjelasan tentang diagram alir penelitian, alat dan bahan yang digunakan, variabel penelitian, prosedur penelitian, serta metode perhitungan data hasil observasi yang akan digunakan dalam penelitian.


5

BAB IV

TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisikan mengenai analisis penelitian, baik dari data yang diperoleh, hasil pengamatan dan pembahasan untuk pengaruh tiap nutrisi yang dikandung terhadap variasi kandungan nitrogen.

BAB V

KESIMPULAN & SARAN Bab kesimpulan dan saran terdiri atas kesimpulan yang dapat ditarik dari penelitian ini dan saran yang dapat diberikan untuk penelitian selanjutnya.


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Mikroalga Nannochloropsis sp. Mikroalga yang digunakan dalam penelitian ini merupakan jenis

Nannochloropsis sp. yang digolongkan ke dalam kategori alga hijau, organism autotrof dan eukariotik. Pada Tabel 2.1 merupakan klasifikasi dari mikroalga Nannochloropsis sp. :

Tabel 2.1. Klasifikasi mikroalga Nannochloropsis sp.

Kingdom

Chromista T

Superdivisi

Chromobiota

Divisi

Ochrophyta

Kelas

Eustigmatophyceae

Genus

Nannochloropsis

Species

Nannochloropsis sp.

Sel Nannochloropsis sp. berukuran 2 - 4 mikron, berwarna hijau, bentuk bulat memanjang, memiliki kloroplas yang mengandung klorofil a dan c serta pigmen fukosanthin. Dinding sel Nannochloropsis sp. terbuat dari komponen selulosa yang kuat dan merupakan karbohidrat komplek yang bermanfaat untuk mengikat zat-zat toksik sehingga dapat dikeluarkan dari dalam tubuh serta mempunyai kemampuan mengikat aktivitas sistem kekebalan tubuh, juga memiliki 2 flagel (heterokontous) yang salah satu flagel berambut tipis, sehingga dapat bergerak aktif. Sel Nannochloropsis sp. memiliki kloroplas dan nukleus yang dilapisi. (Bold & Wynne, 1985). Sel Nannochlorpsis sp. berkembang baik secara aseksual dengan cara pembelahan sel atau pemisahan autospora dari sel induknya dan mempunyai toleransi terhadap oleh membran dan tidak selalu terdapat di perairan umum. Kloroplas ini memiliki stigma (bintik mata) di


7

sitoplasma yang sensitif terhadap cahaya dan lingkungan sangat tinggi. Menurut Wahyuni et al . (2010), bahwa sel Nannochloropsis sp. tumbuh dengan baik dengan pH 7-9 dengan kekuatan cahaya 5000-200.000 lux (sesuai dengan volume budidaya), suhu 23-36oC dan salinitas 15-45 ppt (Wahyuni et al., 2010). Sel Nannochloropsis sp. ditampilkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Sel Nannochloropsis sp.

Nannochloropsis sp. (air tawar, air laut) merupakan fitoplankton berukuran 2-4 mikron, berwarna hijau dan memiliki dua flagella (Heterokontous) yang salah satu flagella sangat tipis. Selnya berbentuk bola, berukuran kecil dengan diameter 4-6 mm. Organisme ini merupakan divisi yang terpisah dari Nannochloropsis karena tidak adanya chlorophyl b. Nannochloropsis sp. memiliki kloroplas dan nukleus yang dilapisi membran. Kloroplas memiliki stigma (bintik mata) yang bersifat sensitif terhadap cahaya, Nannochloropsis sp.dapat berfotosintesis karena memiliki klorofil. Ciri khas dari Nannochloropsis sp.adalah memiliki dinding sel yang terbuat dari komponen selulosa. Nannochloropsis sp.bersifat kosmopolit dapat tumbuh pada salinitas 0-35 ppt. Salinitas optimum untuk pertumbuhannya adalah 25-35 ppt. Fitoplankton ini juga dapat tumbuh baik pada kisaran pH 8-9,5 dan intesitas cahaya


8

2.1.1

Struktur Sel Nannochloropsis sp.

Ilustrasi morfologi Nannochloropsis sp. dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Ilustrasi Morfologis Sel Nannochloropsis sp. (Waggoner dan Speer, 1999)



Dinding Sel Dinding sel mikroalga disusun oleh lapisan microfibrillar selulosa, yang

dikelilingi oleh lapisan amorf. Dinding sel disekresi oleh aparat Golgi. Dinding sel ini berfungsi untuk melindungi bagian dalam sel dari pengaruh luar. 

Inti Sel Inti sel, nukleus, merupakan struktur dengan ukuran yang relatif besar

berbentuk bulat dan dikelilingi oleh sitoplasma. Sedangkan sitoplasma dikelilingi oleh membran sel. Bagian ini memiliki peran yang sangat penting karena bertugas mengatur seluruh aktivitas sel seperti berfotosintesis dan berkembang biak. Nukleus terdiri dari nukleoprotein yaitu kombinasi protein dan asam nukleat. Zat ini banyak mengandung enzim. Di dalam inti sel terdapat sebuah inti lagi yang berukuran lebih kecil yang disebut dengan nukleolus. Nukleolus merupakan anak inti sel yang sangat kecil dan terbentuk dari kumpulan RNA (Ribo Nucleic Acid) sehingga nukleolus berperan dalam sintesis protein di dalam sel. Selain itu, inti sel juga memiliki jaringan-jaringan halus yang berada di dalam cairan inti yang mengandung gen. Jaringan ini disebut dengan benang


9

kromatin dan berfungsi sebagai pembawa informasi genetik dari sel induk kepada sel anak pada saat berkembang biak. 

Mitokondria Mitokondria terdiri atas struktur-struktur berbentuk seperti cerutu.

Struktur-struktur kecil tersebut tersusun dari protein dan lipid yang membentuk suatu sel yang stabil dan keras. Dinding mitokondria berlapis dua dan lapisan dalamnya memiliki banyak lekukan. Struktur ini berguna untuk memperluas bidang permukaan penyerapan oksigen dalam proses respirasi sel. Mitokondria berfungsi sebagai pusat pembangkit tenaga sel dengan menghasilkan ATP sebagai sumber energi. Selain itu, mitokondria berperan penting dalam proses respirasi sel dan tempat pemecahan molekul protein dan lemak kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana yang selanjutnya digunakan sebagai sumber energi. 

Kloroplas Kloroplas umumnya berbentuk seperti cangkir atau lonceng yang letaknya

di tepi sel. Kloroplas terdiri atas lamela fotosintetik dan diselubungi oleh suatu membran ganda berisi thylakoids, klorofil, dan stroma. Dalam proses fiksasi CO2, kloroplas dapat menyerap energi cahaya

yang digunakan untuk

melakukan proses fotosintesis.

2.1.2

Manfaat Nannochloropsis sp. Nannocloropsis sp. lebih dikenal dengan nama Chlorella laut dikultur

untuk pakan bachionus plicatilis atau Rotifer karena mengandung Vitamin B12 dan Eicosapentaenoic acid (EPA) sebesar 31,42% dan total kandungan omega 3 HUFAs sebsar 42,7%, serta mengandung protein 52,11% (Rodriguez, 1997). Vitamin B12 sangat penting untuk populasi rotifier dan EPA penting untuk nilai nutrisinya sebagai pakan larva dan juvenile laut ikan laut. Selain itu, mudah dikultur secara missal, tidak menimbulkan racun atau kerusakan ekosistem di bak pemeliharaan larva, pertumbuhannya relatif cepat dan memiliki kandungan antibiotik. Kepadatan optimum yang dapat dicapai untuk skala laboratorium 50-60 juta sel/ml, skala semi massal 20-25 juta sel/ml dan massal 15-20 juta sel/ml dengan masa kultur 4-7 hari (Dianursanti & Wijanarko, 2007), melaporkan


10

presentase PUFA utama C20:5ʚ3 pada Nannochloropsis sp. tetap pada kondisi dengan keterbatasan cahaya, akan tetapi pada kondisi dengan intensitas cahaya jenuh kandungan PUFA menurun diikuti denagan kenaikan proporsi SFA dan MUFAnya. Selain itu biomassa alga Nannochloropsis sp. dapat digunakan sebagai biosorben logam berat karena memiliki kemampuan adsorbsi yang disebabkan adanya gugus aktif yang terkandung didalamnya. (Sembiring et al ., 2008).

2.2

Pertumbuhan Nannochloropsis sp.

2.2.1. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Mikroalga Nannochloropsis sp. Berikut akan diuraikan beberapa faktor yang berpengaruh pada pertumbuhan dai mikroalga Nannochloropsis sp. antara lain: 2.2.1.1

Jenis Medium Agar Nannochloropsis sp. dapat hidup maka medium pembiakannya harus

memiliki

berbagai

nutrisi

yang

diperlukan

untuk

pertumbuhan

dan

perkembangannya. Apabila asupan nutrisi dari medium tidak cukup, maka laju pertumbuhannya akan terhambat. Untuk itu komposisi medium yang diberikan harus cepat. Medium yang diperlukan untuk perkembangan Nannochloropsis sp. adalah jenis medium yang jenis nutrisinya lebih banyak dan jumlahnya pun cukup besar. Dalam medium permbiakan Nannochloropsis sp. dibutuhkan macronutrient dan trace element. Macronutrient adalah nutrien yang dibutuhkan oleh Nannochloropsis sp. dalam jumlah yang besar, sedangkan Trace element juga adalah elemen yang dibutuhkan oleh Nannochloropsis sp. dalam jumlah yang sangat kecil, namun elemen ini sangat sering digunakan (merupakan elemen yang penting bagi pertumbuhan Nannochloropsis sp.). Ada beberapa medium yang lazim digunakan untuk membiakan Nannochloropsis sp. ditampilkan pada Tabel 2.2 berikut.


11

Tabel 2.2. Komposisi Medium Pembiakan Nannochloropsis sp. (M.Kawaroe et. Al., 2008)

Benneck

BG-11

f2 guillard

Walne

(mg/dm3)

(mg/dm3)

(mg/dm3)

(mg/dm3)

NaNO3

500

1.5

75

100

Na2EDTA

-

0.001

4.56

45

H3BO3

-

2.86

-

33.6

NaH2PO4.2H2O

-

-

5

20

FeCl3.6H2O

3-5

-

4.56

1.3

MnCl.6H2O

-

-

-

0.36

B1

-

-

-

0.1

B12

-

-

0.5

0.005

MnCl2.4H2O

-

1.81

1801

-

-

0.006

-

-

Na2CO3

-

0.02

-

-

Citric Acid

-

0.006

-

-

CoCl2.6H2O

-

-

10

0.02

(NH4)6Mo7O24.4H2O

-

-

-

0.009

CuSo4.5H2O

-

0.0079

10

0.02

MgSo4

100

0.075

-

-

KH2PO4

200

0.04

-

-

Bahan

Ferric ammonium citrate

Mikroalga mendapatkan nutrien dari air laut yang sudah mengandung nutrien yang cukup lengkap. Namun pertumbuhan mikroalga dengan kultur dapat mencapai optimum dengan mencampurkan air laut dengan nutrien yang tidak terkandung dalam air laut tersebut. Nutrien tersebut dibagi menjadi makronutrien dan mikronutrien, makronutrien meliputi nitrat dan fosfat. Makronutrien merupakan

pupuk

dasar

yang

mempengaruhi

pertumbuhan

mikroalga.

Mikronutrien organik merupakan kombinasi dari beberapa vitamin yang berbedabeda. Vitamin tersebut digunakan mikroalga untuk berfotosintesis (Taw, 1990).


12

2.2.1.2

Pencahayaan Cahaya merupakan faktor utama yang mempunyai peranan penting untuk

pertumbuhan mikroalga sebagai sumber energi untuk pertumbuhan mikroalga dan fotosintesis. Kebutuhan akan cahaya bervariasi tergantung kedalaman kultur dan kepadatan. Intensitas cahaya yang terlalu tinggi dapat menyebabkan fotoinhibisi dan pemanasan. intesitas cahaya 1000 lux cocok untuk kultur mikroalga dalam Erlenmeyer, sedangkan intesitas 5000-10000 lux untuk kultur mikroalga dengan volume yang lebih besar (Coutteau, 1996). Cahaya matahari yang diperlukan oleh mikroalga dapat diganti dengan lampu TL. Penggunaan cahaya yang berasal dari lampu TL karena didasari oleh kebutuhan intensitas cahaya maka pada penelitian ini cahaya pada lampu TL dapat diatur sesuai intensitas cahaya yang dibutuhkan. Selain itu, lampu TL mempunyai kestabilan intensitas cahaya jika dibandingkan dengan cahaya yang bersumber dari cahaya matahari. Faktor pencahayaan digolongkan atas tiga bagian, yakni pencahayaan terang-gelap (fotoperiodisitas), pencahayaan kontinu, dan pencahayaan alterasi. Sebenarnya faktor pencahayaan ini juga dapat dibagi lagi menjadi pencahayaan dengan panjang gelombang tertentu dan pencahayaan dengan intensitas tertentu. Namun, kali ini hanya akan dibahas mengenai pencahayaan dengan intensitas tertentu. 

Pencahayaan Terang-Gelap Istilah pencahayaan terang-gelap dalam penelitian ini menunjukkan

kepada Nannochloropsis sp. yang diiluminasi dengan cahaya tampak (370-900 nm) dengan pengaturan kondisi terang selama 8 jam dan kondisi gelap selama 16 jam, seperti kondisi alami (periode cahaya matahari). Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya (dengan menggunakan mikroalga Chlorella vulgaris), perlakuan ini memberikan efisiensi yang paling besar dibandingkan dengan pencahayaan kontinu, namun hasil laju pertumbuhannya masih sedikit di bawah jika pencahayaan kontinu. 

Pencahayaan Kontinyu Istilah pencahayaan kontinu dalam penelitian ini menunjuk kepada

Nannochloropsis sp. yang diiluminasi dengan cahaya tampak (370-900 nm) secara terus-menerus hingga mencapai fase stasionernya. Berdasarkan penelitian yang


13

telah dilakukan sebelumnya (dengan menggunakan mikroalga Chlorella vulgaris), perlakuan ini memberikan hasil laju pertumbuhan yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan pencahayaan gelap-terang (fotoperiodisitas). 

