bab 2.fermentasi hidrogen

BAB II

PEMBAHASAN

2.1.       Definisi Fermentasi Hidrogen

Fermentasi anaerobik adalah reaksi dimana  mikroorganisme anaerobik secara oksidatif mengurai bahan organik untuk mendapatkan energi dalam kondisi anaerobik. Kita sebut reaksi fermentasi ini Fermentasi Hidrogen jika hidrogen adalah produk akhir proses. Dalam proses fermentasi hidrogen, beberapa bahan organik dan alkohol diproduksi bersama dengan hidrogen. Meskipun akseptor elektron terakhir adalah oksigen atau bahan anorganik dalam respirasi, bahan organik yang terurai dan karbon dioksida dan lain – lain dari bahan substrat adalah produk akhir dalam fermentasi. Sebagai contoh, produk akhir adalah etanol dan karbon dioksida dari glukosa selama fermentasi etanol. Sementara sintesis ATP digabungkan dengan rantai transfer elektron dalam respirasi, ATP dihasilkan dalam reaksi pada tingkat substrat dalam fermentasi. Energi yang diperoleh dari fermentasi lebih kecil daripada yang dari respirasi untuk jumlah substrat yang sama.

2.2.       Karakteristik Fermentasi Hidrogen

Peran dari produksi hidrogen adalah untuk mengatur tingkat oksidasi – reduksi dalam sel bakteri dengan mengubah kelebihan tenaga pengurangan menjadi hidrogen. Ada bakteri yang dapat mengambil dan memanfaatkan hidrogen tersebut. Dalam rangka meningkatkan hasil hidrogen, reaksi sebaliknya konsumsi hidrogen harus di tekan. Umumnya, diperlukan perlakuan air limbah dari proses fermentasi hidrogen, karena proses fermentasi hidrogen juga memproduksi beberapa bahan organik.

2.3.       Proses Fermentasi Hidrogen

Fermentasi Hidrogen merupakan salah satu metode untuk memproduksi hidrogen dari biomassa yaitu melalui metode biologi.

Metode biologi untuk memproduksi hidrogen melalui proses biophotolysis langsung dan tak langsung, photo – fermentation, dan dark fermentation.

Ada 3 golongan bakteri penghasil hidrogen yaitu :

-          Cyanobacteria, bakteri yang langsung menghasilkan hidrogen dengan cara mendekomposisi air dengan bantuan sinar matahari melalui proses fotointesis.

-          Bakteri anaerobik, menggunakan bahan organik sebagai sumber elektron dan sumber energi dan hasil konversi bahan organik adalah hidrogen.

-          Mikroalga (alga hijau dan biru), melalui proses biophotolysis air dapat menghasilkan hidrogen.

Dapat disimpulkan bahwa semua proses produksi hidrogen secara biologi sangat tergantung kepada enzim hidrogenase dan nitrogenase. Enzim hidrogenasi dan nitrogenase berperan dalam metabolisme sel untuk mengkatalisis reaksi pembentukan hidrogen.

a.    Dark Fermentation ( fermentasi gelap )

Fermentasi gelap adalah jenis fermentasi yang tidak memerlukan cahaya matahari. Pembuatan hidrogen dengan dark fermentation dari senyawa-senyawa organik dibantu oleh mikroorganisme anaerob  yang ditumbuhkan di dalam substrat yang kaya karbohidrat tanpa energi sinar matahari.

Pada dark fermentation, bakteri Enterobacter cloacae atau Clostridium sp. dapat menghasilkan hidrogen sepanjang hari dari substrat sumber karbon dan memberikan produk samping berupa asam butirat, asam laktat, dan asam asetat. Proses ini berjalan secara anaerobik (Hussy dkk., 2003). Proses ini dapat dilakukan pada tiga kondisi yang berbeda yaitu pada suhu rendah (298-313 K), menengah (313-338 K), suhu tinggi (338-353 K) dan >353 K. Menghasilkan campuran gas hidrogen, CO dan sedikit metana.

Keuntungan cara fermentasi dalam produksi hidrogen adalah degradasi padatan dan zat organik kompleks yang terdapat pada limbah dan produk-produk pertanian dapat terjadi dengan cepat. Namun demikian, fermentasi hanya mengkonversi kira-kira 15% dari energi yang terkandung pada bahan baku tersebut menjadi hidrogen (Das dan Verziroglu, 2001). Reaksi:

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O  → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂    à   Persamaan 1.

Ketika produk akhir butirat, dihasilkan 2 mol H₂ :

C₆H₁₂O₆  → C₄H₈O₂ + 2CO₂ + 2H₂                                à   Persamaan 2.

Gambar 1. Produksi hidrogen melaui dark fermentation

b.   Photo Fermentation ( fermentasi terang )

Menggunakan jasa bakteri sulfur dan sinar matahari, asam organik sederhana dengan kandungan N terbatas melalui pembentukan enzim nitrogenase. Pada kondisi anaerobik bakteri sulfur dapat memanfaatkan asam organik atau hidrogen sulfid sebagai donor elektron. Elektron dipindahkan ke nitrogenasi dengan bantuan ATP. Apabila tidak ada nitrogen maka enzim tersebut dapat mereduksi proton menjadi hidrogen dengan suplai energi dari ATP. Reaksinya :                   sinar matahari

C₆H₁₂O₆   +  12H₂O                           12H₂    +  6CO₂    à  Persamaan 3.

Fotofermentasi, perubahan bahan organik melalui bakteri fotosintetik pengikat nitrogen, dapat menghasilkan biohidrogen yang lebih tinggi, akan tetapi sistem masih bergantung pada cahaya.

Gambar 2. Skema photo-fermentation

Kombinasi antara dark fermentation dan photo fermentation dalam sistem hibrid dua tahap dapat meningkatkan produk hidrogen yang diperolehnya (Nat dan Das, 2004). Pada tahap pertama, biomassa difermentasi menjadi asam asetat, karbon dioksida, dan hidrogen dalam thermophilic dark fermentation. Selanjutnya pada tahap ke dua, asam asetat dikonversi menjadi hidrogen dan karbon dioksida (Nath dan Das, 2006). Dengan proses kombinasi ini, hidrogen yang dihasilkan diperkirakan mendekati hasil teoritisnya, yaitu 12 mol hidrogen per mol glukosa atau 24 g hidrogen per 180 g glukosa. Proses produksi hidrogen secara biologis terjadi pada suhu lingkungan dan tekanan atmosferis. Dengan demikian, proses ini lebih hemat energi jika dibandingkan dengan produksi hidrogen dengan cara lain.

2.4.       Reaksi Fermentasi Hidrogen

Bakteri penghasil hidrogen diklasifikasikan menjadi 2 jenis oleh perbedaan dalam reaksi enzim. Salah satunya adalah bakteri dengan hidrogenase, dan yang lainnya dengan nitrogenase.

è      Persamaan 4.

è      Persamaan 5.

Seperti ditunjukkan pada reaksi di atas, hidrogenase mengkatalis reaksi kebalikan dari evolusi dan penyerapan hidrogen. Disisi lain, reaksi oleh nitrogenase membutuhkan energi ( ATP ). Pada fermentasi anaerob, reaksi oleh hidrogenase utamanya diperiksa. Penggambaran reaksi fermentasi hidrogen adalah sebagai berikut :

è      Persamaan 6.

è      Persamaan 7.

Gambar 3. Menunjukkan jalur fermentasi hidrogen. Hidrogen terbentuk dari hidrogenase baik melalui NADH dan ferrredoxin, melalui ferredoxin saja, atau melalui format-liase. Dalam proses fermentasi hidrogen, hidrogen diproduksi dari dekomposisi oksidatif dari substrat organik. Oleh karena itu, fermentasi hidrogen digunakan dalam perlakuan limbah dan air limbah. Dalam kasus tersebut, perlakuan berikut seperti fermentasi metana atau metode lumpur aktif diperlukan, karena proses fermentasi hidrogen menyertai produksi asam organik. Laju reaksi fermentasi hidrogen cepat dibandingkan dengan fermentasi metana. Hal ini mungkin menjanjikan pada metode pra – perlakuan fermentasi metana.

