Teknologi Biopulping

Cerita singkat tentang teknologi biopulping. Sebenarnya teknologi biopulping sudah cukup lama dikembangkan. Beberapa ahli cukup intens mengembangkan teknologi ini. Salah satunya tim yang diketuai oleh M. Akhtar di Canada. Ada juga tim di Amerika dan Eropa. Tetapi berdasarkan jurnal-jurnal yang aku baca dan beberapa dokumen paten, tim M. Akhtar yang cukup berhasil setelah meneliti hampir 10 tahun sejak awal tahun 90-an.

Teknologi ini dikembangkan karena tuntutan teknologi lama sudah tidak memadai lagi. Teknologi pulping yang saat ini dipakai di industri berdasarkan proses kimai, fisik, atau kombinasi keduanya, yaitu: Mechanical Pulping dan Chemical Pulping. Di bawahnya masih dibagi beberapa kelompok lagi. Misalnya untuk chemical pulping masih dibagi-bagi berdasarkan bahan kimia yang digunakan. Kabarnya menurut orang industri pulp, proses terbaik yang masih mereka pakai adalah pemasakan dengan soda api (NaOH).

Literatur Pilihan untuk Bioethanol Selulosa

Seperti yang sudah saya sampaikan pada posting sebelumnya tentang topik penelitian bioethanol. Di posting ini saya ingin berbagi tentang literatur-literatur yang sebaiknya dibaca jika Anda ingin menekuni tentang bioethanol selulosa ini. Sebagian literature ini gratis, tetapi karena akses internet saya terbatas tidak semua linknya bisa saya berikan. Udah lama sekali dapatnya, lupa dari mana. Semoga bermanfaat.

Breaking the Biological Barrier to Cellulosic Ethanol: A Joint Research Agenda

Buku ini merupakan salah satu hasil workshop biofuel yang dilaksanakan di tahun 2005. Buku ini berisi status teknologi ethanol selulosa saat ini dan tantangan-tantangan ke depan. Dengan membaca buku ini minimal kita bisa tahu kemajuan teknologi bioethanol saat ini. Tentunya dengan melihat di bagian agenda riset (road map) bisa memberi inspirasi penelitian bagi kita.

Karakteristik Lignoselulosa

Lignoselulosa terutama tersusun atas lignin, selulosa, dan hemiselulosa. Kandungannya bervariasi tergantung pada jenis dan umur tanaman.

Lignin

Lignin adalah polimer tri-dimensional phenylphropanoid yang dihubungkan dengan beberapa ikatan berbeda antara karbon-ke-karbon dan beberapa ikatan lain antara unit phenylprophane yang tidak mudah dihirolisis (33). Di alam lignin ditemukan sebagai bagian integral dari dinding sel tanaman, terbenam di dalam polimer matrik dari selulosa dan hemiselulosa. Lignin adalah polimer dari unit phenylpropene: unit guaiacyl (G) dari prekusor trans-coniferyl-alcohol, syringyl (S) unit dari trans-sihapyl-alcohol, dan p-hydroxyphenyl (H) unit dari prekursor trans-p-coumaryl alcohol. Komposisi lignin di alam sangat bervariasi tergantung pada spesies tanaman. Pengelompokan seperti kayu lunak, kayu keras, dan rumput-rumputan, lignin dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, yaitu: guaiacyl lignin dan guaiacyl-syringyl lignin (Gibbs, 1958 in (34)). Guaiacyl lignin adalah produk polimerisasi yang didominasi oleh coniferyl alcohol, sedangkan guaiacyl-syringlyl lignin tersusun atas beberapa bagian dari inti aromatic guaiacyl dan syringyl, bersama dengan sejumlah kecil unit p-hydroxyphenyl. Kayu lunak terutama tersusun atas unit guaiacyl, sedangkan kayu keras juga tersusun atas unit syringyl. Kayu lunak ditemukan lebih resisten untuk didelignifikasi dengan ekstraksi basa daripada kayu keras (35). Hal ini menimbulkan dugaan bahwa guaiacyl lignin membatasi pemekaran (swelling) serat dan dengan demikian menghalangi serangan enzim pada syringyl lignin. Struktur yang lebih resisten dari guaiacyl lignin juga telah diobservasi di dalam study degradasi dari lignin sintetis oleh fungi perombak lignin Phanerochaeta chrysosporium (Faix et al., 1985).