Pencahayaan Alterasi Alterasi merupakan perubahan perlakuan cahaya dengan memberikan

intensitas cahaya yang semakin seiring dengan pertambahan jumlah sel dari dalam penilitian ini. Dari penelitian-penelitian sebelumnya (dengan menggunakan mikroalga Chlorella vulgaris), diketahui bahwa semakin banyak jumlah sel/biomassa dalam penelitian ini maka kultur akan semakin pekat sehingga cahaya yang diberikan tidak lagi dapat diterima secara merata oleh semua sel. Karena itu, perlu dilakukan peningkatan intensitas cahaya agar cahaya dapat masuk dan diterima seara merata oleh semua sel. Usaha ini telah dibuktikan dapat meningkatkan laju pertumbuhan mikroalga menjadi lebih optimal dan menghasilkan biomassa dengan jumlah yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan pencahayaan kontinu. 2.2.1.3

pH pH akan mempengaruhi toksisitas semua senyawa kimia. Variasi pH dapat

mempengaruhi metabolisme dan pertumbuhan fitoplankton dalam beberapa hal. Antara lain mengubah keseimbaangan dari karbon organik, mengubah ketersediaan nutrien dan dapat mempengaruhi fisiologis sel. Secara umum kisaran pH yang optimum pada kultur mikroalga antara 7 – 9 (Effendi, 2003). 2.2.1.4

Salinitas Salinitas air adalah salah satu faktor yang berpengaruh terhadap organisme

air dalam mempertahankan tekanan osmotik yang baik antara protoplasma organisme dengan air sebagai lingkungan hidupnya. Kisaran salinitas yang berubah-ubah dapat

mempengaruhi dan menghambat pertumbuhan dari

mikroalga. Beberapa mikroalga dapat tumbuh dalam kisaran salinitas yang tinggi tetapi ada juga mikroalga yang dapat tumbuh dalam kisaran salinitas yang rendah. Pengaturan salinitas pada medium yang diperkaya dapat dilakukan dengan pengenceran dengan menggunakan air tawar, kisaran sakinitas yang dimiliki oleh Nannochloropsis sp. antara 32–36 ppt, tetapi salinitas optimum untuk pertubuhan Nannochloropsis sp. adalah 33–35 ppt (Effendi, 2003)


14

2.2.1.5

Suhu Suhu optimal dalam kultur mikroalga Nannochloropsis sp. secara umum

0

20-24 C. Suhu dalam kultur diatur sedemikian rupa bergantung pada medium yang digunakan. Suhu diatas dari 360C akan menyebabkan jenis fitoplankton tertentu, sedangkan apabila suhu kurang dari 160C akan menyebabkan kecepatan dari pertumbuhan fitoplankton menurun 2.2.1.6

Flowrate Flowrate yang dimaksud adalah laju alir udara dan CO2 asupan pada

medium terbatas. Penentuan laju memperhitungkan model reacktor, perhitungan luas permukaan kontak dan volume kultur. Penentuan laju asupan ini mempertimbangkan supply CO2 yang dibutuhkan oleh Nannochloropsis sp. pada medium terbatas. 2.2.1.7

Konsentrasi CO2 Karbondioksida merupakan unsur yang penting dalam proses fotosintesis,

oleh karenanya persediaan CO2 dalam jumlah cukup di dalam medium akan mendukung pertumbuhan alga. Konsentrasi CO2 yang optimal untuk pertumbuhan mikroalga yaitu sekitar 3–5%, namun dari penelitian Nannochloropsis sp. dapat mentoleransi konsentrasi CO2 sampai 15% (Wirosaputro, 2002). Ketersediaan CO2 dapat dilakukan dengan menginjensikannya lalu menggoyang-goyangkan media (aerasi/proses pengadukan medium kultur). Aerasi dalam kultur mikroalga sangat penting dilakukan untuk mencegah terjadinya pengendapan sel dan untuk penyebaran nutrien secara merata sehingga sratifikasi suhu, serta meningkatkan pertukaran gas dari udara ke medium. 2.2.1.8

Agitasi Agitasi merupakan variabel pada kultur mikroalga. Fungsi variabel penting

pada kultur mikroalga. Fungsi agitasi adalah untuk mengindari sedimentasi dan fotoinhibisi, untuk penyebaran atau sirkulasi nutrien, penyeberan panas dan meningkatkan efisiensi cahaya pada sel-sel mikroalga. 2.2.1.9

Kontaminasi Seluruh rangkaian kegiatan dalam proses kultivasi Nannochloropsis sp.

harus dilakukan secara steril, begitu pula dengan peralatan yang digunakan harus disterilisasi

terlebih

dahulu

untuk

menghindari

kontaminan.

Kehadiran


15

kiontaminan dapat menghambat pertumbuhan Nannochloropsis sp. secara signifikan karena kontaminan tersebut akan berebut sumber makanan dengan Nannochloropsis sp. atau menjadi predator. 2.2.1.10 Pre-culture Pre-culture merupakan tahapan yang sangat penting bagi kultivasi Nannochloropsis sp. tahap ini dilakukan untuk membiasakan Nannochloropsis sp. pada medium yang baru, sehingga dapat melewati fase lag-nya dan siap untuk dibiakkan pada fase eksponensial. Dari tahap ini dapat diketahui apakah medium tersebut dapat digunakan atau tidak sebagai medium hidup Nannochloropsis sp. Kondisi pertumbuhan optimum dari mikroalga dapat dilihat pada Tabel 2.3 dibawah ini.

Tabel 2.3. Kondisi pertumbuhan Nannochloropsis sp. (Peter, 1996)

Parameter

Toleransi

Optimum

Temperatur (oC)

16-27

18-24

Salinitas (g/L)

12-40

20-24

Intensitas Cahaya (Lux)

1.000-8.000

3.500-5.000

pH

7-9

8.2-8.7

2.2.2. Fase Pertumbuhan 2.2.2.1. Fase Lag atau Fase Perkenalan Fase ini ditandai dengan kecilnya peningkatan kepadatan sel. Kultur yang diinokulasi dengan alga yang sedang tumbuh secara eksponensial memiliki fase lag yang singkat sehingga dapat menguangi waktu yang dibutuhkan untuk meningkatkan produksi. Pertumbuhan pada fase ini merupakan fase adaptasi fisiologis dari metabolisme sel untuk tumbuh, seperti peningkatan tingkatan enzim serta metabolisme yang dilibatkan pada pembelahan sel dan fiksasi karbon. 2.2.2.2. Fase Eksponensial Memasuki fase ini, peningkatan kepadatan sel alga merupakan fungsi waktu (t) pada fungsi logaritmik:


16

dengan Ct dan Co merupakan konsentrasi sel pada waktu t dan 0 dan m adalah laju pertumbuhan spesifik. Laju pertumbuhan spesifik umumnya begantung pada spesies alga, intensitas cahaya, dan temperatur. 2.2.2.3. Fase Penurunan Laju Pertumbuhan Pembelahan sel menurun ketika nutrien, cahaya, pH, karbon dioksida atau komponen fisika maupun kimia lainnya menjadi faktor yang membatasi pertumbuhan. 2.2.2.4. Fase Stasioner Pada fase ini, faktor pembatas dan laju pertumbuhan menjadi seimbang. Sebagai dampaknya, kepadatan sel menjadi relatif konstan. 2.2.2.5. Fase Kematian Selama fase ini, kualitas air memburuk dan kandungan nutrien terus menurun hingga tidak mampu melangsungkan pertumbuhan. Kepadatan sel berkurang secara drastis dan pada akhirnya kultur habis. Fase ini dapat disebabkan karena berbagai macam alasan seperti kehabisan nutrien, kekurangan oksigen, kondisi pertumbuhan terlalu panas, gangguan pH, atau kontaminan. Secara keseluruhan, fase-fase pertumbuhan Nannochloropsis sp. dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Fase Pertumbuhan Mikroalga (Peter, 1996)


17

2.3

Kandungan Essensial Nannochloropsis sp.

2.3.1. Protein Protein pertama kali ditemukan oleh Jöns Jakob Berzelius pada tahun 1838. Protein merupakan senyawa organik kompleks berbobot molekul tinggi. Kata protein berasal dari bahasa Yunani proteios, yang artinya ”pertama”, karena termasuk dalam kelompok senyawa yang terpenting dalam organisme hewan. Protein merupakan poliamida. Hidrolisis protein menghasilkan asam-asam amino. Molekul protein mengandung C, H, O, N dan kadang kala S serta P. Protein merupakan salah satu dari biomolekul raksasa, selain polisakarida, lipid, dan polinukleotida, yang merupakan penyusun utama makhluk hidup. Berdasarkan struktur molekulnya, protein diklasifikasikan sebagai berikut: protein fibrosa dengan contoh: kolagen, fibrin, aktin dan sebagainya. Selain itu protein digolongkan pula sebagai sebagai protein struktural dan fungsional. Protein-protein struktural antara lain membentuk membentuk kerangka sel atau sitoskelet. Selain itu protein struktural dijumpai pula sebagai penyusun kolagen pada kulit, rawan dan tulang, keratin pada kuku, rambut dan sebagainya. Protein fungsional merupakan protein yang terlibat langsung dalam metabolisme sel, mudah terurai dan terakit kembali. Protein mencakup enzim-enzim yang merupakan katalisator pada proses metabolisme, hormon, hemoglobin dan sebagainya. Protein berperan penting dalam struktur dan fungsi semua sel makhluk hidup dan virus. Jenis protein lain berperan dalam fungsi struktural atau mekanis, seperti misalnya protein yang membentuk batang dan sendi sitoskeleton. Protein terlibat dalam sistem kekebalan (imun) sebagai antibodi, sistem kendali dalam bentuk hormon, sebagai komponen penyimpanan (dalam biji) dan juga dalam transportasi hara. Sebagai salah satu sumber gizi, protein berperan sebagai sumber asam amino bagi organisme yang tidak mampu membentuk asam amino tersebut (heterotrof). 2.3.2. Klorofil Klorofil adalah kelompok pigmen fotosintesis yang terdapat dalam tumbuhan, menyerap cahaya merah, biru dan ungu, serta merefleksikan cahaya hijau yang menyebabkan tumbuhan memperoleh ciri warnanya. Terdapat dalam


18

kloroplas dan memanfaatkan cahaya yang diserap sebagai energi untuk reaksireaksi cahaya dalam proses fotosintesis. Klorofil A merupakan salah satu bentuk klorofil yang terdapat pada semua tumbuhan autotrof. Klorofil B terdapat pada ganggang hijau chlorophyta dan tumbuhan darat. Struktur klorofil A dan B ditunjukkan pada Gambar 2.4. Klorofil C terdapat pada ganggang coklat Phaeophyta serta diatome Bacillariophyta. Klorofil D terdapat pada ganggang merah Rhadophyta. Akibat adanya klorofil, tumbuhan dapat menyusun makanannya sendiri dengan bantuan cahaya matahari.

Gambar 2.4. Struktur Klorofil A dan B

2.3.3. Karbohidrat Karbohidrat merupakan suatu senyawa yang terdiri atasoksigen, karbon, dan hidrogen. Karbohidrat merupakan senyawa yang berfungsi sebagai penghasil energi utama pada makhluk hidup untuk melakukan kegiatan dan metabolism tubuh, Karbohidrat terbagi menjadi dua golongan yakni karbohidrat sederhana dan karbohidrat kompleks. Karbohidrat sederhana terdiri atas monosakarida dan disakarida. Sementara karbohidrat kompleks terdiri atas pati (Starch). 2.3.4. Lipid Lemak mecakup asam lemak, lemak netral, fosfolipid, glikolipid, terpen dan steroid. Asam lemak memiliki dua daerah yaitu: 1) rantai karbon yang bersifat hidrofobik, tidak larut atau sedikit larut air, kurang reaktif tetapi sangat larut dalam pelarut organik non polar seperti aseton, benzene dan kloroform, 2) gugus asam karboksilat, yang mengion di dalam larutan, larut dalam air dan mudah


19

bereaksi membentuk ester. Asam lemak merupakan sumber makanan. Terdapat dalam sitoplasma berupa tetesan-tetesan gliserida yang terdiri dari tiga rantai asam lemak yang masing-masing terikat pada gliserol. Selain sebagai sumber makanan dan tenaga, peranan asam lemak yang terpenting adalah sebagai penyususn selaput plasma, selaput tipis ini sebagian besar dari fosfolipid. Setiap molekul fosfolipid memiliki ekor hidrofilik yang terdiri dari dua buah rantai asam lemak dan gugus kepala yang bersifat polar dan hidrofilik. Molekul fosfolipid sesungguhnya adalah detergen. Rumus bangun fosfolipid ditunjukkan pada Gambar 2.5. Tetesan

fosfolipid pada air akan membentuk

lapisan tipis di permukaan air tersebut. Selaput ini terdiri dari satu lapis molekulmolekul fosfolipid pada berkaitan ekor dengan ekor membentuk dwilapisan fosfolipid yang merupakan struktur dasar selaput plasma.

Gambar 2.5. Rumus bangun fosfolipid (Borowitzka, 1988)

2.3.5. Beta Karoten Karotenoid merupakan suatu kelompok pigmen organik berwarna kuning oranye, atau merah oranye yang terjadi secara alamiah dalam tumbuhan yang berfotosintesis, ganggang, beberapa jenis jamur dan bakteri. Karotenoid adalah sanyawa poliena isoprenoid yang tidak larut dalam air, mudah diisomerisasi dan dioksidasi, menyerap cahaya, meredam oksigen singlet, memblok reaksi radikal bebas dan dapat berikatan dengan permukaan hidrofobik. Saat ini lebih dari 600 karotenoid yang telah diisolasi dan dikelompokkan (Gross, 1991). Beberapa diantaranya dapat dilihat pada Gambar 2.6 dibawah ini:


20

Gambar 2.6. Struktur Beberapa Jenis Karotenoid (Borowitzka,1988)

Senyawa β-karoten merupakan suatu produk yang penting dan bernilai ekonomis karena senyawa ini berguna terhadap kesehatan. Beberapa manfaat βkaroten adalah sebagai provitamin A yang berguna pada pembentukan vitamin A, menurunkan resiko penyakit kanker, meningkatkan sistem daya kekebalan tubuh, memperlambat penuaan serta mencegah penyakit katarak. Salah satu sumber karotenoid yang utama adalah minyak sawit mentah ( Crude Palm Oil ) dengan konsentrasi karotenoid yang terkandung di dalamnya berkisar 500 – 700 ppm dan sekitar 80 % dari karotenoid tersebut adalah senyawa β-karoten. Karotenoid dalam CPO ini dapat diperkaya dengan cara mereaksikan campuran metil ester karotenoid dengan larutan urea dalam etanol 25% hingga diperoleh karotenoid dalam ester asam lemak dengan konsentrasi 3452 ppm. Salah satu ciri dari karotenoid adalah adanya sistem ikatan rangkap terkonjugasi dengan elektron π yang terdelokalisasi di sepanjang rantai poliena. Hal inilah yang menyebabkan karotenoid memiliki reaktifitas kimia dan dapat menyerap cahaya sehingga karotenoid memiliki warna (Borowitzka, 1988).

