Apakah biorefinery itu?

Kita tentu sudah sering mendengar tentang refinery atau lazimnya disebut sebagai pengilangan minyak bumi. Refinery menggunakan minyak bumi mentah (crude oil) sebagai bahan bakunya. Dari minyak mentah ini, diproduksilah berbagai macam produk bahan bakar seperti LPG, bensin dan diesel, aviation fuel, kerosene, heating oil, aspal, pelumas, dan berbagai macam produk campuran atau turunan lainnya.

Dengan meningkatnya jumlah konsumsi minyak bumi lewat bertambahnya jumlah penduduk dan aktivitas manusia, salah satu permasalahan yang muncul adalah meningkatnya jumlah gas-gas rumah kaca di atmosfir seperti CO2 (yang paling populer). Akibatnya, kita semua tahu sendiri.

Salah satu upaya untuk setidaknya meredam laju kenaikan jumlah gas-gas ini, berbagai riset mengenai energy terbarukan sangat gencar dilakukan akhir-akhir ini. Salah satu di antaranya adalah ide tentang biorefinery. Biorefinery secara sederhana juga berfungsi seperti refinery di atas. Hanya saja, bahan bakunya berasal dari biomassa. Lebih tepatnya, lignocellulosic biomass. Dari bahan baku ini kita juga bisa menghasilkan bahan bakar utama seperti bensin, diesel, heating oil, dan aviation fuel. Dan juga berbagai produk kimia yang bisa digunakan untuk membuat produk-produk kimia turunan lainnya.

Lignocellulosic biomass, secara sederhana, merupakan tumbuh-tumbuhan yang ada di sekitar kita. Mereka memiliki tiga kandungan utama, yaitu cellulose (30-50wt%), hemicelluloses (10-30wt%), dan lignin (20-30wt%). Cellulose sederhananya adalah polimer dari gula C6 atau glucose. Hemicelluloses merupakan polimer dari gula C6 (glucose) dan gula C5 (xylose). Sementara lignin merupakan polimer dari berbagai jenis komponen aromatic. Seperti halnya refinery, tugas utama biorefinery adalah memotong dan mengubah polimer-polimer ini menjadi senyawa-senyawa kimia yang kita perlukan.

Teknologi yang saat ini telah dikomersialkan untuk mengolah lignocellulosic biomass dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu thermochemical (termokimia) dan biochemical (biokimia). Teknologi termokimia merupakan “aliran hardcore” chemical engineering saat ini, di mana prosesnya melibatkan temperature tinggi dengan katalis-katalisnya (baik asam ataupun logam). Sementara itu, teknologi biokimia melibatkan operasi pada temperature rendah sampai ambient seperti enzymatic hydrolysis (hydrolysis dengan menggunakan enzyme) dan yeast fermentation (fermentasi dengan menggunakan yeast). Proses termokimia memiliki keunggulan mutlak yakni waktu tinggal (residence time) yang hanya dalam hitungan detik (bandingkan dengan hitungan hari dalam biokimia) dan tidak perlu “memanjakan” para enzyme dan yeast agar mereka hidup bahagia dalam mengerjakan tugasnya. Akan tetapi, jika proses “pemanjaan” ini udah dikuasi dengan benar, maka teknologi biokimia ini adalah proses yang sangat ramah lingkungan dan relative tidak berbahaya.  Proses pembuatan bir dan pengolahan air limbah (aerobic dan anaerobic) adalah dua contoh yang paling terkenal.

Di bidang termokimia, ada beberapa teknologi yang tersedia saat ini, yaitu (catalytic) pyrolysis, gasification, dan hydrolysis dengan asam. Pyrolysis dan catalytic pyrolysis adalah proses menghancurkan ikatan-ikatan polimer tersebut pada temperature sekitar 300-500oC tanpa keterlibatan O2. Produknya secara garis besar dapat dibagi tiga, yaitu produk gas (biasanya dibakar untuk menghasilkan energy), produk cair (biasanya disebut sebagai bio-oil), dan produk padat (atau bio-char). Proses pyrolysis ini, karena memang merupakan proses yang “cukup brutal”, menghasilkan ratusan senyawa kimia yang akan sangat mahal sekali untuk dipisah2kan. Proses catalytic pyrolysis, sesuai namanya, menggunakan katalis sehingga produk yang dihasilkan lebih terkontrol dan (diharapkan) sesuai dengan keinginan.

Teknologi gasifikasi  (gasification) merupakan proses yang lebih “brutal” lagi. Proses ini bekerja di temperature yang lebih tinggi, sekitar 600 – 1500oC, dengan sedikit zat pengoksidasi seperti O2 atau H2O. Pemilihan termperatur ini, bersama dengan jenis dan jumlah zat pengoksidasinya serta penggunaan jenis penghantar kalor, akan memengaruhi komposisi produk gas (synthesis gas) yang dihasilkan. Produk gasnya akan mayoritas terdiri dari H2, CO, CO2, CH4, dan tar (senyawa berat yang juga mengandung aromatic).

