Pretreatment Biomassa

Beberapa variasi ultrasonik membantu proses pretreatment pada biomassa telah banyak dilaporkan. Selanjtnya teknik konvensional dipadu dengan teknik sonikasi akan didiskusikan. Berikut adalah beberapa perpaduan teknik sonikasi dengan teknik konvensional.

Pretreatment Menggunakan Pelarut

Pelarut organik telah lama digunakan untuk menghilangkan lignin atau delignifikasi dari biomassa lignoselulosa dengan cara melarutkan lignin. Pelarut organik konvensional yang mendasari delignifikasi biasanya disebut organosolv. Keberhasilan sonikasi dengan organosolv telah didemonstrasikan untuk melarutkan lignin dan hemiselulosa dari biomassa lignoselulosa. Sonikasi selama 30 menit sudah digunakan melepasakan lilin pada kayu menggunakan pelarut organik seperti etanol, methanol, atau dioksan pada pH netral dan suhu 25 °C. Perlakuan ini untuk menghilangkan lignin pada biomassa. Delignifikasi biomassa yang disonikasi lebih lanjut menggunakan dimetilsulfoksida untuk mengekstrak hemiselulosa dengan pengaturan diatas. Lebih dari 75% hemiselulosa dan 96% lignin terlepas menggunakan perlakuan tersebut [78].

Ekstraksi hemiselulosa dari jerami gandum menggunakan sonikasi dan pelarut organik juga telah dilakukan dan dilaporkan. Biomassa dengan pretreatment toluene-etanol dimasukkan kedalam sistem sonikasi campuran NaOH-metanol-Water. Sonikasi yang dilakukan 5 hingga 25 menit meningkatkan pelepasan hemiselulosa dan delignifikasi[61].

Efek ini membantu dengan meningkatkan akses pelarut masuk kepada material biomassa lignoselulosa dibawah kondisi sonikasi. Proses organosolv pada umumnya juga dipertimbangkan karena terlalu mahal untuk memproduksi bioethanol [77]. Karena itu, sonikasi organosolv sepertinya akan lebih mahal jika dibandingkan dengan perlakuan gabungan ultrasonik lainnya.

Pretreatment Menggunakan Sonikasi dan Larutan Ionik

Pretreatment lignoselulosa pada biomassa menggunakan larutan ionik merupakan teknologi yang potensial [79-80]. Larutan ionik seluruhnya terdiri dari ion-ion dan juga dapat melarutkan lignoselulosa dalam jumlah besar dengan tuntas pada suhu lingkungan [82]. Larutan ionik dapat melarutkan selulosa dan mengurangi kristalinitasnya untuk memperbaikin proses hidrolisisnya [83-84]. Berbagai macam biomassa lignoselulosa dengan jumlah yang besar dapat dilakukan proses awal menggunakan larutan ionik [79-80, 85]. Sonikasi yang dirangkai dengan perlakuan larutan ionik menawarkan pilihan untuk pretreatment terhadap biomassa.

Perlakuan ultrasonik dari bubuk kenaf pada larutan ionik yang berbeda diikuti oleh hidrolisis enzimatik nonsonikasi dihasilkan lebih dari 95% selulosa terhidrolisis dalam waktu 120 menit pada suhu 25 °C [86]. Sebaliknya perlakuan panas pada suhu 110 °C selama 120 menit pada bubuk kenaf dalam larutan ionik melepas jauh lebih sedikit glukosa [86].

Yang et. al melaporkan sakarifikasi enzimatik dari mikrokristalin selulosa menggunakan sonikasi dalam larutan ionik basa fosfat. Depolimerisasi dari selulosa tiga kali lebih besar menggunakan perlakuan sonikasi dibandingkan dengan kontrol. Pada proses sonikasi, lebih dari 90% konversi selulosa menjadi glukosa dicapai dalam waktu 8 jam. Tanpa sonikasi, konversi hanya terjadi kurang dari 80% setelah 24 jam pada suhu 50 °C [87]. Waktu proses berkurang dengan penggunaan sonikasi. Pandangan terhadap studi ini, sonikasi bermanfaat sekali jika dikombinasikan dengan pretreatment menggunakan larutan ionik.

