Bionanoteknologi: Peningkatan Produksi BioH2 dari Limbah Lignoselulosa Pertanian

Limbah lignoselulosa (LLS) menjadi limbah biomassa utama pada sektor pertanian. LLS mengandung selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Limbah ini didominasi oleh residu kayu, residu kelapa sawit, residu tebu, tongkol jagung, sekam padi, dan jerami padi. Berdasarkan residu tersebut, diperkirakan bahwa biomassa yang dihasilkan di Indonesia mencapai 146,7 juta ton per tahun (lnkiy.in/Yana-et-al_2022). Sebagian besar sumber biomassa tersebut hanya akan dibuang atau dibakar oleh petani, yang mana kurang efektif serta dapat berdampak negatif bagi lingkungan sekitar. Dalam hal ini, diperlukan pengembangan infrastruktur pengelolaan limbah yang tepat. 

Pengelolaan dapat dilakukan dengan pemanfaatan LLS untuk dikonversi menjadi biofuel. Biofuel yang berpotensi untuk diproduksi dari lignoselulosa (LS) salah satunya yaitu biohidrogen. Biohidrogen atau hidrogen (H₂) merupakan biofuel yang diproduksi dari bahan organik melalui biokonversi yang melibatkan mikroorganisme. Secara umum, H₂ memiliki beberapa keuntungan dari biofuel lainnya di antaranya hasil energi yang lebih besar (120 - 141.9 MJ/kg), produk samping berupa uap air, dan kemudahan produksi dalam skala besar (lnkiy.in/Ramteke-et-al_2020). Selain itu, produksi H₂ ini cukup menjanjikan karena pengeluaran biaya yang relatif rendah, bahan baku yang beragam, konsumsi energi yang rendah, dan ramah lingkungan (lnkiy.in/Zhang-et-al_2020). Namun, pemanfaatan LS sebagai bahan baku H₂ menjadi cukup menantang karena dalam LS terdapat kandungan lignin yang mempunyai struktur yang kompleks, sehingga sulit untuk didegradasi. Degradasi lignin ini dilakukan agar kandungan selulosa dan hemiselulosa dapat dimanfaatkan untuk produksi H₂.

Gambar 1. Konsep Praperlakuan dan Hidrolisis (lnkiy.in/Verma-et-al_2020)

Baca juga : Dengan Teknologi Digital, Tenaga Kesehatan Mampu Berikan Pelayanan Terbaik

Gambar 2. Konsep Fotofermentasi Gelap  (lnkiy.in/Ghosh-et-al_2018)

Proses produksi H₂ dibagi dalam tiga tahap, yaitu praperlakuan, hidrolisis, dan fermentasi. Pada tahap praperlakuan dilakukan penghilangan kandungan lignin. Setelah itu, pemecahan selulosa dan hemiselulosa menjadi gula sederhana seperti glukosa dan xilosa pada tahap hidrolisis. Selanjutnya, fermentasi gelap (DF) bertujuan untuk mengubah gula sederhana menjadi asam organik (VFA) seperti asam butirat dan asam asetat serta sedikit H₂, sedangkan fotofermentasi (PF) mengubah sisa gula sederhana dan VFA menjadi H₂. Bakteri yang mempunyai potensi untuk dilibatkan pada tahap hidrolisis yaitu Clostridium cellulovorans, sedangkan pada DF yaitu C. acetobutylicum dan C. butyricum. Sementara itu, pada PF bakteri fotosintetik Rhodobacter sp. dan Rhodopseudomonas sp., dll atau HAU-M1 (campuran bakteri Rhodo- khusus PF) yang mempunyai potensi untuk dilibatkan. Pada gambar 2, DF dan PF dilakukan pada bioreaktor yang sama untuk pengeluaran biaya yang lebih efektif daripada bioreaktor terpisah (lnkiy.in/Ghosh-et-al_2018). 

Hasil produksi H₂ melalui biokonversi terbukti efektif untuk diterapkan, namun waktu yang diperlukan untuk biokonversi menjadi H₂ cenderung lebih lama, sehingga kurang efisien. Peningkatan efisiensi produksi H₂ perlu diterapkan, seperti pengaplikasian nanoteknologi dengan nanopartikel. Nanoteknologi  (NT) merupakan teknologi berbasis rekayasa materi dalam skala nanometer, sedangkan nanopartikel (NP) merupakan salah satu bentuk NT yang berupa molekul dan partikel dalam rentang diameter 1 – 100 nm.

Aplikasi NT dapat menambah tingkat produksi H₂ dengan adanya peningkatan aktivitas metabolisme, pertumbuhan, dan aktivitas enzim mikroorganisme. Selain itu, NP membuat kinerja enzim lebih stabil terhadap pengaruh suhu dan pH, kapasitas adsorpsi yang lebih besar, dan ketahanan lebih tinggi terhadap denaturasi. Namun, pengaplikasian NP dalam konsentrasi tinggi dapat bersifat toksik pada mikroorganisme, sehingga perlu dihindari  (lnkiy.in/Rajendran-et-al_2022). Selain itu, pemanfaatan NT ini memerlukan regulasi agar tidak mengontaminasi lingkungan sekitar.

