Membran Bioreaktor untuk Produksi Etanol dan Biogas Muhammad Ismet Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia
[email protected]
Abstrak Teknologi membran memiliki potensi untuk diaplikasikan pada proses produksi bahan bakar seperti bioethanol dan biogas. Teknologi membran dapat memberikan kontribusi dalam meningkatkan efisiensi proses produksi ethanol dan produksi biogas dari bahan lignoselulosa sehingga proses tersebut menjadi lebih ekonomis dan produktif. Kombinasi proses biologis dengan teknik pemisahan membran dalam satu teknologi bioreaktor membran (MBR) dapat meningkatkan konsentrasi sel ekstensif dalam bioreaktor. Kombinasi tersebut memiliki beberapa keunggulan, antara lain mengurangi hambatan produk selama proses biologis, meningkatkan konsentrasi produk dan produktivitas, dan menyederhanakan pemisahan produk dan/atau sel. Kata Kunci: membran bioreaktor, etanol, biogas, bahan bakar alternatif
bantuan inhibitor, atau untuk memulihkan produk insitu. Proses berkelanjutan memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan operasi batch tradisional, terutama karena mereka menggunakan reaktor kecil atau menggunakan tingkat pengenceran yang lebih tinggi, menurunkan modal serta pemeliharaan biaya. Proses kontinyu menuntut keseluruhan tingkat inhibitor yang rendah dalam media kultur dan konsentrasi sel yang tinggi yang dicapai dengan teknologi MBR [4]. Mikroorganisme Selanjutnya, tumbuh-lambat dalam reaktor biogas anaerobik, seperti bakteri metanogen, bisa mendapatkan keuntungan dari yang dipertahankan dalam bioreaktor. Tujuan dari makalah ini adalah untuk memperkenalkan Teknologi MBR dalam proses etanol dan biogas, dan merangkum perkembangan MBRs dan teknologi membran bersama dengan keuntungan mereka dan potensi masa depan.
1.
Pendahuluan Seiring dengan berkembangnya teknologi membran beserta dengan aplikasinya, perusahaanperusahaan penyedia membran juga turut berkembang pesat. Aplikasi industri teknologi membran untuk biologi di dunia memiliki aplikasi yang berkembang dalam beberapa dekade terakhir. Beberapa perusahaan besar, seperti Kubota, Merck-Millipore, Pall, GE Healthcare, dan Sartorius, sekarang menyediakan produk membran yang ditujukan untuk proses pemisahan sangat berbeda. Banyak membran juga digunakan dalam proses biologis dalam bentuk bioreaktor membran (MBRs). Saat ini, sebagian MBRs bekerja di air atau pengolahan air limbah, untuk mencapai kualitas limbah, cukup cocok untuk digunakan kembali atau didaur ulang [1]. MBRs untuk pengolahan air limbah dikembangkan dengan baik, dan hari ini digunakan secara komersial di banyak negara untuk sebagian besar encer aliran air limbah, sedangkan MBRs untuk produksi etanol masih merupakan konsep baru dan perlu pengembangan untuk lebih besar pemanfaatan skala. Salah satu komplikasi utama dalam bioteknologi dan proses biologis yang menghambat suksesnya proses komersial adalah pengolahan hilir, seperti pemisahan produk atau biokatalis dari produk media yang dihabiskan. Selain itu, aliran produk proses biologis yang terbentuk pemurniannya sering sangat encer, dan terdiri dari campuran kompleks komponen. Oleh karena itu proses pemisahan hilir dapat menjadi mahal dan secara teknis menantang [2]. Akibatnya, bioproses pada umumnya, dan pengolahan hilir khususnya, harus memiliki langkah-langkah proses yang ditingkatkan dan terintegrasi untuk meningkatkan hasil, mengurangi waktu proses, dan mengurangi operasi dan biaya modal [3]. Dalam MBRs, proses biologis terintegrasi dengan membran permselektif. Dalam proses etanol atau produksi biogas, membran bisa digunakan untuk memisahkan sel dari media, sehingga meningkatkan konsentrasi biomassa dalam bioreaktor, penghapusan
2.
Produksi Bioetanol dan Biogas Etanol dan biogas (metana) adalah bahan bakar terbarukan dan ramah lingkungan yang dapat digunakan sebagai energi alternatif dengan fosil tradisional. Pembangunan produksi etanol dan biogas dapat menurunkan ketergantungan dunia pada bahan bakar fosil, sehingga mengurangi emisi gas rumah kaca yang berlebihan, yang mempercepat pemanasan global. Etanol dan biogas dapat diproduksi dari bahan baku terbarukan, seperti pertanian, residu kota dan hutan. Produksi etanol dan biogas juga tidak berkontribusi pada emisi bersih karbon dioksida. Dasar masalah produksi etanol dan biogas adalah pertanyaan proses ekonomi dan hasil produk. Salah satu pendekatan yang menjanjikan dan menarik adalah dengan menggunakan teknologi membran dan proses MBR yang membantu dalam mencapai sel kepadatan yang tinggi, memisahkan sel, produk, atau senyawa sisa dalam proses akan sangat meningkatkan ekonomi produksi etanol dan biogas. Dalam pencernaan limbah anaerobik, jumlah biogas (terutama metana dan karbon dioksida) yang 1
