TUGAS PENGELOLAAN BIOMASSA

TUGAS PENGELOLAAN BIOMASSA REVIEW JURNAL MICROALGAE FOR BIOFUELS PRODUCTION : PROGRESS AND PRESPECTIVE

Hesty Dzulhijjati Handayani (2311111030)

JURUSAN TEKNIK KIMIAUNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI2015

MAKROALGAE UNTUK PRODUKSI BIOFUELPROGRES DAN PRESPEKTIF

1. Pendahuluan Dewasa ini hidrokarbon fosil cenderung menjadi langka dan mahal, oleh karena itu biofuel dari biomassa lebih menjanjikan dikarenakan sumber bahan baku yang melimpah. Pada saat ini fokus telah dialihkan ke biomassa generasi ketiga seperti ganggang, karena bahan baku generasi pertama berada di bawah kontroversi serius mempertimbangkan kompetisi antara makanan dan bahan bakar, sedangkan biomassa generasi kedua dibatasi oleh biaya yang tinggi untuk menghilangkan lignin.Alga merupakan sumber yang sangat menjanjikan untuk produksi energi terbarukan karena dapat mengurangi gas rumah kaca (CO2) di lingkungan dengan cara fotosintesis. Efisiensi fotosintesis rata-rata 6-8%jauh lebih tinggi dari biomassa terestrial (1,8-2,2%).Alga dapat dibudidayakan di lahan tidak produktif dan juga sangat efisien dalam memanfaatkan nutrisi dari air limbah termasuk nitrogen dan fosfor.Produktivitas, skalabilitas dan kelangsungan penyediaan biomassa merupakan faktor penting dalam memilih bahan baku biofuel.Anaerobic digestion, fermentasi, transesterifikasi, pencairan dan pirolisis dapat mengkonversi biomassa alga menjadi biofuel, seperti biogas, bioetanol, biodiesel dan bio-minyak. Menurut Life Cycle Assessment, makroalga dapat menghasilkan energy bersih 11.000 MJ/ton ganggang kering dibandingkan dengan mikroalga yang dapat menghasilan 9500 MJ/ton relevan dengan mikroalga. Dibandingkan dengan mikroalga, makroalga adalah tanaman multiselular dan memiliki karakter tanaman, lebih mudah dipanen. Makroalga diklasifikasikan menjadi tiga kelompok besar berdasarkan variasi pigmentasi fotosintsis: merah(Rhodophyta) ,coklat(Phaeophyta) dan hijau(Chlorophyta). Makroalga dibudidayakan pada saat ini untuk produksi pangan, pupuk dan ekstraksi hidrokoloid di Asia yaitu di China, Korea, Filipina dan Jepang terhitung sekitar 72% dari produksi global tahunan. Produktivitas untuk makroalga berkisar dari 150 sampai 600 ton bahan segar per hektar per tahun dan total di seluruh dunia produksi mencapai 12 juta ton bahan kering / tahun. Namun, produksi biofuel dari biomassa makroalga mendapat perhatian yang kurang. Saat ini, satu- satunya produk industri signifikansi dari makroalga adalah ekstraksi hydrocolloids.

2. Komposisi Kimia MakroalgaMakroalga umumnya hanya berisi 10-15% bahan kering. Komponen dinding sel makroalga adalah sumber utama karbohidrat. Beberapa mengandung selulosa dan /atau pati (terutama makroalga hijau dan merah).Komposisi biokimia dan kadar abu memiliki variasi tergantung musim.Misalnya, konten karbohidrat mencapai nilai maksimum pada musim gugur. Mannan, ulvan, karagenan, agar, laminarin, mannitol, alginat, fucoidin, fucose dan asam uronicyang membuat makroalga berbeda dari mikroalga dan biomassa lignoselulosa. Selain itu, konten lignin yang rendah 0,03 g/kg bahan kering menawarkan kesesuaian untuk pengolahan hilir seperti anaerobic digestion atau proses fermentasi tanpa perlakuan awal yang mahal. Makroalga merah terdiri dari polimer galaktosa yang dimodifikasi: karagenan dan agar. Ganggang coklat, merupakan ganggang yang pertama kali dibudidayakan di seluruh dunia, kaya alginat dan mengandung sejumlah besar laminarin, manitol mencapai kuantitas maksimum di musim gugur.Ganggang coklat dan merah memiliki lipid rendah (kurang dari 5%). Beberapa spesies ganggang hijau kaya akan selulosa (Valoniatypeshingga 70% selulosa) dan yang paling kaya pati (20-30%).Selain itu, makroalga memiliki logam alkali dan halogen (0,5-11%) relatif lebih tinggi dibandingkan biomassa terestrial (1 1,5%).

