BAB II LANDASAN TEORI
A. Tinjauan Pustaka 1. Biodiesel
Biodiesel diperoleh dari proses esterifikasi asam lemak dengan alkohol rantai pendek (metanol atau etanol) menggunakan katalis (alkali atau asam). Hasil utama alkoholisis tersebut adalah fatty acid metyl ester (FAME) dengan hasil samping berupa gliserol (Vasudevan dan Briggs, 2008). Biodiesel tersusun atas asam lemak rantai panjang dengan jumlah atom karbon 12-24 (Xu et al., 2006); 16-20 (Christi, 2007); 10-24 (Hu et al., 2008). Biodiesel merupakan fatty acid methyl ester (FAME) yang berasal dari minyak nabati, tidak mengandung petroleum dan bahan bahan bakar fosil (Sekhar et al., 2010).
Biodisel merupakan bahan bakar alternatif yang dapat diperoleh dari minyak tumbuhan, lemak binatang, minyak kelapa, minyak jelantah, dan minyak jarak (Felizardo et al. 2006), kedelai, bunga matahari, palm, dan juga dari minyak sayur (Shay, 1993), minyak jarak, nyamplung (Colophyllum inophyllum), minyak biji kapuk, tebu, ubi kayu, kacang kedelai, minyak kelapa sawit, dan mikroalga (Velichkova et al., 2013) melalui proses transesterifikasi.
Hasil dari pembakaran dari biodiesel tidak menimbulkan CO2 di atmosfer, karbon
dilepaskan ke udara dan diserap tanaman untuk aktivitas pertumbuhan. Penggunaan biodiesel dari minyak nabati mempunyai keuntungan terhadap lingkungan, ekonomi, dan atmosfer (Sekhar et al., 2010). Keuntungan lain dari penggunaan biodiesel adalah efisiensi pembakaran lebih tinggi, terbarukan, rendah sulfur, angka setana (angka yang menunjukkan
kualitas tingkat pembakaran pada mesin) lebih tinggi, tidak menggunakan petroleum, dan dapat terurai (Gulab et al., 2012).
2. Mikroalga
Mikroalga merupakan organisme mikroskopik fotosintetik yang tumbuh di air tawar dan air laut. Mikroalga dibedakan menjadi beberapa kelas berdasarkan pada pigmentasi, siklus hidup, dan struktur selulernya. Mikroalga terbagi dalam beberapa kelas yaitu alga hijau, blue-green algae, dan gold algae. Mikroalga mempunyai potensi dalam perkembangan bioteknologi yang berkaitan dengan pangan, aquaculture, farmasi, dan biofuel (Greenwell et
al., 2010).
Mikroalga tumbuh dan berkembang memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber energi untuk melakukan fotosintesis dan memanfaatkan nutrien anorganik sederhana seperti CO2 serta N, P , K. (Setiawan dkk, 2008). Mekanisme fotosintesis mikroalga pada dasarnya
sama dengan tumbuhan, tetapi mikroalga mempunyai struktur sel yang sederhana, dan hidupnya dalam permukaan air sehingga lebih efisien dalam menggunakan air, CO2, serta
nutrien lain yang terlarut dalam air (Karampudi dan Chowdhury, 2011). Prince and Haroon (2005) menyatakan bahwa meskipun mikroalga adalah organisme yang memiliki tingkatan primitif, namun mekanisme fotosintesisnya sama dengan tumbuhan tingkat tinggi, bahkan kemampuannya untuk mengkonversi energi matahari serta CO2 lebih efisien karena struktur
selulernya yang lebih sederhana. Hal tersebut yang membuat mikroalga dapat menghasilkan minyak 30 kali lebih banyak daripada biodiesel yang berasal dari tumbuhan lain yang ditanam dalam satuan luas lahan yang sama, karena mikroalga mempunyai luas permukaan yang lebih kecil daripada tumbuhan tingkat tinggi sehingga dalam luas lahan yang sama mikroalga lebih efektif dalam menghasilkan lipid.
Biomassa mikroalga terdiri dari 3 komponen utama yaitu: karbohidrat, protein, dan lipid (Metting, 1996). Komposisi kimia pada masing-masing jenis mikroalga sangatlah beragam (Tabel 1.) (Becker, 1994). Kandungan lipid dan asam lemak (fatty acid) yang ada di dalam mikroalga merupakan sumber energi. Kandungan ini dihasilkan dari proses fotosintesis yang merupakan hidrokarbon (Prince and Haroon, 2005). Kandungan lipid pada mikroalga dapat ditingkatkan dengan beberapa perlakuan seperti kondisi kekurangan nitrogen (Li et al., 2008), keterbatasan fosfat (Reitan et al., 1994), salinitas yang tinggi (Rao
et al., 2007), konsentrasi besi yang tinggi (Liu et al., 2008), dan intensitas cahaya yang tinggi (Richmond, 2003).