dihasilkan tergantung pada interaksi konsorsium berbeda dari mikroorganisme pengurai. Konversi bahan organik untuk metana sangat kompleks, dan terdiri dari empat tahap utama: hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis. Tahap terakhir, yang dilakukan oleh methaneforming bakteri, umumnya merupakan langkah yang paling sensitif dalam proses, karena bakteri pembentuk metana sangat memiliki tingkat pertumbuhan yang lambat dan sensitif terhadap inhibitor, pH, dan kondisi proses lainnya. Oleh karena itu penting untuk mencegah bakteri yang dicuci dari reaktor, dan mengurangi tingkat inhibitor. AnMBRs telah terbukti memberikan teknik yang sukses untuk menghindari pencucian sel, waktu retensi lebih lama, dan ada / akumulasi beracun senyawa. [5] Saat ini etanol diproduksi terutama dari gula dan bahan yang kaya pati, yang juga digunakan sebagai makanan dan pakan. Perdebatan global saat ini pada makanan vs bahan bakar membuat jenis bahan baku ini sedikit kalah untuk produksi etanol. Dimana limbah dan residu lignoselulosa dari kota, pertanian, dan industri hutan dianggap lebih cocok sebagai bahan baku. [6] Namun demikian, lignoselulosa biasanya sangat bandel, dan perlu pretreatment atau hidrolisis lengkap menjadi gula difermentasi sebelum dimanfaatkan untuk produksi, misalnya etanol atau biogas. Berbagai gula berbeda mengandung hidrolisat yang dihasilkan dari bahan lignoselulosa telah diterapkan untuk produksi etanol di MBRs. Bahan lignoselulosa digunakan sebagai bahan baku untuk memproduksi gula difermentasi untuk produksi etanol. Namun, Bahan harus dihidrolisis oleh asam atau enzimatik hidrolisis sebelum fermentasi. Hidrolisis asam encer dilakukan pada suhu tinggi, dengan konsentrasi yang relatif rendah, misalnya asam sulfat. Selama proses degradasi, beberapa senyawa beracun yang terbentuk yang bisa mempengaruhi proses fermentasi negatif. Karena itu sejumlah penelitian telah dilakukan, berjuang untuk menemukan cara mengatasi toksisitas hidrolisat, misalnya dengan menggunakan kepadatan sel tinggi, MBR, atau detoksifikasi [7]. Dalam produksi bahan bakar massal, seperti etanol dan biogas, setiap langkah harus dioptimalkan untuk mendapatkan produksi skala besar yang ekonomis. Oleh karena itu penting untuk memaksimalkan produktivitas tanpa kultur sel yang stabil karena, misalnya masalah penghambatan atau recovery produk energi-intensif. pengembangan lanjutan dari MBRs diharapkan akan membantu dalam menyelesaikan masalah ini.
yaitu membran tidak berpori diaplikasikan pula pada bioreaktor membran khususnya tipe ekstraktif. Dalam perannya sebagai proses pemisahan, membran berfungsi sebagai penghalang selektif di antara dua fasa yang memungkinkan lewatnya komponen tertentu namun menahan komponen lainnya. Proses membran MF, UF, dan NF bekerja berdasarkan perbedaan tekanan sebagai gaya dorong [9]. Membran biasanya didefinisikan menurut bagian pemisahan modus, yaitu mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis. Dalam MBRs yang bertujuan untuk produksi etanol dan biogas dilakukan menggunakan konsep membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Membran mikrofiltrasi mengacu pada proses filtrasi yang menggunakan membran berpori untuk memisahkan partikel tersuspensi dengan diameter antara 0,1 dan 10 µm. Membran ultrafiltrasi adalah varian dari filtrasi membran dimana tekanan hidrostatik memaksa cairan menembus membran semipermeabel. Padatan tersuspensi dan pelarut dengan berat molekul tinggi tertahan, sedangkan air dan pelarut dengan berat molekul rendah melewati membran [10]. Membran bioreaktor adalah proses berbasis membran yang menggabungkan reaksi biologis dan filtrasi membran dalam satu unit. Salah satu aplikasi bioreaktor yang telah lama komersial di industri adalah untuk pengolahan air limbah. Membran bioreaktor juga telah banyak berkembang untuk membantu proses biologis [11]. Saat ini, ada dua membran bioreaktor yang mempunyai desain yang berbeda, yaitu membran yang baik dioperasikan di bawah tekanan langsung dan membran yang dioperasikan secara vakum. Dalam desain memran yang dioperasikan di bawah tekanan langsung, membran ditempatkan dalam sebuah lingkaran eksternal yang dipisahkan dari bioreaktor (membran cross-flow eksternal) dan pompa memaksa kaldu bioreaktor ke modul membran dan meresap melalui membran. MBRs cross-flow eksternal dioperasikan dalam mode cross-flow, dimana cairan yang akan disaring mengalir dengan kecepatan tinggi sejajar permukaan membran, yang demikian juga menghambat pembentukan cake pada permukaan membran. Mode operasi mengurangi kecenderungan fouling membran cross-flow eksternal dan meningkat fluks melalui membran. Di antara kerugian dari MBRs lintas-aliran eksternal adalah jumlah energi yang signifikan yang dibutuhkan untuk mempertahankan aliran kontinu melalui membran dan desain reaktor yang kompleks [12].
3.
Teknologi Membran Membran merupakan sebuah penghalang selektif antara dua fasa, yang memiliki kemampuan untuk memindahkan suatu komponen dari campuran umpan dengan lebih baik daripada komponen lain, sehingga pemisahan dapat tercapai [8]. Proses membran mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), dan nanofiltrasi (NF) merupakan proses membran yang paling sering digunakan untuk bioreaktor membran. Namun demikian jenis membran lainnya 2
Gambar 1. Membran cross-flow eksternal [12].
Gambar 3. Membran terendam eksternal [12]
Sebaliknya dalam desain yang kedua yaitu membran yang dioperasikan secara vakum, ketika membran dioperasikan pada tekanan lebih rendah dari tekanan atmosfer atau vakum, pompa dapat digunakan untuk menyerap melalui membran. Metode ini biasanya disebut terendam, karena membran ini ditempatkan langsung dalam cairan. Keuntungan MBRs terendam ini adalah biasanya untuk menjalankan membran membutuhkan lebih sedikit energi dibandingkan dengan MBR cross-flow eksternal [12]. Ada dua metode vakum yang dapat dirancang untuk membran terendam. Membran dapat direndam langsung ke bioreaktor seperti Gambar 2. Atau tenggelam dalam wadah terpisah yang terhubung ke bioreaktor seperti Gambar 3.
Filtrasi membran saat ini digunakan diberbagai bidang, seperti proses biofarmasi, desalinasi, pengolahan air, pabrik makanan dan minuman, industri produksi cat, perekat, bahan kimia, dll [14]. Dalam bidang medis, membran diguanakan dalam cuci darah atau hemodialisis, yang telah dinikmati oleh jutaan pasien gagal ginjal di seluruh dunia. Membran yang digunakan untuk proses cuci darah ini disebut hemodialyzer atau dialyzer. Membran juga dapat digunakan sebagai oksigenator darah. Oksigenator darah digunakan dalam tindakan operasi jika paru-paru pasien tidak dapat berfungsi normal [13]. Dalam industri makanan dan minuman juga telah banyak menggunakan teknologi membran. Dalam industri susu, teknologi membran menghasilkan prosesproses yang lebih efisien dibandingkan teknologi konvensional dan memunculkan peluang baru untuk menghasilkan produk-produk yang lebih berkualitas. Selain industri susu, teknologi membran juga telah banyak digunakan dalam pemrosesan jus buah dan dalam proses produksi bir [13]. Dalam bioproses, membran digunakan untuk berbagai aplikasi hulu dan hilir. Minat terhadap membran untuk aplikasi bioteknologi, terutama didorong oleh permintaan untuk produktivitas yang lebih tinggi dan mengurangi biaya produksi. Selama bertahun-tahun, MBRs terbukti memiliki banyak keuntungan, misalnya hasil produk yang tinggi, sterilitas, aktivitas biologis yang tinggi, dan efisiensi pemisahan unggul. Selain itu, biasanya proses memiliki konsumsi energi yang rendah, memungkinkan operasi terus menerus, dan mudah dioperasikan serta ditingkatkan. Dalam bioproses, membran diterapkan dalam bioteknologi untuk steril filtrasi, klarifikasi cair, pemanenan sel, virus removal, konsentrasi protein, dll. Membran untuk MBRs diproduksi dalam berbagai bentuk, seperti Plate and Frame, Hollow Fiber, Spiral Wound dan Tubular. Dalam proses produksi etanol dan biogas, memiliki banyak bentuk membran yang berbeda yang telah diuji pada skala kecil, beberapa di antaranya dijelaskan dalam makalah ini. Membran Hollow fiber telah digunakan untuk budidaya jamur, bakteri, sel-sel mamalia, dan enzim. Umumnya membran hollow fiber digunakan dalam bundel, bergabung dan disegel dengan reaktor silinder pada setiap akhir proses. Reaktor memungkinkan pemisahan ruang ekstrakapiler dari serat lumen. Sel telah dibudidayakan di ruang ekstrakapiler modul,
Gambar 2. Membran terendam internal [12] Metode membran terendam internal dan eksternal memiliki keuntungan menjadi lebih mudah dibersihkan, tetapi membutuhkan energi untuk memompa retentat kembali ke bioreaktor [12]. Teknologi membran telah diaplikasikan diberbagai sektor industri sehingga dapat dikatakan bahwa teknologi membran memainkan peran strategis dalam pengembangan industri dan pembangunan yang berkelanjutan. Peran strategis membran meliputi aplikasi dalam bidang medis, bioseparasi, biorefinery, industri makanan dan minuman, pengolahan air dalam skala besar (megaproject water treatment plant), reklamasi air dengan bioreaktor membran, pembangkitan energi, dan pemisahan gas [13].
3
sementara medium dipompa melalui ruang lumen, dan molekul nutrisi menyebar melalui serat membran. Porositas membran harus dipilih sesuai dengan apa membran harus mempertahankan, yaitu sel-sel dan molekul produk, atau hanya sel. Kepadatan sel yang sangat tinggi telah diperoleh di reaktor hollow fibre, karena mereka menawarkan luas permukaan yang sangat besar per volume. Reaktor membran modul hollow fiber memungkinkan sel untuk melarikan diri gaya geser dan kontaminasi, sejak porositas memfasilitasi nutrisi membran selektif menyerap ruang ekstrakapiler [15].
MBRs, ruang antara membran dapat diakses dan sel dapat diganti jika diperlukan. Lebih lanjut, jarak antara sel-sel dan medium mudah dikontrol dengan mengubah ketebalan spacer antara dua membran datar. Modul plate and frame yang tidak memiliki bahan spacer antara membran juga ada [15]. Membran plate and frame juga dapat berfungsi sebagai unit pemisahan untuk memisahkan, misalnya pektin, antibodi, sel, enzim dari cairan dalam cara yang sama seperti hollow fiber atau berkonsentrasi, misalnya kaldu fermentasi. [17]
Gambar 6. Membran Plate and Frame [16] Karakteristik dari membran plate and frame yaitu menggunakan modul flat-sheet yang ditempatkan di atas sebuah plate. Flow channel biasanya tipis 1-3 mm, terkadang dipasang dengan channel spacer. Membran disusun dalam flow channel yang dihubungkan secara seri/paralel. Support plate: bentuk disc/elliptical dengan aliran umpan secara radial menuju masuk/keluar atau dari satu sisi elliptical disc ke sisi yang lain. Rectangular dengan aliran dari satu ujung ke ujung yang lain. Menyediakan karakteristik mode surface per volume yang lebih baik. Cenderung digunakan untuk aplikasi skala kecil sampai medium pada niche area. Modul dapat dikunci dengan tekanan (misalnya, electrodialysis stacks) atau didesain seperti kaset. Terbatas untuk operasi tekanan rendah, maka untuk proses mikrofiltrasi/ultrafiltrasi [16]. Seperti dalam modul plate and frame, modul spiral wound juga menggunakan membran lembaran datar. Namun, dalam spiral wound modul lembaran membran sekitar tabung kolektor pusat, biasanya dengan spacer mesh seperti antara setiap lembar membran. Desain modul spiral wound membuatnya hanya cocok untuk digunakan pada pakan sungai yang hanya berisi baik padatan tersuspensi. Dalam produksi etanol juga menggunakan modul spiral wound, misalnya digunakan untuk menggabungkan dua proses pemisahan, ekstraksi dan membran perembesan dalam satu modul di memesan untuk menurunkan biaya energi selama pemisahan etanol. Offeman dan Robertson berhasil mengembangkan modul spiral wound di mana etanol dalam cairan fermentasi bisa dipisahkan. Dalam modul, satu membran mengandung solvent dan ekstrak etanol dari membran broth.Asecond kemudian dapat dengan bantuan vakum dihapus etanol dari pelarut. modul spiral wound juga telah diterapkan selama hidrolisis enzimatik pati jagung untuk menghasilkan diklarifikasi sirup glukosa. Gula yang terbentuk dapat selanjutnya dimanfaatkan untuk produksi etanol [18].
Gambar 4. Membran Hollow Fiber [16] Membran hollow fiber memiliki beberapa kelebihan, yaitu kebutuhan energinya rendah, permukaan per satuan volumenya besar, fleksibel, dan biaya operasinya rendah. [16] Membran tubular mungkin lebih baik untuk membran hollow fiber, untuk menghindari risiko penyumbatan serat.
Gambar 5. Membran Tubular [16] Membran tubular memiliki beberapa karakteristik, yaitu permukaan membran aktif berada pada bagian dalam tube, mempunyai diameter tube 5 – 25 mm. Modulnya mirip dengan shell and tube heat exchanger, dengan tube dihibungkan secara seri dan paralel. Beberapa desain membrane tubes dimasukkan ke dalam perforated metal support tube. Umumnya dioperasikan pada aliran turbulen yang memberikan pengendalian polarisasi konsentrasi yang baik, tetapi biaya relatif tinggi. Paling cocok digunakan untuk umpan kotor [16]. Reaktor membran plate and frame memiliki daerah permukaan yang lebih rendah per volume dibandingkan dengan hollow fiber, namun plate and frame memegang sebagian besar keuntungan dari hollow fiber. Plate and frame MBRs telah diterapkan untuk menghasilkan berbagai tujuan, misalnya antibodi atau enzim atau menerapkan enzim sendiri. Membran datar dapat digunakan, misalnya dalam bingkai yang dipisahkan dengan spacer menciptakan ruang antara membran dimana sel-sel atau enzim dapat ditambahkan. Dalam 4
Karakteristik dari membran spiral wound yaitu menggunakan gulungan flat-sheet yang mengelilingi pipa sentral. Sisi internal berisi permeate spacer yang didesain untuk menyokong membran. Permeate spacer berpori dan conduct permeat ke pipa permeat. Feed channel spacer ditempatkan diantar the leaves (tinggi channel 1-2 mm). Tekanan aksial berkurang pada sisi umpan dan tekanan radial berkurang pada sisi permeat. Beberapa desain memiliki special flow distributor pada upstream face untuk meminimalkan maldistribution. Diameter standar (2,5’; 4’; 8’). Konsep paling umum untuk skala besar seperti ultrafiltrasi, nanofiltrasi dan reverse osmosis [16]. Teknologi membran memiliki beberapa keunggulan, antara lain: tidak melibatkan perubahan fasa atau tambahan bahan kimia, konsep dan operasinya sederhana, bentuk modular sehingga mudah scale-up, efisiensi tinggi akan bahan baku dan potensi daur ulang by-product, dan ukuran alat dapat dikurangi [8].
konvensional. Hari ini, sentrifugasi atau penyaringan adalah modus yang paling disukai dari pemisahan Selsel mikroba pada skala industri. Namun, metode lain retensi sel, seperti imobilisasi sel, enkapsulasi, atau membran cross-flow, juga telah digunakan untuk menjaga konsentrasi biomassa yang tinggi dalam bioreaktor. MBRs telah diterapkan di beberapa studi tentang daur ulang sel, dengan tujuan memperoleh produktivitas lebih tinggi. MBRs telah diperiksa untuk produksi etanol, dengan ditambahkan membran baik secara internal maupun eksternal untuk bioreaktor, dan berbagai jenis teknologi membran. Dan MBRs diuji dengan tujuan untuk meningkatkan fermentasi produksi etanol. MBRs juga telah digunakan untuk sel retensi/daur ulang untuk mendapatkan konsentrasi biomassa tinggi di bioreaktor. Lebih Lanjut, MBRs ekstraktif telah diterapkan untuk menghilangkan inhibitor seperti etanol, dan pervaporasi MBRs telah digunakan untuk menghilangkan senyawa penghambat volatil dari kaldu budidaya [19]. 4.2. Penghapusan Inhibitor dari Proses Fermentasi Fermentasi dapat dihambat oleh konsentrasi tinggi produk (misalnya etanol), sumber karbon (seperti gula), dan senyawa lainnya yang mengikuti proses, seperti furan atau senyawa fenolik yang hadir dalam lignoselulosa hidrolisat. Penghambatan produk dapat dikurangi dengan menghapus atau menurunkan senyawa beracun dari kaldu insitu, menggunakan metode yang berbeda. Pemulihan produk senyawa volatil yang berkelanjutan dapat dilakukan dengan menciptakan ruang hampa dalam bioreaktor, atau dalam ruang yang terpisah, di mana volatile senyawa penghambat (misalnya etanol) kemudian dapat disuling dari kaldu [20]. Inhibitor Nonvolatile dapat dihapus dengan menggunakan metode ekstraksi cair konvensional (metode yang paling umum digunakan), adsorpsi pada resin pertukaran ion, karbon aktif, atau adsorben polimer [21].
Gambar 7. Membran Spiral-Wound [16]. 4.
