Sampah Organik

Sampah Organik mencakup semua bahan organik dalam sampah yang dapat diuraikan menjadi karbon dioksida, air, metana, kompos, humus, dan molekul organik sederhana oleh mikro-organisme dan makhluk hidup lainnya melalui pengomposan, penguraian aerobik, penguraian anaerobik, atau proses yang serupa. Ini terutama mencakup sampah dapur (makanan basi, hiasan, bagian yang tidak dapat dimakan), abu, tanah, kotoran dan materi tanaman lainnya. Dalam pengelolaan sampah, ini juga mencakup beberapa bahan anorganik yang dapat diuraikan oleh bakteri. Bahan-bahan tersebut termasuk gipsum dan produknya seperti eternit dan sulfat sederhana lainnya yang dapat diuraikan oleh bakteri pereduksi sulfat untuk menghasilkan hidrogen sulfida dalam kondisi TPA anaerobik.

Dalam pengumpulan sampah rumah tangga, ruang lingkup sampah yang dapat terurai dapat dipersempit menjadi hanya sampah yang dapat terurai yang dapat ditangani di fasilitas penanganan sampah setempat. Untuk mengatasi hal ini, banyak distrik pengelolaan sampah setempat mengintegrasikan program yang berkaitan dengan pemilahan sampah yang dapat terurai untuk pengomposan atau strategi valorisasi sampah lainnya, di mana sampah yang dapat terurai dapat digunakan kembali untuk produk lain, seperti menggunakan sampah pertanian untuk produksi serat atau biochar.

Sampah yang dapat terurai secara alami jika tidak ditangani dengan baik dapat berdampak besar pada perubahan iklim, terutama melalui emisi metana dari fermentasi anaerobik yang menghasilkan gas TPA. Pendekatan lain untuk mengurangi dampak tersebut adalah dengan mengurangi jumlah sampah yang dihasilkan, misalnya dengan mengurangi sampah makanan.

Sumber

Sampah yang dapat terurai secara hayati dapat ditemukan dalam sampah kota (kadang-kadang disebut sampah kota yang dapat terurai secara hayati, atau sebagai sampah hijau, sampah makanan, sampah kertas, dan plastik yang dapat terurai secara hayati). Limbah biodegradable lainnya termasuk kotoran manusia, pupuk kandang, air limbah, lumpur limbah dan limbah rumah potong hewan. Tanpa adanya oksigen, sebagian besar limbah ini akan membusuk menjadi metana melalui proses pencernaan anaerobik.

Di Inggris, 7,4 juta ton sampah yang dapat terurai secara hayati dikirim ke TPA pada tahun 2018, berkurang dari 7,8 juta ton pada tahun 2017.

Pengumpulan dan pengolahan

Di banyak negara maju, sampah yang dapat terurai secara hayati dipisahkan dari aliran sampah lainnya, baik dengan pengumpulan di tepi jalan yang terpisah atau dengan pemilahan sampah setelah pengumpulan. Pada titik pengumpulan, sampah tersebut sering disebut sebagai sampah hijau. Membuang sampah tersebut dari aliran sampah lainnya secara substansial mengurangi volume sampah untuk dibuang dan juga memungkinkan sampah yang dapat terurai menjadi kompos.

Sampah yang dapat terurai secara hayati dapat digunakan untuk pengomposan atau sumber daya untuk panas, listrik, dan bahan bakar dengan cara insinerasi atau pencernaan anaerobik. Kompogas Swiss dan proses AIKAN Denmark adalah contoh pencernaan anaerobik sampah yang dapat terurai secara hayati.[8] [9] Meskipun insinerasi dapat memulihkan sebagian besar energi, pabrik pencernaan anaerobik mempertahankan nutrisi dan membuat kompos untuk perbaikan tanah dan masih memulihkan sebagian energi yang terkandung dalam bentuk biogas. Kompogas menghasilkan 27 juta Kwh listrik dan biogas pada tahun 2009. Truk tertua dari perusahaan ini telah mencapai 1.000.000 kilometer yang digerakkan dengan biogas dari limbah rumah tangga dalam 15 tahun terakhir.

Valorisasi
Residu tanaman
Residu tanaman, seperti tongkol jagung, dan residu lain dari industri pengolahan makanan, seperti residu dari biorefineri, memiliki potensi tinggi untuk digunakan dalam proses lebih lanjut, seperti memproduksi biofuel, bioplastik, dan biomaterial lain untuk proses industri.

Limbah makanan
Salah satu bidang pekerjaan yang lebih bermanfaat adalah limbah makanan-ketika disimpan di tempat pembuangan akhir, limbah makanan menghasilkan gas rumah kaca metana dan senyawa beracun lainnya yang dapat berbahaya bagi manusia dan ekosistem lokal. Pemanfaatan gas TPA dan pengomposan kota dapat menangkap dan menggunakan nutrisi organik. Limbah makanan yang dikumpulkan dari sumber non-industri lebih sulit untuk digunakan, karena sering kali memiliki keanekaragaman yang jauh lebih besar daripada sumber limbah lainnya-lokasi yang berbeda dan rentang waktu yang berbeda menghasilkan komposisi bahan yang sangat berbeda, sehingga sulit untuk digunakan untuk proses industri.

Mengubah limbah makanan menjadi produk makanan, produk pakan, atau mengubahnya menjadi atau mengekstraksi bahan makanan atau pakan disebut sebagai valorisasi limbah makanan. Valorisasi limbah makanan menawarkan peluang ekonomi dan lingkungan, yang dapat mengurangi masalah pembuangan konvensional. Limbah makanan telah terbukti menjadi sumber daya hayati yang berharga yang dapat digunakan untuk mendapatkan sejumlah produk yang bermanfaat, termasuk pupuk hayati, bioplastik, bahan bakar nabati, bahan kimia, dan nutraceuticals. Ada banyak potensi untuk mendaur ulang limbah makanan dengan mengubahnya menjadi protein serangga.

Kotoran manusia

Penggunaan kembali kotoran manusia adalah penggunaan yang aman dan bermanfaat dari kotoran manusia yang telah diolah setelah menerapkan langkah-langkah pengolahan yang sesuai dan pendekatan manajemen risiko yang disesuaikan dengan aplikasi penggunaan kembali yang dimaksudkan. Penggunaan yang bermanfaat dari kotoran yang telah diolah dapat difokuskan pada penggunaan nutrisi yang tersedia bagi tanaman (terutama nitrogen, fosfor, dan kalium) yang terkandung di dalam kotoran yang telah diolah. Mereka juga dapat memanfaatkan bahan organik dan energi yang terkandung dalam kotoran. Pada tingkat yang lebih rendah, penggunaan kembali kandungan air dari kotoran juga dapat dilakukan, meskipun hal ini lebih dikenal sebagai reklamasi air dari air limbah kota. Aplikasi penggunaan kembali yang dimaksudkan untuk kandungan nutrisi dapat mencakup: kondisioner tanah atau pupuk dalam kegiatan pertanian atau hortikultura. Aplikasi penggunaan ulang lainnya, yang lebih berfokus pada kandungan bahan organik dari tinja, termasuk penggunaan sebagai sumber bahan bakar atau sebagai sumber energi dalam bentuk biogas.

Ada banyak pilihan pengolahan yang terus bertambah untuk membuat tinja menjadi aman dan dapat dikelola untuk opsi penggunaan kembali yang dimaksudkan. Pilihannya termasuk pengalihan urin dan dehidrasi tinja (toilet kering yang mengalihkan urin), pengomposan (toilet pengomposan atau proses pengomposan eksternal), teknologi pengolahan lumpur tinja, dan berbagai proses pengolahan lumpur tinja. Semuanya mencapai berbagai tingkat penghilangan patogen dan pengurangan kadar air untuk penanganan yang lebih mudah. Patogen yang menjadi perhatian adalah bakteri enterik, virus, protozoa, dan telur cacing dalam tinja. Karena telur cacing adalah patogen yang paling sulit dihancurkan dengan proses pengolahan, mereka biasanya digunakan sebagai organisme indikator dalam skema penggunaan kembali. Risiko kesehatan dan pencemaran lingkungan lainnya yang perlu dipertimbangkan termasuk penyebaran polutan mikro, residu farmasi, dan nitrat di lingkungan yang dapat menyebabkan pencemaran air tanah dan dengan demikian berpotensi mempengaruhi kualitas air minum.