Tabel 1: Komposisi kimia mikroalga Komposisi Kimia Protein
(%) Karbohidrat (%) Lemak (%) Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14 Scenedesmus quadricauda 47 - 1.9 Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40 Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21 Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22 Chlorella pyrenoidosa 57 26 2 Spyrogyra sp. 6-20 33-64 11-21 Dunaliella bioculata 49 4 8 Dunaliella salina 57 32 6 Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20 Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-38 Tetraselmis maculata 52 15 3 Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14 Spirulina plantesis 46-63 8-14 4-9 Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7 Synechoccus sp. 63 15 11 Anabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7 (Becker, 1994) 3. Scenedesmus dimorphus
Scenedesmus dimorphus termasuk dalam divisi Chlorophyta karena mempunyai
pigmen warna hijau (kloroplas). Pigmen fotosintesis yang utama adalah klorofil a dan b yang tersimpan dalam kloroplas. Scenedesmus dimorphus termasuk dalam kelas Chlorophyceae dan termasuk dalam ordo Chlorococcales karena bentuknya unisel, tidak memiliki flagel, dan membentuk koloni. Famili S. dimorphus adalah Scenedesmoidae yang umumnya hidup di air tawar dan termasuk dalam genus Scenedesmus, menurut Schwenk (2012)cenobia terdiri dari 2-32 sel dalam 1 atau 2 baris dan mempunyai karakteristik selnya berelongasi. Berikut adalah taksonomi dari S. dimorphus menurut Bold dan Wyne (1985):
Divisi : Chlorophyta Kelas : Chlorophyceae Ordo : Chlorococcales Famili : Scenedesmoidae Genus : Scenedesmus
Spesies : Scenedesmus dimorphus (Turpin) Kützing
Sel S. dimorphus memiliki warna hijau (Gambar 1a) dan tidak motil. Pada umumnya
S. dimorphus membentuk koloni yang terdiri atas 2, 4, 8 dan 16 sel. Sel S. dimorphus
berbentuk silindris dan umumnya membentuk koloni berukuran lebar
12-15- lanceolate (panjang dan ramping) dan beberapa
spesies memiliki duri atau tanduk. Sel S. dimorphus (Gambar 1b) terdiri dari lapisan selulosa yang merupakan kulit terluar, kloroplas yang membentuk warna hijau, di bagian dalam terdapat nukleus, pirenoid dan vakuola untuk cadangan makanan (Graham dan Wilcox, 2000).
a b
Gambar 1. (a) Sel S. dimorphus (Biondi dan Tredici, 2009) dan (b) Morfologi sel S.
Scenedesmus dimorphus berkembang biak secara aseksual dengan autokoloni (membelah diri) (Bold dan Wyne, 1985). Pembelahan sel terjadi dua kali. Pembelahan pertama berlangsung secara melintang sedangkan pembelahan yang kedua terjadi secara membujur. Pembelahan akan dilakukan sampai terbentuk empat sel anakan. Pelepasan autokoloni dilakukan dengan cara memecah dinding sel induk, tiap koloni yang dihasilkan mempunyai kemampuan untuk memproduksi autokoloni (Gambar 2.) (Graham dan Wilcox, 2000).
Gambar 2. Pembelahan sel secara autokoloni (Coutteau, 1996)
Reproduksi seksual S. dimorphus terjadi melalui isogami. Koloni S. dimorphus akan menghasilkan sel gamet biflagel. Sel gamet tersebut akan melebur dan membentuk zigot, kemudian zigot akan membesar dan membelah menjadi 40 sel atau lebih. Sel gamet yang tidak dapat melebur dengan sel gamet lainnya akan mati dan mengalami lisis (Bold and Wyne, 1985).
