Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Biobutanol sebagai Energi Baru dan Bahan Baku Berkelanjutan

Menipisnya persediaan minyak bumi di berbagai belahan dunia telah mengakibatkan tercetusnya ide-ide penelitian untuk menemukan sumber energi yang terbarukan. Bahan bakar biomassa adalah salah satu alternatif energi baru dan terbarukan, yang bisa digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil. Saat ini, penggunaan bahan bakar biomassa di Indonesia sudah mulai diterapkan. Adanya beberapa POM bensin yang sudah menyediakan bensin dengan campuran etanol 10% (E10) merupakan kemajuan yang positif untuk mengurangi tingkat konsumsi minyak bumi. Selain etanol, ada senyawa lain yang juga sangat cocok digunakan sebagai alternatif bensin, yaitu butanol.

Butanol merupakan alkohol dengan empat rantai karbon yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan etanol. Butanol tidak hanya digunakan sebagai campuran, tetapi juga sebagai pengganti bensin. Butanol memiliki bilangan oktan yang dekat dengan bensin sehingga kemungkinan knocking lebih kecil. Selain itu, butanol memiliki tekanan uap yang lebih kecil daripada etanol sehingga lebih aman pada saat penyimpanan. Energi yang terkandung per volumenya lebih tinggi daripada etanol. Titik nyala yang lebih dekat dengan bensin juga lebih sesuai dengan mesin bensin yang ada saat ini. Butanol tidak korosif dibandingkan etanol karena sifat butanol yang hidrofobik, sama dengan bensin. Perbandingan karakteristik bensin, etanol dan butanol, dapat dilihat pada tabel.

Tabel perbandingan sifat bahan bakar. Butanol dinilai memiliki karakter yang hampir dekat dengan bensin pada bilangan oktan dan titik nyala, serta tidak bersifat korosif sehingga butanol dikatakan lebih cocok sebagai pengganti bensin dibandingkan dengan etanol. Sumber data: *Sculzyk (2010), **Ramey dan Yang (2004).

Pada umumnya, butanol diproduksi dengan menggunakan bahan bakar fosil. Namun, butanol juga dapat diproduksi dari biomassa atau disebut dengan biobutanol. Biobutanol diproduksi dengan fermentasi anaerobik (kondisi tanpa oksigen). Fermentasi ini menghasilkan aseton, butanol, dan etanol (ABE). Rasio produk fermentasi ini biasanya 3:6:1. Jenis bakteri yang digunakan adalah Clostridium. Clostridium adalah genus dari bakteri gram positif yang berbentuk batang lurus atau agak bengkok dengan ujung bulat dan memiliki spora berbentuk seperti bulat telur yang bisa terletak di terminal, subterminal atau center.

Ada tiga jenis bakteri yang sering digunakan dalam fermentasi ABE, yaitu C. acetobutylicum, C. beijerinckii, dan C. saccharoperbutylacetonicum. Ketiga jenis bakteri ini memiliki rute metabolisme yang sama. Ada 2 proses utama dalam produksi butanol. Pertama, asidogenesis atau proses pembentukan asam. Produk yang dihasilkan adalah asam asetat dan asam butirat. Selanjutnya, asam organik ini dikonversi menjadi butanol, aseton, dan etanol. Selain mengonsumsi monomer aneka gula (glukosa, xilosa, arabinosa, dsb.) beberapa spesies dapat mengonsumsi gula oligomer (cellobiosa, sukrosa) dan polimer (cellulosa, xilan, beberapa penelitian juga telah menggunakan pati sagu, singkong, limbah makanan, dan limbah kelapa sawit). Asam organik seperti asam laktat, asam asetat, dan asam butirat juga dapat dikonsumsi oleh bakteri ini.

Rute metabolisme Clostridium. Skema proses metabolisme ini memiliki 2 tahap utama. Pada tahap asidogenesis, awalnya, Clostridium akan mengubah glukosa menjadi asam asetat dan asam butirat. Kemudian di tahap berikutnya, asam organik tersebut akan dikonversi menjadi etanol, aseton dan butanol. Sumber: Liu dkk. (2013).

Seperti lilin yang harus membakar dirinya untuk menyalakan cahaya, Clostridium juga harus mengorbankan dirinya ketika memproduksi butanol. Sebagai produk utama dari fermentasi, butanol bersifat toksik bagi Clostridium. Konsentrasi butanol yang dihasilkan tidak lebih dari 20 g/l atau 2%. Inilah salah satu tantangan besar dalam mewujudkan produksi biobutanol. Pemisahan terpadu merupakan solusi untuk masalah ini.