Dampak perubahan iklim
Gas TPA
Gas TPA adalah campuran dari berbagai gas yang dihasilkan oleh aksi mikroorganisme di dalam TPA saat mereka menguraikan sampah organik, termasuk, misalnya, sampah makanan dan sampah kertas. Gas TPA terdiri dari sekitar empat puluh hingga enam puluh persen metana, dengan sisanya sebagian besar karbon dioksida. Sejumlah kecil senyawa organik yang mudah menguap (VOC) terdiri dari sisanya (<1%). Gas-gas ini mencakup sejumlah besar spesies, terutama hidrokarbon sederhana.

Gas TPA memiliki pengaruh terhadap perubahan iklim. Komponen utamanya adalah CO2 dan metana, yang keduanya merupakan gas rumah kaca. Metana di atmosfer adalah gas rumah kaca yang jauh lebih kuat, dengan setiap molekulnya memiliki dua puluh lima kali lipat efek dari molekul karbon dioksida. Namun, metana itu sendiri menyumbang lebih sedikit komposisi atmosfer dibandingkan dengan karbon dioksida. Tempat pembuangan sampah adalah sumber metana terbesar ketiga di Amerika Serikat.

Karena efek negatif yang signifikan dari gas-gas ini, rezim peraturan telah dibuat untuk memantau gas TPA, mengurangi jumlah kandungan yang dapat terurai secara hayati dalam sampah kota, dan untuk menciptakan strategi pemanfaatan gas TPA, yang meliputi pembakaran gas atau penangkapan untuk pembangkit listrik.

Limbah makanan

Kehilangan dan pemborosan makanan adalah makanan yang tidak dimakan. Penyebab pemborosan atau kehilangan makanan sangat banyak dan terjadi di seluruh sistem pangan, selama produksi, pemrosesan, distribusi, penjualan ritel dan layanan makanan, dan konsumsi. Secara keseluruhan, sekitar sepertiga makanan di dunia dibuang. Meta-analisis tahun 2021, yang tidak mencakup makanan yang hilang selama produksi, oleh Program Lingkungan Perserikatan Bangsa-Bangsa (UNEP) menemukan bahwa sampah makanan merupakan tantangan di semua negara pada semua tingkat pembangunan ekonomi. Analisis tersebut memperkirakan bahwa sampah makanan global mencapai 931 juta ton sampah makanan (sekitar 121 kg per kapita) di tiga sektor: 61 persen dari rumah tangga, 26 persen dari layanan makanan, dan 13 persen dari ritel.

Kehilangan dan pemborosan makanan merupakan bagian utama dari dampak pertanian terhadap perubahan iklim (mencapai 3,3 miliar ton emisi CO2e setiap tahunnya) dan isu-isu lingkungan lainnya, seperti penggunaan lahan, penggunaan air, dan hilangnya keanekaragaman hayati. Pencegahan limbah makanan adalah prioritas tertinggi, dan ketika pencegahan tidak memungkinkan, hirarki limbah makanan mengurutkan opsi pengolahan limbah makanan dari yang paling disukai hingga yang paling tidak disukai berdasarkan dampak negatifnya terhadap lingkungan.

Jalur penggunaan kembali makanan berlebih yang ditujukan untuk konsumsi manusia, seperti donasi makanan, merupakan strategi terbaik berikutnya setelah pencegahan, diikuti oleh pakan ternak, daur ulang nutrisi dan energi, dan yang paling tidak disukai adalah TPA, yang merupakan sumber utama gas rumah kaca metana. Pertimbangan lain termasuk fosfor yang tidak direklamasi dalam limbah makanan yang mengarah pada penambangan fosfat lebih lanjut. Selain itu, mengurangi limbah makanan di semua bagian sistem pangan merupakan bagian penting dari pengurangan dampak lingkungan dari pertanian, dengan mengurangi jumlah total air, tanah, dan sumber daya lainnya yang digunakan.

Target Tujuan Pembangunan Berkelanjutan PBB 12.3 berupaya untuk "mengurangi separuh limbah makanan per kapita global di tingkat ritel dan konsumen serta mengurangi kehilangan makanan di sepanjang rantai produksi dan pasokan, termasuk kehilangan pasca panen" pada tahun 2030.[26] Strategi mitigasi perubahan iklim secara menonjol menonjolkan pengurangan limbah makanan. Pada Konferensi Keanekaragaman Hayati PBB 2022, negara-negara sepakat untuk mengurangi limbah makanan hingga 50% pada tahun 2030.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Biogas

Biogas adalah sumber energi terbarukan berbentuk gas yang dihasilkan dari bahan baku seperti limbah pertanian, pupuk kandang, sampah kota, bahan tanaman, limbah, sampah hijau, air limbah, dan sisa makanan. Biogas diproduksi melalui proses pencernaan anaerobik dengan organisme anaerobik atau metanogen di dalam digester anaerobik, biodigester, atau bioreaktor. Komposisi gas utamanya adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) dan mungkin memiliki sejumlah kecil hidrogen sulfida (H2S), uap air dan siloksan. Metana dapat dibakar atau dioksidasi dengan oksigen. Pelepasan energi ini memungkinkan biogas digunakan sebagai bahan bakar; biogas dapat digunakan dalam sel bahan bakar dan untuk tujuan pemanasan, seperti memasak. Ini juga dapat digunakan dalam mesin gas untuk mengubah energi dalam gas menjadi listrik dan panas.

Setelah menghilangkan karbon dioksida dan hidrogen sulfida, gas ini dapat dikompresi dengan cara yang sama seperti gas alam dan digunakan untuk menyalakan kendaraan bermotor. Di Inggris, misalnya, biogas diperkirakan memiliki potensi untuk menggantikan sekitar 17% bahan bakar kendaraan. Biogas memenuhi syarat untuk mendapatkan subsidi energi terbarukan di beberapa bagian dunia. Biogas dapat dibersihkan dan ditingkatkan ke standar gas alam, ketika menjadi bio-metana. Biogas dianggap sebagai sumber daya terbarukan karena siklus produksi dan penggunaannya berkelanjutan, dan tidak menghasilkan karbon dioksida bersih. Dari perspektif karbon, karbon dioksida yang diserap dari atmosfer dalam pertumbuhan sumber daya hayati primer sama banyaknya dengan yang dilepaskan, ketika bahan tersebut pada akhirnya diubah menjadi energi.

Produksi

Biogas diproduksi oleh mikroorganisme, seperti metanogen dan bakteri pereduksi sulfat, yang melakukan respirasi anaerobik. Biogas dapat mengacu pada gas yang diproduksi secara alami dan industri.

Alami

Di dalam tanah, metana diproduksi di lingkungan anaerob oleh metanogen, tetapi sebagian besar dikonsumsi di zona aerob oleh metanotrof. Emisi metana dihasilkan ketika keseimbangan mendukung metanogen. Tanah lahan basah adalah sumber alami utama metana. Sumber lain termasuk lautan, tanah hutan, rayap, dan ruminansia liar.

Tanaman Gas Bio

Pembangkit biogas adalah nama yang sering diberikan untuk digester anaerobik yang mengolah limbah pertanian atau tanaman energi. Biogas dapat diproduksi dengan menggunakan digester anaerobik (tangki kedap udara dengan konfigurasi yang berbeda). Tanaman ini dapat diberi makan dengan tanaman energi seperti silase jagung atau limbah yang dapat terurai secara hayati termasuk lumpur limbah dan sisa makanan. Selama proses tersebut, mikroorganisme mengubah limbah biomassa menjadi biogas (terutama metana dan karbon dioksida) dan digestate. Biogas dalam jumlah yang lebih tinggi dapat diproduksi ketika air limbah dicerna bersama dengan residu lain dari industri susu, industri gula, atau industri pembuatan bir. Misalnya, saat mencampur 90% air limbah dari pabrik bir dengan 10% whey sapi, produksi biogas meningkat 2,5 kali lipat dibandingkan dengan biogas yang dihasilkan oleh air limbah dari tempat pembuatan bir saja.Pembuatan biogas dari jagung yang ditanam dengan sengaja telah digambarkan sebagai tidak berkelanjutan dan berbahaya karena karakter perkebunan yang sangat pekat, intens, dan mengikis tanah.

Bahaya

Polusi udara yang dihasilkan oleh biogas mirip dengan gas alam karena ketika metana (konstituen utama biogas) dinyalakan untuk digunakan sebagai sumber energi, Karbon dioksida dibuat sebagai produk yang merupakan gas rumah kaca (seperti yang dijelaskan oleh persamaan ini: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O). Kandungan hidrogen sulfida yang beracun menimbulkan risiko tambahan dan telah bertanggung jawab atas kecelakaan serius. Kebocoran metana yang tidak terbakar merupakan risiko tambahan, karena metana adalah gas rumah kaca yang kuat. Sebuah fasilitas dapat membocorkan 2% dari metana.

