Bioproses dan Teknologi Pembuatan Bioetanol


Bioetanol atau etil alkohol adalah alkohol yang dibuat dari bahan baku yang bersifat dapat diperbarui. Bioetanol biasanya diproduksi secara fermentasi dari bahan yang mengandung glukosa atau polimer glukosa (polisakarida). Hampir 93% etanol di dunia merupakan bioetanol yang merupakan hasil konversi biomassa secara anaerobik, sedangkan sisanya adalah etanol yang disintesis secara kimia dari turunan minyak bumi.

Bioetanol dapat dimanfaatkan sebagai agen untuk meningkatkan angka oktan pada bensin karena angka oktan etanol cukup tinggi (135) sedangkan angka oktan premium yang dijual sebagai bahan bakar adalah 98. Makin tinggi bilangan oktan, bahan bakar makin tahan untuk tidak terbakar sendiri sehingga menghasilkan kestabilan proses pembakaran untuk memperoleh daya yang lebih stabil. Proses pembakaran dengan daya yang lebih sempurna akan mengurangi emisi gas karbon monoksida. Campuran bioetanol 3% saja, mampu menurunkan emisi karbonmonoksida menjadi hanya 1,35% [Anonim, 2007].

Konsumsi bensin di Indonesia pada tahun 2005 mencapai 16 jutakilo liter (Sutanto). Fraksi premium yang dihasilkan oleh unit pengolahan minyak bumi di Indonesia tidak cukup memenuhi kebutuhan premium Indonesia. Untuk menanggulangi defisit premium, Indonesia mengimpor kebutuhan premium dari pasar internasional. Kebutuhan premium Indonesia pada tahun 2008 diprediksikan sebesar 19,6 juta kilo liter. Dengan jumlah unit pengolahan minyak bumi yang tidak bertambah, produksi premium yang dihasilkan Indonesia tetap, maka Indonesia akan mengimpor premium dalam jumlah yang lebih besar di tahun-tahun mendatang.

Pemerintah sebenarnya telah berusaha mencari jalan keluar untuk memperkecil impor minyak bumi di masa mendatang dengan mengeluarkan Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar minyak. Berdasarkan peraturan tersebut diharapkan pada tahun 2025, 17% kebutuhan energi Indonesia disediakan oleh energi baru terbarukan (Yudhoyono, 2005). Salah satu sumber energi yang bisa dimanfaatkan sebagai energi alternatif adalah etanol. Meskipun densitas energi spesifik etanol lebih kecil daripada premium (densitas energi spesifik etanol 23,4-26,8 MJ/kg, densitas energi spesifik premium 45-48,3 MJ/kg) (Sutanto), tetapi bahan baku etanol yang melimpah di Indonesia dan proses produksi etanol dapat dikembangkan di Indonesia, maka etanol sebagai sumber energi alternatif untuk substitusi premium sangat memungkinkan untuk diterapkan di Indonesia.

Pemanfaatan etanol dan campuran bensin-etanol sebagai bahan bakar telah lama dilakukan sejak awal adanya kendaraan automobil. Pemanfaatan etanol murni sebagai bahan bakar kendaraan pertama kali diperkenalkan oleh Henry Ford pada model mobil rakitannya (Husky Energy, 2007), bahkan pada April 1933 di Nebraska sudah dijual campuran bioethanol 10% dengan premium (Praj Industries, 2006). Sebelumnya, dengan stok jumlah minyak bumi yang tak terbatas dan lebih murah, penggunaan etanol sebagai bahan bakar dirasa belum diperlukan. Namun beberapa dekade belakangan ini, naiknya harga minyak bumi telah mendorong pencarian energi alternatif untuk mengatasi krisis energi yang mulai mengancam dunia. Dampak lingkungan yang ditimbulkan oleh penggunaan bahan bakar fosil juga menjadi pertimbangan pemilihan energi alternatif yang tepat dan ramah lingkungan. Penggunaan etanol sebagai bahan bakar mempunyai beberapa keunggulan dibanding dengan BBM, yaitu : a) kandungan oksigen yang tinggi (35%) sehingga jika dibakar sangat bersih, b) ramah lingkungan karena emisi gas karbon-mono-oksida lebih rendah 19-25% dibanding BBM sehingga tidak memberikan kontribusi pada akumulasi karbon dioksida di atmosfer (Costello and Chun, 1988), dan bersifat terbarukan, sedangkan BBM akan habis karena bahan bakunya fosil.

