PRODUKSI BIOHIDROGEN DARI LIMBAH BUAH: PENGARUH SENYAWA PENGHAMBAT BAWAAN PADA FERMENTASI TANPA CAHAYA

KHAMDAN CAHYARI, Dr. Ir. Sarto, M.Sc.; Muslikhin Hidayat, ST, MT, Ph.D.; Ir. Siti Syamsiah, Ph.D; Prof. Mohammad J. Taherzadeh

2018 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK KIMIA

Kebijakan Energi Nasional menargetkan pemenuhan bauran energi nasional sebesar 23% tahun 2025 dan 31% tahun 2050 berupa energi baru dan terbarukan. Berbagai upaya strategis terus dikembangkan untuk memenuhi target tersebut, salah satunya ialah produksi energi terbarukan gas hidrogen yang bersih, bebas emisi CO2, dan efisiensi konversi energi tinggi dari limbah biomassa organik melalui metode fermentasi tanpa cahaya. Salah satunya, limbah buah yang dihasilkan dari proses budidaya, pemanenan, pengolahan, transportasi dan pola konsumsi berbagai jenis buah yang mencapai lebih dari dari 5,4 juta ton pada tahun 2015 (30% dari total buah dipanen). Penelitian ini dimaksudkan untuk mempelajari potensi produksi gas H2 melalui proses fermentasi pengolahan limbah buah. Metode fermentasi dilakukan pada kondisi mesofilik (30C, 1 atm, pH 5) dan kondisi termofilik (55C, 1 atm, pH 5) dengan substrat buah jeruk, pisang, apel, anggur, melon dan campuran kelima jenis buah tersebut. Buah pisang dan melon mewakili jenis buah dengan serat tinggi, buah anggur dan apel mewakili jenis buah dengan kadar gula terlarut tinggi, buah jeruk dan melon mewakili buah dengan kandungan zat antimikroba limonen dan eugenol yang tinggi. Proses fermentasi dilakukan secara batch untuk mengevaluasi faktor jenis buah, rasio substrat terhadap inokulum, dan efek zat antimikroba limonen dan eugenol. Selain itu, fermentasi kontinyu dilakukan untuk menguji pengaruh nilai organic loading rate (OLR) dan hydraulic retention time (HRT) terhadap kecepatan produksi dan yield gas H2. Pendekatan model matematis Gompertz termodifikasi, Logistics, General 3 Parameters Gompertz (G3PG), dan General 2 parameters Gompertz (G2PG) dilakukan untuk mengevaluasi nilai kecepatan produksi gas dan yield gas H2. Kecepatan produksi gas dan yield H2 dipengaruhi oleh jenis buah dengan kandungan serat, gula terlarut, rasio C/N dan zat antimikroba di dalamnya. Hasil tertinggi diperoleh pada fermentasi substrat campuran buah sebesar 1,5 ml H2/jam dan 397 ml H2/g VS. Substrat buah dengan kandungan gula terlarut yang tinggi, kandungan serat yang rendah, rasio C/N 45 dan kadar zat antimikroba (limonen dan eugenol) rendah memberikan hasil produksi gas yang terbesar. Faktor rasio substrat terhadap inokulum (RSI) mempengaruhi kecepatan pertumbuhan biomasssa maksimal (miu max) dengan nilai tertinggi pada RSI 58 sebesar miumax 0,569 1/jam. Zat limonen dan eugenol di dalam fermentasi substrat buah jeruk dan buah melon secara berurutan menunjukkan penghambatan produksi gas H2 mengikuti jenis pure non-competitive inhibition. Evaluasi parameter kecepatan produksi gas dan yield H2 berdasarkan keempat model kurva sigmoid menunjukkan akurasi yang teliti dengan faktor korelasi koreksi (R2) mendekati 1. Uji produksi gas H2 pada sistem kontinyu juga berhasil dilakukan dengan reaktor alir tangki berpengaduk pada variasi nilai OLR. Nilai OLR yang semakin besar, memperkecil nilai yield gas H2 dengan rekomendasi OLR pada kisaran 2 - 4 g VS/(l.hari). Yield gas H2 tertinggi diperoleh dari substrat campuran buah sebesar 235 ml H2/g VS dengan kecepatan produksi gas sebesar 155 ml H2/(l.hari). Penelitian ini menunjukkan bahwa limbah buah memiliki potensi yang strategis untuk diolah menjadi gas H2 pada skala yang lebih besar dengan kondisi operasi optimal yang telah diperoleh. Keberhasilan implementasi teknologi fermentasi untuk memproduksi energi terbarukan gas H2 diharapkan dapat menjadi kontribusi positif dalam memenuhi target bauran energi nasional pada tahun 2025 dan 2050.