                                                 

Gambar 3. Jalur Fermentasi Hidrogen

2.5.       Efisiensi Energi Fermentasi Hidrogen

Karena proses fermentasi hidrogen menyertai produksi asam organik, perlu untuk mempertimbangkan gabungan sistem total dengan metode perlakuan berikutnya seperti fermentasi metana. Dalam proses fermentasi hidrogen, 4 mol hidrogen secara teoritis dihasilkan dari 1 mol glukosa ( Persamaan 6 ). Ketika kemudian membentuk asetat dan digunakan untuk fermentasi metana dan diubah menjadi metana, reaksinya ditunjukkan sebagai berikut :

è     Persamaan 8.

Reaksi total metana – hidrogen fermentasi dua – tahap ditunjukkan sebagai berikut :

è     Persamaan 9.

Jumlah nilai panas yang tinggi dari produk ini adalah 2,924 MJ ( 2924 kJ ). Disisi lain, pada fermentasi metana saja, reaksinya ditunjukkan sebagai berikut :

è    Persamaan 10.

Nilai kalor tinggi produk dari persamaan 10. adalah 2,671 MJ ( 2671 kJ ) jelas terlihat dari hasil ini bahwa hasil energi dari fermentasi hidrogen – metana meningkat 10 % dibandingkan dengan fermentasi metana saja.

2.6.       Produk Fermentasi Hidrogen

Produk gas berevolusi dari fermentasi hidrogen dan metana mungkin dapat digunakan untuk bahan bakar sel yang memiliki efisiensi konversi energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin gas dan mesin gas. Metana dari fermentasi metana harus menjadi hidrogen untuk bahan bakar sel.

è    Persamaan 11.

Karena persamaan 11. adalah reaksi endotermik, pasokan energi dibutuhkan untuk melanjutkan reaksi. Umumnya, gas metana diubah menjadi gas hidrogen dengan katalis nikel pada 650 – 750 ^oC. Disisi lain, dalam fermentasi hidrogen, hasil energi lebih tinggi dari fermentasi metana dan konversi katalitik dari metana tidak diperlukan untuk membuat gas hidrogen menjadi bahan bakar sel.

2.7.       Faktor yang mempengaruhi Proses Fermentasi

Aktivitas metabolisme mikroorganisme penghasil hidrogen tergantung pada faktor :

-          Temperatur

Temperatur mempengaruhi  aktivitas bakteri penghasil hidrogen dan laju produksi  (Nath et al,  2006).  Reaksi fermentasi gelap hidrogen dapat dioperasikan  pada temperatur yang berbeda : mesofilik (25-40^oC), termofilik (40-65^oC), ekstrim termofilik (65-80^oC), atau hipertermofilik (>80^oC) (Levin et al,2004). Kebanyakan  percobaan fermentasi gelap menggunakan temperatur sebesar 35-55^oC. Proses ekstrim termofilik memberikan sejumlah keuntungan dibandingkan dengan termofilik dan mesofilik.

Pertama, produksi hidrogen lebih tinggi pada kondisi ekstrim termofilik daripada  kondisi mesofilik dan termofilik. Telah dilaporkan bahwa fermentasi anaerobik hidrogen secara ekstrim termofilik dapat menghasilkan produksi hidrogen yang lebih banyak dan laju produksi hidrogen yang lebih tinggi daripada fermentasi hidrogen secara mesofilik (Van Groenestijin dkk., 2002). Telah dilaporkan juga bahwa pada kondisi ekstrim termofilik (70^oC), hasil hidrogen mencapai maksimum secara teoritis yaitu 4 mol hidrogen per mol glukosa, sedangkan pada kondisi mesofilik dan termofilik normalnya adalah kurang dari 2 mol hidrogen per mol glukosa (Van Niel  dkk.,  2002).