3. Produksi Biofuel dari Makroalgaa. BiogasBahan konvensional untuk produksi biogas adalah tanaman pertanian, kotoran hewan, limbah lumpur, dan lain sebagainya. Kandungan air dalam makroalga lebih tinggi daripada di biomassa terestrial (80-85%), membuat makroalga lebih cocok untuk konversi mikroba daripada proses konversi termokimia. Produksi biogas dari makroalga lebih layak teknis daripada bahan lainnya karena semua komponen organik (karbohidrat, protein,dll) di makroalga dapat dikonversi menjadi biogas oleh anaerobic digestion (AD), dan juga konten lignoselulosa yang rendah membuat biodegradasi makroalga lebih mudah daripada mikroalga untuk menghasilkan biogas yang signifikan.Ada beberapa tantangan untuk produksi biogas dari makroalga: Kandungan nitrogen di beberapa alga yang tinggi, sehingga perbandingan C : N tidak sesuai untuk pertumbuhan mikroba dan juga tingkat amonia yang tinggi beracun untuk metanogen; Perlakuan awal secara fisik atau kimia dibutuhkan untuk memecah dinding sel dan membuat bahan organik dalam sel lebih mudah diakses; Logam alkali yang melekat dalam makroalga dapat menghambat proses pencernaan anaerobik.Untuk mendapatkan perolehan CH4 yang lebih tinggi, diperlukan rasio optimal C: N (20-30).Ketika C: N lebih rendah dari 20, ketidakseimbangan rasio akan menyebabkan peningkatan kadar amonia dalam bio-reaktor yang dapat menurunkan tingkat produksi metana. Campuran makroalga dan jerami akan memiliki C: N rasio yang lebih kondusif untuk produksi biogas.Untuk memecah sel dinding dan membebaskan bahan organik yang diperlukan untuk mikroorganisme, proses pengolahan awal (milling, maserasi, termal atau ekstrusi) dibutuhkan untuk produksi biogas yang efisien.Penggilingan dilaporkan dapat mengurangi waktu pencernaan 23-59% dan menyebabkan peningkatan perolehan biogas sebesar 5-25%. Perlakuan awal di air dan asam lemah dapat menghapus proporsi mineral yang signifikan dari materi.Perlakuan awal 10 g ganggang dalam 50 cm3 HCl 2,0 M selama 6 jam pada 60oC dapat menghilangkan lebih dari 90% Mg, K, Na, Ca, dan juga sebagian besar mineral.

b. BioetanolDibandingkan dengan biomassa sumber pangan, biomassa alga lebih banyak mendapat perhatian sebagai bahan baku terbarukan alternatif untuk produksi bioetanol. Makroalga memiliki kandungan karbohidrat dan sedikit lignin, dengan demikian cocok digunakan sebagai substrat dalam proses fermentasi untuk produksi bioetanol setelah proses hidrolisis. Pre treatment asam adalah salah satu metode untuk memperoleh hasil gula yang tinggi dari biomassa lignoselulosa karena dapat meningkatkan luas permukaan reaksi dan membuat gula yang terkunci di polisakarida lebih mudah diakses oleh enzim hidrolitik. Setelah langkah efektif hidrolisis, sebagian besar polisakarida dan disakarida menjadi monosakarida, seperti ditunjukkan pada persamaan berikut :C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6Sebagai contoh pada sukrosa, enzim invertase dapat mengkatalisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa dan kemudianSaccharomyces cever esiae,mengubah glukosa dan fruktosa menjadi etanolseperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut :C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2Penggunaan enzim yang tepat dapat memepengaruhi efisiensi fermentasi dari hidrolisis gula. Studi menunjukkan bahwa enzim Cocktail dari jamur laut bisa menurunkan 90% polisakaridadari L.Digitata,sementara Saccharomyces cerevisiae dianggap sebagai organisme yang paling umum digunakan untuk produksi bioetanol dari alga. Namun, penelitian lainmenemukan bahwa Pichia angophoraelebih baik daripadaS.cerevisiaeuntuk produksi etanol dari ganggang coklat karenaS.cerevisiaetidak tumbuh dengan baik di kaldu atau agar sementaraP.angophoraedapat memanfaatkan manitol ganggang dengan baik. S.cerevisiaehanya bisa mengkonsumsi glukosa dalam hidrolisat tapi tidak manitol, sedangkan Palmae Zymobacterdapat tumbuh dalam media manitol sintetis di bawah kondisi oksigen terbatas dan dapat memproduksi etanol dengan hasil 0,38 g / g manitol. c. BiodieselBiodiesel yang diperoleh dari transesterifikasi trigliserida berasal dari sayuran, lemak hewan atau minyak tumbuhan lainnya. Makroalga dianggap lebih baik untuk membuat biogas dan bioetanol daripada biodiesel karena mereka umumnya tidak mengandung trigliserida.Makroalga biasanya diubah menjadi bio-oil (lipid dan asam lemak bebas), dan kemudian lipid dipisahkan untuk produksi biodiesel. Tingginya kandungan asam lemak bebas (FFA) dalam minyak dapat menahan sasaran transformasi meskipun FFA juga merupakan precursor biodiesel. Perolehan biodiesel dari biomassa basah hampir sepuluh kali lebih rendah dari biomassa kering yang berarti efek negatif dari air di percobaan transesterifikasi. Dengan demikian dehidrasi diperlukan untuk mencapai efisiensi yang tinggi.d. Bio-oilTeknik konversi termokimia, termasuk pirolisis dan pencairan, dapat mengkonversi biomassa menjadi bio-oil cair dengan cepat dibandingkan anaerobic digestion. PirolisisPirolisis dicapai pada suhu antara 400 dan 600oC dan tekanan atmosfer tetapi membutuhkan bahan baku kering.Selama proses pirolisis, struktur organik terdekomposisi menjadi fase uap, senyawa gas dan kaya residu karbon padat (char).Fasa uap kemudian terkondensasi menjadi produk cair yang disebut bio-oil. Studi menunjukkan bahwa bahwa proses pirolisis makroalga untuk produksi biofuel, yang mirip dengan proses pirolisis tanaman terestrial dan mikroalga. Mengalami tiga tahap yaitu: penguapan air, devolatilisasi primer dan dekomposisi residu, dan energi aktivasi makroalga lebih tinggi dibandingkan dengan biomassa terestrial. Hasil panen dan sifat bio-oil sangat tergantung pada beberapa faktor termasuk komposisi alga, temperatur pirolisis, tingkat pemanasan, konten bahan anorganik dll.Pirolisis makroalga di 500oC telah dibuktikan sebagai suhu yang sesuai untuk mencapai perolehan maksimal bio-oil. Tingkat pemanasan juga penting selama pembentukan bio-oil.Tingkat pemanasan yang rendah menyebabkan evolusi gas yang rendah tetapi perolehan bio-oil juga rendah dengan hasil arang tinggi.Laju pemanasan meningkat menyediakan energi panas yang lebih tinggi untuk memfasilitasi perpindahan panas yang lebih baik antara lingkungan dengan sampel, mengarah ke yang menghasilkanbio-oil yang lebih tinggi. PencairanPencairan adalah proses dimana biomassa mengalami reaksi termokimia yang rumit dalam media pelarut untuk membentuk produk terutama produk cair. Pencairan hidotermal (HTL) adalah proses menggunakan air sebagai media reaksi, dilakukan di air sub/superkritis (200-400oC) di bawah tekanan yang cukup untuk mencairkan biomassa untuk produksi bio-oil. Cairan bio-oil biasanya dipisahkan dengan ekstraksi dari reaksi campuran menggunakan pelarut organik seperti diklorometana, triklorometana dan aseton.Kadar abu di makroalga jauh lebih tinggi dari mikroalga, yang mengakibatkan hasil bio-minyak yang lebih rendah dibandingkan yang diperoleh dari HTL dari berbagai mikroalga (26-57% dw). Hal tersebut umumnya dikaitkan dengan kadar lemak mikroalga yang lebih tinggi, dibandingkan dengan makroalga yang memiliki kandungan karbohidrat tinggi.