2.4

Sistem Kultivasi Mikroalga Dibandingkan dengan pertumbuhan tanaman, produksi biomassa dari

mikroalga relatif lebih mahal. Oleh karena itu, banyak sistem kultivasi menggunakan sinar matahari dan air laut yang ada, walaupun tiap hari terdapat variasi musim karena level penyinaran. Untuk setiap koloni alga, pertumbuhan bergantung pada kondisi lingkungan, temperatur 20-300C, medium esensial nitrogen, fosfor, besi yang umumnya tidak mahal. Banyak kultivasi menghasilkan


21

biomassa sekitar 50% karbon dengan berat kering yang dihasilkan dari CO2. Ada dua jenis operasi kultivasi mikroalga yiatu sistem terbuka dan sistem tertutup. 2.4.1

Kultivasi Sistem Terbuka Sistem terbuka menggunakan raceway (kolom) dan sinar matahari sebagai

sumber energi utama dan sistem lebih murah daripada fotobioreaktor. Akan tetapi, sistem

terbuka

mudah

terkontaminasi

(sulit

mengontrol

kontaminan),

menghasilkan produktivitas rendah, kehilangan air besar, kebutuhan ruang besar dan inhibisi O2 tinggi. 2.4.2

Kultivasi Sistem Tertutup Untuk produk yang bermutu tinggi, sistem kultivasi tertutup lebih dipilih,

ditinjau dari segi perkembangannya dan bervariasinya pendekatan yang dapat digunakan dalam desai. Keunungan dari penggunaan system ini adalah produktivitas yang tinggi, kontaminasi yang rendah, sedikit kehilangan air, inhibisi O2 rendah, konsentrasi biomassa tinggi dan ruang yang dibutuhkan lebih kecil. Dalam system kultivasi tertutup terdapat berbagai jenis dan karakteristik fotobioreaktor yang digunakan. 2.4.2.1

Karakteristik Fotobioreaktor Berikut ini akan dijelaskan beberapa karakteristiuk fotobioreaktor:

1. Energi Cahaya Cahaya sebagai sumber energi untuk kehidupan fotoautotropik merupakan faktor pembatas yang mendasar dalam fotobioteknologi. Pada pencahyaan yang intens, laju fotosintesis akan berbanding lurus proposional dengan intensitas cahaya sampai intensitas iluminasi yang tinggi dapat merusak sistem reseptor fotosintetik dalam beberapa menit yang dinamakan fotoinhibisi. Pada kebanyakan mikroalga, fotosintesis akan mengalami kejenuhan pada radiasi sekitar 1700-2000 µE/m2 dan mengalami fotoinhibisi pada 130 µE/m2 (Pulz, 2001). Meskipun minat pada bioteknologi semakin berkembang belakangan ini tetapi masih sedikit referensi literatur mengenai short-term process dari fotoadaptasi yaitu mengenai inhibisi cahaya atau efek kejenuhan dalam fotobioreaktor dalam sistem tertutup. Fotoadaptasi memerlukan waktu sekitar


22

10-40 menit dimana dapat dijelaskan ketidaksesuaian antara produktivitas kultur alga pada udara terbuka dan pencahayaan optimumnya.

2. Kesetimbangan CO2/O2 Untuk laju fotosintesis yang tinggi, kesetimbangan CO2/O2 harus disesuaikan, dimana enzim utama carboxylatin . Rubisco menggunakan CO2 untuk siklus Calvin dan tidak menggunakan O2 untuk fotorespirasi. Oksigen dapat menjadi permasalahan dalam kultur mikroalga dengan densitas sel tinggi karena akan menghambat laju fotosintesis. Konsentrasi CO2 biasanya harus dijaga selama marjin yang sempit. Kandungan CO2 udara 0.03% menjadi sub optimal bagi pertumbuhan dan pada umumnya tumbuh-tumbuhan dapat mentoleransi konsentrasi CO2 udara sampai 12% pada temperatur 350C. sampai saat ini tekanan parsial O2 (pO2) dalam suspense mikroalga baik dalam open atau closed-photobioreactor dapat direduksi hanya dengan menambah turbulensi dan stripping O2 dengan udara. Kedua pendekatan ini masih berupa unsolved dilemma dalam sistem fotobioreaktor. 3. Temperatur Temperatur dapat mempengaruhi respirasi dan fotorespirasi secara lebih kuat dibanding fotosintesis. Ketika CO2 atau cahaya menjadi terbatas untuk proses fotosintesis, pengaruh temperatur menjadi tidak signifikan. Jadi, net efisiensi fotosintesis akan menurun dengan kenaikan pada temperatur tinggi. Efek ini dapat memperburuk kultur suspense pada kondisi penurunan CO2 dan kelarutan O2 pada kenaikan temperatur (Pulz, 2001). 4. Nutrien dan Nilai pH Suplai nutrien yang cukup untuk mikroalga adalah pre-kondisi untuk fotosintesis yang optimal. Defisiensi nutrien akan menyebabkan gangguan pada metabolisme dan ketidaksesuaian produksi pada intermediate proses fotosintesis. Deviasi dari nilai pH optimum akan mempengaruhi psikologis reaksi dan produktivitas sehingga kondisi yang terkontrol dengan mudah harus dijaga pada rasio optimum dalam fotobioreaktor (Pulz, 2001).


23

2.4.2.2

Jenis Fotobioreaktor Pemilihan desain dari sebuah fotobioreaktor akan sangat mudah

mempengaruhi

produksi

efisiensi

keseluruhan

untuk

mempengaruhi

mikroorganisme yang berbasiskan produk. Hal ini dikarenakan sistem terbuka biasanya memiliki produktivitas yang kecil, sehingga untuk skala industri banyak digunakan sistem tertutup seperti tubular fotobioreaktor (Gunther, 2001). Jenis fotobioreaktor dibedakan berdasarkan bentuknya, flow regine, efisiensi energi cahaya, dan luas permukaan kontaknya. Beberapa jenis fotobioreaktor yang sering digunakan dalam kultivasi mikroorganisme antara lain: 1. Tubular fotobioreaktor 2. Conical fotobioreaktor 3. Plat-type fotobioreaktor 4. Bubble column bioreactor Karakterisitik dari beberapa jenis fotobioreaktor ditampilkan pada Tabel 2.4

Tabel 2.4. Karakteritik Beberapa Jenis Fotobioreaktor. (www.link.sprniger.de)

Satuan

Raceway

Surface type

Tubular open

Semi-closed

open pond high

pond, low layert

palted-tubular

layer thickness

thickness

system

Permukaan Terkena

m2

500

200

600

500

m2

75

5

7

6

m2

550

550

110

100

cm

16-30

0.5-1

4

3

cm/s

30-55

30-48

50-60

120

mg/L

300-500

3000-8000

5000-8000

5000-8000

g/L.d

0.05-0.1

0.8-1

0.8-1.2

0.8-1.3

Cahaya Volume Ruang Kosong yang Diperlukan Ketebalan Film Laju alir Konsentrasi Biomassa (DW) Produktivitas (DW)


24

2.5

Fotosintesis Alga Hijau Fotosintetis merupakan proses perubahan senyawa anorganik dan energi

cahaya

menjadi

bahan

organik

yang

dilakukan

oleh

tumbuhan

dan

mikroorganisme eukariotik. Mikroogranisme eukariotik biasanya dibagi menjadi beberapa kelompok berdasarkan pigmen fotosintetisnya, Rhodophyta (Ganggang merah), Chrysophyta (ganggan keemasan), Phaeophyceae (ganggang coklat) dan Chlorophyta (ganggang hijau). Organ fotosintetis tersebut terletak di kloroplas yang mengandung lapisan membrane lipoprotein (thylakoids) dan stroma. Fotosintetis dapat dinyatakan sebagai reaksi redoks yang digerakkan oleh energi cahaya, dimana karbondioksida dan air diubah menjadi karbohidrat dan oksigen. Konversi yang terjadi dibagi menjadi dua tahap, reaksi terang dan gelap seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Dalam reaksi terang energi cahaya yang terikat pada membran fotosintetis diubah menjadi energi kimia memberikan reduktor biokimia NADPH2 dan ATP digunakan dalam konversi karbondioksida menjadi karbohidrat. Dalam reaksi gelap yang berlangsung stroma, NADPH2 dan ATP digunakan dalam konversi karbon dioksida menjadi karbohidrat.

2H2O

Light reactions

2 NADPH2 Enzymes

Dark reactions

Enzymes O2

CO2 (CH2O)

3 ATP

Carbonhydrates

Gambar 2.7. Produk utama dari fotosintetis reaksi gelap dan terang. (Yusandi, 2010)

Dalam reaksi gelap terdapat konsumsi oksigen sebagai masukan proses respirasi. Dengan perkataan lain, oksigen yang dihasilkan pada reaksi terang digunakan kembali untuk proses respirasi pada rekasi gelap. Pada kondisi beradiasi rendah (cahaya yang terbatas) laju fotosintetis secara linear tergantung pada intensitas cahaya. Namun, laju fotosintetis akan menurun dan menjadi tidak efisien saat kondisi cahaya optimumnya terlewati. Semua organisme yang melakukan fotosintetis mengandung pigmen organik untuk menangkap energi cahaya. Ada tiga kelompok utama pigmen yaitu klorofil, karotenoid dan phycobilins. Klorofil (pigmen hijau) dana karoteroid


25

(pigmen kuning atau orange) bersifat lipofilik dan terhubung dengan protein kompleks, sedangkan phycobilins bersifat hidrofilik. Molekul klorofil terdiri dari cincin tetrapyrrole yang mengandung atom magnesium dan alkohol rantai panjang terpenoid, kecuali untuk klorofil c. Molekul-molekul ini terikat dengan apoprotein secara tidak kovalen. Secara struktual berbagai jenis molekul klorofil baik a, b, c maupun d berbeda. Semua klorofil memililiki dua gelombang penyerapan utama biru atau biru hijau (450475 nm) dan merah (630-675 nm). Klorofil a merupakan bagian dari inti dan pusat reaksi dan pigmen-pigmen kompleks. Sedangkan klorofil b, c dan d merupakan perpanjangan rentang penyerapan cahaya dari klorofil a. Untuk kualifikasi pigmen klorofil diambil dalam pelarut organik (metanol, etanol, aseton dll). Absorbasi ekstrak ditentukan secara spektrofotometri dan konten pigmen dihitung dengan menggunakan rumus matematika.

2.6

Peran Nutrisi Nitrogen Nitrogen merupakan salah satu unsur kimia penting, baik untuk protein

maupun DNA. Dalam kondisi nitrogen yang terbatas, sel-sel akan mengalami perubahan warna (penurunan klorofil dan peningkatan karotenoid) dan terjadi akumulasi senyawa karbon organik seperti polisakarida dan minyak tertentu. Umumnya, nitrogen diserap dalam bentuk nitrat (NO3), urea, dan ammonium. Ketika ammonium digunakan sebagai sumber nitrogen utama, pH kultur dapat turun secara signifikan selama sel aktif bekerja karena melepaskan ion H+. Jika menggunakan nitrat sebagai sumber nitrogen utama, pH kultur akan meningkat. Secara

umum,

mikroalga

memiliki

kemampuan

terbatas

untuk

menghasilkan tempat penyimpanan nitrogen ketika tumbuh dalam kondisi nitrogen yang cukup. Ketika mikroalga dikultur dalam kondisi nitrogen terbatas, efek yang paling menonjol adalah degradasi aktif dan spesifik dari phycobilisomes. Sampai nitrogen sel turun di bawah nilai ambang batas, fotosintesis masih terus terjadi, meskipun pada tingkat yang rendah. Aliran karbon dialihkan dari sintesis protein mengarah ke sintesis lemak atau karbohidrat.


26

2.7

Siklus Nitrogen Senyawa nitrogen selain yang sudah menjadi ion NO3- dan NH4+ harus

diubah terlebih dahulu menjadi ion tersebut agar mudah diserap. Namun, ion yang biasanya paling mudah diserap adalah ion NH4+ karena ion tersebut dapat berada pada situasi lingkungan yang asam atau kekurangan oksigen (hipoksia) sedangkan ion NO3- tidak terserap. Oleh karena itu, ion NO3- biasanya dirubah terlebih dahulu menjadi NH4+ melalui proses reduksi nitrat dengan reaksi sebagai berikut: (2.1) Pada reaksi tersebut, kondisi yang dibutuhkan adalah kondisi yang sangat asam. Peningkatan pH tersebut tentu saja akan mengganggu pertumbuhan sehingga perlu dilakukan cara lain. Cara yang lebih baik adalah dengan mengubah nitrat menjadi nitrit terlebih dahulu dan selanjutnya baru diubah menjadi ion ammonium. Reaksi perubahan nitrat menjadi nitrit adalah: →

(2.2)

Reaksi tersebut untuk mengubah nitrat menjadi nitrit. Padahal NADH sangat dibutuhkan untuk membentuk lipid, protein dan klorofil pada proses respirasi sehingga semakin banyak yang dibutuhkan untuk proses reduksi nitrat menjadi nitrit maka semakin sedikit lipid, klorofil dan protein yang terbentuk. Selanjutnya nitrit akan dirubah menjadi ion ammonium dengan reaksi sebagai berikut: (2.3) Berdasarkan reaksi tersebut, derajat keasaman yang dibutuhkan tidak seasam reaksi reduksi nitrat menjadi ion ammonium. Selanjutnya, NH4+ akan bereaksi dengan asam glutamat dan akan menghasilkan senyawa organik utama seperti asam amino, protein, dan klorofil dengan reaksi seperti pada gambar dibawah ini:


27

Gambar 2.8. Pengubahan Amonium menjadi Senyawa Organik Utama (Salisbury, 1992)

Namun, NH4+ yang berlebihan akan membuat pertumbuhan dari tumbuhan dan alga menurun karena gugus tersebut sangat beracun yang dapat menghambat pembentukan ATP di kloroplas maupun di mitokondria.

2.8

State of the Art Pada Tabel 2.5 di bawah ini merupakan rangkuman peneilitian mengenai

peningkatan kandungan esensial dari mikroalga menggunakan metode dan medium yang berbeda dimana salah satunya menggunakan metode variasi kandungan nitrogen dalam medium pertumbuhan. Penelitian mengenai peningkatan kandungan esensial pada mikroalga telah banyak dilakukan seperti pada Dunaliela salina, Scenedesmus dimorphus, Chlorella protothecoides, Neochloris oleoabundans, serta Nannochloropsis sp. Metode yang digunakan dan jenis kandungan yang diinginkan pun berbeda. Metode-metode yang digunakan ada penelitian-penelitian sebelumnya diantaranya adalah variasi kandungan nutrient dalam medium, variasi kandungan nitrogen dalam medium, variasi metode ekatraksi, variasi kandungan CO2 dalam medium, serta variasi waktu pemanenan. Penelitian ini difokuskan terhadap peningkatan kandungan lipid pada Nannochloropsis sp. dengan variasi nutrisi nitrogen yang menggunakan medium Walne.


