Proses Pembuatan Biodiesel dari Alga

Biodiesel dan Mikroalga

Biodiesel merupakan bahan bakar dari minyak nabati maupun lemak hewan yang

memiliki sifat menyerupai minyak diesel. Biodiesel terdiri monoalkil ester yang dapat

terbakar bersih. Biodiesel bersifat terbarukan, dapat menurunkan emisi kendaraan, bersifat

melumasi dan dapat meningkatkan kinerja mesin. Biodiesel dibuat secara transesterifikasi

ataupun esterifikasi minyak nabati dengan katalis basa ataupun asam sehingga menghasilkan

metil ester (Sulistyo, 2010)

Indonesia dengan luas laut kurang lebih 5,6 juta km2 dengan garis pantai sepanjang

81.000 km, memiliki peluang untuk produksi biodiesel dari miroalga (Departemen Kelautan

dan Perikanan Indonesia, 2011). Produktivitas alga dalam menghasilkan biodiesel tinggi

dikarenakan beberapa faktor. Alga sangat efektif dalam mengubah nutrisi dan karbon

dioksida (CO2) dari air, dengan bantuan sinar matahari hingga menjadi energi. Proses

penyerapan nutrisi CO2, dan sinar matahari pada alga berlangsung sederhana, berbeda dengan

proses serupa pada tanaman tingkat tinggi. Kelebihan alga dibanding bahan nabati lain adalah

pengambilan minyaknya tanpa perlu penggilingan. Minyak alga bisa langsung diekstrak

dengan bantuan zat pelarut, enzim, pemerasan, ekstraksi CO2, ekstraksi ultrasonik dan

osmotic shock.

Semua jenis alga memiliki komposisi kimia sel yang terdiri dari protein, karbohidrat,

fatty acid dan asam nukleat. Persentase keempat komponen tersebut bervariasi, tergantung

jenis alga. Ada jenis alga yang memiliki komponen fatty acid lebih dari 40%. Komponen

fatty acid inilah yang akan diekstraki dan diubah menjadi biodiesel. Pemilihan mikroalga

Chlorella vulgaris sebagai bahan untuk biodiesel dikarenakan mikroalga ini tahan terhadap

kontaminan karena memiliki daya dan mekanisme perbaikan DNA yang tinggi untuk

beradaptasi dengan lingkungannya yang baru, serta memiliki bentuk dan sifat dindning sel

yang sagat kuat sehingga tahan terhadap pengaruh luar. Keunggulan lainnya biomassa C.

vulgaris memiliki kandungan lipid mencapai 56% dari berat kering (Gouveia & Oliveira,

2009). Dengan kandungan lipid yang cukup besar tersebut, menunjukkan bahwa C. vulgaris

berpotensi sebagai bahan baku biodiesel. Campuran biodiesel dengan minyak biodiesel dapat

memperbaiki angka setan, sifat pelumasan dan emisi gas buang yang dihasilkan oleh minyak

diesel yang sama tanpa membutuhkan modifikasi pada mesin diesel dan mempunyai titik

nyala (flash point) yang lebih tinggi.

Produksi biodiesel (metil ester) harus memenuhi persyaratan atau spesifikasi yang sdah

ditetapkan oleh suatu negara untuk dipakai sebagai bahan baku standar ASTM 6751-02, dan

dari Eropa berdasarkan EDIN 51606. Di Indonesia sendriri memiliki Standara Nasional

Indonesia (SNI).

Tabel 1. Spesifikasi Biodiesel menurut ASTM (USA), EDIN (Eropa) dan SNI (Indonesia)

Sumber : Sunaryo, 2010

Karakteristik ASTM D-6571 EDIN 51606 SNI

Densitas @ 15ᴼC 0,875-0,9 g/ml 0,875-0,9 g/ml 0,85-0,89 g/m

Viscocity @ 40ᴼC 1,9-6,0 min /sec 3,5-5,0 min2/sec- 2,3-6,0 mm2/sec

Flashpoint 130ᴼC 110ᴼC 100ᴼC

Water & Sediment 0,050 max % wall 0,030 max % wall 0,050 max % wall

Acid number 0,8. 0,8 0,8

Free Glycerin 0,02 0,02 0,02 max

Cetane 47 min 49 min 51 min

Carbon Residue 0,05% max 0,05% max 0,05% max

Total Glycerine 0,24 O,25 0,24 max

Lipid dan Asam Lemak

Total kandungan minyak dan lemak dari mikroalga berkisar antara 1% sampai 70%

bahkan dapat mencapai 90% untuk kondisi tertentu (Metting, 1996). Kandungan ini dapat

dipengaruhi oleh kondisi nutrisi alga dan lingkungannya seperti adanya kandungan nitrogen.

