Pretreatmen Biomassa: Kunci Keberhasilan Teknologi Produksi
Bioetanol Generasi Kedua
Bioetanol generasi ke dua berbahan baku biomassa lignoselulosa 'digadang-gadang' akan menjadi salah satu energi alternatif di masa depan. Namun, penerapan teknologi ini belum banyak berhasil ditingkat komersial. Salah satu kendala terbesar adalah sulitnya mememecah holoselulosa menjadi monomer gula yang bisa difermentasi menjadi etanol. Pengembangan teknologi pretreatment adalah salah satu solusi untuk memecahkan permasalahan ini. Keberhasilan pretreatment biomassa lignoselulosa akan membuka 'bottle neck' teknologi produksi bioetanol generasi kedua.
Kendala Hidrolisis Holoselulosa
Biomassa lignoselulosa terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Selulosa dan hemiselulosa sering juga disebut dengan holoselulosa. Holoselulosa adalah polimer gula. Bagian lignoselulosa yang bisa difermentasi menjadi bioetanol hanya holoselulosa setelah dihidrolisis menjadi monomer gula penyusunnya. Lignin adalah polimer dari gugus aromatik dan bukan merupakan polimer gula. Lignin dan monomernya tidak bisa difermentasi menjadi bioetanol.
Hidrolisis holoselulosa menjadi gula monomernya adalah langkah awal dalam proses produksi bioetanol. Permasalahanya adalah menghidrolisis holoselulosa di dalam lignoselulosa tidak selalu mudah. Kecernaan (digestibilitas) biomassa lignoselulosa asli adalah sangat rendah. Sebagai contoh, hasil hidrolisis enzymatik tandan kosong kelapa sawit (TKKS) hanya <4% dari kandungan selulosanya (Isroi 2013). Artinya dari satu kg TKKS yang mengandung 39% selulosa hanya diperoleh gula sebanyak 15.6 gr saja. Jika hasil gula ini difermentasi menjadi etanol, maka hanya diperoleh etanol sebanyak 8 gr. Hasil ini sangat-sangat tidak menarik secara ekonomi.
Padahal potensi biomassa lignoselulosa sangatlah besar. Sebagai contoh untuk TKKS; kandungan 39% selulosa dalam TKKS bisa menghasilkan 19.89% bioetanol. Sedangkan kandungan 23% hemiselulosa bisa dihasilkan bioetanol sebesar 18.17%. Jadi jika dijumlahkan akan bisa dihasilkan sebanyak 38.06%. Ini artinya dari setiap 1 kg bisa diperoleh 380,06 g bioetanol. Jumlah ini sangat banyak, apalagi jika dikalikan dengan volume TKKS yang tersedia.
Faktor-faktor yang menghambat hidrolisis biomassa lignoselulosa juga disebut sebagai ‘Biomass Recalcitrance’ (Himmel 2008). Sulitnya holoselulosa dihidrolisis menjadi gula monomernya disebabkan oleh beberapa hal. Pertama adalah komposisi dan struktur lignoselulosa. Selulosa dilindungi oleh hemiselulosa dan lignin (Gambar 1). Jika diibaratkan sebuah kabel, selulosa adalah bagian dari serabut elemen kabel. Serabut elemen ini dilindungi secara kuat oleh selaput pelindung, yaitu hemiselulosa, dan dilindungi lagi oleh lapisan lignin. Hemilselulosa merupakan polimer gula yang relatif lebih mudah dihirolisis daripada selulosa. Sedangkan, lignin adalah senyawa komplek yang
sangat sulit untuk dipecah, baik secara kimia, fisika maupun biologi. Lignin tersusun dari unit phenylptopan dan terdiri dari tiga unit yaitu: unit guaiacyl (G), syringyl (S), dan p-hydroxyphenyl-alcohol (P). Semakin banyak kandungan lignin dan hemiselulosa di dalam biomassa akan semakin menyulitkan selulosa untuk dihidrolisis.