28

Tabel 2.5. Road Map Penelitian

Mikroalga

Metode yang Digunakan

Dunaliela salina

Variasi kandungan nutrient dalam medium

Scenedesmus dimorphus dan Chlorella protothecoides

Variasi kandungan nitrogen dalam medium dan Variasi metode ekatraksi

Chlorella pyrenoidosa

Variasi kandungan nitrogen dalam medium

Rhodomonas

Variasi kandungan nitrogen dalam medium

Nannochloropsis occulata dan Chlorella vulgaris

Variasi temperatur, metode ekstraksi, dan kandungan nitrogen dalam medium

Neochloris oleoabundans

Chlorella vulgaris

Nannochloropsis sp.

Variasi kandungan nitrogen dalam medium Variasi metode ekstraksi, Variasi kandungan CO2 dalam medium, Variasi kandungan nitrogen dalam medium, dan Variasi waktu pemanenan Variasi kandungan nitrogen dalam medium Variasi kandungan nitrogen dalam medium Variasi kandungan nitrogen dalam medium

Medium yang Digunakan

Erdschreiber

Basal (MB)

Kandungan Esensial Lipid

Klorofil

Chen, Tang, Ma, Holland, Simon, dan Salley (2011) Shen, Pei, Yuan, and Mao (2009)

Fogg

Nigam, Rai, Sharma (2011)

f/2

Silva, Lourenco, Chaloub (2009)

Guillard

Soil Extract (SE)

Fitzgerald

Protein

Converti, Casazza, Ortiz, Perego, Borghi (2009) Yanqun Li, Horsman, Wang, Wu, and Christopher (2008)

Widjaja, Chien, and Ju (2008)

Benneck

Yusandi (2010)

Walne

Anggraini ( 2012)

Walne

Penelitian ini


BAB III METODE PENELITIAN

3.1

Diagram Alir Penelitian Skema proses penelitian yang akan dilakukan dapat dilihat pada Gambar

3.1. berikut ini : Mulai Tahap Studi Literatur Tahap Persiapan Penelitian: a) Sterilisasi Peralatan b) Pembuatan Medium Walne dengan Komposisi Nutrisi Nitrogen 0.075 g/L, 0.1 g/L & 0.125 g/L c) Pembuatan Rangkaian Peralatan d) Pembuatan kurva kalibrasi OD vs X e) Pembiakan Kultur Murni Nannochloropsis sp. dalam Medium Walne

Pembatasan kandungan nitrogen dalam Medium Walne Pelaksanaan uji kandungan lipid, protein, klorofil, dan beta karoten pada Nannochloropsis sp. Pengambilan dan pengolahan data kandungan lipid, protein, klorofil, dan beta pada Nannochloropsis sp. serta perhitungan biomassa Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

Pembahasan dan Kesimpulan Selesai Gambar 3.1. Diagram alir penelitian


30

Sedangkan skema proses pengambilan data kandungan dapat dilihat pada Gambar 3.2 dibawah ini: Pengambilan biomassa

Pencampuran dengan pelarutnya Lipid menggunakan chloroform dan methanol, klorofil menggunakan aseton, protein menggunakan air

Pemecahan dinding sel sampel klorofil dan protein

Sampel lipid

Vorteks hingga merata

Sampel protein

Klorofil & Betakaroten betakaroten

Penambahan chloroform dan air

Menambahkan larutan CuSO4 alkalin

Vorteks hingga merata

Menambahkan folin phenol reagent

Mengukur absorbansi pada panjang gelombang 645 nm & 663 nm untuk klorofil ; 450 nm untuk β-karoten

Memasukkan hasil pengukuran ke persamaan: Total klorofil = (20.2 x OD645) + (8.02 x OD663) Total β-karoten = (1000 x OD450 - 3,27(klorofil a) - 104(klorofil b))/227

Sentrifugasi sampel Membuat kurva kalibrasi protein Memisahan campuran lipid chloroform dari sampel

Mengeringkan chloroform dari lipid

Mengukur absorbansi sampel pada panjangg gelombang 600 nm dan memasukan hasilnya ke dalam kurva kalibrasi

Gambar 3.2. Skema proses pengambilan data kandungan

3.2

Alat dan Bahan Penelitian

Peralatan-peralatan yang akan digunakan pada penelitian ini, antara lain: 1.

Fotobioreaktor flat transparan berbentuk akuarium dengan volume total 18 L yang dilengkapi dengan aliran input dan output gas CO2 dan udara.

2.

Air Flow dengan kapasitas 140 L/m merek Resun LP-100.

3.

Tabung gas CO2 yang dilengkapi dengan regulator.


31

4.

Flowmeter udara dan flowmeter CO2.

5.

Sponge berfungsi sebagai filter.

6.

Breeding Sponge Filter sebagai tempat memasangkan sponge/filter.

7.

Lampu Philips hallogen 20W/12V/50Hz dan transformator 220V primer/12V sekunder dengan intensitas maksimum sebagai sumber iluminasi.

8.

T-Septum yang terbuat dari bahan gelas sebagai titik indikator konsentrasi CO2 yang masuk ke dalam fotobioreaktor.

9.

Peralatan glassware yang terdiri dari erlenmeyer 100 cm3 sebagai discharge gas CO2 dan udara output fotobioreaktor, pipet ukur 5 cm3, pipet pasteur, gelas ukur 10 cm3, 100 cm3 botol sampel sel, dan beaker glass 20 cm3 dan 100 cm3.

10. Selang silikon dan selang plastik sebagai rangkaian peralatan dan konektor rangkaian. 11. Syringe 1001 RT Hamilton 1 cm3 (inlet-outlet) untuk mengambil sampel input dan output CO2. 12. pH meter HANNA Model HI 8014 13. Set Lightmeter Lxtron LX-103 sebagai penghitung kekuatan intensitas cahaya, dengan satuan Lux. 14. Spectro UV-VIS RS Spectrometer, LaboMed. Inc untuk menghitung OD/absorbansi. 15. Unit Gas Chromatography TCD Shimadzu GC-8A untuk mengukur konsnetrasi gas CO2 input dan output fotobioreaktor, Recorder C-R6A Chromatograph untuk mendapatkan printout dari hasil GC, serta tabung gas (carrier gas) Argon. Bahan penlitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1.

Starter mikroalga hijau Nannochloropsis sp.

2.

Bahan-bahan untuk jenis-jenis medium tertera pada Tabel 3.1.

3.

Gas CO2 sebagai bahan untuk fotosintesis mikroalga

4.

Air laut (seawater) untuk membuat medium Walne

5.

Alkohol 70% untuk sterilisasi peralatan


32

3.3

Variabel dalam Penelitian Variabel - variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

3.3.1. Variabel Bebas Variabel ini merupakan variabel yang diset pada harga tertentu. Variable ini merupakan variable yang diatur pada suatu harga tertentu. Variable bebas pada penelitian ini adalah sumber nutrisi nitrogen yang digunakan. 3.3.2. Variabel Terikat Variabel ini merupakan variabel yang diukur nilainya setelah diberikan harga tertentu pada variabel bebas. Variable terikat pada penelitian ini adalah kandungan lipid, klorofil, β-karoten dan protein dalam sample biomassa Nannochloropsis sp. 3.3.3. Variabel Tetap Variabel tetap dalam penelitian ini adalah kecepatan superfisial CO2, dan intensitas cahaya yang digunakan.

3.4

Prosedur Penelitian

3.4.1

Tahap Perangkaian Fotobioreaktor Fotobioreaktor yang digunakan pada penelitian adalah fotobioreaktor

dengan volume 18 L. Gambar 3.3 di bawah ini adalah sketsa fotobioreaktor yang akan digunakan.


33 Keterangan: 1. Fotobioreaktor (PBR) 2. Breeding Sponge Filter (a/b) 3. Pompa Udara 4. Flowmeter Udara (a/b) 5. Flowmeter CO2 6. Tabung Gas CO2 7. Sparger Biasa 8. Cabang

6

CO2 2

1

Y

8 2 a

2 b

3 4 a

7 5

4 Gambar 3.3.bSkema peralatan

3.4.2

Sterilisasi Peralatan Sterilisasi bertujuan untuk menghilangkan kontaminan yang berada di

peralatan yang akan digunakan, sehingga pertumbuhan Nannochloropsis sp. tidak terhambat. Adapun langkah-langkah untuk sterilisasi alat adalah sebagai berikut: 1. Pencucian peralatan Peralatan yang akan digunakan dicuci terlebih dahulu dengan air sabun kemudian dibilas dengan air sampai tidak terdapat sabun yang menempel. 2. Pengeringan Setelah peralatan dicuci dan dibilas sampai bersih, kemudian dikeringkan dengan menggunakan tisu atau kompressor udara. Selanjutnya peralatan yang sudah kering tersebut ditutup dengan alumunium foil, untuk mencegah masuknya kontaminan. 3. Sterilisasi Peralatan dari kaca disterilisasi dalam oven dengan suhu 100oC selama 1 jam. 4. Penyimpanan


34

Peralatan kaca/logam dan plastik yang telah disterilisasi disimpan dalam lemari penyimpanan kedap udara yang dilengkapi dengan lampu UV. 3.4.3

Pembuatan Medium Walne Dalam penelitian ini medium yang digunakan sebagai kultur media

pertumbuhan Nannochloropsis sp. adalah medium Walne. Medium ini dipilih karena cukup baik untuk media hidup Nannochloropsis sp. Untuk keperluan pembuatan medium sintetik yang dalam penelitian ini menggunakan Walne, maka diperlukan senyawa-senyawa kimia yang merupakan komposisi medium. Komposisi tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.1 berikut ini:

Tabel 3.1. Komposisi Walne. (Culture Collection of Algae and Protozoa)

Stok (1) Trace metal solution (TMS) – per 100 ml

Senyawa ZnCl2 CoCl2.6H2O (NH4)6Mo7O24.4H2O CuSO4.5H2O

(2) Vitamin solution per 100 ml

Cyanocobalamin Thiamine Biotin

(3) Nutrient solution per litre

FeCl3.6H2O

3.4.4

(2) (3)

10,0 mg 10,0 mg 200,0 µg 1,3 g

MnCl2.4H2O H3BO3 EDTA (disodium salt) NaH2PO4.2H2O NaNO3 TMS Stock (1) Medium per litre Vitamin solution Nutrient solution Sterilised seawater

Larutan Stok 2,1 g 2,0 g 0,9 g 2,0 g

0,36 33,6 45,0 20,0 100,0 1,0

g g g g g ml

0,1 ml 1,0 ml 1,0 L

Pembiakan Kultur Murni Kultur murni yang didapat dibiakkan lagi sebelum dapat digunakan dalam

penelitian, selain untuk memperbanyak persediaan Nannochloropsis sp., juga diharapkan Nannochloropsis sp. beradaptasi dalam medium baru sebelum digunakan. Cara pembiakan mikroalga Nannochloropsis sp.:


35

1. Persiapan medium dan peralatan pembiakan (wadah, selang udara, tutup wadah) dan disterilkan terlebih dahulu. 2. Stock murni Nannochloropsis sp. kemudian dimasukkan ke dalam wadah steril dan dicampur dengan medium Walne yang sudah steril. 3. Kultur tersebut kemudian di-bubbling dengan menggunakan kompresor udara dan CO2. Pada tahap ini juga harus diberikan cahaya, namun intensitas cahaya diatur cukup kecil kurang lebih 1000 satu kali. 4. Pembiakan dapat dilakukan selama satu minggu atau lebih bila bertujuan untuk memperbanyak persediaan yang ada, tetapi untuk mencapai lag time hanya diperlukan 2-3 hari. 3.4.5

Penentuan Jumlah Inokulum Nannochloropsis sp. Penentuan jumlah inokulum penting dalam penelitian ini, karena berkaitan

langsung dengan jumlah sel Nannochloropsis sp. yang terdapat dalam kultur. Jumlah inokulum perlu diketahui agar dapat dilihat perubahan jumlahnya dan hal ini berkaitan dengan besar intensitas cahaya yang dibutuhkan. Langkah-langkah perhitungan : 1. Kultur yang akan dihitung jumlah inokulumnya, diaduk sampai semua endapan Nannochloropsis sp. merata dalam medium. 2. Sampel inokulum diambil secukupnya jika menggunakan mikroskop atau diambil sebanyak 5 mL jika menggunakan spektrofotometer. 3. Perhitungan sel dapat dilakukan dengan menggunakan mikroskop maupun spektrofotometer,

dengan

catatan

untuk

perhitungan

menggunakan

spektrofotometer telah dibuat kurva kalibrasi OD vs X atau OD vs Nsel a) Menggunakan Mikroskop  Sampel diteteskan pada Neubauer Improved secukupnya (±2 tetes pada ruang atas/bawah). Sampel ini kemudian ditutup dengan kaca preparat.  Sampel dihitung dengan menggunakan mikroskop (perbesaran 100x, diusahakan seluruh bagian bilik hitung terlihat dengan jelas). Alat pencacah yang digunakan untuk perhitungan adalah counter manual.  Jumlah inokulum untuk setiap bilik dan ruangan dihitung rata-ratanya, kemudian dihitung dengan rumus

N sel/ml   jumlah sel rata - rata 10.000

(3.1)


36

Bila menggunakan pengenceran maka nilai

N dikali faktor

pengenceran, misal penegenceran 4x, maka

N sel/ml   jumlah sel rata - rata  10.000  4

(3.2)

b) Menggunakan Spektrofotometer  Spektrofotometer diatur pada panjang gelombang 540 nm. Untuk melihat nilai OD pada penelitian ini digunakan spectrofotometer single beam, dan cahaya tampak (VIS) sebagai sumber cahaya yang akan diabsorbsi oleh Nannochloropsis sp.  Spektrofotometer dikalibrasi dengan kuvet berisi medium pada panjang gelombang yang sama, kemudian diatur agar absorbansinya menunjukkan angka 0,000 (nol).  Sampel dimasukan ke dalam kuvet, kemudian diuji

dalam

spektrofotometer. Data yang diambil adalah nilai absorbansi pada rentang 0 – 0,2, jika melebihi dari rentang tersebut maka sampel harus diencerkan sampai nilai absorbansinya mencapai rentang tersebut. Nilai OD 0 - 0,2 berada pada nilai T (Transmission) 15 - 65. Kemudian jumlah selnya dapat diketahui dari kurva kalibrasi OD vs Nsel. Jika dilakukan pengenceran maka jumlah selnya dikalikan jumlah pengenceran yang dilakukan. 3.4.6

Pembuatan Kurva Kalibrasi Pembuatan kurva kalibrasi ini bertujuan untuk memudahkan perhitungan

sampel yang memiliki jumlah sel yang banyak dengan hanya mengatur absorbansinya (OD) menggunakan spektrofotometer cahaya tampak. Kurva kalibrasi yang dibuat adalah kurva OD vs Nsel. Pembuatan kurva diawali dengan membuat beberapa sampel dengan nilai OD yang berbeda-beda. Satu nilai OD dibuat secara triplo sehingga pengukuran menjadi lebih akurat. Sampel yang telah disiapkan kemudian di hitung jumlah sel Nannochloropsis sp. menggunaka mikroskop. Setiap sampel dihitung tiga kali sehingga diperoleh hasil yang lebih akurat. Setelah diperoleh jumlah sel dari masing-masing sampel kemudian di buat kurva antara OD vs Nsel yang selanjutnya digunakan sebagai dasar dalam


37

perhitungan nilai jumlah sel (Nsel) dari hasil kultivasi. Kurva OD vs Nsel yang diperoleh dapat dilihat pada gambar berikut. 3.4.7

Pelaksanaan Penelitian Kondisi operasi pada penelitian ini yaitu: udara yang mengandung 5 %

CO2 dan dengan suhu ruang 29 oC. Selain itu, kecepatan superfisial gas UG yang disesuaikan berdasarkan hasil uji hidrodinamik yang diperoleh dari eksperimen Gesti Aprilia , penyesuaian intensitas cahaya yang digunakan untuk kultivasi Nannochloropsis sp. dan diperoleh dari eksperimen Ingrid C. E. Inthe, serta variasi kecepatan hisap filter system. Pada eksperimen dengan perlakuan filtrasi aliran sirkulasi kultur media yang ditujukan untuk mengurangi self shading dengan memerangkap sebagian sel dalam filter, perlu dilakukan observasi pengaruh daripada kecepatan aliran hisap terhadap peningkatan produk biomassa dan laju pertumbuhannya dengan mencari kecepatan aliran hisap optimum pada tiap jumlah OD dari 0,2 – 1,2. Pertama-tama selalu dilakukan tindakan aseptic dengan menggunakan alkohol 70 % untuk menghindari adanya kontaminan yang dapat berpengaruh pada pertumbuhan mikroalga. 3.4.8

Pengambilan Data Proses pengambilan data yang dilakukan adalah sebagai berikut.

