Penerapan Konsep Biorefinery pada Bahan Beselulosa

Biorefinery ini adalah suatu proses yang mengintegrasikan dan mengkonversikan biomassa untuk nantinya dihasilkan salah satunya bahan bakar. Seperti yang telah kita ketahui bersama, Indonesia kaya akan biomassa, apapun itu bentuknya. Oleh karena itu, pemanfaatan biomassa sebagai sumber energi sangat potensial untuk dikembangkan.

Salah satu biomassa yang potensial untuk dikebangkan menjadi sumber energi atau bahan bakar adalah bahan berselulosa. Dengan penerapan konsep biorefinery, bahan berselulosa ini dapat menjadi bahan baku untuk memproduksi bioetanol dan memproduksi biofuel yang lain (hydrogen dan metana). Berikut ini adalah paparan ringkas tentang produksi bioetanol dari bahan baku biomassa (bahan berselulosa) yang dikaitkan dengan produksi biofuel yang lain.

Proses produksi hidrogen, metana, dan bioetanol dapat dilangsungkan secara terintegrasi, seperti dalam Maxifuel concept. Konsep ini didesain untuk produksi Etanol dari bahan lignoselulosa, untuk menghasilkan jumlah biofuel yang maksimum per unit raw material dan memanfaatkan residu untuk konversi lebih lanjut menjadi energi. Produk utama bioetanol digunakan untuk bahan bakar transportasi dan penekanan proses ini untuk optimasi produksi etanol. Produksi biofuel yang lain seperti metana, hidrogen, dan produk bernilai lain seperti bahan bakar padat akan menambah nilai lebih pada proses. Proses ini juga ramah lingkungan karena dilakukan recycle dan reuse aliran keluaran.

Proses Maxifuel yang telah dipatenkan terdiri dari beberapa tahapan sebagai berikut:

1. Pretreatment

Proses pretreatment dari bahan lignoselulosa lebih intensif dibandingkan dengan bahan gula dan bahan berpati. Metode pretreatment bahan lignoselulosa sekarang ini mengonsumsi 30-40% biaya total untuk produksi bioetanol.

2. Hydrolysis

Hidrolisa keluaran tahap pretreatment direaksikan dengan enzim untuk memecah selulosa dan hemiselulosa menjadi heksosa dan pentosa sehingga dapat di fermentasi mejadi etanol. Harga enzim sangat mahal, sehingga penelitian untuk mendapatkan enzim dengan aktivitas tinggi dan harga murah adalah kunci untuk mengatasi hambatan ini. Adapun cara lain untuk mereduksi biaya adalah dengan melakukan recycle loops untuk mengumpan balik enzim dalam tangki hidrolisis enzimatik.

3. Fermentation of C6 sugars

Tahap hidrolisis dapat dioptimalkan dengan melakukan kombinasi hidrolisis enzymatik bersamaan dengan proses fermentasi oleh ragi (simultaneous saccharification and fermentation, SSF). Temperatur optimum enzim yang lebih tinggi dari pada temperatur optimum ragi dapat mengurangi keuntungan menggunakan proses SSF dibandingkan dengan proses terpisah. Ragi roti Saccharomyces cerevisiae digunakan untuk menghasilkan etanol, dan telah banyak digunakan dalam produksi skala industrial. Produktivitas etanol yang besar serta toleran terhadap etanol dan inhibitor lain dalam hidrolisa biomassa adalah alasan penting digunakannya organisme ini, meskipun proses fermentasi xylose organisme ini kurang.

4. Separation

Setelah fermentasi glukosa oleh ragi dalam konsep Maxifuel, lignin dipisahkan dengan menggunakan filter, yang sangat mungkin didapatkan lignin dengan berat kering yang tinggi untuk menghindari pembuangan xylose dan etanol yang berada dalam fasa likuid.

