Teknologi Baru Katalis Enzim untuk Memproduksi Biodiesel

Biodiesel  merupakan  bahan bakar yang terbarukan, dan sangat menjajikan di masa depan. Biodiesel yang berasal dari minyak tanaman seperti kelapa sawit, jarak, kelapa dll, juga dengan mudah diperoleh di Indonesia. Sumber  energi ini  dapat dimanfaatkan sebagai pengganti bahan bakar fosil.  

Batasan yang dikemukakan oleh The American Society for Testing and Materials (ASTM) (1998) sebagai berikut,  biodiesel sebagai mono-alkil ester yang terdiri dari asam lemak rantai panjang, didapat dari lemak terbarukan, seperti minyak nabati atau lemak hewani. 

Mono-alkil ester dapat berupa metil ester atau etil ester, tergantung dari sumber alkohol yang digunakan. Metil ester atau etil ester adalah senyawa yang relatif stabil, berwujud cairan pada suhu ruang (titik leleh antara 4-18C), nonkorosif, dan titik didihnya rendah.

Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif untuk mesin diesel yang diproduksi dengan reaksi transesterifikasi dan esterifikasi dari  minyak tumbuhan atau lemak hewan dengan alkohol rantai pendek seperti metanol dengan bantuan katalis. Reaksinya membutuhkan katalis yang umumnya merupakan basa kuat, sehingga  metil ester lebih cepat terbentuk.

Ada  beberapa jenis katalis yang sudah umum dilakukan yaitu  katalais homogen yaitu ( asam, basa,   ezim bebas)  dan katalis heterogen seperti CaO   dan enzim yang diamobilisasi . 

Enzim yang digunakan sebagai katalis adalah enzim lipase. Enzim  bersifat ramah bagi lingkungan.  Oleh karena itu, industry yang memproduksi   biodiesel, sangat membutuhkan  suatu   formulasi lipase yang  murah, terutama dalam bentuk cair, artinya berada dalam kondisi  bebas.

Enzim sebagai biokatalis biodiesel  lebih menguntungkan jika dibandingkan dengan bahan kimia pada proses kimia tradisional, karena enzim memiliki nilai  efisiensi pada  proses, keberlanjutan dan masalah lingkungan.

Beberapa dari  keuntungan enzim terkait dengan kemampuannya untuk bertindak dalam kondisi reaksi ringan,  selektivitas produk mereka, spesifisitas substrat dan toksisitas lingkungan yang rendah . Faktanya, enzim mampu mengubah berbagai macam  substrat dan mengkatalisis berbagai jenis reaksi; oleh karena itu, enzim memiliki berbagai aplikasi dalam makanan dan minuman, farmasi, deterjen, pakan ternak, dan industri biofuel.

Produksi biodiesel yang dimediasi oleh enzim lipase memiliki keunggulan yang sudah dikenal baik, seperti kondisi reaksi yang ringan, pemulihan produk yang mudah, dan ramah lingkungan, dan dengan demikian menunjukkan prospek yang bagus, terutama ketika minyak berkualitas rendah dengan kandungan asam lemak bebas tinggi, digunakan sebagai bahan baku.

Namun, sebagian besar enzim asli tidak cocok untuk langsung diterapkan ke industri; misalnya, mereka perlu distabilkan agar berfungsi dengan baik di bawah kondisi non-alami  agar  tahan. Dalam beberapa kasus, kondisi yang keras (misalnya, tinggi suhu, tegangan geser, nilai pH drastis, keberadaan co-pelarut organik, dll.)] dan dapat digunakan pada reaksi yang berbeda dari yang alami.

Sintesis enzimatik biodiesel menunjukkan karakteristik yang menguntungkan dapat bekerja pada suhu kamar , tidak ada pembentukan air limbah, tidak terjadi reaksi saponifikasi dan produksi biodiesel dengan kualitas tinggi.  Lipase yang digunakan dapat berupa amobil, dan enzyme lipase bebas (tanpa amobil)

Lipase dalam formulasi bebas/larut/cair yang digunakan untuk produksi biodiesel melalui reaksi hidroesterifikasi telah menarik minat para peneliti karena lebih hemat biaya daripada bentuk amobil, membuat jalur enzimatik lebih kompetitif.

