16/11/2011
Out line STATUS TERKINI PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN BIOETANOL DARI BIOMASSA LIGNOSELULOSA : Pretreatment Sakarifikasi dan Fermentasi
1. Pendahuluan
Mengapa bio-ethanol? 2. Status terkini litbang bioethanol - lignoselulosa Perlakuan awal/ Pretreatment Hidrolisa/ Sakarifikasi enzimatik Fermentasi
Yanni Sudiyani
3. LITBANG Etanol dunia
Pusat Penelitian KIMIA-LIPI
Mengapa Bio-ethanol ? • •
Kebutuhan dan konsumsi energi terus meningkat sementara sumber energi berbahan fosil makin terkuras Menurunnya kualitas udara karena polusi efek gas rumah kaca
4 . Keekonomian
Pengurangan gas rumah kaca melalui penggunaan etanol dari bahan baku lignoselulosa 0% -2%
-2%
-6%
-20% •
-17%
bahan bakar alternative, Sustainable, energi ramah lingkungan
-23% -40%
= Bioetanol-Biomassa bahan baku jumlahnya melimpah lebih baik dari bensin karena dapat meningkatkan efisiensi pembakaran Dapat mengurangi emisi gas rumah kaca
-60%
Reductions of GHG Emissions by Ethanol Blend to Displace Gasoline When a Vehicles is Driven for a Mile
-64%
-80% E10 GV: DM Corn EtOH
Analisis SWOT pengembangan bioethanol di Indonesia • Memiliki banyak potensi bahan baku bioethanol ( jenis dan jumlah) • Prosesnya menggunakan sumber energi terbarukan (angin, tenaga surya) • Masyarakat mampu beradaptasi terhadap perubahan
E10 GV: Cell. EtOH
E85 FFV: DM Corn EtOH
E85 FFV: WM Corn EtOH
E85 FFV: Cell. EtOH
Crisis of 1st generation bioethanol • 11 % of US corn -> 2% of total fuel for automobiles
K/ m
•Konsumsi energi perkapita indonesia masih rendah.
E10 GV: WM Corn EtOH
•Indonesia negara kepulauan, sedangkan distribusi energi belum merata • isu global : emisi karbon
Peluang (Opportunity)
Unggul (Strength)
• Dramatic increase of demands cannot be met with 1st generation bioethanol.
Keuntungan finansial / harga
Lemah (Weakness) Ancaman (Thread)
• ketergantungan pada BBM • keterbatasan penguasaan teknologi • kurang minat pada pengembangan pertanian.
• Resistensi masyarakat yang mayoritas muslim
• Efisiensi energi yang masih rendah • isu global: • mengutamakan pangan dari energi • Pembebasan hutan dan kelestarian Pengembangan riset dan teknologi alam
Alternative source is needed (ex. Lignocellulose biomass)
1
16/11/2011
Needs for Biofuel-2
Lignocellulose biomass Wheat straw
Rice straw
Wood chip
Bagasse
Sawdust
Sustainable Energy Industrial Biotechnology
Corn stover
Renwable raw materials (Sugar, Glucose, Starch etc)
Conventional Energy Based on Fossil resources
Alternative
+
Resources
Biotechnology (Microorganism, Animal, Plant cell & Enzymes)
Petroleum
Coal
Natural Gas
50yr
200yr
65yr
− Agriculture residues (straws, stover) − Municipal wastes (pulp sludge, waste woods)
Expected depletion time?
Complex characteristics of lignocellulose biomass
Process for bioethanol from lignocellulose biomass
Composed of : ─ Cellulose (35−50%) ─ Hemicellulose (20−35%) ─ Lignin (10−25%) ─ Extractive ─ Ash
Cellulose Hemicellulose Lignin
Proses Produksi Bioethanol berdasarkan bahan baku
LITBANG : Produksi Bioethanol Pretreatment Cellulosic Biomass
Enzim * Ionic liquid/solid
Bioethanol
Distillasi
Sakarifikasi
Pretreatment
Fermentasi
Singkong, Jagung (pati)
Fermentation
Sugar
Cellulose
Tebu (Molase)
Lignoselulosa (Cellulose, Hemicellulose) Generation-2
Hydrolysis
Solid acid
Separation Purification
Bioethanol
C5/C6 Sacchar.
Pervaporization
Sacchar. & Fermen.
acid--alakali pretreat acid pretreat./ ./sacchar sacchar..