Produksi Bioetanol
Bioetanol diproduksi secara konversi biomassa secara fermentasi anaerobik dari bahan yang mengandung gugus glukosa. Proses fermentasi secara umum terdiri dari tiga tahap, yaitu pembuatan gula terlarut, fermentasi gula menjadi etanol, dan pemisahan serta pemurnian etanol yang biasanya dilakukan secara distilasi (Badger, 2002).

Teknologi pembuatan bioetanol telah mengalami perkembangan dan dibedakan menjadi teknologi generasi pertama dan kedua. Perbedaan kedua generasi tersebut berdasarkan bahan baku untuk memproduksi bioetanol (McCutcheon, 2007). Bioetanol generasi pertama diproduksi dari bahan yang mengandung gula atau pati, seperti molase, gula bit, gula tebu, barley, beberapa macam gandum, jagung, kentang, singkong, tebu.

Bahan berpati pada umumnya mengandung amilase dan amilopektin. Amilase adalah polimer glukosa linier yang tersusun atas unit glukosa yang dihubungkan oleh ikatan a-l,4-glikosidik, sedangkan amilopektin adalah polimer bercabang yang pada cabangnya dihubungkan oleh ikatan a-1,6. Bahan-bahan berpati yang digunakan untuk memproduksi bioetanol tersebut juga dimanfaatkan sebagai bahan pangan. Kompetisi bahan baku sebagai bahan pangan dan bahan produksi etanol mendorong usaha penggunanaan bahan baku lain di luar rantai makanan manusia. Hasil dari pengembangan tersebut menghasilkan teknologi generasi kedua yang memanfaatkan bahan yang mengandung selulosa atau hemiselulosa.

Produksi etanol dengan teknologi generasi pertama sudah banyak diterapkan di dunia, termasuk Indonesia. Sedangkan teknologi generasi kedua masih dalam taraf penelitian dan pengembangan pada skala pilot. Meskipun masih dalam taraf penelitian, produksi etanol dengan teknologi generasi kedua sangat berpotensi untuk dikembangkan mampu karena menghasilkan bioetanol dengan perolehan tinggi tanpa berkompetisi dengan pangan.

Produksi Bioetanol dengan Teknologi Generasi Pertama
Proses produksi bioetanol yang selama ini sudah dikembangkan dan diterapkan secara umum meliputi 2 tahap, yaitu proses sakarifikasi dan fermentasi. Proses sakarifikasi bertujuan untuk memecah karbohidrat (seperti gula, selulosa dan hemiselulosa) menjadi monomer-monomer gula.

Pada bahan baku molase, gula bit, dan gula tebu yang selama ini sudah digunakan secara luas sebagai bahan baku etanol, proses pembuatan etanol lebih sederhana karena bahan baku tersebut dapat langsung disakarifikasi dengan menambahkan glukoamilase (Caylak dan Sukan, 1998). Sedangkan untuk bahan baku berpati, sebelum proses sakarifikasi harus dilakukan proses liquefaksi terlebih dahulu, proses dengan bahan baku berpati ini sudah diterapkan secara luas terutama di Brazil dan di Amerika untuk menghasilkan bioetanol, tetapi di Indonesia masih dilangsungkan pada skala rumah tangga. Proses liquefaksi dilakukan karena mikroorganisme fermentasi etanol tidak dapat mengkonversi pati menjadi etanol secara langsung, diperlukan enzim untuk mengkonversi oligosakarida pada pati menjadi maltosa, kemudian melalui proses sakarifikasi diubah menjadi gula sederhana yang mudah difermentasi.

Proses Sakarifikasi
Proses sakarifikasi bertujuan untuk mengkonversi dekstrin yang dihasilkan pada proses liquefaksi sehingga menghasilkan mono-atau di-sakarida (Frings, 2007). Proses sakarifikasi dilangsungkan dengan menambahkan glukoamilase. Pada proses ini terjadi pelepasan a-D-glukosa dari ujung gula non pereduksi 1,4-a-glukan. Reaksi berlangsung pada pH 4-5 dan pada temperatur 50-60 derajat C (Frings, 2006) selama 2 jam (Anonim, 2007).

