Membuat Hydrogen Fuel Pada Temperatur dan Tekanan Ruang Dengan Single Enzyme Biomineralization

Membuat Hydrogen Fuel Pada Temperatur dan Tekanan Ruang Dengan Single Enzyme Biomineralization

Ketika mendengar “hydrogen fuel” atau bahan bakar hidrogen, seringkali di benak ini yang terisi adalah pemikiran “membakar” hidrogen sehingga mendapatkan energi siap pakai (listrik, gerak, panas). Namun perlu diketahui FUEL dalam hal ini jangan diterjemahkan “bahan bakar” yang mengandung pengertian “combustion” seperti motor bakar. Sehingga sering disebut juga FUEL CELL (bahan bakar sel).

Hydrogen fuel cell yang dipakai dalam transportasi adalah hidrogen yang dipergunakan untuk menghasilkan listrik. Kemudian listriknya dipergunakan untuk kebutuhan lain, misal penggerak motor elektrik. Sebagai “bahan bakar“, hidrogen tidak pernah dijumpai di alam. hidrogen selalu berupa gas “buatan”, man made fuel. Nah pembuatannya memang bisa dilakukan dengan elektrolisa dari sumber air (H2O), atau dapat dihasilkan dari proses pemecahan Hydrocarbon (CH). Oleh sebab itu disinilah rumitnya perhitungan efisiensi energi yang akhirnya berujung pada nilai keekonomian pemanfaatan hydrogen fuel (Pakde, 2010).

Gambar 1. Individual Fuel Cell (Pakde, 2010).

Hidrogen dapat di produksi dari bahan bakar fosil, biomassa dan air baik dengan proses kimia maupun biologi. Secara biologi hidrogen dapat diproduksi dengan fotosintesis dan fermentasi dimana lebih ramah lingkungan dari pada proses termokimia dan elektrokimia. Secara biologi, mikroorganisme yang mampu menghasilkan gas hidrogen yaitu genus Clostridium seperti Clostridium butyricum, C. acetobutylicum, C. saccharoper butylacetonicum, C. pasteurianum. Spesies Clostridium adalah organisme anaerobik yang mampu mengonversi heksosa menjadi hidrogen dengan hasil 2 mol hidrogen/mol heksosa. Clostridium butyricum mampu menghasilkan hidrogen dengan substratnya glukosa dan xilosa dengan hasil 2,0 dan 2,3 mol H2/mol glukosa. Clostridium butyricum mampu merubah glukosa menjadi butirat, asetat, CO2, dan hidrogen. Clostridium butyricum memiliki karakteristik berupa gram positif pembentuk spora, bersifat anaerob obligat dan hidup di usus besar manusia dan hewan, serta tanah. Sebagai salah satu mikroflora dalam tubuh, Clostridium butyricum berperan dalam menghasilkan asam lemak rantai pendek (SCFA), terutama asam butirat, asetat dan propionat serta sejumlah asam format dan laktat (Syauqi, dkk, 2018).

Karena hidrogen tidak ditemukan secara bebas (seperti gas) di alam, maka kita harus memisahkannya dari unsur-unsur lain. Kita dapat memisahkan atom hidrogen dari air, biomassa, atau molekul gas alam. Hidrogen umumnya dihasilkan oleh ekstraksi dari bahan bakar fosil hidrokarbon melalui proses kimia. Hidrogen juga dapat diekstraksi dari air melalui produksi biologis (misalnya, ganggang dan bakteri melepaskan hidrogen), dengan elektrolisa air, reduksi kimia atau dengan thermolysis. Hidrogen dapat diproduksi di fasilitas pusat besar atau di pabrik kecil untuk penggunaan setempat. Setiap wilayah negara (dan dunia) memiliki beberapa sumber daya yang dapat digunakan untuk membuat hidrogen.

