BIOFIKSASI CO2 OLEH MIKROALGA Chlamydomonas sp UNTUK PEMURNIAN BIOGAS - Diponegoro University | Institutional Repository (UNDIP-IR)
]BIOFIKSASI CO2 OLEH MIKROALGA Chlamydomonas sp
UNTUK PEMURNIAN BIOGAS
TESIS
Untuk memenuhi persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-2
Magister Teknik Kimia
Rufaida Nur Rostika
L4C009012
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
September, 2011
i
TESIS
BIOFIKSASI CO2 OLEH MIKROALGA Chlamydomonas sp UNTUK
PEMURNIAN BIOGAS
Disusun oleh
Rufaida Nur Rostika
L4C009012
telah dipertahankan di depan Tim Penguji pada tanggal September 2011 dan
dinyatakan telah memenuhi syarat untuk diterima
Menyetujui,
Ketua Penguji
Pembimbing Pertama
__________________
__________________
NIP.
NIP.
Anggota Penguji (1)
__________________
Pembimbing Kedua
NIP.
Anggota Penguji (2)
__________________
NIP.
__________________
NIP.
Mengetahui
Pembantu Dekan I Fakultas Teknik
________________________
NIP.
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri
dan di dalamnya tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh
gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan lembaga pendidikan lainnya.
Pengetahuan yang diperoleh dari hasil penerbitan maupun yang belum/tidak
diterbitkan, sumbernya dijelaskan di dalam tulisan dan daftar pustaka.
Semarang, 19 September 2011
___________________________
iii
ABSTRAK
. Mikroalga Chlamydomonas sp memiliki potensi dalam membiofiksasi
CO2 dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan makanan tambahan sehingga
diharapkan dapat digunakan sebagai media purifikasi biogas dan pengurang emisi
bahan bakar fosil. Perlakuan penelitian terhadap Chlamydomonas sp dilakukan
pada reaktor buble coloumn dan tubular coloumn dengan 6 liter medium kultur
pada suhu 28oC, tekanan atmosferik dan lampu TL 20 W sebanyak 4 buah.
Perlakuan variasi laju alir dan konsentrasi gas CO2 pada kultur Chlamydomonas
sp menunjukkan hasil akhir produksi biomassa dan laju biofiksasi CO2 yang
berbeda. Produksi biomassa pada konsentrasi gas CO2 40% volume menghasilkan
5,685 (g/dm3) / hari sedangkan pada konsentrasi gas CO2 10% volume
menghasilkan 4,892 (g/dm3) / hari. Penyerapan gas CO2 oleh mikroalga paling
besar terjadi pada konsentrasi 40% volume yaitu sebesar 26,35%. Laju
pertumbuhan dan produktivitas mikroalga cenderung naik pada konsentrasi CO2
10% volume dan 20% volume namun mulai konstan pada konsentrasi CO2 30%
volume dan 40% volume. Pengaruh pencahayaan terhadap produksi biomassa
cenderung meningkat pada kondisi light sedangkan pada kondisi dark menjadi
konstan. Pemberian nutrient dan pengaturan pH pada kondisi basa (8-9)
meningkatkan pertumbuhan mikroalga. Kultivasi mikroalga memerlukan suhu
yang optimal, pemberian nutrient yang cukup, pH yang tepat dan cahaya yang
dapat membantu pertumbuhan mikroalga sehingga produksi biomassa menjadi
tinggi.
Kata kunci : Mikroalga, Chlamydomonas sp, biofiksasi CO2, biogas
ABSTRACT
Microalgae Chlamydomonas sp have a potential to biofix CO2 and can be
used as an additional food ingredient thus expected to be used as a medium for
purification of biogas and reducing fossil fuel emissions. Treatment studies of
Chlamydomonas sp performed in buble coloumn and tubular coloumn reactor
with 6 liters of culture medium at a temperature of 28oC, atmospheric pressure
and 4 pieces 20 W TL lamps. Treatment variations of flow rate and gas
concentration of CO2 in Chlamydomonas sp culture show different results in
biomass production and CO2 biofixation rates. Biomass production on the
concentration of CO2 in 10% vol and 40% vol is 4.892 g/dm3 / day and 5.685
g/dm3 / day, respectively. The greatest absorption of CO2 occurs at a
concentration of 40% vol amounting to 26,35 %. The rate of growth and
productivity of microalgae tend to rise in CO2 concentration of 10% vol and 20%
vol, but remain a constant at CO2 concentration of 30% vol and 40% vol. The
effect of lighting on biomass production tends to increase in light conditions while
a constant in dark conditions. The provision of nutrient and pH regulation under
alkaline conditions (8-9) improve the growth of microalgae. Cultivation of
microalgae requires optimal temperature, providing sufficient nutrients, pHcorrect and light that can help the growth of microalgae biomass production
becomes so high.
