The Potential of White Biotechnology: BREW Project

BREW Project adalah sebuah studi yang menyelidiki tentang peluang dan resiko jangka panjang dari suatu produksi bahan kimia organik melaui proses bioteknologi. Tujuan dari studi ini adalah untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik mengenai hal teknis, ekonomis dan kelangsungan dari White Biotechnology pada dekade mendatang. 

Pertanyaan kuncinya adalah 1) produk yang mana yang dapat dibuat dengan proses White Biotechnology, 2) apakah produk-produk ini dapat berkontribusi dalam penghematan energi dan pengurangan emisi gas rumah kaca, 3) resiko apa yang mungkin berasal dari penggunaan organsisme hasil rekayasa genetika dalam fermentasi dan 4)apakah persepsi Masyarakat tentang hal ini. 

Sedangkan ruang lingkup yang masuk dalam kajian BREW Project adalah pada proses-poses yang menggunakan White Biotechnology (konversi dengan fermentasi atau enzymatic), umpan (feedstock) yang berasal bahan-bahan terbarukan, produk skala besar (bulk) dan State-of-the-art pengembangan teknologi dalam waktu 2-3 dekade mendatang. 

White biotechnology, penggunaan prinsip-prinsip bioteknologi pada produksi skala industri, sedang mendapat momentum yang bagus di Uni Eropa. Secara umum diharapkan bahwa white biotechnology dapat berkontribusi untuk menguasai beberapa tantangan sosial yaitu:

• Berkontribusi pada persaingan internasional dari Industri Kimia Uni Eropa melalui inovasi produk dan proses dan teknologi yang memimpin
• Menghemat sumberdaya dan mengurangi dampak lingkungam dari industri kimia melalui “penghijauan” industri kimia
• Mengekploitasi biomasa sebagai bahan baku untuk produksi bahan kimia dan energi

Bioteknologi telah lama mengambil peran dalam produksi obat-obatan, fine chemicals dan specialty chemicals dan diharapkan bioteknologi dapat diperluas diluar sektor-sektor itu dalam jangka pendek dan menengah. Namun terdapat banyak ketidakpastian mengenai kapan, bagaimana dan sejauh bioteknologi yang juga akan memainkan peran dalam produksi massal bahan kimia (bulk chemicals). Ini adalah tujuan dari proyek BREW untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini secara komprehensif, dengan mempertimbangkan perkembangan ilmiah-teknis maupun aspek ekonomi, dampak lingkungan dan sosial. 

Berdasarkan survei literatur telah dikembangkan ikhtisar mengenai bahan kimia yang dapat diproduksi melalui proses white biotechnology. Ini juga diketemukan bahwa beberapa bahan kimia berbasis bio telah diproduksi dalam skala massal pada masa saat ini, yang mana sangat bertentangan dengan catatan yang beredar luas bahwa bioteknologi tidak cocok untuk produksi bahan kimia secara masal. Meskipun, kebanyakan produk yang dipaparkan masih terhitung dalam jumlah yang kecil dari total produksi bahan-bahan kimia; dan penggunaan utama bahan ini (yang diproduksi dalam jumlah lebih dari 200 kiloton/tahun) adalah digunakan pada sektor makanan, pakan dan bahan bakar, bukan pada bahan kimia.

Pic 1. Bahan kimia yang dapat diproduksi melalui proses white biotechnology.

Tabel 1. Bio-based chemicals produced on bulk scale (> 20 kt/a) already today

Kemudian dari studi literatur tentang bahan-bahan pada gambar dan tabel diatas, dibuat suatu strategi untuk memilih beberapa bahan kimia yang potensial berdasarkan building block-nya dengan 2 pertimbangan strategis sebagai berikut:

• Bahan kimia yang sebagai pengganti langsung bahan-bahan yang berbasiskan petrokimia.
• Bahan kimia yang memliki fungsi similar dengan yang berbahan dasar fosil 

Dari kedua pertimbangan diatas terpilihlah 21 bahan kimia. Sebagai contoh, PTT yang dibuat dari bio-PDO dapat menggantikan PTT yang dibuat dari petro-PDO, namun bio-PDO pun akan bisa menggantikan PET atau polimer nylon, tergantung pada aplikasinya. Ketika mengkategorikan 21 bahan kimia menurut fase pengembangannya, BREW Project menemukan bahwa semua fase telah terwakilkan (ide, kelayakan, skala pilot dan komersialisasi). 