Teknologi Membran Dalam Proses Etanol dan Biogas 4.1. Proses Produksi Etanol Mencapai produktivitas etanol yang tinggi dalam bioreaktor adalah penting untuk menjaga kimia curah biaya rendah. Penyimpanan kepadatan sel yang tinggi adalah salah satu cara untuk mencapai produktivitas yang tinggi, tapi tingkat pengenceran dan tingkat pertumbuhan sel melemahkan ini di budidaya kontinyu Tabel 1. Karakteristik dari masing-masing desain modul membran [16] Karakteristik Densitas packing
Hollow fiber Tinggi
Tubular Moderat-rendah
Penggunaan energi
Low (laminar)
Tinggi (turbulen)
Baik-moderat
Baik
Moderat
Tidak Tube/element Memungkinkan pembersihan secara fisik Sederhana
Tidak Sheet
Kemudahan pembuatan
Tidak Element Memungkinkan dengan backflush Moderat
Keterbatasan pada NF
Burst pressure of fibre
Tidak ada
Pengaturan fluida pengendalian fouling Standarisasi Penggantian Pembersihan
dan
5
Plate and Frame Moderat Moderat-rendah (laminar)
Moderat Sederhana Pressure containment
Spiral-Wound Tinggi Moderat (spacerlosses) Baik (tidak ada padatan), buruk (ada padatan) Ya Element Bisa sulit (padatanpadatan) Kompleks Tidak ada
6
Inhibitor kadarnya juga mungkin untuk mengurangi dengan menggunakan MBRs. Karena kepadatan sel yang sangat tinggi dapat dicapai dalam MBRs, kapasitas sel sendiri tampil di detoksifikasi insitu dari beberapa senyawa dapat dimanfaatkan. Fermentasi ragi juga dapat dilindungi dari senyawa beracun dalam media dengan cara enkapsulasi. Dengan melampirkan ragi dalam bola alginat membran hidrofilik, inhibitor hidrofobik, seperti limonene hadir dalam limbah jeruk, dapat terhalang untuk masuk dan mempengaruhi sel-sel negatif.
dihubungkan baik secara eksternal dalam sub-aliran, atau diintegrasikan ke dalam bioreaktor. Salah satu keuntungan pervaporasi hidrofobik membran dengan proses fermentasi adalah penghapusan senyawa volatil mengerahkan penghambatan produk, secara selektif menghilangkan senyawa ini dari yang encer media berair. Dengan menjaga senyawa penghambat di bawah tingkat kritis, produktivitas secara keseluruhan ditingkatkan. Keuntungan lain dari teknik pervaporasi adalah konsentrasi etanol yang dicapai selama Proses. Karena serapan dari pervaporasi hidrofobik membran memegang konsentrasi tinggi etanol, energi yang dibutuhkan untuk konsentrasi lebih lanjut dan pemurnian rendah. Meskipun etanol dan air dapat secara efektif dipisahkan dengan distilasi, prosedur ini merupakan energi tenggelam dalam proses. Sebanyak 60% dari energi diperoleh dari pembakaran etanol mungkin diperlukan untuk proses pemisahan distilasi [22]. Membran yang berbeda yang terbuat dari mis polivinil alkohol, poliuretan, dan silikalit telah digunakan untuk pervaporasi etanol selama fermentasi. Hidrofobik membran pervaporasi biasanya terbuat dari silikon, dan karenanya kedap elektrolit. Sebagai Akibatnya, asam organik dan garam yang paling diperkaya dalam yang fermentor [23].
4.3. Ekstraksi Berbasis Membran Fermentasi etanol dengan cara ekstraksi berbasis membran sebelumnya telah dijelaskan. Membran memisahkan fasa air dan pelarut, sehingga menghilangkan pembentukan emulsi dan kebutuhan untuk memisahkan air dan fase pelarut dalam proses hilir. Dua Duanya Spiral Wound, Plate and Frame dan membran hollow fiber telah digunakan untuk memisahkan media kultur dari pelarut ekstraksi [19]. Meningkatkan teknologi pemisahan membran fermentasi dan distilasi akan sangat meningkatkan potensi untuk membuat produksi etanol teknis yang menarik dan lebih ekonomis. Pemisahan etanol perlu biaya lebih hemat dan kurang energi-intensif [21]. Pelarut ekstraksi dan pervaporasi adalah teknik yang digunakan membran untuk memudahkan pemisahan etanol dari kaldu fermentasi.
4.5. Penerapan Teknologi Membran Dalam Produksi Biogas Semua teknologi membran aerobik (AeMBRs) digunakan untuk pengolahan air limbah. Dan juga dapat digunakan untuk produksi biogas dalam proses anaerobik dengan modifikasi desain sedikit dari AeMBR. Teknologi AnMBR untuk pengolahan air limbah masih perlu untuk skala rintangan parameter operasional termasuk suhu rendah dan waktu retensi hidrolik sebanding dengan teknologi AeMBR. Namun, AnMBR Teknologi telah menerima beberapa derajat penerimaan di beberapa tahun terakhir sebagai pengganti di tempat AeMBR untuk air limbah dan limbah lainnya. Hal ini karena AnMBRs potensi pemulihan energi selain menyediakan manfaat yang sama seperti AeMBR dengan mengurangi energi, sementara AeMBRs membutuhkan masukan energi tinggi untuk aerasi. [24] Dalam AnMBR, penekanan pada pemulihan biogas bersama dengan pengolahan limbah. Tidak adanya oksigen sebagai akseptor elektron di Proses anaerobik meminta sistem mikroba untuk membuang elektron menjadi metana (biogas). [7] Tidak seperti AeMBRs yang memancarkan gas rumah kaca seperti karbon dioksida dan nitrous oksida (jika nitrifikasi / denitrifikasi), AnMBRs menghasilkan gas yang berguna seperti biohydrogen dan biogas yang bisa digunakan untuk produksi energi. Keuntungan dari AnMBR teknologi di bidang ini adalah bahwa kedua biohydrogen dan biogas dapat diproduksi dengan menggunakan membran tunggal Sistem sejak pencernaan anaerobic [25].
