“Allahumma tawwi umurana fi ta’atika wa ta’ati rasulika waj’alna min ibadikas salihina”

PENANGANAN LIMBAH: BIOHIDROGEN

BIO-HIDROGEN

(created by mahasiswa ITP-UB)

Energi sangat penting bagi kemakmuran dunia. Namun, ketergantungan kita terhadap bahan bakar fosil sebagai sumber energi utama, dapat mendorong timbulnya perubahan iklim global, kerusakan lingkungan, serta permasalahan kesehatan. Hidrogen (H2) memiliki potensi yang luar biasa sebagai energi (bahan bakar bersih) yang dapat diperbaharui.

Hidrogen memiliki densitas gravimetrik paling tinggi dari bahan bakar lain dan proses pembakarannya untuk konversi energi tidak memproduksi emisi karbon yang berperan menyebabkan polusi lingkungan dan global warming. Hidrogen dapat diproduksi dari sejumlah proses seperti elektrolisis air, reformasi termokatalitik dari komponen organik yang kaya akan hidrogen, dan proses biologi. Sekarang ini, hidrogen diproduksi secara eksklusif dengan elektrolisis air atau reformasi uap/gas metana. Produksi secara biologi (biohidrogen), menggunakan mikroorganisme, merupakan suatu terobosan baru yang menawarkan produksi potensial penggunaan hidrogen dari berbagai sumber energi yang dapat diperbaharui. Sistem biologi menyediakan suatu cakupan yang luas dalam menghasilkan hidrogen, meliputi biophotolisis langsung, biophotolisis tak langsung, fermentasi cahaya, dan fermentasi gelap. Gas Hidrogen secara rutin ditingkatkan oleh material organik yang mengalami pembusukan anaerobik, tetapi sebelum itu dapat lepas dari lingkungan yang anaerobik, gas tersebut ditangkap oleh bakteri pembentuk metana (CH4) dan digunakan untuk membuat CH4.

Ada beberapa metode memproduksi bahan bakar bersih ini. Di antaranya adalah teknik biologi yang merupakan suatu pilihan menjanjikan. Ketika dikombinasikan dengan treatment sampah, teknik ini bisa memecahkan dua permasalahan sekaligus yakni pengurangan polusi dari degradasi sampah tak terkendalikan dan sebagai generasi bahan bakar alternatif bersih.

Secara biologi, hidrogen dapat diproduksi dengan cara :

  1. Fotosintesis
  2. Fermentasi

A. Produksi Hidrogen (H2) Melalui Fotosintesis

* Fotosintesis pada tumbuhan serta alga hijau dan hijau-biru :

6H2O + 6CO2—cahaya— C6H12O6 + 6O2+ cellular energy

* Fotosintesis produksi H2 pada alga hijau dan hijau-biru-biofotolisis

H2O—cahaya—- 0.5O2 + H2

* Produksi H2 pada alga hijau :

2H+ +2 elektron—hidrogenase—H2

Fotosintesis produksi H2 dalam alga hijau-biru dan bakteri nitrogenase :

N2 + 8H+ + 8e- + energy—nitrogenase—2NH3 + H2

* Hidrogenase pada alga hijau :

• Terinduksi sedikit oleh kondisi pre-inkubasi yang gelap dan anaerob

• Berperan mengatur transisi gelap/cahaya

• Sifatnya sensitive terhadap O2, jadi produksi H2 menurun saat ada cahaya

• karenanya diusulkan menggunakan 2 tahap proses.

* Nitrogenase pada alga hijau-biru dan bakteri:

• Produksi lebih banyak H2 bila tidak ada N2

• Terhambat oleh NH3, O2

• Merupakan energi yang sangat dibutuhkan

• Perputarannya 1000x lebih lambat dibanding hidrogenase

* Produksi H2 oleh bakteri fotosintetis

• Membutuhkan komponen organic

• Tidak memproduksi O2

B. Produksi Hidrogen (H2) Melalui Fermentasi

• Memiliki banyak jenis bakteri, terutama Clostridia

• Proses gelap dan anaerobik

• Karbohidrat sebagai substrat penyokong

• Melibatkan hidrogenase

• Hasil/yield H2 maksimum dengan asam asetat sebagai produk fermentasi

Sistem biohidrogen

Terdapat 4 macam system biohidrogen, yaitu:

a. Biophotolisis langsung

Fotosintesis memproduksi hidrogen dari air adalah suatu proses secara biologi yang memanfaatkan cahaya matahari, menghasilkan energi kimia dengan reaksi sebagai berikut :