Proses hydrolysis dengan asam, dibandingkan dengan kedua teknologi sebelumnya, memerlukan temperature yang relatif lebih rendah, yaitu sekitar 150-200oC. Proses ini menggunakan senyawa asam seperti H2SO4 sebagai katalis dan memerlukan air dalam jumlah besar. Secara sederhana, proses ini bisa dianggap sama dengan “memasak” biomassa dalam air panas. Dengan mengendalikan konsentrasi biomassa, katalis asam, temperature, dan waktu tinggal, kita bisa membuat produk-produk kimia dasar (platform) seperti furfural dan levulinic acid.

Di bidang biokimia, seperti yang telah disinggung di atas, proses yang digunakan adalah hydrolysis dengan enzyme dan fermentasi dengan yeast. Enzyme secara sederhana merupakan molekul protein yang bertindak sebagai katalis seperti halnya katalis-katalis (asam atau logam) di aliran “hardcore” chemical engineering. Enzyme ini mengubah (lebih tepatnya memotong) cellulose menjadi glucose (gula). Gula-gula ini kemudian dikirim ke tangki fermentasi untuk diubah oleh yeast menjadi senyawa-senyawa kimia lainnya seperti ethanol, succinic acid, adipic acid, 1,4-butanediol, dsb.

Satu lagi keterbatasan proses fermentasi (biokimia), yang diakibatkan oleh kesulitan mengontrol mikrooranismenya, yaitu beragamnya reaksi yang bisa terjadi dan menyebabkan terbentuknya berbagai jenis produk dalam jumlah yang sangat rendah. Tidak seperti proses termokimia yang bisa didekati dengan penggunaan termodinamika dan simulasi proses, scale-up proses fermentasi tidak bisa dilakukan seperti itu. Secara kasar, scale-up proses fermentasi harus dilakukan secara bertahap dengan benar. Kerepotan proses fermentasi ini dijelaskan dengan baik di artikel ini.

Dengan proses-proses dasar seperti di atas ini, di bawah ini ada beberapa jenis biorefinery yang mungkin untuk diimplementasikan. Detail mengenai berbagai macam proses yang terlibat akan ditulis di artikel-artikel berikutnya.

biorefinery gasification

Gambar 1. Biorefinery dengan gasification

Gambar 1 di atas menunjukkan beberapa pilihan skema biorefinery dengan menggunakan gasification sebagai dasarnya. Gas synthesis (synthesis gas atau syngas) yang dihasilkan merupakan senyawa kimia dasar (platform chemical) yang bisa digunakan untuk berbagai macam proses lanjutan. Di contoh di atas, syngas digunakan untuk memproduksi methanol, atau diesel, atau bensin, atau hydrogen. Semua pilihan teknologi di atas sudah diaplikasikan dalam skala komersial (puluhan kilo ton per year (kta)) kecuali gasifikasi biomassa nya. Skala terbesar gasifikasi biomassa berkisar 200 ton/day biomassa kering, yang digunakan sebagai pembangkit listrik dengan membakar syngas nya. Detail mengenai gasifikasi bisa ditemukan di artikel berikut ini.

biorefinery hydrolysis

Gambar 2. Biorefinery dengan hydolysis asam

Gambar 2 menunjukkan skema biorefinery dengan menggunakan hydrolysis asam sebagai proses utamanya. Seperti halnya syngas, furfural dan levulinic acid juga merupakan senyawa kimia dasar yang dapat digunakan untuk membuat produk-produk kimia lainnya. Levulinic acid bahkan sering disebut-sebut sebagai “the new benzene”.

biorefinery fermen-chem

Gambar 3. Biorefinery dengan fermentasi – contoh 1

biorefinery fermen-chem1

Gambar 4. Biorefinery dengan fermentasi – contoh 2

Gambar 3 dan Gambar 4 sejatinya merupakan skema yang sama. Mereka cuma berbeda di bagian pengolahan awal sebelum hydrolysis dengan enzyme. Para pemilik teknologi pengolahan awal memiliki cara yang berbeda untuk mengambil lignin, tergantung dari kegunaan lignin. Di kedua contoh ini, lignin hanya digunakan sebagai pembangkit energi, sehingga kedua contoh di atas adalah sama. Fermentasi dengan yeast, tergantung dari jenis yeast dan kondisi operasinya, dapat menghasilkan produk-produk seperti ethanol, butanol, succinic acid, atau adipic acid, dsb.

Demikianlah pengenalan mengenai biorefinery dan beberapa contoh di antaranya. Detail mengenai proses-proses terkait akan disampaikan di artikel-artikel berikutnya.

Leave a Comment