(1) Steam Methane Reforming (SMR) yang saat ini metode yang paling murah untuk menghasilkan hidrogen. Produksi hidrogen dengan reformasi adalah proses mapan dengan produksi skala besar (330.000 kg hidrogen/hari) dan fasilitas besar yang menghasilkan hidrogen pada biaya yang mendekati target DOE (USD 2,00 USD 3.00/gge) (gge adalah galon bensin setara pada dasar energi).

(2) Elektrolisis adalah proses yang memisahkan hidrogen dari air. Hasil produksinya tidak menimbulkan emisi, namun saat ini proses yang sangat mahal. Teknologi baru sedang dikembangkan sepanjang waktu. Elektrolisis air hanya mewakili sebuah segmen pedagang pasar hidrogen. Ada dua proses elektrolisis temperatur ambien untuk menghasilkan hidrogen: 1) elektrolisis alkaline, yang terkonsentrasi menggunakan kalium hidroksida (KOH) sebagai elektrolit, dan 2) elektrolisis PEM, yang menggunakan ionomer Nafion™ sebagai elektrolit. Membran untuk elektrolisis PEM adalah serupa dengan yang digunakan dalam sel bahan bakar PEM. Elektrolisis alkaline berupa tumpukan (stacks) monopolar atau bipolar; sedangkan tumpukan elektrolisis PEM adalah bipolar.

(3) Gasifikasi batubara, memecah batubara menjadi molekul yang berat molekulnya lebih kecil, biasanya dengan mengarahkannya pada suhu dan tekanan tinggi, menggunakan uap dan sejumlah oksigen terukur. Hal ini menyebabkan produksi syngas, suatu campuran yang utamanya terdiri dari karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2). (Rosyid dan Oktaufik, 2009).

Biomineralisasi adalah fenomena luas yang mengarah pada pembentukan biomineral yang terorganisasi dengan baik, yang mengacu pada pembentukan mineral anorganik dalam organisme. Biomineralisasi melibatkan biologi, kimia, kristalografi, ilmu material, mineralogi, dan kedokteran, dan disiplin ilmu lainnya juga telah mengarah ke spesialisasi di bidang ini. Mempelajari karakteristik mekanisme pembentukan biomineralisasi tidak hanya membantu dalam pengembangan dan pemanfaatan bahan nano baru, tetapi juga membantu untuk mengobati mineralisasi abnormal yang disebabkan oleh penyakit tubuh manusia, seperti osteoporosis, osteomalacia, hypophosphatasia, batu ginjal, dan aterosklerosis. Di sisi lain, berbagai bahan nanofungsional disintesis dan biomineralized dengan karakteristik hidup. Karena super survivabilitas dan retensivitas yang diinduksi oleh biomineralisasi, biomineralisasi telah menarik perhatian khusus dari ahli biologi, arkeolog, ahli kimia, dan ilmuwan bahan untuk efek pelacak dan transformasi dalam studi evolusi batuan dan sintesis bahan nano. Namun, mengendalikan proses biomineralisasi in vitro setepat sistem biologi yang rumit tetap menjadi tantangan.

Studi biomineralisasi tradisional menekankan desain bionik dan persiapan bahan dengan meniru alam, menyoroti regulasi kristalisasi anorganik oleh sistem organik, sehingga meningkatkan sifat material. Tren baru penelitian biomineralisasi adalah menggunakan strategi alami untuk merealisasikan regulasi organisme biologis melalui bahan anorganik, menyoroti penggunaan sistem material untuk mencapai transformasi biofungsional. Pada 2008, tim Tang Ruikang berhasil mewujudkan transformasi mineralisasi sel ragi dan mengusulkan bahwa menggunakan strategi biomineralisasi untuk lebih banyak spesies biologis dapat diberkahi dengan fungsi-fungsi baru melalui cangkang material. Misalnya, pelestarian vaksin sangat tergantung pada rantai dingin. Melalui mineralisasi biomimetik, tim ini membangun kompleks vaksin-kalsium fosfat baru, yang sangat meningkatkan stabilitas termal vaksin berdasarkan pada mempertahankan kemanjuran aslinya, dan pada awalnya menyadari pembangunan vaksin tahan panas yang tidak tergantung pada kulkas. Mineralisasi biomimetik tidak hanya dapat meningkatkan stabilitas struktural organisme melalui bahan tetapi juga mengubah fungsi asli organisme. Dengan menginduksi akumulasi spontan ganggang hijau melalui mineralisasi biomimetik ganggang hijau, kelompok ini dapat mengaktifkan hidrogenase sambil juga memastikan aktivitas sistem fotosintesis II, sehingga mengubah jalur fotosintesis ganggang hijau, dan secara langsung membusuk air untuk menghasilkan hidrogen di bawah kondisi alami. Efisiensi produksi hidrogennya sama dengan efisiensi fotosintesis normal (Chen, et all, 2019).

