Produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa melalui jalur biokimia: tinjauan

Produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa melalui jalur biokimia: tinjauan

Mustafa Balat *

Keywords:

Bioetanol, Bahan lignoselulosa, Hidrolisis enzimatik pra-perlakuan, Fermentasi

 abstract

Bioetanol sejauh ini merupakan biofuel yang paling banyak digunakan untuk transportasi di seluruh dunia. Produksi bioetanol dari biomassa adalah salah satu cara untuk mengurangi konsumsi minyak mentah dan pencemaran lingkungan. Bioethanol dapat diproduksi dari berbagai jenis bahan baku. Bahan-bahan baku diklasifikasikan menjadi tiga kategori bahan pertanian: gula sederhana, pati dan lignoselulosa. Harga bahan baku sering berubah sehingga mempengaruhi biaya produksi bioetanol. Salah satu masalah produksi bioetanol adalah ketersediaan bahan baku. Biomassa Lignocellulosa ialah bahan baku yang paling menjanjikan mengingat ketersediaan yang besar dan murah, namun produksi skala besar bioetanol komersial dari bahan lignoselulosa masih belum diterapkan.

1. Pendahuluan

Saat ini sektor, transportasi di seluruh dunia hampir seluruhnya tergantung pada bahan bakar minyak bumi. Yang menyumbang 60% dari konsumsi minyak dunia[1]. Selain itu, sektor transportasi menyumbang 70% dari emisi karbon monoksida global (CO) dan 19% dari karbon dioksida global (CO2) [2]. Emisi CO2 dari satu galon bensin ialah 8 kg[3]. Di seluruh dunia, ada sekitar 806 juta mobil dan truk pada tahun 2007[4]. Angka-angka ini diproyeksikan meningkat menjadi 1,3 miliar pada tahun 2030 dan mencapai lebih dari 2 miliar kendaraan pada tahun 2050[5]. Pertumbuhan ini akan mempengaruhi stabilitas ekosistem dan iklim global serta cadangan minyak global. Peningkatan dramatis dalam harga minyak bumi, sifat terbatas dari bahan bakar fosil, meningkatkan kekhawatiran mengenai dampak terhadap lingkungan, seperti gas rumah kaca (GRK), dan dampak terhadap kesehatan dan pertimbangan keselamatan sehingga perlu mencari sumber-sumber energi baru dan cara-cara alternatif untuk kendaraan motor. Bahan bakar alternatif harus layak, ekonomis kompetitif, ramah lingkungan, dan tersedia jumlah banyak [6]. Sejumlah bahan bakar alternatif potensial telah diusulkan, termasuk bioetanol, biodiesel, metanol, hidrogen, boron, gas alam, bahan bakar gas cair (LPG), bahan bakar Fischer-Tropsch, p-seri, listrik, dan bahan bakar solar.

Bahan bakar berbasis biomassa, yang dikenal sebagai biofuel menawarkan banyak keuntungan dibandingkan bahan bakar berbasis minyak bumi [7]: (1) biofuel mudah dibuat dari sumber-sumber biomassa umum, (2) bahan bakar ini menghasilkan pembakaran CO2, (3) biofuel termasuk ramah lingkungan, (4) ada banyak manfaat bagi lingkugan, ekonomi dan konsumen dalam menggunakan biofuel, dan (5) dapat di-biodegradasi dan dipakai berkelanjutan. Manfaat utama biofuel diberikan dalam Tabel 1. Penggunaan biofuel dapat membantu mitigasi emisi GRK, menyediakan sumber energi bersih dan berkelanjutan, dan meningkatkan pendapatan pertanian masyarakat miskin pedesaan. Negara berkembang memiliki keunggulan komparatif untuk produksi biofuel yang lebih besar karena ketersediaan lahan, kondisi iklim yang menguntungkan untuk pertanian dan biaya tenaga kerja lebih rendah. Namun, mungkin ada implikasi sosio-ekonomi dan lingkungan lain yang mempengaruhi potensi bagi negara berkembang untuk mendapatkan keuntungan dari peningkatan permintaan biofuel Global [8]. Produksi biofuel skala besar menawarkan kesempatan bagi negara-negara berkembang untuk mengurangi ketergantungan mereka pada impor minyak. Di negara-negara maju ada tren untuk menggunakan teknologi modern dan efisiensi konversi bioenergi menggunakan berbagai biofuel, yang kompetitif dengan bahan bakar fosil [9].

Biofule dibuat dari bahan berbasis bio melalui proses seperti pirolisis [10,11], gasifikasi [12,13], pencairan [14], ekstraksi fluida superkritis [15], pencairan air superkritis [16] dan biokimia [ 17]. Termokimia untuk membentuk biomassa menyangkut proses pirolisis katalitik dan non-katalitik serta gasifikasi, bertujuan untuk memaksimalkan produksi cairan energy tinggi dan produk gas.

Biofuel termasuk diantaranya ialah bioetanol, biomethanol, minyak nabati, biodiesel, biogas, gas biosintesis (bio-syngas), bio-minyak, bio-char, cairan Fischer-Tropsch, dan biohydrogen. Biofuel yang panjang dapat merujuk ke bahan bakar untuk pembakaran langsung dalam produksi listrik, namun hanya digunakan untuk bahan bakar cair dalam sektor transportasi [18]. Biofuel cair terbarukan untuk transportasi baru-baru ini telah menarik perhatian berbagai negara di seluruh dunia karena sifat pembaruan, kesinambungan, ketersediaan umum, pembangunan daerah, pekerjaan manufaktur pedesaan, pengurangan emisi gas rumah kaca, dan biodegradasi nya [19].

Untuk memastikan bioetanol "baik" yang diproduksi, maka harus mengacu pada manfaat GHG, dengan ketentuan berikut ini harus dipenuhi [23]: (1) pabrik bioetanol harus menggunakan biomassa dan bukan bahan bakar fosil, (2) budidaya tanaman bahan baku tahunan harus dihindari pada tanah yang kaya karbon (atas dan bawah tanah), seperti tanah gambut sebagai padang rumput permanen, (3) produk akhir harus digunakan secara efisien untuk memaksimalkan manfaat energi dan gas rumah kaca, dan (4) emisi oksida nitrogen harus dijaga ke tingkat minimum dengan cara yang strategi fertilisasi yang efisien, dan pupuk nitrogen komersial yang digunakan harus diproduksi di pabrik yang memiliki penyaringan gas nitro oksida. Bioetanol adalah bahan bakar yang berasal dari sumber pakan terbarukan dari gandum, gula bit, jagung, jerami, dan kayu. Bioetanol merupakan bahan bakar alternatif yang diproduksi hampir seluruhnya dari tanaman pangan. Memproduksi bioetanol sebagai bahan bakar transportasi dapat membantu mengurangi penumpukan CO2 dalam dua hal penting: yaitu menggantikan penggunaan bahan bakar fosil, dan dengan daur ulang CO2 yang dilepaskan ketika dibakar sebagai bahan bakar. Keuntungan penting dari bioetanol berbasis tanaman adalah manfaat GHG [24].

2. Bioetanol sebagai bahan bakar transportasi

Alkohol ialah bahan bakar oksigenasi dimana molekul alkohol memiliki satu oksigen atau lebih, yang menurun dikarenakan panas pembakaran. Dalam prakteknya, setiap molekul organik dari kelompok alkohol dapat digunakan sebagai bahan bakar. Alkohol yang dapat digunakan untuk bahan bakar motor adalah metanol (CH3OH), bioetanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH), butanol (C4H9OH). Namun, hanya metanol dan bioetanol yang akar secara teknis dan ekonomis cocok untuk mesin pembakaran internal (ICES) [24].

Bioetanol biasanya ialah alkohol etil, alkohol gandum, atau secara kimia C2H5OH atau EtOH. Bahan ini memiliki angka oktan tinggi (108) [25], keduanya memunculkan rasio kompresi dan memberikan emisi rendah [26]. Angka oktan adalah ukuran kualitas bensin untuk pencegahan pengapian awal, yang mengarah ke knocking silinder. Bahan bakar dengan nomor oktan yang lebih tinggi lebih disukai pada motor pengapian ICES. Bahan bakar oksigenat seperti bioetanol memberikan nilai antiknock yang wajar [3]. Kelemahan bioetanol ialah pada kepadatan energi yang lebih rendah daripada bensin (tapi sekitar 35% lebih tinggi dari metanol), sifat korosi, luminositas api kecil, menurunkan tekanan uap, bercampur dengan air dan beracun [27], peningkatan emisi gas buang dari asetaldehida, dan meingkatnya tekanan uap (dan emisi uap) ketika bercampur dengan bensin. Sifat fisik dan kimia bioetanol, metanol dan bensin diberikan dalam Tabel 2 [28].

Bioetanol telah digunakan sebagai biofuel modern, diterapkan secara langsung sebagai untuk meningaktkan mutu bensin atau bensin subsisten, atau dalam bentuk ETBE (etil tersier butil eter) yang ditambahkan pemeringkat oktan dan bioetanol-diesel dicampurkan dengan tujuan untuk mengurangi emisi gas buang [29]. Bioetanol paling sering dicampur dengan bensin dngan kosentrasi bioetanol 10% dan bensin 90%, dikenal sebagai E10 dan dijuluki "gasohol". Bioetanol dapat digunakan sebagai campuran 5% dengan bensin di bawah standar kualitas Uni Eropa (UE) EN 228. Campuran ini tidak memerlukan modifikasi mesin dan memiliki standar aman untukkendaraan. Dengan modifikasi mesin, bioetanol dapat digunakan pada tingkat yang lebih tinggi, misalnya, E85 [30]. Beberapa negara telah melaksanakan program pencampuran biofuel baik bentuk campuran bensin-bioetanol seperti Amerika Serikat (E10 dan untuk bahan bakar kendaraan-FFV E85), Kanada (FFV E10 dan E85 untuk), Swedia (E5 dan FFV E85), India (E5), Australia (E10), Thailand (E10), Cina

Tabel 2

Sifat fisik dan kimia etanol, metanol dan bensin.

Gambar. 1. Pengurangan emisi gas rumah kaca, dibandingkan dengan bensin, dengan bioetanol diproduksi dari berbagai bahan baku (berdasarkan siklus hidup).

Emisi CO2 yang berkurang berarti bioetanol yang baik bagi lingkungan. Menggunakan bioetanol dicampur bahan bakar untuk mobil secara signifikan dapat mengurangi penggunaan minyak bumi dan gas buang emisi gas rumah kaca [24]. Pada siklus hidup, tidak semua biofuel memiliki dampak lingkungan yang sama. Gambar. 1 menunjukkan emisi GHG yang lebih rendah dihasilkan dihasilkan dari penggunaan biofuel dibandingkan dengan bensin berdasarkan basis siklus hidup. Seperti Gambar. 1 tunjukkan, bioetanol berbasis jagung menawarkan manfaat lebih sedikit, karena mengurangi emisi gas rumah kaca hanya 18% dibandingkan dengan bensin. Sebaliknya, bioetanol tebu dan selulosa menghasilkan emisi hampir 90% lebih rendah [31].