Kedua, ekstrim termofilik memiliki kemampuan memusnahkan patogen yang lebih baik pada  digested residu yang ditunjukkan pada temperatur tinggi (Sah Istrom, 2003).

Ketiga, meminimalisasi kontaminasi oleh pengkonsumsi hidrogen, seperti metanogen. Hellenbeck  (2005), melaporkan bahwa pada fermentasi dengan temperatur tinggi lebih disukai secara termodinamik bagi reaksi penghasil hidrogen karena temperatur yang tinggi menghasilkan peningkatan entropi, dan menjadikan fermentasi gelap hidrogen lebih berenergi sementara utilitas proses hidrogen berdampak negatif dengan kenaikan temperatur (Amend dan Shock, 2001).

Bakteri ekstrim termofilik menunjukkan toleransi yang lebih baik pada tekanan parsial hidrogen yang tinggi yang akan menyebabkan pergantian metabolik pada cara penghasil nonhidrogen, seperti produksi pelarut (Niel dkk., 2003).

-          Derajat keasaman

Derajat keasaman memiliki efek terhadap aktivasi  enzim mikroorganisme, karena setiap enzim aktif hanya pada kisaran pH yang bersifat spesifik dan mempunyai aktivitas maksimum pada pH optimalnya (Lay  dkk., 1997).

Penelitian hidrogen telah mengakui bahwa pH adalah salah satu kunci faktor yang mempengaruhi produksi hidrogen. Fermentasi hidrogen  bersifat sensitif terhadap pH dan pokok dari produk akhir (Craven,  1998). Telah banyak penelitian untuk memproduksi hidrogen dari limbah padat.

Hasilnya mengindikasi bahwa kontrol pH merupakan hal yang sangat penting untuk memproduksi hidrogen. Telah dilaporkan juga bahwa  dibawah pH yang tidak optimal proses fermentasi hidrogen digantikan oleh produksi pelarut (Temudo dkk., 2007), atau memperlama fasa lag (Liang, 2003). Produksi laktat selalu diobservasi bersamaan dengan perubahan parameter lingkungan yang terjadi secara tiba-tiba, seperti pH, HRT, dan temperatur, yang mengindikasikan biakan bakteri tidak beradaptasi dengan kondisi lingkungan yang baru (Temudo  dkk.,  2007). 

Liu  dkk.  (2006) menemukan bahwa pada fermentasi gelap hidrogen secara mesofilik memiliki pH optimal sekitar 5-5,5. Sementara itu, fermentasi hidrogen pada temperatur ekstrim termofilik pada semua publikasi menggunakan pH 6,5-7,5.

Van Niel  dkk.  (2002) menggunakan biakan murni dari Caldicellulosiruptor saccharolyticus  dan Thermatoga elfii  untuk fermentasi gelap hidrogen menggunakan bahan baku sukrosa dan glukosa pada temperatur 70^oC. pH yang utama adalah 7 dan 7,4 melalui eksperimen tersebut.

Schroder et al (1994) menggunakan biakan murni dari Thermatoga maritime dengan menggunakan substrat glukosa pada temperatur 80^oC dan kontrol pH 6,5.

Kadar et al. Irma Suraya  (2004) melaporkan produksi hidrogen dari  sludge  hidrolisat kertas dengan biakan murni Caldicellulosiruptor saccharolyticus pada pH 7,2.

Dari keseluruhan penelitian ini mengindikasi bahwa kebanyakan bakteri ekstrim termofilik penghasil hidrogen lebih menyukai pH netral sebagai pH optimum. Penelitian biakan campuran  bakteri ekstrim termofilik yang diadaptasi dari pupuk juga melaporkan bahwa pH optimum adalah 7 (Yokoyama dkk., 2007).

