1

Produksi Biofuel Berbahan Dasar Lipid dari Air Limbah Emilie EL Muller, Abdul R Sheik and Paul Wilmes

Diterjemahkan dan Dikembangkan Oleh:

Kelompok Insulin

1. Aisyah Nur Ridha (1306481991) 2. Charlie Hutajulu (1306482003) 3. Dellonix Afendri (1306482016) 4. Muhammad Syafaruddin (1306482035) 5. Titen Pinasti (1306482054)

ABSTRAK Seiring dengan meningkatnya populasi dunia, urbanisasi dan industrialisasi memicu peningkatan produksi air limbah. Air limbah terdiri dari sebagian besar energi kimia terutama dalam bentuk molekul organik (terutama lipid), yang saat ini tidak dapat dipulihkan secara komprehensif. Dalam sistem pengolahan air limbah (BWWT), mikroorganisme khusus yang dapat mengasimilasi dan menyimpan lipid anaerobik. Penyimpanan intraseluler menunjukan bahan baku yang menarik untuk sintesis biofuel. Didalam jurnal ini, kami sedang memahami tentang dasar genetik dan fungsional untuk bakteri yang mengakumulasi lipid dalam pengolahan, dan menghubungkan hal ini dengan populasi bakeri yag mengakumulasi lipid yang terjadi secara alami dalam rancangan BWWT. Sebuah tantangan besar bagi ekologis mikroba dan insinyur sekarang terletak dalam menerjemahkan pengetahuan ini ke dalam desain proses BWWT baru untuk recovery lipid komprehensif dari aliran air limbah dan konversi selanjutnya menjadi biofuel.

Kata Kunci: Biofuel, Limbah, BWWT, Lipid Pendahuluan

Biomassa adalah material yang berasal dari organisma hidup yang meliputi tumbuh-tumbuhan, hewan dan produk sampingnya seperti sampah kebun, hasil panen dan sebagainya. Tidak seperti sumber-sumber alamiah lain seperti petroleum, batubara dan bahan bakar nuklir, biomassa adalah sumber energi terbarukan yang berbasis pada siklus karbon.Biomassa bisa digunakan secara langsung maupun tidak langsung sebagai bahan bakar. Briket arang, briket sekam padi, briket ranting dan daun kering adalah contoh bahan bakar biomassa yang dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar pemanas atau sumber tenaga. Nilai kalor bakar biomassa bervariasi tergantung kepada sumbernya. Pemakaian biomassa dapat memberi kontribusi yang signifikan kepada managemen sampah, ketahanan bahan bakar dan perubahan iklim. Di pedesaan, utamanya di negara-negara berkembang, biomassa dari kayu, daun, sekam padi dan jerami merupakan bahan bakar utama untuk pemanasan dan memasak. Catatan dari International Energy Agency menunjukkan bahwa energi biomassa menyediakan 30% dari suplai energi utama di beberapa

berkembang. Dewasa ini lebih dari 2 juta penduduk dunia masih tergantung kepada bahan bakar biomassa sebagai sumber energi primer. Pemakaian biomassa secara langsung dapat menghemat bahan bakar fosil, akan tetapi disisi lain jika dipakai dalam ruang tanpa ventilasi yang memadai bahan bakar biomassa yang digunakan secara langsung dapat membahayakan kesehatan. Laporan International Energy Agency dalam World energy Outlook 2006 menyebutkan bahwa 1.3 juta orang di seluruh dunia meninggal karena pemakaian biomassa secara langsung. Selain pennggunaan secara langsung sebagai bahan bakar padat, biomassa dapat diolah menjadi berbagai jenis biofuel cair dan gas.

Mikroorganisme mendominasi biota bumi. Mereka menyandikan mayoritas keragaman genetik di planet dan mendukung hampir semua proses biogeokimia. Kemajuan dalam metode molekuler sekarang memungkinkan kita untuk menemukan gen yang terkandung luas pada ekosistem mikroba, dan sumber daya ini pada akhirnya akan mendorong dan mempertahankan kebutuhan masyarakat dan lingkungan kita.

