Sebagian besar suplai energi, bahan kimia, dan berbagai kebutuhan saat ini masih berasal dari bahan baku fosil. Penggunaan bahan baku fosil yang terus menerus menyebabkan ketersediaannya yang semakin menurun, mengingat bahan baku fosil adalah sumber daya alam yang tidak terbarukan. Selain itu, bahan baku fosil juga menyebabkan masalah lingkungan seperti emisi berbagai macam polusi (Kohli et al., 2019). Biomassa merupakan bahan baku terbarukan yang memiliki potensi untuk mengurangi ketergantungan terhadap kebutuhan bahan baku fosil. Aplikasi biomassa pada kasus ini akan turut berkontribusi dalam ketahanan sumber daya dan mitigasi masalah lingkungan. Penggunaan bahan baku biomassa untuk menggantikan bahan baku fosil atau bahan berbasis petroleum dipandang sebagai salah satu kunci penting dalam pembangunan yang berkelanjutan.

Pemanfaatan biomassa untuk berbagai macam keperluan populer dikenal dengan istilah biorefinery. Biorefinery merupakan konsep di mana biomassa di-upgrade menjadi produk lain yang memiliki nilai lebih. Tiga produk utama yang dapat diturunkan dari biomassa melalui biorefinery antara lain: bahan bakar untuk transportasi, energi/panas, serta bahan kimia (Adeleye et al., 2019). Teknologi yang dapat digunakan untuk menghasilkan berbagai produk tersebut meliputi: konversi termal, konversi kimia, konversi termokimia, dan konversi biokimia. Konversi termal biomassa biasanya berwujud pembakaran sederhana untuk menghasilkan steam dan energi (Marangwanda et al., 2020). Sementara itu, konversi kimia biomassa umumnya melibatkan reaksi-reaksi seperti hidrolisis untuk menghasilkan berbagai senyawa kimia seperti levulinic acid, asam fumarat, asam suksinat, sorbitol, gliserol, etilen glikol, asam aspartat, dan esterifikasi menghasilkan biodiesel (Paone and Tursi, 2021). Konversi termokimia dapat berupa torefaksi untuk menghasilkan bio-coal (Mamvura and Danha, 2020), gasifikasi menghasilkan syngas (Zhang et al., 2020), serta pirolisis menghasilkan bio-char, syngas, dan bio-oil (Wang et al., 2020). Kemudian, konversi biokimia dapat berupa fermentasi untuk sintesis etanol (Caurin and Belini, 2017) dan anaerobic digestion untuk produksi biogas (Paul and Dutta, 2018).

Biomassa tersedia dengan jumlah sangat melimpah, yang meliputi limbah kehutanan dan pertanian (Qing et al., 2018). Ampas tebu yang merupakan limbah atau residu pertanian, berasal dari sisa pemerahan nira tebu melalui alat yang disebut sebagai gilingan. Ampas tebu memiliki potensi yang sangat besar untuk digunakan sebagai bahan baku pembuatan produk yang bernilai tambah karena harganya yang relatif murah dan ketersediaannya yang sangat melimpah. Indonesia memiliki 63 pabrik gula yang dimiliki oleh 18 perusahaan, dengan total kapasitas produksi sebesar 245.000 ton tebu per hari atau ton cane per day (TCD). Dari proses pengolahan tebu di pabrik gula, dihasilkan residu yang berupa ampas tebu, sebesar 140 kg per ton tebu (Sulaiman et al., 2019). Dengan begitu, potensi ampas tebu yang dapat dihasilkan dari seluruh pabrik gula di Indonesia dapat mencapai 34.300 ton per hari.

Pada umumnya, ampas tebu digunakan sebagai bahan bakar boiler untuk pembangkitan listrik dan suplai kebutuhan steam di pabrik gula. Selanjutnya, sisa ampas tebu juga dapat dimanfaatkan untuk cogeneration listrik di mana dapat digunakan untuk kebutuhan lain di luar pabrik gula ataupun dijual ke perusahaan listrik (Contreras-Lisperguer et al., 2018). Selain itu, sisa ampas tebu juga dapat digunakan untuk sintesis bioetanol (Restiawaty et al., 2020). Namun, aplikasi ini memiliki kelemahan dalam hal sulitnya konversi menjadi bioetanol fuel grade. Adapun, pilihan lain yang lebih menarik dalam pemanfaatan sisa ampas tebu ialah konversi menjadi bahan kimia, salah satunya adalah levulinic acid (LA).

Levulinic acid merupakan rantai pendek asam lemak yang dikategorikan dalam 12 besar bahan kimia  atau building block chemicals bernilai tinggi turunan dari biomassa terbarukan (Werpy et al., 2004). Building block chemicals dari biomassa atau yang sering disebut sebagai platform molecules, mengandung beberapa gugus fungsi yang dapat diproses menjadi berbagai produk bernilai tambah lainnya, yang mana diharapkan dapat menangkap kebutuhan pasar di masa mendatang dengan cara menyediakan synthetic chemicals yang dapat diturunkan dari senyawa tersebut. Levulinic acid sendiri memiliki gugus fungsi karbonil dan karboksil yang memiliki reaktivitas tinggi sehingga dapat dikonversi menjadi berbagai senyawa seperti alkil levulinat yang merupakan pelarut (Liu et al., 2020), gamma valerolakton (GVL) yang berfungsi sebagai aditif makanan (Yu et al., 2020), ester valerat yang dimanfaatkan untuk aditif bensin (Yu et al., 2019), diphenolic acid (DPA) yang dapat diaplikasikan sebagai bahan kosmetik, pewangi, dan plasticizer (Piledis and Titirici, 2016), serta 2-metiltetrahidrofuran (2-MTHF) yang dapat dikonversi menjadi aditif farmasi (Seretis et al., 2020).

Komponen ampas tebu terdiri dari sekitar 44% selulosa, 27% hemiselulosa, dan 13% lignin (Behnood et al., 2016). Selulosa merupakan senyawa polisakarida yang dapat dipecah dan diturunkan menjadi monosakarida glukosa. Unit monosakarida tersebut saling terhubung sehingga membentuk rantai glukan yang dikunci oleh ikatan hidrogen yang mana menjadikan struktur selulosa menjadi stabil dan kuat (Gupta et al., 2019). Selulosa dilapisi oleh hemiselulosa, yang merupakan polisakarida dengan berat molekul rendah dan bersifat amorf (Tan et al., 2021). Sementara itu, lignin merupakan heteropolimer yang berfungsi sebagai semacam segel untuk selulosa dan hemiselulosa (Isikgor and Becer, 2015).

Ketiga komponen utama penyusun ampas tebu ini memiliki ikatan yang kuat, padahal komponen yang penting dalam konversi menjadi LA hanya selulosa.  Oleh karena itu, perlu dilakukan suatu perlakuan pendahuluan / pretreatment untuk menghilangkan komponen yang tidak diinginkan. Pretreatment dilakukan untuk mengubah karakteristik fisik dan kimiawi sehingga bahan mudah diproses dan menghasilkan produk dengan yield yang tinggi. Sayangnya, pretreatment umumnya tergolong mahal jika dikaitkan dengan biaya dan energi yang digunakan. Pemilihan metode pretreatment pun menjadi tantangan yang masih terus dikembangkan. Selain pretreatment, teknologi yang digunakan untuk sintesis LA pun sangat beragam dan masih terus diteliti untuk menghasilkan LA dengan yield tinggi secara efisien.

Perlakuan fisis seperti milling merupakan salah satu pretreatment sederhana yang diperlukan untuk meningkatkan luas permukaan partikel sehingga laju reaksi pada saat sintesis akan berjalan lebih cepat. Sementara itu, perlakuan kimiawi dibutuhkan untuk mengkonversi kandungan polisakarida yang dalam hal ini adalah selulosa berbentuk kristalin menjadi amorf, disertai dengan penghilangan lignin dan hemiselulosa sebagai komponen yang tidak diinginkan dalam tahap sintesis LA. Metode pretreatment yang umum digunakan untuk sintesis bahan baku biomassa antara lain: perlakuan uap, asam, alkali, dan soda-etanol (Jain et al., 2016). Sementara itu, metode yang paling populer dalam sintesis LA adalah dengan menggunakan katalis asam karena tingginya aktivitas katalitik sehingga menghasilkan produk dengan yield yang besar (Toif et al., 2021). Metode lain yang juga marak dipelajari ialah dengan menggunakan katalis heterogen (Kang and Yu, 2018), solven (Feng et al., 2020), dan ionic liquid (Ramli and Amin, 2016).