5. Fermentation of C5 sugars

Gula residu dalam hidrolisat setelah proses fermentasi oleh ragi di fermentasikan lagi menggunakan mikroorganisme termofilik, Thermobacter BG1. Modifikasi genetik pada mikroorganisme ini dapat menghasilkan 38,7 g/L atau 5,4% v/v etanol dalam sistem kontinu dari hidrolisa bahan nondetoxified lignoselulosa. Temperatur pertumbuhan pada 75oC memberi kemudahan untuk proses distilasi etanol dari reaktor. Operasi pada kondisi termofilik dapat menurunkan pengaruh kontaminasi, yang merupakan hambatan utama proses fermentasi pada kondisi mesofilik. Selama proses fermentasi gula residu ini, 0,5 sampai 1,1 mol hidrogen/mol substrat dihasilkan sebagai produk samping. Untuk optimasi kelayakan, proses fermentasi termofilik bioetanol dilakukan dalam sistem reaktor terimobilisasi. Imobilisasi organisme ini dalam up flow reactor meningkatkan toleransi etanol, meningkatkan konversi substrat, dan menurunkan sensitivitas ketidakseimbangan proses fermentasi

6. Anaerobic digestion of process water and recirculation

Efluen dari produksi bioetanol masih mengandung bahan organik yang besar, kecuali karbohidrat. Anaerobik digestion telah lama digunakan untuk mengolah limbah yang mengandung zat organik dalam konsentrasi yang tinggi. Keuntungan proses ini antara lain menstabilkan aliran limbah, efisiensi reduksi kandungan zat organik tinggi, dan produksi metana sebagai bahan baku energi. Pendapatan dari produksi metana dapat mengurangi biaya produksi bioetanol hingga mencapai 34%. Efluen dari tahap fermentasi mengandung lignin berberat molekul rendah yang dihasilkan selama proses fisik-kimia pada tahap pretreatment, yang berupa senyawa aromatik. Senyawa aromatik ini secara umum sukar di degradasi pada proses anaerob, dan jika digunakan kembali akan menginhibisi proses fermentasi. Oleh karena itu, pencapaian dalam proses purifikasi anaerobik yang dapat mendegradasi senyawa ini sangat penting dilakukan.

Flow sheet of the Maxifuel concept. All major processes and process streams from solid lignocellulosic biomass to ethanol, hydrogen, and methane are shown.

Perkembangan lanjut biorefineries dapat dilakukan dengan teknik hibrida menggabungkan proses konversi biologi dengan proses hilir katalitik. Proses dalam autothermal reformer dengan efisiensi tinggi dapat mengubah 1 mol etanol menjadi 5 mol hidrogen. Jika digabungkan dengan proses biologi dimana 2 mol etanol dihasilkan dari setiap molekul gula (glukosa) perolehan hidrogen dalam dua tahap menjadi 83 % dari nilai maksimum teoretik, lebih besar jika dibandingkan dengan proses fermentasi yang hanya mencapai 10-20%. Selain itu, dihasilkan juga hidrogen dari proses fermentasi termofilik yang akan menambah perolehan hidrogen pada keseluruhan proses mendekati nilai maksimal teoretik yaitu 12 mol hidrogen/mol monosakarida.

Hidrogen yang dihasilkan dari proses biologi dapat dimanfaatkan untuk proses hidrogenasi dalam conventional refiery. Methane dari proses biorefinery dapat digunakan untuk bahan bakar, dan dapat juga digunakan sebagai bahan baku proses reformasi katalitik untuk menghasilkan hidrogen. Dapat juga digunakan untuk menghasilkan gas sintesis (CO/H2), yang dapat dimanfaatkan dalam proses gas to liquids atau produksi metanol. Adanya tahap proses katalitik antara kedua refinery ini dapat meningkatkan keuntungan dua kali lipat , karena hidrokarbon keluaran proses katalitik dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku proses refining lebih lanjut pada coventional refinery.

Bio/Catalytic Refineries

Referensi :
http://majarimagazine.com/2008/02/co-production-of-bioethanol-with-others-biofuels

Posted in: Lingkungan,Proses,Seputar Agroindustri