2

Di antara komoditas terbarukan yang menarik langsung yang dapat diproduksi oleh mikroba dalam jumlah yang signifikan adalah biofuel. Biofuel adalah bahan bakar yang berasal dari hasil pengolahan biomassa oleh karena itu biofuel sering disebut pula energi hijau karena asal-usul dan emisinya yang bersifat ramah lingkungan dan tidak menyebabkan peningkatan pemanasan global secara signifikan. Biofuel yang popular dewasa ini adalah biodiesel dan bioetanol. Biodiesel diperuntukkan bagi mesin diesel, diperoleh dari hasil esterifikasi-transesterifikasi atau transesterifikasi langsung minyak atau lemak sedangkan bioetanol sebagai aditif atau substitusi premium dibuat dari proses hidrolisis, fermentasi dan distilasi biomassa berpati. Hal ini diproyeksikan bahwa mikroba menghasilkan biofuel yang pada akhirnya akan menggantikan bahan bakar berbasis minyak bumi serta biofuel generasi pertama dan generasi kedua. Biofuel generasi pertama disintesis dari bahan tanaman yang dapat dikonsumsi dan biofuel generasi kedua berasal dari bahan baku nabati non-makanan (misalnya bahan lignoselulosa) sering dianggap tidak berkelanjutan karena persaingan mereka dengan tanah yang subur dan dampaknya tidak signifikan dalam hal mengurangi emisi antropogenik gas rumah kaca. Meskipun demikian, biofuel generasi kedua dapat memiliki dampak yang signifikan dalam konteks spatiotemporal tertentu dimana dapat meningkatkan ketersediaan bahan baku misalnya mengubah air pasang yang menguntungkan mereka. Biofuel generasi ketiga yang didasarkan pada bahan mengandung minyak yang berasal dari mikroorganisme (mikroalga, ragi, bakteri) yang mampu tumbuh secara (foto-) heterotropikal pada limbah organik atau fototropikal pada karbon anorganik, tidak berbagi keterbatasan ini. Meskipun penelitian dan pengembangan telah difokuskan pada lipid turunan alga dan turunan ragi, mikroorganisme yang tersimpan dalam air limbah tertentu menunjukkan ciri - ciri fenotipik yang menarik yang dapat dimanfaatkan untuk produksi biofuel, terutama karena meningkatnya jumlah penduduk dunia, urbanisasi dan industrialisasi yang mengarah ke peningkatan produksi air limbah secara global. Secara khusus, biomassa mengandung minyak dari tanaman pengolahan air limbah biologis (BWWT) merupakan bahan baku potensial penting untuk produksi biofuel cair generasi

ketiga seperti biodiesel (alkil ester asam lemak) seperti sumber daya bernilai tinggi organik dan anorganik lainnya.

Biodiesel dibuat dengan reaksi transesterifikasi dimana digunakan katalis dan alkohol untuk memperoleh biodiesel dan gliserol. Katalis biasanya digunakan untuk meningkatkan kecepatan reaksi dan yield [3]. Katalis yang biasa digunakan dalam reaksi transesterifikasi adalah katalis basa seperti kalium hidroksida (KOH) dan natrium hidroksida (NaOH).

Reaksi transesterifikasi adalah reaksi bolak balik (reversible), oleh karena itu digunakan jumlah alkohol berlebih untuk menggeser kesetimbangan ke arah produk. Produk samping dari reaksi pembentukan biodiesel ini adalah gliserol. Proses pembentukan biodiesel ini mengurangi viskositas dari produk akhir. Transesterifikasi sangat luas digunakan untuk mengurangi viskositas minyak tanaman. Alkohol yang biasa digunakan dalam proses transesterifikasi adalah metanol akan tetapi etanol juga dapat digunakan namun mempunyai harga yang lebih mahal. Perbandingan rasio molar lemak sapi terhadap metanol 6:1 yang paling sering digunakan dalam proses industri yang menghasilkan konversi >98%.

Sistem BWWT saat ini didasarkan pada proses lumpur aktif dan hal ini terutama bergantung pada oksidasi mikroba molekul organikmenjadi CO2. Hanya sebagian kecil fraksi organik air limbah berasimilasi dengan biomassa lumpur. Proses anaerobik selanjutnya dari lumpur primer (terutama mengambangkan padatan dan gemuk dikumpulkan dari tangki penjernih primer) dan sekunder (lumpur aktif) untuk biogas hanya memungkinkan pemulihan energi kimia yang terbatas.

Dalam air limbah kota, lipid dapat mewakili lebih dari 40% dari total fraksi organik, dengan sebagian besar terdiri dari trigliserida (TAG) dan sebagian kecil dari asam lemak bebas rantai panjang. Agar dapat berpotensi memfasilitasi pemulihan energi kimia yang signifikan dari air limbah, misalnya melalui sintesis biodiesel langsung dari biomassa kaya lipid, khususnya bakteri yang terjadi dalam tanaman BWWT dan mengakumulasikan jumlah berlebihan dari lipid intraseluler bisa diekspoitasi.

Mikroorganisme mengandung minyak ini baik mengasimilasi lipid dari air limbah maupun mensintesisde novo dari sumber

3

karbon lainnya, dan menyimpannya sebagai lipid intraseluler netral, misalnya, TAG, ester lilin (WEs) atau polihidroksialkanoat (PHAs). PHAs telah diusulkan sebagai pengganti untuk plastik dari turunan petroleum. Namun, penggunaan alternatif PHA termasuk produksi dengan esterifikasi hidroksialkanoat metil ester (HAMEs), dapat berfungsi sebagai biofuel atau sebagai aditif bahan bakar. Dalam komunitas bakteri yang mendasari BWWT, akumulasi PHA bisa sangat cepat (misalnya sampai 77% dari berat kering sel dalam lima jam). Dua kategori utama organisme, yaitu organisme akumulasi fosfor dan organisme pengumpul glikogen, mengakumulasi PHA bila terkena kondisi anaerobik. Selain WEs etanol atau metanol, dalam rangka digunakan dalam mesin pembakaran internal umum, konten dari butiran lipid harus diubah menjadi bentuk yang kurang kental. Untuk mencapai hal ini, transesterifikasi TAGs paling sering dilakukan untuk menghasilkan asam lemak alkil ester (FAAEs), serta esterifikasi PHAs ke HAMEs.

Studi awal telah menunjukkan bahwa biomassa bakteri kaya lipid dari instalasi tumbuhan pengolahan air limbah biologis dapat langsung digunakan untuk sintesis biofuel. Asam lemak yang dominan dalam limbah cair berada dalam kisaran C14-C18 yang merupakan panjang rantai ideal untuk produksi biodiesel. Mondala et al mampu menghasilkan asam lemak metil ester (FAMEs) bentuk biodiesel dari lumpur primer dan sekunder dengan transesterifikasi kimia. Atas dasar metode mereka, mereka memperkirakan hasil 10% FAMEs per berat kering lumpur kering mengakibatkan biaya produksi diperkirakan sebesar $ 3.23 per galon (sekitar 0.20 per liter), yang lebih rendah dari harga konsumen saat ini diesel

berbasis minyak bumi dan biodiesel alternatif. Selain itu, mereka memperkirakan bahwa pengintegrasian ekstraksi lipid yang khusus dan proses transesterifikasi pada 50% dari semua tanaman BWWT yang ada di kota di Amerika Serikat bisa menghasilkan setara dengan 0,5% dari permintaan tahunan minyak solar AS. Namun, pemanfaatan di masa depan bahan baku biomassa mengandung minyak secara dramatis dapat meningkatkan hasil dan efektivitas biaya produksi biodiesel turunan air limbah. Oleh karena itu, bersama-sama dengan proyeksi perbaikan dalam efisiensi mesin, air limbah biodiesel bisa menjadi bagian penting dari setiap portofolio energi terbarukan di masa depan.

Mengetahui dan memahami fungsi dari gen yang terlibat dalam asimilasi, akumulasi dan pengolahan lipid mikroba merupakan pertimbangan penting untuk optimasi dan produksi biofuel skala besar dari limbah serta dari bahan baku yang kaya lipid kompleks lainnya. Tinjauan ini membahas pengetahuan kami saat metabolisme lipid bakteri dalam kaitannya dengan sampel lipid akumulasi organisme pada tanaman BWWT, yaitu asam lemak rantai panjang akumulasi organisme 'Candidatus Microthrix parvicella' (selanjutnya disebut M. parvicella) dan PHA akumulasi organisme 'Candidatus Accumulibacter phosphatis' (selanjutnya disebut sebagai A. phosphatis), serta dalam kaitannya dengan data sekuens metagenomic yang diperoleh dari tanaman BWWT. Selain itu, biofuel lipid dari turunan air limbah seperti bio-minyak dan hidrokarbon diproduksi menggunakan proses Fischer-Tropsch juga disajikan secara singkat. Akhirnya, sebuah konsep 'kolom air limbah biorefinery' untuk pemulihan di masa depan lipid yang kaya energi dari air limbah juga dibahas secara singkat.

Akumulasi Bakteri Lipid

Triacylglycerols dan wax ester

Pada bakteri, langkah akhir dalam biosintesis pada TAG dan WE adalah pengkatalisan oleh enzim yang sama, wax ester synthase/acyl-CoA:diacylgycerol acyltransferaseI (WS/DGAT), memastikan transfer dari sebuah acyl-CoA menuju sebuah fatty alchohol untuk menghasilkan sebuah WE atau menuju sebuah diacylglycerol (DAG) untuk menghasilkan sebuag TAG [13] (figure 1). Studi terbaru T

elah mendemonstrasikan garisbesar kekhususan substrat secara luas dari WS/DGAT [14*,15*,16*] dan telah menyoroti residu amino acid tertentu yang menentukan spectrum sbstratnya [17*,18,19]. Analisis endapan metagenome dan urutan genome yang baru-baru ini diterbitan dari M. parvicella strain Bio17-1 [21] menyoroti pentingnya gen WS/DGAT dalam pengaktifan endapan boimassa. Sangat menarik, ketegangan M. parvicella Bio.17-1 [21] mengkodekan 4 homolog dari WS/DGAT (figure 1) menunjukan bahwa redudansi enzimatik berperan dalam kemampuan organism ini

4

untuk mengakumulasi lipid secara intraselular dalam jumlah yang banyak.

Pemahaman kita tentang struktur dan dinamika dari tubuh lipid yang terbentuk selama akumulasi TAG atau WE telah berkembang sangat pesat melalui penelitian terbaru. Model yang dipakai saat ini mengemukakan bahwa ikatan WS/DGAT dengan membrane cytoplasmic, dimana hal tersebut mengkatalisasi sintesis dari lipid microdoplets. Microdoplets ini kemudian dilepaskan kedalam sitoplasma setelah percampuran dan dikelilingi oleh oleh monolayer pospolipid yang disusun dengan protein-protein [22]. Isolasi terbaru daritubuh lipid telah mengarahkan kepada pengidentifikasian dari banyak protein terkait, termasuk protein dengan jumlah yang berlimpah-limpah mengacu pada TadA, MLDS or LDP06283 [23,24,25**]. Protein ini berpengaruh dalam mengontrol ukuran butiran lipid [23,24,25*] dan oleh karena itu berpotensi menyatakan kunci gen yang mana mengatur akumulasi fenotip seluruh lipid. Pencarian terhadap TadA (HM625859.1) Rhodococcus atau LPD06283 (4218150) homolog dalam M. parvicella tidak menghasilkan sesuatu yang signifikanyang menyarankan bahwa penemuan dari urutan tambahan dari homolog TadA disahkan secara eksperimen dalam organism filogenetis yang tidak berkaitan akan menjadi penting untuk mengurai distribusi dari gen ini dalam domain bakteri. Selain itu, mekanisme tindakan dari protein ini perlu diklarifikasi bertujuan untuk memanfaatkan aplikasi boiteknologinya.

Pemahaman kita tentang akumulasi bakteri lipid telah digunakan untuk laboratorium bioenjiner untuk mengakumulasi jumlah yang lebih besar dari TAG atau WE (untuk ulasan terbaru lihat [26,27]). Secara menyolok, daftar lengkap dari gen bakteri terlibat dalam WE dan TAG biosintesis tidak diketahui hingga baru-baru ini. Gen ini termasuk didalamnya fatty aldehyde reductase yang diperlukan untuk sintesis fatty

alcohol sebelum sintesis WE [28-30] dan bakteri phosphatidic acid phosphatase (PAP) [31*] yang mana mengkatalisasi biosintesis dari DAG, reaksi yang didedikasikan pertama untuk sintesis dari TAG atau WE dari pada pospolipid dalam bakteri (figure 1). Selain itu, penelitian lebih lanjut telah mengusulkan keberadaan dari alternatif langkah biosintesis TAG melibatkan enzim berbeda untuk WE/DGAT [32,33] namun sejauh ini masih sukar dipahami.

Populasi bakteri diketahui untuk mengakumulasi TAG dan WE (terutama generasi actinobacterial diantaranya Mycobacterium, Rhodococcus, Nocardia atau Microthrix, namun juga dari taxa lain seperti Acinetobacter) adalah terbaru dalam biomassa dari endapan yang diaktifkan [34,35]. Organism ini secara khas menjadi satu rantai panjang fatty acid dibawah kondisi anaerobic, dapat menjadi sangat berlimpah [36] dan sering terlihat seperti busa diatas permukaan tangki anoxic BWWT [34]. Oleh karena itu, kami menyarankan bahwa pemulihan dari biomassa yang kaya akan lipid ini dengan menyiduk(skimming) lapisan-gumpalan pada permukaan menyediakan bahan baku untuk membuat sub-sekuen produksi boidisel dalam jumlah besar.

Dalam proses aktifasi BWWT berbahan dasar endapan, TAG tertentu mengakumulasi lipase ekskresi ekstraseluler, mengkatalishidrolisis lipid saat ini di sekeliling air limbah sebelum pembaurannya (figure 1) [37]. M. parvicella memiliki 8 lipase dan sesuai dengan kerumitan dari campuran lipid dalam air limbah dan persaingan inter-organisme yang luas, hal ini pasti telah memiliki spesifisitas substrat yang luas dan efisiensi enzimatik yang tinggi. Karakteristik enzim ini seharusnya terbukti sangat berguna untuk reaksi transesterfikasi yang terlibat dalam produksi biodiesel menggunakan jarak dari bahan baku lipid yang berbeda (lihat juga bagian From oleaginous biomass to biofuels via biocatalysis).

5

Gambar 1

Arah langkah bakteri metabolic utama yang terlibat dalam akumulasi lipid. Frekuensi dari

gen homolog spesifik dipaparkan dalam table hubungan untuk (i) sebuah data set

metagenom yang dibentuk melalui biomassa dari plan BWWT yang dioperasikan untuk

enhanced biological phosphorus removal (EBPR) [20]. (ii) genom dari lipid menghimpun

serabut actinobacterium M. parvicella Bio17-1 [21] dan (iii) polipospat menghimpun

betaproteobacterium A. phosphatis UW-1 [63], berdasarkan pada keterangannya (untuk

detail dari keterangan, lihat Supplementary Tables).

Singkatan: ACP: acyl carrier protein; DAG: diacylglycerol; FA: fatty acid; G3P: glycerol-3-

phosphate; PHB: polyhydroxybutyrate; Pi: inorganic phosphate; PPi: pyrophosphate; TAG:

triacylglycerol; WE: wax ester. atidak ditentukan; btidak ditemukan oleh pencarian BLAST dari

sekuen nukleotida dari 3 karakteristik sekuen PAP (Streptomyces coelicolor A3(2) gen

SCO1102 dan SCO1753 [31*] sebagai mana seperti gen EF535727.1 dari tegangan

Geobacillus toebii T85 [64]) atau FALDR dari Marinobacter aquaeolei VT8 (accession

number yp_959486 [30]); cdianotasikan hanya sebagai diacylglycerol acyltransferase.

6

Polihidroksialkanoat (PHAs)

Inklusi lipid bakteri yang paling umum yang disebut juga carbonosomes terdiri dari PHAs. PHAs telah diusulkan sebagai pengganti untuk plastik dari turunan petroleum. Namun, penggunaan alternatif PHA termasuk produksi dengan esterifikasi hidroksialkanoat metil ester (HAMEs), dapat berfungsi sebagai biofuel atau sebagai aditif bahan bakar (lihat juga Kotak 1).

Polihidroksibutirat (PHB) biasanya adalah PHA yang paling berlimpah. Gen-gen yang mengkode enzim terlibat dalam sintesis prekursor monomer PHB serta polimerisasi dan depolimerisasi (Gambar 1). Pemahaman saat ini didasarkan bekerja pada model organisme yang menunjukkan bahwa pembentukan granul PHB mengikuti 'rangka model' di mana sintesis PHB melekatkan rangka molekul untuk menghasilkan kompleks inisiasi untuk biosintesis PHA. Rangka molekul ini kemungkinan adalah DNA dan PHA protein granul PhaM, yang juga membantu dalam dimerisasi PHA. Lapisan protein granul PHA juga telah diidentifikasi akkhir akhir ini. Karena kepentingan industri PHA untuk produksi bioplastik, pekerjaan yang lebih luas telah dilakukan untuk meningkatkan produksi polimer ini melalui misalnya menerjemahkannya ke konteks heterolog. Dalam komunitas bakteri yang mendasari BWWT, akumulasi PHA bisa sangat cepat (misalnya sampai 77% dari berat kering sel dalam lima jam). Dua kategori utama organisme, yaitu organisme akumulasi fosfor dan organisme pengumpul glikogen, mengakumulasi PHA bila terkena kondisi anaerobik. Organisme ini mengkode homolognya dari gen yang terlibat dalam sintesis PHA (Gambar 1).

Kotak 1. Pencampuran Bahan Bakar

Minyak mentah merupakan campuran kompleks hidrokarbon terdiri dari rantai cabang alkana, alkena dan aromatik berkisar 4-2-3 karbon panjang. Oleh karena itu, komposisi hidrokarbon minyak mentah harus diubah dengan distilasi dan proses pemurnian untuk mencapai angka setana yang berbeda, yang mencerminkan kualitas pengapian di mesin diesel. Meskipun biodiesel dalam bahan bakar umum memenuhi standar spesifikasi, variasi dalam

stabilitas oksidatif, sifat dingin-aliran dan emisi gas buang dapat menyebabkan masalah kualitas . Namun, penggunaan aditif dan peningkatan angka setana serta campuran berbagai bahan bakar dapat meminimalkan keterbatasan ini, dengan demikian meningkatkan secara keseluruhan konsistensi kualitas dan sifat bahan bakar. Mengingat perbedaan kimia biodiesel bila dibandingkan dengan minyak berbasis diesel dan alkohol rantai pendek, pencampuran memungkinkan kecocokan yang baik dari karakteristik bahan bakar. Studi awal menunjukkan bahwa campuran etanol-diesel dan etanol-biodiesel-solar meningkakan pemulihan energi pembakaran karena meningkatnya oksigenasi bahan bakar serta mengurangi emisi gas buang. Campuran produksi bahan baku biodiesel baru-baru ini digunakan untuk memperbaiki sifat fisik bahan bakar. Strategi pencampuran tersebut juga dapat digunakan dalam konteks produksi air limbah biodiesel.

Kotak 2. Strategi alternatif menggunakan air limbah dan mikroorganisme untuk menghasilkan energi.

Strategi alternatif untuk memanfaatkan limbah atau lumpur limbah memiliki keterlibatan fotoheterotropik eukariotik (misalnya mikro-alga) atau organisme heterotrofik (misalnya ragi oleaginous). Selain itu, pengahncuran anaerobik lumpur untuk biogas adalah strategi pemulihan bioenergi dari air limbah, tetapi hanya sedikit dikenal karena keterbatasan yang ada, seperti pemulihan energi kimia yang terbatas, kualitas gas yang dihasilkan, masalah penyimpanan dan modal keseluruhan padainvestasi. Terlepas dari biofuel berbasis lipid, produksi energi elektrokimia merupakan jalan lain yang menarik untuk pemulihan energi dari air limbah. Ketika mikroorganisme mengoksidasi substrat, elektron ditransfer ke akseptor elektron. Sel bahan bakar mikroba (MFCs) mengandung anoda dan katoda untuk menghasilkan listrik dengan memanfaatkan aliran elektron. Umumnya, mikroorganisme yang terlibat dalam oksidasi substrat berada di anoda dan elektron menerima mikroorganisme pada katoda MFCs. Berikutnya perbedaan potensial antara anoda dan katoda mengarah ke generasi arus listrik. Daya yang dihasilkan

7

adalah merupakan faktor kunci untuk mengevaluasi kinerja MFCs. Saat ini, sisa MFCs yang masuk dengan air limbah jauh di bawah apa yang akan diperlukan untuk membuat mereka yang berkelanjutan secara ekonomi. Namun, penelitian berkelanjutan dalam lima tahun terakhir menunjukkan bahwa output energi MFCs jauh dari pencapaian potensi penuh (secara keseluruhan kami telah menyaksikan 10 kali lipat peningkatan pembangkit listrik dari MFCs dibandingkan dengan awal output) dan akibatnya, teknologi ini menunjukkan potensi besar sebagai sarana masa depan dalam memulihkan energi kimia dari air limbah.

Dari biomassa berminyak untuk biofuel melalui Biokatalisis

Selain WEs etanol atau metanol, dalam rangka digunakan dalam mesin pembakaran internal umum, konten dari butiran lipid harus diubah menjadi bentuk yang kurang kental. Untuk mencapai hal ini, transesterifikasi TAGs paling sering dilakukan untuk menghasilkan asam lemak alkil ester (FAAEs), serta esterifikasi PHAs ke HAMEs. Reaksi esterifikasi TAG dan PHA (trans-) memerlukan alkohol (metanol untuk FAMEs dan HAMEs, atau etanol untuk asam lemak etil ester - FAEE) dan katalis. Transesterifikasi TAG katalis dapat menjadi

lipase atau bahan kimia seperti asam atau basa (misalnya metode katalis bebas, lihat [46,47]). Produksi industri saat ini biodiesel oleh transesterifikasi kimia TAG memiliki beberapa kerugian termasuk konsumsi energi yang tinggi, kebutuhan garam dan penghapusan air untuk menghindari saponifikasi asam lemak bebas dan persyaratan untuk proses hilir, misalnya, penghapusan gliserol. Baru-baru ini, transesterifikasi enzimatik, dipercepat oleh lipase intraseluler atau ekstraseluler, telah disarankan sebagai alternatif masa depan. Metode enzimatik in vivo tampaknya menjadi jalan yang paling nyaman untuk menghasilkan biodiesel, tetapi dalam banyak kasus membutuhkan bioteknologi dari suku (strain) dan suku (strain) tersebut tidak mungkin mampu bersaing dengan organisme lain dalam sistem bioreaktor terbuka seperti tanaman BWWT. Di sisi lain, proses in vitro dapat digunakan untuk melibatkan, misalnya imobilisasi enzim atau enkapsulasi. Menariknya, gliserol, yang merupakan produk sampingan produksi biodiesel melalui transesterifikasi TAG, juga dapat digunakan kembali untuk mensintesis komoditas lain, terutama biodiesel dan bioetanol (untuk produksi biofuel alkohol rantai pendek menggunakan biomassa limbah, lihat bagian berikutnya)

Gambar 2

8

Rute Alternatif pada Produksi Biofuel Cair dari Air Limbah

Produksi bio-oil (juga biasa disebut minyak pirolisis), biofuel alkohol rantai pendek atau hidrokarbon kompleks oleh proses Fischer-Tropsch menyajikan metode alternatif untuk produksi biofuel cair dari air limbah. Strategi lainnya untuk menghasilkan bioenergi (biogas) juga di tunjukan pada kotak 2.

Produksi bio-oil dari cairan limbah oleh pirolisis belakangan ini telah mengambil banyak perhatian. Bahan baku biomasa mempengaruhi hasil pirolisis, tetapi kemajuan terbaru dalam mendefinisikan kondisi reaksi berdasarkan komposisi lumpur menghasilkan keefektifan biaya dari produksi bio-oil dari biomasa limbah. Untuk produksi skala besar dari turunan bio-oil, komposisi dan kualitas pembakaran dari bahan bakar yang diproduksi harus memperhatikan performa yang dibutuhkan tanpa menyebabkan mesin dan infrastruktur menjadi rusak. Nilai kalor dari proses pirolisis bio-oil sebesar 36 MJkg-1 dibandingkan dengandiesel komersial sebesar 45 MJkg-1. Selain itu, bio-oil dari lumpur BWWT mengandung berbagai hidrokarbon mulai dari C6 sampai C20, termasuk lipid isoprenoid seperti farnesene dengan nilai kalor yang cukup besar. Dengan memonitor komposisi hidrokarbon dari lumpur bio-oil dan target penyempurnaan yang lebih lanjut, konversi dari lumpur bio-oil menjadi berbagai macam produk tertentu membuka prospek komersial yang menarik.

Berbagai residu air limbah dapat digunakan untuk memproduksi biofuel alkohol dengan rantai pendek tetapi ini terbatas pada rancangan skala kecil. Walaupun buruk dipelajari, studi awal telah memberikan sorotan kemampuan fermentasi dari mikroorganisme yang memproduksi asam organik yang relevan dalam biomassa industri BWWT. Penelitian tambahan dalam mengidentifikasi dan membudidayakan mikroorganisme yang mempunyai kemampuan memproduksi kuantitas signifikan dari alkohol rantai pendek dari air limbah mungkin dapat ditingkatkan dalam produksi skala besar alkohol rantai pendek di masa yang akan datang.

Proses alternatif lainnya untuk menghasilkan biofuel cair sepeerti biodiesel dan alkohol rantai pendek menggunakan turunan air limbah yang melibatkan proses Fischer-Tropsch atau fermentasi menggunakan mikroba. Kedua proses melibatkan pengubahan atau konversi CO dan H2 menjadi hidrokarbon. Meskipun masih dalam tahap awal ketika diterapkan kedalam biomassa air limbah, produksi dalam skala yang besar saat ini sedang diuji cobakan (misalnya proyek SYNPOL)

Prospek Kolom Biorefinery untuk Produksi Biofuel dari Air Limbah

Dalam rangka meningkatkan populasi global dihubungkan dengan kerusakan lingkungan yang diakibatkan oleh aktivitas manusia, skenario pengembangan di masa depan seharusnya tidak hanya mencakup pemulihan energi (biofuel atau electricity) dari air limbah untuk mengurangi penggunaan bahan bakar fosil secara keseluruhan, tetapi juga termasuk ketentuan-ketentuan lain untuk memenuhi kebutuhan komoditas lain. Dalam hal ini, kami baru mengusulkan konsep kolom biorefinery air limbah yang memanfaatkan kekayaan yang ada dimasa depan dan informasi mengenai reservoir genetik mikroorganisme dan kapasitas fungsional mikroorganisme tersebut untuk produksi bioenergi berkelanjutan (Gambar 2), selain komoditas lain seperti bioplastik dan pupuk. Namun, agar konsep ini membuahkan hasil hal penting bagi kita untuk mendapatkan deskripsi yang rinci dai masing-masing anggota masyarakat dengan menggunakan metode monitoring global in situ. Setelah pengetahuan diperoleh, proses BWWT mungkin harus direkayasa menggunakan prinsip-prinsip dasar bottom-up yang memperhitungkan masing-masing contohnya ekologi kelompok organisme individu. Proses optimalisasi mungkin melibatkan rencana pendekatan discovering-driven, bukan strategi top-down yang digunakan sejauh ini. Kita masih mempunyai jalan panjang untuk pergi membawa visi ini untuk menghasilkan tetapi mungkin merupakan tantangan besar bagi ekologi mikroba dan insinyur untuk mengatasi seratus tahun Adern & Lockett menemukan lumpur akitif untuk proses pengolahan air limbah.

9

Daftar Pustaka

http://pse.ugm.ac.id/?p=329

Affandi RD, dkk. 2013. Produksi Biodiesel Dari Lemak Sapi Dengan Proses Transesterifikasi Dengan Katalis Basa NaOH. Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 2, No. 1 (2013)

Muller, E.E., Sheik, A.R & Wilmes, P. 2014. Lipid-based biofuel production from wastewater. Journal Biotechnology: Sciencediret. Vol 30, p 9-16.

Wijaya K. 2012. Biofuel Di Indonesia : Prospek, Perspektif Dan Strategi Pengembangannya. Yogyakarta: Pusat Studi Energi Universitas Gadjah Mada