Bahan-bahan kimia yang dijadikan obyek studi diantaranya adalah: Acetic acid, Acetone/Butanol/Ethanol, Acrylamide, Acrylic acid, Adipic acid, Caprolactam, Citric acid, Ethanol, Lactic acid, Lysine, Mono-/Diglycerides, Oleyl oleate, Polyglycerol monoester, Polyhydroxyalkanoates, 1,3-Propanediol dan Succinic acid 

Saat ini, umpan yang potensial untuk sampai skala komersialisasi masih didominasi oleh gugus gula yaitu glukosa, sukrosa dan pati. Namun suatu saat nanti umpan berbasis lignoselulosa yang difermentasi akan bisa menghasilkan glukosa, xylosa dan arabinosa. Mengingat semakin banyaknya gliserol sebagai produk samping produksi biodiesel, gliserol juga memungkinkan sebagai umpan proses fermentasi. Yang terakhir, selain dari penggunaan umpan menggunakan bahan tersebut, White Biotechnology dapat juga menggunakan umpan hasil dari rekayasa tanaman (Green Biotechnology) jika dapat mempunyai sifat-sifat yang lebih baik, lebih murah atau memiliki keuntungan lain. 

Sampai saat ini, gula masih menjadi pilihan utama sumber umpan dari proses white biotechnology. Dengan menggunakan BREWTool, dibuatlah suatu skenario tentang produk turunan gula apakah yang masih layak secara ekonomis dan teknis pada harga gula yang berbeda-beda. Lebih jelasnya dapat dilihat pada table 2 dibawah.

Terlihat dari table diatas bahwa produk-produk tersebut akan menarik diproduksi pada harga gula berkisar 70 – 400 EU/ton. Studi ini menggunakan asumsi harga minyak mentah saat itu pada $25/barel. 

Berdasarkan studi BREW, sekarang negara-negara Eropa sedang giat mengembangkan berbagai proyek untuk menghasilkan produk-produk berbasiskan bio dengan memberikan subsidi kepada Lembaga Penelitian dan Industri yang bekerjasama dalam tahap pengembangan. 

Karena keterbatasan Eropa akan lahan dan sumber daya terbarukan di Eropa, berbagai konsorsium internation juga dibentuk, salah satunya adalah proyek ““High value-added products for the coating and plastics industry from byprod-ucts of biodiesel production by industrial white biotechnology processes”. Proyek ini merupakan kerjasama pemerintah Indonesia dan Jerman untuk mengembangkan bahan kimia baru dari produk samping produksi biodiesel (gliserol) untuk aplikasi di industri coating dan plastik.

Proyek yang dimotori oleh Fraunhofer (www.fraunhofer.de) ditargetkan selesai selama 3 tahun dan menghasilkan teknologi yang siap untuk dikembangkan pada skala komersial. Partner Indonesia yang terlibat dalam proyek ini adalah: BPPT, LIPI dan PT Sumi Asih. Sedangkan dari pihak Jerman adalah Fraunhofer, VTi, BMA, Synthopol dan GLYCTEC.

 

*)Artikel ini dterbitkan untuk Majalah Infokimia, edisi Oktober 2009.

Penguapan air part 2

Kali ini saya lanjutkan catatan tentang penguapan air sekaligus belajar Ilmu Fisika lanjutan. Waktu kita masih SMP ataupun SD, kta selalu diajari tentang perubahan wujud dan diantaranya perubahan wujud cair ke gas yang disebut sebagai “pendidihan” sebagai lawan kata dari pengembunan.

Karena informasi tentang penguapan belum banyak diberikan, saya beri penjelasan sebagai berikut: 

Penguapan hanya terjadi di antarmuka/interface antara cairan dan udara, sedang mendidih adalah penguapan yg terjadi di setiap bagian molekul cairan. Dalam setiap pendidihan, selalu terjadi penguapan, tetapi dalam penguapan belum tentu mendidih, jadi mendidih adalah bagian dari penguapan.

Pertanyaan lagi, kenapa terjadi penguapan di interface antara cairan dan udara??

