Smart Photobioreactor Berbasis ANN: Harapan Baru untuk Produksi Biodiesel Gen-4

Ketersediaan energi untuk kendaraan bermotor di Indonesia masih tergantung pada bahan bakar fosil, termasuk solar (diesel fuel), yang memiliki dampak lingkungan yang tidak diinginkan. Penggunaan solar terus meningkat seiring waktu karena efisiensi dan ekonominya dalam mesin diesel, termasuk penggunaannya dalam mesin berat (Akasyah, 2015). Pengunaan bahan bakar fosil secara berkelanjutan akan menimbulkan dampak buruk bagi lingkungan berupa emisi gas rumah kaca (GRK) yang selanjutnya akan menyebabkan permasalahan iklim seperti peningkatan suhu permukaan bumi. Maka dari itu, transisi Energi Baru dan Terbarukan (EBT) harus dilakukan tidak hanya sebatas untuk memenuhi kesepakatan bersama, tetapi untuk menciptakan lingkungan yang lebih baik.

            Biodiesel menjadi salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan dikarenakan bersumber dari asam lemak hewani ataupun nabati. Pengembangan biodiesel telah melalui perjalanan panjang sejak pengembangan generasi pertama, yaitu biodiesel berbahan baku nabati yang bersumber dari tanaman seperti biodiesel berbahan baku minyak kelapa sawit atau CPO (crude palm oil) yang hingga saat ini umum dikembangkan di Indonesia (Halim dkk, 2011). Namun, hingga saat ini biodiesel berbahan baku CPO masih memiliki berbagai permasalahan dalam pemenuhan bahan baku seperti kekhawatiran bersinggungan dengan kebutuhan pangan untuk produksi minyak goreng (Santoso, 2014). Maka dari itu, diperlukan alternatif bahan baku produksi biodiesel dengan konsep bukan sebagai pengganti bahan baku yang telah ada seperti CPO, tetapi untuk memenuhi kebutuhan produksi akibat keterbatasan bahan baku utama seperti CPO (Sulistyo, 2010).

            Mikroalga telah menjadi salah satu alternatif potensi di Indonesia dalam produksi biodiesel karena kemampuannya menghasilkan minyak melalui fotosintesis. Keunggulan ini dibandingkan dengan tanaman darat seperti kelapa sawit dan jagung, yang umumnya digunakan sebagai bahan baku biodiesel. Produksi minyak dari mikroalga jauh lebih produktif, misalnya, kelapa sawit hanya sekitar 25 kali dan kedelai sekitar 250 kali dibandingkan dengan mikroalga. Selain itu, mikroalga membutuhkan air lebih sedikit dan mampu menghasilkan minyak dengan cepat, dengan waktu pertumbuhan yang relatif singkat, sekitar 3,5 jam (Chisti, 2007). Selain kemampuannya sebagai sumber minyak, mikroalga juga dapat menyerap emisi karbon melalui fotosintesis. Botryococcus braunii merupakan salah satu jenis mikroalga yang potensial untuk produksi biodiesel, dengan kandungan lipid mencapai 25-75% dari berat keringnya (Nugroho dkk, 2020).

Baca juga : Kementan Akselerasi Peningkatan Luas Tanam Produksi Padi Dan Jagung 2024

            Meskipun mikroalga menawarkan banyak keunggulan untuk produksi biodiesel di Indonesia, tantangan utamanya adalah biaya produksi yang tinggi, melebihi harga pasar diesel. Biaya per liter biodiesel dari mikroalga mencapai sekitar Rp. 9.050, sementara untuk CPO sekitar Rp. 7.903, dan untuk diesel sekitar Rp. 6.992 (Santoso, 2014). Biaya tinggi ini disebabkan oleh biaya kegiatan produksi seperti pengadaan lahan, budidaya, dan pemanenan. Kurangnya optimalisasi kandungan lipid pada mikroalga juga menjadi kendala, yang mempengaruhi jumlah biodiesel yang dihasilkan dan harganya. Proses budidaya dalam fotobioreaktor membutuhkan kontrol nutrisi dan kondisi lingkungan yang optimal, menjadi tantangan tambahan dalam produksi biodiesel dari mikroalga (Santoso, 2014; Indro dkk, 2014).

            Melalui perkembangan teknologi dengan hadirnya Raspberry Pi dan Artificial Neural Network (ANN), teknologi rekayasa sistem kontrol telah menghasilkan kemajuan dalam mengontrol lingkungan media kultivasi mikroalga secara otomatis. ANN memiliki kemampuan prediksi yang lebih baik daripada metode tradisional seperti PID atau logika fuzzy, memungkinkan kontrol yang lebih cepat dan akurat untuk menjaga kondisi ideal bagi mikroalga (Albagul, 2019).

            Selain sistem kontrol otomatis, upaya lain untuk meningkatkan kandungan lipid mikroalga adalah melalui modifikasi genetik. Mikroalga yang telah dimodifikasi genetiknya akan diproduksi menjadi biodiesel generasi keempat. Salah satu modifikasi adalah dengan memaparkan radiasi sinar UV-B pada bibit mikroalga Botryococcus braunii yang akan dikultivasi (Widjaja dkk, 2020). Radiasi sinar UV-B dapat meningkatkan produksi lipid dengan menginduksi kondisi stress pada mikroalga.