4. Fase Pertumbuhan Mikroalga
Pertumbuhan mikroalga dalam kultur dapat ditandai dengan bertambah besarnya ukuran sel atau bertambah banyaknya jumlah sel. Hingga saat ini kepadatan sel digunakan secara luas untuk mengetahui pertumbuhan mikroalga dalam kultur. Ada empat fase pertumbuhan Gambar 3. (Isnansetyo dan Kurniastuty, 1995):
Gambar 3. Fase Pertumbuhan Mikroalga (Coutteau, 1996)
a. Fase Lag
Sesaat setelah penambahan inokulum ke dalam media kultur, populasi tidak mengalami perubahan. Ukuran sel pada umumnya meningkat. Secara fisiologis mikroalga sangat aktif dan terjadi proses sintesis protein baru. Organisme mengalami metabolisme, tetapi belum terjadi pembelahan sel sehingga kepadatan sel belum meningkat.
b. Fase logaritmik atau eksponensial
Fase ini diawali oleh pembelahan sel dengan laju pertumbuhan tetap. Pada kondisi kultur yang optimum, laju pertumbuhan pada fase ini mencapai maksimal.
c. Fase stationer
Pada fase ini, pertumbuhan mulai mengalami penurunan dibandingkan dengan fase logaritmik. Pada fase ini laju reproduksi sama dengan laju kematian, dengan demikian penambahan dan pengurangan jumlah sel relatif sama atau seimbang sehingga kepadatan sel tetap.
d. Fase kematian
Pada fase ini laju kematian lebih cepat daripada laju reproduksi. Jumlah sel menurun secara logaritmik. Penurunan kepadatan sel ditandai dengan perubahan kondisi optimum yang dipengaruhi oleh temperatur, cahaya, pH air, jumlah hara yang ada, dan beberapa kondisi lingkungan yang lain.
5. Faktor Lingkungan yang Mempengaruhi Pertumbuhan Mikroalga
Pertumbuhan mikroalga dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain: nutrisi, intensitas cahaya, suhu, pH dan aerasi.
a. Nutrisi
Nutrisi sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan mikroalga. Penelitian yang dilakukan Prihantini dkk, (2007) menggunakan Scenedesmus dapat tumbuh dalam media yang mengandung nutrien organik seperti karbohidrat, protein, dan lemak yang dibutuhkan sebagai sumber energi bagi sel. Karbohidrat, protein, dan lemak bila diuraikan menjadi monomer-monomer penyusunnya, pada akhirnya akan menjadi asetil
KoA. Selanjutnya, asetil KoA masuk ke dalam siklus Krebs, dilanjutkan dengan rantai transpor elektron yang akan menghasilkan ATP. Energi yang terkandung dalam ATP tersebut digunakan untuk pertumbuhan dan pembelahan sel.
Droop (1962) menyatakan bahwa vitamin yang dibutuhkan bagi pertumbuhan
alga,
-dekarboksilasi dan transketolase. Kobalamin berfungsi untuk sintesis deoksiribosa. Biotin -dekarboksilasi, dan fiksasi karbondioksida. b. Intensitas Cahaya
Cahaya mempunyai peranan penting dalam proses fotosintesis. Di alam sumber cahaya berasal dari matahari yang dapat langsung dimanfaatkan oleh organisme autotrof menjadi energi kimia oleh aktifitas klorofil (Afizi, 2002). Hal dan Rao (1987) menjelaskan bahwa laju fotosintesis dikontrol oleh tiga faktor yang bekerja saling berkaitan yaitu intensitas cahaya, karbondioksida, dan temperatur, keterkaitan ketiga faktor tersebut yang dapat dilihat melalui reaksi fotosintesis.
n CO2 + n H2O n CH2O + n O2
Intensitas cahaya mempunyai korelasi yang sangat kuat dengan proses fotosintesis (Grahame, 1987). Hendersen-Seller & Markland (1987) menyatakan bahwa cahaya yang dibutuhkan oleh mikroalga di dalam proses fotosintesis memiliki batas atau kisaran tertentu, pada umumnya intensitas cahaya yang lebih besar lebih efektif bagi proses fotosintesis. Mikroalga di alam tumbuh dengan intensitas cahaya 10.000 lux. Intensitas cahaya 1.000 lux cocok untuk kultur erlenmeyer, sedangkan intensitas 5.000-10.000 lux untuk volume yang lebih besar (Fadilla, 2010). Kisaran intensitas cahaya untuk pertumbuhan Scenedesmus sp. adalah 500-10.000 lux (Chrismadha dkk, 1999).