Selain itu, lipase terlarut memberikan laju reaksi yang lebih tinggi, mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan hasil biodiesel yang memuaskan. Terlepas dari kenyataan bahwa sudah ada pabrik industri yang memproduksi biodiesel dengan bantuan lipase dalam formulasi cair.

KARAKTERISTIK ENZIM LIPASE

Lipase (triasilgliserol ester hidrolase, EC.3.1.1.3) adalah enzim yang secara alami menghidrolisis minyak dan lemak ,  tetapi, dalam media dengan aktivitas air rendah,  enzim ini  mampu mengkatalisis reaksi esterifikasi, acidolysis,   transesterifikasi  (alkoholisis dan gliserolisis) dan interesterifikasi bahkan reaksi promiscuous, yaitu menunjukkan atau tidak selektif.

Sebuah survei literatur ilmiah mengungkapkan bahwa  subyek lipase adalah subjek sangat banyak  diterbitkan, sejak 1903 (Scopus). Namun, peningkatan yang luar biasa dalam jumlah makalah yang terkait dengan lipase terjadi dalam 20 tahun terakhir, dan, periode waktu ini setara dengan 65% dari total jumlah dokumen yang terkait dengan lipase. Artinya lipase sangat intensif diteliti di dunia saat ini. 

Pada pencarian  saya pada laman NCBI misanyanya untuk  satu tahun terkshir sebanyak 2,120 artikel, bandingkan dengan amilase sebanyak 1,888 artikel,, namun tetap kalah juga dengan DNA Polimerase , unzim untuk sintesis DNA  sebanyak 5,542  artikel. Enzim protease 18,485 artikel. Sedangkan selulase sebesar 826 artikel.

 Keberhasilan besar dari enzim ini adalah karena mereka mengenali sejumlah besar substrat yang berbeda secara struktural di bawah berbagai suhu, pH dan media reaksi (media berair dan non-konvensional) dengan selektivitas enansio- dan/atau regio-produk dan/atau substrat yang tinggi. kekhususan

Oleh karena itu, lipase memiliki sejumlah besar aplikasi penting, seperti modifikasi minyak dan lemak, formulasi deterjen, pengolahan limbah, pengolahan kulit, sintesis intermediet kimia yang digunakan dalam produksi obat-obatan, sintesis wewangian dan aroma, produksi biodiesel, dan lain lain.

Sebagian besar lipase yang digunakan sebagai katalis dalam sintesis organik adalah dari mikroba dan asal jamur, seperti Candida rugosa, Candida antarctica, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus oryzae, Burkholderia cepacia, Aspergillus niger, Thermomyces lanuginosus dan Rhizomucor miehei, mudah diperoleh melalui fermentasi dan tahap pemurnian dasar.

Lipase yang banyak kini dilirik adalah berasal dari jamur yaitu dari spesies Thermomyces lanuginosus. Lipase T. lanuginosis memiliki pusat katalitik yang mengandung tiga asam amino (asam serin-histidin-aspartat) dan ditutupi oleh loop alfa-heliks pendek atau "tutup" yang bergerak untuk memungkinkan akses substrat ke situs aktif.

Mutasi tunggal pada serin mengubah gerakan kelopak mata, yang mempengaruhi afinitas pengikatan enzim. Lipase juga mengandung ikatan disulfida tetapi tidak memiliki gugus ---SH bebas. 

Produktivitas dan termostabilitas lipase berbeda dengan strain yang berbeda, tetapi telah ditemukan stabil pada pH 4 hingga 11 dan aktif secara optimal pada 8,0. Dari segi suhu, beberapa aktivitas telah diamati pada 65 C, tetapi sepenuhnya tidak aktif pada 80 C. Suspensi miselium tipis yang dibentuk oleh jamur membuatnya diinginkan untuk digunakan dalam produksi lipase stabil untuk pembuatan deterjen untuk mesin cuci air panas

Thermomyces lanuginosus, apa itu? 