Proses Fermentasi
Proses fermentasi dilangsungkan pada pH 4-6, pada temperatur 30-35 derajat C (Frings, 2006) dan kondisi fermentasi dijaga anaerobik. Mikroba yang membantu proses fermentasi adalah Saccharomyces cerevisiae atau Zimomonas mobilis. Proses fermentasi mampu menghasilkan etanol sampai kadar 12% karena diatas kadar tersebut mikroorganisme yang membantu proses fermentasi tidak dapat bekerja lagi.

Proses Liquefaksi
Pada tahap liquefaksi terjadi proses gelatinasi untuk memecah pati sehingga pati mejadi dekstrin. Proses liquefaksi dilangsungkan pada suhu tinggi yaitu 80-90 derajat C dan pH 5 (Frings, 2006) selama 30 menit (Anonim, 2007), proses pemecahan pati dilakukan dengan menambahkan enzim amilase. Amilase yang ditambahkan bisa terdiri dari dua tipe, yaitu endo-amilase yang akan menyerang ikatan a-1,4 glikosidik pada polimer pati secara acak dan ekso-amilase yang akan menghidrolisa glukosa atau maltosa dari ujung pereduksi polimer pati (Neves, 2006).

Proses Pemisahan dan Pemurnian
Untuk memisahkan broth etanol dengan biomassa mikroba dilakukan dengan dekantasi. Sebagian biomassa dikembalikan lagi padatangki fermentasi untuk melakukan fermentasi selanjutnya. Untuk memisahkan etanol dari broth fermentasi dapat dilakukan dengan distilasi secara bertingkat karena kandungan air pada broth masih tinggi. Distilasi bertingkat mampu menghasilkan etanol dengan kemurnian maksimum 95,6%, karena pada kemurnian tersebut etanol membentuk azeotrop dengan air sehingga tidak dapat dipisahkan lagi dengan pemisahan biasa. Untuk mendapatkan etanol standar bahan bakar, kemurnian 99%, dapat dilakukan dengan menambahkan entrainer, pemisahan dengan membrane secara evaporasi, ataupun dengan menggunakan molecular sieve (Frings, 2006).

Proses Hidrolisis dan Fermentasi
Dalam perjalanan pengembangan proses produksi bioetanol, proses hidrolis (sakarifikasi) dan fermentasi dapat diklasifikasikan menjadi dua proses yang berbeda, yaitu proses Separate-Hydrolysis-Fermentation (SHF) dan Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) (Neves, 2006).

Proses Separate-Hydrolysis-Fermentation
Proses Separate-Hydrolysis-Fermentation (SHF) adalah proses pembuatan etanol dimana tahap hidrolisis dan tahap fermentasi berlangsung terpisah. Bahan baku yang mengandung pati mengalami proses hidrolisis (liquefaksi dan sakarifikasi) secara terpisah dari proses fermentasi. Setelah proses hidrolisis selesai, dilanjutkan proses fermentasi. Hal ini dimaksudkan untuk memudahkan pengontrolan terhadap tiap tahap, agar tercapai hasil yang diinginkan. Selain itu, interaksi antar dua tahap dapat diminimalkan.

Proses  SHF  ini memiliki beberapa kelemahan, diantaranya adalah kinerja a-amilase yang tidak optimal akibat terjadinya inihibisi enzim    oleh    akumulasi    gula meskipun kandungan a-amilase dalam system tinggi. Jika a-amilase terinhibisi maka proses liquefaksi akan terhenti meskipun belum  semua pati yang tersedia diubah menjadi gula sederhana (Neves, 2006). Inhibisi tersebut pada akhirnya akan mempengaruhi etanol yang dihasilkan.

Simultaneous Saccharification and Fermentation
Untuk mengatasi kelemahan yang terjadi pada proses SHF, dikembangkanlah proses baru yang disebut dengan proses Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF), seperti yang telah dipatenkan oleh Gulf Oil Company dan University of Arkansas (1979). Proses SSF memiliki dasar yang sama dengan proses SHF, hanya saja tahap hidrolisis dan tahap fermentasi berlangsung simultan dalam satu tangki. Beberapa saat setelah ditambahkan a-amilase, pada tangki ditambahkan glukoamilase untuk mengkonversi dekstrin yang dihasilkan oleh a-amilase menjadi gula sederhana untuk difermentasi menjadi etanol. Kemudian pada tangki juga ditambahkan Saccharomyces cerevisiae untuk memfermentasikan gula menjadi etanol, sehingga tidak terjadi akumulasi gula yang akan menyebabkan inhibisi pada a-amilase (Neves, 2006).

