Rancang Bangun Alat Pengukur Kepadatan Mikroalga Chlorella sp. dengan Menggunakan Sensor Fotodioda dan Mikrokontroler ATMega 16
Rancang Bangun Alat Pengukur Kepadatan Mikroalga
Chlorella sp. dengan Menggunakan Sensor Fotodioda dan
Mikrokontroler ATMega 16
Andri Wardhani*, Bambang Susilo, Rini Yulianingsih
Jurusan Keteknikan Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya
Jl. Veteran, Malang 65145
*Penulis Korespondensi, Email
ABSTRAK
Chlorella sp . merupakan salah satu jenis mikroalga yang banyak dimanfaatkan dan berpotensi dalam
berbagai bidang. Salah satunya adalah sebagai sumber energi alternatif dengan mengkonversi kandungan
lipid ke dalam biomassa. Mikroalga Chlorella sp. dapat dianalisis kepadatannya dengan menggunakan
hemositometer dan mikroskop. Perhitungan kepadatan mikroalga dilakukan secara manual agar terjaga
ketelitiannya dan cukup sulit jika dilakukan berulang kali. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
merancang alat pengukur kepadatan mikroalga dan mengetahui tingkat pertumbuhan mikroalga Chlorella
sp . secara kontinyu melalui fotobioreaktor tipe vertikal dengan penambahan alat pengukur kepadatan
menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler ATMega 16. Pengambilan data kepadatan mikroalga
dilakukan dengan menggunakan Metode MK* Aliran Mengalir dan MK* Aliran Terhenti pada waktu
yang telah ditentukan (jam 09.00, 12.00, dan 15.00 WIB) dengan 10x pengulangan dalam pengambilan
data. Hasil dari perbandingan Metode MK*(mikrokontroler + sensor fotodioda) Aliran Mengalir dengan
MH*(mikroskop+hemositometer) menunjukkan tingkat keakuratan alat pengukur kepadatan mikroalga
ini masih 72%, dimana masih terdapat trend error 28%. Sedangkan hasil perbandingan dari Metode MK*
Aliran Terhenti menunjukkan nilai trend error 40% dan masih jauh dari tingkat keakuratan. Perbandingan
hasil Metode MK* Aliran Mengalir dengan Metode MK* Aliran Terhenti menunjukkan nilai trend error
hanya 4%.Kata Kunci : Mikroalga, Chlorella sp., Fotodioda, MK*
Design of Microalgae Chlorella sp. Density Meter Using a
Photodiode Sensor and Microcontroller ATMega 16
ABSTRACT
Chlorella sp. is one of kinds from many microalgae potential and used in many field. The one of it is
alternative resources energy convertion from lipid extract to biomass. The density of microalgae
Chlorella sp. could be analysed by microscope and haemocytometer. Accounted of microalgae density
could be done with manually to keep punctuality and have difficulty if it done repeatly. The aim from this
research is designed of density grader of microalgae and knowing microalgae Chlorella sp. growth phase
with added density grader of microalgae using by photodiode censor and microcontroller ATMega 16
continuesly. Data taking of microalgae density is being done with Current Flow MK* Method and
Stopped Flow MK* Method at time (09.00, 12.00, and 15.00 WIB) with have certainty in 10x repetition.
The result of compairing Current Flow MK* (microcontroller+photodiode censor) Method with MH*
(microscope+haemocytometer) had showing accuration level microalgae density accounter still 72%,
where it has trend error 28%. Whereas result of compairing Stopped Flow MK* Metode with MH* had
showing trend error 40% and it has far away from accuration level. The result of compairing Current
Flow MK* Method with Stopped Flow MK* Method had showing trend error 4% only. Keywords : Microalgae, Chlorella sp., Photodiode, MK*
PENDAHULUAN
Mikroalga merupakan tumbuhan air yang berukuran mikroskopik, memiliki berbagai potensi yang dapat dikembangkan sebagai sumber pakan, pangan, dan bahan kimia lainnya (Brown et al, 1997). Sel mikroalga Chlorella mengandung 50% protein, lemak serta vitamin A,
B, D, E dan K, disamping banyak terdapat pigmen hijau (klorofil) yang berfungsi sebagai katalisator dalam proses fotosintesis (Lutfi, 2012). Kandungan minyak sel Chlorella sp. dalam keadaan kering mencapai 28-32% dibandingan kandungan minyak tanaman perkebunan yang hanya mencapai 24% (Chisti, 2007). Hal tersebut juga dijelaskan menurut Teresa, et al.(2010) bahwa proses perkembangbiakan mikroalga hanya membutuhkan waktu 10 hari untuk siap dipanen hingga mencapai (120.000 kg biodiesel/Ha tahun) lebih dari 20 kali lipat produktivitas minyak sawit (5.800 kg biodiesel/Ha tahun) dan 80 kali lipat dibandingkan minyak jarak (1.500 kg biodiesel/Ha tahun).
Mikroalga Chlorella sp. dapat dianalisis kepadatannya dengan menggunakan dan mikroskop, serta menghitungnya secara manual agar ketelitian terjaga.
Haemocytometer
Pada penelitian kali ini bertujuan memberikan solusi lebih baik dengan analisis pertumbuhannya secara terkontrol melalui sebuah sensor cahaya photodiode dengan menggunakan mikrokontroler sebagai acuan analisis kepadatan mikroalga serta menggunakan vertical type
photobioreaktor sebagai alat perkembangbiakkan mikroalga Chlorella sp. Pertumbuhan
mikroalga diperoleh langsung melalui alat penghitung kepadatan tersebut pada fotobioreaktor.Perhitungan kepadatan sel mikroalga juga dilakukan menggunakan Haemocytometer dan mikroskop sebagai dasar titik temu persamaan dan pembanding yang akan kita aplikasikan pada rancang bangun alat pengukur kepadatan mikroalga Chlorella sp.
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain, mikrokontroler ATMega 16, sensor fotodioda, LED warna merah, minimum sistem, laptop, adaptor, USB downloader, LCD 16x2, mikroskop, hemositometer, rangka fotobioreaktor, lampu TL, wadah drum, plastik PE, aerator, kabel, stop-contact, luxmeter, beaker glass, pipa PVC, kran valve, dan pompa air. Bahan-bahan yang digunakan yaitu Acrylic atau Polymethylmetaacrylat (PMMA), lem acrylic, bibit mikroalga Chlorella sp., air tawar, pupuk walne+vitamin.
Metode Perancangan
Perancangan alat dilakukan dengan pendekatan rancangan fungsional dan rancangan struktural. Rangkaian fungsional dalam penelitian ini terdiri dari rangkaian elektronika dan desain alat. Rangkaian elektronika meliputi Minimum Sistem ATMega 16 yang berfungsi sebagai otak yang mengidentifikasi kepadatan mikroalga Chlorella sp. dari sensor fotodioda, menerima sinyal gelombang cahaya dari LED, kemudian diolah dan memberikan data untuk ditampilkan LCD. Kemudian terdapat lampu LED, Sensor fotodioda dan LCD 16 x 2 karakter. Sedangkan untuk desain alat meliputi rangka alat, posisi sensor fotodioda, dimana posisi sensor diletakkan tanpa menyentuh aliran yang melaluinya (alat penghitung kepadatan mikroalga
Chlorella sp. ) dan terdapat pada luar area body alat penghitung kepadatan serta menempel pada
bagian acrylic yang berwarna bening/transparan.Sedangkan untuk rancangan struktural, alat yang dibuat mempunyai spesifikasi antara lain : minimum sistem ATMega 16 (8,5 cm x 8,5 cm; 5 VDC), sensor cahaya ( R = 10kΩ), LCD 16x2 karakter (8 cm x 3,5 cm x 1 cm). Body/rangka Alat yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Body Alat Pengukur Kepadatan Mikroalga Chlorella sp.
Sensor Fotodioda Sensor fotodioda ini digunakan 1 buah yang terdapat ditengah kotak volum (spot
area ) sisi kanan dan 1 buah LED lurus berhadapan dengan sensor fotodioda sebagai
sumber cahaya pada sisi kiri.Metode Pengujian
Pengujian teknis dilakukan dengan menyiapkan mikroalga Chlorella sp. dengan variasi kepadatan berbeda melalui rumus pengenceran yaitu V 1 xM 1 =V 2 xM 2 (1) Sehingga diperoleh hasil sampel mikroalga Chlorella sp. pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Pengenceran Sampel Uji Mikroalga Chlorella sp.
Kepadatan (sell/mL) 6 V 1 (mL) M 1 (sel/mL)
V 2 (mL) M 2 (sel/mL) ±1x10 500 1.250.000 500 1.250.000 7
±1x10 1425 10.000.000 500 28.500.000 8 ±1x10 603,75 100.000.000 500 120.750.000 8
>1x10 516.5 250.000.000 500 258.250.000 Kepadatan mikroalga Chlorella sp. hasil pengenceran tersebut telah diukur terlebih dahulu menggunakan haemocytometer lalu dianalisa melalui alat pengukur kepadatan mikroalga
Chlorella sp . dengan menggunakan rumus :
y = mx+c (2) Pada program komputer yang telah di-compile di mikrokontroler ATMega 16. Kepadatan yang 6 7 8 8 digunakan sebanyak 4 sampel, yaitu ±1x10 , ±1x10 , ±1x10 , dan >1x10 sel/mL. Hasil dari pengukuran nilai ADC dan perhitungan kepadatan mikroalga dapat dilihat di Tabel 2.
