Aplikasi Biologi Molekuler untuk Meningkatkan Produksi Biogas

Udara sejuk, dengan  kabut tipis di pagi hari memberikan suasana yang memukau hati. Diantara dua danau yang indah Buyan dan Tamblingan serta Kawasan hutan batukau menjadi sangat eksotik. Disana kami rombongan Bersama mahasiswa melakukan penelitian untuk aplikasi biogas bagi masyarakat pinggiran hutan Batukau, untuk mengatasi deforestasi karena masih banyak penduduk menggunakan kayu bakar, yang mengkhawatirkan akan terjadinya kerusakan hutan. Selain itu pengembangan pinggiran hutan yang massif untuk lahan perkebunan sayur mayur dengan menggunakan pupuk kimia berlebih  akan menyebabkan pendangkalan danau yang kini mulai terasa di dua danau yang cantik Buyan dan Tamblingan itu. 

Lalu, Ibu setengah baya itu, bergegas menyambut kami rombongan tim peneliti  dari Universitas Pendidikan  Ganesha, menyambangi instalasi biogas yang kami dirikan di wilayah  Desa Pancasari kecamatan Sukasada Kabupaten Buleleng.. Untuk mengolah kotoran babi menjadi biogas. Ibu itu  menyiapkan kompor untuk membuatkan minuman kopi, setelah kami dipersilahkan duduk, di teras belakang rumahnya, dia segera ke dapur untuk merebus air, berselang 25 menit kopi telah  tersaji, dengan ketela rebus  menemani  obrolan kami.

Ibu itu adalah istri dari Bapak Jro ketut soma, yang memiliki peternakan babi di pinggiran Desa pancasari yang merupakan Kawasan terdekat dengan cagar alam (CA) Batukau.  Hutan lindung dengan yang sangat indah  di pinggiran danau Buyan dan Tamblingan.

CA Batukahu ditetapkan melalui Keputusan Menteri Pertanian No. 716/Kpts/Um/11/1974 tanggal 29 November 1974 tentang Penunjukan Areal Hutan Batukahu Seluas 1.762,8 ha yang terletak di Kabupaten Tabanan Sebagai Cagar Alam, diberi nama Cagar Alam Batukau I, Batukahu II, dan Batukahu III. Berdasarkan Peta Tata Batas CA Batukahu yang disahkan oleh Direktur Jenderal Kehutanan pada tanggal 3 Desember 1979, disebutkan bahwa CA Batukahu terdiri dari Gunung Tapak seluas 810,40 ha; Gunung Pohen seluas 388,20 ha; dan Gunung Lesung seluas 564 ha.

Jenis flora yang ada di CA Batukahu terutama adalah cemara geseng (Casuarina junghuhniana) yang merupakan spesies asli Indonesia, dan cemara pandak (Dacrycarpus imbricatus). Selain itu juga purnajiwa (Euchresta horsfieldii), dapdap (Erythrina lithosperma), dan yang lainnya. Adapun jenis faunanya antara lain adalah kijang (Muntiacus muntjak), sugem (Ducula lacernulata), cekakak jawa (Halcyon cyanoventris), cekakak sungai (Todiramphus chloris), raja udang biru (Alcedo coerulescens), dan yang lainnya.

Sambil menikmati kopi dan ketela rebus ,  saya menikmati hawa pegunungan yang sejuk, terasa menyegarkan, dengan keindahan alam yang sangat eksotik. Pak jro ketut  Soma pun berbincang menanyakan beberapa hal yakni. Apakah teknologi terbaru yang dapat digunakan untuk memproduksi biogas itu? Saya tersenyum

Saya menerangkan bahwa, Biogas begitulah sebutan gas yang dihasilkan dari proses biokimia mikroba, karena aktivitas biologi, khususnya limbah. Biogas termasuk salah satu bentuk renewable energy, yang kini sedang digiatkan untuk mengatasi  menipisnya   energi  fosil. Biogas  merupakan energi terbarukan, sehingga keberlangsungan nya  bisa berlanjut terus menerus.

Saya tambahkan bahwa Biogas menjadi solusi terhadap  meningkatnya limbah biomassa. Dan, Biomassa yang kurang dimanfaatkan dan berbagai aliran limbah organik saat ini menjadi fokus penelitian untuk produksi energi terbarukan karena penggunaan bahan bakar fosil dan emisi gas rumah kaca yang berlebihan.

Apakah limbah organic seperti kotoran babi dan sapi itu berbahaya? Saya jelaskan bahwa Selain itu, salah satu masalah lingkungan utama juga adalah peningkatan jumlah aliran limbah organik yang konstan. Di banyak negara, pengelolaan limbah yang berkelanjutan, termasuk pencegahan dan pengurangan limbah, telah menjadi prioritas sebagai cara untuk mengurangi polusi dan emisi gas rumah kaca. Penerapan teknologi biogas merupakan salah satu metode yang menjanjikan untuk memberikan solusi baik masalah aktual terkait energi maupun lingkungan. Mendengar itu, Jro Mangku soma, mengangguk.