Bentuk sel dari C. acetobutylicum  (kiri) dan C. beijerinckii (kanan). Kedua spesies Clostridium ini memiliki sel yang berbentuk batang lurus atau agak bengkok dengan ujung bulat ( Sumber : alchetron.com; Noparat, et. al., 2011)

Pemisahan yang dilakukan bersamaan dengan fermentasi dapat menjaga agar konsentrasi butanol dalam media fermentasi tetap rendah, sekaligus memanen produk utama. Proses pemisahan yang digunakan harus ramah (tidak toksik) terhadap bakteri serta harus selektif dalam memanen produk utama butanol. Jika senyawa lain juga dipisahkan dari media, fermentasi akan terhambat karena kekurangan bahan baku. Adapun beberapa jenis pemisahan yang paling sesuai untuk fementasi ABE di antaranya adalah:

  1. Ekstraksi: pemisahan berdasarkan kelarutannya dalam air dan pelarut. Butanol memiliki kelarutan yang kecil dalam air sehingga mudah untuk diekstrak. Ekstraktan yang tidak toksik dan selektif terhadap butanol contohnya oleyl alkohol, tributyrin, PPG, dan sebagainya.
  2. Gas stripping: pemisahan berdasarkan tekanan uap (volatilitas). Butanol dapat dengan mudah diuapkan dibandingkan komponen lain dalam media. Selain itu, gas yang dialirkan juga dapat menjaga kondisi anaerobik selama fermentasi.
  3. Adsorpsi: pemisahan berdasarkan afinitas. Butanol dapat diserap oleh penyerap organik seperti arang, karbon aktif, dan zeolit.


Pabrik etanol yang diretrofit oleh Butamax menjadi pabrik biobutanol di Minnesota, Amerika (Sumber: greenchemicalsblog.com)

Dewasa ini, sudah ada beberapa industri yang mulai memproduksi biobutanol, contohnya Butamax. Namun, biobutanol yang diproduksi masih digunakan sebagai bahan baku dari bahan kimia karena harganya masih kurang bersaing jika dijual sebagai bahan bakar. Selain sebagai bahan bakar, butanol sudah digunakan sebagai bahan baku untuk memproduksi produk antara yang digunakan dalam berbagai produk yang kita gunakan sehari-hari, misalnya: perasa makanan, cat, bahan antiair, hingga obat-obatan. Kebutuhan butanol di industri hingga saat ini masih dipenuhi dari butanol dari proses produksi berbahan baku petroleum. Oleh karena itu, untuk membawa butanol menjadi bahan bakar, penelitian lebih lanjut sangat dibutuhkan, sehingga biaya produksi biobutanol dapat berkurang dan harga jual pun lebih kompetitif.

Bahan bacaan:

  • Pfromm PH, Amanor-Boadu V, Nelson R, Vadlani P, Madl R. Bio-butanol vs. Bio-Ethanol: A technical and economic assessment for corn and switchgrass fermented by yeast or Clostridium acetobutylicum. Biomass and Bioenergy. 2010;34:515-524.
  • Qureshi N. Banking on Biobutanol. Agricultural Research. 2008;10:8-9.
  • Kharkwal S, Karimi IA, Chang MW, Lee DY. Strain Improvement and Process Development for Biobutanol Production. Recent Pat. On Biotech. 2009;3:202-210.
  • Kaminski W, Tomczak E, Gorak A. Biobutanol – Production And Purification Methods. Chem. and Eng. 2011;18:31-37.
  • Patakova P, Lipovsky J, Cizkova H, Fortova J, Rychtera M, Melzoch K. Exploitation of Food Feedstock and Waste for Production of Biobutanol. Czech J. Food Sci. 2009;27:276-283.
  • Pakkila JM, Hilukkala T, Myllykoski, Keiski RL. An Anaerobic Bioreactor System for Biobutanol Production. Energy Res. at Univ. Oulu. Proceedings of the EnePro conference, June 3rd, 2009, University of Oulu, Finland. Kalevaprint, Oulu, ISBN 978-951-42-9154-8. pp. 17-20.
  • Tashiro Y and Sonomoto K. Advances in Butanol Production by Clostridia. Res. Tech. Edu. Topics in App. Microbiology and Microbial Tech. 2010;1383-1394.
  • Green EM. Fermentative Production of Butanol – The Industrial Perspective. 2011;22:1-7.
  • Ramey, D. Yang. S. 2004. Production of Butyric Acid and Butanol from Biomass. Morgantown: U.S. Departement of Energy
  • Sculzyk, K., 2010. Which is a better transportation fuel – butanol or ethanol? International Journal of Energy and Environment. 2010:1:1. IJEE.IEEFoundation.org
  • Noparat P, Prasertsan P, O-Thong S. 2011. Isolation and chaacterization of high-hydrogen producing strain Clostridium beijerinckii PS-3 from fermented oil palm sap. 2011. International Journal of Hydrogen Technology.
  • Liu H, Wang G, Zhang J. The Promising Fuel – Biobutanol. Liquid, Gaseous, and Solid Biofuels – Conversion Technique. 2013: InTechOpen.
  • http://matakuliahbiologi.blogspot.co.id/2012/06/fermentasi.html
  • https://alchetron.com/Clostridium-acetobutylicum-2225339-W
  • https://greenchemicalsblog.com/2013/10/07/8280/

 

Penulis:

Rizki Fitria Darmayanti. Mahasiswa S-3 di Faculty of Agriculture, Kyushu University.

Kontak: r.f.darmayanti(at)gmail.com