• Kadar air di udara (kelembaban). Di dalam udara yang kita hirup selalu ada air dalam bentuk gas (uap air). Jumlah uap air di udara berbeda-beda, inilah yang disebut kelembaban udara. Jika kelembaban udara rendah, dimana kadar air di udara rendah, maka akan terjadi perpindahan massa di interface-nya. Perpindahan ini dipicu akibat terjadi perbedaan kadar air di permukaan cairan dan di permukaan. Pemicu terjadinya perpindahan massa ini adalah perbedaan konsentrasi uap air (di lapisan cairan : sangat kaya uap air, dilapisan udara : sangat miskin uap air, jika udara sudah sangat kaya akan uap air ini dinamakan kondisi jenuh atau saturated).

Di dalam Fisika kita tentu mengetahui adanya hal pemicu terjadinya perpindahan. Seperti perbedaan ketinggian yang menyebabkan aliran air dari atas kebawah, aliran angin disebabkan karena perbedaan tekanan udara. Hal ini dinamakan sebagai Driving Force, seperti juga uang mampu menarik warga dari segala daerah ke Jakarta.

• Suhu dan Tekanan Udara. Suhu dan Tekanan udara mempengaruhi kelembabannya, jika tekanan makin tinggi tentu kelembaban makin rendah (berbanding terbalik). Jika Suhu tinggi maka kelembaban tinggi (berbanding lurus).
• Suhu air. Jika suhu air makin tinggi maka pergerakan molekul dalam air akan semakin cepat dan terjadi tumbukan antar molekul, sehingga akan semakin mempercepat proses perpindahan massa dari cairan ke gas (berbanding lurus).

Kelembaban Udara

Air akan menguap sehingga kadar uap air di udara naik (kelembaban naik) sampai mencapai titik jenuhnya. Apa yang terjadi jika sudah mencapai titik jenuh???? Pengembunan.

Catatan sebelumnya: Penguapan air part 1

Penguapan Air

Berdasarkan pengalaman seorang kenalan saya di milis Kampung-UGM yang melakukan wawancara ke lulusan Teknik Mesin di salah satu Universitas ternama, liputannya ada disini.

Waktu itu beliau meminta para warga milis untuk memberikan ide apa untuk wawancara tersebut, dan saya punya ide bikin pertanyaan dibawah:

“Tanyain suhu air menguap pada tekanan atmosfer mas. Banyak lulusan teknik mesin UGM yang nggak bisa njawab tuh”, begitu titipannya.

Eh … bener, ketika kutanyakan nggak ada yang bisa njawab tuh.Lucunya, aku sendiri sebenarnya juga nggak bisa njawab, begitu juga bank Al, yang kukenal pintar, ternyata katanya juga nggak bisa njawab.

Jadi masalahnya, apa pertanyaannya yang terlalu sulit ya?Jangan-jangan malah anak SMP yang bisa njawab.

Sebenarnya saya ingat pertanyaan ini berdasarkan keseringan saya ngobrol dengan anak-anak Mesin pas weekend, karena dulu pernah satu kos dengan 6 orang lulusan mesin. Kebetulan kawan-kawan akrab saya tersebut agak kesulitan menjawab pertanyaan itu.

Saya maklum dengan itu, karena dulu sejarahnya Teknik Kimia diciptkakan oleh beberapa Profesor Teknik Mesin yang bingung untuk mengetahui fenomena didalam suatu alat (reaktor, bejana, heat exchanger dll.). Lalu seiring dengan perkembangan, ilmu itu malah menjadi disiplin tersendiri yang pada akhirnya tidak begitu diperhatikan lagi oleh Insinyur Mesin itu sendiri.

Sebenarnya jawaban dari perntanyaan itu gampang saja kalau sudah tahu, yaitu:

Pada keadaan dimana kelembaban udara rendah, air akan menguap di suhu berapapun, sebelum mencapai titik didihnya

Kebanyakan orang akan menjawab 100 derajat celcius jika ditanya berapa suhu air menguap, padahal itu adalah suhu air mendidih. Terus kenapa air kok bisa menguap mas?