Insinyur di Universitas Lehigh adalah yang pertama menerapkan proses biomineralisasi enzim tunggal untuk mengembangkan katalis yang menggunakan energi sinar matahari yang terperangkap untuk membagi molekul air untuk membuat hidrogen. Proses sintesis dilakukan pada suhu kamar dan di bawah tekanan ambien, memecahkan skalabilitas dan tantangan keberlanjutan dari teknik yang dilaporkan sebelumnya.

Pemisahan air yang digerakkan oleh tenaga surya adalah rute yang menguntungkan menuju ekonomi yang didasarkan pada energi terbarukan. Hidrogen yang dihasilkan dapat berfungsi sebagai bahan bakar transportasi serta bahan baku kimia penting untuk produksi kimia dan pupuk. Kedua sektor ini saat ini menambah sebagian besar dari total emisi gas rumah kaca.

Salah satu kesulitan untuk mencapai janji produksi energi yang digerakkan matahari adalah bahwa, sementara air yang diperlukan adalah sumber daya yang kaya, pendekatan yang sebelumnya dieksplorasi menggunakan rute rumit yang memerlukan pelarut yang merusak lingkungan dan sejumlah besar energi untuk dibuat dalam skala besar. Biaya dan kerusakan lingkungan telah menjadikan teknik ini tidak efektif sebagai solusi jangka panjang.

Sebuah tim insinyur di Universitas Lehigh telah memanfaatkan metode biomineralisasi untuk memproduksi partikel-partikel logam sulfida nanopartikel terbatas-kuantum dan bahan grafena oksida pendukung yang direduksi untuk membuat fotokatalis yang membelah air untuk membentuk hidrogen. Tim menggambarkan hasil mereka dalam sebuah artikel berjudul: “Enzymatic synthesis of supported CdS quantum dot/reduced graphene oxide photocatalysts” (“Sintesis enzimatik dari titik kuantum CdS yang didukung / fotokatalis oksida graphene oksida yang berkurang”) ditampilkan pada sampul Green Chemistry, sebuah jurnal dari Royal Society of Chemistry pada 7 Agustus.

Para penulis makalah penelitian ini termasuk Steven McIntosh, Profesor di Departemen Teknik Kimia dan Biomolekul Lehigh, bersama dengan Leah C. Spangler, mantan Ph.D. mahasiswa dan John D. Sakizadeh, Ph.D. siswa; juga, sebagai Christopher J. Kiely, Profesor Senior Harold B. Chambers di Departemen Ilmu dan Teknik Material Lehigh dan Joseph P. Cline, Ph.D. siswa yang bekerja dengan Kiely.

Beberapa tahun yang lalu, tim McIntosh merumuskan metode enzim tunggal untuk biomineralisasi – proses dimana organisme hidup menciptakan mineral “dari nanocrystals sulfida logam terkontrol ukuran-terkurung-kuantum. Dalam kemitraan sebelumnya dengan Kiely, lab secara efektif menunjukkan cara biologis pertama yang diatur secara tepat untuk menghasilkan titik-titik kuantum.

Teknik satu langkah mereka dimulai dengan sel bakteri yang direkayasa dalam larutan standar dan berair dan berakhir dengan nanopartikel semikonduktor fungsional, semua tanpa memanfaatkan suhu tinggi dan bahan kimia berbahaya. Teknik ini dibahas dalam sebuah artikel di New York Times: “How a Mysterious Bacteria Almost Gave You a Better TV.” (“Bagaimana Bakteri Misterius Hampir Memberi Anda TV yang Lebih Baik.”) (Azocleantech, 2019).

Gambar 2. Ilustrasi langkah demi langkah dari sintesis biomineralized penuh yang digunakan untuk menghasilkan fotokatalis CdS / rGO (Spangler, et all, 2019)

Minat terhadap biomineralisasi bahan-bahan fungsional semakin meningkat, khususnya untuk membahas bahan-bahan untuk aplikasi energi. Beberapa kelompok sebelumnya telah melaporkan biomineralisasi chalcogenide logam di ragi, bakteri, dan bahkan organisme tingkat tinggi seperti cacing tanah. Penelitian sebelumnya ini dilengkapi oleh beberapa kelompok yang menggunakan biomolekul sebagai templating dan molekul penstabil untuk sintesis bahan nano yang diinspirasikan dari bahan nano nanomaterial. Tantangan untuk mengatasi adalah rekayasa proses biomineralisasi untuk mencapai kontrol atas sifat fungsional bahan, dalam hal ini, ukuran partikel dan kristalinitas, dan menghasilkan bahan dalam bentuk yang cukup murni untuk aplikasi target (Spangler, et all, 2019).

Referensi :

  • AzoCleantech. 2019. Innovative Solar-Powered Route to Production of Hydrogen Fuel. [Online]: https://www.azocleantech.com/news.aspx?newsID=26526 akses 29 September 2019
  • Chen, Yuanyuan, Yammin Feng, John Gregory Deveaux, Mohamed Ahmed Masoud, Felix Sunata Chandra, Huawei Chen, Deyuan Zhang dan Lin Feng. 2019. Biomineralization Forming Process and Bio-inspired Nanomaterials for Biomedical Application: A Review. Minerals. 9(68): 1-21. doi:10.3390/min9020068
  • Pakde. 2010. Hydrogen Fuel Bukan Sekedar Bahan Bakar Hidrogen. [Online]: https://geologi.co.id/2010/07/22/hydrogen-fuel-bukan-sekedar-bahan-bakar-hidrogen/ akses 28 September 2019.
  • Rosyid, Oo Abdul dan M.A.M. Oktaufik. 2009. Infrastruktur Hidrogen untuk Aplikasi Fuel Cell dalam Era Eknomi Hidrogen. Jurnal Ilmu Teknik Energi. 1(9) : 1-14.
  • Syauqi, Ahmad, Intan Ratna Kusumawardhany dan Laurentius Urip Widodo. 2018. Produksi Gas Hidrogen dari Biomassa dengan Proses Anaerob. Jurnal Teknik Kimia. 13(1) : 18-21.
  • Spangler, Leah C., Joseph P. Cline, John D. Sakizadeh, Christopher J. Kiely dan Steven McIntosh. 2019. Enzymatic Synthesis of Supported Cds Quantum Dot/Reduced Graphene Oxide Photocatalysts. Journal The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/c9gc00097f

Bahan Bakar Bio-Limbah Batang Tebu: Alternatif Solusi Untuk Mengatasi Menipisnya Bahan Bakar Minyak

Bahan Bakar Bio-Limbah Batang Tebu: Alternatif Solusi Untuk Mengatasi Menipisnya Bahan Bakar Minyak

Gambar 1. Limbah Batang Tebu dari Penjual Es Tebu

Menipisnya cadangan bahan bakar fosil dan meningkatnya populasi manusia sangat kontras dengan kebutuhan energi bagi kelangsungan manusia beserta aktivitas ekonomi dan sosial. Sejak lima tahun terakhir, Indonesia mengalami penurunan produksi minyak nasional akibat menurunnya cadangan minyak pada sumur- sumur produksi secara alamiah, padahal dengan pertambahan jumlah penduduk, meningkat kebutuhan akan sarana transportasi dan aktivitas industri. Dengan permasalahan tersebut maka diperlukan solusi akan krisis bahan bakar dengan inovasi pengganti bahan bakar dengan penggunaan biofuel dari pemanfaatan batang tebu. Batang tebu merupakan limbah padat yang dihasilkan pasca panen. Sejauh ini pemanfaatannya sangat minim dan umumnya hanya digunakan untuk bahan minuman.

