Fermentasi Syngas, Jalur Alternatif Produksi Bahan Bakar Cair Terbarukan

Bahan bakar, terutama bensin, masih akan menjadi komoditi yang dicari di masa depan. Walaupun kini sudah mulai dikembangkan kendaraan-kendaraan yang tidak lagi berbasis bensin, namun tetap saja kendaraan berbasis bensin masih mendominasi jalanan terutama di Indonesia. Di sisi lain, bensin merupakan produk turunan dari minyak bumi.

Isu mengenai minyak bumi yang sudah semakin menipis cadangannya di muka bumi ini membuat penelitian mengenai bahan bakar beralih ke sumber yang terbarukan. Salah satu alternatif yang umum dilakukan adalah memproduksi bioetanol yang berperan sebagai bahan aditif bensin sehingga konsumsi bensin dapat berkurang. Etanol sendiri dapat diproduksi baik secara kimia maupun melalui proses biologis, dengan berbagai jenis bahan baku. Salah satu topik yang kini mulai menjadi perhatian dunia adalah produksi bioetanol melalui fermentasi syngas.

Apa itu Syngas?

Sebelum membahas lebih jauh mengenai fermentasi syngas (dibaca sin-gas), sebenarnya apa itu syngas? Syngas merupakan singkatan dari synthetic gas dan merupakan gas berenergi yang utamanya tersusun atas karbon monoksida (CO), hidrogen (H₂), karbon dioksida (CO₂) dan metana (CH₄). Gas-gas ini dihasilkan melalui proses yang bernama gasifikasi. Gasifikasi sendiri merupakan suatu suatu rangkaian reaksi kimia yang kompleks, namun secara umum merupakan reaksi konversi unsur karbon dan hidrogen di dalam biomassa (biasanya berupa limbah tanaman) dalam suhu sangat tinggi (hingga 1.000 ^oC) sehingga diperoleh gas-gas tersebut.

Syngas sendiri memiliki spektrum pemanfaatan yang cukup luas. Syngas dapat digunakan langsung sebagai bahan bakar turbin gas ataupun sebagai bahan baku pembuatan bahan-bahan kimia, salah satunya bahan bakar. Produksi bahan bakar melalui syngas dilakukan melalui reaksi yang bernama reaksi Fischer-Tropsch, di mana reaksi dilakukan pada temperatur 150 – 350 ^oC, tekanan 8 bar dan menggunakan katalis berbasis metal (besi, kobalt, rhodium, molybdenum) untuk menghasilkan etanol. Namun, terdapat kelemahan dalam proses ini, yakni reaksi dilakukan pada temperatur dan tekanan tinggi (membutuhkan energi besar dan memiliki potensi bahaya dalam proses), serta penggunaan katalis logam yang relatif mahal serta mudah teracuni oleh gas sulfur yang mungkin terbentuk saat gasifikasi.

Fermentasi Syngas, Potensi dan Hambatan

Permasalahan proses “konvensional” tersebut coba dipecahkan melalui pendekatan yang cukup “nyeleneh”, yakni menggunakan mikroorganisme. Pendekatan ini bukannya tanpa basis, karena sejak tahun 1952, Wood sudah menemukan bahwa suatu mikroorganisme dapat mengubah CO menjadi alkohol dan asam organik berantai pendek seperti asetat dan etanol. Proses ini dilangsungkan oleh mikroba anaerobik utamanya dari genus Clostridium. Bahkan, pada tahun 2011, perusahaan INEOS Bio telah mendirikan pabrik fermentasi syngas di Florida dengan kapasitas 8 juta galon etanol per tahun, lalu pada tahun 2015, LanzaTech membangun pabrik sejenis dengan kapasitas 17 juta galon per tahun. Bahkan, seperti dapat dilihat pada Tabel 1, ternyata diklaim bahwa proses fermentasi lebih efisien dan ramah lingkungan (dilihat dari sisi emisi CO₂) dibandingkan proses kimia konvensional.

Tabel 1. Perbandingan antara produksi etanol melalui proses kimia dan fermentasi^[1].