Tabel 2. Hasil Pengukuran dan Perhitungan Nilai ADC Nilai Kepadatan Mikroalga 65 (63-67) 258.250.000
460 120.750.000 1015 28.500.000 1023 1.250.000 Metode validasi yang digunakan akan diperoleh hasil nilai kepadatan mikroalga
Chlorella sp . yang mendekati hasil perhitungan menggunakan mikroskop dan hemositometer.
Kemudian membandingkan hasil tersebut dengan hasil nilai kepadatan aliran mengalir dan aliran terhenti menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler ATMega 16 pada waktu yang telah ditentukan (jam 09.00 WIB, 12.00 WIB, dan 15.00 WIB) dalam pengambilan data untuk 10x pengulangan. Metode pengambilan data pada penelitian ini dengan menggunakan 2 cara yaitu MK* Aliran Mengalir dan MK* Aliran Terhenti. MK* Aliran Mengalir merupakan metode pengambilan data secara langsung pada waktu yang telah ditentukan dengan selang waktu 1 menit dalam pengambilan data untuk 10x pengulangan, sedangkan MK* Aliran Terhenti merupakan metode pengambilan data secara langsung pada waktu yang telah ditentukan dengan selang waktu 1-3 menit dalam pengambilan data untuk 10x pengulangan.HASIL DAN PEMBAHASAN Rangkaian Secara Keseluruhan Alat
Secara keseluruhan alat dirangkai menjadi satu, yaitu fotobioreaktor tipe vertikal dan alat pengukur kepadatan mikroalga Chlorella sp. Rangkaian alat secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian Alat Secara Keseluruhan Hasil perbandingan data nilai kepadatan mikroalga Chlorella sp. terdapat 3 hasil data, meliputi data MK* Aliran Mengalir, data MK* Aliran Terhenti, dan data MH* berupa pengamatan langsung menggunakan mikroskop dan hemositometer (data kontrol) untuk meng- validasi dari hasil kepadatan mikroalga. Hasil rata-rata pengambilan data penelitian dilapang selama 7 hari pengamatan pada waktu yang telah ditentukan dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Hasil Data Pengukuran dan Perhitungan Kepadatan Mikroalga Jumlah Kepadatan Mikroalga Chlorella sp. (sel/mL)
Hari ke- Jam (WIB) MK* Aliran
MH* MK* Aliran Mengalir Terhenti
9:00 9500000 11743237 10443653 1 12:00 14083333 11916512 10616933 15:00 12333333 14169120 11743237
Rata-Rata 11972222 12609623 10934607.67 9:00 12083333 11656597 11396683 2 12:00 17583333 13476011 11396683
15:00 13750000 21629440 12956176 Rata-Rata 14472222 15587349.33 11916514
9:00 27750000 10530293 10616933 3 12:00 9416667 21122335 12436342.6 15:00 7250000 22782000 15450878.7
Rata-Rata 14805555.67 18144876 12834718.1 9:00 27583333 19376000 11188745.6 4 12:00 16666667 18028000 11422668.8
15:00 34500000 24498000 19480055.2 Rata-Rata 26250000 20634000 14030489.87
9:00 15333333 19530000 19350105.6 5 12:00 5166667 21218000 12566304 15:00 7083333 14978000 10772880
Rata-Rata 9194444.333 18575333 14229763.2 9:00 - - - 6 12:00 7916667 13107210 9889168
15:00 8916667 6328310.4 5990416 Rata-Rata 8416667 9717760 7939792
9:00 4500000 7419656 6016408 7 12:00 9333333 5548560 5184680 15:00 5333333 4482808 3495217.6
Rata-Rata 6388888.667 5817008 4898768.533
Metode MK* Aliran Mengalir
Hasil dari perbandingan Metode MK* (mikrokontroler + sensor fotodioda) Aliran Mengalir dengan MH* (mikroskop+hemositometer) ditunjukkan pada Gambar 3.
