pemanfaatan biomassa untuk produksi biohidrogen
DESCRIPTION
Tugas Mikrobiologi Mengenai PEMANFAATAN BIOMASSA UNTUK PRODUKSI BIOHIDROGENTRANSCRIPT
TUGAS KULIAH BIOTEKNOLOGI MIKROB
PEMANFAATAN BIOMASSA UNTUK PRODUKSI BIOHIDROGEN
KHAIRUL ANAM P051090031/BTK
BIOTEKNOLOGI SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010
0
PEMANFAATAN BIOMASSA UNTUK PRODUKSI BIOHIDROGEN
I. LATAR BELAKANG
Pada tahun 1970an, terjadi krisis energi dunia yang disebabkan berkurangnya cadangan
pasokan energi yang berasal dari minyak bumi (energi fosil) untuk memenuhi kebutuhan
industri. Hal tersebut juga diikuti dengan masalah pencemaran lingkungan yang diakibatkan
menumpuknya limbah industri pengolahan hasil pertanian, limbah hasil samping industri dan
sampah rumah tangga (Miyamoto, 1997).
Dengan terjadinya krisis tersebut, mendorong masyarakat dunia khususnya di bidang
penelitian untuk mencoba mencari alternatif sumber energi yang dapat membantu memenuhi
kebutuhan industri yang terus berkembang. Selain itu, para peneliti juga berpikir bagaimana cara
untuk memanfaatkan limbah hasil dari proses industri guna mengurangi masalah pencemaran
lingkungan. Sehingga sejak tahun 1970an, penelitian yang berbasiskan pencarian energi
alternatif berkembang pesat. Dengan diiringi isu pencemaran lingkungan, banyak penelitian
yang menggunakan tema memanfaatkan limbah hasil industri untuk produksi energi alternatif.
Banyak penelitian telah dilakukan, baik penelitian tersebut menggunakan metode fisika,
kimia ataupun biologi. Miyake, 1997, melakukan perbandingan metode terhadap pemanfataan
limbah dalam produksi energi alternatif. Penelitian tersebut membandingkan proses recovery
energi dari suatu limbah antara yang diproses secara fisika dengan yang diproses secara biologi.
Limbah cair dari industri makanan tertentu diasumsikan mengandung 0.054 M glukosa dalam 1 l
air limbah, dimana dari kadar glukosa tersebut bisa dihasilkan energi sekitar 150 kJ. Apabila
hanya menggunakan metode fisika, perlu 2260 kJ untuk menguapkan 1 l air limbah tersebut.
Efiesiensi energinya menjadi tekor sebanyak 2110 kJ. Sedangkan apabila menggunakan metode
biologi, dihasilkan etanol, yaitu melalui proses fermentasi dengan menggunakan yeast, dimana
etanol tersebut diasumsikan dapat menghasilkan energi sebesar 148 kJ. Apabila dikonversikan
menjadi gas metana, maka energi yang dapat dilepaskan adalah 145 kJ. Dengan menggunakan
bakteri fotosintetik dapat mengkonversi glukosa tersebut menjadi hidrogen yang dapat melepas
energi 186 kJ. Dari pernyataan tersebut, produk berupa gas, baik metan dan hidrogen menjadi
pilihan yang menguntungkan secara perbandingan. Meskipun etanol lebih mudah dan hasilnya
1
juga memuaskan, akan tetapi dalam produksi etanol masih membutuhkan energi lagi untuk
pemisahan etanol dari air yang masih bercampur.
Apabila dibandingkan dengan gas metana, gas hidrogen lebih memiliki prospek. Gas
hidrogen merupakan energi masa depan karena dapat diperbaharui dan juga tidak menimbulkan
polusi yang menyebabkan efek rumah kaca, aman bagi lingkungan. Gas hidrogen melepaskan
energi yang besar dalam satuan unitnya dan mudah dikonversikan menjadi listrik melalui fuel
cell sebagai bahan bakar (Miyamoto, 1997).
Gas hidrogen selain diproduksi melalui proses biologis, juga lebih dulu diproduksi
melalui proses gasifikasi minyak bumi dan juga hidrolisis dengan sistem elektrolisa, yaitu
memecah air menjadi hidrogen dan oksigen dengan sel elektro kimia. Akan tetapi menimbang
dengan semakin berkurangnya cadangan minyak bumi dunia, gasifikasi minyak bumi untuk
menghasilkan hidrogen dikurangi atau dihilangkan. Sedangkan untuk mendapatkan hidrogen
dengan sistem elektrolisa membutuhkan energi yang sangat besar. Oleh karena itu, produksi
hidrogen melalui sistem biologi terasa lebih visioner.
Hidrogen dapat dihasilkan melalui proses biologi, dapat diproduksi oleh mikroalga
ataupun bakteri dan disebut biohidrogen. Ada tiga jenis mikroorganisme yang dapat
memproduksi hidrogen. Pertama adalah sianobakter. Mikrorganisme ini memecah air menjadi
hidrogen dan oksigen melalui proses fotosintesis. Mikroorganisme ini tidak memerlukan bahan
organik sebagai makanannya. Kedua adalah bakteri anaerobik, dimana bakteri ini menggunakan
bahan organik sebagai sumber makanan dan mengubahnya menjadi hidrogen. Reaksinya cepat
dan tidak membutuhkan cahaya matahari. Proses ini lebih menguntungkan dalam pengolahan
limbah skala besar. Yang ketiga adalah bakteri fotosintetik, dimana merupakan kombinasi dari
bakteri anaerobik dan sianobakter. Meskipun dapat mengubah bahan organik menjadi hidrogen
dengan hasil lebih tinggi, bakteri fotosintetik tetap memerlukan cahaya untuk dapat bertahan
hidup (Benneman, 1997).
2
II. PERUMUSAN MASALAH
1. Biohidrogen dapat diproduksi melalui tiga metode, yaitu secara 1. fotosintetik, 2.
anaerobik, 3. fotofermentasi, maka metode manakah yang cocok digunakan untuk
produksi biohidrogen dengan memanfaatkan biomassa atau limbah biomassa sebagai
substrat
3
III. STUDI PUSTAKA
Secara alami hidrogen dapat diproduksi oleh organisma melalui proses fotosintesis,
pencernaan makanan, maupun melalui siklus Kreb dengan menggabungkan dua atom hidrogen
dan donor elektron.
2H+ + 2e- H2 (1)
Biohidrogen juga dapat dihasilkan secara mikrobiologis melalui fermentasi dengan
melibatkan enzim hidrogenase atau nitrogenase. Proses fermentasi substrat menjadi hidrogen
dapat melalui dua proses fermentasi, yaitu secara anaerobik atau secara fotofermentasi (Miyake,
1998). Fermentasi adalah proses perombakan molekul komplek menjadi molekul sederhana oleh
mikroba, baik secara aerobik dan anaerobik. Produksi biohidrogen dari limbah organik (limbah
dari pabrik makanan) umumnya menggunakan teknik fermentasi yang melibatkan bakteri
anaerobik atau fotosintetik, seperti Clostridium, Escherichia coli, Enterobacter alcaligenes,
Lactobacillus, Rhodobium, Rhodopsedomonas, Rhodobacter atau Rhodospirilium (Sode, et. al.,
1998; Ikke, et. al., 1998; Nandi & Sengupta, 1998).
Banyak penelitian yang telah dilakukan baik yang diproduksi oleh mikroalga, secara
anaerobik atau fotofermentasi. Pada tahun 1990an telah dilakukan banyak penelitian tentang
produksi hidrogen dimana dilaporkan bahwa produksi tertinggi adalah hanya 2 mol H2, padahal
secara teoritis apabila menggunakan glukosa, dari 1 mol glukosa dapat menghasilkan 12 mol H2
untuk fermentasi oleh bakteri fotosintetk dan 4 mol H2 untuk bakteri anaerobik.
Bakteri Fotosintetik (2)
1. C6H12O6 + 6H2O 24H+ + 6CO2 + 24e 12H2 + 12CO2 G = -33.8 kJ 2. C3H6O2 + 3H2O 12H+ + 3CO2 + 12e 6H2 + 3CO2 G = 51.2 kJ
Bakteri Anaerobik (3)
1. C6H12O6 + 2H2O 2CH2COOH + 2CO2 + 4H2 G = -184.2 kJ 2. C6H12O6 C4H8O2 + 2CO2 + 2H2 G = -257.1 kJ
4
IV. PEMBAHASAN
Pada masa ini, belum ada proses produksi biohidrogen yang bisa langsung dipraktekkan
dalam skala besar. Akan tetapi, banyak konsep yang dapat mewujudkan hal tersebut. Seperti
konsep mengubah bahan organik menjadi hidrogen, pemaksaan kondisi mikroba agar
menghasilkan hidrogen, perbedaan suhu pada suatu proses, yang kemudian dibandingkan dengan
proses lain melalui dua tahap, penggunaan suhu tinggi, hingga pemakaian katalis bisa dijadikan
konsep produksi biohidrogen.
Meski hanya konsep dasar, bukan berarti tidak dapat diaplikasikan. Hasil biohidrogen
melalui fermentasi anaerobik hanya bisa mencapai kurang dari 20% dengan menggunakan
substrat limbah organik lebih kecil daripada produksi CH4. Hasil lebih besar bisa diperoleh
dengan peningkatan suhu, pembatasan nutrisi dan juga melalui pendekatan rekayasa
metabolisme dari bakteri. Fotofermentasi, perubahan bahan organik melalui bakteri fotosintetik
pengikat nitrogen, dapat menghasilkan biohidrogen yang lebih tinggi, akan tetapi sistem masih
bergantung pada cahaya. Tidak efisiennya sifat dari enzim nitrogenase, maka penggunaan enzim
hidrogenase yang irreversible lebih diprioritaskan. Fermentasi biasa secara anaerobik bisa
menjadi lebih baik untuk pengolahan limbah organik menjadi biohidrogen dibandingkan dengan
fotofermentasi karena tingginya modal pembuatan fotobioreaktor (Benneman, 1997).
Telah dilakukan berbagai penelitian dalam produksi biohidrogen untuk mendapatkan
hasil yang maksimal meskipun bisa dikatakan belum efisien. Berikut adalah catatan dari banyak
penelitian tentang biohidrogen secara fotofermentasi seperti pada tabel 1.
Tabel 1. Produski biohidrogen dari berbagai referensi TAHUN MEKANISME SUBSTRAT HASIL REFERENSI
1997 fotofermentasi 7.5 mM asam malat 120 mL total Eroglu, I 1997 fotofermentasi limbah susu 85 mL total Turkarslan, S 2000 fotofermentasi 50 mM na laktat 269 mL % total Barbosa, M. J. 2006 Kombinasi 40 mM glukosa 52 mL total Redwood, M. D. 2006 fotofermentasi 28 mM glukosa 5 mL H2 Fang, H. H. P. 2007 fotofermentasi 30 mM glukosa 70 mL total Li, R. Y. 2007 fotofermentasi 30 mM na laktat 255.4 mL total Li, R. Y. 2008 fotofermentasi 25 mM glukosa 45 mL H2 Penelitian sekarang 2008 fotofermentasi 50 mM glukosa 120 mL H2 Penelitian sekarang 2008 fotofermentasi hidrolisat limbah tebu 50 mL H2 Penelitian sekarang
Catatan: untuk penelitian yang dilakukan sekarang adalah penelitian yang dilakukan oleh Puslit Bioteknologi LIPI, Cibinong
5
Dari masa ke masa telah banyak dilakukan optimasi, baik dari mikroorganismenya
sendiri dengan melakukan mutasi atau rekayasa metabolisme, teknologi fermentasi dengan
menggunakan fotobioreaktor yang telah dimodifikasi, pengaruh substrat, atau dengan pemberian
katalis seperti enzim. Sehingga pada saat ini dilaporkan bahwa produksi hidrogen telah dapat
mencapai 4 mol H2 dari 1 mol glukosa (untuk proses fotofermentasi). Hal ini pun tidak berhenti
sampai disitu karena asumsi dari para peneliti, hasil tersebut masih dapat ditingkatkan.
6
V. KESIMPULAN
1. Metode yang cocok digunakan untuk produksi biohidrogen selama ini adalah dengan
menggunakan metode fermentasi anaerobik dengan memanfaatkan biomassa atau limbah
biomassa cair dan agen mikroba anaerobik akan tetapi untuk memperoleh yield yang
lebih tinggi dikembangakan sistem fotofermentasi dengan menggunakan bakteri
fotosintetik.
7
VI. DAFTAR PUSTAKA
Benneman, J. R. 1997. The Technology of Biohydrogen. Proceedings of International Conference on Biological Hydrogen Production 18-30 C.M. Pan a,b, Y.T. Fan a, Y. Xing a, H.W. Hou a, M.L. Zhang. 2006. Statistical optimization of process parameters on biohydrogen production from glucose by Clostridium sp. Elsevier. Bioresource Technology 99 (2008) 3146–3154 Dénes Búcsúa, Zbynek Pientkab, Sándor Kovácsa, Katalin Bélafi-Bakóa. 2006. Biohydrogen recovery and purification by gas separation method. Elsevier. Desalination 200 (2006) 227–229 I˙nci Erog˘ lua, Altan Tabanog˘ lua, Ufuk Gu¨ ndu¨ zb, Ela Erog˘ lua, Meral Yu¨ celb . Hydrogen production by Rhodobacter sphaeroides O.U.001 in a flat plate solar bioreactor. Elsevier. International Journal of hydrogen energy 33 ( 2008 ) 531 – 541 Ikke A., Toda N., Murakawa T., Hirata K. & Miyamoto K. Hydrogen photoproduction from starch in CO2-fixing microalgal biomass by a halotolerant bacterial community. BioHydrogen. Plennum Press, New York. 1998. Maria J. Barbosa, Jorge M.S. Rocha, Johannes Tramper, Rene´ H. Wijffels. 2000. Acetate as a carbon source for hydrogen production by photosynthetic bacteria. Elsevier. Bioresource Technology 99 (2008) 3146–3154 Mark D. Redwood, Lynne E. Macaskie. 2006. A two-stage, two-organism process for biohydrogen from glucose. Elsevier. International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006) 1514 – 1521 Miyake, J. 1997. The Technology of Biohydrogen. Proceedings of International Conference on Biological Hydrogen Production 7-18
Miyamoto, K. 1997. Renewable Biological Systems For Alternative Sustainable Energy Production. FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations
Nandi S. & Sengupta S. Microbial production of hydrogen: An overview. Critical Rev. in Microbiol, 24 (1): 61-84. 1998. Ru Ying Li, Herbert H.P. Fang. 2008. Hydrogen production characteristics of photoheterotrophic Rubrivivax gelatinosus L31. Elsevier. International Journal of hydrogen energy 33 ( 2008 ) 974 – 980 Sode K., Watanabe M., Makimoto H. and Tomiyama M. Effect of hydrogenase 3 over-expression and disruption of nitrate reductase on fermamentative hydrogen production in Escherichia coli. BioHydrogen. Plennum Press New York. 1998
8