Indirect Bioethanol
Pyrolysis
* Hidrolisis enzimatik lebih disukai karena lebih spesifik Namun cukup mahal
Bio-oil Char
Green Fuel
Process intergration
2
16/11/2011
Arah pengembangan teknologi proses produksi bioethanol dari lignoselulosa
Tantangan Lignoselulosa
Pati (bisa dicerna ragi) selulosa (tidak bisa dicerna ragi)
selulosa terbungkus hemiselulosa dan lignin dalam struktur yang kokoh sulit dipecah. Ikatan antar glukosa adalah β glikosidic tidak bisa dicerna ragi Sacc. cer
Membebaskan selulosa dari struktur komponen lignin&hemiselulosa Membebaskan glukosa dari ikatan β glikosidic sellulosa
Memproduksi ethanol dari glukosa
Teknologi perlakuan awal
sakarifikasi
sakarifikasi
Teknologi
fermentasi
Arah pengembangan
Peningkatan efisiensi &kelayakan dan mengurangi dampak lingkungan
1. Teknologi untuk menghasilkan selulosa yang bebas bahan penghambat selulase (lignin, soda dll). Contoh LITBANG Teknologi: Modifikasi kraft pulping, Organosolve pulping (dengan asam asetat) Destruksi lignin secara biologis (menggunakan jamur)
Ringkasan Pengaruh Variasi Pretreatment Pada Komposisi Kimia - Struktur Biomassa Lignoselulosa
Arah pengembangan teknologi Perlakuan awal (2)
Contoh LITBANG Teknologi: Thermomechanical pulping, Steam explosion, ammonia freeze explosion (AFEX) & CO2 explosion Rekayasa genetika untuk menghasilkan tumbuhan yang selulosanya mudah dihidrolisis
Teknologi
2 1
Teknologi
Source: Galbe, M. And Zacchi, Adv, Biochem. Eng. Biotechnol. (2007)
Efisiensi teknologi pemurnian selulosa menggunakan bahan kimia dan perlakuan mekanik
Peningkatan efisiensi proses & kelayakan dan mengurangi dampak lingkungan
Arah pengembangan teknologi 1. Tahap produksi perlakuan awal (1)
Pretreatment Lignoselulosa • Metoda fisik: Penurunan ukuran, meningkatkan luas permukaan dan mengurangi kristal selulosa - milling, chipping, grinding - Gamma, iradiasi berkas elektron • Metoda kimia - asam, basa - organosol, cairan ionik • Metoda kimia fisik - steam, Liquid high Water (LHW) - AFEX, Amonia Recycle Percolation (ARP) • Metoda biologi - jamur
Teknologi perlakuan awal
Increase Decrystalize accesible cellulose surface area
Remove hemicellulose
Remove lignin
Alters lignin structure
Uncatalyzed steam exp Liquid hot water
ND
pH control hot water
ND
Flow-through liquid h water
ND
ND
Dilute acid Flow-through acid
Manfaat: Peningkatan nilai tambah lignin sebagai bahan baku industri (bahan perekat dan pelapis, campuran semen, bahan bakar)
APEX Amonia Recycle Perc LIME
ND
Source : N. Moiser et al.,Bioresour. Technol. 96:673-686 (2005)
3
16/11/2011
Tahap produksi sakarifikasi (1) Teknologi perlakuan awal
1
Teknologi
3
sakarifikasi 2
Teknologi
fermentasi
Peningkatan efisiensi &kelayakan dan mengurangi dampak lingkungan
Selulosa selobiosa sederhana
Tahap produksi sakarifikasi (2)
gula
Sakarifikasi yang tangguh untuk bahan berlignin tinggi Litbang teknologi: Rekayasa genetik mikroba penghasil selulase untuk menghasilkan enzym kebal lignin Sintesis dan formulasi additif yang ditambahkan bersama sama enzym pada proses sakarifikasi untuk mengurangi dampak buruk lignin terhadap enzym Kajian menyeluruh hidrolisis kimiawi dengan katalis asam cair hingga penanganan limbah katalisnya
Arah pengembangan teknologi Tahap produksi sakarifikasi (3)