Biogas dapat meledak jika dicampur dengan rasio satu bagian biogas dengan 8-20 bagian udara. Tindakan pencegahan keamanan khusus harus dilakukan untuk memasuki digester biogas yang kosong untuk pekerjaan pemeliharaan. Penting bahwa sistem biogas tidak pernah memiliki tekanan negatif karena dapat menyebabkan ledakan. Tekanan gas negatif dapat terjadi jika terlalu banyak gas yang dibuang atau bocor; Karena itu biogas tidak boleh digunakan pada tekanan di bawah satu inci kolom air, diukur dengan pengukur tekanan.Pemeriksaan bau yang sering harus dilakukan pada sistem biogas. Jika biogas tercium di mana saja, jendela dan pintu harus segera dibuka. Jika ada api, gas harus dimatikan di katup gerbang sistem biogas.

Gas TPA
Gas TPA dihasilkan oleh sampah organik basah yang membusuk dalam kondisi anaerobik dengan cara yang mirip dengan biogas.

Sampah ditutup dan dikompresi secara mekanis oleh berat material yang diendapkan di atasnya. Bahan ini mencegah paparan oksigen sehingga memungkinkan mikroba anaerob untuk berkembang. Biogas terbentuk dan secara perlahan dilepaskan ke atmosfer jika lokasi tersebut tidak direkayasa untuk menangkap gas. Gas TPA yang dilepaskan dengan cara yang tidak terkendali dapat berbahaya karena dapat meledak ketika keluar dari TPA dan bercampur dengan oksigen. Batas ledakan yang lebih rendah adalah 5% metana dan batas atas adalah 15% metana.

Metana dalam biogas 28 kali lebih kuat sebagai gas rumah kaca daripada karbon dioksida. Oleh karena itu, gas TPA yang tidak terkendali, yang terlepas ke atmosfer dapat berkontribusi secara signifikan terhadap efek pemanasan global. Selain itu, senyawa organik yang mudah menguap (VOC) dalam gas TPA berkontribusi pada pembentukan kabut asap fotokimia.

Teknis

Kebutuhan oksigen biokimia (BOD) adalah ukuran jumlah oksigen yang dibutuhkan oleh mikroorganisme aerobik untuk menguraikan bahan organik dalam sampel bahan yang digunakan dalam biodigester serta BOD untuk pembuangan cairan memungkinkan untuk perhitungan output energi harian dari biodigester.

Istilah lain yang terkait dengan biodigester adalah kekotoran limbah, yang menunjukkan berapa banyak bahan organik yang ada per unit sumber biogas. Unit yang umum untuk ukuran ini adalah dalam mg BOD/liter. Sebagai contoh, kekotoran limbah dapat berkisar antara 800 dan 1200 mg BOD / liter di Panama.

Dari 1 kg limbah biologis dapur yang sudah tidak terpakai, 0,45 m3 biogas dapat diperoleh. Harga untuk mengumpulkan limbah biologis dari rumah tangga adalah sekitar €70 per ton.

Komposisi

Komposisi biogas bervariasi tergantung pada komposisi substrat, serta kondisi di dalam reaktor anaerobik (suhu, pH, dan konsentrasi substrat). Gas TPA biasanya memiliki konsentrasi metana sekitar 50%. Teknologi pengolahan sampah yang canggih dapat menghasilkan biogas dengan 55-75% metana, yang mana untuk reaktor dengan cairan bebas dapat ditingkatkan menjadi 80-90% metana dengan menggunakan teknik pemurnian gas in-situ. Seperti yang diproduksi, biogas mengandung uap air. Volume fraksional uap air adalah fungsi dari suhu biogas; koreksi volume gas yang diukur untuk kandungan uap air dan ekspansi termal dengan mudah dilakukan melalui matematika sederhana yang menghasilkan volume standar biogas kering.

Untuk 1000 kg (berat basah) input ke biodigester tipikal, total padatan mungkin 30% dari berat basah sementara padatan tersuspensi yang mudah menguap mungkin 90% dari total padatan. Protein akan menjadi 20% dari padatan yang mudah menguap, karbohidrat akan menjadi 70% dari padatan yang mudah menguap, dan akhirnya lemak akan menjadi 10% dari padatan yang mudah menguap.

Kontaminan
Senyawa belerang
Beracun dan berbau busuk Hidrogen sulfida (H2S) adalah kontaminan yang paling umum dalam biogas, tetapi senyawa yang mengandung sulfur lainnya, seperti tiol mungkin ada. Jika dibiarkan dalam aliran biogas, hidrogen sulfida bersifat korosif dan ketika dibakar menghasilkan sulfur dioksida (SO2) dan asam sulfat (H2SO4), juga merupakan senyawa korosif dan berbahaya bagi lingkungan.

Amonia

Amonia (NH3) dihasilkan dari senyawa organik yang mengandung nitrogen, seperti asam amino dalam protein. Jika tidak dipisahkan dari biogas, pembakaran menghasilkan emisi NOx. 

Siloksan

Dalam beberapa kasus, biogas mengandung siloksan. Mereka terbentuk dari penguraian anaerobik bahan yang biasa ditemukan dalam sabun dan deterjen. Selama pembakaran biogas yang mengandung siloksan, silikon dilepaskan dan dapat bergabung dengan oksigen bebas atau elemen lain dalam gas pembakaran. Endapan yang terbentuk sebagian besar mengandung silika (SiO2) atau silikat (SixOy) dan dapat mengandung kalsium, belerang, seng, fosfor. Endapan mineral putih tersebut terakumulasi hingga ketebalan permukaan beberapa milimeter dan harus dihilangkan dengan cara kimiawi atau mekanis.Teknologi praktis dan hemat biaya untuk menghilangkan siloksan dan kontaminan biogas lainnya telah tersedia.

Manfaat biogas yang berasal dari kotoran

Metana dalam kadar tinggi dihasilkan ketika kotoran disimpan dalam kondisi anaerobik. Selama penyimpanan dan ketika pupuk kandang telah diaplikasikan ke lahan, nitrous oksida juga diproduksi sebagai produk sampingan dari proses denitrifikasi. Nitrogen oksida (N2O) 320 kali lebih agresif sebagai gas rumah kaca dibandingkan karbon dioksida dan metana 25 kali lebih banyak dibandingkan karbon dioksida. Dengan mengubah kotoran sapi menjadi biogas metana melalui proses pencernaan anaerobik, jutaan ekor sapi di Amerika Serikat dapat menghasilkan 100 miliar kilowatt jam listrik, cukup untuk memberi listrik pada jutaan rumah di seluruh Amerika Serikat. Seekor sapi dapat menghasilkan kotoran yang cukup dalam satu hari untuk menghasilkan 3 kilowatt jam listrik. Selain itu, dengan mengubah kotoran sapi menjadi biogas metana dan tidak membiarkannya terurai, gas pemanasan global dapat dikurangi hingga 99 juta metrik ton atau 4%.

Aplikasi
Biogas dapat digunakan untuk produksi listrik pada pekerjaan pembuangan limbah, dalam mesin gas CHP, di mana limbah panas dari mesin tersebut dapat digunakan dengan mudah untuk memanaskan digester; memasak; pemanas ruangan; pemanas air; dan pemanas proses. Jika dikompresi, dapat menggantikan gas alam terkompresi untuk digunakan dalam kendaraan, di mana ia dapat menjadi bahan bakar mesin pembakaran internal atau sel bahan bakar dan merupakan pemindahan karbon dioksida yang jauh lebih efektif daripada penggunaan normal di pabrik CHP di tempat. Juga produk sampingan dari pabrik biogas, seperti digestate, dapat digunakan kembali, misalnya dengan berkontribusi untuk meningkatkan kualitas tanah.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Termodinamika

Termodinamika adalah bagian dari fisika yang membahas tentang panas, kerja, dan suhu, serta bagaimana hal-hal ini terhubung dengan energi, entropi, serta karakteristik fisik dari materi dan radiasi. Prinsip-prinsip ini dijelaskan oleh empat hukum termodinamika yang menggunakan konsep-konsep fisika makroskopis yang dapat diukur, meskipun dapat dijelaskan lebih dalam melalui mekanika statistik untuk memahami unsur-unsur mikroskopisnya. Termodinamika memiliki aplikasi yang luas dalam berbagai disiplin ilmu dan teknik, termasuk kimia fisik, biokimia, teknik kimia, teknik mesin, dan bahkan bidang lain seperti meteorologi.