Keseimbangan energi bersih biomassa terhadap konversi bioetanol ialah parameter kunci yang menjelaskan minat dalam menggunakan bahan bakar bioetanol. Dari sudut pandang penilaian siklus hidup (LCA), rasio kandungan energi bioetanol untuk energi terbarukan non-bersih primer (dialokasikan untuk bioetanol) yang dikonsumsi dalam seluruh proses produksi dari produksi biomassa hingga konversi menjadi bioetanol. karena pendekatan ialah berorientasi LCA, input energi harus dihitung dalam hal energi primer [32]. Penelitian telah menunjukkan bahwa bioetanol berbasis jagung menghasilkan 20 - 30% energi lebih banyak daripada energi bahan bakar fosil. Di sisi lain, bioetanol tebu dan selulosa menghasilkan energi terbarukan sembilan kali energi fosil yang digunakan untuk menghasilkan bahan-bahan tersebut [31].

3. bahan baku bioetanol

Bioetanol dapat diproduksi dari berbagai jenis bahan baku. Bahan baku diklasifikasikan menjadi tiga kategori bahan mentah dari pertanian: sukrosa mengandung bahan baku (misalnya gula tebu, gula bit, sorgum manis dan buah-buahan) bahan pati, (misalnya jagung, milo, gandum, beras, kentang, singkong, manis kentang dan barley) dan bahan lignoselulosa (misalnya, kayu, jerami dan rumput). Dewasa ini, fokus pada produksi bioetanol dari tanaman, seperti jagung, gandum, tebu, serta pada limbah pertanian sangat berlimpah.

Salah satu masalah utama dengan produksi bioetanol adalah ketersediaan bahan baku untuk produksi. Ketersediaan bahan baku untuk bioetanol dapat bervariasi dari musim ke musim dan tergantung pada lokasi geografis. Biomassa pertanian lokal dapat juga digunakan untuk produksi bioetanol [33]. Untuk jalur produksi yang diberikan, perbandingan bahan baku meliputi beberapa hal [34]: (1) komposisi kimia dari biomassa trersebut, (2) praktek budidaya, (3) ketersediaan lahan dan praktek-praktek penggunaan lahan, (4) penggunaan sumber daya, (5) keseimbangan energi, (6) emisi gas rumah kaca, gas asam dan gas ozon, (7) penyerapan mineral untuk air dan tanah, (8) pestisida, (9) erosi tanah, (10 ) kontribusi terhadap keanekaragaman hayati dan nilai kehilangan lanskap, (11) harga biomassa di tingkat petani, (12) biaya logistik (transportasi dan penyuimpanan biomassa), nilai (13) ekonomi langsung dari bahan baku dengan mempertimbangkan produk-sampingan, (14) pembentukan atau mempertahankan pekerjaan, dan kebutuhan air (15) dan ketersediaan air.

Tabel 3

Hasil bioetanol dari tanaman baku yang berbeda.

Brasil menggunakan tebu untuk produksi bioetanol sementara Amerika Serikat dan Eropa terutama menggunakan pati dari jagung, dan dari gandum dan jelai. Tebu sebagai tanaman biofuel banayakdigunakan dalam dekade terakhir, menghasilkan bioetanol anhidrat (aditif bensin) dan bioetanol terhidrasi dengan fermentasi dan distilasi dari molase tebu dan sari [35]. Rata-rata hasil tebu Brasil sekitar 82,4 ton / ha [36]. Hasil bioetanol per hektar, saat ini sekitar 66501/ha (Tabel 3) [37]. Brasil adalah produsen terbesar dari tebu dengan sekitar 31% dari produksi global [35]. Yang berarti ada hampir 9 juta hektar ditanami tebu. Gula bit tanaman yang tumbuh di sebagian besar 25 negara Uni Eropa, dan hasil bioetanol secara substansial lebih tinggi per hektar dari gandum.

Amerika Serikat merupakan produsen bioetanol turuunan dari jagung, dan produksi terkonsentrasi di negara bagian Midwestern dengan pasokan jagung melimpah [38]. Ketersediaan bahan baku diperkirakan tidak masalah untuk produksi bioetanol pada dekade berikutnya. Jagung diharapkan tetap mendominasi di Amerika Serikat, meskipun ada kemungkinan akan menurun pada tahun 2015. produksi bioetanol berbasis Jagung di sebagian besar negara dinilai terbatas, terutama dibandingkan dengan AS. Hanya Kanada melaporkan rencana eksplisit untuk pengembangan bioetanol berbasis jagung, meskipun Cina telah menggunakan jagung sebagai bahan baku di masa lalu dan Argentina telah melihat kemungkinan jagung sebagai bahan baku biofuel di masa depan [39].

4. bahan Biomassa-lignoselulosa

 4.1. Ketersediaan bahan lignoselulosa

Harga bahan baku juga sangat rawan, yang sangat dapat mempengaruhi biaya produksi bioetanol [40]. bahan lignoselulosa dianggap murah murah dan melimpah, yang menghasilkan bioetanol dari sumber daya terbarukan dengan biaya yang terjangkau. Pada tahun 2007 Departemen Energi AS menyediakan lebih dari US $ 1 miliar untuk proyek bioetanol lignoselulosa, agar membuat harga bahan bakar menjadi kompetitif yaitu US $ 1,33 per galon pada tahun 2012 [41]. Tingkat dukungan yang diberikan oleh Uni Eropa jauh lebih sedikit, namun masih signifikan (sekitar US $ 68 juta pada 2006) [41].

Bahan lignoselulosa dapat diklasifikasikan dalam empat kelompok berdasarkan jenis sumber daya: (1) hutan residu, (2) limbah padat perkotaan, (3) limbah kertas, dan sumber daya tanaman (4) residu. Literature melaporkan beberapa pemanfaatan limbah lignoselulosa mate seperti jerami padi [42], bonggol jagung [43], switchgrass [44], ampas tebu [45], dll

Bahan lignoselulosa dapat menghasilkan sampai 442 miliar liter bioetanol per tahun [46]. Jerami padi merupakan salah satu limbah lignoselulosa yang melimpah di dunia. Jerami setiap tahunnya diproduksi sekitar 731 juta ton yang didistribusikan di Afrika (20,9 juta ton), Asia (667.600.000 ton), Eropa (3,9 juta ton), Amerika (37,2 juta ton) dan Oseania (1,7 juta ton). jumlah jerami padi ini berpotensi menghasilkan 205 miliar liter bioetanol per tahun, yang merupakan jumlah terbesar dari bahan baku biomassa tunggal [47].

4.2. struktur Kimia dan komponen dasar bahan lignoselulosa

Komposisi kimia bahan lignoselulosa merupakan faktor kunci yang mempengaruhi efisiensi produksi biofuel selama konversi. Komposisi struktural dan kimia bahan-bahan lignoselulosa sangat bervariasi karena pengaruh genetik dan lingkungan dan interaksi bahan itu[48]. komposisi kimia bahan lignoselulosa adalah 48% berat C, 6 berat.% H, dan 45 berat..% 0, materi anorganik menjadi komponen minor [49]. Perkiraan analisis jerami padi dan jerami gandum berisi komponen-komponen sebagai berikut: materi volatil (65,47%, 75,27%), karbon tetap (15,86%, 17,71%) dan abu (18,67%, 7,02%)[50].

lignoselulosa terutama terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin; komponen ini menyumbang sekitar 90% dari lignoselulosa kering, dengan sisa terdiri dari misalnya ekstraktif dan abu [51]. Struktur dasar dari semua biomassa kayu terdiri dari tiga polimer dasar: selulosa (C6H1000x, hemiselulosa seperti xilan (C5H804) m, dan lignin [C91-I1003 (0CH3) 0.9_13], dedaunan, dan Kulit. proporsi konstituen kayu ini bervariasi antar spesies, dan ada perbedaan jelas antara Selulosa kayu keras dan kayu lunak. Hemiselulosa terkandung lebih banyak dalam kayu keras (78,8%) dibandingkan kayu lunak (70,3%), tetapi lignin lebih banyak dalam kayu lunak (29,2 %) daripada kayu keras (21,7%) [52] komposisi berbagai jenis biomassa lignoselulosa diberikan dalam Tabel 4 [53].

Selulosa dan hemiselulosa, yang biasanya menyumbang dua pertiga dari materi dinding sel kering, adalah polisakarida yang dapat dihidrolisis menjadi gula dan kemudian difermentasi menjadi bioetanol. Kinerja proses, hasil Bioethanol yaitu dari biomassa, secara langsung berkaitan dengan selulosa, hemiselulosa, dan konsentrasi gula individu dalam bahan baku [54]. Lignin tidak dapat digunakan untuk produksi bioetanol.

Selulosa, komponen utama dari biomassa tanaman (30-60% total bahan baku bahan kering), adalah polimer linier dari glukosa; orientasi hubungan dan ikatan hidrogen tambahan membuat polimer kaku dan sulit untuk istirahat. Pada hidrolisis polisakarida dipecah ke molekul bebas gula dengan penambahan air [55].

Tabel 4

Komposisi berbagai jenis biomassa lignoselulosa-bahan (% berat kering).

Proses ini juga dikenal sebagai sakarifikasi. Produk yang dihasilkan ialah glukosa, gula enam karbon.

Hemiselulosa (20-40% dari total bahan baku bahan kering) adalah polimer pendek, bercabang gula lima-karbon (pentosa) dan enam-karbon (heksosa). Secara khusus, hemiselulosa berisi xilosa dan arabinose (lima karbon gula) dan galaktosa, glukosa, dan manosa (enam karbon gula). Hemiselulosa lebih mudah dihidrolisis dibandingkan dengan selulosa karena sifatnya amorf [48]. Gula lebih dominan pada hemiselulosa disbanding manosa daklam kayu lunak dan xilosa dalam kayu keras dan residu pertanian [56].

Lignin (15-25% dari total bahan baku bahan kering) adalah polimer aromatik yang disintesis dari prekursor fenilpropanoid. Unit phenylpropane kimia dasar lignin (terutama syringyl, guaiasil dan p-hidroksi fenol) terikat bersama oleh satu set rantai membentuk matriks kompleks [57]. Matriks ini terdiri dari gugus fungsional, seperti hidroksil, karbonil methoksil dan, yang memberikan polaritas tinggi untuk makromolekul lignin [58]. Lignin Kayu lunak dan kayu keras masuk pada kategori satu dan kedua. Kayu lunak umumnya mengandung lignin lebih dari kayu keras [59]. Isi lignin pada basis kering di kedua kayu lunak dan kayu keras umumnya berkisar dari 20% sampai 40% berat dan dari 10% sampai 40% berat pada spesies herba berbagai, seperti ampas tebu, tongkol jagung, kacang tanah kerang, sekam padi dan jerami [60 ]. Lig nin adalah salah satu kelemahan menggunakan biomassa lignoselulosa-mate ¬ rial dalam fermentasi, karena membuat lignoselulosa tahan terhadap degradasi kimia dan biologi [56].

5. Bioetanol dari bahan lignoselulosa melalui jalur biokimia

Konversi biokimia pada bahan lignoselulosa melalui sakarifikasi dan fermentasi merupakan jalur utama untuk produksi bioetanol dari biomassa. Biokonversi dari lignoselulosa menjadi bioetanol adalah sulit karena: (1) sifat ketahanan biomassa terhadap reaksi pemecahan, (2) berbagai gula yang dilepaskan ketika polimer hemiselulosa dan selulosa yang dipecah dan perlu menemukan organisme rekayasa khusus agar efisien dalam memfermentasi gula-gula ini; (3) biaya untuk pengumpulan dan penyimpanan bahan lignoselulosa kepadatan rendah. diagram Blok produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa diberikan dalam Gambar. 2 [61]. langkah-langkah proses dalam memproduksi bioetanol dari bahan lignoselulosa adalah: pra-perlakuan, hidrolisis, fermentasi dan produk pemisahan / destilasi.