Selain intensitas cahaya, fotoperiodisasi juga berperan dalam pertumbuhan alga. Hal ini terkait dengan lamanya penyinaran, semakin lama waktu penyinaran maka semakin banyak cahaya yang dapat dimanfaatkan dalam proses fotosintesis. Selain itu, fotoperiodisasi juga berpengaruh terhadap penyerapan nutrien. Penyerapan saat fase terang 10-15 kali lebih besar daripada fase gelap (Darley, 1982). Fotoperiodisasi yang digunakan dalam penelitian Scenedesmus sp. berbeda-beda. Trainor (1993) melakukan penelitian mengenai morfologi Scenedesmus subspicatus pada medium Bristol dengan fotoperiodisasi 16 jam terang dan 8 jam gelap, sedangkan Yossy (2000) menggunakan fotoperiodisasi 15 jam terang dan 9 jam gelap untuk penelitian jumlah inokulum
Scenedesmus yang ditumbuhkan pada medium Beneck, Afizi (2002) melakukan
penelitian tentang pengaruh warna dan lapisan cahaya merah, biru, hijau dan putih terhadap pertumbuhan Scenedesmus dengan lama penyinaran terang.
Penelitian yang dilakukan oleh Gunawan (2012) pada mikroalga Tetraselmis sp. memiliki respon pertumbuhan berbeda terhadap perlakuan intensitas cahaya. Pola pertumbuhan terbaik dihasilkan pada intensitas cahaya 140 µmol foton/m2/detik. Gunawan (2012) menyatakan intesitas cahaya untuk pertumbuhan mikroalga berkisar antara 1,000 - 10,000 lux (setara dengan 14
intensitas cahaya untuk pertumbuhan mikroalga yang optimal berkisar 2,500- 5,000 lux (setara dengan 35 massa yang dihasilkan dari kultur mikroalga merupakan faktor yang penting untuk mengetahui produksi lipid mikroalga. c. Aerasi
Aerasi dalam kultivasi mikroalga dilakukan melalui proses pengadukan media kultur. Pengadukan bertujuan untuk mencegah terjadinya pengendapan sel, nutrien
tersebar dengan baik sehingga mikroalga dalam kultur mendapatkan nutrien yang sama, mencegah stratifikasi suhu, dan meningkatkan pertukaran gas dari udara ke media (Taw, 1990).
d. Suhu
Setiap spesies mikroalga mempunyai suhu optimal yang berbeda-beda untuk pertumbuhannya, pada umumnya antara 28-35ºC (Park, et al., 2011). 30ºC suhu optimum untuk pertumbuhan S. obliquus (Martinez et al., 1999). Suhu rendah tidak hanya menghambat pertumbuhan S. obliquus, hal ini juga menyebabkan penurunan ukuran sel (Chen, et al., 2011). Xin et al., (2010) menyatakan bahwa suhu optimal untuk pertumbuhan Scenedemsus sp. adalah 25ºC sampai 30ºC.
B. Kerangka Pemikiran
Pemanfaatan energi dari bahan bakar fosil semakin meningkat sementara ketersediaanya terbatas. Di samping itu energi dari bahan bakar fosil ini menimbulkan dampak yang buruk bagi lingkungan. Hasil sampingnya adalah polusi yang menyebabkan pemanasan global dan masalah untuk kesehatan manusia.
Solusi untuk mengatasi permasalahan kelangkaan energi dan pemanasan global akibat penggunaan bahan bakar fosil, adalah menciptakan energi terbarukan dari organisme hidup. Organisme hidup yang potensial untuk menggantikan bahan bakar fosil adalah Mikroalga.
Scenedesmus dimorphus merupakan mikroalga yang mudah untuk dikultivasi, menghasilkan
lipid yang tinggi, dan lebih toleran terhadap cekaman lingkungan.
Faktor lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan S. dimorphus adalah intensitas cahaya karena S. dimorphus merupakan organisme fotosintetik. Semakin tinggi intensitas cahaya akan meningkatkan laju fotosintesis dan meningkatkan kandungan lipid sebagai bahan dasar biodiesel. Tetapi apabila intensitas cahaya terlalu tinggi akan menyebabkan fotoinhibisi.
Berdasarkan hal tersebut perlu diteliti adanya pengaruh intensitas cahaya terhadap produksi lipid total mikroalga S. dimorphus sehingga didapatkan besarnya intensitas cahaya yang optimal dalam produksi lipid dari S. dimorphus. Kerangka pemikiran ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Kerangka Pemikiran Mikroalga S. dimorphus Bahan Bakar Fosil
Melimpah, pertumbuhan cepat, kandungan lipid
tinggi Terbatas, tidak terbarukan, pemanasan global Optimasi Intensitas cahaya Produksi Lipid Biodiesel
Bahan bakar alternatif ramah lingkungan dan
C. HIPOTESIS
Hipotesis dalam penelitian ini adalah bahwa biomassa dan lipid Scenedesmus dimorphus terkecil pada pada intensitas cahaya 1.000 lux dan meningkat pada intensitas cahaya 2.500, 5.000, dan 10.000 lux.
