Pemanfaatan Biomassa untuk Produksi Biohidrogen

Pendahuluan

Pemanasan global memiliki korelasi dengan emisi
-->CO₂. Emisi dan kenaikan harga energi menyebabkan kekhawatiran manusia. Mengingat hal tersebut merupakan masalah penting, perlu dilakukan langkah-langkah untuk mengurangi risiko terhadap manusia dan lingkungan. Salah satu upaya untuk mencapai teknologi bersih adalah menggantikan energi fosil dengan sistem energi terbarukan dan mengembangkan energi non-karbon. Salah satu jenis energi non-karbon adalah sel bahan bakar hidrogen.

Hidrogen adalah bahan bakar terbarukan paling elektroaktif dan ramah lingkungan untuk semua jenis mesin dan fuel cell. Hidrogen dan oksigen di dalam fuel cell bereaksi secara elektrokimia menghasilkan energi listrik dan air. Hasil reaksi hanya air, oleh karena itu fuel cell adalah alat pengubah tenaga yang tidak menghasilkan polutan (zero emission machine).

Hidrogen dapat diproduksi dari air, biomasa dan bahan bakar fosil. Metode produksi hidrogen dari air meliputi proses elektrolisis disosiasi termal dengan bantuan katalis, auto elektrolisis, alkalin dan biofotolisis dengan bantuan mikroalga. Metode produksi hidrogen dari biomasa meliputi metode biologi dan secara kimia. Proses produksi hidrogen dari bahan bakar fosil meliputi proses oksidasi parsial minyak berat dibantu katalis, oksidasi parsial naphta, metana, metanol,  steam reforming metanol dan gasifikasi batu bara.

Hidrogen dari bahan bakar fosil sampai saat ini mensuplai sebagian besar kebutuhan hidrogen. Setengah dari seluruh produksi hidrogen pada saat ini menggunakan bahan baku fosil melalui proses termokatalis dan gasifikasi dan hanya 4% saja yang menggunakan bahan baku air secara elektrolisis. Dengan semakin menipisnya cadangan bahan bakar fosil mendorong penggunaan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.

Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil (minyak bumi) karena beberapa sifatnya yang menguntungkan, yaitu dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui (renewable resources), relatif tidak mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya hutan dan pertanian.


Pembahasan

Biomasa merupakan bahan yang menyimpan energi sinar matahari dalam bentuk energi kimia di dalam tubuh tanaman dan binatang. Ada dua metode untuk memproduksi hidrogen dari biomasa yaitu metode termokimia dan biologi. Biomasa dengan metode termokimia dapat diubah menjadi hidrogen melalui proses pirolisis, gasifikasi dan water gas shift. Water gas shift adalah proses untuk mengkonversi gas hasil reaksi dari reaksi pirolisis dan gasifikasi menjadi hidrogen. Sedangkan dengan metode biologi, biomassa diubah menjadi hidrogen melalui proses biophotolysis langsung dan tak langsung, photo-fermentation, dan dark fermentation.
 
A. Metode Termokimia untuk memproduksi hidrogen

1. Pirolisis

Pirolisis adalah pemanasan bahan organik biomassa tanpa oksigen pada suhu tinggi 650-800 K dan tekanan 0,1-0,5 MPa untuk mengkonversi biomassa menjadi cairan minyak, arang padat dan senyawa gas. Produk dari proses pirolisis berupa gas, cair dan padat.
• Produk gas berupa
-->H₂, CH₄, CO, CO₂ dan gas-gas lainnya tergantung pada bahan organik biomassa yang digunakan untuk pirolisis.
• Produk cair berupa tar dan minyak yang tetap berbentuk cair pada suhu kamar seperti aseton, asam asetat, dll.
• Produk padat utama terdiri dari arang dan karbon hampir murni dan bahan inert lainnya.
Reaksi :
Biomassa + panas → -->H₂ + CO + CH₄ + produk lain
Uap metana dan hidrokarbon lainnya yang dihasilkan dapat dilakukan proses steam reforming untuk produksi hidrogen lebih lanjut:
-->CH₄ + H₂O    →   CO +  3H₂

Untuk meningkatkan produksi hidrogen, dilakukan reaksi water-gas shift sebagai berikut:
CO + H2O → CO2 + H2
Selain produk gas, produk berminyak juga dapat diolah untuk produksi hidrogen. Minyak pirolisis dapat dipisahkan menjadi dua fraksi berdasarkan kelarutan dalam air. Fraksi yang larut dalam air dapat digunakan untuk produksi hidrogen sementara fraksi yang tidak larut dalam air sebagai bahan perekat.