Walah, kok susah-susah begini, mbok mending cari jawabannya sendiri, karena berdasarkan kata pepatah:

“Malu bertanya sesat di jalan, terlalu banyak bertanya jan goblok tenan”

Thermodynamics of Global Warming

Semakin besar energi yang dilepaskan, semakin mengarah kepada kekacauan sistem

“Ini adalah salah satu penjabaran hukum entropi”

Badai katrina, topan tornado, dll itu adalah contoh suatu fenomena kekacauan alam semesta ini. Lho kok bisa? Apa hubungannya dengan Entropi?

 

“Entropi adalah ukuran ketidaktreraturan sistem: Suatu sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya sedikit seperti kristal padat memiliki ketidakteraturan yang kecil atau entropi rendah. Sedangkan sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya banyak seperti gas memiliki ketidakteraturan besar atau entropi tinggi”

Maksudnya gini, padatan itu derajat ketidakteraturannya rendah, sedangkan gas ketidakteraturannya tinggi. Dengan metode interpolasi, maka cairan mempunyai derajat ketidakteraturan diantarnya.

Hubungan Entropi dengan Global Warming dan Badai Topan Macem2

Dari dalil diatas dapat kita simpulkan, bahwa proses konvesi zat menuju sistem dengan ketidakteraturan lebih tinggi (padat ke cair, padat ke gas, cair ke gas) akan meningkatkan entropi suatu sistem. Namanya aja meningkatkan ketidakteraturan mankanya akan semakin semrawut, ribut, acak adul dan sakpanunggalane.

Proses pembakaran merupakan proses yang sangat signifikan menaikkan angka entropi di sistem kita (“Bumi yang di selubungi atmosfir kita anggap sebagi sistem) karena disitu terjadi konvesi kimia dari padatan ke gas CO2 (batubara, kayu) dan cairan ke gas CO2 (minyak).

Walaupun CO2 akan terkonversi menjadi padatan lagi (ini proses kebalikannya, yang menurunkan entropi) melalui proses fotosintesa, tetapi secara agregat entropi meningkat atau dengan kata lain jumlah gas CO2 semakin meningkat.

Sekian pandangan Global Warming dari kaca mata Chemical Engineer.

Nothing’s Imposible

Tulisan pertama di blog ini adalah tentang bagaimana saya membahas kemungkinan apa yang terjadi di dunia ini beberapa hari lagi, beberapa bulan lagi, atau mungkin beberapa tahun lagi. Tidak ada yang bisa meramalkan secara pasti apa yang terjadi, namun semua kemungkinan bisa terjadi.
 

Semua kemungkinan bisa terjadi Kliwon!! Kata Barda Mandrawata.

1. Global Warming
Isu ini semakin hangat seiring meningkatnya kadar gas rumah kaca sehingga membuat Wapres US Al-Gore menerima nobel perdamaian dalam upayanya membujuk Amerika untuk meratifikasi Kyoto Protocol (masalah protocol ini akan saya bahas di blog yang lain). Dan yang masih segar, PM Australia John Howard tumbang di pemilu, salah satu penyebabnya adalah lawannya menyerang dengan isu Ratifikasi Kyoto Protocol. Dampak yang munculpun mungkin sudah dirasakan di bernagai negara seperti mencairnya (sebagian) es di pegunungan Alpen, suhu udara yang naik, dan permukaan air laut yang naik. Kemungkinan apa yang akan terjadi? Dalam DVD yang Al-gore terbitkan mengenai global warming kemungkinan-kemungkinan itu begitu ngeri. Saya belum menontonnya, saya hanya melihat sekilas presentasinya di Oprah Winfrey Show.

2. Harga Minyak Bumi
Hal ini menjadi topik yang lebih panas daripada global warming karena dampaknya akan lebih cepat terasa. Yang paling was-was adalah dari kalangan usaha yang akan rugi karena biaya untuk pembelian bahan bakar akan melonjak. Pemerintah kitapun juga sudah membuat berbagai langkah untuk mengamankan APBN kita. Ada yang meramalkan bahwa harga minyak bisa mencapai USD 120/barrel (dolarnya yang turun atau harga minyaknya yang naik sih!!!)

3. Flu Burung

Ini juga masih belum terpecahkan. Penyakit ini jika sudah mampu menular antar-manusia, akan berakibat luar biasa bagi manusia.

 

Mungkin itu ancaman-ancaman yang akan kita hadapi bersama. Tetapi, semua kemungkinan bisa terjadi……………..