Sejarah termodinamika dimulai dari upaya untuk meningkatkan efisiensi mesin uap awal, terutama melalui karya Sadi Carnot pada tahun 1824 yang percaya bahwa efisiensi mesin dapat memainkan peran penting dalam pertempuran seperti Perang Napoleon. Lord Kelvin kemudian memberikan definisi ringkas termodinamika pada tahun 1854 yang menyatakan hubungan antara panas dan gaya yang bekerja di antara bagian-bagian benda yang berdekatan, serta hubungan antara panas dengan agen listrik. Clausius menyempurnakan prinsip-prinsip ini, termasuk pengenalan siklus Carnot dan hukum kedua termodinamika pada tahun 1850-an dan 1860-an. Penggunaan awal termodinamika pada mesin kalor mekanis berkembang pesat untuk mempelajari senyawa kimia dan reaksi kimia, dengan termodinamika kimia memperluas pengetahuan tentang peran entropi dalam reaksi kimia. Konsep-konsep tambahan seperti termodinamika statistik dan pendekatan matematis murni oleh Carathéodory juga memberikan kontribusi penting dalam pengembangan termodinamika.

Perkenalan

Deskripsi sistem termodinamika menggunakan prinsip-prinsip dasar yang terdiri dari empat hukum termodinamika yang membentuk fondasi aksiomatik. Hukum pertama menyatakan bahwa energi dapat dipindahkan di antara sistem fisik melalui panas, kerja, dan perpindahan materi. Hukum kedua mengenali entropi sebagai ukuran keteraturan suatu sistem dan arah di mana sistem tersebut berkembang termodinamika, serta mengukur kerja yang dapat diekstraksi dari sistem. 

Dalam konteks termodinamika, kajian dan kategorisasi interaksi antara banyak objek dilakukan. Konsep sistem termodinamika dan lingkungannya menjadi inti dari ini. Sebuah sistem terdiri dari partikel yang sifat-sifatnya ditentukan oleh gerakan rata-rata mereka, dan sifat-sifat ini saling terhubung melalui persamaan keadaan. Kombinasi sifat-sifat ini dapat diungkapkan sebagai energi dalam dan potensial termodinamika, yang membantu menentukan kondisi kesetimbangan dan proses spontan.

Dengan bantuan konsep-konsep ini, termodinamika memungkinkan penjelasan tentang bagaimana sistem merespons terhadap perubahan lingkungannya. Konsep ini dapat diterapkan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknik, termasuk mesin, transisi fase, reaksi kimia, fenomena transportasi, bahkan hingga pada lubang hitam. Temuan dalam termodinamika memiliki dampak yang signifikan dalam berbagai bidang, seperti fisika, kimia, teknik, biologi, ilmu material, dan ekonomi, serta bidang lainnya.

Artikel ini terutama membahas termodinamika klasik, yang mempelajari sistem dalam kondisi kesetimbangan termodinamika. Meskipun termodinamika non-ekuilibrium dianggap sebagai perluasan dari kajian klasik, mekanika statistik telah membawa banyak kemajuan dalam bidang tersebut.

Sejarah

Sejarah termodinamika sebagai bidang ilmu dimulai pada masa Otto von Guericke pada tahun 1650, ketika ia membangun pompa vakum pertama dan menunjukkan konsep ruang hampa dengan eksperimen Magdeburg. Guericke ingin membuktikan bahwa ruang hampa bisa ada, menentang pandangan tradisional Aristoteles. Robert Boyle dan Robert Hooke kemudian mempelajari pompa Guericke dan pada tahun 1656, mereka membangun pompa udara yang memungkinkan mereka mengamati hubungan antara tekanan, suhu, dan volume. Dari pengamatan ini, Hukum Boyle lahir, yang menyatakan bahwa tekanan dan volume berbanding terbalik. Denis Papin kemudian mengembangkan alat pencerna uap pada tahun 1679 berdasarkan konsep ini.

Papin juga mengusulkan katup pelepas uap untuk mencegah ledakan mesin. Melalui observasi katup yang bergerak ritmis, Papin mengusulkan ide mesin piston dan silinder, meskipun desain ini tidak dikembangkan olehnya. Namun, pada tahun 1697, Thomas Savery membangun mesin pertama yang berdasarkan desain Papin, diikuti oleh Thomas Newcomen pada tahun 1712. Meskipun awalnya kasar dan tidak efisien, mesin ini menarik perhatian ilmuwan pada masa itu.

Konsep penting tentang kapasitas panas dan panas laten, yang penting bagi termodinamika, dikembangkan oleh Profesor Joseph Black di Universitas Glasgow, tempat James Watt, yang bekerja sebagai pembuat instrumen, juga berada. Watt mengembangkan ide kondensor eksternal, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi mesin uap.

Pada tahun 1824, Sadi Carnot, dikenal sebagai "bapak termodinamika", menerbitkan buku berjudul "Refleksi Kekuatan Motif Api", yang membahas panas, energi, dan efisiensi mesin. Karya ini menandai awal termodinamika sebagai ilmu pengetahuan modern. William Rankine kemudian menulis buku teks termodinamika pertama pada tahun 1859, diikuti dengan kemunculan Hukum Termodinamika Pertama dan Kedua pada tahun 1850-an dari karya-karya seperti Rankine, Rudolf Clausius, dan William Thomson (Lord Kelvin).

Dasar-dasar termodinamika statistik dikembangkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, dan J. Willard Gibbs. Clausius memperkenalkan konsep entropi pada tahun 1865, sementara Gibbs menunjukkan bagaimana proses termodinamika, termasuk reaksi kimia, dapat dianalisis secara grafis dalam makalah-makalahnya pada tahun 1873–76. Selama awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim menerapkan metode matematika Gibbs pada analisis proses kimia.

Cabang-bagian Termodinamika
Kajian tentang sistem termodinamika telah berkembang menjadi beberapa bidang terkait yang menggunakan dasar pemikiran yang berbeda-beda atau menerapkan prinsip-prinsip itu pada berbagai jenis sistem.

Termodinamika Klasik
Termodinamika klasik menggambarkan keadaan sistem termodinamika saat hampir mencapai keseimbangan. Ini menggunakan sifat-sifat yang bisa diamati dan diukur secara kasat mata. Pendekatan ini membantu kita memahami bagaimana energi, kerja, dan panas bertukar dalam sistem berdasarkan hukum-hukum termodinamika. Istilah "klasik" menunjukkan bahwa ini adalah pemahaman awal yang berkembang pada abad ke-19. Ini membahas perubahan sistem dalam hubungannya dengan hal-hal yang bisa diamati secara langsung (seperti ukuran besar).

Mekanika Statistik
Mekanika statistik, juga dikenal sebagai termodinamika statistik, muncul ketika ilmuwan mulai memahami bagaimana partikel-partikel kecil, seperti atom dan molekul, berinteraksi. Bidang ini menghubungkan bagaimana perilaku mikroskopis ini mempengaruhi sifat-sifat yang bisa diamati secara kasat mata. Ini membantu menjelaskan termodinamika klasik dengan cara yang lebih dalam, karena kita memahami lebih baik bagaimana partikel-partikel kecil ini berperilaku.

Termodinamika Kimia
Termodinamika kimia mempelajari hubungan antara energi dan perubahan yang terjadi dalam reaksi kimia atau perubahan fisik. Tujuannya adalah untuk mengetahui apakah suatu reaksi kimia akan terjadi dengan sendirinya atau membutuhkan dorongan tambahan.

Termodinamika Kesetimbangan
Termodinamika kesetimbangan melibatkan studi tentang bagaimana materi dan energi berpindah dalam sistem atau objek dari satu keadaan keseimbangan ke keseimbangan lainnya, yang dipengaruhi oleh lingkungan sekitarnya. Tujuannya adalah untuk memahami sistem ketika berada dalam kondisi keseimbangan dan bagaimana kondisinya berubah selama operasi termodinamika tertentu.