Pretreatment Sonikasi Asam Encer

Pretreatment menggunakan asam encer merupakan proses yang sangat efektif untuk biomassa lignoselulosa [9,11]. Meskipun asam organik encer telah banyak digunakan untuk perlakuan biomassa lignoselulosa, hanya sedikit studi dari proses sonikasi dengan asam organik yang ada. Yang et. al [66] menggunakan asam sulfat encer dalam melakukan sonikasi corncob menjadi ekstrak xilan. Sonikasi meningkatkan rata-rata recovery xilan dan rendemen dibandingkan perlakuan asan nonsonikasi. Pada perlakuan sonikasi, sekitar 39% xilan terekstrak dalam waktu 43 menit. Proses asam konvensional membutuhkan waktu 24 jam untuk mengekstrak 34% xilan. Dalam penelitian di lab, hidrolisis sonikasi menggunakan asam encer untuk jerami padi  sangatlah efektif.

Pretreatment Sonikasi Basa

Pretreatment menggunakan basa adalah metode lain yang berguna untuk melarutkan lignin dan meningkatkan kehancuran dari selulosa [88]. Integrasi antara ultrasonik dan basa telah memperlihatkan peningkatan/perbaikan proses dibandingkan tanpa sonikasi [89]. Perlakuan sonikasi menghemat waktu proses dan mengurangi kebutuhan basa [37]. Ultrasonik yang dibantu proses alkalai atau basa pada bagas tebu telah dilakuakan dan dilaporkan [40, 90, 91]. Pelepasan gula rata-rata meningkat positif dengan ditingkatkannya suhu, ditingkatkannya konsentrasi basa, dan pengecilan ukuran partikel. Untuk ultrasonik yang dibantu dengan perlakuan alkali pada bagas tebu, kondisi proses yang optimal telah dilaporkan; ukuran partikel sekitar 0.3 mm, konsentrasi pdatan dalam bubur sekitar 40 g/L, konsentrasi sodium hidroksida 2.9%, dan proses selama 47 menit pada suhu 70 °C [91]. Antara 75 – 90% lignin lepas dan recovery selulosa dan hemiselulosa mencapai 79 – 99% [40, 90]. Proses lain yang sama telah dilaporkan juga pada literature [34, 65, 92]. Ekstraksi hemiselulosa polisakarida dari sekam soba menggunakan sonikasi basa juga telah dilaporkan [93].

Perlakuan sonikasi jerami gandum dalam larutan basa sedang telah dilaporkan mengganggu ikatan eter antara lignin dan hemiselulosa [34, 61], tetapi tidak secara signifikan mempengaruhi komposisi dan struktur lignin. Selanjutnya, jika lignin murni dapat dihasilkan sebagai hasil samping dari delignifikasi, sonikasi dapat diaplikasikan ke dalam tingkat yang lebih luas.

Sumber:

[9] Silverstein RA, Chen Y, Sharma-Shivappa RR, Boyette MD, Osborne J. A comparison of chemical pretreatment methods for improving saccharification of cotton stalks. Bioresour Technol 2007;98:3000−3011.

[11] Kumar P, Barrett DM, Delwiche MJ, Stroeve P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res 2009;48:3713−3729.

[34] Sun RC, Tomkinson J. Comparative study of lignins isolated by alkali and ultrasound-assisted alkali extractions from wheat straw. Ultrason Sonochem 2002;9:85−93.

[37] Zhang Y, Fu E, Liang J. Effect of ultrasonic waves on the saccharification processes of lignocellulose. Chem Eng Technol 2008;31:1510−1515.

[40] Velmurugan R, Muthukumar K. Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production: Sono-assisted acid hydrolysis approach. Bioresour Technol 2011;102:7119−123.

