HEMAT MINYAK FOSIL

Produk Sekunder Pertanian dan Kehutanan Menjadi Bahan Plastik

0
31
Ganggang dapat digunakan untuk produksi energi dan bahan kimia Foto/@ : Thomas Ernsting

Minyak adalah bahan baku penting bagi industri kimia. Benda seperti ponsel, mainan, komputer, peralatan rumah tangga, begitu banyak benda sehari-hari di sekitar kita berasal, setidaknya sebagian, dari minyak bumi. Namun, sumber daya fosil iru semakin terbatas,  langka, dan mahal. Biomassa mencakup kayu, starch (kanji) jagung, bit gula, dan minyak sayur, menjadi salah satu alternatif sumber karbon. Plastik, cat, dan bahan kimia dapat dihasilkan dari produk sekunder industri makanan, seperti whey—berupa air dadih, yakni cairan susu yang sudah dipisahkan dari bagian kental saat pembuatan kejudan  cangkang kepiting.

Ganggang dapat digunakan untuk produksi energi dan bahan kimia Foto/@ : Thomas Ernsting

Kita berterima kasih kepada para komunitas riset dan industri yang terus mengembangkan proses baru dengan  metode-metode alternatif,  dan banyak hasilnya dilaksanakan pada skala laboratorium atau percontohan (pilot).  Hasil penelitian itu ditransfer berbentuk  metode-metode  dalam skala uji coba mau pun di sektor industri.

Minyak mengandung sejumlah besar karbon, membuat karbon menjadi salah satu bahan baku yang paling penting bagi industri kimia. Karbon digunakan dalam berbagai macam produk termasuk plastik, karpet, tirai, cat dinding, pernis, sabun, parfum dan semprotan rambut. Akan tetapi, minyak bumi bukanlah satu-satunya sumber karbon; karbon juga ditemukan dalam sumber daya terbarukan. Eksploitasi sumber-sumber alternatif karbon sejauh ini masih minim. Saat ini masih sangat sedikit bioplastik yang terbuat dari selulosa, kanji, gula, dan asam laktat, serta berbagai deterjen bebas minyak dan kosmetik yang terbuat dari minyak nabati.

Advertisement

Bahan kimia & biokimia dari bahan tumbuh-tumbuhan, limbah kayu dan limbah kertas

Apakah realistis kita berpikir bahwa biomassa bisa menggantikan minyak bumi? Produk kimia apa yang dapat diekstraksi dari tumbuh-tumbuhan dan bahan yang sama? Di Amerika Serikat misalnya, departemen energi telah mengkaji pertanyaan-pertanyaan di atas dan beberapa pertanyaan lain, kemudian menyimpulan bahwa sumber daya terbarukan dapat digunakan untuk memproduksi bahan kimia dasar tertentu seperti asam laktat dan sorbitol.

Kedua elemen penyusun dasar (building block) itu kemudian dapat digunakan untuk membuat senyawa kimia yang kompleks seperti senyawa yang diperlukan untuk bahan bakar, kemasan, cat, pernis, kosmetik dan obat—dengan kata lain, secara virtual, untuk semua produk di pasar konsumen. Badan Energi Internasional (International Energy Agency/IEA) telah mengidentifikasi sejumlah bahan kimia berbasis bio yang dapat diperoleh dari biorefinery–fasilitas pemrosesan terintegrasi dan besar yang menghasilkan bahan kimia dan biokimia dari bahan tumbuh-tumbuhan, limbah kayu dan limbah kertas.

Para peneliti bisa mendapatkan lignin bipolimer dari kayu. Foto/© : panthermedi

 

Kimia “hijau” terus menjadi topik yang pas. Perusahaan konsultan manajemen Arthur D. Little memperkirakan pasar global untuk biokimia berkisar  US$77 miliar pada tahun 2009, dan angka itu baru empat persen dari total penjualan. Namun, perusahaan itu memperkirakan bahwa pangsa pasar bisa naik hingga 17 persen pada tahun 2025. Pemerintah telah memperkenalkan kebijakan untuk mendukung dan mempromosikan pengalihan ke bahan kimia berkelanjutan ini.

