BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi fosil telah menjadi bagian yang integral dari kehidupan

manusia, bahkan lebih lama dari yang terpikirkan oleh kalangan awam.

Seep, atau minyak bumi dari lubang alami, telah digunakan oleh

bangsa Sumeria dan Babilonia lebih dari 5000 tahun yang lalu sebagai

bahan pemumian jenazah, dan bangsa Persia pada tahun 480 SM

sebagai senjata, berupa panah api (Encyclopaedia Britannica, 2007).

Namun, utilisasi dan ekstraksi minyak tanah – salah satu turunan

batubara – baru dimulai pada abad ke-19 (Curley, 2012:15).

Revolusi industri dan kemajuan ilmu pengetahuan telah

mengungkap bahwa energi fosil – dalam bentuk batubara, minyak

bumi, dan gas alam – memiliki manfaat yang besar dalam bidang

industri untuk menggerakkan motor dalam bidang industri,

transportasi, dan kemudian generator listrik. Manusia mulai

mengeksploitasi bahan bakar fosil, dan dalam waktu yang sangat

singkat, bahan bakar fosil – dengan berbagai produk turunannya –

menjadi komoditas penting yang diperdagangkan.

Di sisi lain, komunitas ilmiah di dunia mulai mempertanyakan

ketersediaan bahan bakar fosil, yang tidak dapat diperbarui dan meng-

hasilkan produk sampingan berupa karbon – yang juga berkontribusi

terhadap efek rumah kaca, dan akhirnya pemanasan global (Curley,

2012). Beberapa sumber energi alternatif telah diusulkan: angin,

pasang-surut, surya, nuklir, dan yang relatif baru, bioteknologi. Utilisasi

makhluk hidup, seperti Cyanobacteria (bakteri alga hijau-biru) dengan

rekayasa jalur metabolisme dapat menghasilkan bahan bakar sebagai

sumber energi. Salah satu bahan bakar produksi Cyanobacteria adalah

hidrogen (H2), yang mampu menghasilkan 150 kilojoule energi dalam

setiap gram (Quintana et al., 2011). Ini menarik perhatian penulis

1

untuk melakukan tinjauan tentang mekanisme dan optimisasi

pembuatan bahan bakar ini.

1.2. Rumusan Masalah

Bagaimana optimisasi produksi energi pada Cyanobacteria

melalui rekayasa jalur metabolisme, khususnya bahan bakar hidrogen?

1.3. Tujuan Penelitian

1. Mengetahui mekanisme produksi berbagai macam energi

terbarukan pada Cyanobacteria.

2. Menganalisis optimisasi produksi energi pada Cyanobacteria melalui

rekayasa jalur metabolisme, dengan fokus pada produksi hidrogen.

1.4. Manfaat Penelitian

Untuk Masyarakat Indonesia

Penelitian ini akan membuka wawasan masyarakat Indonesia

pada setidaknya tiga bidang: biologi, teknologi, dan energi. Tidak

hanya itu, masyarakat akan semakin antusias terhadap kedatangan

sumber energi baru-terbarukan, secara konsekuen, masyarakat akan

mulai beralih dari bahan bakar fosil ke bahan bakar berbasis

Cyanobacteria.

Untuk Akademisi

Peneliti akan mulai meningkatkan optimisasi Cyanobacteria

dalam produksi bahan bakar hidrogen. Akademisi akan mulai mencari

cara untuk memanfaatkan Cyanobacteria tidak hanya sebagai sumber

energi, namun juga berbagai potensi penggunaannya dalam bidang

medis, industri, dan pangan.

Untuk Perusahaan Produsen Energi dan Bahan Bakar

Perusahaan produsen energi dan bahan bakar, seperti

Pertamina, akan mampu mengimplementasi penggunaan

2

Cyanobacteria; dimulai dari skala kecil dan tentunya dilanjutkan agar

mampu menghasilkan energi baru-terbarukan yang menjangkau

seluruh masyarakat Indonesia. Dengan cara ini, Pertamina akan tetap

dapat berjaya sekalipun cadangan bahan bakar fosil sudah sangat

tipis.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Krisis Energi

Sekitar 85% energi yang digunakan oleh manusia saat ini

berasal dari bahan bakar fosil – yang termasuk minyak bumi, batubara,

dan gas alam (Quintana et al., 2011). Karena energi fosil bersifat tidak

dapat diperbarui, pengujian ilmiah dan penelitian berusaha mencari

sumber-sumber energi baru – baik yang terbarukan maupun yang

tidak.

Kecelakaan nuklir dan tingginya biaya relatif pembangunan

pembangkit listrik tenaga surya membuat komunitas ilmiah bingung

tentang sumber energi terbarukan yang aman dengan biaya yang

relatif sustainabel. Di tengah kebingungan itu, biomassa muncul

sebagai terobosan baru, yang dikatakan mencakup hingga 75% dari

seluruh sumber energi terbarukan (Hall dan Moss dalam Quintana et

al., 2011).