5.1. Pra-perlakukan bahan lignoselulosa

Ketahanan lignoselulosa terhadap reaksi pemecahan adalah salah satu hambatan utama untuk produksi ekonomis bioetanol. Pendekatan teknis untuk mengatasi ketahanan pra-perlakukan alah dengan menghilangkan ketahanan itu dan membuat selulosa lebih mudah dipecah oleh enzim hidrolitik untuk konversi menjadi glukosa [62]. Tujuan pra-perlakukan pada bahan lignoselulosa digambarkan pada Gambar. 3 [63]. Jika pra-perlakukan tersebut tidak cukup efisien maka residu yangdihasilkan tak mudah dihidrolisis oleh enzim enzim selulase dan lebih parah lagi, hasilnya adalah produksi senyawa beracun yang menghambat metabolisme mikroba [64].

Pra-perlakukan telah dilihat sebagai salah satu langkah-langkah proses yang paling mahal dalam konversi biomassa untuk gula terfermentasi [65]. Ada lingkup yang besar dalam menurunkan biaya proses pra perlakukan melalui pendekatan R & D ekstensif. Pra-perlakukan biomassa selulosa dalam biaya yang efektif merupakan tantangan utama selulosa untuk penelitian dan pengembangan teknologi bioetanol [66]. Taherzadeh dan Karimi [56] telah meringkas kebutuhan untuk pra-perlakukan lignoselulosa yangideal, dengan syarat : (1) produksi serat selulosa reaktif agar mendukung reaksi enzimatik, (2) menghindari pemecahan hemiselulosa dan selulosa, (3) menghindari Pembentukan inhibitor enzim hidrolitik dan mikroorganisme fermentasi, (4) meminimalkan permintaan energi, (e) mengurangi biaya bahan baku, (5) mengurangi biaya bahan untuk konstruksi reaktor pra-perlakukan, (6) menurunkan residu yang dihasilkan, dan (7) konsumsi sedikit atau tidak ada bahan Kimia dan menggunakan bahan kimia murah. Pra-perlakukan diangap penting untuk menjam hasil akhir yang baik dari gula dari kedua polisakarida. Hidrolisis tanpa sebelumnya memakai pra-perlakukan biasanya <20%, sedangkan hasil setelah pra-perlakukan sering melebihi 90% [55].

Gambar. 2. blok diagram produksi bioetanol dari biomassa lignoselulosa. reaksi integrasi ditampilkan di dalam kotak yang diarsir: SSF - sakarifikasi dan fermentasi simultan; SSFC - sakarifikasi dan co-fermentasi simultan. Komponen arus utama adalah: C - selulosa; H - hemiselulosa; L - lignin; G - glukosa; P - pentosa: I - inhibitor; EtOH – etanol.

Gambar. 3. Skema tujuan pra-perlakukan pada bahan lignoselulosa [63].

Fisik (penggilingan dan grinding), fisiko-kimia (uap eksplosif/autohydrolysis, hydrothermolysis, dan oksidasi basah), proses Kimia (alkali, asam encer, oksidator, dan pelarut organik), dan biologi telah digunakan untuk pra-perlakukan lignoselulosa bahan baku. Namun, tidak semua metode ini berkembang layak secara teknis atau ekonomis untuk skala besar. Sebagai contoh, penggilingan bisa diterapkan untuk membuat eksposif uap yang lebih baik dengan mengurangi ukuran pabrik [67]. Keuntungan dan kelemahan proses pra-perlakukan berbagai bahan lignoselulosa dirangkum dalam Tabel 5 [68]. Banyak peneliti telah menyelidiki efek dari metode pra-perlakukan bahan lignoselulosa yang berbeda pada berbagai seperti brangkasan jagung [69], jerami gandum [70], switchgrass [71], jerami padi [72], dan sugarcane [73].

5.1.1. pra-perlakukan Fisik

5.1.1.1. Kominusi mekanik. Bahan lignoselulosa dapat dilakukan dengan oleh kombinasi chipping, penggilingan, dan penggilingan untuk mengurangi kristalinitas selulosa. Ukuran bahan biasanya 10-30 mm setelah chipping dan 0,2-2 mm setelah penggilingan atau grinding [68,74,75]. Penggilingan bola getaran ditemukan lebih efektif daripada penggilingan bola biasa dalam mengurangi kristalinitas selulosa pohon cemara dan aspen dan chip dalam meningkatkan kecernaan mereka [68,76]. persyaratan daya penumbukan mekanik tergantung pada ukuran partikel akhir dan karakteristik biomassa [77]. Kebutuhan daya meningkat dengan cepat dengan ukuran partikel menurun, seperti ditunjukkan pada Gambar. 4 [78]. Kebutuhan energi dari penumbukan mekanik dianggap sebagai tinggi untuk kayu keras, yang mengkonsumsi 130 kW h / ton untuk mengurangi ukuran partikel untuk 1,6 mm. Untuk mengurangi ukuran brangkasan jagung dengan penumbukan mekanis 1,6 mm dimana energi yang jauh lebih sedikit, hanya memakan 14 kW h / ton [79]. Teknik-teknik pra-perlakukan mekanik memakan waktu, energi intensif, atau mahal untuk proses. Penggilingan kompresi ternyata proses penumbukan satunya yang telah diuji menggunakan alat skala produksi [80].

5.1.1.2. Pirolisis.

Pirolisis juga telah digunakan untuk pra-perlakukan bahan ligno-selulosa, karena biomassa dapat digunakan sebagai substrat untuk pirolisis cepat untuk konversi termal dari selulosa dan hemiselulosa menjadi gula difermentasi dengan hasil yang baik [81]. Ketika bahan tanah selulosa diperlakukan pada suhu lebih besar dari 573 K, selulosa cepat terurai untuk menghasilkan produk gas dan sisa char [74,82]. Pirolisis pra-perlakukan sebelum hidrolisis ensimatik dari tiga bahan limbah selulosa (kertas kantor, koran dan kardus) diperiksa oleh Leustean [75]. Tabel 6 menunjukkan setelah perawatan dan hidrolisis enzimatik dengan pengurangan konsentrasi gula ¬ ing. Pra-perlakukan pirolisis bahan tanah meningkatkan konversi selulosa untuk menghasilkan glukosa dari hidrolisis enzimatik [75].

5.1.2. Fisiko-kimia pra-perlakukan

5.1.2.1. ledakan Uap (autohydrolysis). Ledakan uap adalah metode yang paling umum digunakan untuk pra-perlakukan bahan lignoselulosa[78]. Untuk meringkas efek perlakukan uap ledakan di lignoselulosa dilaporkan dalam literatur [83]: (1) pengobatan ledakan uap meningkatkan kristalinitas selulosa dengan mempromosikan kristalisasi dari bagian amorf; (2) hemiselulosa mudah dihidrolisis oleh pengobatan ledakan uap; (3) ada bukti bahwa ledakan uap mempromosikan delignifikasi. Dalam metode ini, biomassa retak diperlakukan dengan tekanan tinggi uap jenuh dan kemudian tekanan cepat berkurang, yang membuat bahan peledak menjalani dekomposisi.

Uap ledakan, dibandingkan dengan metode pra-perlakukan lainnya, menawarkan potensi untuk investasi modal yang lebih rendah, dampak lingkungan secara signifikan lebih rendah, lebih potensial untuk efisiensi energi, bahan kimia proses kurang berbahaya dan kondisi dan pemulihan gula lengkap [81]. Metode mekanis konvensional membutuhkan energi 70% lebih dari ledakan uap untuk mencapai ukuran yang sama pengurangan ¬[68,74,84]. Ledakan uap dianggap pilihan efektivitas ¬ tive biaya yang paling untuk kayu keras dan residu pertanian, tetapi kurang efektif untuk kayu lunak [84]. Faktor terpenting yang mempengaruhi efektivitas keefektifan ¬ ledakan uap ukuran partikel, suhu dan waktu reresidensi dan efek gabungan dari kedua suhu dan waktu dijelaskan oleh faktor keparahan (R0), yang optimal untuk menghasilkan gula maksimum antara 3,0 dan 4,5 [ 81]. Ledakan uap dimulai pada suhu 433-533 K dengan tekanan yang sesuai, 0,69-4,83 MPa selama beberapa detik hingga beberapa menit sebelum bahan-bahan masuk ke mesin pendinginan [85].

 Tabel 5

Keuntungan dan kerugian dari proses pra-perlakukan berbagai bahan lignoselulosa.

Gambar. 4. persyaratan Energi untuk penggilingan limbah padat perkotaan.

Ledakan uap tanpa katalis mengacu pada teknologi pra-perlakukan di mana biomassa lignoselulosa dengan cepat dipanaskan dengan uap tekanan tinggi tanpa penambahan bahan kimia apapun. Campuran biomassa / uap diadakan untuk periode waktu untuk hidrolisis, dan diakhiri dengan dekompresi eksplosif [86]. Negro et al. [87] mempelajari ledakan uap dan metode air cair panas untuk pra-perlakukan poplar (Populus nigra) biomassa. Hasil terbaik diperoleh dalam pra-perlakukan uap ledakan di 483 K dan 4 menit, dengan pemulihan account selulosa diatas 95%, hasil hidrolisis enzimatik dari sekitar 60%, dan 41% pemulihan xilosa dalam fraksi cair. Penambahan H2SO4 (atau SO2) atau CO2 [biasanya 0,3-3% (b / b)] dalam ledakan uap dapat mengurangi waktu dan suhu, efektif meningkatkan hidrolisis, penurunan produksi senyawa hambat, dan mengarah untuk menyelesaikan penghapusan hemiselulosa [68]. H2SO4 adalah katalis kuat bahwa sangat meningkatkan penghapusan hemiselulosa tetapi juga mudah menghasilkan sub penghambatan

Tabel 6. bahan selulosa pirolisis [75].

Ballesteros dkk. [89] menggunakan asam dikatalisis ledakan uap pra-perlakukan jerami gandum untuk produksi bioetanol dengan memvariasikan suhu (433-473 K), waktu tinggal (5, 10 atau 20 menit) dan konsentrasi asam [H2SO4 0,9% (b / b )]. Menurut hasil penelitian ini, kondisi pra-perlakukan terbaik untuk memperoleh hasil konversi yang tinggi untuk bioetanol (sekitar 80% dari teori) selulosa kaya residu setelah ledakan uap 463 K dan 10 menit atau 473 K dan 5 menit, dalam asam -diresapi jerami. Menggunakan proses katalis H2SO4-ledakan uap untuk pra-perlakukan chip Salix, pada 473 K untuk baik 4 atau 8 menit menggunakan asam sulfat 0,5%, menghasilkan pemulihan glukosa sekitar 92% dan 86% xilosa hidrolisa enzimatik pemulihan setelah [90]. SO2 tampil lebih menarik daripada H2SO4 dalam ledakan uap sejak mantan membutuhkan bahan reaktor ringan dan jauh lebih murah, menghasilkan kurang gipsum, menghasilkan lebih xilosa, dan menghasilkan substrat dicerna lebih dengan fermentability tinggi [76]. Perlakukan dapat dilakukan oleh 1 4% SO2 (b / b substrat) pada suhu tinggi, misalnya 433-503 K, untuk jangka waktu misalnya 10 min [56]. Kelemahan utama dari SO2 adalah toksisitas yang tinggi, yang dapat menimbulkan risiko keselamatan dan kesehatan. Namun, SO2 digunakan dalam berbagai industri proses menggunakan teknologi didirikan ¬ tehnik [91].