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa: Pretreatment

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Pretreatment biomassa lignoselulosa harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang tinggi di mana penting untuk pengembangan teknologi biokonversi dalam skala komersial (Mosier, et al., 2005). Pretreatmen merupakan tahapan yang banyak memakan biaya dan berpengaruh besar terhadap biaya keseluruhan proses. Sebagai contoh pretreatment yang baik dapat mengurangi jumlah enzim yang digunakan dalam proses hidrolisis (Wyman, Dale, Elander, Holtzapple, Ladisch, & Lee, Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies, 2005) (Wyman, Dale, Elander, Holtzapple, Ladisch, & Lee, Comparative sugar recovery data from laboratory scale application of leading pretreatment technologies to corn stover, 2005). Pretreatment dapat meningkatkan hasil gula yang diperoleh. Gula yang diperoleh tanpa pretreatment kurang dari 20%, sedangkan dengan pretreatment dapat meningkat menjadi 90% dari hasil teoritis (Hamelinck, Hooijdonk, & Faaij, 2005). Tujuan dari pretreatment adalah untuk membuka struktur lignoselulosa agar selulosa menjadi lebih mudah diakses oleh enzim yang memecah polymer polisakarida menjadi monomer gula. Tujuan pretreatment secara skematis ditunjukkan pada Gambar 2.

Pretreatment lignoselulosa

Gambar 2. Gambar skema tujuan pretreatment biomassa lignoselulosa (Mosier, et al., 2005).

Referensi

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

1. Review: Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Sanchez, O.J. and Cardona, C.A. 2007, Bioresource Technology, p. .doi: 10.1016/jbiortech.2007.11.013 Article in Press.
2. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Kim, S. and Dale, B.E. 2004, Biomass and Bioenergy, Vol. 26, pp. 361-375.
3. Optimization studies on acid hydrolysis of oil palm empty fruit bunch fiber for production of xylose. Rahman, S.H.A., et al. 2007, Bioresource Technology, Vol. 98, pp. 554-559.
4. Pemanfaatan Tandan Kosong Kelapa Sawit sebagah Sumber Bahan Kimia. Nuryanto, Eko. 2000, Warta PPKS 8(3), p. 137.

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa : Hidrolisis Asam

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Hidrolisis meliputi proses pemecahan polisakarida di dalam biomassa lignoselulosa, yaitu: selulosa dan hemiselulosa menjadi monomer gula penyusunnya. Hidrolisis sempurna selulosa menghasilkan glukosa, sedangkan hemiselulosa menghasilkan beberapa monomer gula pentose (C5) dan heksosa (C6). Hidrolisis dapat dilakukan secara kimia (asam) atau enzimatik.

Hidrolisis Asam

Di dalam metode hidrolisis asam, biomassa lignoselulosa dipaparkan dengan asam pada suhu dan tekanan tertentu selama waktu tertentu, dan menghasilkan monomer gula dari polimer selulosa dan hemiselulosa. Beberapa asam yang umum digunakan untuk hidrolisis asam antara lain adalah asam sulfat (H2SO4), asam perklorat, dan HCl. Asam sulfat merupakan asam yang paling banyak diteliti dan dimanfaatkan untuk hidrolisis asam. Hidrolisis asam dapat dikelompokkan menjadi: hidrolisis asam pekat dan hidrolisis asam encer (Taherzadeh & Karimi, 2007).