Gambar 1. Gambar skematik struktur biomassa lignoselulosa (Isroi et al. 2011). Kendala berikutnya adalah suprastruktur dari selulosa. Selulosa merupakan polimer glukosa yang tidak bercabang. Banyaknya monomer glukosa yang mementuk rantai selulosa disebut dengan derajat polimerisasi yang berkisar antara beberapa ribu hingga puluhan ribu. Sebagai contoh, polimer selulosa kayu memiliki derajat polimerisasi kurang lebih 1500, sedangkan katun memiliki derajat polimerisasi hingga 15000. Semakin tinggi derajat polimerisasi selulosa akan semakin sulit selulosa tersebut dihirolisis (Alvira et al. 2010).
Beberapa rantai selulosa akan saling berikatan melalui ikatan hidrogen menjadi untaian serabut yang disebut dengan mikrofibril. Beberapa mikrofibril akan bergabung dan saling berikatan menjadi satu membentuk makrofibril. Ikatan antara rantai selulosa membentuk bagian yang disebut dengan area kristalin. Selulosa di area ini sangat kuat ikatannya dan sulit untuk dihidrolisis. Perbandingan antara area kristalin dan area yang amorf disebut derajat kristalisasi selulosa. Semakin tinggi derajat kristalisasi selulosa, semakin sulit selulsosa tersebut dihidrolisis (Al-Zuhair 2008).
Beberapa biomassa lignoselulosa memiliki struktur khusus yang melindungi dari proses degradasi dan dekomposisi. TKKS memiliki struktur yang disebut dengan silica bodies (Law et al. 2007). Silica bodies (tubuh silika) ini berbentuk seperti bola bergerigi yang mengelilingi serabut TKKS (Gambar 2).Tubuh silika ini ibaratnya paku-paku kecil yang menancap kuat di sekeliling permukaan serabut TKKS. Faktor –faktor lain yang menghambat hidrolisis selulosa antara lain adalah luas permukaan, ukuran partikel, volume pori-pori, dan beberapa kelompok asetil yang terikat pada selulosa (Anderson and Akin 2008).
Gambar 2. Silica bodies yang menyelubungi permukaan serabut TKKS (Isroi 2013).
Pretreatment Biomassa Lignoselulosa
Biomassa lignoselulosa memerlukan perlakuan awal (pretreatment) sebelum bisa dihidrolisis menjadi gula dan difermentasi menjadi bioetanol. Pretreatment ini bertujuan untuk memecah pelindung lignin, merubah struktur lignoselulosa, dan membuat selulosa dan/atau hemiselulosa menjadi lebih mudah dihirolisis (Mosier et al. 2005). Perhatikan pada Gambar 3 di bawah ini. Setelah pretreatment struktur lignin dan hemiselulosa akan pecah. Bagian kristalin selulosa akan merenggang dan menjadi berkurang kristalinitasnya.