2.2. Cyanobacteria

Cyanobacteria, atau lebih dikenal dengan nama bakteri

ganggang hijau-biru, adalah filum organisme prokariotik yang

mendapatkan energi melalui proses fotosintesis. Cyanobacteria adalah

komponen yang penting dari rantai nitrogen di laut, dan juga

merupakan produsen primer – tidak hanya di laut, tetapi juga di air

tawar. Cyanobacteria adalah satu-satunya kelompok makhluk hidup

3

yang mampu mereduksi nitrogen dan karbon dalam kondisi aerob

(Gault dan Marler, 2009:vii).

Hal yang menarik dari metabolisme Cyanobacteria adalah

kemam-puannya untuk menghasilkan tidak hanya karbohidrat –

melainkan juga protein dan lipid, bahkan etanol – sebagai produk

fotosintesis. Ini menjadikan ketiga bahan tersebut dapat dimanfaatkan

sebagai bahan bakar terbarukan.

2.3. Aplikasi Cyanobacteria sebagai Produsen Bahan Bakar

Cyanobacteria dapat diutilisasi untuk menghasilkan berbagai

macam bahan bakar terbarukan; seperti hidrogen, etanol, fotanol,

diesel, metana, dan energi listrik langsung.

2.3.1. Etanol

Cyanobacteria memiliki kemampuan untuk mengubah

secara langsung karbon dioksida menjadi hidrokarbon (Erdrich

et al., 2014). Etanol, sebagai bahan bakar, biasanya diproduksi

dari tanaman tebu dan jagung (Rittmann, 2008). Namun,

Cyanobacteria memiliki keuntungan tersendiri: bakteri-bakteri

ini melakukan fermentasi secara alami tanpa penambahan ragi.

Dalam keadaan normal, Cyanobacteria tidak

menghasilkan etanol sebagai sumber energi. Untuk menginduksi

Cyanobacteria supaya menghasilkan etanol, dapat dilakukan

rekayasa genetik, pemberian bahan baku selulosa, atau

penempatan bakteri dalam medium berkadar garam tinggi

(Carrieri et al., 2010). Namun, etanol memiliki kerugian

tersendiri – berupa kadar energi yang pembakaran yang lebih

rendah dan memerlukan distilasi bertahap yang membutuhkan

biaya relatif besar.

2.3.2. Fotanol

Fotanol merupakan pendekatan bahan bakar yang baru

diinisiasi pada tahun 2009 (Hellingwerf dan de Mattos dalam

Quintana, 2011). Pendekatan ini menggabungkan kemampuan

4

fotosintetik dan fermentasi pada Cyanobacteria, seperti

Synechocystis sp. PCC 6803.

Pada mikroorganisme fotoautotropik, karbon dioksida

diubah menjadi gula 3 karbon. Tetapi, metabolisme pada

organisme kemotropik mengubah berbagai bentuk gula menjadi

gula 3 karbon dan menghasilkan berbagai alkohol sebagai

produk sampingan. Strategi yang digunakan adalah memberikan

kemamouan kemotropi kepada Cyanobacteria, agar dapat

mengubah gula 3 karbon yang dihasilkan dari proses fotosintesis

menjadi alkohol – dengan efisiensi yang baik dari metode etanol

konvensional

2.3.3. Energi Listrik

Telah ada laporan bahwa beberapa mikroorganisme dapat

mengubah energi cahaya menjadi energi listrik menggunakan

sel elektrokimia (seperti sel Volta dan sel elektrolisis). Dalam sel-

sel ini, elektron berenergi tinggi yang berasal dari eksitasi

cahaya di fotosistem ditransfer ke mediator elektron, yang akan

memindah-kannya ke elektroda dan menghasilkan elektrisitas

(Quintana, 2011).

2.3.4. Hidrogen

Kemampuan produksi H2 pada organisme fotosintetik

ditemukan pertama kali pada tahun 1973, dan dalam satu

tahun, Anabaena cylindrica menjadi Cyanobacteria pertama

yang teridentifikasi untuk dapat melakukan sintesis H2

(Benemann dan Weare dalam Hansel dan Lindblad, 1998).

Hidrogen di sini merupakan produk akhir fermentasi, yang

melibatkan setidaknya tiga enzim: nitrogenase – yang

menghasilkan H2 dalam fiksasi nitrogen molekular, hidrogenase

uptake – yang mendaur ulang H2 dengan mengoksidasinya saat

fiksasi nitrogen, dan hidrogenase bidireksional, yang dapat

mengambil hidrogen bebas dan hidrogen teroksidasi.

5

Gambar 1. Metabolisme hidrogen pada Cyanobacteria (Hansel dan Lindblad, 1998)

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Metode Umum

Metode penelitian yang digunakan adalah studi pustaka, dengan

membandingkan luaran energi dari berbagai metode yang telah ter-

establish untuk menghasilkan energi terbarukan dari Cyanobacteria

dan menganalisis cara optimisasi produksi hidrogen menggunakan

Cyanobacteria.