Gambar 2. Contoh Nira

Tanaman tebu merupakan famili Gramineae (keluarga rumput) dengan nama latin Saccharum officinarum yang sudah dibudidayakan sejak lama di daerah asalnya di Asia [1].

Kandungan sukrosa di dalam tanaman tebu sebesar 8-15% dari bobot batang tebu. Batang tebu mengandung serat dan kulit batang sebesar 12,5% dan nira sebesar 82,5%, yang terdiri dari gula, mineral, dan bahan-bahan non gula lainya, (Gountara & Wijandi, 1985). Menurut Soerjadi (1979), komposisi batang tebu terdiri dari monosakarida 0,5%-1,5%, sukrosa 11%-19%, zat organik abu 0,5%-1,5%, sabut (selulosa, pentosan) 11%-19%, asam organik 0,15%, bahan lain lilin, zat warna, ikatan N, air 65%-75%. Salah satu kandungan tebu adalah nira. Kandungan nira tebu terbanyak terdapat pada batang tebu sebesar 82,5%. Kandungan utama dari nira tebu adalah sukrosa, terdapat dalam nira tebu sebanyak 8 – 21 % dari jumlah nira tebu. Sukrosa atau gula merupakan disakarida dengan rumus kimia C12H22O11. Sukrosa ditemukan dalam bentuk bebas (tidak berikatan dengan senyawa lain) di dalam tanaman, umumnya terdapat pada tanaman tebu (Saccharum officinarum) dan bit (Beta vulgaris)[2].

Nira yang didapatkan dari batang tebu melalui proses ekstrasi (penggilingan) mempunyai ciri khas warna tertentu dan mengandung kadar glukosa yang tinggi. Menurut Puri (2005) menyatakan bahwa nira merupakan cairan hasil penggilingan tebu yang berwarna coklat kehijauan. Nira tebu dalam keadaan segar terasa manis, berwarna coklat kehijau-hijauan dengan pH 5,5-6,0. Santoso (1993) menyatakan bahwa nira sangat mudah mengalami kerusakan sehingga nira menjadi asam, berbuih putih, dan berlendir. Apabila nira telambat dimasak biasanya warna nira akan berubah menjadi keruh kekuningan, rasanya asam serta baunya menyengat. Kondisi dan sifat-sifat nira ini akan menentukan sifat dan mutu produk yang dihasilkan[3]. Umumnya nira terdiri atas 73-76% air, 11-16% serat, dan 11-16% padatan-padatan terlarut dan tersuspensi[4].

Gambar 3. Pengolahan Biofuel

Biofuel secara umum adalah bahan bakar dari biomassa (materi yang berasal dari tumbuhan dan hewan). Setiap produk biofuel diproduksi secara berbeda. Misalnya ethanol diproduksi dengan cara fermentasi jagung atau tebu, sedangkan biodiesel diproduksi dengan cara menghancurkan lemak hewani atau tumbuhan dengan adanya methanol. Minyak sawit mentah (Crude Palm Oil) melalui proses transesterifikasi, dimana secara kimia bereaksi dengan alkohol seperti methanol atau ethanol untuk memproduksi biodiesel.

Biofuel menawarkan kemungkinan memproduksi energi tanpa meningkatkan kadar karbon di atmosfer karena berbagai tanaman yang digunakan untuk memproduksi biofuel mengurangi kadar karbondioksida di atmosfer, tidak seperti bahan bakar fosil yang mengembalikan karbon yang tersimpan di bawah permukaan tanah selama jutaan tahun ke udara. Dengan begitu biofuel lebih bersifat carbon neutral dan sedikit meningkatkan konsentrasi gas-gas rumah kaca di atmosfer (meski timbul keraguan apakah keuntungan ini bisa dicapai di dalam praktiknya). Penggunaan biofuel mengurangi pula ketergantungan pada minyak bumi serta meningkatkan keamanan energi.

Ada dua jenis utama bahan baku biofuel: dapat dikonsumsi dan tidak dapat dikonsumsi. Produk makanan manusia seperti gula, pati, atau minyak sayur dijadikan biofuel melalui metode konvensional yakni transesterifikasi (seperti yang telah disebutkan di atas). Biofuel juga dapat dihasilkan dari tanaman non pangan, limbah pertanian dan residu yang tidak dapat dikonsumsi manusia dengan menggunakan teknologi maju seperti hydrocracking. Pada proses ini bahan baku dipecah dengan adanya hidrogen dalam menghasilkan biofuel. Yang menarik adalah bahan baku seperti minyak kelapa sawit dapat digunakan untuk menghasilkan biofuel melalui metode konvensional dan lanjutan tergantung dari keadaannya.

Biofuel sering menjadi alternatif untuk bahan bakar konvensional yang digunakan untuk menyalakan mesin kendaraan kita. Namun sebenarnya biofuel dapat dimanfaatkan untuk semua kebutuhan energi manusia. Penggunaan biofuel meliputi:

Transportasi : Mobil, bus, sepeda motor, kereta api, pesawat terbang dan kendaraan air

Pembangkit Listrik : Peralatan listrik

Pemanas : Kompor dan peralatan memasak lainnya

Dunia telah mengalami mencairnya permukaan es, meningkatnya suhu udara dan terjadinya bencana alam. Ilmuwan mengemukakan bahwa salah satu alasan utama perubahan iklim yang drastis ini adalah akibat konsumsi bahan bakar fosil yang berlebihan dan terlepasnya gas rumah kaca ke atmosfir yang menipis.

Menurut Departemen Energi Amerika Serikat, biofuel seperti ethanol menghasilkan karbon dioksida hingga 48 persen lebih sedikit daripada bensin konvensional sementara penggunaan biodiesel hanya melepaskan seperempat jumlah karbon dioksida yang dikeluarkan diesel konvensional. Hal ini menjadi pilihan yang jauh lebih ramah lingkungan jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil.

Tidak seperti bahan lain yang tak terbaharui, biofuel dapat diproduksi terus-menerus karena kita selalu dapat menanam lebih banyak tanaman untuk menjadi bahan bakar. Terlebih lagi komunitas ilmuwan telah menunjukkan tingkat produktivitas tanaman nabati yang lebih tinggi dapat menangani beberapa masalah deforestasi yang erat kaitannya dengan biofuel. Oleh karena itu minyak kelapa sawit yang memiliki hasil panen tertinggi di antara tanaman nabati lainnya diyakini menjadi bahan baku paling ekonomis untuk biodiesel. Siklus hidup pohon kelapa sawit 30 tahun juga berarti nilai penyerapan karbon yang dilepaskan ke atmosfer tinggi.Pada masa yang akan datang mungkin tak ada lagi bahan bakar fosil dan kita dapat menggunakan biofuel sebagai sumber energi alternatif yang aman dan terbarukan.

Referensi

[1] Indrawanto, C., Purwono, Siswanto, M. Syakir, dan W. Rumini. 2010. Budidaya dan Pasca Panen Tebu. Jakarta: Eska Media.

[2] Paryanto, I., A. Fachruddin, dan W. Sumaryono. 1999. Diversifikasi Sukrosa Menjadi Produk Lain. P3GI. Pasuruan.

[3] Muchtadi TR, Sugiyono. 1992. Ilmu Pengetahuan Bahan Pangan. Bogor: PAU IPB.

[4] James, C.P. dan Chen. 1985. Cane sugar handbook. John Wiley and Sons. New York