Pada mulanya, bahan baku sintesis LA adalah maleic anhydride yang merupakan bahan baku fosil (van der Waal and de Jong, 2016). Namun, kini studi sintesis LA terus mengarah pada penggunaan bahan baku terbarukan yaitu biomassa. Harga jual LA berkisar pada 5-8 USD/kg ketika menggunakan bahan baku maleic anhydride dan diestimasi dapat turun hingga 0,09-0,22 USD/kg ketika bahan bakunya adalah biomassa seperti ampas tebu. Karena itu, potensi LA sebagai building block chemical menjadi lebih besar karena biaya produksi untuk turunannya pun menjadi lebih rendah.

REFERENSI :

• Adeleye, A.T., Louis, H., Akakuru, O.U., Joseph, I., Enudi, O.C., and Michael, D.P., 2019, “A Review on The Conversion of Levulinic Acid and Its Esters to various Useful Chemicals”, Energy, 7(2), 165-185.
• Behnood, R., Anvaripour, B., Jaafarzadeh, N., and Farasati, M., 2016, “Oil Spill Sorption Using Raw and Acetylated Sugarcane Bagasse”, J. Cent. South. Univ., 23, 1618-1625.
• Caurin, G. and Belini, V.L., 2017, “Yeast Fermentation of Sugarcane for Ethanol Production: Can It be Monitored by Using In Situ Microscopy?”, Braz. J. Chem. Eng., 34(4), 949-959.
• Contreras-Lisperguer, R., Batuecas, E., Mayo, C., Diza, R., Perez, F.J., and Springer, C., 2018, “Sustainability Assessment of Electricity Cogeneration from Sugarcane Bagasse in Jamaica”, J. Clean. Prod., 200(1), 390-401.
• Feng, J., Tong, L., Xu, Y., Jiang, J., Hse, V., and Yang, Z., 2020, “Synchronous Conversion of Lignocellulosic Polysaccharides to Levulinic Acid with Synergic Bifunctional Catalysts in A Biphasic Cosolvent System”, Ind. Crop. Prod., 145, 1-9.
• Gupta, P.K., Raghunath, S.S., Prasanna, D.V., and Shree, V., 2019, “An Update on Overview of Cellulose, Its Structure and Applications”, IntechOpen, 1-21.
• Isikgor, F.H. and Becer, C.R., 2015, “Lignocellulose Biomass: A Sustainable Platform for The Production of Bio-based Chemicals and Polymers”, Polym. Chem., 6, 4497-4559.
• Jain, A., Wei, Y., and Tietje, A., 2016, “Biochemical Conversion of Sugarcane Bagasse into Bioproducts”, Biomass Bioenergy, 93, 227-242.
• Kang, S. and Yu, J., 2018, “Maintenance of Highly Active Solid Acid Catalyst in Sugar Beet Molasses for Levulinic Acid Production”, Sugar Tech, 20, 182-193.
• Kohli, K., Prajapati, R., and Sharma, B.K., 2019, “Bio-based Chemicals from Renewable Biomass for Integrated Biorefineries”, Energies, 12(233), 1-40.
• Liu, C., Lu, X., Yu, Z., Xiong, J., Bai, H., and Zhang, R., 2020, “Production of Levulinic Acid from Cellulose and Cellulosic Biomass in Different Catalytic Systems”, Catalysts, 10, 1-22.
• Mamvura, T.A. and Danha, G., 2020, “Biomass Torrefaction As An Emerging Technology to Aid in Energy Production”, Heliyon, 6(3), 1-17.
• Marangwanda, G.T., Madyira, D.M., and Babarinde, T.O., 2020, “Combustion Models for Biomass: A Review”, Energy Rep., 6(2), 664-672.
• Paone, E. and Tursi, A., 2021, “Production of Biodiesel from Biomass”, Advances in Bioenergy and Microfluid Application, 165-192.