Dua-langkah pra-perlakukan telah disarankan dalam beberapa penelitian sebagai sarana meningkatkan pemulihan gula [92,93]. Pada langkah pertama, uap dilakukan dengan menggunakan suhu rendah untuk melarutkan hemicellu

5.1.2.2. ledakan serat Amonia. ledakan serat Amonia (AFEX) adalah salah satu proses pra-perlakukan fisiko-kimia alkali. Dalam proses ini, bahan yang dikenakan amonia cair pada suhu tinggi dan tekanan, dan dekompresi yang cepat berikutnya, mirip dengan ledakan uap, yang menyebabkan sakarifikasi bahan lignoselulosa [94]. Dalam proses AFEX, dosis amonia cair adalah 1-2 kg amonia / kg biomassa kering, suhu 363 K, dan waktu tinggal 30 menit [68,74]. Parameter yang efektif dalam proses loading AFEX adalah amonia, suhu, pemuatan air, tekanan blowdown, waktu, dan jumlah perawatan [56]. Sistem ini tidak secara langsung membebaskan gula, namun memungkinkan polimer (hemiselulosa dan cel-lulose) untuk dapat diserang secara enzimatik dan berkurang menjadi gula [95]. Pra-perlakukan AFEX menghasilkan tingkat hidrolisis optimal untuk lignoselulosa pra -perlakukan dengan dengan hasil teoritis pada beban enzim yang rendah (<5 FPU / g biomassa atau 20 FPU / g selulosa) [86].

pra-perlakukan AFEX telah ditunjukkan untuk meningkatkan sakarifikasi tanaman dan rumput [78]. Juga telah diterapkan untuk berbagai bahan lignoselulosa, termasuk jerami padi, limbah padat kota, koran, pulp gula bit, ampas tebu tebu, jagung bonggol, switchgrass, miskantus, apsen chip, dll [76]. Kondisi optimal untuk pra –perlakukan switchgrass dengan AFEX dilaporkan oleh Alizadeh dkk. [96]. Kondisi pra-perlakukan yang optimal ditemukan berada di dekat reaktor temperatur 373 K, dan pemuatan amonia 1 kg amonia per kilogram bahan kering dengan kadar air 80% (basis berat kering) pada waktu tinggal 5 menit. Kondisi ini menghasilkan peningkatan enam kali lipat dalam efisiensi hidrolisis. Teymouri dkk. [97] mengevaluasi kondisi proses yang optimal untuk pra-pelakuan bonggol jagung. Kondisi pra-perlakukan yang optimal ditemukan pada suhu 373 K, memuat amonia 1 kg amonia per kilogram bahan kering, kadar air 60% (basis berat kering), dan waktu tinggal 5 menit. Tunggu, bila ¬ kira 98% dari hasil teoritis glukosa diperoleh selama hidrolisa enzimatik jagung bonggol yang optimal diobati dengan menggunakan 60 unit kertas filter (FPU) dari enzim selulase / g glukan (sama dengan 22 FPU / g jagung kering bonggol). Hasil bioetanol dari sampel ini meningkat hingga 2,2 kali atas bahwa sampel yang tidak diobati. Komposisi bahan setelah pra-perlakukan AFEX adalah intinya sama dengan bahan asli [74]. Holtzapple dkk. [98] memperoleh lebih dari 90% dari hidrolisis selulosa dan hemiselulosa setelah pra-perlakukan AFEX untuk rumput (sekitar 5% Lignin) dan bagases (15 lignin%). AFEX bekerja hanya cukup dan tidak menarik biomassa dengan kandungan lignin yang tinggi. Konten lignin pada rumput (15-20%) relatif rendah bila dibandingkan dengan kayu keras dan kayu lunak (20-35%) [98]. Ini bisa menjadi salah satu alasan utama yang rumput dapat lebih mudah dicerna dibandingkan dengan kayu keras AFEX berikut pra-perlakukan AFEX [99]. Amonia harus didaur ulang setelah pra-perlakukan untuk mengurangi biaya dan melindungi lingkungan [56]. Sebuah pendekatan yang mungkin adalah untuk re-cover amonia setelah pra-perlakukan oleh penguapan [100].

5.1.2.3. Cairan air panas pra-perlakukan. Memasak bahan lignoselulosa dalam air panas cair (LHW) adalah salah satu metode pra-perlakukan hidrotermal diterapkan untuk pra-perlakukan bahan lignoselulosa sejak beberapa dekade yang lalu di misalnya industri pulp [56]. LHW subyek biomassa untuk air panas di negara bagian cair pada tekanan tinggi selama periode tertentu dan menyajikan tingkat pemulihan tinggi untuk pentosa dan menghasilkan jumlah rendah inhibitor [81]. Proses ¬ pra perlakukan biasanya telah melibatkan suhu 473 -

503 K sampai 15 menit. Sekitar 40-60% dari massa total diselesaikan dalam proses ini, dengan 4-22% dari selulosa, 35-60% dari lignin dan hemiselulosa semua yang dihapus [101]. Jika pH dipertahankan antara 4 dan 7, degradasi gula monosakarida dapat diminimalkan [102].

5.1.3. pra-perlakukan Kimia

5.1.3.1. Ozonolysis. Ozonolysis melibatkan menggunakan gas ozon untuk memecah lignin dan hemiselulosa dan meningkatkan biodegradasi selulosa. Pra-perlakukan ini biasanya dilakukan pada suhu kamar dan efektif menghilangkan lignin tanpa mmebenutk produk beracun [103]. Ozonisasi telah banyak digunakan untuk mengurangi kandungan lignin baik limbah pertanian dan kehutanan [104]. Ozonolysis telah terbukti memecah 49% lignin dalam batang jagung dan 55-59% lignin pada autohydrolyzed (hemiselulosa gratis) batang jagung [105]. Dalam sebuah penelitian [106], gandum dan gandum yang sedotan pretreated dengan ozon untuk meningkatkan tingkat hidrolisis enzimatik gula berpotensi difermentasi. Hasil hidrolisis enzimatik hingga 88,6% dan 57% diperoleh dibandingkan dengan 29% dan 16% non-ozonated gandum dan jerami gandum masing-masing. Sebuah kelemahan dari ozonolysis adalah bahwa sejumlah besar ozon diperlukan, yang dapat membuat proses yang mahal [68].

5.1.3.2. Alkaline pra-perlakukan. Pra-perlakukan Alkali mengacu pada penerapan larutan alkali untuk menghilangkan lignin dan berbagai asam uronik pada hemiselulosa yang menurunkan aksesibilitas enzim terhadap hemiselulosa dan selulosa [107.108]. proses ini memanfaatkan suhu yang lebih rendah dan tekanan dibandingkan dengan teknologi pra-perlakukan lainnya. Pra-perlakukan alkali dapat dilakukan pada kondisi kamar, tapi waktu pra-perlakukan diukur dalam hal jam atau hari bukan menit atau detik [86]. Apapun keuntungan, metode ini memunculkan kesulitan dari sudut pandang ekonomi bahan bakar [94]. Natrium, kalium, kalsium dan amonium hidroksida adalah bahan kimia yang sesuai untuk pra-perlakukan. Dari keempatnya, NaOH telah paling banyak dipelajari [68]. NaOH dari biomassa lignoselulosa menyebabkan swelling, yang menyebabkan peningkatan luas permukaan internal, penurunan kristalinitas, pemisahan hubungan struktural antara lignin dan karbohidrat, dan gangguan struktur lignin mendatang [109]. Millet dkk. [110] melaporkan bahwa kecernaan NaOH-diperlakukan kayu keras meningkat dari 14% sampai 55% dengan lipatan ¬ de konten lignin dari 24% -55% menjadi 20%. Namun, tidak ada efek perlakuan awal NaOH encer ditemukan untuk kayu lunak dengan konten lignin lebih besar dari 26%. Silverstein et al. [107] melaporkan> 65% pengurangan Lignin di tangkai kapas diperlakukan dengan NaOH 2% selama 90 menit pada 394K/15 psi. Selulase yang dihasilkan oleh Bacillus subtilis untuk charification kantung-dari jerami gandum, jerami padi dan ampas tebu digunakan oleh Akhtar dkk. [111]. Pra-perlakukan ini substrat dengan NaOH 2% ditemukan lebih efektif untuk meningkatkan kation ¬ saccharifi. Tingkat sakarifikasi dari 33,0%, 25,5% dan 35,5% diperoleh dengan 2% NaOH pretreated jerami gandum, jerami padi dan ba-Gasse, masing-masing. Dalam sebuah studi [112], kombinasi NaOH perlakukan yang dan homogenisasi digunakan sebagai pra-perlakukan untuk meningkatkan hidrolisis enzimatik bonggol jagung. Hasil glukosa tertinggi (6,25 g / l) diperoleh ketika bonggol jagung itu pretreated oleh kombinasi perlakukan 1,0 N NaOH dan homogenisasi (Gambar 5).

Kapur (Ca (OH) 2) dibandingkan dengan NaOH dan KOH telah menelan biaya lebih rendah dan persyaratan keselamatan kurang signifikan. Hal ini dapat pulih dari hidrolisat oleh reaksi dengan CO2, sehingga terbentuk karbonat kemudian dapat dikonversi ke kapur [113]. Untuk membuat kapur seefisien alkali lainnya dalam meningkatkan kecernaan lignoselulosa, pra-perlakukan semiranya kondisi yang sepatutnya perlu dimanfaatkan [114]. Kapur, air, dan agen pengoksidasi (udara atau 02) dicampur dengan biomassa pada suhu berkisar 313-423 K untuk periode dari bebrapa jam hngga minggu [115]. Dua jenis perlakukan kapur telah dieksplorasi: (1) jangka pendek dan (2) jangka panjang. Jangka pendek pra-perlakukan kapur melibatkan perebusan biomassa dengan pemberian kapur0,1 g Ca (OH) 2 / g biomassa kering pada suhu 358-408 selama 13 jam [116]. Jangka panjang melibatkan pra-perlakukan menggunakan pencampuran kapur yang sama pada suhu yang lebih rendah (313-328 K) selama 4-6 minggu di udara terbuka [116]. Kapur telah digunakan untuk prar-perlakukan switchgrass (373 K untuk 2 jam) [117], jerami gandum (394 K untuk 1 jam) [118], bonggol jagung (373 K untuk 13 h) [119], dan kayu poplar (423 K selama 6 jam dengan 14-atm oksigen) [120]. Saha dan Cotta [118] maksimum diperoleh berkadar gula total (451 ± 3mg g-1 jerami; glukosa, 252 ± 6 mg, xilosa, 173 ± 3 mg; arabinosa, 27 ± 2 mg; 65% konversi) dengan pra-perlakukan kapur (100mg g-1 jerami, 394 K, 1 jam). Para penulis juga meneliti efek pH (3,5-6,5) dan suhu (K 298-343) pada hidrolisis enzy-matic dari jerami gandum pretreated kapur (8,6%, w / v) dengan menggunakan kombinasi tiga enzim (selulosa, / 3-glukosidase, dan hemi-selulase), masing-masing enzim pada tingkat dosis 0,05 g substrat-1 ml. Gambar. 6 menunjukkan pengaruh pH dan suhu pada hidrolisis enzimatik dari jerami gandum kapur pra-perawatan.