Apa manfaat proses pengolahan limbah menjadi Biogas,? Tanya istrinya. Saya memberikan penjelasan bahwa 'Biogas  adalah sumber energi terbarukan yang dapat diproduksi dari berbagai aliran limbah organik yang murah serta dapat didaur ulang  akibatnya akan dapat mengurangi  emisi gas rumah kaca.

Adakah manfaat lain, tanya mahasiswa saya yang kebetulan menjadi field worker, Ya, jawab saya, banyak keuntungan yang bisa diraih, sebab,  Produksi biogas juga memberikan manfaat ekonomi bagi petani melalui produksi pupuk organik, pengurangan mikroorganisme patogen dan penghilangan bau yang dapat  menimbulkan polusi udara.

Saya jelaskan , bahwa dengan  menghidangkan kopi dengan produk biogas ini,

Evaluasi baru-baru ini menunjukkan bahwa pencernaan anaerobik (AD=anaerobic digestion) adalah teknologi alternatif yang efisien yang menggabungkan produksi biogas dengan pengelolaan limbah berkelanjutan. AD adalah bioproses di mana bahan organik kompleks terurai tanpa adanya oksigen melalui fase berikut: hidrolisis, acidogenesis, acetogenesis, dan metanogenesis.

 Pencernaan biomassa organik kompleks tersebut menjadi sumber energi bersih dan terbarukan mengurangi efek rumah kaca dan menghasilkan produksi dua produk yang sangat berharga: biogas dan digestate. Biogas terdiri dari CH4, CO2, H2S, NH3, N2 dan jejak uap air. Digestate adalah residu (bahan baku organik terdekomposisi) dari produksi biogas yang mengandung nutrisi makro dan mikro yang berbeda. Ini dapat digunakan sebagai pupuk tanah karena rasio C/N dan homogenitasnya yang baik, ketersediaan unsur hara, dan bau yang berkurang secara signifikan.

Langkah-langkah degradasi biomassa individu dilakukan oleh konsorsium mikroorganisme yang berbeda. Pada langkah pertama AD, bahan organik kompleks, kaya akan karbohidrat, protein dan lemak, dihidrolisis oleh enzim ekstraseluler bakteri hidrolitik menjadi senyawa yang lebih sederhana: mono- dan oligomer, asam amino dan asam lemak. Senyawa ini diubah menjadi asam lemak rantai pendek (SCFA), alkohol, H2S, CO2 dan H2 dalam tahap acidogenesis (fermentatif). Pada langkah selanjutnya, acetogenesis, SCFA dan alkohol dioksidasi menjadi substrat metanogenik seperti asam asetat, H2, CO2 dan air.

 Langkah terakhir adalah metano genesis dimana produk dari asetogenesis diubah menjadi CH4 dan CO2. Esis metanogen dapat dilakukan melalui hidrogenotropik, autoklastik atau metilotrof jalur. Ini adalah langkah pembatasan kecepatan karena anggota domain Archaea sangat sensitif terhadap perubahan apa pun di lingkungan mereka. Mereka dapat dengan mudah dipengaruhi oleh banyak faktor termasuk komposisi bahan baku, kecepatan pemecahan, konsentrasi asam lemak volatil (VFA)atau perubahan suhu dan nilai pH yang cepat, yang mengakibatkan penghentian produksi metana dan penghambatan proses. Kondisi proses yang diperlukan untuk sistem AD satu tahap yang stabil harus sebagai berikut: pH=6,50--7,50, alkalinitas sebagai CaCO3 1,5--4,0 g/L, padatan volatil/total padatan >45 %, total ammonia nitrogen <1500 mg/L, rasio C: N 20--30 dan rasio C: N:P 100-- 120:5:1 Biaya rendah dan berbagai bahan baku meningkatkan potensi biogas untuk digunakan

Aplikasi Teknologi Biomolekuler 

Karena AD adalah proses mikrobial yang kompleks, baru-baru ini dilakukan berbagai penelitian untuk memahami hubungan antara struktur komunitas mikroba, kondisi operasi dan kinerja bioproses

Komunitas archaeal methanogens (atau metanogen) memiliki peran penting dalam langkah terakhir degradasi bahan organik anaerob, yaitu metanogenesis. Pemahaman mendetail tentang bagaimana metanogen berinteraksi dengan organisme lain di lingkungannya masih menjadi kotak hitam bagi ahli mikrobiologi dan insinyur. Populasi mikroba paling melimpah yang ada di bioreaktor dapat diidentifikasi dengan teknologi biologi molekuler tradisional. Baru-baru ini, penentuan populasi yang paling melimpah dan minor dapat dilakukan dengan teknik pengurutan yang baru dikembangkan. Teknik pengurutan ini memberikan alat yang berharga untuk memahami sistem mikrobiologi dan fungsinya bersama dengan berbagai aspek degradasi anaerobik dan optimalisasi proses biogas.