Keberadaan ragi/bakteri bersama-sama dengan enzim pada satu tangki reaksi, dapat mengurangi akumulasi gula dalam tangki sehingga kinerja a-amilase dapat maksimum dan pati dapat terkonversi semua menjadi gula sederhana dan etanol yang dihasilkan lebih tinggi daripada proses SHF [Neves, 2006].

Proses SSF ini beberapa tahun terakhir telah dimodifikasi dengan menyertakan juga tahap cofermentasi dari substrat gula rangkap. Proses ini dikenal sebagai Simultaneous Saccharijication and coFermentation (SSCF).

Sebelum perlakuan hidrolisis oleh enzim, biomassa akan mengalami perlakuan awal (pre-treatment) terlebih dahulu, dengan tujuan untuk mengkondisikan biomassa tersebut dengan sifat enzim. Setelah mengalami pre-treatment, biomassa kemudian mengalami hidrolisis enzimatis. Hasil hidrolisis ini tidak semuanya difermentasi, karena sebagian akan membentuk residu. Dari hasil fermentasi-lah, etanol dapat terbentuk.

Produksi Bioetanol dengan Teknologi Generasi Kedua
Etanol atau campuran bensin-etanol sebagai alternatif pengganti bahan bakar telah banyak diaplikasikan di sejumlah negara seperti Brazil, USA, dan beberapa negara di Eropa. Bahkan di Amerika, lebih dari 5 juta kendaraan sudah menggunakan E85 yang merupakan campuran bioetanol 85% dan premium 15% (Anonim, 2006). Banyaknya biomassa yang dibutuhkan untuk menghasilkan bioetanol sebagai biofuel menjadi problem tersendiri dikarenakan biomassa yang berupa gula sederhana (seperti gula, gula tebu, jagung) yang mudah terdegradasi menjadi monomer gula, juga bertindak sebagai sumber bahan pangan baik bagi manusia maupun hewan. Selain itu pengurangan emisi oleh pembakaran bioetanol belum serendah yang diharapkan.

Kedua hal diatas memacu berkembangnya alternatif lain sebagai bahan baku bioetanol, yaitu bahan-bahan lignoselulosa (bahan-bahan kayu, serat atau bahkan limbah yang dapat terdegradasi). Bioetanol dengan bahan baku ini disebut sebagai bietanol Generasi Kedua (Second  Generation) karena mencakup jenis bahan baku yang lebih luas.

Keuntungan dari bioetanol yang berbahan dasar lignoselulosa, antara lain (Hagerdal et.al, 2006):

• Bahan baku lignoselulosa akan mengurangi kemungkinan konflik antara lahan yang digunakan untuk produksi pangan (dan pakan) dan lahan untuk produksi pasukanenergi.Harga bahan baku jenis ini lebih murah dibanding bahan baku generasi pertama dan dapat diperoleh dengan jumlah pupuk, pestisida dan energi yang relatif lebih sedikit.
• Bioetanol berbahan dasar lignoselulosa menghasilkan emisi gas rumah kaca yang lebih rendah, mengurangi dampak lingkungan terutama perubahan iklim.
• Bioetanol ini kemungkinan dapat membuka lapangan pekerjaan di area pedesaan

Dengan melihat keuntungan-keuntungan tersebut, prospek penelitian mulai menuju ke arah pengembangan bioetanol berbahan dasar lignoselulosa. Penelitian tentang pemanfaatan bahan berselulosa sebagai bahan baku produksi etanol sudah dimulai sejak tahun 1950.

Prinsip produksi bioetanol dari bahan berselulosa sama dengan produksi bioetanol dari bahan gula atau bahan berpati, yaitu terdiri dari dua tahap. Tahap pertama adalah konversi selulosa menjadi gula dan tahap kedua adalah produksi etanol dari gula hasil konversi. Konversi selulosa menjadi gula dilakukan melalui reaksi hidrolisis. Reaksi hidrolisis dapat dilakukan secara kimia maupun secara enzimatis. Setelah didapatkan gula sederhana dari proses hidrolisa, fermentasi untuk menghasilkan etanol sama dengan produksi etanol konvensional menggunakan mikroba dan kondisi reaksi yang telah disebutkan sebelumnya.