Termasuk kelompok Jamur, Thermomyces lanuginosus adalah spesies jamur termofilik yang termasuk dalam Thermomyces, genus pengurai hemiselulosa. Ini diklasifikasikan sebagai deuteromycete dan tidak ada bentuk seksual yang pernah diamati. Ini adalah jamur dominan tumpukan kompos, karena kemampuannya untuk menahan suhu tinggi dan menggunakan sumber karbon kompleks untuk energi. 

Ketika suhu tumpukan kompos meningkat dan ketersediaan sumber karbon sederhana menurun, ia mampu bersaing dengan mikroflora pionir. Ini memainkan peran penting dalam memecah hemiselulosa yang ditemukan dalam biomassa tanaman karena banyak enzim hidrolitik yang dihasilkannya, seperti lipolase, amilase, xilanase, fitase, dan kitinase. 

Enzim ini memiliki aplikasi kimia, lingkungan, dan industri karena sifat hidrolitiknya. Mereka digunakan dalam industri makanan, minyak bumi, pulp dan kertas, dan pakan ternak, antara lain. Beberapa kasus langka endokarditis karena T. lanuginosus telah dilaporkan pada manusia.

Jamur ini pertama kali dideskripsikan pada tahun 1899 oleh Tsiklinskaya, setelah ditemukan secara kebetulan tumbuh pada kentang yang telah diinokulasi dengan tanah kebun. Kemudian diisolasi pada tahun 1907 dari daun di tumpukan kompos hangat oleh Hugo Miehe. Miehe adalah orang pertama yang bekerja dengan mikroorganisme termofilik dalam studinya tentang pembakaran spontan tumpukan jerami basah. T. lanuginosis adalah salah satu dari empat spesies jamur termofilik yang diisolasi dari jerami yang dipanaskan sendiri oleh Miehe, bersama dengan Mucor pusillus, Thermoidium sulfureum, dan Thermoascus aurantiacus.

Jamur ini  juga diisolasi oleh sejumlah peneliti yang berbeda. Griffon dan Maublanc mengisolasinya dari jamur pada gandum basah pada tahun 1911, tetapi menempatkannya dalam genus Sepedonium, seperti yang dilakukan Velich pada tahun 1914. Kurt Noack mengisolasi beberapa jamur termofilik dari habitat alami, termasuk T. lanuginosis, mempelajari fisiologi mereka lebih lanjut. Cooney dan Emerson memberikan deskripsi taksonomi dari 13 spesies jamur yang diketahui selama Perang Dunia II, sambil mempelajari sumber alternatif karet.

EVERSA

Pada tahun 2014, Novozymes meluncurkan formulasi lipase Eversa Transform, dan pada tahun 2016 generasi keduanya, Eversa Transform 2.0, mengandung lipase yang lebih tahan panas. Kedua produk tersebut merupakan formasi cair yang dikembangkan untuk langsung digunakan 200 dalam produksi biodiesel, memiliki aktivitas tinggi baik untuk transesterifikasi gliserida maupun esterifikasi FFA.

Oleh karena itu, Eversa Transform 2.0 yang baru memungkinkan pemrosesan enzimatik bahan baku berminyak dengan kandungan FFA apa pun hanya dalam satu batch sebagai proses yang menggabungkan CalleraTM Trans L dan CalleraTM 204 Ultra. Eversa Transform 2.0 mengandung sebagai komponen enzim, ester hidrolase karboksilat yang direkayasa (EC 3.1.1.3) yang diproses dari TLL dan diproduksi oleh fermentasi terendam dari strain Aspergillus oryzae yang dimodifikasi secara genetik, di mana gen protease basa bernama "alp" telah dihapus.

Pada tahun 2014, Novozymes meluncurkan formulasi lipase Eversa Transform, dan pada tahun 2016 generasi keduanya, Eversa Transform 2.0, mengandung persiapan lipase yang lebih tahan panas. Kedua produk tersebut merupakan formasi cair yang dikembangkan untuk langsung digunakan 200 dalam produksi biodiesel, memiliki aktivitas tinggi baik untuk transesterifikasi gliserida maupun esterifikasi FFA.