2H2O—-Energi cahaya—–.2H2 +O2

Alga hijau, di bawah kondisi anaerob, dapat menggunakan H2 sebagai suatu donor elektron di dalam proses fiksasi CO2 atau meningkatkan H2. Produksi hidrogen oleh mikroalga hijau membutuhkan waktu beberapa menit hingga beberapa jam dari inkubasi anaerob dalam kondisi gelap untuk menginduksi pengaktifan dan/atau sintesa enzim yang dilibatkan dalam metabolisme H2, termasuk reversible enzim hidrogenase. Hidrogenase mengkombinasi proton (H+) dalam medium dengan elektron untuk membentuk dan menghasilkan H2. Dengan begitu, mikroalga hijau mampu secara genetik, enzimatik, metabolik, dan transport elektron menuju ke photoproduce gas H2. Sintesis H2 memungkinkan elektron melalui rantai transport elektron, yang mendukung sintesis ATP.

Proses fotosintesis alga mengoksidasi H2O dan meningkatkan O2. Energi cahaya diabsorbsi oleh fotosistem II (PSII) menghasilkan electron yang ditransfer ke ferredoxin, lalu menggunakan energi cahaya diabsorbsi oleh fotosistem I (PSI). Hidrogenase reversible menerima elektron secara langsung dari ferredoxin yang telah dikurangi untuk menghasilkan H2. Karena enzim hidrogenase yang bertanggung jawab pada evolusi molekuler H2 adalah sangat sensitive terhadap O2, produksi fotosintesis dari H2 dan O2 haruslah sementara dan/atau terpisah.

Dalam 2 fase proses, selama fotosintesis normal (fase1),CO2 pertama tercampur dalam substrat yang kaya H2, diikuti dengan generasi cahaya tengah dari molekuler H2 saat mikroalga dierami di bawah kondisi anaerob (fase 2). Fase 2 dari dua tahap proses dapat dicapai dengan inkubasi mikroalga dalam medium yang tidak mengandung sulfur. Contoh kultur alga hijau adalah Chlamydomonas reinhardtii.

b. Biofotolisis tak langsung

Cyanobacteria dapat juga mensintesis dan meningkatkan H2 melalui jalur fotosintesis mengikuti proses sebagai berikut :

12H2O + 6CO2—–Energi cahaya—–.C6H12O6 + 6O2;

C6H12O6 + 12H2O—– Energi cahaya —–.12H2 + 6CO2

Cyanobacteria (disebut juga blue-green algae, cyanophyceae, or cyanophytes) adalah suatu grup besar dari mikroorganisme photoautotrophic. Cyanobacteria mengandung pigmen fotosintesis, seperti klorofil, karotenoid, dan fikobiliprotein, serta dapat menyuguhkan fotosintesis oksigenik. Nutrisi yang dibutuhkan mikroorganisme ini cukup sederhana yakni udara (N2 dan O2), air, garam mineral, dan cahaya. Spesies ini memiliki beberapa enzim yang secara langsung meningkatkan metabolisme H2 dan sintesis molekuler H2. Termasuk nitrogenase yang mengkatalis produksi H2 sebagai by-product dari reduksi nitrogen menjadi ammonia, pengambilan hidrogenase yang mengkatalis oksidasi dari sintesis H2 oleh nitrogenase, dan bi-directional hydrogenases yang mempunyai kemampuan untuk mengoksidasi dan sintesis H2. Produksi hidrogen dengan Cyanobacteria telah diteliti lebih dari 3 dekade dan terungkap bahwa efisien fotokonversi dari H2O menjadi H2 dipengaruhi oleh banyak faktor.

c. Photo-fermentation (fermentasi cahaya)

Bakteri Purple non-sulfur meningkatkan molekuler H2 dikatalis oleh nitrogenase di bawah kondisi defisiensi nitrogen menggunakan energi cahaya dan asam-asam organic.

