Hybrid Technologies untuk Produksi Biogas

Kelangkaan bahan bakar fosil dan polusi di seluruh dunia telah menyebabkan komunitas ilmiah mencari alternatif energi terbarukan. Secara khusus, biogas telah menjadi bahan bakar alternatif yang potensial untuk digunakan dibandingkan energi tradisional. Biogas terutama terdiri dari metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Untuk mendapatkan biometana murni, diperlukan peningkatan biogas yang tepat untuk menghilangkan CO2 dan senyawa minoritas lainnya.

Di Indonesia bahan baku yang dapat digunakan untuk memproduksi biogas sangat banyak dan melimpah, seperti limbah pabrik, limbah domestic , limbah lumpur aktif dan lain-lain. Namun belum terlaksana dengan sempurna. Oleh karena teknologi terbaru yang mumpuni belum dikuasai oleh masyarakat luas.

Pengembangan biogas menjadi salah satu strategi pemerintah dalam upaya pengembangan energi baru terbarukan (EBT), terutama di sektor bioenergi. Bisnis biogas turut berkontribusi pada ketahanan energi, pengurangan impor energi, serta lingkungan yang lebih baik. Program pengembangan biogas meliputi biogas rumah tangga, biogas komunal, biogas industri, biometana, dan Compressed Biomethane Gas (CBG). CBG merupakan biogas murni yang berasal dari bahan baku seperti limbah industri kelapa sawit, pertanian, peternakan, dan perkotaan.

Keuntungan  penggunaan biogas antara lain  (1)  Sebagai pengganti bahan bakar  fosil seperti minyak tanah atau gas elpiji untuk keperluan kebutuhan energi rumah tangga, (2) Sebagai pembangkit energi listrik , (3) Limbah biogas dalam bentuk sisa kotoran ternak hasil biogas dapat langsung digunakan sebagai pupuk organik karena kaya akan unsur-unsur yang dibutuhkan tanaman seperti protein, selulosa, hingga lignin, (4)  Mengurangi pengaruh gas rumah kaca, karena relatif sedikit menghasilkan polusi, (5)  Mengurangi polusi bau yang tidak sedap dari limbah organik seperti kotoran ternak , dan (6) Mencegah penumpukan limbah organik yang menjadi sumber penyakit, bakteri, dan polusi udara.

Permasalahan yang muncul dalam produksi biogas antara lain, (1)  Volume biogas  produksinya masih rendah, karena masih membutuhkan  teknologi tinggi Belum ditemukan teknologi baru yang memiliki kemampuan menyederhanakan proses sekaligus menghasilkan biogas melimpah dengan biaya rendah (2) Produksi biogas masih dipengaruhi temperatur Bakteri anaerob dapat tumbuh secara optimal untuk mencerna limbah pada suhu 37C.  (3) Produk biogas membutuhkan waktu relative lama (minimal 14 hari) setelah proses penambahan  substrat kotoran awal, (4) Produk biogas yang dihasilkan   belum murni,  sehingga perlu dimurnika atau m asih mengandung sisa (kotoran) Setelah melalui tahap penyempurnaan dan kompresi, biogas yang dihasilkan masih mengandung kotoran. Oleh sebab itu, biogas yang digunakan sebagai bahan bakar mobil dapat mengakibatkan korosi pada bagian berbahan logam. Dalam ulasan ini titik orientasi adalah pada pemurnian biogas.

TEKNOLOGI PEMURNIAN BIOGAS

  Ada tiga Teknologi baru  dalam pemurnian dalam proses produksi bioga yaitu, (1)  pemisahan kriogenik, peningkatan in-situ, dan teknologi hibrida merupakan kemajuan dalam pemurnian dan peningkatan biogas. Teknik ini hemat biaya dibandingkan dengan teknik lain yang disebutkan. Namun, alat ini hanya cocok untuk produksi biogas skala kecil yang tidak memerlukan kemurnian CH4 yang tinggi. Oleh karena itu, kesenjangan pengetahuan antara uji coba dan operasi skala besar harus dijembatani.

PEMISAHAN KRIOGENIK

Pemisahan kriogenik merupakan teknologi pemurnian biogas yang bekerja berdasarkan prinsip suhu kondensasi gas yang berbeda. Biogas mentah didinginkan secara bertahap (~-170 C) dan dikompresi (8 MPa) melalui serangkaian kompresor dan penukar panas, yang menghilangkan CO2 cair, sisa CO2 dalam fase padat, siloksan dan halogen.

