Para peneliti di laboratorium Joshua Yuan, di Sekolah Teknik McKelvey, dan Susie Dai, di Universitas Missouri, menggunakan elektrokatalisis karbon dioksida untuk mengubah karbon dioksida menjadi zat antara yang kemudian diubah oleh mikroba menjadi lipid, atau asam lemak, dan akhirnya menjadi bahan baku biodiesel. Proses ini jauh lebih efisien daripada fotosintesis dan menggunakan lahan yang jauh lebih sedikit daripada biodiesel berbasis kedelai. (Gambar oleh: Kainan Chen)
Tim ini menggunakan elektrokatalisis untuk mengubah karbon dioksida (CO2) menjadi zat antara yang biokompatibel seperti asetat dan etanol.
Seperti yang kita ketahui kendaraan bertenaga diesel berkontribusi signifikan terhadap emisi karbon, membuat perjalanan menuju dekarbonisasi menjadi jalan yang sulit.
Menurut data dari Badan Informasi Energi AS, pada tahun 2022, bahan bakar diesel menyumbang sekitar 25% dari total emisi karbon dioksida dari transportasi di AS dan sekitar 10% dari keseluruhan emisi karbon dioksida yang terkait dengan energi.
Untuk mengatasi masalah ini, Joshua Yuan* dari Departemen Energi, Lingkungan, dan Teknik Kimia di Universitas Washington, bersama dengan Susie Dai*, Profesor Mizzou-Forward Teknik Kimia dan Biomedis di Universitas Missouri, telah mengembangkan metode menggunakan elektrokatalisis untuk mengubah karbon dioksida menjadi elektro-biodiesel.
*Joshua Yaun: Department Chair and Lucy & Stanley Lopata Professor
PhD, University of Tennessee, 2007
MS, University of Arizona, 2001
BS, Fudan University, 1997
*Susie Dai: is a professor in the Department of Chemical and Biomedical Engineering.
Ph.D. in Chemistry from Duke University
Certificate in Biomedical Engineering from Duke University
Certificate in Regulatory Science from Texas A&M University
B.S. in Chemistry from Fudan University
Technical Focus:
Biological and material engineering
Carbon waste conversion
Contaminant remediation
Synthetic biology and metabolic engineering
Joshua Yuan, Profesor Lucy & Stanley Lopata dan ketua Departemen Energi, Lingkungan & Teknik Kimia di Sekolah Teknik McKelvey di Universitas Washington di St. Louis, dan Susie Dai, Profesor Teknik Kimia dan Biomedis MizzouForward di Universitas Missouri, dan kolaborator mereka di Universitas Texas A&M, telah menggunakan elektrokatalisis karbon dioksida untuk menciptakan elektro-biodiesel yang 45 kali lebih efisien dan menggunakan lahan 45 kali lebih sedikit daripada produksi biodiesel berbasis kedelai. Hasil kerja mereka dipublikasikan secara daring pada 31 Oktober di Joule.
"Ide baru ini dapat diterapkan pada ekonomi sirkular untuk memproduksi bahan bakar, bahan kimia, material, dan bahan makanan yang tidak menghasilkan emisi dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi daripada fotosintesis dan dengan emisi karbon yang lebih sedikit daripada petrokimia," kata Yuan, yang memulai pekerjaan dengan Dai di Universitas Texas A&M. "Kami telah secara sistematis mengatasi tantangan dalam elektro-biomanufaktur dengan mengidentifikasi batas metabolisme dan biokimia penggunaan karbon diatomik dan telah mengatasi batas-batas ini."
Tim tersebut menggunakan elektrokatalisis, sejenis reaksi kimia yang diawali dengan transfer elektron ke dan dari reaktan pada permukaan katalis, untuk mengubah karbon dioksida menjadi zat antara yang biokompatibel, seperti asetat dan etanol. Zat antara tersebut kemudian diubah oleh mikroba menjadi lipid, atau asam lemak, dan akhirnya menjadi bahan baku biodiesel, kata Yuan, yang juga merupakan direktur Pusat Penelitian Rekayasa Dekarbonisasi yang Diberdayakan oleh Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing yang didanai oleh National Science Foundation.
Proses mikroba dan katalis baru yang dikembangkan oleh Yuan, Dai, dan tim mereka memungkinkan elektro-biodiesel mereka mencapai efisiensi surya-ke-molekul sebesar 4,5% untuk mengubah karbon dioksida menjadi lipid, yang jauh lebih efisien daripada biodiesel. Fotosintesis alami pada tanaman darat biasanya di bawah 1%, di mana kurang dari 1% energi sinar matahari diubah menjadi biomassa tanaman dengan mengubah CO2 menjadi beragam molekul untuk pertumbuhan tanaman, jelas Yuan.
"Jumlah energi yang dialihkan ke prekursor biodiesel, lipid, bahkan lebih rendah karena lipid memiliki intensitas energi yang tinggi," katanya. "Sebaliknya, proses elektro-biodiesel dapat mengubah 4,5% energi matahari menjadi lipid ketika panel surya digunakan untuk menghasilkan listrik guna menggerakkan elektrokatalisis, yang jauh lebih tinggi daripada proses fotosintesis alami."
Untuk mendorong elektrokatalisis, tim merancang katalis berbasis seng dan tembaga baru yang menghasilkan zat antara karbon diatomik yang dapat diubah menjadi lipid dengan strain bakteri Rhodococcus jostiii (RHA1) yang direkayasa, yang diketahui menghasilkan kadar lipid tinggi. Strain ini juga meningkatkan potensi metabolisme etanol, yang dapat membantu mendorong konversi asetat, zat antara, menjadi asam lemak.
Setelah mengembangkan proses baru tersebut, tim menganalisis dampak proses tersebut terhadap perubahan iklim dan menemukan hasil yang menggembirakan. Dengan menggunakan sumber daya terbarukan untuk elektrokatalisis, proses elektro-biodiesel dapat mengurangi 1,57 gram karbon dioksida per gram elektro-biodiesel yang diproduksi dengan produk sampingan biomassa, etilena, dan lainnya, sehingga berpotensi menghasilkan emisi negatif.
Sebaliknya, langkah fraksinasi diesel konvensional dari minyak bumi saja menghasilkan 0,52 gram karbon dioksida per gram, dan total emisi untuk diesel lebih dari 4 gram karbon dioksida per gram. Meskipun emisi karbonnya lebih sedikit, metode produksi biodiesel konvensional juga memiliki tantangan untuk mencapai emisi negatif.
"Penelitian ini membuktikan konsep platform yang luas untuk konversi energi terbarukan yang sangat efisien menjadi bahan kimia, bahan bakar, dan material untuk mengatasi keterbatasan mendasar peradaban manusia," kata Yuan. "Proses ini dapat mengatasi kekurangan bahan baku biodiesel dan mengubah produksi bahan bakar, kimia, dan material terbarukan secara luas dengan mencapai kemandirian dari bahan bakar fosil di sektor-sektor yang bergantung pada bahan bakar fosil, seperti kendaraan berat jarak jauh dan pesawat terbang."
(Chen K, Zhang P, Chen Y, Fei C, Yu J, Zhou J, Liang Y, Li W, Xiang S, Dai SY, Yuan JS. Electro-biodiesel Empowered by Co-Design of Microorganism and Electrocatalysis. Joule. Online Oct. 31, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.10.001).
Proses baru ini 45 kali lebih efisien dan membutuhkan lahan 45 kali lebih sedikit daripada produksi biodiesel berbasis kedelai tradisional.
Elektro-biodiesel
"Ide baru ini dapat diterapkan pada ekonomi sirkular untuk memproduksi bahan bakar, bahan kimia, material, dan bahan makanan yang tidak menghasilkan emisi dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi daripada fotosintesis dan dengan emisi karbon yang lebih sedikit daripada petrokimia," kata Yuan, yang memulai penelitiannya dengan Dai di Universitas Texas A&M.
"Kami telah secara sistematis mengatasi tantangan dalam elektro-biomanufaktur dengan mengidentifikasi batas-batas metabolik dan biokimia penggunaan karbon diatomik dan telah mengatasi batas-batas ini." Kata Yuan.
Seperti yang sudah disebutkan di atas, tim tersebut menggunakan elektrokatalisis, reaksi kimia yang dimulai dengan transfer elektron ke dan dari reaktan pada permukaan katalis, untuk mengubah karbon dioksida menjadi zat antara yang biokompatibel, seperti asetat dan etanol.
Mikroba kemudian mengubah zat antara tersebut menjadi lipid, atau asam lemak, dan akhirnya menjadi bahan baku biodiesel, kata Yuan, yang juga direktur Pusat Penelitian Teknik (ERC) Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing-Empowered Decarbonization (CURB) yang didanai oleh National Science Foundation.
Sumber: Media TV & Tulisan Luar Negeri
https://engineering.washu.edu/faculty/Joshua-Yuan.html
Baca konten-konten menarik Kompasiana langsung dari smartphone kamu. Follow channel WhatsApp Kompasiana sekarang di sini: https://whatsapp.com/channel/0029VaYjYaL4Spk7WflFYJ2H