Oleh karena itu, Eversa Transform 2.0 yang baru memungkinkan pemrosesan enzimatik bahan baku berminyak dengan kandungan FFA apa pun hanya dalam satu batch sebagai proses yang menggabungkan CalleraTM Trans L dan CalleraTM 204 Ultra. Eversa Transform 2.0 mengandung sebagai komponen enzim, ester hidrolase karboksilat yang direkayasa (EC 3.1.1.3) yang diproses dari TLL dan diproduksi oleh fermentasi terendam dari strain Aspergillus oryzae yang dimodifikasi secara genetik, di mana gen protease basa bernama "alp" telah dihapus

Eversa Transform 2.0 (NS-40116) diluncurkan di pasar dengan biaya lebih rendah dibandingkan dengan enzim yang digunakan secara tradisional (20,0 USD/kg), membuat produksi biodiesel dengan katalisis enzimatik menggunakan bahan baku berminyak murah menjanjikan.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, Eversa telah diluncurkan untuk digunakan sebagai enzim bebas; oleh karena itu, hanya beberapa makalah yang bermaksud imobilisasi, dan ini telah diinisialisasi baru-baru ini. Memang, upaya imobilisasi Eversa dimulai pada 2018. Rombongan pionir dipimpin oleh Prof. de Oliveira.

Misalnya, Eversa (disebut sebagai NS-40116 dalam makalah ini) diimobilisasi dalam busa poliuretan fleksibel. Enzim terperangkap dan kemungkinan besar tetap tidak bergerak karena imobilisasinya melalui aktivasi antarmuka pada matriks hidrofobik. Dalam penelitian ini, toluena diisosianat dan polieter digunakan untuk menghasilkan busa dan enzim amobil mempertahankan 80% aktivitas awal setelah penyimpanan pada 4 C selama satu bulan. Namun, stabilitas operasional biokatalis amobil tidak terlalu tinggi, hanya mempertahankan 50% aktivitas setelah 5 siklus hidrolisis minyak.

Satu penjelasan yang mungkin untuk stabilitas yang buruk ini mungkin adalah pelepasan enzim karena sifat seperti deterjen dari FFA, monogliserida dan digliserida yang dihasilkan. Kemudian, kelompok de Oliveira melumpuhkan Eversa dalam dukungan hidrofobik yang berbeda (sekali lagi melalui aktivasi antarmuka ), memperoleh aktivitas transesterifikasi tertinggi menggunakan Sepabeads C-18.

Biokatalis amobil digunakan dalam produksi biodiesel dalam heksana menggunakan minyak bunga matahari, Anehnya, enzim amobil lebih stabil dalam metanol daripada dalam etanol, bertentangan dengan sebagian besar profil stabilitas pelarut lipase . Kemudian, kelompok penelitian ini melumpuhkan Eversa (sekali lagi disebut sebagai NS-40116) pada matriks hidrofobik, menggunakan  teknik sol-gel.

Para penulis menggunakan tetraetil ortosilikat sebagai prekursor silika dan polietilenglikol (MW1500) sebagai aditif penstabil enzim. Mereka menyiapkan tiga biokatalis yang berbeda menggunakan katalis yang berbeda untuk polimerisasi sol-gel: NaOH, HBr atau HCl. Xerogel yang dihasilkan menggunakan NaOH sebagai katalis menghasilkan biokatalis yang menunjukkan aktivitas tertinggi (lebih dari 15 kali lipat lebih tinggi daripada enzim non-imobilisasi). Biokatalis amobil ini memperbesar kisaran suhu di mana enzim dapat digunakan . Dalam studi lain, enzim itu bergerak dalam polistiren tidak berpori (sekali lagi melalui aktivasi antarmuka.

Enzim amobil menunjukkan stabilitas termal yang lebih tinggi pada suhu yang berbeda nilai pH; Selain itu, aktivitas hidrolitik enzim dikalikan lebih dari 1,8 pada pH 12. Biokatalis diterapkan dalam hidrolisis minyak kedelai dan juga dalam esterifikasi dan transesterifikasi lemak ayam abdomen dengan alkohol rantai rendah.