Gambar. 5. Pengaruh konsentrasi NaOH pada hidrolisis enzimatik bonggol jagung pretreated oleh perlakukan NaOH gabungan dan homogenisasi (bahan baku = 2 mm bonggol jagung, kondisi perlakuan awal NaOH = perlakukan + homogenisasi kondisi hidrolisis = 20 GCU selulosa / g substrat pada 323 K, PH 4,8).

Peroksida alkali salah satu metode pra-perlakukan efektif yang dapat meningkatkan hidrolisis enzimatik dengan delignifikasi dari nocellulosic Lig-bahan. Dalam metode ini, lignocelluloses direndam dalam air pH disesuaikan (misalnya untuk menggunakan NaOH pH 11-12) mengandung H202 pada suhu kamar untuk jangka waktu tertentu (misalnya 6-24 h) [56].

5.1.3.3. Pra-perlakukan asam. Pra-perlakukans asam biasanya bertujuan untuk hasil yang tinggi gula dari bahan lignoselulosa. pra-perlakukan asam melibatkan penggunaan sulfat, nitrat, atau asam klorida untuk kembali bergerak ¬ komponen hemiselulosa dan selulosa mengekspos untuk pencernaan enzimatik [107]. Pra-perlakukan asam dapat beroperasi baik di bawah suhu tinggi dan konsentrasi asam rendah (encer pra-perlakukan asam) atau di bawah suhu rendah dan konsentrasi asam tinggi (pra-perlakukan asam pekat) [56]. Hidrolisis asam encer telah berhasil dikembangkan untuk pra-perlakukan bahan lignoselulosa. Pra-perlakukan asam encer bekerja cukup baik pada bahan baku pertanian, seperti bonggol jagung dan padi / jerami gandum [62]. Sementara pra-perlakukan asam encer diketahui meningkatkan hidrolisis enzimatik, dimana biayanya relatif tinggi dibandingkan dengan pra-perlakukan fisiko-kimia [44]. Metode pra-perlakukan memberikan laju reaksi yang tinggi dan secara signifikan meningkatkan hidrolisis selulosa [47]. Ada terutama dua jenis pra perlakukan asam encer: loading padatan rendah (5-10% [b / b]), suhu tinggi (T> 433 K), proses aliran berkelanjutan dan padatan tinggi

Gambar. 6. (A) Pengaruh pH terhadap hidrolisis enzimatik dari prar-perlakuan jerami gandum kapur pada 318 K dan (B) pengaruh temperatur pada hidrolisis enzimatik dari jerami gandum pra-perlakuan loading (10-40% [b / b]), suhu yang lebih rendah (T <433 K), proses batch [121]. Secara umum, suhu yang lebih tinggi dan waktu pra-perlakukan reaktor yang lebih pendek menghasilkan xilosa larut air yanglebih tinggi dan digestibilitas selulosa enzimatik lebih tinggi. Suhu pra-perlakukan asam encer yanglebih telah terbukti meningkatkan kecernaan selulosa untuk residu pra-perlakuan [122]. Tergantung pada substrat dan kondisi yang digunakan, antara 80% dan 95% dari gula hemiselulosa dapat dipulihkan oleh pra-perlakukan asam encer dari bahan lignoselulosa [47123124]. Silverstein et al. [107] melaporkan pengurangan 95% pada xilan tangkai kapas diobati dengan 2% H2SO4 selama 90 menit pada 394 K/15 psi menggunakan kapur pada pH 5.0. Hasil gula total pada: (a) 6, (b) 24, dan (c) 72 jam 11181.

Dalam beberapa tahun terakhir, perlakukan biomassa lignoselulosa dengan asam sulfat encer telah digunakan sebagai alat hidrolisis hemiselulosa dan pra-perlakukan untuk hidrolisis enzimatik dari selulosa [125]. Asam sulfat pada konsentrasi di bawah 4% berat,. Ialah yang paling menarik karena murah dan efektif [68]. Pra-perlakukan asam sulfat encer (0,2-2,0% asam sulfat, 394-493 K) dari lignoselulosa memiliki tiga fungsi penting dalam proses konversi [121]: (1) hidrolisis komponen hemiselulosa untuk menghasilkan sirup gula monomer, (2) paparan dari selulosa untuk pencernaan enzimatik dengan menghilangkan hemiselulosa dan bagian dari lignin, dan (3) solubilisasi logam berat yang dapat mencemari bahan baku. Terlepas dari manfaat ini, asam sulfat memiliki beberapa kelemahan penting [76]: (1) korosi terhadadap bahan mahal konstruksi, (2) asam pra-hidrolisis harus dinetralisir sebelum gula diproses untuk fermentasi, ( 3) gipsum memiliki karakteristik bermasalah ketika dinetralkan dengan kalsium hidroksida, (4) pembentukan produk degradasi dan pelepasan inhibitor fermentasi biomassa alami karakteristik lain dari pra-perlakukan asam, (5) pembuangan garam netralisasi diperlukan, dan ( 6) pengurangan ukuran partikel biomassa diperlukan.

5.1.4. Pra-perlakukan Biologi

Pra-perlakukan biologis melibatkan mikroorganisme seperti cokelat, jamur pembusuk yang digunakan untuk mendegradasi lignin dan hemiselulosa. pra-perlakukan biologis jamur pembusuk bintik putih ialah yang paling efektif untuk lignoselulosa [56,68,74]. Lee et al. [126] mengevaluasi pra-perlakukan biologi pinus merah Jepang (Pinus densiflora) menggunakan tiga jamur bintik putih (Ceriporia lacerata, Stereum hirsutum, dan Polyporus brumalis). pra-perlakukan dengan S. hirsutum mengakibatkan degradasi lignin daripada komponen holoselulosa. Keuntungan dari pra-perlakukan biologi ialah energi yang digunakan ialah rendah dan kondisi lingkungan yang gampang. Namun, tingkat hidrolisis dalam proses pra-perlakukan biologis sangat rendah [74].

5.2. teknik hidrolisis

Polimer karbohidrat dalam bahan lignoselulosa perlu dikonversi menjadi gula sederhana sebelum fermentasi, melalui proses hidrolisis [127]. Berbagai metode hidrolisis bahan lignoselulosa baru saja dijelaskan. Metode yang paling umum diterapkan dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok: hidrolisis Kimia (hidrolisis asam encer dan pekat) dan hidrolisis enzim. Ada beberapa metode hidrolisis lain di mana tidak ada bahan kimia atau enzim diterapkan. Misalnya, lignoselulosa dihidrolisa dengan sinar gamma atau iradiasi elektron-beam, atau iradiasi microwave. Namun, proses tersebut tak menguntungkan secara komersil.

Beberapa produk dapat dihasilkan dari hidrolisis bahan lignoselulosa (Gambar 7) [59]. Ketika hemiselulosa yang dihidrolisis untuk menjadi xylosa, manosa, asam asetat, galaktosa, maka glukosa akan dihaislkan. Aplikasi utama dari xilosa adalah biokonversi untuk xylitol, pemanis fungsional dengan sifat teknologi yang penting [128]. Hidrolisis hemiselulosa dapat digeneralisasi sebagai

Hemiselulosa à xilan à xylosa à furfural (1)

gugus Asetil à Asam asetat (2)

Degradasi xilan menghasikan delapan produk utama: air, metanol, format, asetat, dan asam propionat, hidroksi-1-propanon, hidroksi-1-butanone dan 2-furfuraldeyde [129] Di bawah suhu dan tekanan tinggi xilosa terdegradasi lebih lanjut menjadi furfural [130]. Demikian pula, 5-hydroxymetil furfural (HMF) terbentuk dari degradasi heksosa [131]. Selulosa dihidrolisis menjadi glukosa. Reaksi dibawah ini ialah hidrolisis selulosa:

Selulosa à Glucanà Glukosa

Produk penguraian (3)

Gambar. 7. Produk degradasi utama terjadi selama hidrolisis bahan lignoselulosa.

5.2.1. hidrolisis Kimia

Hidrolisis kimia melibatkan paparan lignoselulosa untuk bahan kimia untuk jangka waktu dan suhu tertentu, dan menghasilkan monomer gula dari selulosa dan hemiselulosa polimer [127]. Pada hidrolisis kimia, pra-perlakukan dan hidrolisis dapat dilakukan dalam satu langkah. Asam sering digunakan dalam hidrolisis kimia [127]. Ada dua jenis proses hidrolisis asam: asam encer dan asam pekat, masing-masing dengan variasi.

5.2.1.1. Hidrolisis asam encer. Hidrolisis asam encer adalah teknologi tertua untuk mengkonversi biomassa selulosa untuk bioetanol. Proses ini dilakukan di bawah suhu tinggi dan tekanan, dan memiliki waktu reaksi dalam kisaran detik atau menit, yang memudahkan pengolahan kontinu. Proses asam encer melibatkan pemecahan dari konsentrasi 1% H2SO4 dalam reaktor aliran kontinu pada suhu tinggi (sekitar 488 K). Kebanyakan proses asam encer dibatasi untuk efisiensi pemulihan gula sekitar 50%

[132]. Kombinasi asam dan suhu dan tekanan tinggi akan menentukan bahan reaktor, yang dapat membuat reaktor menjadi mahal. Reaksi pertama mengubah bahan selulosa menjadi gula dan reaksi kedua mengubah gula menjadi bahan kimia lainnya. Sayangnya, kondisi yang menyebabkan reaksi pertama terjadi juga kondisi yang tepat untuk yang kedua terjadi [53].

Hidrolisis asam encer terjadi dalam dua-tahap untuk perbedaan antara hemiselulosa dan selulosa. Tahap pertama dilakukan pada suhu rendah untuk memaksimalkan hasil dari hemiselulosa, dan tahap, suhu kedua lebih tinggi dioptimalkan untuk hidrolisis selulosa bagian dari bahan baku

[133]. Tahap pertama dilakukan di bawah kondisi ringan (misalnya 0,7% H2SO4, 463 K) untuk mendapatkan lima karbon gula, sedangkan tahap kedua hanya padatan tersisa dengan ketahanan selulosa mengalami kondisi yang lebih keras (488 K, tetapi lebih ringan 0,4% H2SO4) untuk memulihkan karbon enam gula [55]. Hasil eksperimen modern untuk proses asam dua-tahap (3 menit per tahap) adalah 89% untuk mannose, 82% untuk galaktosa, tetapi hanya 50% untuk glukosa dengan glutathione-duduk seenak-enaknya untuk konversi bioetanol yang 90% dari teoritis [102]. skema untuk hidrolisis asam encer diberikan pada Gambar. 8. Tantangan utama untuk proses hidrolisis asam encer adalah bagaimana untuk meningkatkan hasil glukosa yang lebih tinggi dari 70% dalam proses yang layak sambil mempertahankan tingkat hidrolisis selulosa dan kehilangan glukosa dengan meminimalkan dekomposisi. Untuk proses berkelanjutan, untuk memungkinkan pene trasi asam yang memadai, bahan baku juga harus dikurangi ukurannya sehingga dimensi partikel akan maksimum dalam kisaran beberapa milimeter [132].