Keywords : Microalga, Chlamydomonas sp, CO2 biofixation, biogass
iv
KATA PENGANTAR
Peningkatan penggunaan energi karena pertumbuhan populasi penduduk,
bertambahnya jumlah industri dan menipisnya sumber cadangan minyak dunia
serta permasalahan emisi bahan bakar fosil mendorong setiap negara untuk
memproduksi dan menggunakan energi terbarukan (renewable energy) salah
satunya biogas. Persoalan tentang produksi biogas adalah kandungan CO2 dan
H2S yang tinggi sehingga menurunkan nilai kalor biogas sebagai bahan bakar
alternatif dan hanya digunakan sebagai bahan bakar skala rumah tangga.
Pemurnian menggunakan mikroalga merupakan teknologi yang inovatif dan
ekonomis karena mikroalga tersedia di alam dengan berbagai jenis spesiesnya.
Dengan kemampuan mengkonsumsi karbon yang tinggi mikroorganisme ini
sangat potensial untuk penyerap gas CO2 di biogas sehingga dapat digunakan
sebagai metode alternatif pada penyerapan gas CO2 dan dapat diaplikasikan untuk
memperoleh bahan bakar biogas dengan nilai kalor tinggi.
Pada kesempatan ini Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada
pihak-pihak yang telah membantu penyusunan laporan tesis sebagai berikut :
1. Bapak Dr. Hadiyanto, ST, M.Sc selaku Pembimbing I yang telah memberikan
arahan dan masukan dalam penyusunan laporan tesis.
2. Bapak Ir. Sumarno, M.Si selaku Pembimbing II yang telah memberikan arahan
dan masukan dalam penyusunan laporan tesis.
3. Bapak Untung selaku laboran di Laboratorium Penelitian Teknik Kimia yang
telah membantu menyediakan sarana dan prasarana pelaksanaan penelitian.
4. Bapak Sukhari dan Bapak Sajari yang telah membantu pembuatan alat
penelitian.
5. Orang tuaku, suamiku Andi Widiasmoro dan anakku Raihandra Bastian
Atthoriq yang telah mendukung secara moral dalam penyusunan laporan tesis.
Saya mengharapkan laporan tesis ini bermanfaat bagi pembaca dan mohon
kritik serta saran yang membangun untuk laporan tesis saya.
Penulis
v
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
i
HALAMAN PENGESAHAN
ii
HALAMAN PERNYATAAN
iii
ABSTRAK
iv
KATA PENGANTAR
v
DAFTAR ISI
vi
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
x
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
1
1.2
Perumusan Masalah
4
1.3
Tujuan Penelitian
5
1.4
Manfaat Penelitian
5
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Biogas
7
2.2
Komposisi Biogas
8
2.3
Reaktor Biogas
10
2.4
Mikroalga
12
2.5
Klasifikasi Mikroalga
14
2.6
Sifat Mikroalga
16
2.7
Calvin Cycle
17
2.8
CCM (CO2 Concentrating Mechanism)
18
2.9
Biofiksasi CO2
19
2.10 Kultivasi Mikroalga dalam Photobioreactor
20
2.11 Mekanisme Absorbsi CO2
24
III. METODE PENELITIAN
3.1
Rancangan Percobaan
26
3.2
Alat dan Bahan yang Digunakan
26
vi
3.3
Prosedur Penelitian
29
3.4
Time Table Penelitian
35
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1
Efek Laju Pembebanan Gas CO2 terhadap Growth Rate
36
4.2
Efek Konsentrasi Gas CO2 terhadap Produksi Biomassa
37
4.3
Efek Laju Pembebanan terhadap Growth Rate dan Produktivitas
39
4.4
Pengaruh Penambahan Nutrient terhadap Pertumbuhan Mikroalga 40
4.5
Pengaruh Pencahayaan terhadap Pembentukan Biomassa
41
4.6
Kemampuan Biofiksasi CO2 oleh Mikroalga
42
V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
45
5.2
Saran
45
VI. RINGKASAN
47
DAFTAR PUSTAKA
51
LAMPIRAN
54
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kandungan Gas CH4 untuk Beberapa Jenis Sumber Biogas
7