Mikroalga juga merupaka sumber vitamin. Besarnya kandungan vitamin sangat dipengaruhi

oleh bagaimana perlakuan yang diberikan dan metode pengeringan yang dipilih (Borowitzka,

1998).

Gambar 1. Kandungan asam lemak dalam beberapa spesies mikroalga (Kawaroe et al., 2010)

Komposisi Kimia Mikroalga

Chlorella vulgaris merupakan mikroalga domestik yang tahan kadar CO2 tinggi

berhabitat di alam tropis dan tahan mikroa phatogen. C. vulgaris kaya akan zat esensial

dengan komposisi berimbang seperti β karoten, zat hijau daun, phycocyanin (antioksidan dna

pemacu sistem kekebalan), γ linolenic acid (GLA), asam folat (vitamin M), asam pantotenat,

protein, vitamin B-12, zat besi dan mineral, vitamin E, dan layak konsumsi (Wirosaputro,

2002).

Tabel 2. Kandungan Esensial sumber nabati dan Beberapa Mirkroalga (%)

Sumber : http://www.oilgae.com/algae/comp/comp.html

Kultivasi Mikroalga

Kultivasi mikroalga dipengaruhi oleh beberapa faktor umum seperti faktor eksternal

(lingkungan). Faktor-faktor lingkungan tersebut berpengaruh terhadap laju pertumbuhan dan

metabolisme dari makhluk hidup mikro ini. Faktor-faktor tersebut antara lain :

1. Derajat Keasaman (pH)

Derajat keasaman digambarkan sebagai keberadaan ion hidrogen. Variasi pH dalam

media kultur dapat mempengaruhi metabolisme dan pertumbuhan kultur mikroalga

antara lain mengubahkeseimbangan karbon anorganik, mengubah ketersediaan nutrien

dan mempengaruhi fisiologi sel. Kisaran pH untuk kultur alga biasanya antara 7 – 9,

kisaran optimum untuk alga laut berkisar antara 7,8 – 8,5. Secara umum kisaran pH yang

optimum untuk kultur mikroalga adalah antara 7 – 9.

2. Salinasi

Kiasaran salinasi yang berubah-ubah dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroalga.

Beberapa mikroalga dapat tumbuuh dalam kisaran salinasi yang tinggi tetapi ada juga

yang dapat tumbuh dalam kisaran salinitas yang rendah. Namun, hampir semua jenis

mikroalga dapat tumbuh optimal pada salinitas sedikit di bawah habitat asal. Pengaturan

salinitas pada media yang diperkaya dapat dilakukan denan pengenceran dengan

menggunakan air tawar. Kisaran salinitas yang paling optimum untuk pertumbuhan

mikroalga adalah 25-35% (Sylvester et al,. 2002).

3. Suhu

Suhu merupakan salah satu faktor penting yang dipengaruhi pertumbuhan

mikroalga. Perubahan suhu berpengaruh terhadap proses kimia, biologi dan fisika.

Peningkatan suhu dapat menurunkan suatu kelarutan bahan dan dapat menyebabkan

peningkatan kecepatan metabolisme dan respirasi mikroalga di perairan. Secara umum

suhu optimal dalam kultur mikroalga berkisar antara 20 - 24ᴼC.

Suhu dalam kultur diatur sedemikian rupa bergantung pada media yang digunakan.

Suhu di bawah 16ᴼC dapat menyebabkan kecepatan pertumbuhan turun, sedangkan suhu

diatas 36ᴼC dapat menyebabkan kematian (Taw, 1990)

4. Cahaya

Cahaya merupakan sumber energi dalam proses fotosintesis yang berguna untuk

pembentukan senyawa karbon organik. Intensitas cahaya sangat menentukan

pertumbuhan mikroalga yaitu dilihat dari lama penyinaran dan panjang gelombang yang

digunakan untuk fotosintesis. Cahaya berperan penting dalam pertumbuhan mikroalga,

tetapi kebutuhannya bervariasi yang disesuaikan dengan kedalam kultur dan

kepadatanya.

5. Karbondioksida

Karbondioksida diperlukan oleh mikroalga untuk membantu proses fotosintesis.

Karbondioksida dengan kadar 1-2% biasanya sudah cukup digunakan dalam kultur

mikroalga dengan intensitas cahaya yang cukup rendah. Kadar karbondioksida

yangberlebihandapat menyebabkan pH kurang dari batas optimum sehingga akan

berpengaruh terhadap pertumbuhan mikroalga (Taw, 1990)

6. Nutrien

Mikroalga memperoleh nutrien dari air laut yang sudah mengandung nutrien yang

cukup lengkap. Namun pertumbuhan mikroalga dalam kultur dapat mencapai optimum

dengan mencampurkan air laut dengan nutrien yang tidak terkandung dalam air laut

tersebut.

Nutrien terbagi menjadi makro nutrien dan mikro nutrien. Unsur makro nutrien

terdiri atas N (nitrat), P (Posfat), K (Kalium), C (Karbon), Si (Silikat), S (Sulfat) dan Ca

(Kalsium). Unsur mikro nutrien terdiri atas Fe (Besi), Zn (Seng), Cu (Tembaga), Mg

(Magnesium), Mo (Molybdate), Co (Kobalt), B (Boron), dan lainnya (Sylvester et al,.

2003; Cahyaningsih, 20009)

7. Aerasi

Aerasi dalam kultivasi mikroalga digunakan dalam proses pengadukan media kultur.

Pengadukan sangat penting dilakukan karena bertujuan untuk mencegah terjadinya

pengendapan sel, nutrien tersebar dengan baik sehingga mikroalga dalam kultur

mendapatkan nutrien yang sama, mencegah sratifikasi suhu, dan meningkatkan

pertukaran gas ari udara ke media (Taw, 1990).

Pertumbuuhan mikroalga dalam media kultur dapat ditandai dengan bertambah

banyaknya jumlah sel. Kepadatan sel dalam kultur Chlorella vulgaris digunakan untuk

mengetahui pertumbuuhan jenis mikroalga hijau tersebut. Kecepatan tumbuh dalam

kultur ditentukan dari media yang digunakan dan dapat dilihat dari hasil pengamatan

kepadatan Chlorella vulgaris yang dilakukan setiap 24 jam.

Pemilihan Sistem Kultivasi Alga

Proses kultivasi alga dapat dilakukan dengan sistem terbuka atau tertutup

(fotobioreaktor). Biasanya, proses kultivasi alga dalam sistem tertutup lebih menguntungkan

daripada sistem terbuka. Pertimbangan ini didasari atas kemudahan dalam mengontrol kodisi

kultivasi, lebih terjaga dari adanya kontaminan yang masuk di dalamnya, dan produksi

biomassa yang diperoleh lebih besar. Bila pada sistem kultivasi terbuka, biasanya proses

kultivasi alga adilakukan dengan menggunakan pencahayaan alami, sedangkan untuk sistem

kultivasi tertutup, kultur alga dilakukan dengan sistem pencahayaan alami, buataun maupun

keduanya.

Optimasi pertumbuhan mikroalga dalam fotobioreaktor dapat dicapai dengan

memasok : sumber energi, nutrisi penting untuk memenuhi kebutuhan metabolismenya, jenis

inokulum yang baik dan kondisi fisikokimiawi yang optimal. Selain itu, terdapat beberapa hal

yang perlu dipertimbangkan dalam suatu perancangan fotobioreaktor, agar dapat memberikan

kondisi lingkungan terkendali yang baik bagi pertumbuhan mikroalga. Beberapa

pertimbangan yang digunakan :

Reaktor harus mampu digunakan dalam suasana aseptik dalam beberapa hari dan

berlangsung untuk waktu lama

Aerasi dna agitasi harus dapat diatur sehingga dapat mencukupi kebutuhan alga untuk

melakukan metabolisme seara optimal (dalam hal ini prosesnya tidak boleh merusak

sel)

Terdapat sistem pengendali suhu dan pH

Bioreaktor dilengkapi dengan fasilitas pengambilan sampel

Bioreaktor dirancang dengan jumlah kerja minimal, baik untuk pengoperasian,

pemamenan produk, pembersihan dan pemeliharaan.

Bioreaktor dikontruksi sedemikian rupa sehingga permukaan dalamnya halus.

Bioreaktor harus memiliki bentuk geometri serupa antara yang berukuran kecil dan

besar agar mempermudah dalam scale up.

Mikroalga Carbon Mass Balance

CO2,in = CO2,out + algal biomass carbon out

yCO2,in Fin = yCO2,out Fout + Yx/c RxV

Parameter Definisi Units

YCO2,in Fraksi mol CO2 inlet Mol CO2/mol total

CO2,out Fraksi mol CO2 outlet Mol CO2/mol total

Fin Molar flow rate, inlet gas Mol/hr

Fout Molar flow rate, outlet gas Mol/hr

Y x/c Carbon content of biomass Mol C/kg biomass

RxV Laju produksi biomassa alga Kg biomass/hr