30 a
25 ) lg a ns
20 o o li ikr
15 il m m
10 n (x
5 ta L) da l/m pa
- 5
1
2
3
4
5
6
7 Ke (se
- 10
- 15
MH* Selisih MK* Aliran Mengalir
Gambar 3. Hasil Perbandingan Data MH* dan MK* Aliran Mengalir
Hari ke-
3
15
20
25
30
1
2
4
5
5
6
7 M il li o n s
MK* Aliran Terhenti
Selisih MH*
Kep ad atan mi kro a lg a (s e l/ mL )
10
MK MH* Kepadatan mikroalga (sel/mL) K e p a d a ta n mi kro a lg a (s e l/ mL )
Berdasarkan hasil data dari kedua variabel pada Gambar 3, menunjukkan bahwa nilai selisih cukup besar pada hari ke-5, yaitu sebesar 9.380.888,667 sel/mL. Hal tersebut dikarenakan adanya beberapa faktor yang mempengaruhi sehingga hasil nilai kedua variabel mengalami selisih cukup banyak dalam nilai kepadatannya. Faktor yang mempengaruhi antara lain, faktor pengambilan sampel mikroalga yang kurang merata dalam proses pengadukan terlebih dahulu dimana fase tersebut terjadi fase eksponensial mikroalga yang secara teori cukup berpengaruh dalam fase pertumbuhan mikroalga Chlorella sp. (Fogg, 1975 dalam Anggraeni, 2009). Secara grafik, perbandingan nilai kepadatan MH* dan MK* Aliran Mengalir dapat dilihat pada Gambar 4.
10
Gambar 4. Grafik Perbandingan Nilai Kepadatan MH* dan MK* Aliran Mengalir Pada nilai MK* Aliran Mengalir fase penurunan (kematian) terjadi saat hari ke-6 yaitu sebesar 9.717.760 sell/mL, sedangkan pada nilai MH* fase penurunan (kematian) terjadi saat hari ke-5 yaitu sebesar 9.194.444,333 sell/mL sehingga selisih nilai kepadatannya sebesar 1.301.093 sel/mL. Fase kematian tersebut terjadi disebabkan adanya kehadiran kontaminan yang mengganggu laju pertumbuhan sel Chlorella sp. (Amini, dkk. 2010).
Metode MK* Aliran Terhenti
Hasil dari perbandingan Metode MK* (mikrokontroler + sensor fotodioda) Aliran Terhenti dengan MH* (mikroskop+hemositometer) ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil Data Perbandingan MH* dan MK* Aliran Terhenti Berdasarkan Gambar 5 diatas, dapat diketahui bahwa nilai perbandingan antara MH* dan MK* Aliran Terhenti memiliki selisih nilai kepadatan cukup besar pada hari ke-4 dan ke-5. Pada hari ke-4 nilai kepadatan mikroalga memiliki selisih sebesar 12.219.510,13 sel/mL,
y = 0,69x + 5.461.795,64 R² = 0,72
5
15
MK*
20
25
10
20
30 M il li o n s
Millions
- 10
- 5
MK* s
18 n o y = 0,40x + 5.732.222,59 li
16 il
R² = 0,60 M
14
12 a g
10 al o
8 ) ikr
6 m mL n l/
4 e ta (s
2 a d a
MH* p e
10
20
30 K Millions Kepadatan mikroalga
Gambar 6. Grafik Perbandingan Nilai Kepadatan MH* dan MK* Aliran Terhenti Berdasarkan Gambar 6, pada sensor fotodioda tingkat error pembacaan masih dapat diantisipasi dengan kalibrasi alat, sedangkan tingkat error yang lain merupakan faktor lain dimana terdapat pada kondisi alat non-elektronik, faktor lingkungan, dan hasil obyek yang diteliti.
Perbandingan MK* Aliran Mengalir dan MK* Aliran Terhenti
Hasil dari perbandingan Metode MK* (mikrokontroler + sensor fotodioda) Aliran Mengalir dengan Metode MK* (mikrokontroler + sensor fotodioda) Aliran Terhenti dapat dilihat pada Gambar 7.
