ANALISA SISTEM GABUNGAN OPEN PONDS DAN ANAEROBIC DIGESTER UNTUK PROSES EKSTRAKSI BIOGAS DARI MIKROALGA

Transkripsi

1 1 ANALISA SISTEM GABUNGAN OPEN PONDS DAN ANAEROBIC DIGESTER UNTUK PROSES EKSTRAKSI BIOGAS DARI MIKROALGA Melati Diyah Kumalasari, Totok Soehartanto Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia Abstrak Mikroalga merupakan mikroorganisme dengan kandungan minyak sebesar 77% sehingga berpotensi dalam menghasilkan biogas. Salah satu jenis mikroalga adalah spirulina.sp. Dalam penelitian tugas akhir ini dibuat sebuah sistem gabungan antara open ponds dan anaerobic digester yang digunakan untuk ekstraksi biogas dari mikroalga, dimana mikroalga yang digunakan adalah spirulina.,sp. Dalam proses ekstraksi diberikan penambahan nutrisi yang berupa CO 2 dan biostarter dimana biostarter berupa biostarter olahan dari buah pepaya. Variasi yang dilakukan untuk penambahan nutrisi dan CO 2 adalah tanpa penambahan, dengan penambahan 10% CO 2 dan 0,75liter biosatrter, % CO 2 dan 1liter CO 2, serta 50% CO 2 dan 0,75liter. Pada penelitian tersebut dilakukan monitoring terhadap parameter yang berpengaruh pada proses pembuatan biogas dari mikroalga yaitu, temperatur, laju pertumbuhan mikroalga serta CO 2 yang terserap. Dari parameter tersebut diketahui bahwa pada volume biogas dengan variasi 50% CO 2 dan 0,75liter merupakan volume biogas yang paling besar selama 48 hari penelitian. Laju pertumbuhan mikroalga mempunyai nilai yang semakin meningkat seiring dengan banyaknya jumlah pertambahan CO 2 dan biostarter. Variasi biostarter yang ditambahkan mempengaruhi parameter. Dari hasil pengukuran dapat diketahui bahwa nilai COD mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya CO 2 dan biostarter yang diberikan. Kata kunci : Mikroalga, Anaerobic Digester, Open Ponds, Monitoring I. PENDAHULUAN ikroalga merupakan mikroorganisme photosintetik Mdengan kandungan minyak pada mikroalga mencapai 77% sehingga sangat berpotensi digunakan sebagai biodiesel yang merupakan sumber energi alternatif dan berdasarkan perhitungan, mikroalga mampu menghasilkan minyak 200 kali lebih banyak dibandingkan sumber nabati lainnya seperti minyak jarak, minyak sawit, dan kedelai. Produktivitas minyak oleh mikroalga sangat banyak melebihi produktivitas minyak tanaman yang lain. Sebagai mikroorganisme yang melakukan photosynthesis, mikroalga membutuhkan sumber karbon yang tinggi dan menurut perhitungan 1 g mikroalga membutuhkan 1,8 gr CO 2, sehingga mikoorganisme ini mempunyai potensial yang besar untuk penyerap CO 2 di biogas. Sebuah penelitian dilakukan mengenai CO 2 pada konsentrasi yang berbeda mulai dari 0,04%; 6%; 12% dan 18% yang ditambahkan untuk budidaya mikroalga eukariotik seperti Chlorella kessleri, Vulgaris c. dan Obliquus scenedesmus, dan yang prokariotik seperti Spirulina sp., yang tumbuh dalam termostat dan di sebuah photobioreactor.. Dalam setiap kasus, kinetika dan laju fiksasi karbon yang terbaik adalah dengan fotobioreaktor tabung vertikal. Vertical tubular bioreactors (VTPs) menunjukkan kinetika dan tingkat penyerapan CO 2 yang lebih baik dari termostat untuk Spirulina sp., Sc. Obliquus dan C. vulgaris [1]. Ketika tumbuh di dalam media yang dimodifikasi tanpa bikarbonat tetapi ditambah dengan 6% CO 2, Spirulina sp. memberikan hasil terbaik secara keseluruhan