Pada akhir tahun 2010, pemerintah Jerman mengalokasikan anggaran 2,4 miliar euro untuk membiayai program Strategi Riset Nasional untuk Bio-Ekonomi 2030 (National Research Strategy for BioEconomy 2030) yang bertujuan memanfaatkan riset dan inovasi untuk memfasilitasi pergeseran struktural dari industri kimia berbasis minyak ke industri kimia berbasis bio.

Minyak dari tanaman jarak bisa dipergunakan sebagai sumber daya terbarukan untuk menghasilkan cairan bebas minyak dan mineral untuk pendinginan minyak pelumas. Foto/© : Caesius

“Kita masih perlu belajar untuk menggunakan cadangan karbon alam secara lebih baik,” kata Profesor Thomas Hirth, direktur Institut Fraunhofer untuk Bioteknologi dan Rekayasa Antarmuka (Interfacial Engineering and Biotechnology IGB) di Stuttgart. Hal itu akan memberi ruang pada bahan baku terbarukan dan bioteknologi putih yang pada akhirnya menjadi alternatif riil bagi petrokimia.

Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah mengembangkan berbagai metode untuk mengekstraksi sumber daya penting dari biomassa bagi industri kimia. “Banyak proses mandek pada tahap laboratorium atau percontohan dan tidak pernah mencapai pengembangan skala industri,” jelas Hirth. “Kita perlu metode baru dan terukur untuk mengubah sumber daya terbarukan menjadi bahan yang layak secara efisien dan efektif-dan metode-metode tersebut harus saling terkait secara erat dengan struktur produksi yang sudah ada.”

Untuk menjembatani kesenjangan antara pengembangan laboratorium dan aplikasi industri, peneliti dari IGB dan Institut Fraunhofer untuk Teknologi Kimia ICT telah membangun fasilitas baru untuk menjadi gedung bagi Pusat Fraunhofer untuk Proses Bioteknologi Kimia CBP di Leuna. Bangunan CBP seluas 2000 meter persegi tersebut akan memberi ruang bagi peralatan dan fasilitas teknis, laboratorium, kantor dan pergudangan. Lebih dari 20 perusahaan industri dan 15 universitas dan lembaga penelitian telah menyatakan minatnya untuk berpartisipasi dalam proyek yang didanai secara bersama-sama oleh pemerintah federal Jerman dan negara federal Saxony-Anhalt.

http://www.cbp.fraunhofer.de

Salah satu tujuan dari para peneliti di Leuna adalah menggunakan bahan-bahan seperti serpihan kayu sebagai sumber karbon. Untuk merealisasikannya, mereka  membangun sebuah pabrik percontohan mengikuti proses Organosolv yang telah dimodifikasi—merupakan teknik yang digunakan untuk melarutkan lignin yang terkandung dalam kayu. Langkah pertama adalah mengekstraki gula yang dapat difermentasikan dan lignin dari lignoselulosa, suatu biopolimer yang membentuk dinding sel tanaman berkayu.

Selanjutnya, bakteri mengubah gula menjadi bahan kimia dasar yang dapat digunakan untuk berbagai aplikasi-misal seperti untuk memproduksi plastik berupa polietilena. Para peneliti berharap untuk menggunakan fenol dari lignin konstituen kayu dalam produksi bahan perekat atau untuk sintesis kimia. Bahan sisa digunakan untuk menghasilkan energi, sesuai dengan tujuan memanfaatkan setiap aspek yang dimungkinkan dari kayu sebagai sumber daya terbarukan.

CBP juga fokus pada pemanfaatan biomassa sisa, pengambilan zat fungsional dan pembawa energi dari mikroalga, dan pengembangan enzim teknis baru. “Hal unik pada CBP adalah sejak  awal, kami telah bekerja sama dengan mitra industri yang memanfaatkan langsung produk penelitian kami,” kata Hirth. Perusahaan kimia yang terlibat dalam proyek ini tertarik untuk memverifikasi efisiensi dan keberlanjutan dari proses biotek pada lima pabrik percontohan yang ada – sebuah proses yang mereka rasakan harus dimulai sejak tahap uji coba.

CBP juga terlibat dalam “Bioeconomy” Cluster of Excellence yang mendapat pendanaan hingga 40 juta euro dari dari Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) selama lima tahun. Lebih dari 80 perusahaan dan lembaga penelitian telah mendaftar untuk berpartisipasi dalam Cluster Bioeconomy.

“Tujuan kami adalah memaksimalkan nilai tambah berkelanjutan dari biomassa non-makanan dengan menggunakannya untuk mendapatkan bahan-bahan baru, produk kimia dan energi,” tutur Profesor Hirth koordinator proyek-proyek penelitian di Cluster Bioeconomy.

http://bioeconomy.de

Kanji sumber daya aplikasi teknis:  kertas, bahan bangunan, perekat, bioplastik, deterjen, kosmetik, dan obat-obatan

Salah satu kebutuhan paling mendesak adalah pengganti alami plastik yang masih menggunakan bahan baku dari minyak bumi. Permintaan plastik terus meningkat luar biasa tingginya. Di Eropa, rata-rata setiap orang menggunakan lebih dari 100 kilogram plastik per tahun. Sekitar 265 juta ton plastik diproduksi di seluruh dunia pada tahun 2010. Menurut asosiasi perdagangan Eropa Plastics Europe. Namun, bioplastik  hanya memenuhi sebagian kecil dari permintaan tersebut, dan hanya 724.000 ton plastik “hijau” yang telah diproduksi. Akan tetapi, permintaan bioplastik diperkirakan akan meningkat secara substansial selama beberapa tahun ke depan. Para ahli dari kelompok industri Eropean Bioplastic memperkirakan sekitar 1,7 juta ton plastik hijau akan diproduksi pada tahun 2015.

Foto/@: nova-Institute

Strukur multilapis kardus minuman 

Produk tahan lama (kiri)

  • polietilen 21 %
  • aluminium 4%
  • kardus 75%

Produk segar (kanan)

  • polietilen 20%
  • kardus 80%

Pertanyaan bagaimana mendapatkan, mengkarakterisasi, memodifikasi dan mengolah polimer dari sumber daya terbarukan merupakan salah satu topik yang sedang dikaji oleh para peneliti di Institut Fraunhofer untuk Polimer Riset Terapan IAP di Golm. Para ilmuwan memperhatikan secara khusus penggunaan kanji (starch) dan selulosa sebagai bahan sumber.

Kanji merupakan sumber daya penting untuk aplikasi teknis seperti kertas, bahan bangunan, perekat, bioplastik, deterjen, kosmetik dan obat-obatan. Selulosa yang diperoleh dari lignoselulosa adalah salah satu biopolimer yang paling umum. Selulosa digunakan dalam industri untuk memproduksi produk-produk seperti plastik pembungkus transparan (film), serat non-tenun, spons, produk kebersihan dan bahan perekat.

Para peneliti IAP memiliki pengalaman bertahun-tahun di bidang itu khususnya dalam pengembangan proses spin untuk berbagai jenis biopolimer. Pengalaman mereka  terbukti berharga dalam pengembangan proses spin baru karena membuat serat artifisial berperforma tinggi dari protein sutra laba-laba AMSilk, sebuah proyek gabungan dengan perusahaan AMSilk GmbH.

Plastik dari selulosa

Selulosa juga merupakan bahan sumber untuk Biograde®, sebuah bioplastik yang dikembangkan oleh para peneliti di Institut Fraunhofer untuk Teknologi Lingkungan, Keselamatan dan Energi UMSICHT di Oberhausen bekerja sama dengan perusahaan FKuR Kunststoff GmbH. Sebuah proses kimia digunakan untuk mengkonversi selulosa menjadi asetat selulosa plastik. Pewangi pakaian (softener), pengisi bolongan kayu atau plester (filler) dan bahan aditif lainnya kemudian digunakan untuk membuat bahan tersebut bisa diproses dan untuk menyesuaikan sifat mekaniknya.