1. Sampel diambil dari kultur media sekitar 5 – 10 ml pada 3 botol yang berbeda dari reaktor untuk diukur absorbansinya bersamaan dengan mengambil nilai pH-nya. Kemudian dirata-ratakan nilainya. Dari nilai rata-rata absorbansi yang didapat tersebut dapat dilihat nilai Nsel nya pada kurva kalibrasi OD vs Nsel. Data nilai pH dilakukan untuk melihat aktivitas sel mikroalga dari konsentrasi [HCO3-]. 2. Pengambilan data Ib dilakukan dengan menggunakan luxmeter yang diletakkan di belakang fotobioreaktor. 3. Bersamaan dengan perlakuan di atas, biomassa yang terperangkap dalam filter juga di ambil dengan cara memindahkannya dari media kultur ke dalam wadah berisi medium Walne melalui proses pemerasan sebelum diukur OD dalam kultur media tersebut.


38

4. Langkah-langkah pengambilan data diulangi setiap interval waktu yang telah ditetapkan (untuk sampel dari media kultur selama 1,5 jam sekali dan filtrat selama 1,5 jam sekali). 5. Pengambilan data lipid dilakukan dengan metode Soxhlet dengan prosedur berikut: 

Menimbang berat kosong labu alas bulat.



Menimbang berat kering sel alga kemudian dimasukkan ke dalam thimble (selongsong) yang ditutup dengan kapas dan dimasukkan ke dalam soxhlet.



Menambahkan pelarut hexane ke dalam labu alas bulat kemudian mengatur suhunya sampai 80 oC..



Merangkai peralatan soxhlet beserta kondenser.



Dijalankan selama 6-8 jam.



Thimble dikeluarkan dari soxhlet.



Setelah pelarut heksana yang naik ke soxhlet, pelarut heksana dapat ditampung di wadah lain.



Lipid dan sisa heksana yang ada di labu alas bulat dikeringkan dengan oven pada suhu 100oC.

6. Pengambilan data klorofil dan beta karoten 

Sampel dicampurkan aseton dengan perbandingan 1:1 dalam tabung 10 ml.



Kemudian ditambahkan glass bead.



Sonikasi dalam sonikator selama ± 45 menit.



Di-sentrifuge ± 30 menit



Untuk klorofil, ukur absorbansi sampel pada panjang gelombang 645 nm & 663 nm (dengan larutan standarnya adalah aseton).



Untuk beta karoten, absorbansi yang digunakan adalah pada panjang gelombang 450 nm.

7. Pengambilan data protein menggunakan prosedur Lowry (1951) sebagai berikut.


39



Larutan protein standar (BSA 200 μg/mL) dan dH2O dicampurkan dalam jumlah tertentu (Tabel 3.2) dalam tabung reaksi sehingga diperoleh berbagai konsentrasi antara 20-200 mg dalam larutan standar 1 mL.



Pada tabung lain dicampurkan juga sampel protein dan dH2O sehingga volume total larutan sampel 2,0 mL.



Kemudian larutan Biuret 5 mL ditambahkan ke dalam masing-masing tabung yang berisi larutan protein (standar dan sampel) dan segera divortex. Campuran reaksi diinkubasi pada suhu kamar tepat 10 menit. Untuk menghitung waktu reaksi digunakan stopwatch, dan waktu dihitung saat menambahkan larutan Biuret. Agar waktu reaksinya seragam untuk tiap sampel, ketika menambahkan larutan Biuret pada tabung berikutnya diberikan selang waktu tertentu.



Kemudian pada menit ke-10 sebanyak 0,5 mL reagen Folin ditambahkan ke dalam campuran reaksi dan segera dikocok menggunakan vortex. Larutan diinkubasi pada suhu kamar selama 30 menit setelah penambahan reagen Folin.



Serapan masing-masing larutan diukur tepat pada menit ke-30 yang ditetapkan pada panjang gelombang 750 nm.


40

Dalam melakukan penentuan kadar protein dengan Metode Lowry, volume untuk blanko, larutan standar, dan sampel protein digunakan ditampilkan pada Tabel 3.2 berikut Tabel 3.2. Penentuan kadar protein dengan Metode Lowry

Blanko

Larutan standar

Sampel protein

No. tabung

1

2

3

4

5

6

7

8

Standar BSA (mL)

-

0,8

1,2

1,5

1,8

-

-

-

Sampel protein (μL)

-

-

-

-

-

5

50

200

Aquades (mL)

2

1,2

0,8

0,5

0,2

1,995

1,95

1,8

Larutan Biuret (mL)

5

Reagen Folin (mL)

0,5

3.5

Pengolahan Data Data N (Jumlah Sel) yang diperoleh dari pengukuran nilai absorbansi

digunakan untuk melihat tingkat pertumbuhan Nannochloropsis sp. selama pembiakan. Persamaan yang digunakan untuk menghitung laju pertumbuhan spesifik adalah Persamaan Monod sebagai berikut



1 dN N dt

(3.3)

μ

= laju pertumbuhan spesifik (jam-1)

N

= jumlah sel (sel/cm3)

t

= waktu (jam)

Data pH yang diambil digunakan untuk mengetahui tingkat metabolisme Nannochloropsis sp. yang ditunjukkan dengan meningkatnya produksi [HCO3-] dalam fotobioreaktor. Produksi [HCO3-] diiringi pelepasan [H+], sehingga persamaan yang digunakan adalah persamaan Handerson-Haselbach, yaitu

HCO H  

K CO2 



3

(3.4)

CO2 


41

HCO   K HCO   K

CO2

CO2 H  1

(3.5)

CO2

CO2 10  pH

(3.6)



3



3

Untuk menentukan nilai Ka dan konsentrasi CO2 digunakan pendekatan Hukum Henry,

PCO2  H CO2 CO2  

yCO2

(3.7)

PT

 H CO2 ln   H CO , O 2 2 

   AH 1  To   BH ln  To   C H  To  1  T   T  T  

(3.8)

 H CO2 ln   H CO , O 2 2 

   AK 1  To   BK ln  To   C K  To  1  T   T  T  

(3.9)

Selanjutnya, konsentrasi HCO3- dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

HCO    HK 

3



CO2 CO2

  To To To    exp  AK 1    BK ln    C K   1   y CO2 PT  T  T  T           10  pH   exp  A 1  To   B ln  To   C  To  1   H H  H   T  T  T     

(3.10)

Keterangan: PT

=

Tekanan Operasi (atm)

yCO2

=

fraksi gas CO2

KCO2

=

4,38 x 10-7

HCO2

=

2900 KPa/mol

T

=

Temperatur operasi

T0

=

Temperatur standar

Ak = 40.557 Bk = -36.782 Ck = 0 Ah = 22.771 Bh = -11.452 Ch = - 3.117 Data persentase CO2 yang diambil, akan diolah untuk mengetahui jumlah gas CO2 yang dipindahkan ke dalam satuan volume medium yang dibutuhkan untuk metabolisme sel dalam satuan waktu, atau disebut CTR (Carbon Transfer Rate). Persamaan untuk perhitungannya adalah sebagai berikut CTR  yCO2   CO2

(3.11)

dimana


42

 CO2 

U G  A  M CO2  P Vmedium  R  T

(3.12)

Dengan UG

= kecepatan superfisial gas yang diumpankan (dm3/h)

A

= luas permukaan reaktor yang menghadap ke sumber cahaya (m2)

MCO2 = massa molekul relatif CO2 (g/mol) P

= tekanan operasi (atm)

Vmedium = volume medium (dm3) R

= konstanta Rydberg (0,08205 dm3.atm/mol.K)

T

= suhu operasi (K)

Selain itu, data persentase CO2 juga digunakan untuk menghitung laju gas CO2 yang dipindahkan karena adanya aktivitas kehidupan biologi dalam satu satuan waktu (qCO2). Persamaan yang digunakan adalah qCO2 

CTR y CO2   CO2  X X

(3.13)

Dimana = berat kering sel per satuan volume (g/dm3)

X

∆yCO2 = selisih konsentrasi CO2 masuk dan keluar reaktor CTR

= (g/dm3.h)

Total energi cahaya yang tersedia dari sumber cahaya selama kultivasi dapat dihitung dengan persamaan: t

E 0  A I 0  I b dt

(3.14)

0

Sedangkan energi cahaya yang terserap selama kultivasi adalah t

Ei  A I b dt

(3.15)

0

Dengan A = luas permukaan yang terkena sumber cahaya (m2) Ib = intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh kultur medium (W/m2) I0 = intensitas cahaya yang diterima oleh kultur medium (W/m2) t = waktu (jam) 1 lux = 2,95x10-3 W/m2


43

Untuk mencari jumlah energi cahaya yang dimanfaatkan selama kultivasi (Ex) dan enenrgi cahaya yang tersedia selama kultivasi (E), dapat digunakan persamaan berikut: b

EX 

A I b dt 0

(3.16)

X  s

b

E

A I 0  I b dt 0

(3.17)

X  s

Dengan ∆X = berat biomassa yang dihasilkan selama masa pertumbuhan (g/L) s = jarak yang ditempuh cahaya didalam medium kultur (m) Kemudian untuk mencari persentase efisiensi konversi energi untuk pembentukan biomassa digunakan persamaan:

E 

EX  100% E

(3.18)

Data kandungan-kandungan yang diperoleh akan diolah sebagai berikut: 1. Lipid %lipid 

berat botol akhir  berat botol kosong  100% berat sampel

(3.19)

2. Klorofil klorofil a mg / L  12,25  A663  2,55  A645

(3.20)

klorofil b mg / L  22,9  A645  4,64  A663

(3.21)

klorofil a  b mg / L  7,34  A663  17,76  A645

(3.22)

3. Beta karoten

beta karoten mg / L  

1000  A450  3,27  klorofil a   104klorofil b/ 227

(3.23)

4. Protein Kurva kalibrasi dibuat untuk menghitung kadar protein yang terdapat pada sampel. Kurva yang dibuat berdasarkan data berat sampel BSA terhadap


44

absorbansi (750 nm). Berdasarkan kurva kalibrasi yang diperoleh (dapat dilihat pada lampiran), kadar protein dihitung sebagai berikut: A750  0,00079667  C  0,12055

(3.24)

dengan C adalah kadar protein. Hasil seluruh pengolahan data untuk tiap metode pemanenan selanjutnya akan dibandingkan melalui grafik pertumbuhan sel terhadap waktu, metabolisme terhadap waktu, dan fiksasi karbon dioksida terhadap waktu, serta kandungan nutrisi terhadap metode pemanenan agar dapat diamati pengaruh dari metode pemanenan terhadap jumlah biomassa dan kandungan nutrisinya.


BAB IV ANALISA & PEMBAHASAN

Pada bab ini, akan dijelaskan mengenai pelaksanaan penelitian, hasil pengamatan, serta analisa dari hasil penelitian. 4.1

Pembahasan Umum Pada penelitian ini, mikroalga Nannochloropsis sp. dikultivasi dalam

sebuah fotobioreaktor kolom gelembung dengan variasi ion nitrat yang berbeda untuk melihat pengaruhnya terhadap tingkat pertumbuhan dan pengaruhnya terhadap kandungan esensial. Pembahasan mengenai hasil penelitian akan ditekankan pada pengaruh variasi ion nitrat terhadap tingkat produksi biomassa Nannochloropsis sp. dan kandungan esensial seperti protein, lemak, klorofil, dan karotenoid. Ion nitrat dipilih pada penelitian ini karena perannya bagi pertumbuhan dan pembentukkan kandungan essensial yang sangat penting. Ion nitrat merupakan unsur kimia anorganik pembentuk kimia organik seperti protein, klorofil, lipid & ksrotenoid. Keempat kandungan essensial tersebut dipilih karena konsentrasinya dari biomassa Nannochloropsis sp. yang cukup tinggi. Namun, tidak semua bentuk dan konsentrasi nutrisi nitrogen dapat memberikan hasil kandungan essensial yang baik bagi biomassa Nannochloropsis sp. Oleh karena itu, kandungan ion nitrat yang digunakan pada pertumbuhan mikroalga Nannochloropsis sp. dijadikan sebagai variabel bebas. Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah penentuan nutrisi nitrogen yang tepat digunakan untuk meningkatkan kandungan lipid, klorofil, karotenoid dan protein. Dengan mengetahui nutrisi nitrogen yang tepat tersebut, jumlah kandungan essensial dapat dihasilkan dengan lebih optimal. Selain itu, pemanfaatan biomassa baik sebagai bahan baku energi alternatif biodiesel maupun bahan baku suplemen makanan dapat lebih dioptimalkan. Pada tahap awal penelitian, medium yang akan digunakan dipersiapkan terlebih dahulu. Medium yang digunakan adalah medium Walne dengan menggunakan senyawa Trace Metal Solution, Vitamin Solution, Nutrient Solution dan NaNO3 sebagai sumber nutrisi nitrogennya. Komposisi dalam medium Walne