Termodinamika Non-Ekuilibrium
Termodinamika non-ekuilibrium mempelajari sistem yang tidak berada dalam keseimbangan termodinamika. Karena banyak sistem alami tidak berada dalam keadaan keseimbangan, kita perlu pendekatan yang lebih luas untuk menganalisis mereka. Ini membantu kita memahami bagaimana sistem yang terus-menerus berubah dan berinteraksi dengan lingkungannya.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Bahan bakar pelet

Bahan bakar pelet, merupakan jenis bahan bakar padat yang terdiri dari bahan organik terkompresi. Pelet ini dapat dihasilkan dari lima kategori biomassa umum, termasuk limbah industri, sisa makanan, limbah pertanian, tanaman energi, dan kayu yang belum diolah. Salah satu jenis pelet yang paling umum adalah pelet kayu, yang biasanya dibuat dari serbuk gergaji dan limbah industri dari proses pengolahan kayu. Limbah industri lainnya yang dapat digunakan termasuk tandan buah kosong, cangkang inti sawit, tempurung kelapa, serta bagian-bagian pohon yang dibuang saat penebangan. Terdapat juga jenis pelet yang disebut "pelet hitam", yang dibuat dari biomassa dan dimurnikan sehingga menyerupai batu bara keras, dirancang khusus untuk digunakan di pembangkit listrik yang sudah ada. Pelet diklasifikasikan berdasarkan nilai kalor, kadar air, abu, dan dimensi, serta dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk berbagai keperluan seperti pembangkit listrik, pemanas komersial atau perumahan, dan memasak.

Keunggulan pelet adalah kepadatannya yang tinggi dan kadar air yang rendah, memungkinkan pembakaran dengan efisiensi yang tinggi. Selain itu, bentuk geometrisnya yang teratur dan ukurannya yang kecil memungkinkan pengumpanan otomatis dengan kalibrasi yang sangat halus, baik menggunakan pengumpanan auger maupun pengangkutan pneumatik. Kepadatan yang tinggi juga memudahkan dalam penyimpanan kompak dan transportasi jarak jauh, bahkan dapat dengan mudah diangkut dari kapal tanker ke bunker penyimpanan atau silo di lokasi pelanggan.

Sejak pertengahan 1980-an, telah dikembangkan berbagai macam kompor pelet, tungku pemanas sentral, dan peralatan pemanas lainnya. Permintaan akan pemanas pelet meningkat signifikan di Eropa dan Amerika Utara seiring dengan kenaikan harga bahan bakar fosil sejak tahun 2005, yang mengakibatkan munculnya industri yang cukup besar. Produksi pelet kayu sendiri meningkat lebih dari dua kali lipat antara tahun 2006 dan 2010 menjadi lebih dari 14 juta ton, menurut Tugas 40 Badan Energi Internasional. Pusat Sumber Daya Energi Biomassa memperkirakan bahwa produksi pelet kayu di Amerika Utara akan meningkat dua kali lipat lagi dalam lima tahun mendatang, menurut laporan tahun 2012.

Produksi

Proses produksi pelet dimulai dengan kompresi material kayu yang sebelumnya telah melewati hammer mill untuk menghasilkan massa seragam yang mirip adonan. Massa ini kemudian dimasukkan ke mesin press, di mana tekanan tinggi menyebabkan suhu kayu meningkat pesat. Lignin, komponen kayu yang sedikit menjadi plastis, membentuk "lem" alami yang menyatukan pelet saat mendingin. Selain kayu, pelet juga dapat dibuat dari rumput dan biomassa non-kayu yang tidak mengandung lignin. Produksi pelet rumput telah maju di Eropa karena waktu tumbuh yang singkat dan kemudahan pengolahan.

Departemen Pertanian Nova Scotia pada tahun 2012 mengumumkan proyek konversi boiler berbahan bakar minyak menjadi pelet rumput di fasilitas penelitian. Pelet bahan bakar sekam padi, di sisi lain, dibuat dari padatan yang diperoleh dari hasil sampingan penanaman padi di ladang. Sifatnya mirip dengan pelet kayu dan lebih ramah lingkungan karena bahan bakunya merupakan produk limbah. Laporan CORRIM memperkirakan bahwa energi yang dibutuhkan untuk memproduksi dan mengangkut pelet kayu kurang dari 11% kandungan energi pelet jika menggunakan limbah kayu industri yang sudah dikeringkan. Namun, jika pelet dibuat dari bahan hutan, diperlukan energi hingga 18% untuk mengeringkan kayu dan tambahan 8% untuk energi transportasi dan manufaktur. Penilaian dampak lingkungan terhadap pelet kayu yang diekspor oleh Universitas Bologna dan Universitas British Columbia menyimpulkan bahwa energi yang diperlukan untuk mengirimkan pelet kayu Kanada ke Stockholm merupakan sekitar 14% dari total kandungan energi pelet kayu.

Standar pelet

Pelet yang memenuhi standar umum yang digunakan di Eropa, seperti DIN 51731 atau Ö-Norm M-7135, memiliki kandungan air kurang dari 10% dan kepadatan yang seragam, lebih tinggi dari 1 ton per meter kubik, sehingga dapat tenggelam dalam air (sementara berat jenisnya termasuk udara yang terperangkap hanya sekitar 0,6-0,7 ton per meter kubik). Pelet ini memiliki kekuatan struktural yang baik dan rendah dalam kandungan debu dan abu. Meskipun terdapat perbedaan jenis kayu yang digunakan, seperti yang dipecah di hammer mill, hampir tidak ada perbedaan dalam hasil pelet. Di Eropa, wilayah produksi utamanya terletak di Skandinavia selatan, Finlandia, Eropa Tengah, Austria, dan negara-negara Baltik.

Pelet yang memenuhi standar Eropa dan mengandung kayu daur ulang atau kontaminan luar dianggap sebagai pelet Kelas B. Bahan daur ulang seperti papan partikel, kayu yang diolah atau dicat, panel berlapis resin melamin, dan sejenisnya tidak cocok digunakan dalam pembuatan pelet karena dapat menghasilkan emisi berbahaya dan variasi karakteristik pembakaran yang tidak terkendali.

Di Amerika, standar yang digunakan berbeda-beda dan tidak bersifat wajib, yang dikembangkan oleh Pellet Fuels Institute. Namun, banyak produsen mematuhinya karena peralatan pembakaran yang diproduksi atau diimpor mungkin tidak mencakup kerusakan akibat pelet yang tidak sesuai dengan standar. Harga pelet di AS telah mengalami fluktuasi, tetapi umumnya lebih rendah dalam hal harga per jumlah energi dibandingkan kebanyakan bahan bakar fosil, kecuali batu bara.

Badan pengatur di Eropa dan Amerika Utara sedang dalam proses memperketat standar emisi untuk semua bentuk panas kayu, termasuk pelet kayu dan tungku pelet. Standar-standar ini akan menjadi wajib, dengan pengujian yang disertifikasi secara independen untuk memastikan kepatuhan. Di Amerika Serikat, proses peninjauan peraturan EPA dimulai pada tahun 2009, dengan peraturan baru yang final dikeluarkan untuk dikomentari pada tanggal 24 Juni 2014. Komite Standar Kayu Amerika akan menjadi lembaga sertifikasi independen untuk standar pelet baru.

Bahaya

Pelet kayu dapat mengeluarkan karbon monoksida beracun dalam jumlah besar selama penyimpanan. Kecelakaan fatal telah terjadi di gudang penyimpanan pribadi dan di atas kapal laut.Ketika ditangani, pelet kayu mengeluarkan debu halus yang dapat menyebabkan ledakan debu yang serius.

Pelet kayu biasanya disimpan dalam jumlah besar dalam silo besar. Pelet dapat memanas sendiri, terbakar dan menimbulkan api membara yang sangat sulit dipadamkan. Api yang membara menghasilkan karbon monoksida beracun dan gas pirolisis yang mudah terbakar yang dapat menyebabkan ledakan silo.

Pengoperasian kompor pelet

Ada tiga jenis umum peralatan pemanas pelet: kompor pelet yang berdiri sendiri, sisipan kompor pelet, dan ketel pelet.

Kompor pelet bekerja seperti tungku modern, di mana bahan bakar, kayu, atau pelet biomassa lainnya, disimpan di tempat penyimpanan yang disebut hopper. Hopper dapat ditempatkan di bagian atas alat, di samping alat atau dari jarak jauh. Auger mekanis secara otomatis memasukkan pelet ke dalam panci pembakaran. Dari sana, mereka terbakar pada suhu tinggi dengan emisi minimal. Tabung penukar panas mengirimkan udara yang dipanaskan oleh api ke dalam ruangan. Kipas konveksi mengedarkan udara melalui tabung penukar panas dan masuk ke dalam ruangan. Kompor pelet memiliki papan sirkuit di dalamnya yang berfungsi seperti termostat dan untuk mengatur suhu.

Sisipan kompor pelet adalah kompor yang dimasukkan ke dalam pasangan bata atau perapian kayu yang sudah ada, mirip dengan sisipan perapian.

Boiler pelet adalah pemanas sentral mandiri dan sistem air panas yang dirancang untuk menggantikan sistem bahan bakar fosil tradisional dalam aplikasi perumahan, komersial, dan institusional. Boiler pelet otomatis atau otomatis termasuk silo untuk penyimpanan pelet dalam jumlah besar, sistem pengiriman bahan bakar yang memindahkan bahan bakar dari silo ke hopper, pengontrol logika untuk mengatur suhu di beberapa zona pemanasan dan sistem pembuangan abu otomatis untuk operasi otomatis jangka panjang.

Keranjang pelet memungkinkan seseorang untuk menghangatkan rumah dengan menggunakan pelet di kompor atau perapian yang sudah ada.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Teknik biokimia

Teknik biokimia, juga dikenal sebagai teknik bioproses, adalah bidang studi yang berakar dari teknik kimia dan teknik biologi. Bidang ini terutama berkaitan dengan desain, konstruksi, dan kemajuan unit proses yang melibatkan organisme biologis (seperti fermentasi) atau molekul organik (sering kali enzim) dan memiliki berbagai aplikasi di bidang-bidang yang diminati seperti bahan bakar nabati, makanan, farmasi, bioteknologi, dan proses pengolahan air. Peran seorang insinyur biokimia adalah mengambil temuan yang dikembangkan oleh ahli biologi dan ahli kimia di laboratorium dan menerjemahkannya ke dalam proses produksi berskala besar.

Sejarah
Selama ratusan tahun, manusia telah memanfaatkan reaksi kimia organisme biologis untuk menciptakan barang. Pada pertengahan tahun 1800-an, Louis Pasteur adalah salah satu orang pertama yang meneliti peran organisme ini ketika ia meneliti fermentasi. Karyanya juga berkontribusi pada penggunaan pasteurisasi, yang masih digunakan hingga hari ini. Pada awal 1900-an, penggunaan mikroorganisme telah meluas, dan digunakan untuk membuat produk industri.

Hingga saat itu, teknik biokimia belum berkembang sebagai sebuah bidang. Baru pada tahun 1928, ketika Alexander Fleming menemukan penisilin, bidang teknik biokimia didirikan. Setelah penemuan ini, sampel dikumpulkan dari seluruh dunia untuk melanjutkan penelitian tentang karakteristik mikroba dari berbagai tempat seperti tanah, kebun, hutan, sungai, dan sungai. Saat ini, insinyur biokimia dapat ditemukan bekerja di berbagai industri, mulai dari makanan hingga farmasi. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya kebutuhan akan efisiensi dan produksi yang membutuhkan pengetahuan tentang bagaimana sistem biologis dan reaksi kimia berinteraksi satu sama lain dan bagaimana mereka dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan ini.

Pendidikan

Teknik biokimia bukanlah jurusan yang ditawarkan oleh sebagian besar universitas dan merupakan bidang minat di bawah jurusan teknik kimia dalam banyak kasus. Universitas-universitas berikut ini diketahui menawarkan gelar dalam bidang teknik biokimia:

• Brown University - Providence, RI
• Christian Brothers University - Memphis, TN
• Sekolah Pertambangan Colorado - Golden, CO
• Universitas Rowan - Glassboro, NJ
• Universitas Colorado Boulder - Boulder, CO
• Universitas Georgia - Athena, GA
• Universitas California, Davis - Davis, CA
• University College London - London, Inggris Raya
• Universitas California Selatan - Los Angeles, CA
• University of Western Ontario - Ontario, Kanada
• Institut Teknologi India (BHU) Varanasi - Varanasi, UP
• Institut Teknologi India Delhi - Delhi
• Institut Teknologi Tijuana - Meksiko
• Universitas Baghdad, Sekolah Tinggi Teknik, Biokimia Al-Khawarizmi

Aplikasi

Bioteknologi

Bioteknologi dan teknik biokimia terkait erat satu sama lain karena teknik biokimia dapat dianggap sebagai sub-cabang bioteknologi. Salah satu fokus utama bioteknologi adalah di bidang medis, di mana para insinyur biokimia bekerja untuk merancang obat-obatan, organ buatan, perangkat biomedis, sensor kimia, dan sistem pengiriman obat. Insinyur biokimia menggunakan pengetahuan mereka tentang proses kimia dalam sistem biologis untuk menciptakan produk nyata yang meningkatkan kesehatan masyarakat. Bidang studi spesifik meliputi metabolisme, enzim, dan rekayasa jaringan. Studi tentang kultur sel banyak digunakan dalam teknik biokimia dan bioteknologi karena banyak aplikasinya dalam mengembangkan bahan bakar alami, meningkatkan efisiensi dalam memproduksi obat-obatan dan proses farmasi, dan juga menciptakan obat untuk penyakit. Aplikasi medis lainnya dari teknik biokimia dalam bioteknologi adalah pengujian genetika dan farmakogenomik.

Industri Makanan

Insinyur biokimia terutama berfokus pada perancangan sistem yang akan meningkatkan produksi, pemrosesan, pengemasan, penyimpanan, dan distribusi makanan. Beberapa makanan yang biasa diproses termasuk gandum, buah-buahan, dan susu yang menjalani proses seperti penggilingan, dehidrasi, dan pasteurisasi untuk menjadi produk yang dapat dijual. Ada tiga tingkat pengolahan makanan: primer, sekunder, dan tersier.

Pengolahan pangan primer melibatkan proses mengubah produk pertanian menjadi produk lain yang dapat diubah menjadi makanan, pengolahan pangan sekunder adalah pembuatan makanan dari bahan-bahan yang sudah tersedia, dan pengolahan pangan tersier adalah produksi komersial makanan siap santap atau makanan siap saji. Mengeringkan, mengawetkan, mengasinkan, dan memfermentasi makanan adalah beberapa teknik pengolahan makanan tertua yang digunakan untuk mengawetkan makanan dengan mencegah ragi, jamur, dan bakteri yang menyebabkan pembusukan. Metode untuk mengawetkan makanan telah berevolusi untuk memenuhi standar keamanan makanan saat ini tetapi masih menggunakan proses yang sama seperti di masa lalu.

Insinyur biokimia juga bekerja untuk meningkatkan nilai gizi produk makanan, seperti pada beras emas, yang dikembangkan untuk mencegah kekurangan vitamin A di daerah-daerah tertentu di mana hal ini menjadi masalah. Upaya untuk memajukan teknologi pengawetan juga dapat memastikan retensi nutrisi yang tahan lama saat makanan disimpan. Pengemasan memainkan peran kunci dalam mengawetkan serta memastikan keamanan makanan dengan melindungi produk dari kontaminasi, kerusakan fisik, dan gangguan.Pengemasan juga dapat mempermudah pengangkutan dan penyajian makanan. Pekerjaan umum bagi insinyur biokimia yang bekerja di industri makanan adalah merancang cara untuk melakukan semua proses ini dalam skala besar untuk memenuhi permintaan populasi. Tanggung jawab untuk jalur karier ini termasuk merancang dan melakukan eksperimen, mengoptimalkan proses, berkonsultasi dengan kelompok untuk mengembangkan teknologi baru, dan menyiapkan rencana proyek untuk peralatan dan fasilitas.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Reagen

Katalisis (/kəˈtæləsɪsɪs/) adalah peningkatan laju reaksi kimia karena adanya zat tambahan yang dikenal sebagai katalis (/ˈkætəlɪst/). Katalis tidak dikonsumsi oleh reaksi dan tetap tidak berubah setelahnya, jika reaksi cepat dan katalis mendaur ulang dengan cepat, jumlah katalis yang sangat kecil sering kali sudah cukup, pencampuran, luas permukaan, dan suhu merupakan faktor penting dalam laju reaksi. Katalis umumnya bereaksi dengan satu atau lebih reaktan untuk membentuk zat antara yang kemudian menghasilkan produk reaksi akhir, dalam proses regenerasi katalis.

Peningkatan laju terjadi karena katalis memungkinkan reaksi terjadi dengan mekanisme alternatif yang mungkin jauh lebih cepat daripada mekanisme non-katalis. Namun mekanisme non-katalis tetap memungkinkan, sehingga laju total (katalis plus non-katalis) hanya dapat meningkat dengan adanya katalis dan tidak pernah berkurang. Katalisis dapat diklasifikasikan sebagai homogen, yang komponennya terdispersi dalam fase yang sama (biasanya gas atau cairan) dengan reaktan, atau heterogen, yang komponennya tidak dalam fase yang sama. Enzim dan biokatalis lainnya sering dianggap sebagai kategori ketiga.