Metode konvensional dari sintesis NP tersebut cenderung mahal serta mengandung bahan yang beracun dan/atau tidak dapat terdegradasi. NP tersebut dapat disintesis melalui biosintesis yang ramah lingkungan salah satunya oleh mikroorganisme. NP yang disintesis melalui biosintesis ini dapat disebut dengan bionanoteknologi atau bionanopartikel. Adapun aplikasi NP magnetik dapat memberikan kemudahan dalam memisahkan NP tersebut dengan substrat melalui pemanfaatan magnet. Sehingga, memungkinkan untuk penggunaan kembali NP tersebut pada siklus produksi selanjutnya seperti pada gambar 1. Partikel logam magnetik seperti besi (Fe) dapat direkayasa menjadi NP magnetik seperti Fe₃O₄. Fe₃O₄ dapat diekstrak dari filum bakteri Proteobacteria seperti Magnetospirillum magnetotacticum dan M. gryphiswaldense (lnkiy.in/Li-et-al_2011).

Baca juga : Pemprov Bali Dorong Penggunaan Produk Dalam Negeri Melalui Pengadaan Digital

Gambar 3. Efek pH sampel terhadap efisiensi penghilangan lignin (lnkiy.in/Shariati-et-al_2013)

Gambar 4. Efek waktu terhadap persentase penghilangan lignin (lnkiy.in/Shariati-et-al_2013)

Aplikasi NP Fe₃O₄ pada LLS dapat dilakukan untuk penghilangan lignin sebagai ganti enzim. NP Fe₃O₄ dapat berperan sebagai absorban, sehingga mampu menyerap lignin pada LS. Berdasarkan gambar 3, ditunjukkan bahwa pada nilai pH asam mampu menyerap lignin lebih banyak, tertinggi pada nilai pH 2. Dengan ini, Fe₃O₄ untuk penghilangan lignin dapat difungsikan pada kondisi asam. Ini dapat dilakukan melalui rekayasa penggabungan Fe₃O₄ dengan gugus karboksil (-COOH) (lnkiy.in/Sekoai-et-al_2019). Di samping itu, gambar 4 menunjukkan waktu terhadap penghilangan lignin. Semakin lama waktu yang diberikan, semakin tinggi pula lignin yang terhilangkan dengan nilai 89% dalam waktu 120 menit atau 2 jam. Namun, dibandingkan dengan dengan jamur pelapuk putih Penicillium chrysosporium, tidak seperti dengan pendekatan NP, waktu yang diperlukan untuk penghilangan 53.57% lignin dapat mencapai 15 hari (lnkiy.in/Su-et-al_2016).  

Baca juga : APP-Garuda Kolaborasi Penggunaan Kemasan Ramah Lingkungan Di Penerbangan

Gambar 5. Efek penambahan jumlah NP Fe₃O₄ yang berbeda pada hasil produksi H₂ (lnkiy.in/Rezaeitavabe-et-al_2024) 

Gambar 6. Efek penambahan jumlah NP Fe₃O₄ dan TiO₂ yang berbeda pada hasil produksi H₂ (lnkiy.in/Rezaeitavabe-et-al_2024) 

NP Fe₃O₄ dapat diaplikasikan pada tahap fotofermentasi gelap dengan peningkatan hasil yang efektif dengan mendukung pertumbuhan mikroorganisme dan kinerja enzim. Berdasarkan gambar 5, penambahan Fe₃O₄ pada sampel meningkatkan produksi H₂ dengan signifikan. Namun, penambahan tersebut turut dipengaruhi pada jumlah NP yang diaplikasikan. Pada pemberian 100 mg Fe₃O₄, hasil produksi H₂ menunjukkan hasil tertinggi, sedangkan pada pemberian 200 mg Fe₃O_­4­ menunjukkan hasil terendah. Pemberian NP pada sampel perlu diukur pada jumlah yang tepat karena NP dapat menimbulkan cekaman pada mikroorganisme tersebut, sehingga metabolisme menjadi terganggu. Pemberian kombinasi NP justru lebih meningkatkan hasil produksi H₂.

Berdasarkan gambar 6, pemberian 100 mg Fe₃O₄ dan 50 mg TiO­₂ mampu meningkatkan hasil yang lebih banyak. Selain itu, penambahan TiO₂ mendukung transfer elektron pada proses fotofermentasi karena TiO₂ dapat menyerap energi cahaya (lnkiy.in/Rezaeitavabe-et-al_2024). Adapun, TiO₂ dapat ditemukan pada tumbuhan pepaya (lnkiy.in/Ramaswamy-et-al_2022).

Aplikasi NP dapat memberikan pengaruh signifikan terhadap efisiensi dan efektivitas produksi H₂ dari LLS pertanian. Aplikasi NP sendiri dapat mendegradasi lignin yang lebih efisien daripada metode biologi. Efek yang diberikan pada mikroorganisme di antaranya peningkatan aktivitas metabolisme, pertumbuhan, dan aktvitas enzim. Selain melalui metode kimia, NP dapat disintesis oleh mikroorganisme dan tumbuhan. Pengaplikasian NT masih diteliti dan ditelusuri lebih lanjut, sehingga pengetahuan tentang NT ini dapat berkembang lebih luas lagi. 

Ilyasa Ilham
Ilyasa

Update berita dan artikel RM.ID menarik lainnya di Google News

Dapatkan juga update berita pilihan dan breaking news setiap hari dari RM.id. Mari bergabung di Grup Telegram "Rakyat Merdeka News Update", caranya klik link https://t.me/officialrakyatmerdeka kemudian join. Anda harus install aplikasi Telegram terlebih dulu di ponsel.