46

dipilih karena senyawa yang digunakan tersebut mempunyai nutrisi mikro maupun makro yang dibutuhkan dalam pertumbuhan mikroalga. Sumber nutrisi nitrogennya tersebut divariasikan menjadi tiga variasi. Pada variasi medium pertama, kedua, dan ketiga, senyawa yang digunakan sebagai sumber nutrisi nitrogen adalah NaNO3 dengan konsentrasi 0.075 g/L, 0.100 g/L, dan 0.125 g/L secara berurutan. Pemilihan variasi tersebut dipilih berdasarkan kandungan ion nitratnya. Dan kondisi yang ingin dilihat adalah pengaruhnya apabila konsentrasinya ditambah atau dikurangi dari kondisi biasanya. Pada penelitian ini, digunakan strain Nannochloropsis sp. sebagai objek penelitian yang merupakan ganggang bersel tunggal yang didapat dari Balai Riset Kelautan & Perikananan, Kementrian Kelautan & Perikanan. Penelitian ini menggunakan fotobioreaktor kolom gelembung tembus cahaya skala menengah bervolume 18 L dengan ukuran reaktor (38,5 x 10 x 60) cm3. Ukuran tersebut digunakan karena reaktor didesain memiliki ukuran yang sangat tipis, hal ini bertujuan untuk membantu cahaya mudah tembus hingga ke belakang reaktor dan menghindari terjadinya self-shading (peristiwa penutupan satu sel oleh sel lain yang menyebabkan tidak meratanya cahaya dan CO2 yang didapatkan oleh alga) saat kultur sudah semakin padat. Penggunaan kolom gelembung tembus cahaya dilakukan karena kolom ini merupakan peralatan yang sesuai untuk budidaya mikroorganisme fotosintesa karena maksimalisasi peningkatan produksi dan penyediaan cahaya yang secara simultan memberikan laju produksi volumetrik yang tinggi dapat dilakukan pada reaktor ini. (Wijanarko, 2006). Untuk mengembangbiakan Nannochloropsis sp. ini diperlukan sejumlah energi. Energi yang dibutuhkan adalah energi cahaya yang digunakan sel untuk berfotosintesis. Agar dapat menghitung kuantitas energi cahaya yang diperlukan selama proses perkembangbiakan maka fotobioreaktor bagian samping ditutup dengan menggunakan karton yang berwarna hitam. Hal ini bertujuan untuk menghindari adanya penyerapan energi cahaya pada bagian lain selain bagian yang memang seharusnya dikenai cahaya. Dengan menutup semua sisi kecuali bagian depan maka kita dapat menghitung dengan lebih teliti jumlah energi cahaya yang dibutuhkan dalam pembiakannya.


47

Sebelum dilakukannya percobaan, terlebih dahulu dilakukan pensterilan alat dengan mencuci bersih alat-alat yang akan digunakan, menyemprotnya dengan alkohol 70% dan kemudian menyinari dengan lampu UV selama ± 7 menit. Untuk alat-alat yang terbuat dari gelas dilakukan pembasuhan menggunakan air panas selama beberapa kali setelah tahap pencucian untuk membunuh kuman. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan kontaminan yang ada pada alat-alat yang akan digunakan. Masalah kontaminan ini amat penting untuk diperhatikan mengingat amat rentannya Nannochloropsis sp. ini pada kontaminan dalam bentuk apapun. Keberadaan kontaminan dalam reaktor nantinya akan membunuh sel perlahan-lahan yang ditandai dengan menurunnya nilai Optical Density dari waktu ke waktu. Saat reaktor sudah dimasuki kontaminan maka seluruh sel yang ada tidak dapat diselamatkan lagi dan penelitian harus diulang kembali. Hal ini disebabkan karena kontaminan yang ada tidak dapat dipisahkan dari sel dan medium. Salah satu rangkaian yang tidak kalah pentingnya adalah cahaya. Cahaya merupakan salah satu bagian terpenting bagi proses fotosintesis mikroalga. Tanpa adanya cahaya, ATP dan NADPH yang dibutuhkan untuk membentuk senyawa kimia organik tidak akan terbentuk. Namun, cahaya tersebut ada kondisi optimumnya. Pada penelitian ini, jenis pencahayaan yang digunakan adalah kontinyu. Kondisi cahaya yang optimum adalah 3000 – 5000 lux. Jika lebih kecil dari kondisi optimum tersebut, proses fotosintesis mikrolaga sulit untuk terjadi sehingga pertumbuhannya menjadi rendah. Namun, apabila lebih dari kondisi optimumnya tersebut akan berakibat fotoinhibisi, cahaya menjadi pencegah terjadinya proses fotosintesis dan akan merusak struktur sel mikroalga, terutama kloroplas. Pada tahap awal penelitian, dilakukan penentuan kurva OD540 Vs X. Penentuan kurva OD540 Vs X ini bertujuan untuk memudahkan perhitungan terhadap berat kering sel selama masa kultivasi sehingga untuk mengetahui jumlah sel serta berat kering dari sampel cukup dengan mengetahui tingkat absorbansinya yang kemudian dihubungkan dengan kurva OD540 Vs X. Hal ini membuat prosedur perhitungan maupun pengukuran yang dilakukan tidak membutuhkan waktu yang relatif lama. Panjang gelombang yang digunakan


48

dalam pengukuran absorbansi adalah 540 nm, karena absorbansi dari Nannochloropsis sp. pada panjang gelombang ini paling tinggi jika dibandingkan pada panjang gelombang cahaya tampak lainnya. (Jorge et al, 2003). Setelah rangkaian fotobioreaktor dan pencahayaan dipersiapkan, langkah selanjutnya adalah melakukan pre-culture. Kondisi operasi yang dilakukan pada proses pre-culture hampir sama dengan proses kultivasi. Hanya saja, sumber karbon dioksida yang digunakan berbeda, dimana pada proses kultivasi digunakan gas karbon dioksida sedangkan pre-culture menggunakan Na2CO3. Selain itu, pencahayaan yang dilakukan tidak terlalu tinggi intesitasnya yaitu hanya 20003000 lux tergantung jumlah biomassa yang ada pada awal pre-culture. Waktu yang dibutuhkan pada proses pre-culture cukup singkat, 2-3 hari, karena proses ini hanya bertujuan untuk mengadaptasikan mikroalga pada kondisi operasi yang akan digunakan pada penelitian. Pembiakan medium kultur murni Nannochloropsis sp. dalam medium Walne (pre-culture) dilakukan untuk mempersiapkan mikroalga berada pada fase pertumbuhan eksponensial atau telah melewati fase adaptasi (lag phase) serta untuk membiasakan mikroalga pada kondisi operasi yang akan digunakan pada penelitian ini. Waktu pre-culture untuk tiap jenis mikroorganisme berbeda-beda, untuk Chlorella vulgaris adalah selama 48 jam (Wijanarko, 2006), sedangkan untuk Nannochloropsis sp. adalah selama 52 jam.(Jorge et al., 2003). Proses ini dilakukan dalam fotobioreaktor berukuran 6 liter dengan intensitas penyinaran yang cukup serta aliran udara tanpa CO2 tambahan. Kemudian dialirkan ke reaktor, udara yang telah dicampur dengan CO2 sebesar 5%. CO2 inilah yang dibutuhkan pada proses fotosintesis. Jika jumlah CO2 yang diberikan ini terlalu banyak maka akan berdampak buruk pada sel. Selsel akan mengalami shear stress, namun jika jumlah yang diberikan terlampau sedikit maka kita akan sulit mendeteksinya dengan Gas Cromatography. Besar kecepatan superficial ini juga menentukan pertumbuhan sel dalam reaktor, jika terlalu besar maka sel-sel akan sulit untuk menangkap gas yang dilewatkan, namum jika terlalu lambat akan membuat medium jenuh akan CO2.Setelah semua kondisi operasi ditetapkan, penelitian baru dapat dimulai. Data yang diambil mencakup ODsel, ODfiltrat, pH, Iback, yCO2in dan yCO2out untuk rentang waktu


49

yang telah ditentukan. Data ODsel digunakan untuk melihat adanya peningkatan berat kering sel dalam masa kultivasi, data ODsel diambil setiap 6 jam sekali. pH digunakan untuk melakukan perhitungan terhadap konsentrasi substrat HCO3yang terdapat dalam medium, sedangkan untuk mengetahui besarnya energi cahaya yang tersedia dan dikonversi untuk pertumbuhan Nannochloropsis sp. digunakan data Io dan Iback, data yCO2in dan yCO2out digunakan untuk mengetahui seberapa besar CO2 yang terfiksasi oleh Nannochloropsis sp. Pengambilan data selanjutnya adalah pengujian kandungan essensial yang ada. Pengambilan data kandungan baik lipid, protein, karotenoid maupun klorofil dilakukan pada saat akhir kultivasi yaitu setelah 204 jam. Hal tersebut dilakukan agar perubahan yang terjadi dari kandungan essensial tersebut dapat terlihat. Untuk pengujian kandungan lipid setelah didapatkan alga kering maka dapat dilakukan ekstraksi lipid dengan menggunakan soxhlet. Prinsip Soxhlet ialah ekstraksi menggunakan pelarut yang selalu baru sehingga terjadi ekstraksi kontinu dengan jumlah pelarut konstan dengan adanya pendingin balik. Awalnya labu dioven agar hasil penimbangan berat keringnya akurat. Di dalam labu yang kosong diisi pecahan kaca yang berfungsi untuk meratakan panas. Lalu, labu yang berisi pecahan kaca ditimbang beratnya. Alga kering yang akan diekstrak ditimbang dan ditempatkan dalam suatu thimbel yang permeabel terhadap pelarut. Kemudian thimble ditutup dengan kapas agar sample tidak keluar dari thimble. Pelarut yang digunakan adalah heksana dengan titik didih 68 – 69oC. Thimble yang sudah terisi alga kering diletakkan di dalam soxhlet. Soxhlet disambungkan dengan labu yang ditempatkan pada alat pemanas listrik serta kondensor. Air dialirkan melalui kondensor dan labu mulai dipanaskan. Ketika pelarut dididihkan, uapnya naik melewati soklet menuju ke pipa pendingin. Air dingin yang dialirkan melewati bagian luar kondensor mengembunkan uap pelarut sehingga kembali ke fase cair, kemudian menetes ke thimble. Pelarut melarutkan lemak dalam thimble, larutan yang mengandung lipid ini terkumpul dalam thimble dan bila volumenya telah mencukupi, larutan ini akan dialirkan lewat sifon menuju labu. Proses dari pengembunan hingga pengaliran disebut sebagai refluks. Proses ekstraksi dilakukan selama 8 jam. Setelah proses ekstraksi selesai, pelarut dan lemak dipisahkan melalui proses penyulingan dan dikeringkan.


50

Metode soxhlet ini dipilih karena pelarut yang digunakan lebih sedikit (efesiensi bahan) dan larutan sari yang dialirkan melalui sifon tetap tinggal dalam labu, sehingga pelarut yang digunakan untuk mengekstrak sampel selalu baru dan meningkatkan laju ekstraksi. Pengujian selanjutnya adalah pengujian klorofil, karotenoid dan protein. Untuk melakukan pengujian kandungan ini, dinding sel mikroalga dipecah terlebih dahulu dengan menggunakan prinsip getaran dari gelombang ultrasonic yang dikenal dengan metode sonikasi. Untuk mempercepat pemecahan dinding sel mikroalga digunakan glass bead. Pengujian klorofil dilakukan dengan menggunakan metode kelarutan. Klorofil mempunyai sifat hidrofilik sehingga klorofil dapat larut dalam pelarut nonpolar. Dalam penelitian ini, pelarut nonpolar yang digunakan adalah aseton. Kelarutan klorofil dalam aseton tersebut diukur absorbansinya pada panjang gelombang 645 dan 663 nm , sedangkan kealrutan karotenoid dalam aseton pada panjang gelombang 450 nm. Untuk mendapatkan kandungan klorofil & karotenoid, absorbansi yang terukur tersebut dimasukkan ke dalam persamaannya. Untuk menguji kandungan protein, metode yang digunakan adalah metode Lowry. Persiapan yang dibutuhkan pada metode Lowry cukup rumit karena perlu membuat kurva kalibrasi terlebih dahulu. Kurva kalibrasi yang dibuat adalah kurva antara kandungan protein standar dengan absorbansinya. Protein standar yang digunakan adalah Bovine Serum Albumin (BSA). Persiapan selanjutnya adalah membuat larutan CuSO4 Alkalin. Protein yang ada pada sel mikroalga akan terikat dengan tembaga yang ada pada larutan CuSO4 alkalin. Kemudian, tembaga-protein yang terbentuk akan menguraikan folin phenol reagent (asam fosfomolibdat dan asam fosfotungsat) menjadi molibdenum yang berwarna biru. Semakin banyak protein yang menguraikan maka semakin berwarna biru pula sampel yang dihasilkan. Panjang gelombang yang digunakan untuk mengukur absorbansi protein adalah 600 nm. Hasil pengujian kandungan protein dan klorofil tidak dapat langsung digunakan sebagai produk karena pengujian yang dilakukan bukanlah ekstraksi langsung melainkan hanya uji kualitatif dari protein dan klorofil sehingga hasil yang didapatkan masih bercampur dengan pelarut yang tergolong berbahaya bagi tubuh manusia.


51

4.2

Data Penelitian Pada bagian ini akan diberikan data hasil pengamatan yang diperoleh dari

penelitian ini. Pengaruh nitrogen yang dilihat tersebut dipisahkan menjadi beberapa yaitu pengaruh terhadap pertumbuhan, kandungan lipid, kandungan klorofil, dan kandungan protein. Data yang diberikan terbagi menjadi dua yaitu dalam bentuk gambar dan bentuk angka atau perhitungan. Data gambar akan diberikan pada bab ini sedangkan data angka atau perhitungan akan diberikan pada bagian lampiran. 4.2.1

Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap Tingkat Produksi Biomassa Nannochloropsis sp.

Gambar 4.1. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Produksi Biomassa Nannochloropsis sp.

Pada Gambar 4.1, pertumbuhan terendah diperoleh Nannochloropsis sp. dalam nutrisi nitrogen 0.075 g/L.

Hal ini disebabkan

karena ion nitrat

merupakan zat yang dibutuhkan dalam pembentukan klorofil, dimana klorofil sangat dibutuhkan untuk proses fotosintesis. Ketika nutrisi nitrogen diturunkan maka pembentukan klorofil menjadi terhambat yang mengakibatkan proses


52

fotosintesis menjadi terhambat. Terhambatnya proses fotosintesis mengakibatkan pertumbuhan mikroalga menjadi terhambat. Sedangkan untuk nutrisi nitrogen 0.100 g/L, merupakan pertumbuhan Nannochloropsis sp. yang paling optimal untuk pembentukan biomassa. Berbeda dengan variasi nutrisi nitrogen 0.075 g/L & 0.100 g/L, pada saat nutrisi nitrogen 0.125 g/L didalam medium ion nitrat berlebih mengakibatkan kondisis kultur menjadi sedikit lebih asam sehingga pertumbuhan Nannochloropsis sp. menjadi terganggu. Hal ini menyatakan bahwa diperlukan fosfat dan nitrogen dalam bentuk nitrit (NO2-), nitrogen merupakan salah satu unsur yang diperlukan mikroalga dalam jumlah besar dan bisa menjadi faktor pembatas dalam pertumbuhan mikroalga (Nybakken, 1992). Kebutuhan unsur hara yang tercukupi dan faktor lingkungan yang mendukung akan menghasilkan laju pertumbuhan yang baik. Biomassa yang terbentuk merupakan gabungan biomassa yang terdapat di dalam reaktor dan biomassa yang ikut tersaring pada filter sponge. Hal tersebut membuat ATP dan NADPH2 yang terbentuk pada proses fotosintesis dapat langsung digunakan seluruhnya dan senyawa organik seperti protein dapat dihasilkan lebih banyak. Pada medium yang menggunakan NaNO3 sebagai sumber nutrisi nitrogennya, ATP dan NADPH2 yang dihasilkan digunakan terlebih dahulu untuk merubah nitrat menjadi ammonium. Hal tersebut membuat perolehan proteinnya lebih kecil dibandingkan medium yang menggunakan urea. 4.2.2

Pengaruh

Variasi

Ion

Nitrat

Terhadap

Laju

Pertumbuhan

Nannochloropsis sp. Laju pertumbuhan produksi biomassa pada media kultur seharusnya berada dalam fase logaritmik dimana laju pertumbuhan berada pada titik maksimal lalu seiring bertambahnya waktu akan terus menurun hingga memasuki fasa stasioner. Fenomena ini juga dapat dipahami dari persamaan yang digunakan untuk menentukan laju pertumbuhan (µ), yaitu :

dimana : µ = laju pertumbuhan spesifik (h-1) N = jumlah sel (sel/cm3) X = berat kering sel/biomassa (g/dm3)


53

t = waktu (h) Persamaan tersebut menunjukan bahwa nilai μ berbanding terbalik dengan berat kering yang dihasilkan pada rentang tertentu sehingga semakin banyak biomassa yang dihasilkan maka μ akan semakin kecil. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap µ (laju pertumbuhan) pada Nannochloropsis sp.

Kurva-kurva pada gambar diperoleh dari plot nilai µmax tiap variasi medium. Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa terdapat perbedaan laju pertumbuhan maksimum pada awal kultivasi dimana laju pertumbuhan maksimum pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.100 g/L lebih tinggi dibandingkan pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.075 g/L dan 0.125 g/L. Hal ini telah dijelaskan dengan lengkap pada analisa pengaruh variasi nutrisi nitrogen terhadap tingkat pertumbuhan dimana kondisi nutrisi nitrogen yang berlebih atau pun kekurangan. Sehingga proses fotosintesis dapat berjalan dengan lebih optimal dan menyebabkan laju pertumbuhan juga semakin cepat. Karbohidrat hasil fotosintesis oleh mikroalga


54

selain digunakan untuk pertumbuhan juga untuk respirasi selular. Apabila hasil fotosintesis berkurang, maka karbohidrat yang tersisa setelah sebagian digunakan dalam proses respirasi tidak mencukupi untuk pertumbuhan sel. Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap [HCO3-] pada Nannochloropsis

4.2.3

sp. Perhitungan terhadap [HCO3-] bertujuan untuk mengetahui jumlah dari [HCO3-] yang tersedia dan dapat dikonsumsi oleh sel Nannochloropsis sp. untuk metabolismenya. Ion ini terbentuk karena adanya reaksi antara CO2 yang terlarut dalam larutan medium dengan air. [HCO3-] dihitung dari perubahan pH kultur yang terjadi sebagai akibat adanya aktivitas pertumbuhan sel Nannochloropsis sp. Dari hasil penelitian yang pernah dilakukan pada mikroalga Chlorella Vulgaris Buittenzorg, menunjukan bahwa peningkatan jumlah sel dalam kultur cenderung meningkatkan jumlah pH kultur. Pada saat gas CO2 mengalir ke dalam kultur, proses yang terjadi adalah pembentukan senyawa bikarbonat seperti pada reaksi berikut : → Senyawa

bikarbonat

inilah

yang

kemudian

diserap

oleh

sel

Nannochloropsis sp. Proses metabolisme yang terjadi dalam sel selanjutnya adalah reaksi antara senyawa bikarbonat dengan air yang terdapat dalam sel membentuk senyawa organik seperti glukosa dan ion OH-, seperti yang tergambar pada reaksi berikut ini : → Dengan menggunakan pendekatan hukum Henry, dapat dicari besarnya [HCO3-] yang terbentuk dalam kultur yaitu:

HCO  

3

  To T T    EXP  AK 1    BK ln   CK   1  K  y P   T   To   To       CO 2, 0    CO2pHT     H   10   To  T  T      CO 2, 0  EXP A 1   B ln  C  1       H H  H   T   To   To     

Pada Tabel 4.1 diberikan nilai-nilai dari konstanta yang digunakan dalam pendekatan Hukum Henry.


55

Tabel 4.1. Konstanta Nilai Hukum Henry.

Konstanta

Nilai

PT (ambient pressure)

1.0 atm = 101.25 kPa

yCO2

0.05

KCO2,0

4.38 * 10-7

HCO2,0

2900 (kPa.kg/mol)

T (ambient temperature)

29oC = 302 oK

To

298.15 oK

dan konstanta pada persamaan Handerson-Hasellbach ini: AK = 40.557

BK = -36.782

CK = 0

AH = 22.771

BH = -11.452

CH = - 3.117

Grafik hubungan antara [HCO3-] terhadap waktu yang didapat dari penelitian ini ditampilkan pada Gambar 4.3 berikut :

Gambar 4.3. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap [HCO3-] pada Nannochloropsis sp.


56

Karena besarnya konsentrasi spesi ion [HCO3-] sebanding dengan besarnya nilai pH, maka nilai [HCO3-] akan semakin besar dengan naiknya nilai pH dalam medium kultur. Dari Gambar 4.3 terlihat bahwa [HCO3-] pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.100 g/L umumnya lebih besar bila dibandingkan dengan [HCO3] pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.075 g/L dan 0.125 g/L, hal ini dapat disimpulkan bahwa dengan nutrisi nitrogen 0.100 g/L peningkatan pH lebih besar dibandingkan dengan reaktor nutrisi nitrogen 0.075 g/L dan 0.125 g/L dengan pencahayaan dan kerapatan biomassa yang sama. Hal ini terjadi akibat proses fotosintesis yang terhambat sehingga proses penguraian CO2 menjadi [HCO3-] ikut terhambat. Selain itu tingkat kenaikkan jumlah sel dalam mikroalga juga mempengaruhi kemampuan air dalam melarutkan CO2, semakin jenuh medium maka akan semakin sulit CO2 dapat terlarut dalam air. 4.2.4

Pengaruh

Variasi

Ion

Nitrat

Terhadap

Fiksasi

CO2

oleh

Nannochloropsis sp. Untuk dapat melihat pengaruh dari variasi kandungan ion nitrat terhadap fiksasi CO2 oleh Nannochloropsis sp. secara lebih detail maka pembahasan akan dilakukan terhadap beberapa variabel yang mempengaruhi fiksasi CO2 oleh Nannochloropsis sp., antara lain : 4.2.4.1 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap yCO2 oleh Nannochloropsis sp. Fiksasi CO2 di dalam fotobioreaktor tembus cahaya pertama-tama ditunjukkan oleh adanya perbedaan konsentrasi inlet dan outlet CO2, adanya perbedaan konsentrasi CO2 yang masuk dan keluar reaktor dalam penelitian ini telah membuktikan adanya proses transfer gas CO2 dari udara ke medium kultivasi. 4.2.4.2 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap Laju Fiksasi CO2

oleh

Nannochloropsis sp. q CO2 adalah laju gas CO2 yang ditransfer dalam suatu volume medium karena adanya aktvitas kehidupan biologi dalam satu satuan waktu tertentu. Nilai q CO2 didapatkan dari pengolahan data CTR (Carbon Transfer Rate) di mana nilai q CO2 dapat didefinisikan sebagai CTR per satuan biomassa (Wijanarko et al., 2004).

Kurva kecenderungan q CO2 terhadap waktu diperlihatkan pada

Gambar 4.4.


57

Gambar 4.4. Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap qCO2 (laju fiksasi) pada Nannochloropsis sp.

Dari Gambar 4.4 terlihat bahwa perlakuan dengan variasi nutrisi nitrogen hanya sedikit mempengaruhi fiksasi CO2 walaupun dapat dilihat pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L di awal kultivasi memiliki nilai yang tertinggi. Hal ini dikarenakan pertumbuhan pada kondisi tersebut memiliki pembelahan sel yang lebih cepat sehingga penyerapan CO2 juga semakin banyak. Semakin banyak pertumbuhan Nannochloropsis sp.di dalam fotobioreaktor maka q CO2 akan semakin kecil. Penurunan ini akibat dari ketidakseimbangan antara peningkatan jumlah sel selama masa kultivasi dengan besarnya konsentrasi CO2 yang difiksasi. Karena hal inilah fiksasi CO2 semakin kecil. Data dan hasil perhitungan mengenai q CO2 dapat dilihat pada lampiran. Kontak yang baik ini dapat terjadi karena kerapatan sel dalam fotobioreaktor dapat dikontrol dengan baik. Semakin banyak gas CO2 yang terlarut dalam


58

fotobioreaktor maka semakin banyak ion [HCO3-] yang dapat dimanfaatkan mikroalga Nannochloropsis sp. untuk melakukan proses fotosintesis. Proses fotosintesis ini pun akan maksimal jika energi cahaya yang tersedia cukup. Hal ini secara tidak langsung akan berdampak positif pada nilai laju fiksasi gas CO2 oleh mikroalga Nannochloropsis sp. 4.2.4.3 Pengaruh Variasi Ion Nitrat Terhadap CTR pada Nannochloropsis sp. CTR (Carbon Transfer Rate) merupakan banyaknya gas CO2 yang ditransferkan dalam suatu volume medium kultur yang dibutuhkan oleh metabolisme sel selama satu satuan waktu tertentu (Wijanarko et al , 1997). Nilai CTR didapatkan dari selisih konsentrasi CO2 masukan dan keluaran (ΔyCO2) dikalikan dengan koefisien transfer spesifik dari CO2 (αCO2). Nilai CTR dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini : CTR = ΔyCO2 . αCO2 Kurva kecenderungan CTR sebagai fungsi waktu dapat dilihat pada Gambar 4.5.


59

Gambar 4.5. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap CTR (Carbon Transfer Rate) pada Nannochloropsis sp.

Dari Gambar 4.5 dapat dilihat bahwa Pada awal pertumbuhan nilai CTR pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L cukup tinggi karena terjadi transfer atau konsumsi gas CO2 ke dalam medium oleh mikroalga untuk keperluan metabolisme sel. Nilai CTR berbanding lurus dengan ∆yCO2, sehingga seiring dengan pertambahan waktu nilai CTR cenderung turun akibat tidak seimbangnya peningkatan jumlah sel dengan besarnya fiksasi konsentrasi CO2. Medium lama-kelamaan akan jenuh dengan CO2 terlarut karena sel dapat memproduksi sumber karbonnya sendiri. Gas CO2 yang dialirkan tidak lagi terserap oleh mikroalga dan sebagian besar lewat begitu saja menuju outlet. Hasil yang didapat menunjukan bahwa nilai CTR pada kondisi nutrisi nitrogen 0.100 g/L lebih baik dibandingkan dengan nutrisi nitrogen 0.075 g/L dan 0.125 g/L. CUR (Carbon Uptake Rate) merupakan laju


60

penggabungan CO2 menjadi suatu biomaterial yang ditentukan berdasarkan laju pertumbuhan (Wijanarko et al., 2007). Selain itu Berdasarkan tianjauan fotosintesisnya, penggunaan nitrat oleh Nannochloropsis sp. justru menghambat fiksasi CO2 dalam fotosintesis karena nitrat dan CO2 berkompetisi untuk hydrogen (H2) (Kessler, 1957). 4.2.5

Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Kandungan Esensial. Di

bawah

ini

adalah

data

mengenai

kandungan

esensial

dari

Nannochloropsis sp. yang di dapat dari hasil kultivasi selama 204 jam. 4.2.5.1 Pengaruh

Variasi

Ion

Nitrat

terhadap

Akumulasi

Lipid

Nannochloropsis sp. Lipid mikroalga secara umum dalam bentuk ester gliserol dan asam lemak dengan panjang rantai C14-C22 (Borowitzka, 1988), asam lemak dalam mikroalga termasuk molekul intraseluler karena terdapat dalam sel yaitu dalam kloroplas. Berikut ini adalah data besarnya lipid yang diekstraksi dari Nannochloropsis sp. dengan metode Soxhlet.

Gambar 4.6. Pengaruh Variasi Nutrisi Nitrogen terhadap Akumulasi Kandungan Lipid


61

Berdasarkan Gambar 4.6 terlihat bahwa pada mikroalga yang dikultivasi pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L memiliki kadar lipid tertinggi 10 %. Sedangkan mikroalga dalam nutrisi nitrogen 0.1 g/L mencapai 8.6 % dan 0.125 g/L mencapai 4.6 % . Hal ini terjadi karena dalam sistem metabolisme yang ada di protoplasma pada konsentrasi nitrogen rendah seluruh alga memiliki kandungan dan produktivitas yang tinggi, sebaliknya pada pada konsentrasi ion nitrat yang tinggi kandungan produktivitas yang lipidnya rendah. Pada konsentrasi nitrogen dan intensitas cahaya tinggi seluruh mikroalga memiliki laju pertumbuhan yang tinggi dengan biomassa yang juga tinggi tetapi umumnya memiliki kandungan dan produktivitas lipid yang rendah, sebaliknya pada konsentrasi nitrogen rendah menghasilkan laju pertumbuhan dan biomassa yang rendah. hal ini dapat diartikan bahwa pada umumnya meningkatnya konsentrasi nitrogen dapat menyebabkan peningkatan biomassa , protein, klorofil, tetapi lipid menurun. Pada konsentrasi nitrogen rendah mikroalga memiliki laju pertumbuhan dan biomassa rendah tetapi memiliki kandungan lipid yang tinggi. Hal ini sesuai dengan pendapat Borowitzka, (1988) yang menyatakan bahwa pada konsentrasi nitrogen yang rendah mikroalga mengandung banyak lipid (Borowitzka, 1988). Menurut Becker et al. (1994), mikroalga yang tumbuh pada kondisi yang kekurangan nitrogen dalam kultur biakkan akan cenderung mengakumulasi sejumlah besar lipid, tetapi akan menurunkan produksi biomassa, protein, dan asam nukleat (Becker et al., 1994) Kimball (1991) berpendapat bahwa ada hubungan metabolisme antara karbohidrat, protein, dan lemak yaitu kompetisi asetil ko-A, yang merupakan precursor pada beragam jalur biosintesis seperti lemak, protein, dan karbohidrat (Kimball, 1991). Pada kondisi stress lingkungan yaitu konsentrasi nitrogen rendah, mikroalga akan cenderung membentuk lipid sebagai cadangan makanan daripada membentuk karbohidrat dan senyawa lainnya. Hal ini disebabkan karena mikroalga lebih banyak menggunakan atom karbon untuk membentuk lipid daripada karbohidrat, sebagai akibat meningkatnya aktifitas enzim asetil ko-A karboksilase (Sheehan et al., 1998).


