16/11/2011

1

Yanni Sudiyani

Pusat Penelitian KIMIA-LIPI

STATUS TERKINI PENELITIAN DANPENGEMBANGAN BIOETANOL DARI BIOMASSA

LIGNOSELULOSA :Pretreatment Sakarifikasi dan Fermentasi

Out line

1. Pendahuluan

Mengapa bio-ethanol?

2. Status terkini litbang bioethanol - lignoselulosa

Perlakuan awal/ Pretreatment Hidrolisa/ Sakarifikasi enzimatikFermentasi

3. LITBANG Etanol dunia

4 . Keekonomian

Mengapa Bio-ethanol ?

• Kebutuhan dan konsumsi energi terus meningkat sementara sumber energi berbahan fosil makin terkuras

• Menurunnya kualitas udara karena polusi efek gas rumah kaca

• bahan bakar alternative, Sustainable, energi ramah lingkungan

= Bioetanol-Biomassa

bahan baku jumlahnya melimpahlebih baik dari bensin karena dapat meningkatkan efisiensi

pembakaranDapat mengurangi emisi gas rumah kaca

0%

-20%

-40%

-60%

-80%

-2% -2%-6%

-23%-17%

-64%

Reductions of GHG Emissions by Ethanol Blend toDisplace Gasoline

When a Vehicles is Driven for a Mile

E10 GV: DMCorn EtOH

E10 GV: WMCorn EtOH

E10 GV: Cell.EtOH

E85 FFV: DMCorn EtOH

E85 FFV: WMCorn EtOH

E85 FFV: Cell. EtOH

Pengurangan gas rumah kaca melalui penggunaan etanol dari bahan baku lignoselulosa

Pengurangan gas rumah kaca melalui penggunaan etanol dari bahan baku lignoselulosa

•Konsumsi energi perkapita indonesiamasih rendah.

•Indonesia negara kepulauan, sedangkan distribusi energi belum merata

• isu global : emisi karbon

Peluang (Opportunity)

• Memiliki banyak potensi bahan bakubioethanol ( jenis dan jumlah)

• Prosesnya menggunakan sumberenergi terbarukan (angin, tenaga surya)

• Masyarakat mampu beradaptasiterhadap perubahan

Unggul (Strength)

Lemah (Weakness)

• ketergantungan pada BBM• keterbatasan penguasaan teknologi• kurang minat pada pengembangan

pertanian.Pengembangan riset dan teknologi

Ancaman (Thread)• Resistensi masyarakat yang mayoritas

muslim

• Efisiensi energi yang masih rendah• isu global:

• mengutamakan pangan dari energi• Pembebasan hutan dan kelestarian

alam

Analisis SWOT pengembangan bioethanol di Indonesia

Keuntungan finansial / harga

Kemanfaatan

/mutu

• 11 % of US corn -> 2% of total fuel for automobiles

• Dramatic increase of demands cannot be met with 1st generation bioethanol.

Alternative source is needed (ex. Lignocellulose biomass)

Alternative source is needed (ex. Lignocellulose biomass)

Crisis of 1Crisis of 1stst generation bioethanolgeneration bioethanolCrisis of 1Crisis of 1stst generation bioethanolgeneration bioethanol

16/11/2011

2

Conventional Energy Based on Fossil resources

Expected depletion time?

50yr

Petroleum

200yr

Coal

65yr

Natural Gas

Alternative

Resources

Alternative

Resources

IndustrialBiotechnology

Renwable raw materials(Sugar, Glucose, Starch etc)

Biotechnology(Microorganism, Animal,

Plant cell & Enzymes)

+

Sustainable Energy

Needs for Biofuel-2Needs for Biofuel-2 Lignocellulose biomass

− Agriculture residues (straws, stover)

− Municipal wastes (pulp sludge, waste woods)

Wheat straw Rice straw Wood chip

SawdustSawdustBagasseBagasseCorn stoverCorn stover

Complex characteristics of lignocellulose biomass

Composed of :─ Cellulose (35−50%)─ Hemicellulose (20−35%)─ Lignin (10−25%)─ Extractive─ Ash

CelluloseHemicellulose

Lignin

Process for bioethanol from lignocellulose biomass

Proses Produksi Bioethanol berdasarkan bahan baku

Tebu (Molase)

Singkong, Jagung (pati)

Lignoselulosa(Cellulose,

Hemicellulose)Generation-2

Pretreatm

ent

Sakarifikasi

Fermentasi

Distillasi

Bioethanol

LITBANG : Produksi Bioethanol

Bio-oilChar

CellulosicBiomass Bioethanol

SeparationPurificationPretreatment Hydrolysis Fermentation

Ionic liquid/solid

Cellulose Sugar

Pervaporization

Bioethanol

Green Fuel

C5/C6 Sacchar.

Sacchar. & Fermen.

Pyrolysis

acidacid--alakalialakali pretreatpretreat././saccharsacchar..

Process intergration

Solid acid

Indirect

Enzim *

* Hidrolisis enzimatik lebih disukai karena lebih spesifikNamun cukup mahal

16/11/2011

3

Tantangan Lignoselulosa

selulosa terbungkus hemiselulosadan lignin dalam struktur yang kokohsulit dipecah.Ikatan antar glukosa adalah βglikosidictidak bisa dicerna ragiSacc. cer

Pati(bisa dicerna ragi)

selulosa(tidak bisa dicerna ragi)

Arahpengembangan

Arah pengembangan teknologiproses produksi bioethanol dari lignoselulosa

Teknologiperlakuan awal

Teknologisakarifikasi

Teknologifermentasi

Membebaskanselulosa dari struktur

komponenlignin&hemiselulosa

Membebaskanglukosa dari ikatan βglikosidic sellulosa

Memproduksi ethanol dari glukosa

Peningkatanefisiensi proses& kelayakan danmengurangidampaklingkungan

Pretreatment Lignoselulosa

• Metoda fisik: Penurunan ukuran, meningkatkan luas permukaan dan mengurangi kristal selulosa- milling, chipping, grinding- Gamma, iradiasi berkas elektron

• Metoda kimia- asam, basa- organosol, cairan ionik

• Metoda kimia fisik- steam, Liquid high Water (LHW)- AFEX, Amonia Recycle Percolation (ARP)

• Metoda biologi- jamur

Source: Galbe, M. And Zacchi, Adv, Biochem. Eng. Biotechnol. (2007)

1. Teknologi untuk menghasilkan selulosa yang bebas bahanpenghambat selulase (lignin, soda dll).Contoh LITBANG Teknologi: Modifikasi kraft pulping, Organosolve pulping (dengan asam asetat) Destruksi lignin secara biologis (menggunakan jamur)

Arah pengembangan teknologi1. Tahap produksi perlakuan awal (1)

Teknologiperlakuan awal

Teknologisakarifikasi

Peningkatanefisiensi&kelayakandanmengurangidampaklingkungan

1

2

Efisiensi teknologi pemurnian selulosa menggunakan bahan kimiadan perlakuan mekanik

Contoh LITBANG Teknologi: Thermomechanical pulping, Steam explosion, ammonia freeze explosion (AFEX) & CO2

explosion Rekayasa genetika untuk menghasilkan tumbuhan yang

selulosanya mudah dihidrolisis

Manfaat: Peningkatan nilai tambah lignin sebagai bahan baku industri

(bahan perekat dan pelapis, campuran semen, bahan bakar)

Arah pengembangan teknologiPerlakuan awal (2)

Ringkasan Pengaruh Variasi PretreatmentPada Komposisi Kimia - Struktur Biomassa Lignoselulosa

Increase accesible surface area

Decrystalize cellulose

Remove hemicellulose

Remove lignin Alters lignin structure

Uncatalyzed steam exp

Liquid hot water ND

pH control hot water ND ND

Flow-through liquid h water ND

Dilute acid

Flow-through acid

APEX

Amonia Recycle Perc

LIME ND

Source : N. Moiser et al.,Bioresour. Technol. 96:673-686 (2005)

16/11/2011

4

Sakarifikasi yang tangguh untuk bahan berlignin tinggiLitbang teknologi: Rekayasa genetik mikroba penghasil selulase untuk menghasilkan enzym

kebal lignin Sintesis dan formulasi additif yang ditambahkan bersama sama enzym pada

proses sakarifikasi untuk mengurangi dampak buruk lignin terhadap enzym Kajian menyeluruh hidrolisis kimiawi dengan katalis asam cair hingga

penanganan limbah katalisnya

Tahap produksi sakarifikasi (1)

Teknologiperlakuan awalTeknologisakarifikasi

Teknologifermentasi

Peningkatanefisiensi&kelayakandanmengurangidampaklingkungan

1

2

3Selulosa selobiosa gula sederhana

Tahap produksi sakarifikasi (2)

Sakarifikasi yang menghasilkan perolehan glukosa tinggi dan bebasbahan penghambat pertumbuhan ragi

LITBANG teknologi: Pengembangan membran selektif untuk menyaring glukosa Pengembangan enzym β glucosidase dan penggunaan katalis

asam padat yang spesifik mengkonversi cellobiose menjadiglukosa

Squencing dan mutasi gen Trichoderma reesei

Arah pengembangan teknologiTahap produksi sakarifikasi (3)

3. sakarifikasi yang lebih cepat, lebih murah dan lebihramah lingkungan. Contoh pengembanganteknologi.

– Proses hidrolisis kimiawi dalam pelarut lelehangaram ( ionic liquid) menggunakan katalis asampadat

– Sintesa turunan lignin untuk pemacu kerja selulase– Kajian penggunaan selulase berulang

Peningkatan efikasi enzim di masa mendatang

• Penurunan produk inhibisi oleh enzim

• Peningkatan toleransi etanol oleh enzim

• Peningkatan termo toleran oleh enzim yang tepat

• Peningkatan aktivitas silanase• Penurunan interaksi dengan substrat• Meningkatkan aktivitas spesifik oleh

enzim

• Pretreatment alkali dan SHF

• Pretreatment alkali dan SSF

= Penurunan Enzim

Source: Kelley, A. S. Et al. (genencor). 30 th Symp. on Biotech. For fuel and Chem. (2008)

1.fermentasi yang tangguh mengatasi dampakburuk pengotor.

LITBANG Teknologi:– Screening mikroba dan rege untuk menghasilkan ragi

yang tahan salinitas tinggi, viskositas tinggi dan, kontaminasi xylose, mannose dan gula pereduksi hasilhidolisis hemiselulosa lainnya

– Teknologi detoksifikasi hidrolisat

Arah pengembangan teknologiFermentasi

Teknologifermentasi

Teknologisakarifikasi

2

1

Peningkatanefisiensi&kelayakandanmengurangidampaklingkungan

Tahap produksi fermentasi (2)

1) Fermentasi yang memberikan yield alkohol tinggi dengan prosesfermentasi yang lebih cepat dan murah.

contoh pengembangan teknologi:1) Screening dan Rekayasa genetika untuk menghasilkan ragi yang

tahan kadar alkohol tinggi2) Screening dan rekayasa genetika untuk menghasilkan mikroba yang

bisa menghasilkan alkohol dari monosakarida selain glukosa ( monosakarida C-5 seperti xylose)

3) Penggunaan ragi non konvensional, seperti kuyberomyces lactis, yarrowia lipolytica, hansenula polymorpha dan pichia pastoris

4) Penggunaan bakteri Zymomonas mobilis5) pengembangan proses sakarifikasi dan feremntasi dilakukan

serentak.

16/11/2011

5

Demonstration of Cellulosic Bioethanol Production

Decrystallization/Hydrolysis

Filtration Fermentation Pervaporation

SMB(Simulated Moving Bed) Distillation

Wood chips

Negara institusi Penelitian

Jepang Kyoto University Sintesa ethanol dengan proses kimiawi lewat pirolisisbiomassa

Swedia Chalmers Technical University

Bersama perusahaan Taurus Energy mengembangkanpabrik ethanol dari lignoselulosa, memanfaatkanmonosakarida C-6 dan C-5 dalam lignoselulosa

Jerman Goethe University Menemukan ragi yang bisa memproduksi ethanol darixyloseDenmark Novo Nurdisk

India Osmania University •Metode detoksifikasi hidrolisat lignoselulosa•Modifikasi gen tumbuhan agar kandungan ligninnyarendah (tumbuhan yang dimutasi adalah tembakau)

Finlandia VTT Technical research center

Sequencing dan mutasi gen tricoderma reeesei

Inggris Britain’s biotechnology and biological science research council

Modifikasi gen tanaman sehingga selulosa lebih mudahdihidrolisis.

Institusi dunia yang berkecimpung dalamLITBANG proses produksi bioethanol - lignoselulosa

Negara institusi Penelitian

Amerika Mascoma corp. Verenium inc

Isolasi enzyme dari bakteri yang tumbuh di rayap, perut gajah untuk proses sakarifikasi

Canada Greenfield ethanol & Enerkem

Membangun pabrik ethanol lewat proses pirolisis daribahan baku sampah rumah tangga

Denmark Danish Technical University

Mengembangkan fermentasi menggunakan bakterithermofilik anaerobik yang bisa memproduksi ethanol dari monosakarida C-5 dengan perolehan hingga 7,5%Amerika Dartmouth’s Thayer

SchoolInggris Qteros Inc Mengembangkan clostridium phytofermentans (juga

dinamakan Q microbe) yang bisa menghidrolisisselulosa jadi glukosa dan mengubah fermentasi glukosajadi ethanol.

Inggris Gulf Ethanol corp Mengembangkan teknologi vortex implosion disintegrator yang diklaim mampu mengubah biomasajadi bubuk selulosa dalam hitungan detik

Institusi dunia yang berkecimpung dalamLITBANG proses produksi bioethanol - lignoselulosa

negara institusi Penelitian

Brazil Dedini’sSao Luiz mill corp

Mengembangkan teknologi Dedini Rapid Hydrolysis (DHR) dan mengaplikasikannya padaproduksi ethanol dari baggase . DHR diklaimmampu menurunkan ongkos produksi ethanol dari lignoselulosa dari 40 cent US$ menjadidibawah 27 cent US$ (20 cent euro) per liternya

Inggris Britain’s biotechnology and biological science research council

Modifikasi gen tanaman sehingga selulosa padatanaman mutagen lebih mudah dihidrolisis.(ceres dan edenspace (tidak saling kerjasama) melakukan mutasi pada sorgum)

Inggris Edenspace System Corp

Amerika Energy Crop Company Ceres,inc

Institusi dunia yang berkecimpung dalamLITBANG proses produksi bioethanol dari lignoselulosa

Institusi Indonesia yang berkecimpung dalam LITBANG prosesproduksi bioethanol -lignoselulosa

Institusi1. LIPI (6 Pusat Penelitian)

P2 Kimia : Pretreatmen kimia dan katalis ,TKKS

UPT Biomaterial: pretreatment biologi TKKS dan limbah tapioka, pencarian tanaman selulosa mudah dihidrolisis

UPT Yogya : b baku shorgumP2 Biologi : b baku lontar & tongkol

jagungP2Bioteknologi : screening mikroba P2 Telimek

2. BPPT : peta etanol b baku singkong3. Ristek : b baku bagas4. Bioteknologi Perkebunan : TKKS6. Dephut : bambu

Universitas1. UI : bagas dan jerami2. ITB : TKKS3. IPB : limbah pertanian4. UGM : TKKS5. UNIBRA : limbah pertanian6. UNMUL : limbah kehutanan7. UNILA : limbah pertanian8. UNW Islam Malang : red

algae

Keekonomian

16/11/2011

6

Perbandingan Biaya Proses untuk Pati dan Lignoselulosa dalam US $ per Liter

Pati LignoselulosaRaw Material 0.380 0.200

Kimia 0.019 0.041

Enzim 0.014 0.091

Produk Tambahan - 0.100 - 0.147

Sirup Tidak digunakan - 0.030

Steam 0.076 0.130

Lain-lain 0.017 0.031

Pemeliharaan dan asuransi

0.029 0.054

Tenaga Kerja 0.033 0.033

Modal 0.107 0.194

Total 0.575 0.597

Source: Galbe, M. And Zacchi, Adv, Biochem. Eng. Biotechnol. 108: 303 (2007)

Future Research Area : Bioenergy & Biorefinery (Korea)

Pretreat. Biomass

Biomass source → Bioethanol productionBiomass source → Bioethanol production

Cellulosic ethanol

Bio-oil/Biodiesel/High valued chemicals

•• New media New media •• Biological & Chemical technologies (Combination)Biological & Chemical technologies (Combination)

Biomass for the next-generation energy and chemicals Bioethanol production cost target: $Bioethanol production cost target: $1.5/gal 1.5/gal

Object

Saccharification Fermentation Separation/Purification

Ligno-cellulosic wastes Energy crops Plantation & tropical wastes

High-quality Bio-oil

NExBTL Biodiesel

Byproduct utilization : Glycerol, Lignin, …

Fast pyrolysis Biomass Catalysis

Pretreat. Biomass •• New media New media •• CatalysisCatalysisExtraction Hydrogenation

2nd generation bioethanol

tahun

USA 1 Japan2

Cost, $/L Cost, yen/L

2005 0.62 ─

2010 0.36 ─

2015 0.25 (0.453) 40

2022 0.17 203 (Rp 2000,-)

(2030 target)

1 : DOE (2007)2 : MITI (2007)3 : Novo (2009)

Terima kasih

Produsen enzim selulase

Nama perusahaan Kantor pusat product

Novozyme Bagsvaerd Denmark Novozyme Cellic Ctec2.

Dyadic Florida Amerika Alternafulel 100P. Alterna Fuel 200P

Codexis California Amerika Codexis

Zymetis Maryland amerika Ethazyme dan ZIP

Genecor Denmark Accellerase DUET

Industri dunia yang berkecimpung proses produksibioethanol dari lignoselulosa