 Kemudian, kelompok penelitian ini mengamobilisasi enzim dalam busa poliuretan yang telah diproduksi dengan memanfaatkan biopoliol, yang dihasilkan oleh gliserolisis minyak jarak yang dikatalisis oleh Novozym 435 (salah satu biokatalis lipase yang paling banyak digunakan).

 Biokatalis Eversa amobil lebih stabil daripada enzim bebas, terutama pada nilai pH asam. Dalam esterifikasi FFA dan metanol, biokatalis ini mempertahankan hasil (66%) setelah 14 penggunaan Kembali. Dalam makalah terakhir dari kelompok ini, strategi siklik diterapkan. Eversa dalam bentuk bebasnya digunakan dalam gliserolisis minyak jarak dan biopoliol yang diperoleh digunakan untuk menghasilkan matriks dimana enzim kemudian diimobilisasi.

Aplikasi Eversa

Eversa (dalam nama yang berbeda) telah sampai sekarang terutama digunakan untuk produksi biodiesel menggunakan minyak dan lemak dan alkohol rantai pendek. Selain itu, telah juga digunakan untuk produksi FFA dan gliserida, antara lain proses. Selanjutnya, kami akan menyajikan beberapa makalah yang paling relevan terkait dengan topik ini.

Produksi biodiesel

Eversa telah digunakan terutama untuk produksi biodiesel, setelah memiliki  terbukti sangat efisien untuk reaksi transesterifikasi dan esterifikasi. Memang, aplikasi pertama Eversa (disebut pada saat itu sebagai CalleraTM 570 Trans L) yang dapat ditemukan dalam Literatur adalah transesterifikasi minyak kedelai mentah untuk produksi FAMEs.

Dalam penelitian ini, pengaruh kadar air dalam media reaksi dievaluasi; sebagai hasilnya, konversi 96% FAME dicapai pada kadar air rendah (3-5 wt.%). Para penulis menyarankan bahwa Eversa melanjutkan melalui mekanisme berdasarkan hidrolisis diikuti oleh esterifikasi, tetapi bukti untuk mekanisme produksi biodiesel ini lemah, dan tidak mudah untuk dijelaskan dari sudut pandang termodinamika.

Saat ini, transesterifikasi enzim dianggap sebagai jalur utama dalam produksi biodiesel lipase. Kelompok penelitian yang sama, yang bertujuan untuk menghilangkan getah dari minyak kedelai mentah, menggabungkan Eversa dengan dua fosfolipase untuk satu langkah degumming-transesterifikasi substrat, menghasilkan konversi >95% FAME dan pengurangan fosfor yang baik (dari 900 menjadi <5 ppm). Para penulis menyoroti bahwa satu langkah degumming-transesterifikasi meningkatkan efisiensi produksi biodiesel enzimatik pada skala industri.

Kemudian, dalam sistem lain, efek penambahan gliserol (harus dipertimbangkan bahwa masalah tradisional dalam produksi biodiesel oleh enzim amobil adalah produksi gliserin)  dalam transesterifikasi minyak lobak dievaluasi, mencapai konversi 98% FAME untuk sistem dengan kadar air tinggi (20 wt.%) . Penambahan gliserol ke sistem menurunkan laju reaksi awal, tetapi meningkatkan konversi menjadi FAMEs dengan menekan reaksi hidrolisis yang dapat mengurangi hasil.

Dalam studi lebih lanjut, Eversa digunakan untuk transesterifikasi minyak lobak, mengevaluasi penambahan bertahap metanol. Disimpulkan bahwa langkah pertama untuk produksi biodiesel berlangsung pada tingkat yang lebih tinggi, membutuhkan tingkat penambahan metanol yang lebih tinggi, sedangkan langkah kedua dari reaksi berlangsung pada tingkat yang lebih rendah. Oleh karena itu, untuk mengurangi laju penambahan metanol pada langkah reaksi kedua disarankan untuk menghindari inaktivasi Eversa oleh metanol.

Pengaruh kadar air kembali dievaluasi dalam produksi biodiesel menggunakan minyak lobak yang dikatalisis oleh Eversa, dalam hal ini menganalisis kinetika reaksi. Itu disesuaikan dengan mekanisme Ping-Pong Bi-Bi; kemampuan prediksi model kinetik diuji untuk kasus menggunakan 0,5% berat air .  konversi ke FAME dari 90,8 0,55% diprediksi oleh simulasi Monte-Carlo. 

Kemudian, model kinetik dikembangkan untuk transesterifikasi minyak lobak yang dikatalisasi oleh Eversa; aktivitas hidrolitik lipase yang rendah sangat luar biasa bahkan pada konsentrasi metanol yang rendah . Pengaruh ultrasonikasi pada transesterifikasi minyak lobak yang dikatalisasi oleh Eversa (masih disebut CalleraTM 604 Trans L) dievaluasi dalam penelitian lain; di bawah iradiasi ultrasonik, konversi 91 wt.% dari FAMEs dicapai setelah 15 jam reaksi.

Para penulis melaporkan bahwa laju reaksi ditingkatkan hingga 2 kali lipat dengan menggunakan reaktor dengan kompartemen iradiasi ultrasound dibandingkan dengan sistem tanpa perawatan ultrasound.

Dalam upaya penelitian lain, Eversa (disebut sebagai NS-40116) digunakan sebagai biokatalis dalam transesterifikasi minyak goreng bekas dan lemak coklat pada skala pilot plant (80 L dan 4 m3) dan plant (40 m3). Dalam studi ini, metrik proses digunakan untuk memperkirakan dampak harga enzim pada harga akhir produk, yang tidak lebih dari 5% dari pendapatan biodiesel untuk satu kali penggunaan lipase dan kandungan enzim. 0,1% berat.

Bagaimanapun, kita tidak boleh melupakan manfaat imobilisasi enzim, jelas jika penggunaan kembali enzim dimaksudkan. Selain itu, Eversa Transform digunakan dalam transesterifikasi minyak jarak dengan metanol (6:1, alkohol/minyak) yang dilakukan pada suhu 35 C selama 8 jam. Proses ini menghasilkan 94,21% konversi. Sayangnya, stabilitas operasional enzim yang diizinkan hanya mencapai 33,35% konversi pada siklus ketiga produksi biodiesel.

Kesimpulan 

Industri mengharapkan formulasi lipase murah, terutama dalam bentuk cair, semakin meningkat, yang dapat menjawab kebutuhan mereka. Dengan demikian, banyak enzim komersial atau yang diproduksi di rumah digunakan dalam proses ini dalam bentuk bebas.

Di antara enzim-enzim ini, Eversa adalah formulasi lipase cair yang berasal dari lipase dari Thermomyces lanuginosus yang dirancang untuk produksi biodiesel enzimatik. Potensi enzim yang menjanjikan ini dengan ini dilaporkan.

Namun, spesifisitas lipase merupakan masalah dalam produksi biodiesel. Dengan demikian konsep lipase yang optimal untuk produksi biodiesel kurang tepat, karena lebih baik menggunakan konsep combi-lipase, Menggunakan Eversa sebagai komponen campuran lipase.

 Penerapan Eversa untuk produksi biodiesel melalui transesterifikasi, esterifikasi dan hidroesterifikasi minyak dan lemak. Meskipun Eversa diluncurkan untuk digunakan sebagai biokatalis cair dalam produksi biodiesel, karya ini akan membahas bagaimana imobilisasi enzim ini melalui berbagai strategi meningkatkan kinerjanya. 

Artinya, biokatalis Eversa amobil yang dirancang dengan baik mungkin lebih mahal, tetapi mungkin memiliki beberapa keuntungan yang mengatasi kelemahan ini.

Pemanfaatan enzim dalam produksi biodiesel (pencampurannya dengan lipase lain), karena dengan cara ini masalah spesifisitas enzim dapat dihindari. Karena waktu yang sangat singkat sejak enzim ini tersedia, meskipun beberapa pabrik industri biodiesel sudah menggunakannya, eksplorasi utilitas enzim dalam aplikasi lain (misalnya, resolusi campuran rasemat, produksi gliserida terstruktur) kurang berkembang, masalah yang sangat mungkin akan diselesaikan dalam waktu dekat*****