-          HRT

HRT juga merupakan parameter yang penting bagi proses fermentasi gelap. Pada sistem CSTR, HRT yang singkat digunakan untuk membersihkan metanogen yang  tumbuh lambat dan memilih bakteri penghasil asam (Chen  dkk.,  2001), sementara laju cairan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan hidrolisis limbah organik yang buruk (Han dan Shin, 2004). Pada sistem CSTR, Kim  dkk.  (2004) melaporkan bahwa HRT yang singkat  (< 3 hari) akan menghasilkan produksi hidrogen karena metanogen membutuhkan lebih dari HRT 3 hari. Normalnya pada proses anaerobik, pH dan HRT adalah pasangan parameter : HRT yang singkat menghasilkan pH yang rendah. Antara pH dan HRT telah didemonstrasikan sebagai cara yang efektif untuk memisahkan bakteri penghasil hidrogen dan  archaea pengkonsumsi hidrogen pada kondisi mesofilik dan termofilik (Oh  dkk.,  2004). Meskipun efek pH dan HRT saling berhubungan tidak ada penelitian resmi yang telah mengisolasi efek dari kedua parameter ini secara terpisah (Dawei Liu, 2008). Bagi fermentasi HSW pada temperatur ekstrim termofilik, HRT harus tidak boleh kurang dari 2 hari, jika tidak akan dihasilkan hidrolisis dan pembersihan bakteri metanogen yang buruk. Diindikasi juga bahwa metanogen masih dapat tumbuh dan mengkonsumsi hidrogen (Dawei Liu, 2008). 

Tekanan Parsial Hidrogen dan Karbondioksida

  Akumulasi hidrogen dan karbondioksida dapat menyebabkan penekanan

produksi dan formasi dari produk yang berkurang secara berturut-turut.

 Irma Suraya 

08 0405 001

Universitas Sumatera Utara  

a.     Tekanan Parsial Hidrogen

Konsentrasi hidrogen pada fasa cair berhubungan dengan tekanan parsial

hidrogen yang merupakan salah satu kunci faktor yang mempengaruhi produksi hidrogen

(Hawkes  dkk.,  2002). Tekanan parsial H2  (pH2) adalah faktor yang sangat penting

terutama bagi sintesis H2 secara kontinyu (Hawkws dkk., 2007). Alur sintesis hidrogen

bersifat sensitif bagi konsentrasi H2  dan merupakan penghambat produk akhir karena

meningkatnya konsentrasi H2 menyebabkan sintesis H2  berkurang dan alur metabolik

berganti menjadi produksi substrat seperti laktat, etanol, aseton, butanol, atau alanin

(Tamagnini et al., 2002). Sintesis H2 secara kontinyu membutuhkan pH2 sebesar 50 kPa

pada temperatur 60o

C (Lee dan Zinder, 1998). 20 kPa pada temperatur 70o

C (Van Niel

dkk.,  2002), dan 2 kPa pada temperatur 98  o

C dibawah kondisi standart (Levin  dkk.,

2004).

b.  Tekanan Parsial Karbondioksida

Pada kasus karbondioksida, konsentrasi H2  yang tinggi dapat menyebabkan

produksi fumarat atau suksinat, yang berkontribusi mengkonsumsi elektron, sehingga

produksi hidrogen berkurang (Tanisho  dkk.,  1998).  Tanisho et al. Juga melaporkan

bahwa penghilangan CO2 dapat meningkatkan produksi hidrogen pada fermentasi gelap.

Setelah CO2  dihilangkan, produksi hidrogen meningkat  dua kali semula. Terlebih lagi

ketika CO2  dihilangkan dari cairan dengan  sparging  gas argon dan gas hidrogen,

dibandingkan tekanan parsial hidrogen, tekanan parsial CO2 memiliki efek penghambat

yang lebih besar pada proses fermentasi gelap.   

Belakangan ini gas CH4   digunakan sebagai sparging gas untuk menghilangkan

hidrogen dan karbondioksida dari cairan. Gas sparging menghasilkan peningkatan yang

signifikan terhadap produksi hidrogen (88%). Mizuno  dkk.  (2000) melaporkan bahwa

produksi hidrogen meningkat sebesar 68% setelah mengalami sparging dengan gas N2.

-          Tekanan parsial Hidrogen dan Karbondioksida

-          Konsentrasi Asam Organik

-