4.4. Pervaporasi Etanol Pervaporasi adalah salah satu teknologi membran yang dapat digunakan untuk penghilangan air dari campuran etanol. Pervaporasi dapat dilakukan dengan mode kontinyu dan dengan harga yang lebih murah. Pervaporasi merupakan proses berbasis membran dimana cairan murni atau campuran cairan dikontakkan dengan membran pada umpan atau hilir dimana permeat dihilangkan sebagai uap. Proses ini menawarkan pemisahan cairan dengan berat molar yang sama sebagai alternatif dari distilasi. Pada intinya, proses pervaporasi melibatkan tiga tahap yaitu serapan selektif ke dalam membran pada sisi umpan, difusi selektif melalui membran, dan desorpsi menuju fasa uap pada sisi permeat. Pemisahan pada pervaporasi berdasarkan pada kelarutan dan difusivitas. Oleh karena itu, pervaporasi cocok untuk memisahkan campuran azeotrop [11]. Dalam proses pervaporasi menggunakan membran hidrofobik, komponen berubah dari cair ke uap dan ditransfer melalui membran hidrofobik. Selektivitas tidak didasarkan pada penguapan keseimbangan termodinamika, tetapi pada perbedaan membran serapan, dan sifat difusi komponen yang berbeda. Menggunakan membran pervaporasi hidrofobik untuk memisahkan senyawa organik yang mudah menguap (misalnya etanol) telah menjadi alternatif menarik untuk proses konvensional, seperti pervaporasi distilasi, ekstraksi, adsorpsi, dan stripping. membran dapat 7
Selain itu, teknologi membran telah dikembangkan untuk pemurnian biogas, yang menghilangkan masalah utama yang biasa ditemui dalam metode pemurnian konvensional. Misalnya, konsentrasi tinggi karbon dioksida di biogas membuat desulfurisasi yang sulit dalam konvensional Metode yang didasarkan pada reaksi kimia hidrogen sulfide (H2S) dengan kapur atau kapur mati dalam padat atau cair untuk m. Hal ini karena karbon dioksida juga bereaksi dengan cepat dengan kapur cepat dan dipuaskan sehingga tidak cukup untuk biogas desulfurisasi. Selain itu, teknik biogas upgrade konvensional seperti penyerapan atau adsorpsi kebutuhan Jumlah energi yang tinggi dan ruang besar. Sistem membran, di sisi lain, dapat melakukan tiga langkah pemisahan karbon dioksida (CO2), dan penghapusan H2S dan dehidrasi dalam satu langkah, sehingga mengurangi ruang yang diperlukan [26].
Faktor utama yang mempengaruhi pasar membran bioreaktor adalah: peraturan baru yang lebih ketat untuk pengolahan limbah dan pembuangan efluen industrial, kelangkaan air lokal, adanya intensif untuk mendorong peningkatan teknologi pengolahan limbah dan daur ulang air, berkurangnya biaya investasi, dan meningkatnya kepercayaan diri dan penerimaan teknologi membran bioreaktor [27]. Bahan membran biasanya terbuat dari polimer organik, logam dan bahan anorganik, misalnya keramik. Meskipun membran logam dan anorganik memiliki sifat seperti toleransi yang tinggi terhadap korosi, abrasi, oksidasi, dan lebih baik fouling recovery jika dibandingkan dengan organic polimer, membran polimer lebih sering digunakan karena mereka memiliki biaya yang lebih rendah. Pilihan polimer, bagaimanapun, sering kompromi antara sifat membrane yang meliputi hidrofilisitas, kemudahan fabrikasi, biaya, dan ketahanan. Meskipun, polimer hidrofobik sudah baik Sifat termasuk ketahanan kimia, biokompatibilitas, pembengkakan rendah, antara lain, membran hidrofobik ditemukan lebih rentan terhadap fouling dari hidrofilik membran karena sebagian besar reaksi antara foulants dan membran yang hidrofobik di alam. Oleh karena itu, sebagian besar membran hidrofobik yang hydrophilized untuk mendapatkan beberapa kualitas yang diinginkan. Umumnya, poliolefin, polietersulfon (PES), dan polyvinylidene difluorida (PVDF) adalah polimer yang biasanya disukai.
5.
Penetrasi Pasar Teknologi Membran Bioreaktor Teknologi membran bioreaktor secara luas dipandang sebagai state of the art, namun bagi beberapa orang dipandang memiliki resiko tinggi dan sangat mahal dibandingkan dengan teknologi konvensional yang lebih matang seperti lumpur aktif dan turunannya. Membran bioreaktor dipandang banyak konsumen sebagai biaya tinggi/nilai tinggi. Oleh karena itu, jika tidak ada kebutuhan kualitas output yang tinggi, perusahaan secara umum tidak melihat kebutuhan untuk investasi sejumlah besar uang pada membran bioreaktor [27]. Teknologi AeMBR telah dikomersialkan sejak tahun 1970-an sebagai lingkaran eksternal dan kemudian sebagai proses untuk treatment air limbah, desalinasi, dan pemurnian air di negara-negara seperti Inggris / Irlandia, Perancis, Jerman, Jepang, Cina, Korea Selatan, Iberia, Benelux, Italia, Amerika Serikat, Kanada, dan Meksiko, memberikan kontribusi besar di pasar. Perusahaan termasuk Ge-Zenon, Kubota, Mitsubishi Rayon, dan Memcor telah mendominasi pasar membran. Pada 2009, sekitar 4400 AeMBRs telah dipasang di lebih dari 200 negara oleh Kubota, Mitsubishi Rayon, dan Ge-Zenon. [28] Persentase bersama dari jumlah terpasang pembangkit biogas berbasis membran dipasang antara tahun 1990 dan 2012 di Amerika Serikat, Belanda, Austria, Norwegia dan Jerman adalah 66%, 13%, 13%, 4%, dan 4%, masingmasing. Pada 2010, dilaporkan bahwa 14 AnMBRs yang diperlakukan berbagai jenis limbah termasuk limbah organik, residu makanan, stillage, dan air limbah, yang beroperasi di Jepang. [29] Dua AnMBRs juga beroperasi di Amerika Serikat untuk mengobati limbah industri makanan dan keju asam whey, Untuk permeasi gas menggunakan membran masing-masing., yang pemasok utama adalah Liquid Air Medal, produk Air, GMT Membrantechnik, Evonik, teknologi IGS Generon Membran, MTR Inc, Parker, membran UBE, dan UOP mantan Grace.
5.1. Tantangan dan Solusi Yang Mungkin Untuk Kelanjutan Masa Depan MBRs Terlepas dari luas dan terus berkembangnya pasar serta teknologi membran dalam aplikasi industri maupun sehari-hari, ada beberapa hal yang harus dibenahi untuk memperlancar ataupun mempercepat penerapan aplikasi membran dalam berbagai sektor. Ada pula berbagai faktor pendorong dan penghalang yang harus dieksploitasi lebih lanjut untuk mencari aplikasi potensial lain dari membran juga implementasi lebih luas aplikasi yang sudah ada. Faktor-faktor pendorong dan penahan implementasi teknologi membran dapat diklasifikasikan menjadi tiga hal menurut waktu hal tersebut diberi perhatian. Pada jangka pendek, sistem membran menjadi menarik karena biaya sistem membran yang kian menurun setiap waktunya. Pada jangka menengah, kurangnya lahan menjadi faktor pendorong ampuh bagi peningkatan kinerja pabrik yang telah ada. Peningkatan kualitas produk yang dihasilkan dapat menjadi sangat penting untuk mendapatkan performa proses yang lebih baik juga persaingan produk akhir sehingga tidak kalah dengan produk serupa di pasar. Disisi lain sistem yang terbilang baru ini membutuhkan perhatian yang lebih banyak dibandingkan proses konvensional seperti distilasi terutama dengan pengoperasiannya karena belum banyak operator membran handal dibandingkan proses8
proses konvensional. Biaya modal yang lebih tinggi merupakan faktor penghalang terbesar karena proses konvensional lainnya telah banyak meningkatkan efisiensinya [30]. Beberapa tantangan untuk kelanjutan dari perkembangan teknologi membran antara lain adalah: keterbatasan aplikasi membran, fluks permeasi yang rendah, permselektivitas yang tidak memadai, biaya peralatan atau operasi yang sangat tinggi, fouling membran dan ketahanan atau waktu servis membran yang tidak memadai. Tantangan tersebut disebabkan oleh struktur atau sifat bawaan membran, konfigurasi atau perancangan modul membran, dan strategi atau kombinasi pengelolaan fluida yang tidak tepat [10]. Tantangan yang dialami oleh membran bioreaktor juga bisa dari kekurangan pengetahuan dan literatur tentang AnMBR yang terbatas, penelitian membran bioreaktor kebanykan dilakukan pada bench-scale dan belum banyak yang melakukan penelitian operasi jangka panjang dan kelakuan skala besar, penelitian yang ada sekarang masih banyak menitik beratkan pada limbah perkotaan sedangkan limbah industrial yang banyak ragamnya belum mendapat perhatian, informasi mendasar tentang isu operasional, baiya, energi, dan manufaktur dari sistem membran bioreaktor untuk pengolahan air limbah masih kurang [27]. Manfaat yang terkait dengan teknologi MBR juga banyak sehingga membuatnya menjadi pilihan yang dapat diandalkan dan berharga, baik atas teknik pengelolaan sampah lainnya. Beberapa dari banyak keuntungannya adalah efisiensi jejak (mengurangi biaya modal), kualitas tinggi limbah, sistem tekanan rendah, kapasitas tinggi, dan teknologi yang mudah untuk mengontrol. Sebuah fitur penting teknologi MBR adalah kemampuannya untuk mempertahankan biomassa ketika menggunakan tingkat pengenceran yang tinggi, washout biomassa mencegah selama proses berkesinambungan. Kontribusi penting untuk mewujudkan pengembangan industri yang berkelanjutan dapat dilakukan dengan “green process engineering” berdasarkan prinsip strategi “intensifikasi proses”. Teknologi membran memberikan solusi yang menjanjikan bagi permasalahan yang dihadapi oleh masyarakat industri modern dan dapat memenuhi tujuan intensifikasi proses karena memiliki potensi untuk menggantikan teknologi konvensional yang bersifat energy-intensive, memfasilitasi transfer komponen spesifik secara selektif dan efisien, dan meningkatkan kinerja proses reaksi. Desain dan pengembangan proses terintegrasi yang inovatif berbasis membran juga terus meningkat, sehingga dapat memberikan dukungan penting bagi pembangunan masa depan pertumbuhan industri berkelanjutan [17]. Teknologi membran juga dapat berperan dalam pengambilan dan pemanfaatan komponen nutritif dari bahan-bahan alam yang beragam di Indonesia. Teknologi membran memungkinkan untuk mengekstrak bahan-bahan nutritif dari alam secara
molekuler dengan biaya operasi yang rendah dan dapat menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi [17]. Salah satu kendala utama dalam pengembangan teknologi membran adalah bahan baku polimer yang merupakan bahan baku utama dalam fabrikasi membran. Untuk pertimbangan daya saing, pengembangan membran Indonesia di masa mendatang akan lebih bertumpu pada material polipropilen lokal. Polipropilen banyak digunakan untuk pembuatan membran karena memiliki stabilitas termal, resistensi kimia, dan kekuatan mekanik yang baik. Membran polipropilen juga dapat dikembangkan lebih lanjut menjadi membran superhidrofilik dan membran superhidrofobik melalui proses modifikasi. Membran superhidrofilik memiliki karakteristik permeabilitas air yang tinggi sekaligus kerentanan terhadap fouling yang rendah sehingga sangat cocok untuk pengolahan air. Sebaliknya, membran superhidrofobik memiliki tingkat pembasahan air yang sangat rendah dan karakteristik permeabilitas minyak yang tinggi sehingga sangat cocok untuk aplikasi seperti pengolahan minyak nabati, klarifikasi minyak dan oli, kontaktor gas-cair tanpa pembasahan, dan lain-lain. Oleh karena itu, salah satu cara untuk mengatasi kendala bahan baku tersebut adalah dengan mengembangkan membran berbahan dasar polipropilen lokal [17]. 6.
Kesimpulan Dalam MBRs, proses biologis, seperti, misalnya fermentasi etanol atau produksi biogas anaerobik, dikombinasikan dengan teknik pemisahan membran. Membran dapat digabungkan dengan bioreaktor, baik dengan merendam dalam budaya bioreaktor, atau dengan menempatkannya dalam lingkaran eksternal di luar bioreaktor. MBR memungkinkan konsentrasi sel dalam bioreaktor yang akan meningkat secara signifikan. Lebih Lanjut, inhibisi produk berkurang, konsentrasi produk diperkuat, dan pemisahan produk dan / atau sel setelah proses dapat disederhanakan. Selain itu, produktivitas etanol fermentasi dapat ditingkatkan secara signifikan ketika menggunakan MBR baik secara batch maupun kontinyu. Dengan demikian, MBR memegang potensi untuk pengembangan produksi etanol dan biogas. Daftar Pustaka (references) [1] Judd. S, Judd. C. The MBR book, principles and applications of membrane bioreactors for water and wastewater treatment, 2nd ed, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2011. [2] Woodley. J. M, Bisschops. M, Straathof. A. J. J, Ottens, Future directions for in-situ product removal (ISPR), J. Chem. Technol. Biotechnol, (2008) 83: 121–123. [3] Schügerl. K, Hubbuch. J, Integrated bioprocesses, Curr. Opin. Microbiol, (2005) 8: 294–300. [4] Cheryan. M, Mehaia. M. A, A high-performance membrane bioreactor for continuous 9
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
fermentation of lactose to ethanol, Biotechnol. Lett, (1983) 5: 519–524. Visvanathan. C, Abeynayaka. A, Developments and future potentials of anaerobic membrane bioreactors, Water Treat, (2012) 3: 1–23. Lin. H, Liao. B. Q, Chen. J, Wang. L, Wang. F, Lu. X, New insights into membrane fouling in a submerged anaerobic membrane bioreactor based on characterization of cake sludge and bulk sludge, Bioresour. Technol, (2011) 102: 2373– 2379. Rivard. C, Engel. R, Hayward. T, Nagle. N, Hatzis. C, Philippidis. G, Measurement of the inhibitory potential and detoxification of biomass pretreatment hydrolysate for ethanol production, Appl. Biochem. Biotechnol, (1996) 57–58: 183– 191. I.G. Wenten. “Intensifikasi Proses Berbasis Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. I.G. Wenten, A.N. Hakim, P.T.P. Aryanti. “Bioreaktor Membran untuk Pengolahan Limbah Industri.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. I.G. Wenten. “Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. Liao. B. Q, Kraemer. J, Bagley. D, Anaerobic Membrane Bioreactor: applications and research directions, Crit. Rev. Environ. Sci. Technol, (2006) 36: 489-530. I.G. Wenten. “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya di Indonesia.” Orasi Guru Besar Institut Teknologi Bandung, 26 Februari, 2016. Judd. S, The status of membrane bioreactor technology, Trends. Biotechnol, (2008) 26: 109– 116. Belfort. G, Membranes and bioreactors: a technical challenge in biotechnology, BiotechnolBioeng, (1989) 33: 1047-1066. I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti. “Desain Proses Berbasis Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. Offeman. R. D, Robertson. G. H, Spiral-wound liquid membrane module for separation of fluids and gases, The United States of America As Represented by The Secretary Of Agriculture, 2004. Cheryan. M, Escobar. J, Shalhevet. R, Increasing the efficiency of ethanol production through the use of a membrane technology, Darby: DIANE Publishing Company, 1994. Kang. W, Shukla. R, Sirkar. K. K, Ethanol production in a microporous hollow-fiber-based extractive fermentor with immobilized yeast, Biotechnol. Bioeng, (1990) 36: 826–833.
[20] Cysewski. G. R, Wilke. C. R, Rapid ethanol fermentations using vacuum and cell recycle, Biotechnol. Bioeng, (1977) 19: 1125–1143. [21] Lee. S. S, Wang. H. Y, Repeated fed-batch rapid fermentation using yeast cells and activated carbon extraction system, Biotechnol. Bioeng. Symp, (1982) 12: 221–231. [22] Pitt. W. W, Haag. G. L, Lee. D. D, Recovery of ethanol from fermentation broths using selective sorption–desorption, Biotechnol. Bioeng, (1983) 25: 123–131. [23] Lee. K. R, Teng. M. Y, Hsu. T. N, Lai. J. Y, A study on pervaporation of aqueous ethanol solution by modified polyurethane membrane, J. Membr. Sci, (1999) 162: 173–180. [24] Lin. H, Peng. W, Zhang. M, Chen. J, Hong. H, Zhang. Y, A review on anaerobic membrane bioreactors: applications, membrane fouling and future perspectives, Desalination, (2013) 314: 169–188. [25] Stuckey. D. C, Recent developments in anaerobic membrane reactors, Bioresour. Technol, (2012) 122: 137–148. [26] Harasimowicz. M, Orluk. P, Zarkrzewska – Trznadel. G, Chimielewski. A. G, Application of polyimide membranes for biogas purification and enrichment, J. Hazard. Mater, (2007) 144: 698– 702. [27] I.G. Wenten, A.N. Hakim, P.T.P. Aryanti. “Bioreaktor Membran untuk Pengolahan Limbah Indsutri.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [28] Frost and Sullivan, Strategic analysis of the European membrane bioreactor markets, Market Research, 2005. [29] Kanai. M, Ferre. V, Wakahara. S, Yamamoto. T, and Moro. M, A novel combination of methane fermentation and MBR/kubota submerged anaerobic membrane bioreactor process, Desalination, (2010) 250: 860–967. [30] I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
10