Sakarifikasi yang menghasilkan perolehan glukosa tinggi dan bebas bahan penghambat pertumbuhan ragi LITBANG teknologi: Pengembangan membran selektif untuk menyaring glukosa Pengembangan enzym β glucosidase dan penggunaan katalis asam padat yang spesifik mengkonversi cellobiose menjadi glukosa Squencing dan mutasi gen Trichoderma reesei
Peningkatan efikasi enzim di masa mendatang
3. sakarifikasi yang lebih cepat, lebih murah dan lebih
•
ramah lingkungan. Contoh pengembangan teknologi. – Proses hidrolisis kimiawi dalam pelarut lelehan garam ( ionic liquid) menggunakan katalis asam padat – Sintesa turunan lignin untuk pemacu kerja selulase – Kajian penggunaan selulase berulang
• • • • •
Penurunan produk inhibisi oleh enzim Peningkatan toleransi etanol oleh enzim Peningkatan termo toleran oleh enzim yang tepat Peningkatan aktivitas silanase Penurunan interaksi dengan substrat Meningkatkan aktivitas spesifik oleh enzim
• Pretreatment alkali dan SSF • Pretreatment alkali dan SHF
= Penurunan Enzim Source: Kelley, A. S. Et al. (genencor). 30 th Symp. on Biotech. For fuel and Chem. (2008)
Arah pengembangan teknologi Fermentasi Teknologi
sakarifikasi 1
Teknologi
fermentasi
2
Peningkatan efisiensi &kelayakan dan mengurangi dampak lingkungan
1.fermentasi yang tangguh mengatasi dampak buruk pengotor. LITBANG Teknologi: – Screening mikroba dan rege untuk menghasilkan ragi yang tahan salinitas tinggi, viskositas tinggi dan, kontaminasi xylose, mannose dan gula pereduksi hasil hidolisis hemiselulosa lainnya – Teknologi detoksifikasi hidrolisat
Tahap produksi fermentasi (2) 1)
Fermentasi yang memberikan yield alkohol tinggi dengan proses
fermentasi yang lebih cepat dan murah. contoh pengembangan teknologi: 1) Screening dan Rekayasa genetika untuk menghasilkan ragi yang tahan kadar alkohol tinggi 2) Screening dan rekayasa genetika untuk menghasilkan mikroba yang bisa menghasilkan alkohol dari monosakarida selain glukosa ( monosakarida C-5 seperti xylose) 3) Penggunaan ragi non konvensional, seperti kuyberomyces lactis, yarrowia lipolytica, hansenula polymorpha dan pichia pastoris 4) Penggunaan bakteri Zymomonas mobilis 5) pengembangan proses sakarifikasi dan feremntasi dilakukan serentak.
4
16/11/2011
Demonstration of Cellulosic Bioethanol Production Decrystallization/Hydrolysis
SMB(Simulated Moving Bed)
Institusi dunia yang berkecimpung dalam LITBANG proses produksi bioethanol - lignoselulosa
Distillation
Negara
institusi
Penelitian
Jepang
Kyoto University
Sintesa ethanol dengan proses kimiawi lewat pirolisis biomassa
Swedia
Chalmers Technical University
Bersama perusahaan Taurus Energy mengembangkan pabrik ethanol dari lignoselulosa, memanfaatkan monosakarida C-6 dan C-5 dalam lignoselulosa
Jerman
Goethe University
Denmark
Novo Nurdisk
Menemukan ragi yang bisa memproduksi ethanol dari xylose
India
Osmania University •Metode detoksifikasi hidrolisat lignoselulosa •Modifikasi gen tumbuhan agar kandungan ligninnya rendah (tumbuhan yang dimutasi adalah tembakau)
Finlandia
VTT Technical research center
Sequencing dan mutasi gen tricoderma reeesei
Inggris
Britain’s biotechnology and biological science research council
Modifikasi gen tanaman sehingga selulosa lebih mudah dihidrolisis.