Hidrolisis secara Kimia dengan Asam
Reaksi hidrolisis secara kimia dapat dilakukan dengan menggunakan asam encer maupun asam pekat. Penggunaan asam encer pada proses hidrolisis dilakukan pada temperatur dan tekanan tinggi dengan waktu reaksi yang singkat (beberapa menit). Temperatur yang dibutuhkan adalah mencapai 200 derajat C. Asam encer yang digunakan adalah 0,2-4% berat (Nguyen and Tucker, 2002). Penggunaan asam encer untung menghidrolisis selulosa biasa mampu mencapai konversi reaksi sampai 50% (Badger, 2002). Konversi yang rendah ini disebabkan oleh degradasi gula hasil hidrolisis yang terbentuk karena temperatur reaksi yang digunakan tinggi. Proses hidrolisis mengguna-kan asam encer terdiri dari dua tahap. Tahap pertama adalah konversi bahan berselulosa menjadi gula sederhana dan tahap kedua adalah degradasi gula sederhana yang terbentuk menjadi struktur kimia yang lain. Degradasi gula tersebut tidak hanya menurunkan konversi reaksi, namun juga dapat meracuni mikroorganisme pada saat reaksi fermentasi pada pembentukan etanol.

Selain asam encer, proses hidrolisis juga dapat dilakukan dengan menggunakan asam pekat. Penggunaan asam pekat pada proses hidrolisis selulosa dilakukan pada temperatur yang lebih rendah daripada asam encer. Konsentrasi asam yang digunakan adalah 10-30% (Zimbardi et.al). Sumber asam yang biasa digunakan adalah asam sulfat. Temperatur reaksi adalah 100 derajat C dan membutuhkan waktu reaksi antara 2 dan 6 jam. Temperatur yang lebih rendah meminimalisasi degradasi gula. Keuntungan dari penggunaan asam pekat ini adalah konversi gula yang dihasilkan tinggi, yaitu bisa mencapai konversi 90% (Badger, 2002). Kekurangan reaksi ini adalah waktu reaksi yang dibutuhkan lebih lama dan membutuhkan proses pencucian yang baik untuk mencapai pH reaksi sebelum ditambahkan mikroba pada proses fermentasi pembentukan etanol.

Hidrolisis secara Enzimatis
Metode lain yang digunakan untuk menghidrolisis selulosa adalah secara enzimatis. Enzim merupakan protein alam yang dapat mengkatalisis reaksi tertentu. Untuk dapat bekerja, enzim harus kontak langsung dengan substrat yang akan dihidrolisa. Karena selulosa secara alami terikat oleh lignin yang bersifat permeabel terhadap air sebagai pembawa enzim, maka untuk proses hidrolisis secara enzimatik membutuhkan pretreatmen sehingga enzim dapat berkontak langsung dengan selulosa. Pretreatmen dilakukan untuk memecah struktur kristalin selulosa dan memisahkan lignin sehingga selulosa dapat terpisah. Pretreatmen dapat dilakukan secara kimia maupun fisik. Metode fisik yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan temperatur dan tekanan tinggi, penggilingan, radiasi, atau pendinginan, kesemuanya membutuhkan energy yang tinggi. Sedangkan metode pretreatmen secara kimia menggunakan solven untuk memecah dan melarutkan lignin (metode deligniflkasi) (Badger, 2002).

Hidrolisis secara enzimatik memanfaatkan enzim penghidrolisis selulosa, yaitu selulase atau bisa juga langsung menggunakan mikroba penghasil selulase, misalnya Trichodermareesei. Keuntungan hidrolisis secara enzimatik adalah efisisensi reaksi tinggi karena enzim bersifat selektif sehingga pembentukan produk samping bisa diminimalisasi, kondisi reaksi temperatur dan tekanan tidak tinggi, bahkan bisa dilakukan pada temperatur ruang dan tekanan atmosfer sehingga tidak membutuhkan peralatan khusus untuk reaksi. Sedangkan kekurangan proses hidrolisis secara enzimatik adalah waktu reaksi yang dibutuhkan lebih lama, bisa mencapai 72 jam.

Cina mengembangkan gabungan hidrolisis secara kimia dan enzimatis pada produksi etanol berbasis selulosa di Shanghai (Zhenhong, 2006).

 

Penulis adalah peneliti pada Pusat Penelitian Kimia – LIPI. Tulisan di atas diambil dari Majalah Berita Iptek, LIPI

http://portal.ristek.go.id/columns.php?id=36

posting : 14 April 2010

Komentar ditutup.

%d blogger menyukai ini: