Analisis Kinetika Pertumbuhan Mikroalga Spirulina Sp. Menggunakan Pemodelan Richard dan Gompertz pada Fotobioreaktor Algaetree
Arief Eko Setiantoro 1 , Nugroho Dewayanto 2 , Arief Budiman 3
1 Master Program in System Engineering, Gadjah Mada University
2,3 Center of Excellence For Microalgae Biorefinery, Gadjah Mada University Correspondence: arief.eko.setiantoro@mail.ugm.ac.id; nugrohodewayanto@ugm.ac.id; abudiman@ugm.ac.id
Abstrak. Algaetree merupakan sistem kultivasi tertutup berjenis photobioreactor yang dibuat oleh Universitas Gadjah  Mada  berkolaborasi  dengan  Institut  Seni  Indonesia  Yogyakarta.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk melihat efektifitas kinetika pertumbuhan mikroalga jenis Spirulina sp. Penelitian dilakukan dengan melakukan variasi pengambilan sampel data pada 3 (tiga) titik tempat pertumbuhan mikroalga di Algaetree. Dosis sebanyak 10  ml  menggunakan  metode  sampling  kemudian  diambil  2  ml  untuk  diperiksa  menggunakan  mikroskop  dan dihitung  jumlah  sel  mikroalga  yang  terdapat  pada haemocytometer .  Sel  mikroalga  yang  diteliti  dan  dihitung pada  4  kolom haemocytometer kemudian  diakumulasikan  jumlah  selnya  dan  dihitung  standar  deviasi  serta kinetika pertumbuhannya menggunakan microsoft excel dan software python . Hasil, diperoleh bahwa jumlah sel tertinggi mikroalga pada Algaetree sebesar 69166,67 sel/ml, dengan standar deviasi sebesar 4249,18, sementara kinetika  pertumbuhan  maksimal  mikroalga  pada  algaetree  dengan  model  Richard  dan  model  Gompertz  nilai yang paling signifikan ialah model Richard yaitu sebesar ( miumax ) 1,9958, curve fitting parameter (A) 6,8700, fase stasioner (V) 397,43, dan r-square ( 𝑅 2 ) mendekati angka 1 yaitu 0,9674. Nilai tersebut menunjukkan bahwa terdapat kecocokan data yang diolah dengan sistem kultivasi yang dipakai. Hasil proses kultivasi tersebut dapat dilihat bahwa kinetika pertumbuhan mikroalga cukup signifikan artinya mikroalga jenis spirulina dapat tumbuh dengan baik pada alat yang disebut Algaetree. Pada proses berikutnya Algaetree dapat dijadikan sebagai objek rujukan pembanding pertumbuhan mikroalga dari sistem kultivasi tertutup dengan sistem kultivasi terbuka.
Kata Kunci : Algaetree, Kinetics Growth, Photobioreactor, Phyton, Spirullina Sp.
Abstract.  Algaetree  is  a  closed  cultivation  system  with  a  photobioreactor  type  created  by  Gadjah  Mada University in collaboration with the Indonesian Institute of Arts Yogyakarta. The aim of this research was to see the  effectiveness  of  the  growth  kinetics  of  the  microalgae  type  Spirulina  sp.  The  research  was  carried  out  by carrying out variations in data sampling at 3 (three) points where microalgae grow in Algaetree. The dose was 10 ml using the sampling method, then 2 ml was taken to be examined using a microscope and the number of microalgae cells found on the haemocytometer was counted. The microalgae cells were studied and counted on 4 haemocytometer columns, then the number of cells was accumulated and the standard deviation and growth kinetics were calculated using Microsoft Excel and Python software. As a result, it was found that the highest cell number of microalgae on the Algaetree was 69166.67 cells/ml, with a standard deviation of 4249.18, while the maximum growth kinetics of microalgae on the Algaetree with the Richard model and the Gompertz model, the most significant value was the Richard model, namely (miumax ) 1.9958, curve fitting parameter (A) 6.8700, stationary  phase  (V)  397.43,  and  r-square  (R^2)  close  to  1,  namely  0.9674.  This  value  shows  that  there  is  a match between the data processed and the cultivation system used. The results of the cultivation process can be seen that the kinetics of microalgae growth is quite significant, meaning that spirulina type microalgae can grow well in a tool called Algaetree. In the next process, Algaetree can be used as a reference object for comparing microalgae growth from a closed cultivation system with an open cultivation system.
Keywords: Algaetree, Kinetics Growth, Photobioreactor, Phyton, Spirullina Sp.
PENDAHULUAN
Mikroalga adalah suatu mikro organisme yang mempunyai ukuran satu sampai ratusan  mikrometer  dan  mempunyai  klorofil, mampu  hidup  di  air  tawar  ataupun  air  laut, memerlukan  karbondioksida  dan  beberapa nutrien  serta  cahaya  untuk  berfotosintesis.
Secara  struktur  mikroalga  seperti  layaknya tumbuhan  yang  bersel  banyak  namun  tidak mempunyai  akar,  daun  dan  batang  untuk berfotosintesis.  Sel  mikro  yang  terdapat  pada mikroalga  mampu  mengubah  karbon  dioksida menjadi  material  potensial  seperti  pangan, biofuel  dan  biomaterial melalui  energi  matahari
(Hadiyanto & Azim, 2012). Terdapat jutaan jenis mikroalga  di  dunia,  sebagian  besar  dari mikroalga belum dapat dikenali dan juga belum bisa  untuk  di  kultivasi  (dikembangbiakkan sendiri). Perkiraan spesies mikroalga yang hidup di alam sekitar 200.000 - 800.000 dengan 35.000 spesies  mikroalga  telah  dikenali  dan  sekitar 15.000  komponen  penyusun  biomasanya  telah diketahui  (Hadiyanto,  et  al.  2012).  Bahkan mikroalga  sebagian  besar  menghasilkan  produk seperti  enzim,  polimer,  peptida,  karotenoid, antioksidan,  asam  lemak  dan  racun  yang  dapat mematikan (Cardozo, et al. 2007).
Secara  struktur  diameter  mikroalga sangatlah kecil yaitu sekitar 3-30 µm, mikroalga ber  sel  tunggal,  berbentuk  benang  maupun koloni  sering  kali  di  sebut  sebagai  fitoplankton yang  mudah  berkembang  biak  di  wilayah perairan laut maupun tawar. Mikroalga memiliki sifat  fotosintetik  dengan  pigmen  fotosintetik berwarna  hijau  (klorofil),  biru  kehijauan (fikobilin),  coklat  (fikosantin)  dan  merah (fikoeritrin).  Olehnya  mikroalga  sering  kali banyak  terlihat pada  permukaan  air  yang masih dapat  tertembus  oleh  sinar  matahari  (Reynold, 2006).  Mikroalga  mampu  melakukan  fiksasi CO2 dengan tingkat 10–50 kali lebih tinggi jika dibandingkan  dengan  jenis  tumbuhan  darat olehnya pada sel mikroalga terdapat kandungan 50%  karbon  dimana  setiap  1,8  kg  CO2  dapat ditangkap  untuk  dikonversi  menjadi  0,9  kg biomassa (Chisti, 2007).
Pada penelitian lain setiap 1,8 pon CO2 yang ada pada air ataupun udara dan tertangkap oleh mikroalga maka dapat menghasilkan 1 pon biomassa  (Elrayies,  2018).  Olehnya  untuk  bisa melakukan  proses  penyerapan  CO2,  mikroalga membutuhkan  media  kultivasi  yang  tepat  salah satunya  dengan  memakai  sistem  kultivasi terbuka  ataupun  tertutup.  Sistem  kultivasi tertutup (fotobioreaktor) merupakan suatu sistem kultur  yang  tidak  menyentuh  secara  langsung permukaan kulturnya, sistem kultur ini biasanya memerlukan perantara berupa dinding transparan  pada  suatu  reaktor  (Zittelli  et  al, 2012).  Sementara  sistem  kultivasi  terbuka merupakan  suatu  sistem  kultur  yang  media kulturnya  memanfaatkan  lahan  kosong  untuk dapat  dibuat  menjadi  kolam  kultur  mikroalga (Arbye, 2020). Pada kedua jenis sistem kultivasi tersebut terdapat kelemahan dan keunggulannya, untuk  sistem  kultivasi  tertutup  (fotobioreaktor) keunggulannya  adalah  optimalnya  produksi biomassa, tidak memerlukan lahan yang luas dan rendah  kontaminasi  sementara  pada  kultivasi
terbuka  mempunyai  kelemahan  rentan  terhadap kontaminasi  bakteri  namun  rendah  biaya produkssinya  bila  di  bandingkan  dengan fotobioreaktor  (Kim,  2015).  Untuk  mikroalga jenis Spirulina  sp. memiliki  nilai  optimum pertumbuhan  pada  suhu  35-40°C  dengan  nilai ketahanan  suhu  terendah  sekitar  15°C  dan kondisi alkalinitas sebesar pH 8,5-11 (Asthary et al,  2016).  Bahkan  pada  penelitian  lain menyatakan  bahwa  mikroalga Spirulina  sp. dapat  tumbuh  pada  nilai  salinitas 10-40 Practical Salinity Units (Saif, 2017).

## METODE
Mikroorganisme dan Media Pada penelitian ini bahan yang diperlukan  adalah  mikroalga  jenis  Spirulina  sp. yang  bisa  diperoleh  di  lokasi  Nogotirto  Algae Park.  Mikroalga  yang  telah  ditambahkan  nutrisi dengan takaran NaCl sebanyak 25 gram, Pupuk NPK 3 gram, Amonium sulfat 15 gram dan Soda ash dense 37,5 gram kemudian di pindahkan dari Nogotirto Algae Park menuju alat yang bernama Algaetree  yang  berada  di  Magister  Teknik Sistem  FT,  UGM,  Adapun  volume  mikroalga yang di pindahkan berkisar 500 Liter/ m 2 .

## Cultivation
Proses  kultivasi  bertempat  di  Magister Teknik  Sistem  dengan  memakai  alat  bernama Algaetree  dan  dilakukan  selama  7  hari  pada bejana  bervolume  500  L/ m 2 dengan  metode pengambilan data pada tiga titik sampling setiap harinya menggunakan pipet tetes atau suntikan ± 1  mL  selanjutnya  sampel  yang  telah  diambil  di letakkan  pada microtube kemudian  dibawa  ke laboratorium  untuk  dilakukan  pengamatan kepadatan sel mikroalga menggunakan mikroskop.

## Analytical and Statistical Procedures
Perhitungan  kepadatan  sel  mikroalga Spirulina sp.  dilakukan  untuk  mengetahui seberapa  cepat  pertumbuhan  sel  mikroalga terjadi.  Pengambilan  sampel  sel  mikroalga dilakukan  pada  tiga  titik  sampling  dengan masing-masing  sebanyak  10  mL  dan  kemudian diambil  0,1  mL  setiap  titik  sampling  untuk diletakkan  pada haemocytometer yang  ditutup oleh cover  glass. Selanjutnya  sel  mikroalga dapat  dihitung  dengan  metode  penghitungan yang  berfokus  pada  empat  sudut  kotak, penghitungan  sel  berlaku  hanya  pada  sel mikroalga  yang  ada  pada  dalam  kotak  tersebut setelah  dihitung  maka  dilakukan  rata-rata
dengan cara mecari rata-rata dari total jumlah sel yang terdapat pada empat kotak tersebut. Berikut ini  persamaan  untuk  menghitung  kepadatan  sel mikroalga menurut (Iqbal & Ginting, 2021):
A=N x 25 5 𝑥 10 4
Keterangan : A = Kepadatan sel (sel/ml); dan N = Jumlah sel yang teramati
Sementara  untuk  mempelajari  kinetika pertumbuhan,  model  yang  dipakai  untuk menganalisis  menggunakan  model  Gompertz dan  Richard  (Phukoetphim  et  al.,  2017). Persamaan  deferensial  diselesaikan  secara logaritmik menggunakan software phyton untuk meminimalkan jumlah kuadrat kesalahan (SSE). Berikut  persamaan  model  Gompertz  dan Richard:
Gompertz Model:
X = Xo+ [ X max .exp [ -exp (( rm.exp ( 1 ) Xmax ) ( t L -t ) +1 )]]
Richard Model
X= ( 1+vexp(1+v)exp ( 𝜇 𝑚 𝐴 (1 + 𝑣) ( 1+ 1 V ) (𝑡𝑙 − 𝑡))) ( −1 𝑣 )
Keterangan: X = Kepadatan sel; 𝑋 0 = Kepadatan sel awal; 𝑋 𝑚𝑎𝑥 = Kepadatan sel maksimu; 𝑟 𝑚 = Produksi sel maksimum; 𝑡 𝐿 = Lag time ; v = Fase stasioner ; 𝜇 𝑚 = Paremeter max. spesific growth rate; A = Curve fitting parameter.

## HASIL

## Kepadatan Spirulina sp.
Mikroalga  mengalami  lima  fase  yaitu fase  lag,  fase  eksponensial,  fase  penurunan pertumbuhan,  fase  stasioner  dan  fase  kematian (Kawaroe & Partono, 2010). Pada pertumbuhannya  mikroalga  juga  memerlukan ketersediaan  nutrisi,  pH,  cahaya,  CO2,  suhu, salinitas  dan  oksigen  (Chowdury  et  al,  2020). Untuk  menghitung  kepadatan  sel Spirulina sp. diperlukan  pengamatan  data  dari  hari  pertama kultivasi  sampai  pada  hari  ketujuh  pemanenan sehingga  dapat  diperoleh  standar  deviasi  pada pertumbuhan  sel Spirulina sp.  Kepadatan  sel Spirulina sp.  dihitung  menggunakan  perantara alat  mikroskop  dan Neubar  Haemocytometer guna  menghitung  kepadatan  total  sel Spirulina sp.  Waktu  puncak  kepadatan  sel Spirulina sp. dapat dilihat dari hasil pengamatan harian.

## Tabel 1

## Data Kepadatan Sel Spirulina sp. Pada Media Kultur Algaetree
Hari Kepadatan Sel x 𝟏𝟎 𝟒 Hasil sel/mL Titik 1 Titik 2 Titik 3 Hari 1 2,50 2,25 1,50 2,08 20833,33 Hari 2 3,75 3,00 2,75 3,16 31666,67 Hari 3 3,25 4,50 3,00 3,58 35833,33 Hari 4 3,25 4,75 5,00 4,33 43333,33 Hari 5 6,50 6,75 7,50 6,91 69166,67 Hari 6 6,75 5,75 5,50 6,00 60000,00 Hari 7 6,25 4,50 5,25 5,33 53333,33 Sumber: data olahan
Sumber: data olahan Gambar 1
Data Kepadatan Sel Spirulina sp. Pada Media Kultur Algaetree
Berdasarkan  Tabel  1  dan  Gambar  1 menjelaskan hasil pengamatan diperoleh data sel mikroalga Spirulina sp.  pada  hari  pertama sebanyak  2,83  x 10 4 artinya  alga  sudah  mulai menyerap  nutrisi  yang  diberi  sehingga  amat mudah  beradaptasi  dengan  media  tumbuh  yang baru  dan  mulai  meningkat  secara  signifikan sampai  pada  masa  puncak  hari  kelima  yaitu sebanyak  6,91  x 10 4 .  Pada  masa  puncak  inilah proses fotosintesis terjadi secara masif, sehingga pembelahan  sel  mikroalga  tumbuh  sangat signifikan banyak. Setelahnya pada hari keenam sampai  ketujuh  mikroalga  memasuki  pada  fase penurunan dimana alga sudah mulai kehilangan daya  untuk  bertumbuh  hingga  sel  yang
diproduksi mengalami penurunan mencapai 5,33 10 4 sehingga  memungkinkan  untuk  segera dilakukan  pemanenan  sebelum  memasuki  fase tidak mampu lagi untuk bertumbuh dan bertahan hidup sehingga mengakibatkan kematian.

## Kinetika Pertumbuhan Mikroalga Spirulina sp.
Perhitungan laju pertumbuhan dilakukan untuk  memperkirakan  hubungan  berat  kering biomassa  dengan  pertumbuhan  mikroalga. Olehnya perlu adanya pendekatan secara empiris dengan  menggunakan  dua  pemodelan  yaitu dengan  model  Gompertz  dan  model  Richard. Hasil  perhitungan  laju  pertumbuhan  mikroalga Spirulina sp.  menggunakan  metode  perhitungan logaritmik dengan memakai software phyton dan pendekatan  model  Gompertz,  Richard  dapat dilihat pada Tabel 2 dan Gambar 2..

## Tabel 2
Data Jumlah Sel Spirulina sp. Pada Algaetree Hari Sel/ml (hasil) Hari 1 20833,33333 Hari 2 31666,66667 Hari 3 35833,33333 Hari 4 43333,33333 Hari 5 69166,66667 Hari 6 60000,00000 Hari 7 53333,33333 Sumber: data olahan Sumber: data olahan Gambar 2
Grafik Kinetika Model Gompertz
Tabel  2  dan  Gambar  2  menjelaskan perhitungan  kinetika  pertumbuhan  memakai metode  logaritma  phyton  dengan  pemodelan Gompertz  diperoleh  hasil  nilai  produksi  sel maksimum  (rm)  sebesar  1,2818,  lag  time  (tl) sebesar 1,7499 dan sum square error (r2) sebesar 0,9357.

## Sumber: data olahan

## Gambar 3 Grafik Kinetika Model Richard
Tabel  3  dan  Gambar  3  menjelaskan perhitungan  kinetika  pertumbuhan  memakai metode  logaritma  phyton  dengan  pemodelan Richard  diperoleh  hasil  nilai  miumax  ( µ 𝑚𝑎𝑥 ) sebanyak  1,9958,  curve  fitting  parameter  (A) sebesar  6,8700,  nilai  fase  stasioner  (V)  sebesar 397,43,  lag  time  (tl)  1,6520  dan  Sum  Square Error (r2) sebesar 0,9674. Dapat dilihat nilai R- square error dari hasil perhitungan menggunankan  pendekatan  model  Richard  dan Gompertz yaitu sebesar 0,9357 dan 0,9674. Nilai tersebut menunjukkan bahwa model mana yang paling sesuai dengan data yang diamati sehingga memungkinkan  untuk  mengetahui  seberapa cocok  prediksi  model  dengan  nilai  data  yang sebenarnya.  Semakin  besar  nilai  R  square errornya  (mendekati  angka  1),  maka  semakin sesuai model pendekatan yang digunakan.

## SIMPULAN
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa hasil  kepadatan  sel  tertinggi Spirulina sp. terdapat  pada  hari  kelima  yaitu  sebesar  6,91  x 10 4 sementara  penurunan  sel  alga  sebelum mencapai  kematian  terdapat  pada  hari  ketujuh sebesar  5,33  x 10 4 .  Sementara  untuk  nilai kinetika  pertumbuhan  mikroalga,  pendekatan model  logaritma  yang  lebih  relevan  digunakan yaitu  model  Richard.  Sebab  pendekatan  model Richard  nilai  R-square  lebih  besar  bila dibandingkan  dengan  nilai  R-square  model Gompertz  yaitu  sebesar  0,9674.  Artinya  nilai data eksperimen yang diperoleh tidak jauh beda dengan data hasil yang disimulasikan menggunakan logaritma Phyton.