Wood chips
Filtration
Fermentation
Pervaporation
Institusi dunia yang berkecimpung dalam LITBANG proses produksi bioethanol - lignoselulosa Negara
institusi
Penelitian
Amerika
Mascoma corp. Verenium inc
Isolasi enzyme dari bakteri yang tumbuh di rayap, perut gajah untuk proses sakarifikasi
Canada
Greenfield ethanol & Enerkem
Membangun pabrik ethanol lewat proses pirolisis dari bahan baku sampah rumah tangga
Denmark
Danish Technical University
Amerika Inggris
Inggris
Mengembangkan fermentasi menggunakan bakteri thermofilik anaerobik yang bisa memproduksi ethanol Dartmouth’s Thayer dari monosakarida C-5 dengan perolehan hingga 7,5% School Qteros Inc
Gulf Ethanol corp
Mengembangkan clostridium phytofermentans (juga dinamakan Q microbe) yang bisa menghidrolisis selulosa jadi glukosa dan mengubah fermentasi glukosa jadi ethanol. Mengembangkan teknologi vortex implosion disintegrator yang diklaim mampu mengubah biomasa jadi bubuk selulosa dalam hitungan detik
Institusi dunia yang berkecimpung dalam LITBANG proses produksi bioethanol dari lignoselulosa negara
institusi
Penelitian
Brazil
Dedini’s Sao Luiz mill corp
Mengembangkan teknologi Dedini Rapid Hydrolysis (DHR) dan mengaplikasikannya pada produksi ethanol dari baggase . DHR diklaim mampu menurunkan ongkos produksi ethanol dari lignoselulosa dari 40 cent US$ menjadi dibawah 27 cent US$ (20 cent euro) per liternya
Inggris
Britain’s biotechnology and biological science research council
Inggris
Edenspace System Corp
Amerika
Energy Crop Company Ceres,inc
Modifikasi gen tanaman sehingga selulosa pada tanaman mutagen lebih mudah dihidrolisis. (ceres dan edenspace (tidak saling kerjasama) melakukan mutasi pada sorgum)
Institusi Indonesia yang berkecimpung dalam LITBANG proses produksi bioethanol -lignoselulosa Institusi 1. LIPI (6 Pusat Penelitian)
P2 Kimia : Pretreatmen kimia dan katalis ,TKKS UPT Biomaterial: pretreatment biologi TKKS dan limbah tapioka, pencarian tanaman selulosa mudah dihidrolisis UPT Yogya : b baku shorgum P2 Biologi : b baku lontar & tongkol jagung P2Bioteknologi : screening mikroba P2 Telimek 2. BPPT : peta etanol b baku singkong 3. Ristek : b baku bagas 4. Bioteknologi Perkebunan : TKKS 6. Dephut : bambu
Universitas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
UI : bagas dan jerami ITB : TKKS IPB : limbah pertanian UGM : TKKS UNIBRA : limbah pertanian UNMUL : limbah kehutanan UNILA : limbah pertanian UNW Islam Malang : red algae
Keekonomian
5
16/11/2011
Perbandingan Biaya Proses untuk Pati dan Lignoselulosa dalam US $ per Liter Pati
Lignoselulosa
Raw Material
0.380
0.200
Kimia
0.019
0.041
Enzim
0.014
0.091
Produk Tambahan
- 0.100
- 0.147
Sirup
Tidak digunakan
- 0.030
Steam
0.076
0.130
Lain-lain
0.017
0.031
Pemeliharaan dan asuransi
0.029
0.054
Tenaga Kerja
0.033
0.033
Modal
0.107
Total
0.194
0.575
0.597
Future Research Area : Bioenergy & Biorefinery (Korea) Object
Biomass for the next-generation energy and chemicals Bioethanol production cost target: $1.5/gal $1.5/gal
Cellulosic ethanol
Biomass
Ligno-cellulosic wastes Energy crops Plantation & tropical wastes
Pretreat.
Saccharification Fermentation
Separation /Purification
Biomass source → Bioethanol production • New media • Biological & Chemical technologies (Combination)
Bio-oil/Biodiesel/High valued chemicals High-quality Bio-oil
Biomass
Fast pyrolysis
NExBTL Biodiesel
Biomass
Pretreat.
Catalysis
Extraction
Hydrogenation
• New media • Catalysis
Byproduct utilization : Glycerol, Lignin, …
Source: Galbe, M. And Zacchi, Adv, Biochem. Eng. Biotechnol. 108: 303 (2007)
2nd generation bioethanol USA 1
Japan2
Cost, $/L
Cost, yen/L
2005
0.62
─
2010
0.36
─
2015
0.25 (0.453)
40
0.17
203 (Rp 2000,-) (2030 target)
tahun
2022
Terima kasih
1 : DOE (2007) 2 : MITI (2007) 3 : Novo (2009)
Industri dunia yang berkecimpung proses produksi bioethanol dari lignoselulosa Produsen enzim selulase Nama perusahaan Kantor pusat
product
Novozyme
Bagsvaerd Denmark
Novozyme Cellic Ctec2.
Dyadic
Florida Amerika
Alternafulel 100P. Alterna Fuel 200P
Codexis
California Amerika
Codexis
Zymetis
Maryland amerika
Ethazyme dan ZIP
Genecor
Denmark
Accellerase DUET
6