Teknik kriogenik merupakan pilihan yang baik untuk dioptimalkan karena teknik ini menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi, berkisar antara 95 dan 99%. Oleh karena itu, berikut ini kami sajikan ulasan mengenai teknik kriogenik. Walaupun mempunyai banyak keuntungan, penalti energi yang tinggi membuat teknik kriogenik tidak dapat diterapkan secara komersial. Beberapa penulis telah mengusulkan konfigurasi baru untuk mengurangi konsumsi energi. Teknologi packet-bed kriogenik baru-baru ini diuji di pembangkit listrik tenaga batu bara dengan konsumsi energi 1,8 MJ/kg CO2. Analisis ekonomi dilakukan untuk penangkapan CO2 anti-sublimasi, sehingga menghasilkan biaya sebesar 34,5 /ton CO2. Di antara berbagai alternatif sistem hibrida kriogenik, proses membran kriogenik menonjol karena penghematan biaya modal sebesar 54,4%.

 Namun, menghilangkan H2S dan air sebelum pemisahan kriogenik diperlukan untuk menghindari pembekuan. Keuntungan dari proses ini adalah kemurnian CH4 yang tinggi (99%), tidak memerlukan bahan kimia, kehilangan CH4 yang cukup rendah (<0,1%), biogas yang ditingkatkan memiliki tekanan tinggi sehingga siap digunakan sebagai bahan bakar kendaraan. Selain itu, CO2 murni diperoleh sebagai produk sampingan. Namun demikian, teknologi ini masih bersifat intensif energi dengan investasi dan biaya operasional yang tinggi serta hanya sedikit pabrik yang beroperasi pada skala global.

TEKNOLOGI PENINGKATAN IN SITU

Teknologi peningkatan in situ bekerja berdasarkan prinsip penggunaan proses desorpsi dengan menerapkan tingkat resirkulasi moderat. Pada tahap pertama, lumpur bersirkulasi melalui kolom desorpsi dan disirkulasikan kembali ke bioreaktor. Dalam kolom desorpsi, lumpur cair mengalami aliran balik O2 dan N2 dimana CO2 yang terlarut dalam lumpur terdesorpsi. 

Laju aliran udara di kolom desorpsi ditemukan menjadi variabel kunci. Peningkatan laju aliran udara pada kolom desorpsi disebabkan oleh rendahnya kandungan CO2 dan H2S pada biogas yang ditingkatkan, namun kehilangan CH4 juga meningkat. Peningkatan pH hingga pH=8,0 menyebabkan terhambatnya metanogenesis dan tingginya kehilangan CH4 dalam sistem. Meskipun konsep ini pertama kali dihadirkan 20 tahun yang lalu, namun hingga saat ini konsep tersebut masih dalam tahap awal dan baru diuji pada skala percontohan.

TEKNOLOGI HIBRIDA (HYBRID TECHNOLOGIES)

Salah satu cara yang menjanjikan untuk mengatasi kelemahan teknologi yang disebutkan di atas adalah dengan menggabungkannya dengan menciptakan teknologi hibrida. Menggabungkan pemisahan membran dengan proses konvensional seperti penyerapan air, scrubbing kimia atau pemisahan kriogenik melebihi proses konvensional dalam hal biaya operasional yang rendah, efisiensi penangkapan CO2 dan H2S yang tinggi, hasil CH4 yang lebih tinggi, daya saing dan konsumsi energi yang lebih sedikit. 

Proses hibridisasi lainnya adalah paru-paru industri di mana enzim karbonat anhidrase (CA) mengkatalisis konversi CO2 dan H2CO3 yang dihilangkan dalam kolom penyerap. Eksperimen skala kecil menunjukkan bahwa teknologi ini dapat memurnikan biogas hingga 98% CH4 dengan CO2 kurang dari 1%, proses paru-paru industri dibatasi oleh umur enzim yang pendek dan biaya produksi enzim yang tinggi. Teknologi hibrida menggabungkan proses suhu-membran-kriogenik yang ditandai dengan konsumsi energi yang lebih rendah dibandingkan teknologi konvensional (146). Teknologi hibrida harus diteliti lebih lanjut untuk menggabungkan keunggulan dari dua atau lebih teknologi yang ditingkatkan dan untuk meningkatkan pemurnian biogas.