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa : Fermentasi

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Beberapa spesies mikroba dari kelompok yeast/khamir, bakteri dan fungi dapat memfermentasi karbohidrat menjadi ethanol dalam kondisi bebas oksigen (Lynd, 1996). Mikroba melakukan fermentasi tersebut untuk mendapatkan energi dan untuk tumbuh. Berdasarkan reaksi kimia fermentasi, hasil maksimum teoritis dari setiap kg gula adalah 0.51 kg ethanol dan 0.49 kg CO2:

3C5H10O5 –> 5C2H5OH + 5CO2 (1)
C6H12O6 –> 2C2H5OH + 2CO2 (2)

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Penelitian produksi ethanol berbahan baku biomassa lignoselulosa, lebih dikenal dengan sebutan Bioethanol atau ethanol generasi ke dua, sangat intensif dilakukan dalam dua dekade terakhir (Yang & Wayman, 2007) (Hamelinck, Hooijdonk, & Faaij, 2005) (Sanchez & Cardona, 2007). Produksi ethanol dari lignoselulosa sudah dimulai sejak lama, (Moore, 1919) telah mematenkan teknologi untuk memproduksi ethyl alcohol (ethanol) dari kayu.

Produksi ethanol dari biomassa lignoselulosa dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok besar, yaitu: platform biokimia (biochemical platform) atau gula (sugar platform) dan platform thermokimia (thermochemical platform) (United State Departemen of Energy, 2008). Platform biokimia meliputi proses hidrolisis selulosa dan hemiselulosa menjadi monomer gula penyususnnya, fermentasi gula menjadi ethanol, destilasi dan dehidrasi untuk menghasilkan ethanol fuel grade. Platform thermokimia secara umum meliputi dua tahapan utama, yaitu: gasifikasi dan dilanjutkan dengan konversi gas yang dihasilkan menjadi ethanol.

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa : Purifikasi

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Produk hasil fermentasi dikenal dengan istilah ‘bir’ (beer) yang merupakan campuran antara ethanol, biomassa sel, dan air. Di dalam tahapan ini, konsentrasi ethanol dari biomassa lignoselulosa lebih rendah (≤ 5%) daripada ethanol yang berasal dari jagung. Konsentrasi ethanol yang dapat ditolelir oleh mikroba adalah kurang lebih 10% pada suhu 30oC, tetapi akan menurun dengan naiknya temperature (Hamelinck, Hooijdonk, & Faaij, 2005). Produk dari tahapan fermentasi berbentuk seperti bubur (slurries) dan sulit untuk ditangani, dimana kandungan padatannya sekitar 15%, dan juga terkait dengan kandungan ethanol yang kurang dari 5%.

Produksi Bioethanol Berbahan Baku Biomassa Lignoselulosa : Hidrolisis Enzimatis

---

Baca juga: Pendahuluan | Pretreatment | Hidrolisis Asam |Hidrolisis Enzimatis| Fermentasi | Purifikasi | Literatur

---

Selama Perang Dunia ke II ditemukan fungi yang menghancurkan baju dan tenda. Fungi tersebut adalah Trichoderma reseii yang menghasilkan enzim selulase dan dapat menghidrolisis selulosa (Hamelinck, Hooijdonk, & Faaij, 2005). Aplikasi hidrolisis menggunakan enzim secara sederhana dilakukan dengan menganti tahap hidrolisis asam dengan tahap hidrolisis enzim selulosa. Hidrolisis enzimatis memiliki beberapa keuntungan dibandingkan hidrolisis asam, antara lain: tidak terjadi degradasi gula hasil hidrolisis, kondisi proses yang lebih lunak (suhu rendah, pH netral), berpotensi memberikan hasil yang tinggi, dan biaya pemeliharaan peralatan relative rendah karena tidak ada bahan yang korosif (Taherzadeh & Karimi, 2007) (Hamelinck, Hooijdonk, & Faaij, 2005). Beberapa kelemahan dari hidrolisis enzimatis antara lain adalah membutuhkan waktu yang lebih lama, dan kerja enzim dihambat oleh produk. Di sisi lain harga enzim saat ini lebih mahal daripada asam sulfat, namun demikian pengembangan terus dilakukan untuk menurunkan biaya dan meningkatkan efisiensi hidrolisis maupun fermentasi (Sanchez & Cardona, 2007).