5.2.1.2. Konsentrat hidrolisis asam. Proses ini melibatkan asam (encer atau terkonsentrasi) pra-perlakukan untuk menghasilkan gula hemiselulosa sementara tahap berikutnya membutuhkan biomassa yang akan dikeringkan diikuti dengan penambahan asam sulfat pekat (70 ¬ 90%) [102]. Konsentrasi asam yang digunakan dalam hidrolisis asam pekat proses dalam kisaran 10-30% [134]. Waktu reaksi biasanya lebih lama daripada proses asam encer. Proses ini menyediakan konversi lengkap dan cepat selulosa menjadi glukosa dan hemiselulosa sampai lima karbon gula dengan sedikit penurunan. Faktor-faktor kritis yang diperlukan untuk membuat proses ini ekonomi melalui ¬ bel adalah untuk mengoptimalkan pemulihan gula dan biaya efektif pulih asam untuk daur ulang [135].

Dibandingkan dengan hidrolisis asam encer, hidrolisis asam pekat menyebabkan degradasi sedikit gula dan memberikan hasil gula mendekati 100% [136]. Tabel 7 menunjukkan hasil bioetanol melalui hidrolisis asam pekat sulfat dari batang jagung. Proses asam kosentrat menawarkan lebih potensi untuk pengurangan biaya dari proses asam encer. Masalah Namun, lingkungan dan korosi dan tingginya biaya konsumsi asam dan pemulihan menghasilkan hambatan utama untuk keberhasilan ekonomi [136].

 Gambar. 8. Hidrolisis asam encer (tahap pertama dan dua-tahap) dan fermentasi terpisah dari pentosa dan heksosa gula [66].

5.2.2. Hidrolisis enzimatik

Hidrolisis asam memiliki kelemahan utama dimana gula dikonversi ke produk degradasi seperti ter. Degradasi ini dapat dicegah dengan menggunakan enzim konversi selektif 100% selulosa menjadi glukosa. Ketika hidrolisis dikatalisis oleh enzim, proses ini dikenal sebagai hidrolisis enzimatik [137]. hidrolisis bahan lignoselulosa adalah proses yang sangat lambat karena hidrolisis selulosa terhalang oleh parameter struktural dari substrat, seperti lignin dan hemiselulosa, area permukaan, dan kristalinitas selulosa [138]. biaya hidrolisis enzimatik cukup rendah dibandingkan dengan hidrolisis asam atau alkali karena hidrolisis enzim biasanya dilakukan pada kondisi (pH 4,8) dan suhu ringan (318-323 K) dan tidak memiliki masalah korosi [74]. Hidrolisis enzimatik memiliki hasil yang tinggi saat ini (75-85%) dan perbaikan masih diproyeksikan (85 - 95%)[55]. Perbandingan kondisi proses dan kinerja dari tiga proses hidrolisis selulosa diberikan dalam Tabel 8. Hidrolisis enzimatik adalah alternatif ramah lingkugan yang melibatkan penggunaan enzim degradasi karbohidrat (selulase dan hemicellulases) untuk menghidrolisis lignoselulosa menjadi gula fermentasi [44].

5.2.2.1. hidrolisis Enzimatik selulosa. Selulosa biasanya dihidrolisis oleh enzim yang disebut selulase. Enzim ini diproduksi oleh beberapa mikroorganisme, biasanya oleh bakteri dan fungi. Mikroorganisme ini bersifat aerobik atau anaerobik, mesofilik atau termofilik. Bakteri sussu Clostridium, Cellulomonas,

Tabel 7

Hasil bioetanol melalui hidrolisis asam sulfat pekat dari batang jagung

Bacillus, Thermomonospora, Ruminococcus, Bacteriodes, Erwinia, Acetovibrio, Microbispora, dan Streptomyces dapat menghasilkan selulase efektif [74]. Jamur Sclerotium rolfsii seperti, P. chrysosporium dan spesies Trichoderma, Aspergillus, Schizophyllum dan Penicilium digunakan untuk memproduksi selulase [139]. Mutan strain Tricho sp. (T. viride, T. reesei, T. longibrachiatum) telah lama dianggap sebagai perusak paling produktif dan kuat dari selulosa kristalin [140]. Produk komersial dari berbagai isolat T. reesei telah tersedia untuk waktu yang lama dalam makanan sereal, industri pembuatan bir, buah dan sayuran pengolahan dan juga telah banyak dievaluasi dan diterapkan dalam kaitannya dengan proses produksi bioetanol jumlah tinggi hingga 100 g [141].

Selulase adalah sekelompok enzim yang menghidrolisis selulosa secara sinergis (Gambar 9) [142]. Mekanisme diterima secara luas untuk hidrolisis enzymatic selulosa melibatkan tindakan sinergis oleh endoglucanses (EG, endo-1, 4 -. (3-o-glucanases, atau EC 3.2.1.3), exoglucanases atau cellobiohydrolases (CHB, 1,4 -.] 3-D-glukan cellobiohydrolases, atau EC 3.2.1.91), dan [3-glucosidases (BGL, cellobiases atau EC 3.2.1.21) EG menghidrolisis diakses intramolekular 13-1,4-glucosidic ikatan rantai selulosa secara acak. menghasilkan ujung rantai baru; CHB rantai selulosa membelah pada ujungnya untuk melepaskan cellobiose atau glukosa, dan BGL cellobiose menghidrolisis menjadi glukosa dalam rangka untuk menghilangkan penghambatan cellobiose [143] BGL menyelesaikan proses hydrolisis dengan menjadi katalis bagi hidrolisis cellobiose menjadi glukosa. Pemberian suplemen / glukosidase 3-dalam hidrolisis diperlukan karena jumlah cukup dari T reesei, untuk mencegah penghambatan selulase yang dihasilkan dari akumulasi cellobiose [114]. Selama hidrolisis cellulose, karakteristik substrat padat bervariasi, termasuk : (1) perubahan jumlah rantai selulosa yang dihasilkan dari EG dan konsumsi oleh CHB dan (2) perubahan dalam aksesibilitas selulosa yang dihasilkan dari konsumsi substrat dan fragmentasi selulosa [143].

Ada berbagai faktor yang mempengaruhi hidrolisis enzimatik selulosa, yaitu, substrat, aktivitas selulase, kondisi reaksi (suhu, pH serta parameter lainnya), dan penghambatan produk yang kuat. Untuk meningkatkan hasil dan tingkat hidrolisis enzimatik, penelitian telah difokuskan pada mengoptimalkan proses hidrolisis dan meningkatkan aktivitas selulase [74]. Tingkat hidrolisis enzymatic selulosa tergantung pada beberapa fitur struktural selulosa. Selulosa fitur diketahui mempengaruhi tingkat hidrolisis meliputi: (1) struktur molekul selulosa, (2) kristalinitas selulosa, (3) luas permukaan serat selulosa, (4) derajat pembengkakan serat selulosa, (5) tingkat polimerisasi, dan (6) terkait lignin atau bahan lainnya [144]. Suatu konsentrasi substrat akan rendah memberikan hasil dan tingkat yang rendah, dan dosis tinggi selulase dapat meningkatkan biaya tidak proporsional [55]. Sebuah dosis selulase dari 10 FPU (unit kertas filter) per gram biomassa sering digunakan dalam studi laboratorium karena menyediakan profil hidrolisis dengan tingkat tinggi yang menghasilkan glukosa dalam waktu yang wajar (48-72 jam) pada biaya yang murah [145]. Chen et al. [146] menyelidiki efek dari dosis selulase pada hidrolisis enzimatik encer asam diperlakukan tongkol jagung. Hidrolisis dilakukan percobaan dengan 100 g substrat 1-1 dan dosis yang berbeda dari T. reesei ZU-02 selulase (FPU g-1 substrat) pada pH 4,8 dan 323 K. Hasil dari penelitian ini ditunjukkan pada Gambar. 10. Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 10, mengurangi konsentrasi gula dan hasil hidrolisis memiliki kecenderungan variasi yang sama, yaitu, baik meningkat tajam dengan cel-lulase dosis bervariasi dari 10 sampai 20 g-1 substrat FPU, dan pada dasarnya mendatar dari 20 sampai 30 g-1 substrat FPU.

Tabel 8

Perbandingan kondisi proses dan kinerja dari tiga proses hidrolisis.

Gambar. 9. Mode tindakan enzim selulolitik.

Salah satu keterbatasan dengan menggunakan selulase adalah bahwa ada penurunan tingkat karena produk akhir (cellobiose dan glukosa) penghambatan. Pembuatan sakarifikasi dan fermentasi (SSF) secara simultan dapat mengatasi masalah ini dengan hidrolisis selulosa dan fermentasi produk hidrolisis pada saat yang sama [147].

5.2.2.2. Enzimatik hidrolisis hemiselulosa. dalam hidrolisis enzimatik xilan bisa diterapkan dalam pencernaan rumen, pengolahan limbah, bahan bakar dan produksi bahan kimia, dan pembuatan kertas [148]. Tidak seperti selulosa, xylans secara kimiawi cukup kompleks, dan degradasi mereka membutuhkan enzim ganda. Enzim degradasi Xilan diproduksi oleh berbagai macam jamur dan bakteri seperti Trichodrema spp. [149.150], Penicillium spp. [151.152], Talaromyces spp. [151.153] Aspergillus spp. [154], dan Bacillus spp. [155].

Hidrolisis enzimatik xilan melibatkan sistem multi-enzim, termasuk endoxylanase, exoxylanase, g-xylosidase, a-arabinofura-nosidase, sebuah glucoronisidase-, esterase xilan asetil, dan esterase asam ferulic [156]. Tabel 9 menyajikan aktivitas enzim yang paling penting yang diperlukan untuk hidrolisis xylooligosaccharides diperoleh dari kayu keras dan tanaman [113]. Endoxylanase menyerang rantai utama xylan dan 0 xylosidase-menghidrolisis xylooligosaccharides menjadi xilosa. A-arabinofuranosidase dan-glucuronidase menghapus arabinosa dan substituen glukuronat 4-0-metil asam, dari rantai xilan [157]. Esterases Hemicellulolytic termasuk esterases asetil yang menghidrolisa substitusi gugus asetil pada xilosa, dan ester feruloylase yang menghidrolisis ikatan ester antara substitusi arabinosa dan asam ferulat. Esterases Feruloyl membantu pelepasan hemiselulosa dari lignin dan membuat produk polisakarida bebas lebih setuju untuk degradasi oleh hemicellulases lain [158].

Seperti dalam sistem selulase, sistem degradasi xilan juga muncul. Sementara jumlah enzim yang dibutuhkan untuk hidrolisis xilan jauh lebih besar daripada untuk hidrolisis selulosa, aksesibilitas ke substrate ini lebih mudah karena xilan tidak membentuk struktur kristalline yang kuat [44].

Gambar. 10. Efek T. reesei ZU-02 selulase dosis (disajikan sebagai aktivitas kertas filter per gram substrat, substrat FPU g) pada hidrolisis enzimatik encer asam diperlakukan janggel 11461.

5.3. Fermentasi

Supernatan dari hidrolisis enzimatik lignocellulose dapat berisi karbon enam-(heksosa) dan lima carbon gula (jika keduanya selulosa dan hemiselulosa yang dihidrolisis). (Pentosa) Tergantung pada sumber lignoselulosa, hidrolisat biasanya terdiri dari glukosa, xilosa, arabinosa, galaktosa, mannose, fucose, dan rhamnose [44]. Satu ton glukan, galactan, atau hasil 1,11 ton Mannan enam karbon gula dan dapat difermentasi secara teoritis menjadi 172,0 galon bioetanol [159]. Satu ton arabinan atau xilan hasil 1,14 ton gula lima karbon dan dapat difermentasi secara teoritis menjadi 176,0 galon bioetanol [159]. Mikro organisme dapat digunakan untuk memfermentasi semua lignoselulosa yang diturunkan gula untuk bioetanol.