Mereka didasarkan pada deteksi dan pengurutan molekul DNA yang diekstraksi langsung dari sel mikroba. Sebagian besar menggunakan amplifikasi urutan gen 16S rRNA, yang telah dispesifikasikan untuk setiap mikroorganisme dan dianggap sebagai standar emas untuk identifikasi dan keberadaan bakteri dan archaea di lingkungan.

Pilihan standar penanda genetik spesifik metanogen adalah gen mcrA untuk populasi mikroba metanogenik. Teknik yang paling umum, cepat dan hemat biaya yang digunakan untuk deteksi yang tepat dari populasi metanogenik adalah polimorfisme panjang fragmen restriksi terminal (TRFLP), elektroforesis gel gradien denaturasi (DGGE), reaksi berantai polimerase real- time kuantitatif ( qPCR) dan teknik ion torrent PGM (personal genome machine). Untuk karakterisasi yang lebih lengkap dari struktur komunitas mikroba, pendekatan saat ini lebih menyukai metagenomik, juga disebut teknik pengurutan generasi berikutnya (NGS). Saat ini, beberapa platform NGS tersedia dan digunakan untuk meningkatkan optimalisasi biogas: 454 pyrosequencing (Qiagen), Illumina MiSeq dan HiSeq (Illumina Inc.), SOLiD (Life Technologies),

Ion Torrent (Thermo Fisher) dan MinION (Oxford Nanopore Technologies). Sebagian besar penelitian difokuskan pada eksplorasi komunitas mikroba di dalam bioreaktor tanpa memperhitungkan keseluruhan.

Tantangan Produksi Biogas Masa Depan 

Sistem produksi biogas (termasuk penyimpanan dan pemberian makan bersama dengan sistem pasca-pencernaan). Dengan menggunakan alat pengurutan generasi mendatang, dimungkinkan untuk mendapatkan informasi yang berguna tentang keragaman fungsional dan ekspresi gen di tingkat komunitas serta mengontrol seluruh bioproses dengan cara yang lebih efektif. Optimalisasi masa depan pada  sistem produksi biogas harus didasarkan pada kombinasi metode NGS yang berbeda untuk mempelajari dinamika komunitas mikroba dan aktivitas fungsional.

Mengenai teknologi pemurnian dan peningkatan biogas, teknologi fisik dan kimia pada umumnya berada pada tingkat kesiapan teknologi yang tinggi, sedangkan metode biologis masih baru dan kurang dapat diterapkan secara komersial. Namun demikian, perkembangan metode biologis sangat pesat dan memberikan perspektif baru untuk mengintegrasikan berbagai bentuk energi terbarukan. Selain peningkatan, mereka dapat menawarkan kemajuan penyimpanan listrik dan memisahkan produksi bioenergi dari ketersediaan biomassa. Metode ini mampu mendukung eliminasi CO2 dan H2S secara simultan, dengan transformasi CO2 menjadi biomassa mikroalga untuk produksi pupuk hayati atau produk bernilai tinggi. Teknologi peningkatan baru adalah alternatif prospektif untuk mengatasi tantangan teknologi peningkatan saat ini. Karena AD adalah proses mikroba kompleks yang menggunakan biologi molekuler baru dan pengurutan generasi berikutnya, dimungkinkan untuk mengontrol dan mengatur proses dengan cara yang lebih efektif. Penting untuk memperhatikan keseluruhan sistem produksi biogas dan memahami hubungan antara struktur komunitas mikroba, kondisi operasi, kinerja bioproses dan langkah pasca-pencernaan.

Kesimpulan 

Bahwa biogas merupakan energi yang dapat diperbaharui, dan jumlahnya berlimpah, dengan mengolah limbah peternakan menjadi biogas, dapat sebagai sumber energi dan mengurangi pencemaran lingkungan dan dapat menghasilkan pupuk yang lebih baik. Sangat ramah lingkungan karena dapat mengurangi efek rumah kaca. Untuk menghasilkan kualitas yang lebih baik maka usaha untuk  aplikasi teknologi  rekayasa genetika atau biologi molekuler ****

Reference

1. Schnrer, A. (2016). Biogas production: microbiology and technology. Anaerobes in biotechnology, 195-234.
2. Hagos, K., Zong, J., Li, D., Liu, C., & Lu, X. (2017). Anaerobic co-digestion process for biogas production: Progress, challenges and perspectives. Renewable and sustainable energy reviews, 76, 1485-1496.
3. Andlar, M., Belskaya, H., Morzak, G., Ivani antek, M., Rezi, T., Petravi Tominac, V., & antek, B. (2021). Biogas production systems and upgrading technologies: a review. Food Technology and Biotechnology, 59(4), 387-412.