Gambar 3. Efek pretreatment terhadap stuktur biomassa lignoselulosa (Mosier et al. 2005) Pretreatment bisa dilakukan dengan metode fisika, kimia, biologi, atau pun kombinasi dari metode-metode itu. Berbagai macam metode dan teknik pretreatment telah dicoba pada biomassa yang berbeda-beda. Hasilnya bervariasi untuk setiap metode maupun jenis biomassa lignoselulosa. Setiap metode pretreatment juga memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Beberapa metode pretreatment yang telah dilaporkan dalam literature diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Beberapa metode pretreatment biomassa lignoselulosa
Prinsip Proses/Metode Perubahan pada biomassa Referensi
Pretreatment mekanik atau fisik Milling: - ball milling - two-rol milling - hammer milling - colloid milling - vibrotory ball milling Irradiation: - gamma-ray - electron beam - microwave Lainnya: - hydrothermal - uap bertekanan tinggi - expansi
- extrusi - pirolisis - air panas
- mengurangi ukuran partikel - meningkatkan luas
permukaan yang kontak dengan enzim
- mengurangi kristalisasi selulosa
(Taherzadeh & Karimi, 2008) (Sun & Cheng, 2002) (Zhu, et al.,, 2005) (Thomsen et al., 2008) (Ahring et al.,, 1996) (Hendriks & Zeeman, 2009) (Eggeman & Elander, 2005) (Ohgren et al.,, 2006) (Kabel et al.,, 2007) Pretreatment kimia dan fisiko-kimia Explosion:
- eksplosi uap panas - ammonia fiber explotion - eksplosi CO2 - eksplosi SO2 Alkali: - sodium hidroksida - ammonia - ammonium sulfat - ammonia recycle percolation - kapur (lime) Asam: - asam sulfat - asam fosfat - asam hidroklorat - asam parasetat Gas: - Clorin dioksida - Nitrogen dioksida - Sulfur dioksida Agen Oksidasi: - Hidrogen peroksida - oksidasi basah - Ozone
Pelarut ekstraksi lignin: - ekstraksi etanol-air - ekstraksi benzene-air - ekstraksi etilen glikol - ekstraksi butanol-air - agen pemekar (swelling)
- meningkatkan pemukaan yang mudah diakses - delignifikasi sebagian atau
hampir keseluruhan - menurunkan kristalisasi selulosa - menurunkan derajat polimerisasi - hidrolisis hemiselulosa sebagian atau keseluruhan
(Sun & Cheng, 2002) (Taherzadeh & Karimi, 2008) (Eggeman & Elander, 2005) (Eklund et al., 1995) (Negro et al., 2003) (Bower et al., 2008) (Cara et al., 2008) (Kim & Hong, 2001) (Mosier, et al., 2005) (Saha & Cotta, 2008) (Shimizu et al., 1998) (Sun & Chen, 2008) (Sun & Chen, 2008b) (Sun & Cheng, 2005) (Zhang et al., 2008) (Kim & Lee, 2002) (Zhao et al., 2008) (Lloyd & Wayman, 2005) (Ahring et al., 1996) (Silverstein et al., 2007)
Biologi - Jamur Pelapuk Putih - Aktinomicetes
(Taniguchi et al., 2005) (Shi et al., 2008) (Keller et al., 2003) (Kirk & Chang, 1981)
Target Pretreatment Bioassa Lignoselulosa
Pretreatment merupakan tahapan yang banyak memakan biaya dan berpengaruh besar terhadap biaya keseluruhan proses (Chen and Qiu 2010). Sebagai contoh, pretreatment yang berhasil dapat mengurangi jumlah enzyme yang diperlukan dalam proses hidrolisis. Biomassa lignoselulosa memiliki karaktaristik yang berbeda-beda. Faktor-faktor yang mempengaruhi digestibilitas juga berbeda-beda untuk setiap biomassa lignoselulosa. Tidak ada satu metode pretreatment yang sesuai untuk semua biomassa. Demikian pula metode pretreatment yang berhasil diterapkan untuk satu biomassa belum tentu berhasil diterapkan pada biomassa yang lain. Pencarian metode pretreatment yang tepat dan ekonomis untuk jenis biomassa tertentu sangat diperlukan.
Target pretreatment biomassa lignoselulosa adalah meningkatkan digestibilitas holoselulosa setinggi-tingginya. Patokannya adalah potensi gula masimal yang bisa dihasilkan oleh biomassa lignoselulosa. Sebagai contoh, potensi glukosa yang bisa dihasilkan oleh TKKS adalah sebanyak 39% x 0.51 = 43.29%. Digestibilitas dinyatakan dalam persen (%) dan dihitung dari banyaknya gula yang dihasilkan dibagi dengan gula total dalam biomassa dan dikalikan dengan 100%. Semakin tinggi nilai digestibilitas artinya semakin banyak gula yang bisa dihasilkan. Digestibilitas tidak mungkin bisa mencapai 100%. Menurut saya, pretreatment yang bisa menghasilkan digestibilitas >85% sudah cukup baik.