Tabel 9

Aktivitas enzimatik yang relevan untuk posthydrolysis enzimatik xylooligosaccharides [1131. 858-875 869

Tabel 10

Sifat penting untuk proses fermentasi bioetanol [1601.

Tabel 11

Perbandingan antara 1 mobilis modifikasi dan E. coli.

5.3.1. Mikroorganisme yang berkaitan dengan fermentasi bioetanol

Mikroorganisme untuk fermentasi bioetanol terbaik dapat di jelaskan dalam hal parameter kinerja dan persyaratan seperti kesesuaian dengan produk yang ada, proses dan peralatan. Parameter kinerja dari fermentasi adalah: kisaran suhu, pH, toleransi alkohol, tingkat pertumbuhan, produktivitas, toleransi osmotik, spesifisitas, hasil, stabilitas genetik, dan toleransi inhibitor. Karakteristik yang diperlukan untuk mikroorganisme industri yang cocok dirangkum pada Tabel 10 [160].

Secara tradisional, Saccharomyces cerevisiae dan mobilis Zymomonas telah digunakan untuk fermentasi bioetanol. Keduanya mampu efisien mefermentasi glukosa menjadi bioetanol, tetapi mampu memfermentasi xilosa [44]. ragi fermentasi xilosa, seperti stipitis Pichia, Candida shehatae, dan Candida parapsilosis, dapat memetabolisme xilosa melalui tindakan xilosa reduktase (XR) untuk mengkonversi xilosa menjadi xylitol, dan dehidrogenase xylitol (XDH) untuk mengkoversi xylitol menjadi xylulosa. Oleh karena itu, bioetanol dari fermentasi xilosa dapat berhasil dilakukan oleh S. cerevisiae rekombinan dengan XR heterolog dan XDH dari P. stipitis, dan xylulokinase (XK) dari S. cerevisiae [161]. Pada bakteri, isomerase ksilosa (XI) mengkonversi xilosa menjadi xylulose, yang setelah fosforilasi, dimetabolisme melalui jalur fosfat pentosa (PPP) [162].

Mikroorganisme yang paling sering digunakan untuk fermentasi bioetanol dalam proses industri adalah S. cerevisiae, yang telah terbukti sangat kuat dan cocok untuk fermentasi lignocellu sa hidrolisat [91]. S. cerevisiae dengan mudah dapat memfermentasi heksosa, tapi bukn xilosa dalam hidrolisat lignoselulosa, karena tidak memiliki enzim S. cerevisiae yang mengkonversi xilosa xylulose [163]. Namun, ragi ini dapat memfermentasi xylulosa [164]. Untuk xilosa-menggunakan S. cerevisiae, hasil bioetanol tinggi dari xilosa juga membutuhkan strategi rekayasa metabolisme untuk meningkatkan fluks xilosa [165].

Bakteri, seperti Z. mobilis, Escherichia coli dan Klebsiella oxytoca, telah menarik perhatian, mengingat fermentasi yang cepat dalam bebrapa menit dibandingkan dengan ragi hingga beebrapa jam[102]. Z. mobilis, bakteri Gram-negatif, diakui karena kemampuannya secara efisien menghasilkan bioetanol pada glukosa, fruktosa, dan sukrosa tingkat tinggi. Ketika Z. mobilis dan S. cerevisiae dibandingkan untuk efisiensi mereka untuk menghasilkan bioetanol dari glukosa dan hidrolisat pati, hasil yang lebih tinggi diamati untuk Z. mobilis [166]. Uji kinerja com-parative pada glukosa telah menunjukkan bahwa Z. mobilis dapat menghasilkan bioetanol 5% lebih tinggi dan hingga 5 kali lipat lebih tinggi untuk produktivitas bioetanol volumetrik dibandingkan dengan ragi S. cerevisiae tradisional [167]. Secara teoritis, hasil 97% [94].

Bakteri termofilik anaerobik ekstensif juga telah ditemukan berpotensi sebagai produsen bioetanol. bakteriofag Ini termasuk Thermoanaerobacter ethanolicus [170], Clostridium termometer mohydrosulfuricum [171], Thermoanaerobacter mathranii [172], Thermoanaerobium brockii [173], Clostridium thermosaccharolyticum [174], dll bakteri anaerob termofilik memiliki kelebihan dibanding ragi konvensional untuk produksi bioetanol karena kemampuan untuk menggunakan berbagai bahan baku biomassa murah dan kemampuan untuk menahan suhu ekstrim [175]. Toleransi bioetanol yang rendah pada bacteria termofilik (<2%, v / v) ialah hambatan Utama dalam pengembangan industry bagi produksi bioetanol [176].

5.3.2. teknik Fermentasi

Fermentasi dapat dilakukan sebagai batch, batch umpan atau proses berkelanjutan. Pemilihan proses yang paling cocok akan tergantung pada sifat kinetik dari mikroorganisme dan jenis lignocellusa hidrolisat di samping aspek ekonomi untuk mengolahnya [66]. Batch kultur dapat dianggap sebagai sistem kultur tertutup yang berisi jumlah gizi awal terbatas, yang diinokulasi dengan mikroorganisme untuk memungkinkan fermentasi [177]. Ini adalah metode yang sangat sederhana, selama tidak ada fermentasi ditambahkan setelah inokulasi kecuali mungkin asam atau alkali untuk kontrol pH atau udara untuk fermentasi aerobik.

Fed-batch reaktor yang banyak digunakan dalam aplikasi industri karena mereka menggabungkan keunggulan dari baik kedua batch dan proses berkelanjutan [178]. Keuntungan utama dari batch umpan, dibandingkan dengan batch biasa, adalah kemampuan untuk meningkatkan konsentrasi sel maksimum yang layak, memperpanjang umur hidup kultur, dan memungkinkan akumulasi produk untuk formulasi konsentrasi yang lebih tinggi [179]. Proses ini memungkinkan untuk pemeliharaan variabel proses kritis (misalnya suhu, pH, dan oksigen terlarut) di tingkat tertentu melalui kendali umpan balik [180].

Dalam, proses yang berkesinambungan, umpan yang berisi substrat, media kultur dan dan nutrisi lain yang diperlukan, dipompa terus menerus ke dalam pembuluh dimana mikroorganisme aktif. Produk, yang diambil dari puncak bioreaktor, mengandung bioetanol, sel, dan gula residu [181]. Salah satu pendekatan pertama diambil dalam meningkatkan proses fermentasi bioetanol ragi yang terlibat operasi fermentor dalam mode kontinyu daripada modus batch konvensional dan dengan demikian meningkatkan produktivitas sekitar tiga kali lipat dari sekitar 2 menjadi 6 g EtOH / l / h [182]. Operasi kontinyu dengan kepadatan sel tinggi menggunakan reaktor sel daur ulang adalah cara lain yang efektif untuk meningkatkan produktivitas. Sebuah tahap tunggal -tangki reaktor (CSTR) dengan operasi sel daur ulang yang beroperasi dengan biomassa yang tinggi (50-80 g ragi / l) memiliki produktivitas bioetanol sebesar EtOH 30-40 g / l / jam [182].

5.3.3. strategi Hidrolisis dan fermentasi

5.3.3.1. memisahkan hidrolisis dan fermentasi (SHF). Hidrolisis enzimatik dilakukan secara terpisah dari langkah fermentasi yang dikenal sebagai hidrolisis dan fermentasi terpisah (SHF). Dalam konfi gurasi SHF aliran cairan gabungan dari kedua reaktor hidrolisis pertama yang memasuki reaktor fermentasi glukosa. Campuran kemudian didestilasi untuk menghapus bioetanol meninggalkan xilosa bertobat belakang. Dalam reaktor kedua, xilosa difermentasi untuk bioetanol, dan bioetanol lagi suling [55]. Keuntungan dari SHF adalah kemampuan untuk melaksanakan setiap langkah di bawah kondisi optimal, yaitu hidrolisis enzimatik di 318-323 K dan fermentasi sekitar 303 K[183]. Kerugian dari metode ini adalah penghambatan selulase dan flglukosidase enzim oleh glukosa yang dilepaskan selama hidrolisis, yang memerlukan bahan padatan dan beban enzim lebih tinggi untuk mencapai hasil yang diinginkan [121].

5.3.3.2. sakarifikasi dan fermentasi (SSF) sekaligus. sakarifikasi dan fermentasi (SSF) sekaligus adalah opsi proses penting untuk produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa [184]. Proses ini efektif bila dikombinasikan dengan asam encer atau suhu pra-perlakukan air panas tinggi. Dalam SSF, selulase dan xylanases mengubah polimer karbohidrat menjadi gula difermentasi. Enzim ini terkenal rentan terhadap inhibisi umpan balik oleh produk - glukosa, xilosa, cellobiose, dan oligosakarida lain [123]. Proses ini memiliki tingkat disempurnakan hidrolisis, kebutuhan enzim loading yang lebih rendah, hasil dalam hasil bioetanol lebih tinggi, dan mengurangi risiko kontaminasi. Saat ini, sebuah proses untuk mis SSF hidrolisat jerami gandum dapat diharapkan untuk memberikan konsentrasi akhir bioetanol hampir 40 gl-1 dengan hasil berdasarkan heksosa total dan pentosa lebih tinggi dari 70% [185].

SSF memerlukan fermentasi kompatibel dan sakarifikasi con-kondisi baik, dengan pH yang sama, suhu dan konsentrasi substrat yang optimum [186]. Dalam banyak kasus, pH rendah, mis lebih rendah dari 5, dan suhu tinggi, misalnya > 313 K, dapat menguntungkan bagi enzy ¬ matic hidrolisis, sedangkan pH rendah pasti bisa menghuni produksi asam laktat dan suhu tinggi dapat berpengaruh buruk terhadap pertumbuhan sel jamur [187]. Trichoderma reesei selulase, yang con ¬ stitute persiapan yang paling aktif, memiliki aktivitas optimal pada pH 4,5 dan 328 K. Untuk Saccharomyces kultur SSF biasanya con ¬ dikendalikan pada pH 4,5 dan 310 K [160]. Sebuah fermentasi khas akan mengambil 5-7 hari, tergantung pada aksesibilitas dari selulosa dan padatan awal pemuatan fermentasi. Waktu tinggal yang lama dapat membuat pengendalian pencemaran sulit dalam proses yang berkesinambungan, tetapi mungkin dikelola dalam suatu proses batch [188].

Keuntungan utama SSF seperti yang dijelaskan oleh Sun dan Cheng [74], termasuk: (1) meningkatkan laju hidrolisis oleh konversi gula yang menghambat aktivitas selulase; (2) persyaratan enzim yang lebih rendah; (3) menghasilkan produk yang lebih tinggi; ( 4) persyaratan yang lebih rendah untuk kondisi steril karena glukosa segera dihapus dan bioetanol diproduksi; (5) waktu proses lebih pendek, dan (6) volume reaktor kurang. Keuntungan utama dari SSF adalah bahwa konsumsi langsung gula oleh mikroorganisme menghasilkan konsentrasi gula rendah dalam fermentor, yang secara signifikan mengurangi hambatan enzim dibandingkan dengan SHF [188]. Kerugian utama dari SSF terletak pada karakteristik optima berbeda untuk sakarifikasi (323 K) dan fermentasi (308 K) [189].