Katalisis ada di mana-mana dalam semua jenis industri kimia. Diperkirakan 90% dari semua produk kimia yang diproduksi secara komersial melibatkan katalis pada tahap tertentu dalam proses pembuatannya.Istilah "katalis" berasal dari bahasa Yunani καταλύειν, kataluein, yang berarti "melonggarkan" atau "melepaskan". Konsep katalisis ditemukan oleh ahli kimia Elizabeth Fulhame, berdasarkan karya novelnya dalam eksperimen reduksi oksidasi.

Prinsip-prinsip umum

Contoh ilustrasi adalah efek katalis untuk mempercepat penguraian hidrogen peroksida menjadi air dan oksigen:

2 H2O2 → 2 H2O + O2
Reaksi ini berlangsung karena produk reaksi lebih stabil daripada senyawa awal, tetapi penguraian ini sangat lambat sehingga larutan hidrogen peroksida tersedia secara komersial. Dengan adanya katalis seperti mangan dioksida, reaksi ini berlangsung lebih cepat. Efek ini dapat dilihat dari buih oksigen yang dihasilkan. Katalis tidak dikonsumsi dalam reaksi, dan dapat diperoleh kembali tanpa perubahan dan digunakan kembali tanpa batas waktu. Oleh karena itu, mangan dioksida dikatakan mengkatalisis reaksi ini. Pada organisme hidup, reaksi ini dikatalisis oleh enzim (protein yang berfungsi sebagai katalis) seperti katalase.

Satuan
Satuan turunan SI untuk mengukur aktivitas katalitik katalis adalah katal, yang dikuantifikasi dalam mol per detik. Produktivitas katalis dapat digambarkan dengan angka perputaran (atau TON) dan aktivitas katalitik dengan frekuensi perputaran (TOF), yaitu TON per unit waktu. Setara dengan biokimia adalah unit enzim. Untuk informasi lebih lanjut mengenai efisiensi katalisis enzimatik, lihat artikel tentang enzim.

Mekanisme reaksi katalitik
Pada umumnya, reaksi kimia terjadi lebih cepat dengan adanya katalis karena katalis memberikan mekanisme reaksi alternatif (jalur reaksi) yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah daripada mekanisme yang tidak dikatalisis. Pada mekanisme yang dikatalisis, katalis diregenerasi.

Sebagai contoh sederhana yang terjadi pada fase gas, reaksi 2 SO2 + O2 → 2 SO3 dapat dikatalisis dengan menambahkan oksida nitrat. Reaksi ini terjadi dalam dua langkah:

2 NO + O2 → 2 NO2 (menentukan laju)

NO2 + SO2 → NO + SO3 (cepat)

Katalis NO diregenerasi. Laju keseluruhan adalah laju langkah lambat

v = 2k1[NO]2[O2].
Contoh katalisis heterogen adalah reaksi oksigen dan hidrogen pada permukaan titanium dioksida (TiO2, atau titania) untuk menghasilkan air. Pemindaian mikroskop tunneling menunjukkan bahwa molekul-molekul tersebut mengalami adsorpsi dan disosiasi. Atom O dan H yang terdisosiasi dan terikat di permukaan berdifusi bersama. Keadaan reaksi antara adalah: HO2, H2O2, kemudian H3O2 dan produk reaksi (dimer molekul air), setelah itu molekul air terdesorpsi dari permukaan katalis.

Energi reaksi
Katalis memungkinkan jalur yang berbeda dari reaksi tanpa katalis. Jalur ini memiliki energi aktivasi yang lebih rendah. Akibatnya, lebih banyak tumbukan molekul yang memiliki energi yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi. Oleh karena itu, katalis dapat memungkinkan reaksi yang seharusnya diblokir atau diperlambat oleh penghalang kinetik. Katalis dapat meningkatkan laju reaksi atau selektivitas, atau memungkinkan reaksi pada suhu yang lebih rendah. Efek ini dapat diilustrasikan dengan diagram profil energi.

Dalam reaksi elementer yang dikatalisis, katalis tidak mengubah tingkat reaksi: katalis tidak berpengaruh pada kesetimbangan kimiawi suatu reaksi. Rasio laju reaksi maju dan mundur tidak terpengaruh (lihat juga termodinamika). Hukum termodinamika kedua menjelaskan mengapa katalis tidak mengubah kesetimbangan kimia suatu reaksi. Misalkan ada katalis yang menggeser kesetimbangan. Memasukkan katalis ke dalam sistem akan menghasilkan reaksi yang berpindah ke kesetimbangan baru, menghasilkan energi.

Produksi energi adalah hasil yang diperlukan karena reaksi bersifat spontan hanya jika energi bebas Gibbs dihasilkan, dan jika tidak ada penghalang energi, tidak diperlukan katalis. Kemudian, menghilangkan katalis juga akan menghasilkan reaksi, menghasilkan energi; yaitu penambahan dan proses kebalikannya, penghilangan, akan menghasilkan energi. Dengan demikian, katalis yang dapat mengubah kesetimbangan akan menjadi mesin yang bergerak terus-menerus, yang bertentangan dengan hukum termodinamika. Dengan demikian, katalis tidak mengubah konstanta kesetimbangan. (Namun, katalis dapat mengubah konsentrasi kesetimbangan dengan bereaksi pada langkah berikutnya. Katalis ini kemudian dikonsumsi saat reaksi berlangsung, dan dengan demikian juga merupakan reaktan. Sebagai ilustrasi adalah hidrolisis ester yang dikatalisis oleh basa, di mana asam karboksilat yang dihasilkan segera bereaksi dengan katalis basa dan dengan demikian kesetimbangan reaksi bergeser ke arah hidrolisis).

Katalis menstabilkan keadaan transisi lebih dari sekadar menstabilkan bahan awal. Ini mengurangi penghalang kinetik dengan mengurangi perbedaan energi antara bahan awal dan keadaan transisi. Ini tidak mengubah perbedaan energi antara bahan awal dan produk (penghalang termodinamika), atau energi yang tersedia (ini disediakan oleh lingkungan sebagai panas atau cahaya).

Konsep terkait

Beberapa yang disebut katalis sebenarnya adalah prekatalis. Prekatalis berubah menjadi katalis dalam reaksi. Sebagai contoh, katalis Wilkinson, RhCl(PPh3)3, kehilangan satu ligan trifenilfosfina sebelum memasuki siklus katalitik yang sebenarnya. Prekatalis lebih mudah disimpan tetapi mudah diaktifkan di tempat. Karena langkah praaktivasi ini, banyak reaksi katalitik melibatkan periode induksi. Dalam katalisis kooperatif, spesies kimia yang meningkatkan aktivitas katalitik disebut kokatalis atau promotor.Dalam katalisis tandem, dua atau lebih katalis yang berbeda digabungkan dalam reaksi satu pot.

Dalam autokatalisis, katalis adalah produk dari keseluruhan reaksi, berbeda dengan semua jenis katalisis lainnya yang dibahas dalam artikel ini. Contoh paling sederhana dari autokatalisis adalah reaksi tipe A + B → 2 B, dalam satu atau beberapa langkah. Reaksi keseluruhan hanya A → B, sehingga B adalah produk. Tetapi karena B juga merupakan reaktan, maka B dapat hadir dalam persamaan laju dan mempengaruhi laju reaksi. Saat reaksi berlangsung, konsentrasi B meningkat dan dapat mempercepat reaksi sebagai katalis. Akibatnya, reaksi mempercepat dirinya sendiri atau autokatalisis. Contohnya adalah hidrolisis ester seperti aspirin menjadi asam karboksilat dan alkohol. Dengan tidak adanya katalis asam yang ditambahkan, produk asam karboksilat mengkatalisis hidrolisis.

Katalis sejati dapat bekerja bersama-sama dengan katalis korban. Katalis sejati dikonsumsi dalam reaksi elementer dan diubah menjadi bentuk yang dinonaktifkan. Katalis korban meregenerasi katalis sejati untuk siklus berikutnya. Katalis korban dikonsumsi dalam reaksi, dan dengan demikian, ini sebenarnya bukan katalis, tetapi reagen. Sebagai contoh, osmium tetroksida (OsO4) adalah pereaksi yang baik untuk dihidroksilasi, tetapi sangat beracun dan mahal. Dalam dihidroksilasi Upjohn, katalis pengorbanan N-methylmorpholine N-oxide (NMMO) meregenerasi OsO4, dan hanya jumlah katalitik OsO4 yang dibutuhkan.