Faktor lain yang perlu dipertimbangkan untuk mendapatkan metode pretreatment adalah faktor ekonomis dari teknologi tersebut. Biaya yang dibutuhkan untuk melakukan pretreatment + kebutuhan biaya hingga dihasilkan produk harus lebih rendah daripada nilai jual produk tersebut. Nilai jual ini bisa sangat relatif, tergantung pada kondisi perekonomian pada saat itu. Teknologi yang pada saat ini belum ekonomis, kemungkinan akan menjadi ekonomis pada masa-masa yang akan datang.
Teknologi pretreatment yang dikembangkan juga harus relatif mudah dan bisa dilakukan dalam skala yang besar. Banyak metode pretreatment yang telah dilaporkan di jurnal-jurnal ilmiah. Sebagian besar, metode tersebut baru dilaksanakan pada skala laboratorium. Peningkatan skala pretreatment ke skala yang lebih besar membutuhkan penelitian yang lebih cermat dan belum tentu akan sama hasilnya dengan skala kecil. Problem-problem yang belum muncul pada skala laboratorium akan muncul pada saat scaling-up. Kemudahan sebuah metode pretreatment dilakukan dalam skala yang besar merupakan salah satu target dari pengembangan metode pretreatment biomassa lignoselulosa.
Salah satu alasan pemanfaatan biomassa lignoselulosa adalah biomassa lignoselulosa dianggap lebih ramah lingkungan dan re-newable. Metode pretreatment yang dikembangkan sebaiknya juga ramah lingkungan dan tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan.
Indonesia memiliki potensi biomassa lignoselulosa yang sangat besar. Apabila potensi besar ini bisa diwujudkan menjadi produk bioetanol akan mencukupi sebagian kebutuhan energi bangsa Indonesia. Salah satu kunci untuk mewujudkannya adalah pengembangan teknologi pretreatment yang sesuai dengan jenis biomassa lignoselulosa di Indonesia. Jika pengembangan ini berhasil, bukan tidak mungkin bangsa Indonesia akan mandiri dan berdaulat di bidang energy, karena tidak tergantung pada sumber energy dari bahan bakar minyak (BBM).
Daftar Pustaka
Al-Zuhair S. 2008. The effect of crystallinity of cellulose on the rate of reducing sugars production by heterogeneous enzymatic hydrolysis. Bioresource Technology 99: 4078-4085.
Alvira P, Tomás-Pejó E, Ballesteros M, Negro MJ. 2010. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresour Technol 101: 4851-4861.
Anderson WF, Akin DE. 2008. Structural and chemical properties of grass lignocelluloses related to conversion for biofuels. J Ind Microbiol Biotechnol 35: 355–366.
Chen H, Qiu W. 2010. Key technologies for bioethanol production from lignocellulose. Biotechnology Advances 28: 556-562.
Himmel ME. 2008. Biomass Recalcitrance: Deconstructing the Plant Cell Wall for Bioenergy. Edition 1.: Wiley, John & Sons, Incorporated.
Isroi. 2013. Peningkatan Digestibilitas dan Perubahan Struktur Tandan Kosong Kelapa Sawit oleh Pleurotus floridanus dengan Penambahan Mn dan Cu. Dissertation. Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Isroi, Millati R, Syamsiah S, Niklasson C, Cahyanto MN, Lundquist K, Taherzadeh MJ. 2011. Biological pretreatment of lignocelluloses with white-rot fungi and its applications: A review. BioResources 6: 5224-5259.
Law KN, Daud WRW, Ghazali A. 2007. Morphological and chemical nature of fiber strands of oil palm empty-fruit-bunch (OPEFB). BioResources 2: 351-362.
Mosier N, Wyman C, Dale B, Elander R, Lee YY, Holtzapple M, Ladisch M. 2005. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresour Technol 96: 673-686.