Pembuatan Hidrogen dari Pirolisis Biomassa

Penelitian menunjukkan bahwa ketika katalis Ni digunakan, maksimum hasil hidrogen bisa mencapai 90%. Dengan proses tambahan steam reforming dan  reaksi water-gas shift, yield hidrogen dapat meningkat secara signifikan.

2. Gasifikasi Biomassa
Gasifikasi merupakan teknologi konversi biomasa menjadi bahan bakar gas atau synthesis gas. Biomassa dapat digasifikasi pada temperatur tinggi (diatas 1000K).

Reaksi :

Biomassa + Panas + steam → H2 + CO + CO2 + CH4 + hidrokarbon fraksi ringan dan berat + tar

Gas hasil gasifikasi biomasa terdiri dari H2, CO, CH4, N2, CO2, O2, dan tar (karbon cair). Tar sangat susah dipisahkan dari syngas. Kandungan tar tergantung temperatur dan tipe reaktor. Tipe reakstor yang biasa digunakan untuk proses gasifikasi adalah reaktor fixed bed dan fluidized bed dan reaktor bentuk lain. Semua jenis reaktor memerlukan alat pembersih gas (gas cleaning). Uap air (steam) ditambahkan ke dalam water gas shift untuk mengkonversi CO + H2O menjadi CO2 dan H2.

Sistem reaktor terdiri dari ruang pembakaran berbentuk menara dilengkapi dengan sistem pemasukan udara dan satu reaktor gasifikasi yang dihubungkan denganruang pembakaran. Reaktor dilengkapi dengan sistem pemasukan biomasa, pemasukan uap air dan sistem pengeluaran gas hasil reaksi. Karbon dan gas CO yang terbentuk dilairkan ke ruang pembakaran dan bereaksi dengan oksigen (udara) menghasilkan gas CO2.

B. Metode biologi untuk memproduksi hidrogen

Ada tiga golongan bakteri penghasil hidrogen yaitu: cyanobacteria, bakteri anaerobik dan bakteri fermentasi. Cyanobacteria langsung menghasilkan hidrogen dengan cara mendekomposisi air dengan bantuan sinar matahari melalui proses potosintesis. Bakteri anaerobik menggunakan bahan organik sebagai sumber elektron dan sumber energi dan hasil konversi bahan organik adalah hidrogen. Mikroalga (alga hijau dan biru) melalui proses biophotolysis air dapat menghasilkan hidrogen. Dapat disimpulkan bahwa semua proses
Produksi hidrogen secara biologi sangat tergantung kepada enzim hidrogenase dan nitrogenase. Enzim hidrogenasi dan nitrogenase berperan dalam metabolisme sel untuk mengkatalisis reaksi pembentukan hidrogen. Enzim hidrogenase dapat dibedakkan menjadi dua jenis yaitu uptake hidrogenase (Ni-Fe hidrogenase dan Ni–Fe–Se hidrogenase) dan reversible hydrogenases.


1. Direct Biophotolisis

Produksi hidrogen biofotolisis langsung adalah proses biologis menggunakan sistem fotosintesis mikroalga untuk mengubah energi matahari menjadi energi kimia dalam bentuk hidrogen :

2H2O → 2H2 + O2

Fotosintesis dibagi menjadi dua tahap :

• Fotosintesis I (PSI) menghasilkan reduktan untuk reduksi CO2

• Fotosintesis II (PSII) memecah air dan menghasilkan hidrogen

Pada proses biofotolisis, dua foton dari air dapat menghasilkan reduksi CO2 oleh PSI atau pembentukan hidrogen dengan adanya hidrogenase. Pada tanaman hijau, karena kurangnya hidrogenase, hanya reduksi CO2 yang terjadi. Sebaliknya, mikroalga, seperti alga hijau dan cyanobakteri (alga biru-hijau), mengandung hidrogenase sehingga dapat menghasilkan hidrogen. Pada proses ini, elektron dihasilkan ketika PSII menyerap energi cahaya. Elektron kemudian dipindahkan ke ferredoxin (Fd) menggunakan energi matahari yang diserap PSI. Hidrogenase menerima elektron dari Fd untk menghasilkan hidrogen seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Skema direct biophotolysis

Karena hidrogenase sensitif terhadap oksigen, sangat penting untuk mempertahankan kandungan oksigen pada tingkat rendah dibawah 0,1% agar produksi hidrogen dapat berlanjut. Kondisi ini bisa didapatkan menggunakan alga hijau Chlamydomonas reinhardtii yang dapat membuang oksigen selama pernapasan oksidatif. Akan tetapi, karena jumlah substrat yang diambil dan dikonsumsi saat proses ini sangat banyak, efisiensinya menjadi rendah. Saat ini, mutant yang diperoleh dari mikroalga dilaporkan memiliki toleransi yang baik terhadap oksigen sehingga meningkatkan produksi hidrogen. Menggunakan mutant untuk produksi hidrogen dapat meningkatkan efisiensi secara signifikan.