s n
25 o li il a M
20 lg a o
15 ikr L) m
10 n l/m ta
5 (se da pa Ke
1
2
3
4
5
6
7 Hari
ke- Selisih
MK* Aliran Terhenti MK* Aliran Mengalir
Gambar 7. Hasil Data Perbandingan MH* dan MK* Aliran Terhenti Secara garis besar hasil data pada Gambar 7 diatas hampir sama nilai selisih kepadatannya, nilai selisih terbesar yaitu pada hari ke-4 sebesar 6.603.510,13 sel/mL. Hal tersebut terjadi disebabkan oleh sensor yang juga mendeteksi adanya gelembung sirkulasi yang melewati alat. Sehingga secara teknis efek tersebut mempengaruhi nilai kepadatan mikroalga
Chlorella sp . yang ditampilkan oleh LCD. Gelembung sirkulasi tersebut merupakan hasil dari
respirasi mikroalga Chlorella sp. berupa gas CO 2 tanpa diimbangi dengan sistem aerasi yang memadai. Sistem respirasi mikroalga sangat berpengaruh dalam pertumbuhan mikroalga karena 2 kebutuhan O dalam media tumbuh diperoleh dari aerator, dan pengaruh lingkungan berupa suhu. Cole (1983) dalam Nurhayati (2013) menyebutkan bahwa semakin meningkatnya suhu udara lingkungan dan media pengkulturan maka nilai konsentrasi oksigen dalam media semakin menurun, sehingga menyebabkan banyak gelembung respirasi mikroalga. Secara grafik, perbandingan nilai kepadatan MK* Aliran Mengalir dan MK* Aliran Terhenti dapat dilihat pada Gambar 8.
MK* Aliran Tertutup
16 s n o
14 y = 0,63x + 1.859.342,05 li il
R² = 0,96
12 M
a lg
10 a o
8 Data
ikr L) Ser…
6 m
Kepadat
n l/m
4 ta
an
(se
2 da pa
MK* Ke
10
20
30 Aliran Terbuka Millions Kepadatan mikroalga (sel/mL)
Gambar 8. Grafik Perbandingan Nilai Kepadatan MK* Aliran Mengalir dan MK* Aliran Terhenti
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil rancang bangun alat pengukur kepadatan mikroalga Chlorella sp.menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler ini, dapat disimpulkan bahwa pengukuran kepadatan mikroalga Chlorella sp. secara kontinyu menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler dapat berjalan dengan baik hingga mencapai kepadatan tertentu, yaitu terendah sebesar 4.898.768,533 sel/mL dan tertinggi sebesar 20.634.000 sel/mL. Rancang bangun alat pengukur kepadatan mikroalga secara kontinyu masih belum dapat digunakan dengan baik pada metode MK* Aliran Mengalir karena nilai perbandingan dengan MH* mencapai 28% trend
error , dan masih perlu dilakukan penelitian dan pengujian lebih lanjut. Sedangkan metode MK*
Aliran Terhenti masih jauh dibawah nilai standart karena memiliki nilai trend error sebesar 40%. Faktor yang sangat berpengaruh dalam pengukuran kepadatan mikroalga Chlorella sp. secara kontinyu menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler, yaitu kalibrasi alat, faktor lingkungan, intensitas cahaya matahari, pengadukan, dan aerasi.
DAFTAR PUSTAKA
Amini S., Chalid SY., Lestari S.D. 2010. Kultivasi Chlorella sp. Pada Media Tumbuh Yang Diperkaya Dengan Pupuk Anorganik Dan Soil Extract. Jurnal Balai Besar Riset Pengolahan Produk dan Bioteknologi Kelautan dan Perikanan. Fakultas Sains dan Teknologi UIN Syarif Hidyatullah, Jakarta.
Anggreani, N. 2009. Penentuan Parameter Hidrodinamika Pada Fotobiorekator Kolom Gelembung Sebagaia Basis Scale Up Produksi Biomassa Mikroalga Chlorell vulgaris
buitenzorg . Skripsi. UI. Depok
Brown, M.R, S.W. Jeffrey, J.K. Volkman, and G.A. Dustan. 1997. “Nutritional Properties Of Microalgae For Marineculture”. Aquaculture, 151. Hal. 315-331.
Chisti, Y. 2007. ”Biodiesel From Microalgae”,Biotechnology Advances, Vol. 25, hal.294-306.
Institute of Technology and Engineering, Massey University, Private Bag 11 222, Palmerston North, New Zealand
Fogg. 1975. Algal Cultures and Fitoplankton Ecology. Second Edition. The University of Wincousin. London
Lutfi, M. 2012. Potensi Mikroalga dari Tambak Udang Vannamei (Litopenaeus vannamei) Sistem Greenwater Sebagai Biokontrol Vibriosis Secara In-Vitro. Skripsi. Universitas Brawijaya. Malang
Nurhayati, T. 2013. Penggunaan Fotobioreaktor Sistem Batch Tersirkulasi Terhadap Tingkat Pertumbuhan Mikroalga Chlorella vulgaris, Chlorella sp. dan Nannochloropsis oculata.
Skripsi. Universitas Brawijaya, Malang. Teresa M. M., Antonio A. M. dan Caetano, N.S. 2010. Microalgae for Biodiesel Production and
Other Applications: A Review, Renewable and Sustainable Energy, 14 217-232.