Review: Pemanfaatan Batang Jagung dari Hasil Pertanian di China sebagai Bahan Baku Bio-Hidrogen
ABSTRAK
Pencemaran udara yang ditimbulkan dari pembakaran bahan bakar fosil serta ketersediaan bahan bakar fosil yang tidak sebanding dengan tingginya pemakaian, menjadi faktor pemicu diperlukannya alternatif bahan bakar yang terbarukan serta ramah lingkungan. Salah satu
alternatif bahan bakar ini adalah bio-hidrogen yang diproduksi secara biokonversi dari batang jagung. Beberapa kriteria yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan proses biokonversi adalah mampu menghasilkan yield yang besar, waktu proses yang singkat serta biaya yang sedikit. Dengan membandingkan antara produksi hidrogen dari batang jagung yang telah di-pretreatment melalui proses enzimatik dan proses biokonversi batang jagung dengan bakteri anaerob, didapat proses anaeroblah yang dapat memenuhi kriteria tersebut.
Kata kunci: anaerob, bahan bakar fosil, batang jagung, biokonversi, hidrogen, proses enzimatik.
1. Pendahuluan
Penggunaan bahan bakar fosil di sektor industri maupun transportasi berdampak negatif terhadap lingkungan. Hal ini dikarenakan pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan gas-gas rumah kaca seperti NOx, CO2. CO, SO2, dan lain-lain yang dapat menimbulkan pencemaran udara. Selain itu, tingginya konsumsi bahan bakar fosil berbanding terbalik dengan menipisnya persediaan bahan bakar fosil. Maka diperlukan berbagai upaya untuk mengatasi permasalahan tersebut. Satu diantaranya adalah menggunakan bahan bakar yang ramah lingkungan dan terbarukan. Etanol, biodiesel, biogas dan hidrogen dapat menjadi alternatif pilihan pengganti bahan bakar fosil. Hidrogen sebagai bahan bakar alternatif memiliki prospek yang menjanjikan karena densitas energinya yang tinggi yaitu 122 Kj/g, 2.75 kali lebih besar dari densitas energi bahan bakar fosil dan menghasilkan pembakaran tanpa CO2 serta dapat diproduksi dengan menggunakan limbah
Limbah organik yang akan digunakan berupa biomassa hasil samping dari industri pertanian ataupun kehutanan. Biomassa umumnya berupa batang, ranting atau bagian lainnya dari tumbuhan. Biomassa ini tersedia dalam jumlah banyak namun seringkali tidak dimanfaatkan sehingga memiliki nilai jual rendah dan malah akhinya dibuang sebagai limbah. Berdasarkan angka statistik, setiap tahunnya China menghasilkan batang jagung sebanyak 10 MT. Batang jagung ini meskipun telah dimanfaatkan sebagai bahan bakar pembuatan steam dan bahan baku pembuatan furfural, masih tersisa banyak. Hal ini tentunya dapat menimbulkan permasalahan lingkungan karena menambah volum sampah. Sehingga
diperlukan upaya pemanfaatan lainnya yang mampu mengatasi permasalahan-permasalahan tersebut, salah satunya digunakan sebagai bahan baku pembuatan biohidrogen. (2)
Biomassa terdiri dari lignoselulosa yang terbagi menjadi empat komponen utama, yaitu selulosa, hemiselulosa, lignin dan zat ekstraktif. Selulosa merupakan komponen terbesar yang terdapat di tanaman dan kayu. Selulosa adalah polimer dari β-glukosa dengan ikatan β-1-4 antara unit-unit glukosa yang bersifat kristalin. Sedangkan hemiselulosa adalah gabungan dari polimer monosakarida seperti glukosa, galaktosa, xylose, arabinosa, asam 4-O-metil glukurunik dan residu asam galakturonik. Sementara lignin adalah komponen makromolekuler dinding sel ketiga dan merupakan suatu polimer yang kompleks dengan berat molekul tinggi, tersusun atas unit-unit fenilpropan.Lignin terdapat di antara sel-sel dan di dalam dinding sel dan berfungsi sebagai perekat untuk mengikat sel-sel.