C6H12O6 + 12H2O—– Energi cahaya —–.12H2 + 6CO2

Secara umum, kecepatan produksi hidrogen oleh bakteri photoheterotrophic sangat besar ketika sel berhenti di dalam matriks padat dibandingkan ketika sel hidup bebas.

d. Dark-fermentation (fermentasi gelap)

Hidrogen dapat diproduksi pula oleh bakteri anaerob, yang tumbuh di tempat gelap dan kaya akan karbohidrat. Reaksi fermentasi dapat berlangsung pada kondisi mesofilik (25–40.C), thermophilic (40–65.C), extreme thermophilic(65–80.C), or hyperthermophilic (>80.C). Di samping protolisis langsung dan tak langsung yang memproduksi H2 murni, proses ini memproduksi campuran biogas yang mengandung utamanya H2 dan CO2, selain itu juga sedikit metana, CO, dan H2S.

Bakteri yang diketahui memproduksi hidrogen termasuk spesies Enterobacter, Bacillus, and Clostridium. Carbohydratesare

Keuntungan bio-hidrogen adalah sebagai berikut :

  1. Biaya energi lebih rendah
  2. Dapat menyokong energi otonom, pertanian, dan kebijakan keamanan (tidak ada perang minyak)
  3. Perlindungan lengkap pada lingkungan dan iklim ( proteksi ganda dari CO2)
  4. Semua sumber daya energi memiliki akses bagi seluruh pasar (diversifikasi).

Kelemahan bio-hidrogen adalah :

  1. Produksi hydrogen dapat terhambat oleh ammonia
  2. Enzim hidrogenase yang berperan pada produksi hydrogen inactive dengan adanya oksigen
  3. Merupakan sumber energi yang lemah dibanding metana. Jika 12.5 liter gas metana mempunyai 100 kalori energi yang tersedia, sementara dengan volume yang sama gas hidrogen hanya mempunyai 30 kalori energi yang tersedia.

Review Jurnal

Produksi Biohidrogen Secara Fermentatif dari Sampah Biologi Menggunakan Lumpur Sampah Tercerna Sebagai Inokulum (Fermentative Production of Biohydrogen from Biowaste Using Digested Sewage Sludge as Inoculum)

Dalam jurnal ini digunakan inokulum dari lumpur sampah tercerna (digested sewage sludge) untuk menghasilkan H2. Dalam lumpur sampah tercerna (digested sewage sludge) yang telah disentrifugasi terdapat kultur campuran natural anaerob seperti Clostridium yang dapat memproduksi bio-H2 dengan mendegradasi senyawa organik. Digunakan kultur campuran karena jika memakai kultur murni maka perlu teknik aseptis dan mudah terkontaminasi.

Substrat yang digunakana adalah sampah dan bahan organic sebagai sumber karbon. Dalam jurnal ini digunakan 8 macam sumber karbon, yaitu:

  1. Glukosa
  2. Pati jagung
  3. Pati kentang
  4. Gula bit
  5. Fodder beet
  6. Lobak
  7. Kentang
  8. Kulit kentang

Sebelum inkubasi dalam vessel untuk difermentasi, dilakukan heat pre-treatment pada lumpur sampah untuk menghambat bioaktivitas mikroba pengguna H2 (seperti bakteri metanogenik) dan untuk memperbanyak bakteri pembentuk spora yang memproduksi H2. Heat pre-treatment yang bisa disebut juga heat shocking dilakukan dengan menyimpan lumpur sampah dalam waterbath 800 C selama 30 menit.

Selama inkubasi dilakukan sampling dengan cara mengambil sampel gas dalam vessel dengan jarum gelas kemudian dianalisa dengan koromatografi. Sedangkan fase cair akan dianalisa tiap hari untuk mendapatkan nilai pH, VFA (Volatile Fatty Acid), dan asam organic. Pengujian asam organic menggunakan metode HPLC sehingga dapat diketahui konsentrasi asam sitrat, laktat, format, asetat, propionate, i-butirat, n-butirat, i-valerat, n-valerat, dan asam karboksilat.

A. Pengaruh Heat Pre-Treatment Pada Inokulum Terhadap Produksi H2

Dari hasil penelitian diketahui bahwa inokulum yang telah dilakukan pre-treatment menghasilkan lebih banyak H2 daripada yang tidak melalui tahap pre-treatment. Selain itu produksi biogas pada inokulum yang telah dilakukan pre-treatment lebih cepat daripada yang tidak melalui tahap pre-treatment.

Ini karena selama heat pre-treatment bakteri pengguna H2 dihambat pertumbuhannya sedangkan bakteri penghasil H2 diperbanyak dengan cara memberi waktu bakteri untuk membentuk spora.