4. Prospect pada Pemanfaatan Makroalga untuk Produksi Biofuel Makroalga merupakan sumber daya yang melimpah tetapi kurang dimanfaatkan. Saat ini, kurang dari 1% dari mikroalga yang tersedia digunakan. Meskipun, gagasan produksi biomassa untuk aplikasi energi adalah lingkungan yang lebih baik daripada bahan bakar fosil tetapi masih terhambat oleh efektivitas biaya dan hambatan teknologi. Teknologi biofuel masih memerlukan penelitian yang cukup dan pengembangan.Teknologi yang dipilih harus dievaluasi tidak hanya dari sudut pandang kelayakan teknis, efisiensi ekonomi tetapi juga dari sudut pandang lingkungan dan produk sampingan harus didaur ulang. Fermentasi untuk bioetanol dan hidrotermal dari makroalga basah lebih kompetitiF, sedangkan transesterifikasi untuk biodiesel, anaerobic digestion untuk biogas dan pirolisis untuk bio-oil terbatas untuk konten rendah lipid, penghambatan mineral atau konsumsi energi yang tinggi.Di satu sisi, makroalga memiliki konten mineral tinggi atau abu, terutama terdiri dari K, Na, Ca dan Mgyang tidak bermanfaat untuk penggunaan makroalga sebagai bahan bakar.Di sisi lain, logam alkali dapat menjadi potensi katalisator proses hidro-termal. Hal ini bijaksana untuk mendapatkan biofuel kualitas tinggi dan jumlah yang banyak.Akhirnya, integrasi makroalga ke biorefinery adalah sebuah tantangan.Makroalga matang dipanen pertama di bawah jaringan pengumpulan dan pre-teatment mekanik diperlukan untuk mengeluarkan benda asing sebelum perawatan hidrotermal.Pada bagian pertama mengubah rute, makroalga digunakan sebagai bahan baku langsung.Biogas, bio-minyak dan residu yang diperoleh selama proses tersebut. Untuk rute kedua, residu setelah fermentasi bioetanol difiltrasi dan kemudian bertindak sebagai bagian dari bahan baku hidrotermal.Untuk menstabilkan siklus ekstraksi hydrocolloids, rute ketiga dirancang.Residu ekstraksi juga ditambahkan ke perangkat hidrotermal pencairan sedangkan logam alkali tinggi mudah pulih setelah proses hidrotermal.

5. KesimpulanMakroalga memiliki keuntungan terhadap lingkungan dibandingkan dengan generasi pertama dan kedua. Teknologi anaerobic digestion telah cukup matang untuk menawarkan berbagai kemungkinan untuk lebih mengoptimalkan perolehan biogas (metana). Bioetanol dan perbaikan hidrotermal dari makroalga basah lebih kompetitif untuk transesterifikasi biodiesel, anaerobic digestion untuk biogas dan pirolisis untuk bio-oil terbatas untuk konten rendah lipid, penghambatan mineral atau konsumsi energi yang tinggi. Makroalga tidak mengandung banyak bahan fenolik dalam biofuel karena tidak adanya jenis lignin. Integrasi makroalga ke biorefinery adalah komitmen untuk konversi efisien biofuel.

0

1

3