Ada dua metode memproduksi biomassa menjadi hidrogen, yaitu dengan proses termo-kimia dan biologi. Proses secara biologi terbukti lebih ramah lingkungan dan hemat energi. Hidrogen yang dihasilkan dengan proses biologi merupakan produk samping dari metabolisme mikroorganisme. Terdapat tiga jenis mikroorganisme yang dapat menghasilkan bio-hidrogen, yaitu cyanobacteria, bakteri anaerob dan bakteri fermentasi. Proses anaerob untuk menghasilkan gas hidrogen umumnya menggunakan media limbah rumah tangga, limbah industri ataupun lumpur limbah. Jumlah glukosa yang diubah menjadi hidrogen
secara fermentasi dipengaruhi oleh mekanisme dan produk akhir dari fermentasi. Produk akhir dapat berupa asam butirik dan asam asetat yang dihasilkan dalam jumlah besar.
memecah struktur mikro sel dan meningkatkan porositas batang jagung sehingga meningkatkan proses hidrolisis dari lignoselulosa yang biodegradasinya rendah. Namun, dibandingkan dengan metode-metode tersebut, hidrolisis lignoselulosa menjadi hidrogen dengan proses enzimatik lebih ramah lingkungan dan hemat energi. (2)
Tulisan ini akan mereview 3 jurnal yang menggunakan 3 proses yang berbeda dalam menghasilkan gas hidrogen. Untuk dibandingkan proses mana yang mampu menghasilkan
yield hidrogen dalam jumlah besar serta memiliki aspek ekonomi yang paling bagus jika ditinjau dari lamanya operasi serta biaya yang dikeluarkan.
2. Proses produksi Bio-Hidrogen
2.1. Biokonversi Batang Jagung Menjadi Hidrogen Secara Langsung Menggunakan Clostridium sp. FS3.(4)
Studi ini menggunakan batang jagung yang diambil dari Kota Zhengzhou, China. Batang jagung dikeringkan dan digiling sampai berukuran 40 mesh dengan komposisi sebagai berikut: total padatan (Total Solid) 93.5%, total volatile solid (TVS) 83.9%, gula terlarut (SS) 22.6 mg/g-TS, selulosa 36.2%, hemiselulosa 30.8% dan lignin 15.3%. Batang jagung tidak di-pretreatment. Mikroba anaerob Clostridium sp. FS3. yang digunakan berasal dari kompos kotoran sapi dan didapat dari perternakan di Universitas Pertanian Henan. Media untuk mengisolasi dan memproduksi bakteri penghasil H2 terdiri dari 10 g/l batang jagung, 1 g/l NH4HCO3, 1 g/l KH2PO4, 10 m/l larutan nutrisi yang terdiri dari 0.1 g/l MgSO4.7H2O, 0.01 g/l NaCl, 0.01 g/l Na2MoO4.2H2O, 0.01 g/l CaCl2.2H2O, 0.015 g/l MnSO4.7H2O, 0.00278 g/l FeCl2.
Konsentrasi karbondioksida dan hidrogen dianalisa dengan gas kromatografi (GC, Agilent 4890D) yang dilengkapi dengan detektor konduktivitas panas (TCD) dan kolom porapak Q. Temperatur injeksi, oven dan detector adalah 100oC, 80oC dan 150oC. Nitrogen sebagai gas carrier dengan laju alir 20 ml/menit. Konsentrasi Volatile Fatty
Acid dan alkohol dideteksi menggunakan GC yang dilengkapi dengan FID (Flame Ionization Detector) dengan kolom sebesar 8 ft dengan 10% PEG-20M dan 2% H3PO4 (80/100 mesh).
2.1.1. Pengaruh dari Jumlah Nutrisi
dicapai sebesar 90.2 ml/g pada konsentrasi nutrisi 10 ml/l. Kemudian, jumlah tersebut menurun ketika penambahan nutrisi sebesar 10 sampai dengan 25 ml/l. Dari hasil analisa didapat kondisi operasi optimum produksi hidrogen yaitu menggunakan 20 g/l batang jagung mentah, 1.76 g/l NH4HCO3, 0.91 g/l KH2PO4 dan 10.4 m/l larutan nutrisi. Operasi dilakukan secara batch dengan temperature 36oC, yield hidrogen yang didapat sebesar 92.9 ml/g-batang jagung.
2.2. Proses Pretreatment Menggunakan Jamur untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen pada Fermentasi Termofilik Batang Jagung(1)
Pada studi ini, batang jagung diperoleh dari Wilayah Daxing, Beijing, China. Batang jagung terlebih dahulu dikeringkan dan digiling menjadi bubuk berukuran 18-mesh. Bubuk ini dikeringkan dan di oven pada temperature 60oC selama 24 jam. Pretreatment yang dilakukan menggunakan Trichioderma Reesei Rut C-30 yang dikembangbiakkan di PDA (potato dextrose agar) dan diatur pada pH 6. Pretreatment ini bertujuan untuk menghasilkan selulosa yang cukup untuk dapat difermentasi. Komposisi nutrisi yang digunakan untuk fermentasi adalah NH4HCO3 16.7 g/l, KH2PO4 8.3 g/l, MgSO4.7H2O 0.83 g/l, NaCl 0.08 g/l, Na2MoO4.2H2O 0.08 g/l, CaCL2.2H2O 0.08 g/l, MnSo4.7H2O 0.13 g/l dan FeCl2 0.02 g/l. Gas yang dihasilkan dianalisa menggunakan GC SP 4320 2 kolom, yang berisi molecular sieve 5A dan Poropak Q (80/100 mesh). Gas carrier berupa helium dengan laju alir 12 mL/min. Temperatur kolom, injektor dan detektor diatur pada suhu 70oC, 150oC dan 250oC.
2.2.1. Perbandingan fermentasi hidrogen secara termofilik dan mesofilik menggunakan batang jagung berkomposisi campuran
Fermentasi mesofilik dilakukan pada temperature 35oC dan fermentasi termofilik pada temperatur 50oC. Proses dilakukan selama 5 hari dan perbandingan antara batang jagung yang telah di pretreatment dengan batang jagung mentah adalah 1:3.
Volum hidrogen yang diproduksi fermentasi termofilik lebih besar daripada fermentasi mesofilik. Karena temperatur optimal hidrogenasi oleh
fermentasi secara mesofilik. Keaktifan selulosa yang tinggi meningkatkan efisiensi hidrolisa lignoselulosa.
2.2.2. Pengaruh waktu fermentasi jamur terhadap hidrogen yang dihasilkan dengan fermentasi termofilik
Volume hidrogen kumulatif meningkat dari 157.2 ml menjadi 194.9 mL ketika waktu fermentasi ditingkatkan dari 4 hari menjadi 6 hari. Volume hidrogen kumulatif ini berkorelasi dengan jumlah dan keaktifan selulosa yang terbentuk dari proses pretreatment.
2.3. Pretreatment Batang Jagung dengan Jamur Phanerochaete chrysosporium untuk Meningkatkan Proses Enzim Sakarifikasi dan Produksi Hidrogen. (3)
Pada studi ini batang jagung didapatkan dari Univeritas Pertanian Tenggara, Harbin, Provinsi Heilongjian, China. P. chrysosporium dikembangbiakkan di Potato Dextrose Agar (PDA). Batang jagung terlebih dahulu di pretreatment dengan P. chrysosporium pada suhu 29oC kemudian dihidrolisis secara enzimatik dengan Trichoderma viride. Selanjutnya diolah menjadi bio-hidrogen menggunakan Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16.
Proses produksi dilakukan secara batch, temperatur 60oC dan pH 7. Struktur karbohidrat, lignin dan kelembapan dari batang jagung yang di pretreatment dan tidak di pretreatment dianalisa menggunakan SEM (scanning electron microscopic). Produk gas (H2 dan CO2) diukur menggunakan gas chromatography (GC 4890 D, USA) yang menggunakan detector konduktivitas panas . HPL (high performance liquid chromatography) digunakan untuk menganalisa komposisi gula yang terhidrolisa dan gula yang terkonsumsi selama fermentasi.
2.3.1. Karakteristik fisik dan kimia batang jagung setelah pretreatment
Lignin pada batang jagung berkurang selama waktu kultivasi. Pengurangan maksimum sebesar 35.3 %, serta pengurangan holoselulosa sebesar 9.5% dicapai
2.3.2. Sakarifikasi enzimatik dari batang jagung yang telah di pretreated dengan jamur
Setelah 96 jam kultivasi, rasio sakarifikasi enzimatik antara batang jagung yang tidak di pretreatment dengan yang di pretreatment selama 3,6, 9, 12 dan 15 hari dicapai maksimum pada nilai 18.2%, 28.4%, 33.4%, 38.5%, 41.5% dan 47.3%. Sehingga dapat disimpulkan, rasio sakarifikasi enzimatik berkorelasi dengan kandungan lignin, semakin tinggi efisiensi enzim yang didapat semakin rendah kandungan lignin.
2.3.3. Produksi hidrogen dari hidrolisis batang jagung yang telah di pretreatment dengan jamur
Hidrolisis batang jagung menggunakan T. thermosaccharolyticum WI6 menunjukkan H2 langsung terbentuk setelah 6 jam inkubasi tanpa fasa lag. H2 kumulatif didapat sebesar 2812 ml/L setelah 36 jam fermentasi. Dengan menggunakan basis batang jagung sebesar 100 g, yield H2 yang didapat 80.3 ml/g-batang jagung yang di pretreatment. Selain itu, pada proses hidrolisis ini terbentuk asetat dalam jumlah besar yaitu 48.3%, diikuti oleh sejumlah butirat, etanol serta sedikit butanol dan piruvat.
3. Kesimpulan
Dari ketiga artikel ini dapat dilihat produksi gas hidrogen yang paling ekonomis serta menghasilkan perolehan yang besar adalah proses biokonversi batang jagung menggunakan
Clostridium sp FS3. Proses ini tidak membutuhkan pretreatment, mampu menghasilkan hidrogen sebanyak 92.9 ml/g-batang jagung, dan dilakukan pada kondisi mesophilik (T operasi 36oC). Sedangkan kedua proses lainnya, meskipun mampu menghasilkan yield yang besar yaitu pada proses “Pretreatment Menggunakan Jamur untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen pada Fermentasi Termofilik Batang Jagung” sebesar 194.9 mL dan proses “Pretreatment Batang Jagung dengan Jamur Phanerochaete chrysosporium untuk Meningkatkan Proses Enzim Sakarifikasi dan Produksi Hidrogen" sebesar 80.3 ml/g-batang jagung yang di-pretreatment, lamanya waktu proses dan waktu pretreatment serta tingginya
4. Daftar Pustaka
1. Cheng, Xi-Yu dan Liu, Chun-Zhao. 2011. “Fungal Pretreatment Enhances Hydrogen Production via Thermophilic Fermentation of Cornstalk” Elsevier Sciencer Publisher 2. Balat, Havva. 2010. “Hydrogen from Biomass-present Scenario and Future
Prospects’. Elsevier Sciencer Publisher.
3. Song, Zha-Xia., dkk. 2013. Direct Bioconversion of Raw Corn Stalk to Hydrogen by a New Strain Clostridium sp. FS3. Elsevier Sciencer Publisher.
4. Zhao, Lei., dkk. 2012. “Fungal Pretreatment of Cornstalk With Phanerochaete