5.3.3.3. konversi mikroba langsung (DMC). Konversi mikroba langsung (DCM) menggabungkan produksi selulase, selulosa hidrolisis dan fermentasi glukosa ke dalam satu langkah. Proses ini menarik dan mengurangi jumlah reaktor, menyederhanakan operasi, dan mengurangi biaya bahan kimia [121]. DCM tampaknya logis titik akhir dalam evolusi produksi bioetanol dari bahan ¬ lignocel lulosic. Aplikasi DCM memerlukan operasi atau tidak ada biaya investasi modal untuk produksi enzim khusus (atau membeli), pengalihan mengurangi substrat untuk produksi enzim, dan com ¬ enzim patible dan sistem fermentasi [55]. Kerugiannya adalah hasil bioetanol yang rendah, disebabkan oleh pembentukan produk sampingan (asetat, laktat), toleransi rendah mikroorganisme untuk bioetanol (3,5% b / v), dan pertumbuhan terbatas dalam sirup hidrolisat [162].

5.4. Produk dan padatan pemulihan

Sebagai biomassa hidrolisis, dan fermentasi pendekatan kelangsungan hidup komersial teknologi, kemajuan dalam pemulihan produk technologi akan diperlukan. Untuk kasus-kasus di mana produk fermentasi lebih stabil daripada air, pemulihan dengan distilasi ini sering teknologi pilihan. Distilasi teknologi yang akan memungkinkan pemulihan ekonomi encer produk volatil dari sungai yang mengandung berbagai kotoran telah dikembangkan [190]. Sebuah sistem destilasi memisahkan bioetanol dari air dalam campuran cair.

Langkah pertama ialah dengan memulihkan bioetanol dalam kolom destilasi atau bir, di mana sebagian besar air tetap dengan bagian padat. Produk (37% bioetanol) kemudian terkonsentrasi di col perbaikan ¬ UMN untuk konsentrasi di bawah azeotrope tersebut (95%) [55]. Produk bottom tersisa diumpankan ke kolom pelucutan untuk memindahkan air tambahan, dengan distilat bioetanol yang digabungkan dengan pakan menuju penyearah [191]. Pemulihan bioetanol dalam kolom distilasi di pabrik adalah tetap menjadi 99,6% untuk mengurangi kerugian bioetanol [192].

Setelah efek pertama, padatan dipisahkan menggunakan sentrifug dan dikeringkan dalam pengering rotary. Sebagian (25%) dari sentrifug efluen didaur ulang untuk fermentasi dan sisanya dikirim ke evaporator efek kedua dan ketiga. Sebagian besar kondensat evaporator ulang ¬ beralih ke proses sebagai cukup bersih% kondensat (sebagian kecil, 10%, dibagi ke pengolahan air limbah untuk mencegah membangun rendah-didih senyawa) dan sirup terkonsentrasi berisi 15-20 oleh padatan total berat [193].

6. perhitungan ekonomi untuk Bioetanol

Menimbang bahwa sampai sekarang biaya bioetanol masih lebih tinggi daripada biaya bensin fosil, pemerintah harus memberlakukan kebijakan khusus untuk mendorong produksi dan penggunaan bioetanol di sektor transportasi. Secara umum, berikut tiga pendekatan utama dapat dibedakan dalam pelaksanaan biofuel mendukung kebijakan dan regulasi : (1) kebijakan berbasis perpajakan, (2) kebijakan berbasis pertanian / subsidi, dan (3) bahan bakar wajib [34]. Saat ini, pengembangan dan dukungan biofuel terutama didorong oleh sektor pertanian dan lobi daripada sektor energi. Pada kenyataannya, kebanyakan program biofuel tergantung pada subsidi dan program pemerintah, yang dapat menyebabkan distorsi pasar dan menjadi pemborosan bagi pemerintah. Namun demikian, pada harga minyak yang tinggi dan dengan perkembangan teknologi yang lebih efisien dan murah, biofuel bisa menjadi alternatif murah dalam waktu dekat di banyak negara [194].

Biaya untuk produksi bioetanol dapat bervariasi secara substansial tergantung pada beberapa faktor, misalnya biaya bahan baku dan produk yang dihasilkan, biaya energi pengolahan, biaya investasi (terkait dengan jenis bahan baku), lokasi pabrik dan biaya transportasi dan biaya pendanaan [195]. Bioetanol Brasil jauh lebih kompetitif daripada yang diproduksi di Amerika Serikat dari jagung atau di Eropa dari bit gula, karena waktu pemrosesan lebih singkat, biaya tenaga kerja lebih rendah, biaya transportasi lebih rendah dan biaya input [196]. produksi Bioetanol dari tebu sangat ekonomis di Brazil karena dua alasan utama. Brasil menurunkan harga gula untuk mendukung industri bioetanol dengan mandat pemerintah untuk campuran bioetanol dengan bensin. Hal ini secara drastis menurunkan biaya bahan baku, tebu, dan menciptakan permintaan dan mendukung harga bioetanol. Selain itu, luas lahan Brazil area areal yang dapat ditanami berarti bahwa lahan dikhususkan untuk produksi gula tebu untuk bioetanol tidak dalam persaingan dengan tanah untuk produksi makanan [197]. Bioetanol dari tebu di Brasil menghabiskan biaya hanya US $ 0,23-0,29 / liter [198], sedangkan di Uni Eropa dan Amerika Serikat bit gula dan jagung memerlukan biaya bioetanol US $ 0,29 /liter [199] dan US $ 0,53 / liter [200]. Gula efisien lainnya dihasilkan di negara seperti Pakistan, Swaziland dan Zimbabwe memiliki biaya produksi sama dengan Brasil [194].

Biaya bahan baku, yang bervariasi antara studi yang berbeda (US $ 22-US $ 61 per metrik ton kering), dan biaya modal, membuat total biaya tergantung pada kapasitas pabrik, yang berkontribusi pada total biaya produksi [165]. Biaya dan ketersediaan bahan baku sangat penting karena di sebagian biofuel itu sebagai 60-75% dari total biaya produksi bioetanol [3]. Perkiraan dari biaya produksi bioetanol dari bahan baku yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 12. Angka-angka biaya dapat dibandingkan dengan biaya produksi bensin sekitar US $ 0,70 / 1 pada harga minyak US $ 100 per barel [201].

Tabel 12

Perkiraan biaya produksi bioetanol dari bahan baku berbeda (US $ / 1)

Produksi bioetanol umumnya menggunakan turunan dari tanaman pangan seperti butiran jagung dan tebu, namun pasokan terbatas tanaman dapat menyebabkan persaingan antara penggunaan mereka dalam produksi bioetanol dan penyediaan makanan [202]. Menggunakan tanaman pangan untuk produksi bioetanol dapat menimbulkan masalah gizi dan etika yang besar. Hampir 60% manusia di dunia saat ini kekurangan gizi, sehingga kebutuhan untuk biji-bijian dan makanan pokok lainnya sangat penting. Menanam tanaman untuk lahan bahan bakar akan membuang air, dan sumber daya energi vital untuk produksi makanan bagi masyrakat [203]. Pada tahun 2007, ketika harga ritel makanan AS naik 4% di atas tingkat tahun 2006 dan dua kali secepat inflasi inti secara keseluruhan (2,3%), konsumen mengeluh [204]. Bioetanol didorong lonjakan permintaan jagung telah memicu kenaikan tajam harga jagung. Sebagai contoh, kontrak berjangka jagung bulan Maret 2007 di Chicago Board of Trade, naik dari US $ 2,50 per gantang di September ¬2006 meningkat menjadi US $ 4,16 per gantang di bulan 2007 (naik sebesar 66%). Kenaikan tajam harga jagung sebagian besar meningkat didorong oleh ekspansi yang cepat dari kapasitas produksi bioetanol berbasis jagung di Amerika Serikat sejak pertengahan-2006 [205]. Harga jagung yang tinggi, sebagian, didorong oleh permintaan untuk membuat bioetanol dan tawaran dari tanaman lain yang lebih rendah, seperti kedelai, gandum, dan jerami [204]. Menggunakan jagung untuk produksi bio etanol dapat meningkatkan harga daging sapi AS, ayam, daging babi, telur, roti, sereal, dan susu dari 10% sampai 30% [203].

Biomassa lignoselulosa adalah bahan baku paling menjanjikan mengingat ketersediaan yang besar dan biaya rendah, namun skala besar produksi bioetanol komersial dari bahan lignoselulosa masih belum diimplementasikan. Dewasa ini biaya produksi bioetanol dari lignoselulosa masih terlalu tinggi, yang merupakan alasan utama mengapa bioetanol tidak membuat terobosan besar. Pra-perlakukan telah dilihat sebagai salah satu langkah-langkah proses yang paling mahal dalam biomassa selulosa menjadi gula difermentasi con-versi dengan biaya setinggi bioetanol US $ 0.08 / 1 diproduksi [86]. Harga Enzim diasumsikan seperti bahwa kontribusi total en-zymes biaya produksi sekitar US $ 0.04 / 1 bioetanol dengan beberapa variasi tergantung pada hasil bioetanol yang sebenarnya yang dihasilkan dari pendekatan pra-perlakukan tertentu [206]. Pertumbuhan yang signifikan dari industri bioetanol akan tergantung pada pengembangan proses baru yang mengkonversi selulosa biomassa dari tanaman non-pangan dan bahan sampah menjadi bioetanol [207].

7. Kesimpulan

Baru-baru ini, ada telah berkembang minat biofuel karena meningkatnya biaya energi dan masalah lingkungan. Bioetanol sejauh ini merupakan biofuel yang paling banyak digunakan untuk transportasi di seluruh dunia. Ini akan terus dikembangkan sebagai bahan bakar transportasi yang diproduksi secara internasional, untuk digunakan terutama sebagai aditif bensin.

Bioetanol umumnya dibuat dari turunan tanaman pangan seperti butiran jagung dan tebu, namun pasokan terbatas tanaman dapat menyebabkan persaingan antara penggunaan dalam produksi bioetanol dan penyediaan makanan. Harga bahan baku juga sangat volatile, yang sangat dapat mempengaruhi biaya produksi dari bioetanol. Bahan lignoselulosa menjadi bahan baku murah dan melimpah, yang diperlukan untuk menghasilkan bioetanol bahan bakar dari sumber daya terbarukan dengan biaya yang terjangkau.

Biomassa lignoselulosa dapat dikonversi menjadi bioetanol melalui hidrolisis dan fermentasilebih lanjut. Lignoselulosa sering dihidrolisa dengan perlakuan asam, sedangkan hidrolisat diperoleh kemudian digunakan untuk fermentasi bioetanol oleh mikroorganisme seperti ragi. Karena hidrolisat lignoselulosa tidak hanya mengandung glukosa tidak hanya, tetapi juga berbagai monosakarida (misalnya xilosa, manosa, fruktosa, galaktosa, dan arabinosa) dan oligosakarida, mikroorganisme harus diminta untuk secara efisien memfermentasi gula-gula ini untuk produksi industri bioetanol.

Pengakuan

Penulis ingin berterima kasih kepada Profesor Ayhan Demirbas atas bantuannya yang sangat besar dan dorongan sepanjang perjalanan pekerjaan ini.

Referensi