Industri penerbangan menghasilkan 2 persen dari emisi karbon dioksida global yang diinduksi manusia. Bagian ini mungkin tampak relatif kecil - untuk perspektif, pembangkit listrik dan pemanasan rumah lebih dari 40 persen - tetapi penerbangan adalah salah satu sumber gas rumah kaca yang tumbuh paling cepat di dunia. Permintaan perjalanan udara diproyeksikan akan berlipat ganda dalam 20 tahun ke depan.
Maskapai penerbangan berada di bawah tekanan untuk mengurangi emisi karbon mereka, dan sangat rentan terhadap fluktuasi harga minyak global. Tantangan-tantangan ini telah mendorong minat yang kuat pada bahan bakar jet yang diturunkan dari biomassa. Bahan bakar bio-jet dapat diproduksi dari berbagai bahan tanaman, termasuk tanaman minyak, tanaman gula, tanaman berpati dan biomassa lignoselulosa, melalui berbagai rute kimia dan biologis. Namun, teknologi untuk mengubah minyak menjadi bahan bakar jet berada pada tahap pengembangan yang lebih maju dan menghasilkan efisiensi energi yang lebih tinggi daripada sumber lainnya.
Kami adalah rekayasa tebu, pabrik paling produktif di dunia, untuk menghasilkan minyak yang dapat diubah menjadi bahan bakar bio-jet. Dalam sebuah studi baru-baru ini, kami menemukan bahwa penggunaan tebu rekayasa ini dapat menghasilkan lebih dari 2.500 liter bahan bakar bio-jet per hektar lahan. Secara sederhana, ini berarti Boeing 747 dapat terbang selama 10 jam dengan bahan bakar bio-jet yang diproduksi hanya di 54 hektar tanah. Dibandingkan dengan dua sumber tanaman yang bersaing, kedelai dan jarak, lipidcane akan menghasilkan sekitar 15 dan 13 kali lebih banyak bahan bakar jet per unit tanah, masing-masing.
Menciptakan tebu serbaguna
Bahan bakar bio-jet yang berasal dari bahan baku yang kaya minyak, seperti camelina dan ganggang, telah berhasil diuji dalam bukti penerbangan konsep. American Society for Testing and Materials telah menyetujui campuran 50:50 bahan bakar jet berbasis minyak bumi dan bahan bakar jet terbarukan hidroprosesor untuk penerbangan komersial dan militer.
Namun, bahkan setelah upaya penelitian dan komersialisasi yang signifikan, volume produksi bahan bakar bio-jet saat ini sangat kecil. Membuat produk-produk ini dalam skala yang lebih besar akan membutuhkan peningkatan teknologi lebih lanjut dan bahan baku murah yang berlimpah (tanaman yang digunakan untuk membuat bahan bakar).
Tebu adalah sumber biofuel yang terkenal: Brasil telah memfermentasi jus tebu untuk membuat bahan bakar berbasis alkohol selama beberapa dekade. Etanol dari tebu menghasilkan 25 persen lebih banyak energi daripada jumlah yang digunakan selama proses produksi, dan mengurangi emisi gas rumah kaca hingga 12 persen dibandingkan dengan bahan bakar fosil.
Memanen tebu di Brasil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Kami bertanya-tanya apakah kami dapat meningkatkan produksi minyak alami pabrik dan menggunakan minyak untuk memproduksi biodiesel, yang memberikan manfaat lingkungan yang lebih besar. Biodiesel menghasilkan 93 persen lebih banyak energi daripada yang dibutuhkan untuk membuatnya dan mengurangi emisi hingga 41 persen dibandingkan dengan bahan bakar fosil. Etanol dan biodiesel dapat digunakan dalam bahan bakar bio-jet, tetapi teknologi untuk mengubah minyak nabati menjadi bahan bakar jet berada pada tahap pengembangan lanjutan, menghasilkan efisiensi energi yang tinggi dan siap untuk penyebaran skala besar.
Ketika kami pertama kali mengusulkan teknik tebu untuk menghasilkan lebih banyak minyak, beberapa rekan kami menganggap kami gila. Tanaman tebu hanya mengandung minyak 0, 05 persen, yang terlalu sedikit untuk dikonversi menjadi biodiesel. Banyak ilmuwan tanaman berteori bahwa meningkatkan jumlah minyak menjadi 1 persen akan beracun bagi pabrik, tetapi model komputer kami memperkirakan bahwa kami dapat meningkatkan produksi minyak hingga 20 persen.
Dengan dukungan dari Badan Proyek Penelitian Lanjutan Badan Energi-Energy, kami meluncurkan proyek penelitian yang disebut Plant Engineered untuk Mengganti Minyak di Tebu dan Sorgum, atau PETROSS, pada tahun 2012. Sejak itu, melalui rekayasa genetika kami telah meningkatkan produksi minyak dan asam lemak mencapai minyak 12 persen di daun tebu.