Berdasarkan tabel di atas, tampak bahwa proses fermentasi syngas dapat menghasilkan yield etanol yang lebih besar dibandingkan secara kimia. Dari sisi ekonomi, fermentasi syngas juga diklaim lebih unggul. Ongkos untuk produksi etanol melalui fermentasi syngas diperkirakan ada pada kisaran $ 0,11 – 0,22/liter, sedangkan melalui proses termokimia diperkirakan pada kisaran $ 0,267 – 9,533/liter^[2]. Nilai ini dapat dicapai karena walaupun fermentasi berlangsung lebih lama (kisaran seminggu atau lebih), namun proses dilangsungkan pada kondisi yang “ringan”. Fermentasi dilakukan pada suhu dan tekanan rendah membuat kebutuhan energi menjadi rendah pula. Di sisi lain, menjaga tekanan dan temperatur tinggi pada proses konvensional membutuhkan energi yang tidak sedikit.

Proses fermentasi etanol menjadi syngas sendiri terjadi melalui lintasan metabolisme Wood-Ljungdahl. Pada proses ini, CO₂ dan CO akan dikonversi menjadi Asetil-CoA. Asetil-CoA ini merupakan prekursor dari seluruh produk-produk asam dan alkohol fermentasi. Asetil-CoA kemudian dikonversi lebih lanjut menjadi asam-asam organik (asetat, butirat), lalu menjadi alkohol (etanol, butanol), seperti dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Lintasan metabolisme Wood-Ljungdahl^[3]

Dengan segala potensinya, fermentasi syngas tetap memiliki kelemahan. Permasalahan utama adalah proses harus berlangsung secara anaerobik, alias tidak boleh ada oksigen bebas selama proses. Oksigen bagi mikroorganisme anaerobik bersifat racun. Padahal, seperti kita ketahui bersama, menjaga kondisi vakum bukanlah hal yang mudah, apalagi fermentasi dapat berlangsung hingga 20 hari (contoh paling ekstrem, kenyataannya etanol bisa diproduksi setelah 7-10 hari). Selain itu, masalah sifat fisik dari udara yang memiliki kelarutan yang rendah di dalam cair juga menjadi batasan proses.

Dalam fermentasi syngas, syngas perlu dilarutkan terlebih dahulu ke dalam media fermentasi yang berfasa cair, tempat di mana mikroorganisme hidup. Syngas ini merupakan makanan bagi sel. Bila jumlahnya sedikit, maka pertumbuhannya pun akan terbatas dan produksi etanol juga menjadi berkurang. Permasalahan kelarutan ini dapat dikurangi dengan penggunaan membran di mana medium fermentasi disirkulasikan ke membran di mana akan terjadi kontak antara sel dengan syngas yang dialirkan melalui membran.

Gambar 2. Penggunaan membran hollow fiber dalam fermentasi syngas^[4]

Penutup

Dengan semakin gencarnya isu kebutuhan bahan bakar terbarukan, segala inovasi yang muncul dapat dilihat sebagai potensi yang menarik untuk dikembangkan, termasuk fermentasi gas ini. Adanya alternatif teknologi ini sangat mungkin memicu pemanfaatan biomassa terutama di Indonesia yang kaya sekali akan hasil alam dari perkebunan dan pertanian, namun mayoritas limbahnya masih belum termanfaatkan.

 

Referensi

[1] Griffin, D.W. dan Schultz, M.A. 2012. Fuel and Chemical Products from Biomass Syngas: A Comparison of Gas Fermentation to Thermochemical Conversion Routes. Environmental Progress & Sustainable Energy, 31(2), 219 – 224.

[2] Acharya, B., Roy, P., dan Dutta, A. 2015. Review of syngas fermentation processes for bioethanol. Biofuels, 5, 551 – 564.

[3] Bengelsdorf, F.R., Straub, M., dan Durre, P. 2013. Bacterial synthesis gas (syngas) fermentation. Environmental Technology, 34, 1639 – 1651.

[4] Shen, Y., Brown, R., dan Wen, Z. 2014. Syngas fermentation of Clostridium carboxidivoransP7 in a hollow fiber membrane biofilm reactor: Evaluating the mass transfer coefficient and ethanol production performance. Biochemical Engineering Journal, 85, 21 – 29.