• Paul, S. and Dutta, A., 2018, “Challenges and Opportunities of Lignocellulosic Biomass for Anaerobic Digestion”, Resour. Conserv. Recy., 130, 164-174.
• Pileidis, F. and Titirici, M., 2016, “Levulinic Acid Biorefineries: New Challenges for Efficient Utilization of Biomass”, Chem. Sus. Chem., 9, 1-22.
• Qing, Q., Guo, Q., Wang, P., Qian, H., Gao, X., and Zhang, Y., 2018, “Kinetics Study of Levulinic Acid Production from Corncobs by Tin Tetrachloride as Catalyst”, Bioresour. Technol., 260, 150-156.
• Ramli, N.A.S. and Amin, N.A., 2016, “Kinetic Study of Glucose Conversion to Levulinic Acid over Fe/HY Zeolite Catalyst”, Chem. Eng. J., 283, 150-159.
• Restiawaty, E., Gani, K.P., Dewi, A., Arina, L.A., Kurniawati, K.I., Budhi, Y.W., and Akhmaloka, 2020, “Bioethanol Production from Sugarcane Bagasse Using Neurospora intermedia in An Airlift Bioreactor”, Int. J. Renew. Energy Dev., 9(2), 247-253.
• Seretis, A., Diamantopoulou, P., Thanou, I., Tzevelekidis, P., Fakas, C., Lilas, P., and Papadogianakis, G., 2020, “Recent Advances in Ruthenium-catalyzed Hydrogenation Reactions of Renewable Biomass-derived Levulinic Acid in Aqueous Media”, Front. Chem., 8, 1-22.
• Sulaiman, A.A., Sulaeman, Y., Mustikasari, N., Nursyamsi, D., and Syakir, A.M., 2019, “Increasing Sugar Production in Indonesia Through Land Suitability Analysis and Sugar Mill Restructuring”, Land, 8(61), 1-17.
• Tan, J., Li, Y., Tan, X., Wu, H., Li, H., and Yang, S., 2021, “Advances in Pretreatment of Straw Biomass for Sugar Production”, Front. Chem., 9(696030), 1-28.
• Toif, M.E., Hidayat, M., Rochmadi, Budiman, A., 2021, “Reaction Kinetics of Levulinic Acid Synthesis from Glucose Using Bronsted Acid Catalyst”, Bull. Chem. React. Eng., 16(4), 904-915.
• van der Waal, J.C. and de Jong, E., 2016, “Avantium Chemicals: The High Potential fro The Levulinic Acid Product Tree”, in Industrial Biorenewables, edited by Dominiguez de Maria, P., pp. 97-120.
• Wang, G., Dai, Y., Yang, H., Xiong, Q., Wang, K., Zhou, J., Li, Y., and Wang, S., 2020, “A Review of Recent Advances in Biomass Pyrolysis”, Energy Fuels, 34(12), 15557-15578.
• Werpy, T., Petersen, G., Aden, A., Bozell, J., Holladay, J., White, J., and Manheim, A., 2004, “Top Value Added Chemicals from Biomass – Vol 1: Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthetic Gas”, Pacific Northwest National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory and Department of Energy, Washington D.C.
• Yu, Z., Lu, X., Xiong, J., and Ji, N., 2019, “Transformation of Levulinic Acid to Valeric Biofuels: A Review on Heterogenenous Bifunctional Catalytic Systems”, Chem. Sus. Chem., 12, 3915-3930.
• Yu, Z., Meng, F., Wang, Y., Sun, Z., Liu, Y., Shi, C., Wang, W., and Wang, A., 2020, “Catalytic Transfer Hydrogenation of Levulinic Acid to Ƴ-Valerolactone over Ni₃P-CePO₄ Catalysts”, Ind. Eng. Chem. Res., 59, 7416-7425.
• Zhang, Y., Wan, L., Guan, J., Xiong, Q., Zhang, S., and Jin, X., 2020, “A Review on Biomass Gasification: Effect of Main Parameters on Char Generation and Reaction”, Energy Fuels, 34(11). 13438-13455.