The Government of Indonesia has enacted a National Energy Policy on the fulfillment of national energy mix as much as 23% by 2025 and 31% by 2050 in the form of new and renewable energy. Strategic efforts have been developing to achieve this goal, one of which is to produce clean, carbon free emission and renewable energy of hydrogen utilizing organic waste through dark fermentation. Among many type of the organic waste, a collection of fruit waste generating from cultivation, harvesting, postharvesting, transportation and consumption of various fruits has reached more than 18 million ton of the waste in 2014. This research was meant to investigate the potency of H2 production through dark fermentation method utilizing fruit waste as raw material. Fermentation method was conducted at both mesophilic (30C, 1 atm, pH 5) and thermophilic (55C, 1 atm, pH 5) condition using organic raw materials of citrus, banana, apple, grape, melon and mixed of the fruits. Banana and melon represent type of fruits containing high dietary fiber, grape and apple represent type of fruits containing high soluble sugars content, while citrus and melon represent type of fruits containing antimicrobial agents i.e. limonene and eugenol. Fermentation was carried out in batch mode in order to investigate the effect of type of fruits, rasio of substrate to inoculum, and concentration of antimicrobial agents. In addition, continuous production of hydrogen was also performed in the investigation of the effect of organic loading rate and hydraulic retention time towards gas production rate and yield of H2. Mathematical model of Modified Gompertz, Logistics, General 3 Parameters Gomperts (G3PG) and General 2 Parameters Gompertz (G2PG) was explored to evaluate both gas production rate and H2 yield theoretically. Gas production rate (GPR) and H2 yield (HY) was significantly affected by the type of fruit containing fiber, soluble sugars, C/N ratio and antimicrobial agents. The highest value of both GPR and HY was originated from fermentation of Volumetrically Equal Mixed Fruits (VEMF) as much as 1,5 ml H2/hdan 397 ml H2/g VS. Substrate of fruit containing low fiber, high soluble sugars, and optimum C/N ratio of 45 as well as low concentration of antimicrobial agents has resulted this highest GPR and HY. Initial substrate-to-inoculum ratio (SIR) of fruit substrate fermentation affected maximum microbial growth rate (miu max) with the highest at SIR 58 as much as miu max =0,569 1/jam. Limonene and eugenol content in citrus and melon fruit respectively, has played significant role in determining the inhibition reaction which follows pure non-competitive inhibition. Evaluation of GPR and HY based on the four mathematical model was conducted high accuracy at correlation factor (R2) approaches the value of 1. Investigation on continuous H2 production using continuous stirred tank reactor (CSTR) was also successfully performed at various OLR values. The higher OLR, the lower H2 yield so that it was recommended to choose OLR values of 2 - 4 g VS/ (l.d). The highest H2 yield was obtained from fermentation of mixed fruits accounting for 235 ml H2/g VS at gas production rate 155 ml H2/ (l.d). In summary, this research shows that valorizing fruit waste into renewable and clean energy of hydrogen has strategic potency to be scale up based on the optimum operation condition in this research finding. The success of this fermentation technology is expected to contribute in providing the target of national energy mixed by 2025 and 2050.

Kata Kunci : hydrogen, renewable energy, fruit waste, fermentation, indigenous antimicrobial agent