B. Pengaruh Jenis Pati (Substrat) Terhadap Produksi H2

Dari hasil penelitian diketahui bahwa produksi H2 dengan substrat glukosa paling tinggi daripada pati jagung dan pati kentang, dengan urutan glukosa > pati jagung > pati kentang.

Setelah melewati fase lag, glukosa menghasilkan H2 lebih banyak dan lebih cepat daripada pati jagung dan pati kentang karena glukosa merupakan monosakarida yang dapat dengan mudah didegradasi menjadi H2, CO2, dan asam organik. Sedangkan pati merupakan polisakarida (polimer) dengan ikatan alfa antar monomernya, sehingga bakteri harus memutus ikatan ini terlebih dahulu untuk diubah menjadi glukosa sebelum didegradasi menjadi H2.

C. Produksi H2 dari Limbah Agrikultur

Dari hasil penelitian diketahui bahwa produksi H2 dengan substrat fodder beet sebagai sumber karbon menghasilkan H2 paling tinggi diantara substrat limbah agrikultur yang lain dan yang terendah adalah dengan memakai kulit kentang sebagai sumber karbon. Urutannya adalah fodder beet > kentang > lobak > gula bit >kulit kentang.

Substrat glukosa dan gula bit merupakan substrat yang tinggi kandungan gulanya. Sedangkan fodder beet, lobak, dan kentang mengandung kabon yang berupa pati. Gula lebih mudah dicerna bakteri daripada pati sehingga lebih cepat dalam produksi biogas, asam organik, penurunan pH, dan peningkatan tekanan parsial H2.

D. Hydrogen Yield

KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan:

  1. Lumpur sampah yang melalui tahap heat pre-treatment menghasilkan H2 lebih banyak dan lebih cepat daripada yang tidak melalui tahap heat pre-treatment.
  2. Produk agrikultur dan sampah organik sangat menjanjikan untuk digunakan sebagai substrat dalam fermentasi untuk menghasilkan biohidrogen.

  3. Produksi biohidrogen dengan fermentasi pada suhu termofilik mempunyai potensi tinggi sebagai penghasil energi. Proses termofilik dapat meng-higieniskan sampah organik yang digunakan sebagai substrat.

Iklan

6 responses

  1. rizki

    wah bagus sekali,,saya tertarik dengan produksi biohidrogen.
    klo boleh bisa minta makalah atau laporan gag ya?? saya ingin mempelajari tentang biohidrogen nih..thx
    kirim ke email saya ya kyki_zone@yahoo.com

    4 Oktober 2010 pukul 12:15

    • lordbroken

      maaf,,pengetahuan saya juga masih sangat terbatas mengenai biohidrogen,,

      5 Oktober 2010 pukul 11:50

  2. Yuliana Eka

    proses cracking dari H2O menjadi H2 dapat dlakukan cari yang lebih mudah untuk skala laboratorium???pemanfaatan H2 ini apa ja,,,apa bisa untuk bahan bakar???

    18 Oktober 2010 pukul 10:44

  3. paulina

    mz tlsannya sgt membantu bwt pra desain pabrik..
    klo ada tmbhan pengethuan ttg produksi hidrogen melalui proses darkfermentasi..tlg bagi k aq y…mkc…

    28 Februari 2011 pukul 16:51

  4. luthfi

    Subhanaalah ya,
    smoga bs bermanfaat
    klo boleh bwat share ilmu sy boleh minta format laporannya ga?
    trim…
    succes_org@yahoo.com

    10 Oktober 2011 pukul 17:27

  5. Luqman Fikri

    terimakasih ilmunya..

    boleh minta jurnal ilmiahnya? ke luqmanfikria@gmail.com. mau mencari medium untuk mengkulturkan bakterinya 🙂

    14 September 2014 pukul 12:37

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

Masukkan alamat surel Anda untuk berlangganan blog ini dan menerima pemberitahuan tulisan-tulisan baru melalui email.

Bergabunglah dengan 142 pengikut lainnya

Tulisan Terakhir

Mohon maaf jika artikel yang di sajikan berasal dari banyak sumber, sumber yang masih utuh saya tampilkan sumber aslinya, tapi seringkali saya lupa, mohon di maafkan. saya coba perbaiki terus kualitas dan kuantitas blog ini.
%d blogger menyukai ini: