MAKALAH AGROFUEL Ganggang Sebagai Bahan Bakar Alternatif Potensial yang Ramah Lingkungan

Oleh : Adib Fauzan H0712004 Agroteknologi Fakultas Pertanian UNS
A. Pendahuluan

Biodiesel telah menarik perhatian sebagai bahan bakar yang dapat diperbaharui dan ramah lingkungan karena cadangan minyak dari bahan baku fosil berkurang serta konsekuensi lingkungan yang rusak akibat gas buang dari bahan bakar solar. Janaun (2010) menyatakan biodiesel (lemak ester alkil asam) adalah diesel alternatif yang berasal dari reaksi minyak nabati atau lipid dan alkohol dengan atau tanpa kehadiran katalis. Konversi kimia dari minyak ester lemak menjadi biodisel disebut transesterifikasi.

Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif yang tidak beracun dan biodegradable yang diperoleh dari sumber terbarukan (Hossain 2008). Penelitian terbaru telah terbukti bahwa produksi minyak dari ganggang menunjukan keunggulan dibanding dengan tanaman terestrial seperti kelapa sawit, kedelai atau jatropha serta memiliki potensi besar untuk menggantikan bahan bakar fosil. Kecepatan pertumbuhan ganggang jauh lebih cepat daripada pertumbuhan tanaman terrestrial. Produksi per unit minyak dari ganggang setahun diperkirakan  20.000 sampai 80.000 L per hektar. Angka ini 7-31 kali lebih besar dibandingkan dengan tanaman kelapa sawit (Demirbas 2011).

Dalam dunia tumbuhan ganggang termasuk kedalam dunia tallopyta (tumbuhan talus), karena belum mempunyai akar, batang dan daun secara jelas.   Ganggang merupakan organisme autotrof yang tidak memiliki organ dengan perbedaan fungsi yang nyata. Ganggang bahkan dapat dianggap tidak memiliki “organ” seperti yang dimiliki tumbuhan (akar, batang, daun, dan sebagainya). serupa benang atau lembaran. Tumbuhan ganggang merupakan tumbuhan tahun yang hidup di air, baik air tawar maupun air laut, setidak-tidaknya selalu menempati habitat yang lembab atau basah.

Tubuh ganggang menunjukkan keanekaragaman yang sangat besar, tetapi sernua selnya selalau jelas mempunyal inti dan plastida dan dalam plastidnya terdapat zat-zat warna derivat kiorofil yaltu kiorofil a, b atau kedua-duanya. Selain derivat-derivat klorofil terdapat pula zat-zat warna lain yang justru kadang-kadang lebih inenonjol dan menyebabkan ketompok-kelompok ganggang tertentu diberi nama menurut warna tadi. Zat-zat warna tersebut berupa fikosianin (berwama biru), fikosantin (berwarna pirang), fikoeritrin (berwarna merah merah). Disamping itu juga diternukan zat-zat warna santofli dan karoten.

  Penggunaan ganggang sebagai tanaman bahan bakar alternatif memiliki potensi lebih besar karena mudah beradaptasi dengan baik serta kemungkinan tumbuh baik di perairan tawar maupun laut. Kondisi tersebut memungkinkan produksi minyak dari bahan baku ganggang dapat menghindari penggunaan lahan. Selain itu, dua pertiga dari permukaan bumi ditutupi dengan air, sehingga ganggang akan benar-benar menjadi pilihan terbarukan yang memiliki potensi besar untuk dunia dalam mencukupi kebutuhan energy. Schenk et al (2008) menyatakan bahwa biofuel dari bahan baku ganggang tampaknya menjadi satu-satunya sumber terbarukan saat ini yang dapat memenuhi global permintaan untuk bahan bakar transportasi. Hossain et al (2008) juga memperkuat pendapat bahwa ganggang telah muncul sebagai salah satu sumber yang paling menjanjikan untuk produksi biodiesel.

B. Potensi Ganggang

Kebutuhan biodiesel yang besar otomatis akan membutuhkan bahan baku yang besar pula. Kriteria bahan baku yang dibutuhkan adalah mudah tumbuh, mudah dikembangkan secara luas, dan mengandung minyak nabati yang cukup besar. Berikut adalah pemaparan kelebihan ganggang sebagai bahan baku biodiesel.

1. Ganggang mengandung minyak nabati hingga 75%

Salah satu alasan utama mengapa ganggang digunakan menjadi biodiesel adalah kandungan minyak nabati pada ganggang jauh lebih banyak jika dibandingkan dengan bahan baku biodiesel lain seperti kacang kedelai, kapas, jatropha dan lain-lain. Dengan lebih tingginya kandungan minyak nabati pada ganggang dibanding dengan tumbuhan lain maka kebutuhan lahan untuk produksi biodiesel dari ganggang juga lebih sedikit. Berikut adalah gambaran kebutuhan lahan untuk produksi biodiesel.

2. Ganggang merupakan jenis tumbuhan yang paling cepat tumbuh di alam

Jagung atau tanaman pertanian lain membutuhkan waktu hingga setahun untuk tumbuh, sementara ganggang dapat tumbuh dalam beberapa hari. Waktu panen ganggang yang cepat dapat menghasilkan yang lebih efisien dengan jangka waktu yang lebih singkat dalam area yang lebih kecil jika dibandingkan dengan tumbuhan lain.

3. Ganggang mengkonsumsi karbon dioksida ketika tumbuh, sehingga dapat mengurangi pencemaran lingkungan

Ketergantungan akan BBM mengakibatkan peningkatan kandungan CO2 di atmosfer. Dengan memanfaatkan ganggang yang mengkonsumsi CO2 untuk menghasilkan minyak, biodiesel dapat diproduksi secara efisien sementara mengurangi penambahan CO2 ke atmosfer.

4.  Sumber pertumbuhan ganggang mudah diperoleh

Agar dapat tumbuh dengan baik ganggang hanya membutuhkan beberapa sumber dasar yaitu: CO2, air, cahaya matahari dan nutrien. Cahaya matahari dapat diperoleh hampir sepanjang tahun, ketika malam maka dapat digunakan lampu untuk menggantikan cahaya matahari. Karbon dioksida dapat diperoleh dalam konsentrasi tinggi dari power plant dan proses industri sebagai gas buangan. Ganggang dapat tumbuh di kebanyakan sumber air dengan variasi tingkat pH. Alasan ini menjadi salah satu kelebihan ganggang karena ganggang tidak perlu bersaing dengan manusia atau tumbuhan pertanian lain dalam mengkonsumsi air bersih.

C. Pengolahan Ganggang

Pengolahan ganggang untuk biodiesel dilakukan dengan tiga tahapan, yaitu penumbuhan, pemanenan dan pengambilan minyak.

1. Penanaman (Algae Cultivation)

a. Pembukaan Lahan Budidaya Terbuka(Open Raceways)

Banyak pilihan untuk pertanian ganggang skala besar. Kebutuhan ganggang akan sinar matahari, nutrisi, dan karbon dioksida untuk berkembang serta bereproduksi para petani ganggang subsisten menggunakan lahan terbuka besar dengan medium cair untuk tumbuh ganggang mereka. Kebanyakan lahan terbuka dirancang dengan arus yang terus-menerus sehingga semua organisme menerima sinar matahari yang cukup. Karbon dioksida juga dipompa ke dalam air untuk menjaga ganggang hidup, dan nutrisi sering diisi ulang untuk mendukung pertumbuhan maksimum. Keuntungan untuk lahan terbuka ini murah, dapat mendukung populasi besar ganggang, dan bisa menggunakan air limbah dan emisi CO2 dari pabrik-pabrik industri lokal. Namun, lahan terbuka rentan terhadap kontaminasi dan sulit untuk menemukan cara yang efisien untuk memanen ganggang dari lahan terbuka besar ini karena luasnya area dan aliran air konstan.

          b. Bioreaktor

                        Metode lain untuk budidaya ganggang adalah foto – bioreaktor. Foto–bioreaktor Ini dirancang dengan tinggi, transparan , wadah tertutup yang memungkinkan petani ganggang untuk mengontrol semua aspek lingkungan seperti tingkat suhu , cahaya, karbon dioksida dan nutrisi , serta menghindari kontaminasi . Bioreaktor dapat dibangun dalam menggunakan cahaya buatan atau  menggunakan sinar matahari. Bioreaktor ini juga dapat dipasangkan dengan tanaman industri lokal untuk menggunakan sumber-sumber limbah. Metode budidaya memungkinkan untuk menghasilkan ganggang dalam jumlah yang tinggi dan dapat dipanen setiap hari , tetapi pembuatan bioreactor ini sangat mahal, dan memerlukan desain yang kompleks untuk mempertahankan lingkungan yang optimal untuk pertumbuhan ganggang. Kadar oksigen,  karbon dioksida yang berlebih serta berlimpahnya ganggang dapat terjadi dalam sistem ini jika tidak disaring secara efisien  yang berakibat membunuh populasi ganggang. Perubahan pH dan kurangnya nutrisi juga dapat merusak siklus pertumbuhan ganggang sehingga bioreaktor memiliki sistem pemantauan khusus untuk semua faktor-faktor lingkungan

          c. Fermentasi(Fermentation)

                        Fermentasi tumbuh ganggang menggunakan tong sinar matahari independen dengan memberi mereka makan gula. Metode ini menawarkan kontrol yang paling maksimal dalam mengatur pertumbuhan populasi ganggang, danmemungkinkan budidaya ganggang dibelahan bumi manapun. Lingkungan yang sesuai seperti suhu dan tekanan dapat dipelihara dengan mudah. Dalam metode ini, biomassa ganggang menghasilkan etanol. Namun metode fermentasi lebih mahal daripada metode budidaya lainnya. Terlebih lagi metode ini bukan efisiensi penggunaan ganggang karena etanol secara komersial digunakan sebagai aditif bensin untuk transportasi umum meskipun beberapa mobil balap dapat berjalan pada etanol murni. Oleh karena itu, untuk sebagian besar perusahaan telah dihapus gagasan fermentasi, tetapi beberapa perusahaan seperti Solazyme, masih menginvestasikan energi dan sumber daya ke dalam metode ini. Spesies ganggang lain juga telah menunjukkan tingkat pertumbuhan meningkat bila ditanam dalam medium yang mengandung sumber karbon eksogen. Spesies seperti Botryococcus brauni, Chlorella sp telah terbukti peningkatan produksi hidrokarbon di media yang kaya karbon

     2. Pemanenan (Algae Biomass Harvest)

          a. Penyaringan (Filtration)

                        Ganggang harus ditumbuhkan dalam air, untuk itu ada beberapa metode pemisahan yang efisien dalam menghilangkan sel-sel ganggang dari media cair. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangan. Salah satu teknik adalah filtrasi dimana media cair disaring dengan kekuatan vakum melalui membran berpori sambil mengumpulkan biomassa ganggang. Filtrasi sangat efisien dalam berkonsentrasi mikroganggang kepadatan rendah, tetapi mahal dan memakan waktu (Jacquot 2009). Seluruh volume medium cair harus melewati filter. Proses ini juga sangat membosankan karena penyaringan harus dimonitor dan biomassa ganggang harus dikerok pada interval untuk menghindari penyumbatan filter .

          b. Sentrifugasi (Centrifugation)

                   Sentrifugasi adalah pemisahan ganggang dari medium cair menggunakan mesin sentrifugasi. Bagi pengusaha ganggang skala kecil penggunaan alat ini lebih mahal dibandingkan dengan yang lain. Namun, untuk produksi komersial, penggunaan mesin ini  layak karena proses ini dapat memisahkan biomassa ganggang dari volume penuh medium cair dalam satu langkah, sehingga meningkatkan efisiensi panen. Namun demikian, jumlah energi yang dibutuhkan untuk daya seperti sentrifugasi kolosal sangat besar, selain itu sel-sel ganggang sangat rapuh, gaya yang diterapkan untuk ganggang selama sentrifugasi harus tepat.

c. Flokulasi (Flocculation)

         Metode flokulasi merupakan kemajuan teknologi yang dapat digunakan dalam kombinasi dengan filtrasi untuk meningkatkan efisiensi. Flokulasi adalah sarana sel-sel ganggang berkumpul dan membentuk massa dengan penambahan bahan kimia atau zat organik. Pertimbangan hati-hati harus dilakukan ketika memilih substansi untuk menginduksi flokulasi karena beberapa zat dapat mencemari produk akhir. Studi yang dilakukan oleh Lee et al (2010) menunjukkan bahwa penambahan zat karbon organik, seperti asetat, glukosa, atau gliserin, menginduksi flokulasi signifikan dan meningkatkan efisiensi pemulihan biomassa ganggang.

3. Pengambilan Minyak (Oil Extraction)

     a. Transesterifikasi (Transesterification)

                   Meskipun teknik transesterifikasi telah digunakan selama lebih dari satu abad, namun baru-baru ini digunakan sebagai metode ekstraksi untuk memperoleh bahan bakar dari minyak ganggang. Transersterifikasi merupakan reaksi umum untuk produksi biodiesel. Transesterifikasi adalah reaksi antara ester (TAG) dan alkohol (metanol) untuk membentuk ester yang berbeda (metil ester) dan alkohol (gliserol) dengan adanya katalis (Dewitt 2010). Di hadapan katalis, alkohol terdeprotonasi yang membentuk nukleofil kuat, yang memungkinkan untuk bereaksi dengan trigliserida untuk membentuk tiga metil ester baru (BBM) dan gliserol (sampingan). Gliserol akan berada di bawah dengan biodiesel atau bahan bakar di atas. Glcyerol dapat dilepas dan digunakan untuk berbagai produk yang tersisa dengan biodiesel untuk bahan bakar (Willey et al 2009)

     b. Pirolisis (Pyrolisis)

                    Meskipun belum ditentukan apakah proses pirolisis dapat digunakan untuk produksi minyak ganggang menguntungkan secara ekonomi, namun proses ini telah diteliti selama beberapa tahun dan sedang dalam tahap pengembangan skala besar komersial dengan beberapa fasilitas percontohan. Pirolisis adalah alat teknologi yang menjanjikan karena berhubungan dengan memecah ikatan kimia dalam bahan organik untuk membuat bahan bakar cair. Sebagian besar bahan organik memiliki ikatan kimia yang dapat dipecah dan memproduksi produk-produk energi tinggi serta memiliki potensi besar untuk jumlah massa bahan bakar yang akan dibuat. Proses pirolisis diawali dengan biomassa, yang pada umumnya bahan baku, ditempatkan dalam ruang dan dipanaskan tanpa oksigen. Dengan tidak adanya oksigen, panas digunakan untuk memecah ikatan kimia dengan menguap banyak konstituen.

     c. Long-chain Hydrocarbons

                   Beberapa spesies ganggang menghasilkan hidrokarbon daripada lipid dan TAG. Perbedaan dalam bahan baku dapat mengakibatkan perbedaan dalam konversi produk, dan karakteristik produk. Hidrokarbon rantai panjang yang ditemukan di ruang intrasel dari ganggang Botryococcus braunii (juga dikenal sebagai botyrocennes) sangat mirip dengan komposisi minyak mentah. Hidrokarbon diekstrak sehingga dapat dikonversi ke bahan bakar dengan hydrocracking, telah dilakukan di kilang minyak. Hal ini menguntungkan karena, pertama, teknologi dan infrastruktur sudah tersedia di banyak bagian dunia. Ganggang dapat tumbuh dan hidrokarbon diekstrak, kemudian dijual ke kilang sebagai produk dasar yang sama seperti minyak mentah. Hal ini dapat berkontribusi lebih dari sekedar bahan bakar, tetapi juga produk sampingan yang berguna lainnya penyulingan. Minyak mentah disuling untuk banyak produk konsumen sehari-hari. Telah terbukti bahwa hidrokarbon di Botryococcus braunii dapat dikonversi oleh hidrocracking katalitik untuk 67% bensin minyak bumi, 15% bahan bakar jet, dan 15% solar (Tran et al 2010)

D. Kesimpulan

               Indonesia merupakan negara kepulauan yang sebagian besar terdiri dari wilayah perairan. Krisis sumber energi seharusnya dapat diatasi oleh negara ini dengan mengembangkan biodiesel dari ganggang. Pembangunan perusahaan yang bergerak dibidang biodiesel dari ganggang harus dikembangkan di negara ini untuk mengatasi permasalahan-permasalahan yang berkaitan dengan sumber energi. Sinergi antara pemerintah, pengusaha dan peneliti harus dibangun untuk mengembangkan biodiesel dari ganggang.

DAFTAR PUSTAKA

Demirbas, A dan  M.F. Demirbas. 2011. Importance of algae oil as a source of biodiesel. Energy Convert and Manage 52: 163-170.

Dewitt. 2010. Dewitt and Company Inc. http://www.methanol.org Diakses 7 september 2013

Hossain, A. Salleh, Boyce, P. Chowdhury dan M. Naqiuddin. 2008. Biodiesel fuel production from algae as renewable energy. Journal of Biochem. Biotech., 4 (3): 250-254.

Jacquot, Jeremy.2010.  5 Companies Making Fuel from Algae Now. Popular Mechanics. http://www.popularmechanics.com Diakses 7 September 2013

Janaun, J. and E. Naoko. 2010. Perspectives on biodiesel as a sustainable fuel. Renew Sustain Energy  (14) 1 : 1312-1320.

Lee, Andrew K. Lewis, David M. Ashman, Peter J. 2009. Microbial flocculation: a potentially low-cost harvesting technique for marine microalgae for the production of biodiesel.  J Appl Phycol. 21: 559-567.

Schenk, P.M., S.R. Thomas-Hall, E. Stephens, U.C. Marx, J.H. Mussgnug, C. Posten. O. Kruse dan B. Hankamer. 2008. Second generation biofuels: High-Efficiency microalgae for biodiesel production. Bioenergy Res (1): 20-43

Tickell, J. 2000. From the Fryer to the Fuel Tank third ed. LA: Tickell Energy Consultants Covington

Tran, N.H., Bartlett, J.R., Kannangara, Milev, A.S., Volk, H., Wilson, M.A. 2010. Catalytic upgrading of biorefinery oil from micro-algae.J Fuel tech 89 : 265–274