3.2. Metode Optimisasi Produksi Hidrogen pada Cyanobacteria

‘Milking’ adalah metode novel yang diperkenalkan oleh Ananyev

et al., yang mampu meningkatkan produksi hidrogen pada

Cyanobacteria sampai 11 kali lipat jumlahnya dan 3,4 kali lipat lajunya

(Ananyev et al., 2012).

6

Dalam metode ini, kultur ditaruh dalam kondisi anoksik gelap.

Pada kondisi seperti ini, Cyanobacteria akan langsung memulai katabo-

lisme cadangan karbohidrat untuk keperluan energi wajib kehidupan

seperti ATP, NAD(P)H, dan FDx tereduksi; sekaligus menghasilkan

produk sampingan fermentasi – seperti hidrogen (Stal dan Moezelaar,

1997).

Gambar 2. Metode ‘milking’ (Ananyev et al., 2012)

Selain itu, ada pendekatan lain untuk melakukan metode

‘milking’ ini. H2 dapat diambil secara terus-menerus dari medium

melalui inkubasi autofermentatif. Secara bioteknologis, pendekatan ini

dapat digunakan untuk secara kontinyu mengonsumsi H2 yang

diproduksi dari kultur Cyanobacteria dan menghasilkan arus listrik

(Ananyev et al., 2012).

7

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 1. Produksi berbagai macam energi oleh Cyanobacteria dalam

kilojoule/tahun (Quintana et al., 2011)

8

Dari tabel produktivitas Cyanobacteria di atas, bahan bakar

hidrogen memiliki efisiensi produksi yang paling tinggi, yaitu 400

µmol/L jam yang jika dikonversikan ke dalam energi menghasilkan

hingga 1012 joule per tahun (Quintana et al., 2011). Produktivitas ini

dapat dicapai dengan menggunakan metode ‘milking’ yang merupakan

kombinasi dari kondisi afotik anoksik dan inkubasi autofermentatif.

BAB 5

KESIMPULAN

Cyanobacteria, bakteri ganggang hijau-biru, merupakan salah

satu produsen energi bioterbarukan yang menjanjikan, sebagai salah

satu upaya untuk mengatasi krisis energi global. Penggunaan metode

‘milking’ sebagai rekayasa metabolisme pada produksi hidrogen

sebagai bahan bakar Cyanobacteria akan meningkatkan produktivitas

secara signifikan.

9

DAFTAR PUSTAKA

Ananyev, GM, et al.. 2012. Enhancing Biological Hydrogen Production

from Cyanobacteria by Removal of Excreted Products. J.

Biotechnol. (2012),

http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiotec.2012.03.026.

Carrieri et al.. 2010. Boosting Autofermentation Rates and Product

Yields with Sodium Stree Cycling: Application to Renewable Fuel

Production by Cyanobacteria. Appl Environ Microbiol 76:6455-

6462.

Curley, Robert (editor). 2012. Energy: Past, Present, and Future | Fossil

Fuels. New York: Britannica Educational Publishing.

Encyclopedia Britannica. Petroleum – Exploitation of Surface Seeps.

Diperoleh dari http://www.britannica.com/ebc/article-50695,

diakses pada tanggal 17 November 2015, pukul 9.01 WIB.

10

Erdrich, Philipp et al.. 2014. Cyanobacterial Biofuels: New Insights and

Strain Design Strategies Revealed by Computational Modeling.

Microbial Cell Factories 2014, 13:128.

Gault, Percy M. dan Harris J. Marler (eds.). 2009. Handbook on

Cyanobacteria: Biochemistry, Biotechnology, and Applications.

New York: NOVA Publishing.

Hansel, A. dan P. Lindblad. 1998. Towards Optimization of

Cyanobacteria as Biotechnologically Relevant Producers of

Molecular Hydrogen, A Clean And Renewable Energy Source.

Appl Microbiol Biotechnol (1998) 50:153-160.

Quintana, Naira et al.. 2011. Renewable Energy from Cyanobacteria:

Energy Production Optimization by Metabolic Pathway

Engineering. Appl Microbiol Biotechnol (2011) 91:471-490.

Rittmann, BE. 2008. Opportunites for Renewable Bioenergy using

Microorganisms. Biotechnol Bioeng 100(2):203-212.

Stal, L.J., Moezelaar, R.. 1997. Fermentation in Cyanobacteria. FEMS

Microbiology Reviews 21(2):179-211.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Kode Peserta : 150704013

Nama : Timotius Wira Yudha

Nomor Mahasiswa : 04121401065

Jenis Kelamin : L

Tempat/Tanggal

Lahir

: Palembang/11 Juni 1995

Alamat Rumah : Jl. Residen Abdul Rozak,

Kompleks Kedamaian

Permai, Blok AA2

Palembang 30114

11

No. Telp/HP : 08117120611

Alamat Email : timothyqiu@hotmail.com

Asal Universitas : Universitas Sriwijaya

Fakultas/Jurusan/

Prodi

: Kedokteran/Pendidikan

Dokter

Semester : 7

12