Zat-zat aditif tersebut juga berasal dari sumber daya terbarukan. Setelah peracikan, bioplastik siap digunakan dan dapat dikonversikan menjadi sejumlah produk berbeda, seperti tempat pensil dan bulpen dan keyboard komputer. “Selain ramah lingkungan, Biograde® juga menawarkan temperatur distorsi panas relatif tinggi untuk plastik berbasis bio,” jelas Thomas Wodke dari UMSICHT, yang menguraikan beberapa keuntungan terpenting dari bahan itu. Produk mencakup dua polimer hijau tambahan: Bio-Flex® adalah bahan untuk blown film atau cast film, dan Fibrolon® yang sangat kaku dan alot cocok untuk peralatan makan minum dan kotak peralatan.

Baca juga :   Konsep-Konsep Baru Elektroda

Penelitian yang dilakukan di IAP juga menunjukkan bagaimana bahan tanaman mentah dan produk sekunder dari pertanian dan kehutanan dapat digunakan untuk memproduksi plastik. Sebagai bagian dari proyek bersama LIGNOS, para peneliti IAP bekerja sama dengan Universitas Potsdam dan aevotis GmbH untuk memisahkan biopolimer yang terkandung dalam bahan tanaman dengan bantuan proses biotek yang baru dikembangkan untuk secara signifikan memperluas cakupan bahan baku yang tersedia bagi industri kimia. Fokus utama mereka adalah pada lignin, yang hampir semua bagiannya saat ini dibakar untuk menghasilkan energi.

Membuat plastik film dari whey

Para peneliti IAP sukses memroduksi poliuretan dari bubur bit gula (SBP), produk sekunder dari industri penyulingan gula. Poliuretan dapat digunakan untuk membuat produk seperti kasur, sol sepatu, sekat dan bahan untuk lantai. Para peneliti IAP mulai dengan melarutkan bubur bit gula, yang sebagian besar terdiri dari pektin, selulosa dan hemiselulosa, menjadi monomer gula. Mereka lantas mensintesis poliol dari monomer dan menggunakan poliol, bukan sorbitol, dalam produksi poliuretan.

Sementara itu, peneliti IGB telah menggunakan produk sekunder dari produsen produk susu sebagai bahan sumber untuk proses biotek terpadu. Gula susu (laktosa) yang terkandung dalam whey dapat diubah menjadi asam laktat (laktat) dengan bantuan bakteri asam laktat. Laktat tidak hanya berfungsi sebagai pengawet dan pengasam dalam pembuatan produksi bahan makanan, tetapi juga dapat digunakan sebagai bahan baku dalam industri kimia-misalnya dalam produksi polilaktida, plastik dyang dapat diuraikan (biodegradable plastic).

Bioplastik digunakan sebagai plastik besar untuk kemasan, kemasan kecil—seperti kemasan obat-obatan tablet/pilbotol dan kemasan makan dan minuman. Apakah sumber daya hayati dapat digunakan untuk memproduksi plastik kemasan selama multilayer dan tetap bermutu tinggi? Perusahaan biasanya menggunakan polimer yang mahal, berbahan dasar petrokimia, seperti kopolimer alkohol vinil etilen (ethylene vinyl alcohol-EVOH) sebagai bahan penahan dalam plastik kemasan multilayer untuk meminimalkan jumlah oksigen yang menembus kemasan. Dalam proyek yang didanai Uni Eropa, “Wheylayer“, peneliti melakukan pengembangan bahan kemasan berkelanjutan.

Tujuan mereka adalah menggunakan protein whey sebagai lapisan penahan pada plastik kemasan. Plastik kemasan jenis ini memiliki banyak keunggulan: plastik (film) protein whey memiliki biodegradability (kapasitas suatu bahan untuk terurai oleh proses biologi) yang bagus, dan zat-zat yang terjadi secara alami pada whey juga memperpanjang masa simpan produk makanan.

“Kami telah mengembangkan proses yang layak secara ekonomi yang dapat digunakan untuk menghasilkan plastik kemasan multifungsi pada skala industri,” kata Markus Schmid dari Institut Fraunhofer untuk Rekayasa Proses dan Pengemasan IVV di Freising, yang ikut bekerja pada proyek tersebut. Lapisan penutup (coating) merupakan komponen penting pada kardus minuman. Peneliti dari UMSICHT dan IVV sedang berupaya memproduksi lapisan penutup kardus dari sumber daya terbarukan. Melakukan peralihan ke bioplastik menunjukkan potensi besar: Sekitar 44.000 ton polimer lapisan penutup dibutuhkan setiap tahun di Jerman.

Namun demikian, setidaknya untuk saat ini, biopolimer tidak selalu bisa memenuhi semua spesifikasi yang dibutuhkan untuk plastik berperforma tinggi. Misalnya, plastik yang terbuat dari poli asam laktat (PLA) umumnya rapuh dan memiliki kemampuan untuk menahan tekanan dan regangan (impact strength) yang rendah.

Berkolaborasi dengan Institut Fraunhofer untuk Teknologi Kimia ICT di Pfinztal dan Institut Fraunhofer untuk Mekanika Bahan IWM di Halle, peneliti IAP telah mengembangkan solusi yang antara lain memperkuat plastik alami dengan serat pokok (stapel fiber) dari selulosa (rayon). Kombinasi ini menciptakan bahan yang hanya benar-benar berbasis bio dan mudah terurai, namun juga stabil.

Surfaktan dan pelumas yang terbuat dari biomassa

Plastik bukan satu-satunya yang bisa dihasilkan dari biomassa. Para peneliti juga berharap bisa memproduksi resin, pewangi pakaian, biosurfaktan dan pelarut dari sumber daya terbarukan. Ilmuwan yang mengerjakan proyek Uni Eropa “BioConSepT” fokus pada lignoselulosa, lemak nabati, dan minyak sebagai sumber karbon yang tidak digunakan dalam industri makanan.

Penggunaan sumber daya generasi kedua ini bertujuan untuk mengurangi biaya dan menyempurnakan keberlanjutan (sustainability) dalam memproduksi bahan kimia pada kisaran 30 persen dibandingkan metode kimia dan proses bioteknologi yang serupa, dengan menggunakan bahan baku generasi pertama seperti glukosa. Proyek ini melibatkan 31 mitra dari penelitian dan industri serta perusahan-perusahan berukuran kecil dan menengah, termasuk IGB.

Sumber daya terbarukan seperti ester dari lemak hewani dan nabati sudah menjadi dasar dari pelumas teknis meski pembuatannya berbiaya mahal. Para peneliti dari IVV berharap bisa mengubahnya. Mereka menggunakan minyak jarak sebagai dasar untuk memproduksi cairan dasar biogenik yang murah, bebas minyak bumi dan mineral, dan berperforma tinggi untuk pelumas di industri pengerjaan logam industri.

Untuk mendapatkan cairan dasar dari minyak tanaman jarak, para peneliti menggunakan lipase. Hasilnya adalah campuran stabil ester, gliserida dan minyak residu. Proses ini memberikan rendemen (yield) hampir 100 persen dan membutuhkan langkah-langkah membersihkan yang jauh kecil dari segi energi dan biaya.

Cangkang kepiting dan ganggang untuk bahan kimia

Kitin yang membentuk rangka luar kepiting dan udang, adalah biopolimer yang jarang digunakan. Lebih dari 750.000 ton cangkang krustasea dibuang setiap tahunnya hanya di Uni Eropa. Para peneliti yang bekerja di proyek yang didanai Uni Eropa “ChiBio” kini sedang mengkaji bagaimana sesuatu yang sering dianggap sebagai produk limbah dapat diubah menjadi sumber daya yang layak bagi industri kimia.