Klasifikasi

Katalisis dapat diklasifikasikan sebagai homogen atau heterogen. Katalisis homogen adalah katalisis yang komponennya terdispersi dalam fase yang sama (biasanya gas atau cairan) dengan molekul reaktan. Katalisis heterogen adalah katalisis yang komponen reaksinya tidak berada dalam fase yang sama. Enzim dan biokatalis lainnya sering dianggap sebagai kategori ketiga. Prinsip-prinsip mekanistik yang sama berlaku untuk heterogen, homogen, dan biokatalisis.

Katalisis heterogen

Katalis heterogen bekerja dalam fase yang berbeda dari reaktan. Sebagian besar katalis heterogen adalah padatan yang bekerja pada substrat dalam campuran reaksi cair atau gas. Katalis heterogen yang penting termasuk zeolit, alumina, oksida tingkat tinggi, karbon grafit, oksida logam transisi, logam seperti nikel Raney untuk hidrogenasi, dan vanadium (V) oksida untuk oksidasi sulfur dioksida menjadi sulfur trioksida melalui proses kontak.

Mekanisme yang beragam untuk reaksi pada permukaan telah diketahui, tergantung pada bagaimana adsorpsi berlangsung (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal, dan Mars-van Krevelen). Luas permukaan total padatan memiliki efek penting pada laju reaksi. Semakin kecil ukuran partikel katalis, semakin besar luas permukaan untuk massa partikel tertentu.

Katalis heterogen memiliki situs aktif, yang merupakan atom atau permukaan kristal di mana substrat benar-benar berikatan. Situs aktif adalah atom tetapi sering digambarkan sebagai aspek (tepi, permukaan, langkah, dll.) dari suatu padatan. Sebagian besar volume tetapi juga sebagian besar permukaan katalis heterogen mungkin tidak aktif secara katalitik. Mencari tahu sifat situs aktif secara teknis menantang.

Sebagai contoh, katalis untuk proses Haber untuk sintesis amonia dari nitrogen dan hidrogen sering digambarkan sebagai besi. Namun, studi terperinci dan banyak optimasi telah menghasilkan katalis yang merupakan campuran besi-kalium-kalsium-aluminium-oksida. Gas-gas yang bereaksi teradsorpsi ke situs aktif pada partikel besi. Setelah teradsorpsi secara fisik, reagen-reagen tersebut terpisah sebagian atau seluruhnya dan membentuk ikatan baru. Dengan cara ini, ikatan rangkap tiga yang sangat kuat dalam nitrogen diputuskan, yang akan sangat jarang terjadi pada fase gas karena energi aktivasinya yang tinggi. Dengan demikian, energi aktivasi dari keseluruhan reaksi diturunkan, dan laju reaksi meningkat. Tempat lain di mana katalis heterogen diterapkan adalah dalam oksidasi sulfur dioksida pada vanadium (V) oksida untuk produksi asam sulfat. Banyak katalis heterogen yang sebenarnya adalah material nano.

Katalis heterogen biasanya "didukung", yang berarti bahwa katalis didispersikan pada bahan kedua yang meningkatkan efektivitas atau meminimalkan biayanya. Pendukung mencegah atau meminimalkan aglomerasi dan sintering partikel katalis kecil, mengekspos lebih banyak area permukaan, sehingga katalis memiliki aktivitas spesifik yang lebih tinggi (per gram) pada pendukung. Kadang-kadang penyangga hanya berupa permukaan tempat katalis disebarkan untuk meningkatkan luas permukaan.

Lebih sering, pendukung dan katalis berinteraksi, mempengaruhi reaksi katalitik. Pendukung juga dapat digunakan dalam sintesis nanopartikel dengan menyediakan tempat bagi molekul individu katalis untuk berikatan secara kimiawi. Pendukung adalah bahan berpori dengan luas permukaan yang tinggi, biasanya alumina, zeolit, atau berbagai jenis karbon aktif. Pendukung khusus termasuk silikon dioksida, titanium dioksida, kalsium karbonat, dan barium sulfat.

Elektrokatalis
Dalam konteks elektrokimia, khususnya dalam rekayasa sel bahan bakar, berbagai katalis yang mengandung logam digunakan untuk meningkatkan laju setengah reaksi yang membentuk sel bahan bakar. Salah satu jenis elektrokatalis sel bahan bakar yang umum didasarkan pada nanopartikel platina yang didukung oleh partikel karbon yang sedikit lebih besar. Ketika bersentuhan dengan salah satu elektroda dalam sel bahan bakar, platina ini meningkatkan laju reduksi oksigen menjadi air atau hidroksida atau hidrogen peroksida.

Katalisis homogen
Katalis homogen berfungsi dalam fase yang sama dengan reaktan. Biasanya katalis homogen dilarutkan dalam pelarut dengan substrat. Salah satu contoh katalisis homogen melibatkan pengaruh H+ pada esterifikasi asam karboksilat, seperti pembentukan metil asetat dari asam asetat dan metanol. Proses volume tinggi yang membutuhkan katalis homogen meliputi hidroformilasi, hidrosilasi, hidrosianasi. Bagi ahli kimia anorganik, katalisis homogen sering kali identik dengan katalis organologam. Namun, banyak katalis homogen yang tidak bersifat organologam, diilustrasikan dengan penggunaan garam kobalt yang mengkatalisis oksidasi p-xilena menjadi asam tereftalat.

Organokatalisis
Meskipun logam transisi terkadang menarik sebagian besar perhatian dalam studi katalisis, molekul organik kecil tanpa logam juga dapat menunjukkan sifat katalitik, seperti yang terlihat dari fakta bahwa banyak enzim tidak memiliki logam transisi. Biasanya, katalis organik membutuhkan pemuatan yang lebih tinggi (jumlah katalis per satuan jumlah reaktan, dinyatakan dalam mol% jumlah zat) daripada katalis berbasis logam transisi (-ion), tetapi katalis ini biasanya tersedia secara komersial dalam jumlah besar, sehingga membantu menurunkan biaya. Pada awal tahun 2000-an, organokatalis ini dianggap sebagai "generasi baru" dan bersaing dengan katalis yang mengandung logam (-ion) tradisional.

Organokatalis seharusnya beroperasi mirip dengan enzim bebas logam yang memanfaatkan, misalnya, interaksi non-kovalen seperti ikatan hidrogen. Disiplin organokatalisis dibagi menjadi penerapan organokatalis kovalen (misalnya, prolin, DMAP) dan non-kovalen (misalnya, organokatalisis tiourea) yang mengacu pada pengikatan dan interaksi katalis-substrat yang lebih disukai. Penghargaan Nobel Kimia 2021 diberikan secara bersama-sama kepada Benjamin List dan David W.C. MacMillan "untuk pengembangan organokatalisis asimetris."

Fotokatalis
Fotokatalisis adalah fenomena di mana katalis dapat menerima cahaya untuk menghasilkan keadaan tereksitasi yang mempengaruhi reaksi redoks. Oksigen tunggal biasanya diproduksi oleh fotokatalisis. Fotokatalis adalah komponen sel surya yang peka terhadap zat warna.

Enzim dan biokatalis
Dalam biologi, enzim adalah katalis berbasis protein dalam metabolisme dan katabolisme. Sebagian besar biokatalis adalah enzim, tetapi kelas biomolekul berbasis non-protein lainnya juga menunjukkan sifat katalitik termasuk ribozim dan deoksiribozim sintetis.

Biokatalis dapat dianggap sebagai perantara antara katalis homogen dan heterogen, meskipun sebenarnya enzim yang dapat larut adalah katalis homogen dan enzim yang terikat membran adalah heterogen. Beberapa faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim (dan katalis lainnya) termasuk suhu, pH, konsentrasi enzim, substrat, dan produk. Pereaksi yang sangat penting dalam reaksi enzimatik adalah air, yang merupakan produk dari banyak reaksi pembentukan ikatan dan reaktan dalam banyak proses pemutusan ikatan. Dalam biokatalisis, enzim digunakan untuk membuat banyak bahan kimia komoditas termasuk sirup jagung fruktosa tinggi dan akrilamida.

Beberapa antibodi monoklonal yang target pengikatannya adalah molekul stabil yang menyerupai keadaan transisi reaksi kimia dapat berfungsi sebagai katalisator lemah untuk reaksi kimia tersebut dengan menurunkan energi aktivasinya. Antibodi katalitik semacam itu kadang-kadang disebut "abzim".

Disadur dari: en.wikipedia.org