untuk semua parameter yang diteliti. Ketiga organisme bisa tumbuh sampai pemberian 18% CO 2, hal ini menunjukkan bahwa organisme tersebut dapat digunakan untuk mengurangi efek CO 2 sebagai emisi dari limbah buang. Sialve, Bernet, dan Bernard menyatakan mikroalga berpotensi sebagai sumber biofuel dan sebagai solusi teknologi untuk fiksasi CO 2. Mereka juga menyampaikan bahwa terdapat 3 hambatan utama dalam mencerna mikroalga yaitu pertama, biodegradabilitas dari mikroalga rendah tergantung pada komposisi biokimia dan sifat dinding selnya. Kedua, kadar protein dalam pelepasan ammmonia yang tinggi sehingga dapat menyebabkan potensial toksisitas. Ketiga, keberadaan natrium untuk spesies laut juga dapat mempengaruhi kinerja digester. Pretreatment secara fisika kimia, co-digester, atau kontrol toksisitas adalah strategi yang signifikan dan efisien dalam meningkatkan hasil konversi bahan organik alga menjadi metana sehingga kemampuan mikroalga ini dalam mengkonsumsi CO 2 untuk memurnikan biogas dan mengkonversi menjadi metana diperhitungkan. [1] Untuk memperoleh hasil biogas yang tinggi kultivasi untuk mikroalga penting untuk diperhatikan. Salah satu contoh media kultivasi adalah dengan cara open ponds. Open ponds merupakan media kultivasi yang dapat dimasukkan ke dalam kolam dengan menggunakan air alam (danau, sungai, tambak). [2] Berlatar belakang dengan adanya kedua hal tersebut maka di dalam tugas akhir ini akan dibuat sebuah penggabungan antara open ponds dan turbular photobioreactor yang bersifat anaerobic digester untuk menghasilkan biogas dalam skala laboratorium. II.METODOLOGI PENELITIAN Pada penelitian ini metodologi penelitian dijelaskan secara berurutan sebagai berikut..

2 2 PEM- BUATAN ANAEROBIC DIGESTER START STUDI LITERATUR TENTANG OPEN PONDS DAN ANAEROBIC DIGESTER SERTA SISTEM MONITORING TEMPERTUR DAN PH PERANCANGAN OPEN PONDS DAN ANAEROBIC DIGESTER SERTA SISTEM MONITORING TEMPERATUR DAN PH PEMBUATAN SISTEM MONITORIN G Ph & TEMEPRATU R PENGOPERASIAN ALAT PENGAMBILAN DATA SESUAI Tabel Lanjutan 3 Michele Greque de Morais, Jorge Alberto Vieira Costa Biofixation of carbon dioxide byspirulina sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three-stage serial tubular photobioreactor 4 Prof. N.J. Themelis Anaerobic Digestion of Biodegradble Microorganics in Municipal Solid waste Submitted in partial fulfillment of the requirements for Master of Science Degree in Earth Resources Engineering Untuk memperoleh hasil biogas yang tinggi kultivasi untuk mikroalga penting untuk diperhatikan. Salah satu contoh media kultivasi adalah dengan cara open ponds. Open ponds merupakan media kultivasi yang dapat dimasukkan ke dalam kolam dengan menggunakan air alam (danau, sungai, tambak). Biogas merupakan sebuah gas yang dibuat melalui proses biologis dari material organik dengan bantuan suatu bakteri. Proses degradasi material organik ini dilakukan tanpa melibatkan oksigen atau yang disebut dengan anaerobic digestion dengan gas yang dihasilkan sebagian besar (lebih 50%) berupa metana (CH 4) sedangkan sisanya berupa gas CO 2, H 2S dan beberapa trace element. PENGUJIAN SISTEM SIRKULASI PADA ANAEROBIC DIGESTER SESUAI PENGUJIAN SISTEM MONITORING Ph & TEMEPARTUR SESUAI ANALISA HASIL PENGUJIAN PENULISAN LAPORAN B. Perancangan Open Ponds (OP), Anaerobic Digester (AD) dan Sistem Monitoring Temperatur serta Ph Sebelum melakukan perancangan dibuat sebuah desain untuk sistem gabungan antara OP dan AD yang disertai dengan kondisi operasional yang diinginkan. Selain itu juga dilakukan perncangan untuk sistem monitoring temperatur dan. Berikut merupakan proses yang diinginkan. FINISH T Out Kompor T PERSIAPAN BAHAN PENGUJIAN In Open ponds A bi Di t A. Studi Literatur Dalam studi literatur ini kegiatan yang dilakukan adalah mencari jurnal yang berkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan. Berikut merupakan beberapa jurnal yang digunakan untuk acuan dalam tugas akhir ini. Tabel 1 Hasil Kegiatan Studi Literatur No Penulis Jurnal dan Judul Resume Jurnal 1 Apt, J. and Behrens, K. Sebagai mikroorganisme yang (1999). Pigmentation of melakukan photosynthesis, Microalgae for mikroalga membutuhkan sumber Photocynthesis. karbon yang tinggi dan menurut perhitungan 1 g mikroalga membutuhkan 1,8 gr CO 2, sehingga mikoorganisme ini mempunyai potensial yang besar untuk penyerap CO 2 di biogas. 2 Bedell, G.W. (1984). Stimulation of Commercial Algal Biomass Production by the Use of Geothermal Water for Temperature Control. Biotechnology and Bioengineering. Volume (27) Dalam setiap kasus, kinetika dan laju fiksasi karbon yang terbaik adalah dengan fotobioreaktor tabung vertikal. Vertical tubular bioreactors (VTPs) menunjukkan kinetika dan tingkat penyerapan CO 2 yang lebih baik dari termostat untuk Spirulina sp., Sc. Obliquus dan C. vulgaris. C Gambar 1. Desain proses pada sistem gabungan OP dan AD Dari desain proses tersebut kemudian dibuat sebuah rancangan desain untuk sistem yang disertai dengan sistem monitoring. Gambar 2 Desain rancangan sistem gabungan OP dan AD beserta alur fluida dan sistem monitoring B

3 3 Keterangan : Tabel 2 Keterangan desain No Keterangan 1 Aquarium 2 Batu Aerasi 3 Pompa 4 Lampu TL 20 watt 5 Turbular Coloum 6 Lampu TL 20 watt 7 Tabung CO 2 dan biostarter 8 Mikrokontroler 9 PC 10 Sumber Daya Berikut merupakan sistem monitoring temperatur yang akan digunakan dalam penelitian tugas akhir ini. Open ponds Alat Ukur Temperatur 2 8 Temp : o C Anaerobic Gambar 7 Rancangan Sistem Monitoring pada Anaerobic Digester Berikut merupakan hasil dari rancangan sistem gabungan OP dan AD yang disertai dengan sistem monitoring temperatur dan. p H :7 LM35 Gambar 4 Rancangan Sistem Monitoring Temperatur pada OP Rancangan tersebut digunakan untuk me-monitoring temperatur pada OP. Sedangkan rancangan yang digunakan untuk me-monitoring pada AD adalah sebagai berikut. Anaerobic Gambar 5 Rancangan Sistem Monitoring Temperatur pada AD Pada rancangan sistem monitoring temperatur ini dirancang menggunakan temperatur meter yang memiliki sensor dengan kabel panjang sehingga sensor diletakkan didalam OP dan unit temperatur meter tetap berada di luar open ponds. Untuk sistem monitoring pada unit AD berikut merupakan rancangan sistem monitoring yang digunakan. Open ponds Alat Ukur Temperatur C Sensor temperatur LM35 Temp : o C Gambar 6 Rancangan Sistem Monitoring pada OP Rancangan tersebut digunakan untuk me-monitoring pada OP. Sedangkan rancangan yang digunakan untuk memonitoring pada AD adalah sebagai berikut. :7 Gambar 8. Sistem Gabungan OP dan AD disertai dengan sistem monitoring temperatur dan Pada OP terdapat sistem aerasi dan terdapat sebuah pompa yang digunakan untuk mengalirkan bahan baku biogas sehingga terjadi sirkulasi yang melewati AD. Sensor temperatur diletakkan pada OP dan sambungan AD. Pada saat running sistem gabungan OP dan AD bersirkulasi sbanyak 72 kali dalam sehari, sehingga setiap tahap penelitian bersirkulasi selama 864 kali sirkulasi. C. Tahap Persiapan Bahan Baku Pada tahpa ini dilakukan persiapan bahan baku untuk ekstraksi biogas yaitu mikroalga dan biostarter olahan dari bahan pepaya. Bahan baku mikroalga spirulina.,sp Pembuatan bahan baku utama yang berupa mikroalga ini diawali dengan menyediakan 500 gram inokulan spirulina.,sp yang kemudian dikultur dengan menggunakan media kultur tertutup. Media kultur tertutup terbuat dari plastik dengan volume 1liter yang diisi dengan 50gram inokulan dan diberikan sistem aerasi serta pencahayaan mengguanakn lampu TL sebesar 40 watt selama 2 bulan. Selama proses pembudidayaan tersebut dilakukan penambahan pupuk Allen Miquel (untuk sekala laboratorium) dengan komposisi KNO 3 20,2 gr, Akuades 100 gr, Setelah 2 bulan dilakukan pemanenan dengan cara melakukan filter terhadap padatan inokulan. Dari pembuatan tersebut didapatkan sebesar 3,4 liter. Mikroalga yang telah didapatkan kemudian disimpan dalam wadah tertutup dengan suhu dibawah o C dan dibagi menjadi 4 bagian masing-masing 0,75 liter. Bahan baku biostarter

4 4 Pembuatan biostarter dilakukan dengan bahan 1kg pepaya yang telah dibusukkan selama 3 hari kemudian difermentasikan pada ruang tertutup elama 1 minggu. 27 III.ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN A. Monitoring Kondisi Awal Pada kondisi awal merupakan kondisi pada saat sistem gabungan OP dan AD mengalami sirkulasi pertama sebelum dilakukan penambahan CO 2 dan biostarter. Berikut merupakan kondisi awal dari sistem: Tabel 5 Kondisi Awal Sistem Gabungan OP dan AD Volume Spirulina.,sp 1 Liter Volume Air Alam 7 Liter Temperatur OP,9 o C Temperatur AD,1 o C,5 o C Ph 7 0 µsel/hari B. Monitoring pada Kondisi Tanpa Penambahan Setelah dilakukakn monitoring pada kondisi awal untuk sistem gabungan OP dan AD selanjutnya dilakukan monitoring tanpa adanya penambahan. Tahap tanpa adanya penambahan ini dilakukan selama 12 hari yaitu pada tanggal 14 April sampai 25 April Berikut merupakan data ratarata temperatur pada kondisi tanpa adanya penambahan CO 2 dan biostarter. Hari ke- Temp-OP Temp-AD Temp-Ruang Gambar 8. Grafik rata-rata temperatur tanpa penambahan Untuk parameter pada kondisi pertama tersebut adalah sebagai berikut: Sehingga pada kondisi yang pertama pada sistem gabungan OP dan AD adalah sebgai berikut: Tabel 6 Kondisi pada saat tanpa penambahan,58 o C,67 o C,91 o C,97 o C,47 o C minimal 7,2 maksimal 7,4 0,26 µsel/hari COD Volume Biogas Akhir 4 mmh 2 O CO 2 yang terserap 0% Pada kondisi tanpa ditambahakan nutrisi laju pertumbuhan alga adalah 0,26 µsel/hari sedangkan nilai COD adalah sebesar Untuk parameter rata-rata mempunyai nilai maksimal yaitu 7,4 dan minimal 7,2. Pada kondisi ini sistem gabungan menghasilkan volume biogas akhir sebesar 4mmH 2 O. C. Monitoring pada Kondisi Penambahan 10% CO 2 dan 0,75 liter Biostarter Tahap kedua adalah dengan penamabahan 10% CO 2 dan 0,75 liter biostarter. Berikut merupakan data rata-rata temperatur selama 12 hari yang dimulai pada tanggal 26 April Mei T-OP T-AD T-Ruang Gambar 10. Grafik rata-rata temperatur pada penambahan 10% CO 2 dan 0,75 liter biostarter pada kondisi tersebut adalah sebagai berikut: Gambar 9. Grafik parameter pada kondidi tanpa penambahan Gambar 11. Grafik rata-rata pada penambahan 10% CO 2 dan 0,75 biostarter

5 5 Sehingga dengan penambahn 10% CO 2 dan 0,75 biostarter berikut merupakan kondisi OP dan AD : Tabel 7. Kondisi pada saat penambahan 10% CO 2 dan 0,75 biostarter,78 o C 27,46 o C,12 o C,64 o C,47 o C minimal 7,2 maksimal 7,9 0,58 µsel/hari COD Volume Biogas 10 mmh 2 O CO 2 yang terserap 4,72% D. Monitoring pada Kondisi Penambahan % CO 2 dan 1 liter Biostarter Tahap ketiga adalah dengan penamabahan % CO 2 dan 1 liter biostarter. Pada kondisi ini berikut merupakan data ratarata temperatur selama 12 hari yang dimulai pada tanggal 8 Mei Mei T-OP T-AD T-Ruang Gambar 12. Grafik rata-rata temperatur pada penambahan % CO 2 dan 1 liter biostarter Untuk parameter pada kondisi tersebut adalah sebagai berikut: Gambar 13. Grafik rata-rata temperatur pada penambahan % CO 2 dan 1 liter biostarter Tabel 8. Kondisi pada saat penambahan % CO 2 dan 1 liter biostarter,56 o C,72 o C,89 o C,39 o C,47 o C minimal 7,1 maksimal 7,79 0,62 µsel/hari COD 8313 Volume Biogas 22 mmh 2 O CO 2 yang terserap 19,21% E. Monitoring pada Kondisi Penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter Biostarter Tahap keempat adalah dengan penambahan 50% CO 2 dan 0,75 biostarter. Pada kondidi ini berikut merupakan data rata-rata temperatur selama 12 hari yang dimulai pada tanggal 21 Mei Juni T-OP T-AD T-Ruang Gambar 14. Grafik rata-rata temperatur pada penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter biostarter Untuk parameter pada kondisi tersebut adalah sebagai berikut : Gambar 15. Grafik rata-rata temperatur pada penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter biostarter Sehingga dengan penambahn 50% CO 2 dan 0,75 liter biostarter berikut merupakan kondisi OP dan AD : Sehingga dengan penambahn % CO 2 dan 1liter biostarter berikut merupakan kondisi OP dan AD :

6 6 Tabel 9. Kondisi pada saat penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter biostarter,92 o C,24 o C,48 o C,00 o C,47 o C minimal 7,6 maksimal 7,79 0,62 µsel/hari COD 2318 Volume Biogas Akhir 46 mmh 2 O CO 2 yang terserap 33,65% V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut: Dari hasil penelitian yang sudah dilakukan utnuk sistem gabungan OP dan AD diperoleh hasil untuk parameter yang ter-monitoring yaitu temperatur dan pada kondisi penelitian tahap pertama tanpa adanya penambahan CO 2 dan biostarter, temperatur OP bernilai minimal,67 o C untuk temperatur maksimal bernilai,58 o, pada AD temperatur minimal bernilai,97 o C untuk temperatur maksimal bernilai,91 o C. Untuk parameter minimal yang ter-monitoring yaitu 7,2 sedangkan maksimal 7,4. Pada tahap kedua yaitu penelitian dengan penambahan 10% CO 2 dan 0,75 liter biostarter diperoleh hasil untuk temperatur minimal pada OP bernilai 27,46 o C, temperatur maksimal bernilai,78 o C, pada AD temperatur minimal bernilai,64 o C, temperatur maksimal bernilai,12 o C. Untuk parameter minimal bernilai 7,2 dan maksimal bernilai 7,9. Pada tahap ketiga dengan penambahan % CO 2 dan 1 liter biostarterdiperoleh hasil untuk temperatur minimal OP bernilai,72 o C, temperatur maksimal bernilai,56 o C, pada AD temperatur minimal bernilai,39 o C, temperatul maksimal bernilai,89 o C. Untuk parameter minimal bernilai 7,1 dan maksimal bernilai 7,79. Pada tahap ketiga dengan penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter biostarter nilai temperaut minimal pada OP adalah,24 o C dan temperatur maksimal,92 o C. Pada AD temperatur minimal bernilai,00 o C, temperatur maksimal bernilai,48 o C. Untuk parameter minimal bernilai 7,3 sedangkan maksimal bernilai 7,9. Setelah dilakukan 4 tahap penelitian pada sistem gabungan OP dan AD didapatkan hasil yang berupa data volume biogas, laju pertumbuhan alga dan prosentase CO 2 terserap. Pada tahap pertama tanpa adanya penambahan CO 2 dan biostarter didapatkan volume biogas akhir sebesar 4 mmh 2 O, laju pertumbuhan mikroalga 0,26 µsel/hari, prosentase untuk CO 2 terserap bernilai 0% karena tidak dilakukan penambahan CO 2 dan COD sebesar Pada tahap kedua dengan ditambahkannya 10% CO 2 hasil yang didapatkan untuk volume biogas akhir sebesar 10 mmh 2 O, laju pertumbuhan laju mikroalga 0,58 µsel/hari, prosentase CO 2 yang terserap sebesar 4,72%, dan COD sebesar Pada tahap ketiga dengan penambahan CO 2 % dan 1 liter biostarter hasil yang didapatkan untuk volume biogas akhir sebesar 22 mmh 2 O, laju pertumbuhan mikroalga 0,62 µsel/hari, prosentase CO 2 terserap sebesar 19,21% dan COD sebesar Pada tahap terakhir penelitian yaitu dengan penambahan 50% CO 2 dan 0,75 liter hasil yang didapatkan untuk volume biogas akhir sebesar 46 mmh 2 O, laju pertumbuhan mikroalga 0,62 µsel/hari, prosentase CO 2 terserap sebesar 33,65%, dan COD sebesar B. Saran Saran yang dapat diberikan untuk kedepannya agar penelitian ini lebih menghasilkan hasil yang lebih baik adalah Untuk penelitian selanjutnya pada sistem gabungan OP dn AD dapat dilakukan pengendalian untuk dan temperatur. Pemberian variasi untuk jenis biostarter yang digunakan. Dilakukan re-design untuk sensor LM35 yang digunakan pada monitoring temperatur. DAFTAR PUSTAKA [1] Apt, J. and Behrens, K. (1999). Pigmentation of Microalgae for Photocynthesis. [2] Bedell, G.W. (1984). Stimulation of Commercial Algal Biomass Production by the Use of Geothermal Water for Temperature Control. Biotechnology and Bioengineering. Volume (27) [3] Michele Greque de Morais, Jorge Alberto Vieira Costa Biofixation of carbon dioxide byspirulina sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three-stage serial tubular photobioreactor. Laboratory of Biochemical Engineering, Department of Chemistry, Federal University Foundation of Rio Grande. [4] Prof. N.J. Themelis Anaerobic Digestion of Biodegradble Microorganics in Municipal Solid waste Submitted in partial fulfillment of the requirements for Master of Science Degree in Earth Resources Engineering [5] Ana P. Carvalho, Luı s A. Meireles, and F. Xavier Malcata Microalgal Reactors: A Review of Enclosed System Designs and Performances Escola Superior de Biotecnologia, Universidade Cato lica Portuguesa, Rua Dr. Anto nio Bernardino de Almeida, P Porto, Portugal [6] Vaibhav Nagaich, Sumeet Kumar Dongre, Pushpendra Singh, Mahavir Yadav, Archana Tiwari. Maximum- CO2 Tolerance in Microalgae: Possible Mechanisms and Higher lipid Accumulation School of Biotechnology, Rajiv Gandhi Proudyogiki Vishwavidyalaya.