Simulation-Based Parameter Optimization Using Genetic Algorithm for Microalgae Bioethanol Production

Samsurizal Samsurizal, Septianissa Azzahra, Kartika Tresya Mauriraya, Dody Dody, Yulisya Zuriatni, Istianto Budhi Rahardja

Abstract

Bioethanol is a promising renewable energy source, and microalgae such as Chlorella vulgaris and Spirulina platensis offer high productivity potential. This work applies a Genetic Algorithm (GA) to optimize key environmental parameters—pH, light intensity, and temperature—within a simulation framework over a 100-day cultivation period. GA optimization resulted in a 25% increase in total ethanol yield, from baseline values of 51.00 to 63.66 g/L for Chlorella and 32.64 to 40.79 g/L for Spirulina. We benchmarked GA against Particle Swarm Optimization (PSO), Differential Evolution (DE), and Simulated Annealing (SA); GA consistently delivered superior convergence and final yields. The model incorporates phase‑dependent carbohydrate accumulation and realistic environmental disturbances, though biological complexities such as photoinhibition and nutrient limitations are acknowledged as future work. To enable meaningful convergence, the growth model was extended with mild photoinhibition and nutrient limitation terms, ensuring a more realistic fitness landscape. Findings support the viability of metaheuristic optimization in microalgae biofuel systems and indicate potential for intelligent control integration in photobioreactor operations.

Full Text:

PDF

References

[1] J. L. Holechek, H. M. E. Geli, M. N. Sawalhah, dan R. Valdez, “Penilaian Global: Dapatkah Energi Terbarukan Menggantikan Bahan Bakar Fosil pada Tahun 2050?,” Sustainability, vol. 14, no. 8, hlm. 4792, April 2022, https://doi.org/10.3390/su14084792.


[2] P. O. Ali dan K. N. Kim, “Analisis Pemilihan Prioritas Indonesia: Transisi Energi, Langkah-Langkah Terkait Energi, Tata Kelola Pertambangan, dan Transisi Sumber Daya Menggunakan Proses Hierarki Analitik (AHP),” Energi untuk Pembangunan Berkelanjutan, vol. 83, hlm. 101559, Desember 2024, https://doi.org/10.1016/j.esd.2024.101559.


[3] G. Sivakumar dkk., “Bioetanol dan biodiesel: Bahan bakar cair alternatif untuk generasi mendatang,” Eng Life Sci, vol. 10, no. 1, hlm. 8–18, Februari 2010, https://doi.org/10.1002/elsc.200900061.


[4] A. Devi dkk., “Tinjauan lanskap teknologi produksi bioetanol dari berbagai generasi bahan baku,” Bioengineered, vol. 14, no. 1, hlm. 81–112, Desember 2023, https://doi.org/10.1080/21655979.2022.2095702.


[5] A. Devi dkk., “Tinjauan lanskap teknologi produksi bioetanol dari berbagai generasi bahan baku,” Bioengineered, vol. 14, no. 1, hlm. 81–112, Desember 2023, https://doi.org/10.1080/21655979.2022.2095702.


[6] M. M. Ismail, G. A. Ismail, dan M. M. El-Sheekh, “Penilaian potensi beberapa spesies mikro dan makroalga untuk produksi bioetanol dan biodiesel,” Sumber Energi, Bagian A: Pemulihan, Pemanfaatan, dan Dampak Lingkungan, vol. 46, no. 1, hlm. 7683–7699, Desember 2024, https://doi.org/10.1080/15567036.2020.1758853.


[7] M. M. Ismail, G. A. Ismail, dan M. M. El-Sheekh, “Penilaian potensi beberapa spesies mikro dan makroalga untuk produksi bioetanol dan biodiesel,” Sumber Energi, Bagian A: Pemulihan, Pemanfaatan, dan Dampak Lingkungan, vol. 46, no. 1, hlm. 7683–7699, Desember 2024, https://doi.org/10.1080/15567036.2020.1758853.


[8] A. T. Hoang dkk., “Produksi biofuel dari mikroalga: tantangan dan peluang,” Tinjauan Fitokimia, vol. 22, no. 4, hlm. 1089–1126, Agustus 2023, https://doi.org/10.1007/s11101-022-09819-y.


[9] M. Rehman, S. Kesharvani, G. Dwivedi, dan K. Gidwani Suneja, “Dampak kondisi budidaya terhadap produktivitas biomassa mikroalga dan kandungan lipid,” Mater Today Proc, vol. 56, hlm. 282–290, 2022, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.152.


[10] S. A. El-Mekkawi, S. M. Abdo, F. A. Samhan, dan G. H. Ali, “Optimalisasi beberapa kondisi fermentasi untuk produksi bioetanol dari mikroalga menggunakan metode permukaan respons,” Bull Natl Res Cent, vol. 43, no. 1, hlm. 164, Desember 2019, https://doi.org/10.1186/s42269-019-0205-8.


[11] S. A. Razzak, M. S. Alam, S. M. Z. Hossain, dan S. M. Rahman, “Pembelajaran mesin berbasis pohon untuk memprediksi pertumbuhan biomassa Neochloris oleoabundans dan penghilangan nutrisi biologis dari air limbah kota tersier,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 210, hlm. 614–624, Oktober 2024, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2024.09.004.


[12] H. Li dkk., “Optimalisasi budidaya spirulina tingkat pangan dengan bantuan pembelajaran mesin dalam media berbasis air laut: Dari laboratorium hingga produksi skala besar,” J Environ Manage, vol. 369, hlm. 122279, Oktober 2024, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122279.


[13] D. Susanna, R. Dhanapal, R. Mahalingam, dan V. Ramamurthy, “Meningkatkan produktivitas Spirulina platensis dalam fotobioreaktor menggunakan pemodelan jaringan saraf tiruan,” Biotechnol Bioeng, vol. 116, no. 11, hlm. 2960–2970, November 2019, https://doi.org/10.1002/bit.27128.

DOI: https://doi.org/10.20961/jeeict.7.2.108704

Refbacks

  • There are currently no refbacks.