[61] Sun RC, Sun XF, Ma XH. Effect of ultrasound on the structural and physiochemical properties of organosolv soluble hemicelluloses from wheat straw. Ultrason Sonochem 2002;9:95−101.

[65] Wang Y, Zhang J. A novel hybrid process, enhanced by ultrasonication for xylan extraction from corncobs and hydrolysis of xylan to xylose by xylanase. J Food Eng 2005;77:140−145.

[66] Yang W, Ajapur VK, Krishnamurthy K, Feng H, Yang R, Rababah TM. Expedited extraction of xylan from corncob by power ultrasound. Int J Agric Biol Eng 2009;2:76-83.

[77] Zhao X, Cheng K, Liu D. Organosolv pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic hydrolysis. Appl Microbiol Biotechnol 2009;82:815−827.

[78] Yuan T-Q, Xu F, He J, Sun R-C. Structural and physico-chemical characterization of hemicelluloses from ultrasound- assisted extractions of partially delignified fast-growing poplar wood through organik solvent and alkaline solutions Biotechnol Adv 2010;28:583−593.

[79] Brandt A, Ray MJ, To TQ, Leak DK, Murphy RJ, Welton T. Ionik liquid pretreatment of lignocellulosic biomass with ionic liquid–water mixtures. Green Chem 2011;13:2489−2499.

[80] Tadesse H, Luque R. Advances on biomass pretreatment using ionik liquids: An overview. Energy Environ Sci 2011;4:3913−3929.

[81] Olivier-Bourbigou H, Magna L, Morvan D. Ionik liquids and catalysis: recent progress from knowledge to applications. Appl Catal A 2010;373:1−56.[82] Sun N, Rodríguez H, Rahman M, Rogers RD. Where are ionik liquid strategies most suited in the pursuit of chemicals and energy from lignocellulosic biomass? Chem Commun 2010;47:1405−1421.

[83] Dadi AP, Varanasi S, Schall CA. Enhancement of cellulose saccharification kinetics using an ionik liquid pretreatment step. Biotechnol Bioeng 2006;95:904−910.

[84] Dadi AP, Schall CA, Varanasi S. Mitigation of cellulose recalcitrance to enzymatic hydrolysis by ionic liquid pretreatment. Appl Biochem Biotechnol 2007;136-140:407−422.

[85] Singh S, Simmons BA, Vogel KP. Visualization of biomass solubilization and cellulose regeneration during ionic liquid pretreatment of switchgrass. Biotechnol Bioeng 2009;104:68−75.

[86] Ninomiya K, Kamide K, Takahashi K, Shimizu N. Enhanced enzymatic saccharification of kenaf power after ultrasonic pretreatment in ionik liquids at room temperature. Bioresour Technol 2012;103:259−265.

[87] Yang F, Li L, Li Q, TanW, Liu W, Xian M. Enhancement of enzymatic in situ saccharification of cellulose in aqueous- ionik liquid media by ultrasonic intensification. Carbohyd Polym 2010;81:311−316.

[89] Filson PB, Dawson-Andoh BE. Sono-chemical preparation of cellulose nanocrystals from lignocellulose derived materials. Bioresour Technol 2009;100:2259−2264.

[90] Velmurugan R, Muthukumar K. Sono-assisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production. Biochem Eng J 2012a;63:1−9.

[91] Velmurugan R, Muthukumar K. Ultrasound-assisted alkaline pretreatment of sugarcane bagasse for fermentable sugar production: Optimization through response surface methodology. Bioresour Technol 2012b;112:293−299.

[92] Sun J-X, Sun R, Sun X-F, Su Y. Fractional and physico-chemical characterization of hemicelluloses from ultrasonic irradiated sugarcane bagasse. Carbohyd Res 2004;339:291−300.

[93] Hromádková Z, Ebringerová A. Ultrasonic extraction of plant materials—investigation of hemicellulose release form buckwheat hulls. Ultrason Sonochem 2003;10:127−133.