Penghapusan O2 dan N2  serta O2 dan N2 tidak dihasilkan oleh AD tetapi mereka ditemukan pada fraksi volume tinggi dalam gas TPA ketika biogas dikumpulkan melalui pembangkitan vakum sebagai konsekuensi dari infiltrasi udara. Teknologi yang relevan untuk menghilangkan O2 dan N2 adalah pressure swing adsorpsi (PSA), membran dan pemisahan kriogenik. 

Keunggulan teknologi PSA dan membran adalah menghilangkan O2 dan N2 serta CO2, rendahnya kebutuhan energi, dan rendahnya tingkat emisi gas rumah kaca (GRK). Mereka mudah ditangani dan dirawat. Namun demikian, sebelum PSA, H2S dan air harus dihilangkan. Pemisahan kriogenik menghasilkan CO2 sebagai produk sampingan dan dapat menghilangkan berbagai kotoran. Pemisahan O2 dan N2 dari sisa biogas didasarkan pada perbedaan suhu pada kondensasi senyawa biogas, sehingga memerlukan konsumsi energi, investasi dan biaya operasional yang besar.

Siloxane, senyawa organik yang mudah menguap dan penghilangan halokarbon Siloxane adalah silikon organik polimer yang biasanya digunakan dalam produk pembersih dan kosmetik. Kehadiran siloksan dan pembentukan sedimen silikon oksida dapat menyebabkan tidak berfungsinya mesin dan katup, panas berlebih, dan abrasi. Teknologi penghilangan siloksan didasarkan pada adsorpsi pada karbon aktif atau silika gel dan pemisahan kriogenik. Kemampuan untuk menghilangkan siloksan buruk sebagai konsekuensi dari keterbatasan perpindahan massa yang kuat yang dimediasi oleh kelarutan dalam air yang sangat rendah. Senyawa organik yang mudah menguap (toluena, VFA) dan halokarbon dihilangkan dengan adsorpsi karbon aktif dalam dua kolom lapisan paralel. Mikroorganisme dari genus Pseudomonas mampu mendegradasi hexamethylcyclotrisiloxane dan octamethylcyclotetrasiloxane. Namun, penghilangan siloksan, senyawa organik yang mudah menguap, dan halokarbon secara biologis masih belum cukup dieksplorasi dan diterapkan.

PEMANFAATAN ANAEROBIK DIGESTER  (AD)

Anaerobik digester  (AD) atau biodigester adalah suatu teknologi yang memanfaatkan proses biologis dimana bahan organik oleh mikroorganisme anaerobik terurai dalam ketiadaan oksigen terlarut (kondisi anaerob).

Selama AD, bersama dengan biogas, dihasilkan substrat yang dicerna yang disebut pencernaan. Pencernaan merupakan sumber nutrisi yang melimpah seperti nitrogen, fosfor, kalium, unsur hara mikro dan bahan organik, yang diaplikasikan pada tanah sebagai pupuk hayati pertanian. Digestate adalah pupuk yang berkualitas tinggi dan lebih disukai daripada kotoran hewan mentah karena homogenitas dan ketersediaan unsur hara yang lebih baik, rasio C/N yang lebih rendah, berkurangnya bau dan patogen, serta risiko kontaminasi tanah yang lebih rendah. Saat meninggalkan bioreaktor, pencernaan tidak sepenuhnya stabil karena mengandung patogen dan membuang logam berat. Sebelum dimanfaatkan pada tanah perlu penanganan yang tepat dan perlakuan khusus

Digester  dapat dipisahkan menjadi fraksi semi padat (10-30% bahan kering) dan cair (5-15% bahan kering). Untuk mengurangi biaya (penyimpanan, transportasi dan aplikasi) sejumlah teknik dikembangkan untuk meningkatkan pencernaan cair: dewatering, pengomposan, pengeringan, granulasi, pembuatan pelet, pengendapan, filtrasi, penguapan uap, pemisahan membran dan banyak lainnya. Pilihan peningkatan teknologi bergantung pada permintaan pasar dan lokasi pabrik. 

Kualitas dan stabilitas fraksi padat dapat ditingkatkan melalui pengomposan. Produk pencernaan yang dikeringkan atau dibuat secara fisik lebih stabil dengan lebih sedikit emisi ke udara bila disimpan di tempat penyimpanan terbuka. Hasil pencernaan dari proses AD juga dapat dikomposkan bersama dengan sampah organik segar atau digunakan sebagai inokulan dibandingkan kultur mikroba komersial, yang secara ekonomi lebih menguntungkan.

APLIKASI BIOLOGI MOLEKULER DAN SEQUENCING NEXT GENERATION UNTUK MENINGKATKAN PRODUKSI BIOGAS

Karena AD adalah proses mikroba yang kompleks, berbagai penelitian baru-baru ini dilakukan untuk memahami hubungan antara struktur komunitas mikroba, kondisi operasi, dan kinerja bioproses. Komunitas archaeal metanogenik (atau metanogen) memiliki peran penting dalam langkah terakhir degradasi bahan organik anaerobik, yaitu metanogenesis.

 Pemahaman rinci 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. 

Saat ini, penentuan populasi paling melimpah dan populasi kecil dapat dilakukan dengan teknik pengurutan yang baru dikembangkan. Teknik pengurutan ini memberikan alat yang berharga untuk memahami sistem mikrobiologi dan fungsinya serta berbagai aspek degradasi anaerobik dan optimalisasi proses biogas. 

Hal ini  didasarkan pada deteksi dan pengurutan molekul DNA yang diekstraksi langsung dari sel mikroba. Kebanyakan dari mereka menggunakan amplifikasi urutan gen 16S rRNA, yang telah ditentukan 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 mendeteksi populasi metanogenik secara tepat adalah polimorfisme panjang fragmen restriksi terminal (TRFLP),  elektroforesis gel gradien denaturasi (DGGE),  rantai polimerase real-time kuantitatif. reaksi (qPCR) dan teknik ion torrent PGM (mesin genom pribadi). 

Untuk karakterisasi struktur komunitas mikroba yang lebih lengkap, pendekatan saat ini lebih memilih metagenomics, yang juga disebut teknik next generation sequencing (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 sistem produksi biogas (termasuk penyimpanan dan pemberian pakan bersamaan dengan sistem pasca-pencernaan). 

Dengan menggunakan alat pengurutan generasi berikutnya, informasi berguna mengenai keragaman fungsional dan ekspresi gen di tingkat komunitas dapat diperoleh serta mengendalikan seluruh bioproses dengan cara yang lebih efektif. Optimalisasi sistem produksi biogas di masa depan harus didasarkan pada kombinasi metode NGS yang berbeda untuk mempelajari dinamika komunitas mikroba dan aktivitas fungsionalnya.

ALTERNATIF PENGEMBANGAN PEMURNIAN  BIOGAS

Pengembangan sistem biorefinery yang kompleks berdasarkan biomassa yang kurang dimanfaatkan dan bernilai rendah harus menjadi fokus produksi biogas. Menghasilkan energi dan material dari sumber daya hayati yang tidak konvensional ini merupakan solusi yang menjanjikan untuk perlindungan lingkungan. Metode bioteknologi yang berbeda dapat diterapkan untuk pengolahan limbah organik berkekuatan tinggi karena konsumsi energinya yang rendah, sisa lumpur yang dihasilkan lebih sedikit, dan pemulihan energi yang efisien. 

Pencernaan anaerobik (AD) adalah metode yang berguna untuk memulihkan energi dari sampah organik sekaligus mengurangi dampak limbah terhadap lingkungan. Biometana yang dihasilkan dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil dalam produksi panas dan listrik, pengganti gas alam untuk keperluan rumah tangga dan industri, digunakan dalam kogenerasi atau sebagai bahan bakar kendaraan.

Mengenai teknologi pemurnian dan peningkatan biogas, teknologi fisik dan kimia secara umum berada pada tingkat kesiapan teknologi yang tinggi, sedangkan metode biologis masih baru dan kurang dapat diterapkan secara komersial. Namun demikian, perkembangan metode biologis berlangsung pesat dan memberikan perspektif baru untuk mengintegrasikan berbagai bentuk energi terbarukan. Selain melakukan peningkatan, mereka juga dapat menawarkan fasilitas penyimpanan listrik dan memisahkan produksi bioenergi dari ketersediaan biomassa. 

Metode-metode ini mampu mendukung penghapusan CO2 dan H2S secara simultan, dengan transformasi CO2 menjadi biomassa mikroalga untuk produksi pupuk hayati atau produk bernilai tinggi. Teknologi peningkatan baru merupakan alternatif prospektif untuk mengatasi tantangan teknologi peningkatan saat ini. Karena AD adalah proses mikroba kompleks yang menggunakan biologi molekuler baru dan pengurutan generasi berikutnya, maka dimungkinkan untuk mengontrol dan mengatur proses tersebut 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-biodigester. Moga bermanfaat*****