Tabel 2.2 Komposisi Biogas
8
Tabel 2.3 Rasio C/N untuk Berbagai Bahan Organik
10
Tabel 2.4 Kandungan Minyak dari Beberapa jenis Mikroalga
14
Tabel 3.1 Time Table Penelitian
35
Tabel 4.1 Pengaruh penambahan nutrient pada pertumbuhan mikroalga
40
Tabel 4.2 CO2 yang terserap oleh mikroalga pada laju alir gas CO2 0,07 l/lmin
42
Tabel 4.3 Nilai pH pada berbagai konsentrasi CO2 selama masa kultivasi
43
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Konversi Biogas
8
Gambar 2.2 Hubungan Kandungan CH4 dengan Nilai Kalor
9
Gambar 2.3 Jenis-jenis Biodigester
11
Gambar 2.4 Sel Mikroalga
13
Gambar 2.5 Calvin Cycle Process
17
Gambar 2.6 Kurva Evenwicht CO2 - HCO3- - CO32+
19
Gambar 2.7 Open Pond untuk Kultivasi Mikroalga
21
Gambar 2.8 Flate Plate Photobiorectors
22
Gambar 2.9 Tubular Photobioreactors
23
Gambar 3.1 Set up photobioreactor jenis buble coloumn
27
Gambar 3.2 Set up photobioreactor jenis tubular coloumn
28
Gambar 3.3 Nomograph untuk evaluasi nilai CO2 bebas
34
Gambar 4.1 Kurva pertumbuhan mikroalga berbagai konsentrasi gas CO2
36
Gambar 4.2 Foto alat penelitian yang telah didesain ulang
37
Gambar 4.3 Kurva produksi biomassa berbagai konsentrasi CO2
38
Gambar 4.4 Kurva perbandingan growth rate dengan produktivitas mikroalga 39
Gambar 4.5 Kurva produksi biomassa pada dark and light cycle
41
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Kultivasi mikroalga
54
Lampiran 2. Analisa hasil gas
55
Lampiran 3. Analisa biomassa
57
Lampiran 4. Analisa produksi biomassa pada dark and light cycle
59
Lampiran 5. Analisa laju pertumbuhan mikroalga
59
Lampiran 6. Analisa bicarbonate alkalinity
60
Lampiran 7. Analisa free CO2
62
Lampiran 8. Analisa jumlah sel mikroalga
63
x
UNTUK PEMURNIAN BIOGAS
TESIS
Untuk memenuhi persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-2
Magister Teknik Kimia
Rufaida Nur Rostika
L4C009012
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
September, 2011
i
TESIS
BIOFIKSASI CO2 OLEH MIKROALGA Chlamydomonas sp UNTUK
PEMURNIAN BIOGAS
Disusun oleh
Rufaida Nur Rostika
L4C009012
telah dipertahankan di depan Tim Penguji pada tanggal September 2011 dan
dinyatakan telah memenuhi syarat untuk diterima
Menyetujui,
Ketua Penguji
Pembimbing Pertama
__________________
__________________
NIP.
NIP.
Anggota Penguji (1)
__________________
Pembimbing Kedua
NIP.
Anggota Penguji (2)
__________________
NIP.
__________________
NIP.
Mengetahui
Pembantu Dekan I Fakultas Teknik
________________________
NIP.
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis ini adalah hasil pekerjaan saya sendiri
dan di dalamnya tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh
gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan lembaga pendidikan lainnya.
Pengetahuan yang diperoleh dari hasil penerbitan maupun yang belum/tidak
diterbitkan, sumbernya dijelaskan di dalam tulisan dan daftar pustaka.
Semarang, 19 September 2011
___________________________
iii
ABSTRAK
. Mikroalga Chlamydomonas sp memiliki potensi dalam membiofiksasi
CO2 dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan makanan tambahan sehingga
diharapkan dapat digunakan sebagai media purifikasi biogas dan pengurang emisi
bahan bakar fosil. Perlakuan penelitian terhadap Chlamydomonas sp dilakukan
pada reaktor buble coloumn dan tubular coloumn dengan 6 liter medium kultur
pada suhu 28oC, tekanan atmosferik dan lampu TL 20 W sebanyak 4 buah.
Perlakuan variasi laju alir dan konsentrasi gas CO2 pada kultur Chlamydomonas
sp menunjukkan hasil akhir produksi biomassa dan laju biofiksasi CO2 yang
berbeda. Produksi biomassa pada konsentrasi gas CO2 40% volume menghasilkan
5,685 (g/dm3) / hari sedangkan pada konsentrasi gas CO2 10% volume
menghasilkan 4,892 (g/dm3) / hari. Penyerapan gas CO2 oleh mikroalga paling
besar terjadi pada konsentrasi 40% volume yaitu sebesar 26,35%. Laju
pertumbuhan dan produktivitas mikroalga cenderung naik pada konsentrasi CO2
10% volume dan 20% volume namun mulai konstan pada konsentrasi CO2 30%
volume dan 40% volume. Pengaruh pencahayaan terhadap produksi biomassa
cenderung meningkat pada kondisi light sedangkan pada kondisi dark menjadi
konstan. Pemberian nutrient dan pengaturan pH pada kondisi basa (8-9)
meningkatkan pertumbuhan mikroalga. Kultivasi mikroalga memerlukan suhu
yang optimal, pemberian nutrient yang cukup, pH yang tepat dan cahaya yang
dapat membantu pertumbuhan mikroalga sehingga produksi biomassa menjadi
tinggi.
Kata kunci : Mikroalga, Chlamydomonas sp, biofiksasi CO2, biogas
ABSTRACT
Microalgae Chlamydomonas sp have a potential to biofix CO2 and can be
used as an additional food ingredient thus expected to be used as a medium for
purification of biogas and reducing fossil fuel emissions. Treatment studies of
Chlamydomonas sp performed in buble coloumn and tubular coloumn reactor
with 6 liters of culture medium at a temperature of 28oC, atmospheric pressure
and 4 pieces 20 W TL lamps. Treatment variations of flow rate and gas
concentration of CO2 in Chlamydomonas sp culture show different results in
biomass production and CO2 biofixation rates. Biomass production on the
concentration of CO2 in 10% vol and 40% vol is 4.892 g/dm3 / day and 5.685
g/dm3 / day, respectively. The greatest absorption of CO2 occurs at a
concentration of 40% vol amounting to 26,35 %. The rate of growth and
productivity of microalgae tend to rise in CO2 concentration of 10% vol and 20%
vol, but remain a constant at CO2 concentration of 30% vol and 40% vol. The
effect of lighting on biomass production tends to increase in light conditions while
a constant in dark conditions. The provision of nutrient and pH regulation under
alkaline conditions (8-9) improve the growth of microalgae. Cultivation of
microalgae requires optimal temperature, providing sufficient nutrients, pHcorrect and light that can help the growth of microalgae biomass production
becomes so high.
Keywords : Microalga, Chlamydomonas sp, CO2 biofixation, biogass
iv
KATA PENGANTAR
Peningkatan penggunaan energi karena pertumbuhan populasi penduduk,
bertambahnya jumlah industri dan menipisnya sumber cadangan minyak dunia
serta permasalahan emisi bahan bakar fosil mendorong setiap negara untuk
memproduksi dan menggunakan energi terbarukan (renewable energy) salah
satunya biogas. Persoalan tentang produksi biogas adalah kandungan CO2 dan
H2S yang tinggi sehingga menurunkan nilai kalor biogas sebagai bahan bakar
alternatif dan hanya digunakan sebagai bahan bakar skala rumah tangga.
Pemurnian menggunakan mikroalga merupakan teknologi yang inovatif dan
ekonomis karena mikroalga tersedia di alam dengan berbagai jenis spesiesnya.
Dengan kemampuan mengkonsumsi karbon yang tinggi mikroorganisme ini
sangat potensial untuk penyerap gas CO2 di biogas sehingga dapat digunakan
sebagai metode alternatif pada penyerapan gas CO2 dan dapat diaplikasikan untuk
memperoleh bahan bakar biogas dengan nilai kalor tinggi.
Pada kesempatan ini Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada
pihak-pihak yang telah membantu penyusunan laporan tesis sebagai berikut :
1. Bapak Dr. Hadiyanto, ST, M.Sc selaku Pembimbing I yang telah memberikan
arahan dan masukan dalam penyusunan laporan tesis.
2. Bapak Ir. Sumarno, M.Si selaku Pembimbing II yang telah memberikan arahan
dan masukan dalam penyusunan laporan tesis.
3. Bapak Untung selaku laboran di Laboratorium Penelitian Teknik Kimia yang
telah membantu menyediakan sarana dan prasarana pelaksanaan penelitian.
4. Bapak Sukhari dan Bapak Sajari yang telah membantu pembuatan alat
penelitian.
