Rancang Bangun Alat Pengukur Kepadatan Mikroalga Chlorella sp. dengan Menggunakan Sensor Fotodioda dan Mikrokontroler ATMega 16

(1)

86 Rancang Bangun Alat Pengukur Kepadatan Mikroalga – Wardhani dkk

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: wardhani.andri@gmail.com

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.

(2)

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 Haemocytometer dan mikroskop, serta menghitungnya secara manual agar ketelitian terjaga. 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.

(3)

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

V1xM1=V2xM2 (1)

Sehingga diperoleh hasil sampel mikroalga Chlorella sp. pada Tabel 1.

Tabel 1. Hasil Pengenceran Sampel Uji Mikroalga Chlorella sp.

Kepadatan (sell/mL) V1 (mL) M1 (sel/mL) V2 (mL) M2 (sel/mL)

±1x106 ₅₀₀ _1.250.000 ₅₀₀ _1.250.000

±1x107 ₁₄₂₅ _10.000.000 ₅₀₀ _28.500.000

±1x108 _603,75 _100.000.000 ₅₀₀ _120.750.000

>1x108 _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 digunakan sebanyak 4 sampel, yaitu ±1x106_{, ±1x10}7_{, ±1x10}8_{, dan >1x10}8 _{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

(4)

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

(5)

Tabel 3. Hasil Data Pengukuran dan Perhitungan Kepadatan Mikroalga

Hari ke- Jam (WIB)

Jumlah Kepadatan Mikroalga Chlorella sp. (sel/mL)

MH* MK* Aliran Mengalir MK* Aliran

Rata-Rata 11972222 12609623 10934607.67

2

Rata-Rata 14472222 15587349.33 11916514

3

Rata-Rata 14805555.67 18144876 12834718.1

4

Rata-Rata 26250000 20634000 14030489.87

5

Rata-Rata 9194444.333 18575333 14229763.2

6

Rata-Rata 8416667 9717760 7939792

7

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.

Gambar 3. Hasil Perbandingan Data MH* dan MK* Aliran Mengalir -15

(6)

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.

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,

(7)

sedangkan pada hari ke-5 nilai kepadatan mikroalga memiliki selisih sebesar 5.035.318,867 sel/mL. Tetapi pada MK* Aliran Terhenti mengalami kenaikan sedikit sebesar 199.273,33 sel/mL. Hal tersebut terjadi karena dalam pembacaan sensor terhalang oleh mikroalga yang menempel pada body alat seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.19. Sehingga tingkat error pembacaan masih cukup tinggi pada MK* Aliran Terhenti. Secara grafik, perbandingan nilai kepadatan MH* dan MK* Aliran Terhenti dapat dilihat pada gambar 6.

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.

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

y = 0,40x + 5.732.222,59

MK* Aliran Mengalir MK* Aliran Terhenti Selisih

(8)

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 CO2 tanpa diimbangi dengan sistem aerasi yang memadai. Sistem respirasi mikroalga sangat berpengaruh dalam pertumbuhan mikroalga karena kebutuhan O2 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.

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.

(9)

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.