Baca juga : Relawan Sintawati Gelar Berbagai Kegiatan Sosial Untuk Masyarakat Jaksel

            Dengan demikian, inovasi "Fotobioreaktor Berbasis ANN untuk Optimalisasi Kandungan Lipid pada Biomassa Mutan Mikroalga Botryococcus braunii dengan Radiasi UV-B sebagai Bahan Baku Produksi Biodiesel Generasi Ke-4" menggabungkan teknologi sistem kontrol, kecerdasan buatan, dan rekayasa genetika. Inovasi ini mencakup rekayasa genetik melalui radiasi sinar UV-B dan sistem kontrol otomatis berbasis ANN, serta fitur panen dan pembersihan otomatis.  Fotobioreaktor ini terdiri dari dua bagian utama: tabung kultivasi untuk pertumbuhan mikroalga dan tabung pemanenan. Tabung kultivasi juga digunakan untuk proses mutasi mikroalga dengan cawan khusus dan lampu UV-B yang terpasang pada tutupnya sebelum ditransfer ke tabung kultivasi utama. Tabung pemanenan dilengkapi dengan cover yang berisi kipas dan lampu, serta wadah untuk menyaring mikroalga yang siap dipanen dan menampung air sisa dari proses.

            Sistem kontrol fotobioreaktor menggunakan Raspberry Pi 4 2GB sebagai "otak" untuk memproses data dan mengendalikan aktuator dengan algoritma ANNyang telah dilatih sesuai dataset. Ini bertujuan untuk menjaga lingkungan fotobioreaktor pada kondisi ideal. Algoritma ANN memberikan prediksi pada Arduino berdasarkan input dari sensor suhu, TDS, dan pH yang terus memonitor kondisi di dalamnya. Selain itu, sistem juga mengandalkan real-time clock module untuk memberikan nutrisi secara tepat waktu.

            Rentang pH optimal untuk pertumbuhan mikroalga Botryococcus braunii adalah 6-8, dengan suhu optimal berkisar antara 27 °C-35 °C. Salinitas air yang optimal untuk pertumbuhan mikroalga ini adalah 25-30 ppt, dan di luar rentang ini, pertumbuhan mikroalga dapat terhambat. Nutrisi optimal, seperti konsentrasi nutrisi (walne) sebesar 1 ml per liter medium kultur setiap 2-3 hari sekali mendukung pertumbuhan optimal Botryococcus braunii (Dolganyuk dkk, 2020). Maka dari itu, terdapat berbagai aktuator yang digunakan pada Algaboost demi menciptakan kondisi lingkungan yang ideal sepanjang waktu bagi mikroalga.

Baca juga : SBY: Sistem Proporsional Terbuka Sesuai Harapan Rakyat Indonesia

            Pada tahap awal, bibit mikroalga disuntikkan ke dalam tabung kultivasi dan ditampung di cawan mutasi. Proses mutasi dimulai dengan menyala lampu UV-B di bawah tutup tabung kultivasi selama 90 detik. Setelah itu, solenoid valve di bawah cawan mutasi terbuka, memungkinkan bibit mikroalga masuk ke tabung kultivasi utama untuk proses kultivasi. Sensor suhu, TDS, dan pH terus memantau kondisi, mengirim data ke Raspberry Pi untuk diproses menggunakan ANN. Misalnya, jika pH di bawah standar ideal, ANN akan mengaktifkan pompa peningkat pH hingga mencapai rentang ideal 6-8, yang juga berlaku untuk mengontrol salinitas. Sementara kipas digunakan untuk menjaga suhu optimal. Modul real-time mengatur waktu LED sesuai siklus gelap-terang 12:12 jam dan memberi nutrisi setiap 2 hari dengan pompa nutrisi. Kontrol pada tahap kultivasi berlangsung hingga masa panen. 

Pengujian kandungan lipid biomassa mikroalga Botryococcus braunii menggunakan metode MAE pada variabel hari kultivasi, mulai dari hari 0 hingga hari ke-9 dengan puncaknya terjadi pada hari ke-7 dengan 55%. Studi sebelumnya mengevaluasi pertumbuhan mikroalga Botryococcus braunii dalam fotobioreaktor konvensional dan menemukan puncak persentase lipid sebesar 35% pada hari ke-9. Hal tersebut menunjukkan bahwa waktu untuk panen menggunakan Fotobioreaktor berbasis ANN lebih singkat dan kandungan lipid yang dihasilkan lebih besar. Dapat disimpulkan bahwa penggunaan fotobioreaktor berbasis ANN berhasil meningkatkan kandungan lipid mikroalga menjadi harapan baru untuk produksi bahan baku biodiesel generasi keempat dari mikroalga termutasi radiasi sinar UV-B.

I Putu Evan Priya Saguna
Penulis

Update berita dan artikel RM.ID menarik lainnya di Google News

Dapatkan juga update berita pilihan dan breaking news setiap hari dari RM.id. Mari bergabung di Grup Telegram "Rakyat Merdeka News Update", caranya klik link https://t.me/officialrakyatmerdeka kemudian join. Anda harus install aplikasi Telegram terlebih dulu di ponsel.