“Berdasarkan konsep dari sebuah biorefinery, kami sedang mengembangkan sejumlah cara untuk memanfaatkan bahan dan energi dari cangkang krustasea dengan tujuan memanfaatkan secara sepenuhnya dan seefisien mungkin bahan-bahan sisa ini,” kata Profesor Volker Sieber, koordinator ChiBio dan kepala kelompok proyek BioCat IGB di Straubing.

Kitin membentuk kerangka luar kepiting dan udang. Para peneliti berharap bisa menggunakannya untuk memproduksi sumber daya dasar bagi industri kimia. Foto/© : Helki

Barangkali salah satu sumber daya terbarukan yang paling serbaguna adalah ganggang, yang dapat dikonversi menjadi bahan bakar, listrik, panas dan bahan kimia. Para peneliti di IGB menggunakan ganggang misalnya untuk menghasilkan asam lemak dan karotenoid. Ganggang dibudidayakan di reaktor flat-panel airlift agar bisa memanen sumber daya berharga yang dikandungnya.

Sebuah proyek Uni Eropa yang dimulai tahun 2011, hasilnya  semakin maju. Para peneliti membudidayakan mikroalga di fasilitas pengolahan air limbah di Spanyol bagian selatan untuk memproduksi bahan bakar biologi seperti metana dan solar pada skala industri. Proyek ini memberikan kesempatan untuk mengkaji seluruh rantai proses, termasuk penghilangan nutrisi (nutrient removal) dari air limbah, budidaya ganggang, ekstraksi zat berguna, dan produksi lebih lanjut bahan bakar nabati.

Peneliti dari UMSICHT juga terlibat dalam proyek ini. Mereka menganalisis komposisi kimia dari minyak alga dan mengidentifikasi produk-produk bernilai tambah. Minyak tak jenuh ganda (polyunsaturated) dalam minyak ganggang sangat diminati oleh beberapa sektor seperti industri pakan ternak. Sisa minyak alga dibersihkan oleh para peneliti dan diubah menjadi biodiesel.

“Bioteknologi putih menggunakan alam sebagai pabrik kimia. Proses produksi kimia tradisional digantikan oleh mikroorganisme atau enzim,” jelas Thomas Hirth. Langkah itu juga membantu mengurangi emisi karbondioksida secara besar-besaran, demikian hasil kajian yang dilakukan oleh organisasi lingkungan World Wide Fund for Nature (WWF) cabang Denmark dan perusahaan bioteknologi Denmark Novozymes. Kesimpulan mereka menunjukkan bahwa pemanfaatan bioteknologi industri sampai tingkat maksimum mulai saat ini hingga tahun 2030 akan mengurangi emisi karbondioksida pada kisaran 2,5 miliar ton per tahun.

Penggunaan sumber daya terbarukan

Kiri–kanan: Industri kimia – Oleochemistry (terkait transformasi fisika-kimia lemak dan minyak dari tumbuhan dan hewan) – Kertas dan selulosa – Industri tekstil – Industri farmasi dan kosmetik – lain-lain

Alam menawarkan potensi besar untuk industri kimia-tetapi masih sangat sedikit potensi tersebut yang saat ini dimanfaatkan. Di Jerman, sumber daya terbarukan hanya mencapai 13 persen dari bahan baku yang digunakan dalam industri kimia. Untuk mengurangi ketergantungan kita pada minyak bumi, dunia bisnis dan industri perlu memberi penekanan yang jauh lebih besar pada sumber daya alam terbarukan. Akan tetapi, ini hanya akan terjadi jika kita dapat menemukan cara yang lebih efisien dalam meningkatkan metode-metode berbasis biomassa dari skala laboratorium ke skala industri. (Birgit Niesing, Informasi : www.fraunhofer.de/magazine)

Incoming search terms:

Advertisement

Tulis Opini Anda