2. Inderect Biophotolysis

Menurut Gaudermark, konsep dari biofotolisis tak langsung meliputi empat tahap.
a. Produksi biomassa oleh fotosintesis
b. Konsentrasi biomassa
c. Fermentasi aerobik gelap menghasilkan 4 mol hidrogen/mol glukosa pada sel alga, bersama dengan 2 mol asetat, dan
d. Konversi 2 mol asetat menjadi hidrogen

Pada biofotolisis tidak langsung, Cyanobacteria digunakan untuk menghasilkan hidrogen melalui reaksi berikut :
12H2O   +  6CO2 → C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 + 12H2O → 12H2 + 6CO2

 Indirect biophotolysis untuk produksi hidrogen

3. Dark Fermentation (Fermentasi gelap)

Fermentasi gelap adalah jenis fermentasi yang tidak memerlukan cahaya matahari. Pembuatan hidrogen dengan dark fermentation dari senyawa-senyawa organik dibantu oleh mikroorganisme anaerob  yang ditumbuhkan di dalam substrat yang kaya karbohidrat tanpa energi sinar matahari. Proses ini dapat dilakukan pada tiga kondisi yang berbeda yaitu pada suhu rendah (298-313 K), menengah (313-338 K), suhu tinggi (338-353 K) dan >353 K. Menghasilkan campuran gas hidrogen, CO dan sedikit metana.

Reaksi:

C6H12O6 + 2H2O  → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
Ketika produk akhir butirat, dihasilkan 2 mol H2 :
C6H12O6  → C4H8O2 + 2CO2 + 2H2

Produksi hidrogen melaui dark fermentation

4. Photo Fermentation (Fermentasi Terang)

Menggunakan jasa bakteri sulfur dan sinar matahari, asam organik sederhana dengan kandungan N terbatas melalui pembentukan enzim nitrogenase. Pada kondisi anaerobik bakteri sulfur dapat memanfaatkan asam organik atau hidrogen sulfid sebagai donor elektron. Elektron dipindahkan ke nitrogenasi dengan bantuan ATP. Apabila tidak ada nitrogen maka enzim tersebut dapat mereduksi proton menjadi hidrogen dengan suplai energi dari ATP.
Reaksinya
C6H12O6 + 12H2O + sinar matahari → 12H2+6CO2

Fotofermentasi, perubahan bahan organik melalui bakteri fotosintetik pengikat nitrogen, dapat menghasilkan biohidrogen yang lebih tinggi, akan tetapi sistem masih bergantung pada cahaya.

Skema photo-fermentation

Kesimpulan

Hidrogen merupakan salah satu sumber energi yang paling menjanjikan di masa depan. Banyak penelitian pada berbagai metode untuk memproduksi hidrogen telah dilakukan selama beberapa dekade terakhir. Biomassa berpotensi sebagai sumber daya energi yang dapat diandalkan untuk memproduksi hidrogen. Biomassa mempunyai keunggulan yaitu: dapat diperbaharui (renewable), jumlahnya melimpah, dan mudah dimanfaatkan. Selama siklus hidup, emisi total CO2 hampir mendekati nol karena fotosintesis tanaman hijau. Metode produksi hidrogen secara termokimia dengan pirolisis dan gasifikasi yang ekonomis dan akan menjadi kompetitif dengan metode reforming gas alam secara konvensional. Metode produksi hidrogen secara biologis melalui fermentasi gelap juga menjanjikan untuk penggunaan komersial di masa depan. Dengan pengembangan lebih lanjut teknologi ini, biomassa akan memainkan peran penting dalam pengembangan berkelanjutan ekonomi hidrogen.


Referensi

Mahreni, Adi Ilcham. 2011. Pengembangan Teknologi Bersih berbasis Hidrogen menggunakan Sumber Daya Alam Indonesia. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan”. ISSN 1693 – 4393

Meng Ni, Dennis Y.C. Leung, Michael K.H. Leung, K. Sumathy. 2006. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Processing Technology 87 (2006) 461 – 472.