5. Orang tuaku, suamiku Andi Widiasmoro dan anakku Raihandra Bastian
Atthoriq yang telah mendukung secara moral dalam penyusunan laporan tesis.
Saya mengharapkan laporan tesis ini bermanfaat bagi pembaca dan mohon
kritik serta saran yang membangun untuk laporan tesis saya.
Penulis
v
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
i
HALAMAN PENGESAHAN
ii
HALAMAN PERNYATAAN
iii
ABSTRAK
iv
KATA PENGANTAR
v
DAFTAR ISI
vi
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
x
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
1
1.2
Perumusan Masalah
4
1.3
Tujuan Penelitian
5
1.4
Manfaat Penelitian
5
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Biogas
7
2.2
Komposisi Biogas
8
2.3
Reaktor Biogas
10
2.4
Mikroalga
12
2.5
Klasifikasi Mikroalga
14
2.6
Sifat Mikroalga
16
2.7
Calvin Cycle
17
2.8
CCM (CO2 Concentrating Mechanism)
18
2.9
Biofiksasi CO2
19
2.10 Kultivasi Mikroalga dalam Photobioreactor
20
2.11 Mekanisme Absorbsi CO2
24
III. METODE PENELITIAN
3.1
Rancangan Percobaan
26
3.2
Alat dan Bahan yang Digunakan
26
vi
3.3
Prosedur Penelitian
29
3.4
Time Table Penelitian
35
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1
Efek Laju Pembebanan Gas CO2 terhadap Growth Rate
36
4.2
Efek Konsentrasi Gas CO2 terhadap Produksi Biomassa
37
4.3
Efek Laju Pembebanan terhadap Growth Rate dan Produktivitas
39
4.4
Pengaruh Penambahan Nutrient terhadap Pertumbuhan Mikroalga 40
4.5
Pengaruh Pencahayaan terhadap Pembentukan Biomassa
41
4.6
Kemampuan Biofiksasi CO2 oleh Mikroalga
42
V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
45
5.2
Saran
45
VI. RINGKASAN
47
DAFTAR PUSTAKA
51
LAMPIRAN
54
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kandungan Gas CH4 untuk Beberapa Jenis Sumber Biogas
7
Tabel 2.2 Komposisi Biogas
8
Tabel 2.3 Rasio C/N untuk Berbagai Bahan Organik
10
Tabel 2.4 Kandungan Minyak dari Beberapa jenis Mikroalga
14
Tabel 3.1 Time Table Penelitian
35
Tabel 4.1 Pengaruh penambahan nutrient pada pertumbuhan mikroalga
40
Tabel 4.2 CO2 yang terserap oleh mikroalga pada laju alir gas CO2 0,07 l/lmin
42
Tabel 4.3 Nilai pH pada berbagai konsentrasi CO2 selama masa kultivasi
43
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Konversi Biogas
8
Gambar 2.2 Hubungan Kandungan CH4 dengan Nilai Kalor
9
Gambar 2.3 Jenis-jenis Biodigester
11
Gambar 2.4 Sel Mikroalga
13
Gambar 2.5 Calvin Cycle Process
17
Gambar 2.6 Kurva Evenwicht CO2 - HCO3- - CO32+
19
Gambar 2.7 Open Pond untuk Kultivasi Mikroalga
21
Gambar 2.8 Flate Plate Photobiorectors
22
Gambar 2.9 Tubular Photobioreactors
23
Gambar 3.1 Set up photobioreactor jenis buble coloumn
27
Gambar 3.2 Set up photobioreactor jenis tubular coloumn
28
Gambar 3.3 Nomograph untuk evaluasi nilai CO2 bebas
34
Gambar 4.1 Kurva pertumbuhan mikroalga berbagai konsentrasi gas CO2
36
Gambar 4.2 Foto alat penelitian yang telah didesain ulang
37
Gambar 4.3 Kurva produksi biomassa berbagai konsentrasi CO2
38
Gambar 4.4 Kurva perbandingan growth rate dengan produktivitas mikroalga 39
Gambar 4.5 Kurva produksi biomassa pada dark and light cycle
41
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Kultivasi mikroalga
54
Lampiran 2. Analisa hasil gas
55
Lampiran 3. Analisa biomassa
57
Lampiran 4. Analisa produksi biomassa pada dark and light cycle
59
Lampiran 5. Analisa laju pertumbuhan mikroalga
59
Lampiran 6. Analisa bicarbonate alkalinity
60
Lampiran 7. Analisa free CO2
62
Lampiran 8. Analisa jumlah sel mikroalga
63
x