62

4.2.5.2 Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Protein, Klorofil & Karotenoid pada Nannochloropsis sp. Pada Gambar 4.7 berikut ini adalah hasil penelitian pengaruh variasi nutrisi nitrogen terhadap kandungan protein mikroalga Nannochloropsis sp.

Gambar 4.7. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Kandungan Protein, Klorofil & Karotenoid

Dari Gambar 4.7 terlihat bahwa pada nutrisi nitrogen 0.125 g/L menunjukkan kecenderungan kandungan protein yang paling tinggi.

Hal itu

dikarenakan nutrisi nitrogen 0.125 g/L mengandung sumber nitrat tertinggi (200.98 ppm) dari senyawa NaNO3 dan setelah itu nitrat akan digunakan dalam


63

proses metabolisme. Menurut Becker et al. (1994), mikroalga yang tumbuh pada kondisi yang cukup akan nitrogen dalam kultur biakkan akan cenderung mengakumulasi sejumlah besar produksi biomassa, protein, dan asam nukleat (Becker et al., 1994). Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa pada nutrisi nitrogen 0.125 g/L merupakan komposisi yang paling tepat digunakan jika mikroalga dimanfaatkan sebagai sumber makanan tambahan. Selain itu, semakin banyak nutrisi nitrogen yang diberikan akan menghasilkan kandungan protein yang semakin banyak pula. Hal tersebut dikarenakan peran dari nitrogen sebagai salah satu unsur pembentuk protein. Jadi pengaruh nitrogen terhadap kandungan protein adalah, semakin besar konsentrasi nutrisi nitrogen yang diberikan akan menghasilkan kandungan protein yang semakin besar pula. Berdasarkan Gambar 4.7 terlihat bahwa kandungan klorofil tertinggi terdapat pada Nannochloropsis sp. yang dibiakkan dalam nutrisi nitrogen 0.125 g/L (2.23 %) , diikuti oleh nutrisi nitrogen 0.100 g/L ( 1.42 %) dan kandungan terendah pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L (0.17 %). Berdasarkan gambar 4.7 terlihat bahwa kandungan karotenoid tertinggi terdapat pada Nannochloropsis sp. yang dibiakkan dalam Walne dengan nutrisi nitrogen 0.125 g/L (0.546 %), diikuti oleh nutrisi nitrogen 0.100 g/L (0.511 %) dan kandungan terendah pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L (0.05 %). Berikut Tabel 4.2. merupakan perbandingan kandungan protein, klorofil, dan karotenoid pada variasi ion nitrat. Tabel 4.2. Pengaruh Variasi Ion Nitrat terhadap Akumulasi Protein, Klorofil & Karotenoid pada Nannochloropsis sp.

Variasi Ion

Karotenoid

Protein (ppm)

Klorofil (ppm)

0.075 g/L

150.87

17

5.0

0.100 g/L

158.09

142

51.1

0.125 g/L

200.98

223

54.6

Nitrat

(ppm)

Nitrogen merupakan makronutrisi yang dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroalga dalam kegiatan metabolism sel yaitu kegiatan transportasi, katabolisme, asimilasi dan khususnya biosintesis

protein.

Nitrogen juga berperan dalam


64

sintesis Klorofil dan enzim yang mengontrol seluruh proses metabolisme. Nitrogen merupakan bahan penting penyusun asam amino, amida, nukleotida, dan nukleo protein, serta esensial untuk pembelahan sel sehingga nitrogen penting untuk pertumbuhan (Borowitzka, 1988). Dengan demikian pada saat konsentrasi nitrogen dalam media kultur optimal maka kegiatan metabolism sel akan berjalan dengan baik, termasuk sintesis klorofil. Dengan adanya kandungan klorofil yang meningkat maka proses fotosintesis akan berjalan dengan baik sehingga pertumbuhan mikroalga akan optimal. Hal ini dikarenakan Walne memiliki nutrisi utama dalam membantu pembentukkan kakrotenoid di dalam protoplasma yaitu unsur Mg dan Fe (Wijoseno, 2011). Pada nutrisi nitrogen 0.125 g/L juga terdapat unsur Mg dan Fe yang konsentrasinya hampir sama dengan konsentrasi Fe dan Mg yang terdapat pada nutrisi nitrogen 0.100 g/L, sehingga perbedaan kandungan karotenoid ketiga variasi tidak begitu jauh. Sedangkan pada media walne tidak terdapat unsur Mg. Hal inilah yang menyebabkan kandungan karotenoid pada Nannochloropsis sp. yang dibiakkan pada nutrisi nitrogen 0.075 g/L paling rendah. Media kultur yang memiliki unsur Fe dan Mg (makronutrien) mempengaruhi pembentukan karotenoid. Sekali lagi bahwa Laju fotosintesis menentukan kuantitas produk yang dihasilkan. Karbohidrat hasil fotosintesis oleh mikroalga selain digunakan untuk pertumbuhan juga untuk respirasi selular. Apabila hasil fotosintesis berkurang, maka karbohidrat yang tersisa setelah sebagian digunakan dalam proses respirasi tidak mencukupi untuk pertumbuhan sel. (O’Kelley, 1968).


BAB V KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini dengan mengkultivasi Nannochloropsis sp. dengan variasi kandungan io nitrat sebesar 0.075 g/L, 0.100 g/L, dan 0.125 g/L pada medium Walne, pada temperatur 29°C, tekanan operasi 1 atm, sumber pencahayaan lampu Phillip Halogen 20W/12V/50Hz, dan konsentrasi CO2 5 % adalah : 1.

Perbedaan laju pertumbuhan maksimum pada awal kultivasi dimana laju pertumbuhan maksimum pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.100 g/L lebih tinggi dibandingkan pada reaktor dengan nutrisi nitrogen 0.075 g/L dan 0.125 g/L. Hal ini telah dijelaskan dengan lengkap pada analisa pengaruh variasi nutrisi nitrogen terhadap tingkat pertumbuhan dimana kondisi nutrisi nitrogen yang berlebih atau pun kekurangan. Sehingga proses fotosintesis dapat berjalan dengan lebih optimal dan menyebabkan laju pertumbuhan juga semakin cepat.

2.

Penurunan konsentrasi ion nitrat dalam kultur Nannochloropsis sp. memberikan dampak yang cukup signifikan pada ion nitrat 0.075 g/L memiliki kadar lipid tertinggi 10%. Sedangkan mikroalga dalam ion nitrat 0.1 g/L mencapai 8.6% sehingga cenderung lebih tinggi dibandingkan lipid dalam media kultur dengan ion nitrat 0.125 g/L mencapai 4.6 %.

3.

Kandungan protein, klorofil, dan karotenoid pada kultur Nannochloropsis sp. mengalami penurunan sebagai akibat diturunkannya konsentrasi ion nitrat yang membuat pembentukkan biomassa dan laju pertumbuhan spesifiknya menjadi turun dikarenakan terganggunya proses fotosintesis, sebaliknya yang terjadi pada saat kultur dinaikan konsentrasi ion nitratnya maka kandungan protein, klorofil dan karotenoid akan mengalami kenaikan yang membuat pembentukan biomassa dan laju pertumbuhan spesifik menjadi naik.


DAFTAR PUSTAKA

Anonim.

(2002).

Walne’s

Medium

for

Algal

Culture.

Diunduh

dari

http://www.ccap.ac.uk/media/recipes/Walnes.htm. [Accessed 6 Juni 2012] Chrismadha, Tjandra, Lily M. P., & Yayah Mardiati (2006). Pengaruh Konsentrasi Nitrogen dan Fosfor terhadap Pertumbuhan, Kandungan Protein, Karbohidrat, dan Fikosianin pada Kultur Spirulina fusiformis. Berita Biologi. 8 (3). Anonim. 2003. www.link.spriger.de. [Accessed 25 Februari 2012] Becker, E. W. (1994) Microalgae Biotechnology and Microbiology. Cambrige University Press. New York. David R. Bentley. (2008) Accurate Whole Human Genome Sequencing using Reversible Terminator Chemistry. National Institute of Health (NIH), Nature. 456 (7218). pp. 53-59. Chen, Meng, Haiying Tang, Thomas C. H., K. Y. Simon Ng, & Steven O. S. (2011) Effect of Nutrients and Growth and Lipid Accumulation in the Green Algae Dunaliella tertiolecta. Bioresource Technology. Vol 102 pp 1649-1655. Bold, H.C. & M.J. Wynne. (1985) Introduction to the Algae (Structure and Reproduction) 2nd Ed. Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffts, USA. Borowitzka M.A. (1988) Fats, oil and hydrocarbons. In: Borowitzka M.A & Borowitzka L.J. (eds). Micro-algal Biotechnology. Cambridge University Press. Cambridge. Pp. 257-287. Chen, Meng, Haiying Tang, Thomas C. H., K. Y. Simon Ng, & Steven O. S. (2011) Effect of Nutrients and Growth and Lipid Accumulation in the Green Algae Dunaliella tertiolecta. Bioresource Technology. Vol 102 pp 1649-1655. Converti, Attilio, Alessandro A. C., Erika Y. O., Patrizia Perego, & Marco D. B. (2009) Effect of Temperature and Nitrogen Concentration on the Growthand Lipid Content of Nannochloropsis oculata and Chlorella


vulgaris for Biodiesel Production. Chemical Enngineering and Processing. 48: 1146-1151. Coutteau, Peter. (1996) Manual on the Production and Use of Live Food for Aquaculture. FAO Fisheries Technical Paper. ISSN 0429-9345. Daniello G., Ronsini S., Guida F., Spinelli P, & Danielo A., (2005) Occurrence of D-aspartic acid in human seminal plasma and spermatozoa: Possible role in reproduction. Fertility and Sterility, 84: 1444-1449. Dianursanti and Anondho Wijanarko. (2007) Enhancement Of Cyanobacteria Growth In Serial Configuration Photobioreactor By Photon Flux Density Alteration. Technology. 299-308 Effendi, Hefni. (2003) Telaah Kualitas Air bagi Pengelolaan Sumber Daya dan Lingkungan Perairan. Kanisius.Yogyakarta. Gross, Jeana. (1991) Pigments in Vegetables: Chlorophylls and Carotenoids. Van Nostrand Reinhold. The University of Michigan Jorge M.S. Rocha, Juan E. C. Garcia, Marta H. F. Henriques. (2003) Growth aspects of the marine microalga Nannochloropsis gaditana. Biomolecular Engineering. Vol 20. pp. 237-242. Kawaroe, Mujizat. Mikroalga Potensi dan Pemanfaatannya untuk Produksi Bahan Bakar. IPB Press Nigam, Subhasha, Monika P. R., & Rupali Sharma. (2011) Effect of Nitrogen on Growth and Lipid Content of Chlorella pyrenoidosa. American Journal of Biochemistry and Biotechnology. 7 (3): 126-131. Pulz O. (2001) Photobioreactors Production Systems for Phototrophic Microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology. 57: 287-293 Rodriguez-Amaya, Delia B. (1997) Carotenoids and Food Preparation: The Retention of Provitammin A Carotenoids is Preoared, Processed, and Stored Foods. Brazil: Universidade Estadual de Campinas Salisbury, Frank B., & Cleon W. R. (1992) Plant Physiology, 4th edition. Colorado: Wadsworth Publishing Co. Shen, Ying, Zhijian Pei, Wenqiao Yuan, & Enrong Mao. (2009) Effect of Nitrogen and Extraction Method on Algae Lipid Yield. International Journal of Agriculture and Biological Engineering Vol 2 No 1 pp 51-57.


Da Silva, Anita F., Sergio O. L., & Ricardo M. C. (2009) Effects of Nitrogen Starvation on the Photosynthetic Physiology of a Tropical Marine Microalgae Rhodomonas sp. Aquatic Botany. 91: 291-297. Taw Nyan, DR. (1990) Petunjuk Pemeliharaan Kultur Murni dan Massal Mikromikroalga. Proyek Pengembangan Budidaya Udang : United Nations Development Programme Food dan Agriculture Organization Of The United Nations. US. 34 hal (diterjemahkan oleh : Budiono M & Indah W). S. Wahyuni., S. Krisantini,. M.E. Johnston. (2010) Plant growth regulators and flowering of Brunonia and Calandrinia sp.Elsivier Scientia Holticulturae. Vol 128 (2). pp 141-145. Widjaja, Arief, Chao C. C., & Yi H. J. (2008) Study of increasing lipid production from fresh water microalgae Chlorella vulgaris. Journal of the Taiwan Instritute of Chemical Engineers Vol 40 pp:13-20. Wijanarko, A. et al. (2004) Jurnal Teknologi “Effect Of photoperiodicity On CO2 Fixation By

Chlorella

vulgaris

Buitenzorg

In

Bubble

Coloumn

Photobioreactor For food supplement Production”. Departemen Teknik Kimia Fakultas eknik Universitas Indonesia. Wijanarko, A. et al. (2006) Jurnal Teknologi “Enhancement of Carbon Dioxide Fixation by Alteration of Illumination during Chlorella vulgaris Buitenzorg Growth”. Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Wijanarko, A. et al. (2007) Jurnal Teknologi “Pengaruh Pencahayaan Siklus HarianTerhadap Produksi Biomassa Chlorella vulgaris Buitenzorg Dalam Fotobioreaktor kolom gelembung”. Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Wijoseno, Tangguh. (2011) Uji Pengaruh Media Kulur Terhadap Tingkat Pertumbuhan dan Kandungan Esensial Pada Mikroalga Chlorella vulgaris Buitenzorg. Skripsi : Universitas Indonesia. Wirosaputro, Sukiman. (2002) Chlorella Untuk Kesehatan Global. Gadjah Mada University Press. Yanqun Li, Mark Horsman, Bei Wang, Nan Wu, & Christopher Q. L. (2008) Effects of nitrogen sources on cell growth and lipid accumulation of green


alga Neochloris oleoabundans. Applications of Microbiology and Biotechnology Vol 81 pp:629-636. Yusandi, Fadli. (2010) Skripsi: “Pengaruh Nitrogen terhadap Kandungan Essensial Biomassa Chlorella vulgaris Buitenzorg”. Depok: Program Studi Teknik Kimia Universitas Indonesia.


UNIVERSITAS INDONESIA. PENGARUH KANDUNGAN ION NITRAT TERHADAP PERTUMBUHAN Nannochloropsis sp. SKRIPSI PRIMA ERNEST

Recommend Documents