## DAFTAR PUSTAKA
Arbye,  T.  2020.  Perancangan  Photobioreactor Mikroalga (Chlorella sp.) Sebagai Fasad pada  Prototipe  Bangunan  Halte  Bus  di
Indonesia. Tesis . Program Pasca Sarjana, Fakultas  Teknik,  Universitas  Gadjah Mada Asthary,  P.  B.,  Setiawan, Y.,  Surachman, A.,  & S.  2016.  Pertumbuhan  Mikroalga Spirulina  platensis dalam  Efluen Industri  Kertas. Jurnal  Selulosa , 3 (2), 97–102.
Cardozo, AP., Bersano, JGF. dan Amaral, WJA.
2007. Composition, Density and Biomass  of  Zooplankton  in  Culture Ponds of Litopenaeus Vannamei (Decapoda:Penaidae) in Southern Brazil. Brazilian  Journal  of  Aquatic  Science and Technology . 11(1), 13-20.
Chisti,  Y.  2007.  Biodiesel  from  Microalgae. Biotechnology  Advances .  25(3),  294- 306. Chowdury, Md. Kamrul & Nahar, Nurun & Deb, Ujjwal  Kumar.  2020.  The  Growth
Factors Involved in Microalgae
Cultivation  for  Biofuel  Production:  A Review. Computational  Water,  Energy, and Environmental Engineering . 9. 185- 215. Elrayies, G. M. 2018) Microalgae: Prospects for Greener  Future  Buildings. Renewable and  Sustainable  Energy  Reviews , 81 , 1175–1191. Hadiyanto,  &  Azzim,  M.  2012. Mikroalga Sumber  Pangan  dan  Energi  Masa Depan. Semarang:  UPT  UNDIP  Press Semarang. Hadiyanto,  Samidjan,  I.,  Kumoro,  A.C., Silviana,  2012,,  Produksi  Mikroalga Berbiomasa  Tinggi  dalam  Bioreaktor
Open Pond, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” Pengembangan  Teknologi  Kimia  untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia , Yogyakarta Reynold,  C.  2006. Ecology  of  phytoplankton . Cambrdige University Press, New York Saif A, H. A. 2017. Indoor and Outdoor Culture of  Spirulina  (Arthrospira  plantesis) Grown in Different Salinity in Sultanate of Oman. Secheresse, 4 , 9-15.
Iqbal  Maulana  Ginting,  E. A.  2022.  The  Effect of  Liquid  Organic  Fertilizer  "Bio  Ferti" Application  on  the  Growth  Rate  of Spirulina  plantesis  byUsing  Haldane Model. Journal  of  Tropical  Biodiversity and Biotechnology, 7, 1-16. Phukoetphim, N., Salakkam, A., Laopaiboon, P.,
& Laopaiboon, L. 2017. Kinetic Models
for  Batch  Ethanol  Production  from Sweet Sorghum Juice Under Normal and High  Gravity  Fermentations:  Logistic and Modified Gompertz models. Journal of Biotechnology , 243 , 69-75. Kawaroe,  M.  &  Partono,  T.  2010. Mikroalga: Produksi  dan  Pemanfaatannya  untuk Bio  Bahan  Bakar .  Bogor:  Institut Pertanian Bogor Press. Kim,  S.K.  2015. Springer Handbook  of  Marine Biotechnoogy . New York: Springer. Zittelli, G. C., Rodolfi, L., Bassi, N., Biondi, N.,
& Tredici, M. R. 2012. Photobioreactors for  Microalgal  Biofuel  Production. Algae for Biofuels and Energy , 115–131.