Sebotol minyak yang diproduksi dari PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Sekarang kami bekerja untuk mencapai minyak 20 persen - batas teoretis, menurut model komputer kami - dan menargetkan akumulasi minyak ini ke batang tanaman, di mana minyak ini lebih mudah diakses daripada di dedaunan. Penelitian pendahuluan kami telah menunjukkan bahwa meskipun tanaman rekayasa menghasilkan lebih banyak minyak, mereka terus menghasilkan gula. Kami menyebut tanaman rekayasa ini lipidcane.
Beberapa produk dari lipidcane
Lipidcane menawarkan banyak keuntungan bagi petani dan lingkungan. Kami menghitung bahwa menumbuhkan lipidcane yang mengandung 20 persen minyak akan lima kali lebih menguntungkan per acre daripada kedelai, bahan baku utama yang saat ini digunakan untuk membuat biodiesel di Amerika Serikat, dan dua kali lebih menguntungkan per acre dibandingkan jagung.
Agar berkelanjutan, bahan bakar bio-jet juga harus ekonomis untuk diproses dan memiliki hasil produksi tinggi yang meminimalkan penggunaan lahan yang subur. Kami memperkirakan bahwa dibandingkan dengan kedelai, lipidcane yang mengandung minyak 5 persen dapat menghasilkan bahan bakar jet empat kali lebih banyak per hektar tanah. Lipidcane dengan minyak 20 persen dapat menghasilkan lebih dari 15 kali lebih banyak bahan bakar jet per are.
Dan lipidcane menawarkan manfaat energi lainnya. Bagian tanaman yang tersisa setelah ekstraksi jus, yang dikenal sebagai ampas tebu, dapat dibakar untuk menghasilkan uap dan listrik. Menurut analisis kami, ini akan menghasilkan lebih dari cukup listrik untuk menyalakan biorefinery, sehingga kelebihan daya dapat dijual kembali ke jaringan, menggantikan listrik yang dihasilkan dari bahan bakar fosil - praktik yang sudah digunakan di beberapa pabrik di Brazil untuk menghasilkan etanol dari tebu.
Potensi tanaman bioenergi AS
Tebu tumbuh subur di tanah marginal yang tidak cocok untuk banyak tanaman pangan. Saat ini ditanam terutama di Brasil, India dan Cina. Kami juga merekayasa lipidcane agar lebih toleran terhadap dingin sehingga dapat dinaikkan secara lebih luas, khususnya di Amerika Serikat bagian tenggara di lahan yang kurang dimanfaatkan.
Peta wilayah lipidcane toleran dingin (PETROSS) Jika kita mencurahkan 23 juta acre di Amerika Serikat bagian tenggara untuk lipidcane dengan 20 persen minyak, kami memperkirakan bahwa tanaman ini dapat menghasilkan 65 persen dari pasokan bahan bakar jet AS. Saat ini, dalam dolar saat ini, bahan bakar itu akan menelan biaya maskapai penerbangan US $ 5, 31 per galon, yang kurang dari bahan bakar bio-jet yang dihasilkan dari ganggang atau tanaman minyak lainnya seperti kedelai, kanola atau minyak sawit.
Lipidcane juga dapat tumbuh di Brasil dan daerah tropis lainnya. Seperti yang baru-baru ini kami laporkan di Nature Climate Change, peningkatan secara signifikan produksi tebu atau lipidcane di Brazil dapat mengurangi emisi karbon dioksida global saat ini hingga 5, 6 persen. Hal ini dapat dicapai tanpa menimpa daerah-daerah yang oleh pemerintah Brasil telah ditetapkan sebagai lingkungan yang sensitif, seperti hutan hujan.
Dalam mengejar 'energycane'
Penelitian lipidcane kami juga mencakup rekayasa genetika tanaman untuk membuatnya berfotosintesis lebih efisien, yang diterjemahkan menjadi lebih banyak pertumbuhan. Dalam artikel 2016 di Science, salah satu dari kami (Stephen Long) dan rekan di lembaga lain menunjukkan bahwa meningkatkan efisiensi fotosintesis dalam tembakau meningkatkan pertumbuhannya sebesar 20 persen. Saat ini, penelitian pendahuluan dan uji coba lapangan berdampingan menunjukkan bahwa kami telah meningkatkan efisiensi fotosintesis tebu sebesar 20 persen, dan hampir 70 persen dalam kondisi dingin.
Tebu normal (kiri) tumbuh di samping tebu PETROSS yang direkayasa, yang tampak lebih tinggi dan lebih lebat, dalam uji coba lapangan di Universitas Florida. (Fredy Altpeter / Universitas Florida, CC BY-ND) Sekarang tim kami mulai bekerja untuk merekayasa varietas tebu dengan hasil lebih tinggi yang kami sebut "energycane" untuk mencapai lebih banyak produksi minyak per hektar. Kami memiliki lebih banyak tanah untuk ditutup sebelum dapat dikomersialkan, tetapi mengembangkan pabrik yang layak dengan minyak yang cukup untuk menghasilkan secara ekonomis biodiesel dan bahan bakar bio-jet adalah langkah pertama yang utama.
Catatan Editor: Artikel ini telah diperbarui untuk mengklarifikasi bahwa penelitian oleh Stephen Long dan yang lainnya yang diterbitkan dalam Science pada tahun 2016 melibatkan peningkatan efisiensi fotosintesis pada tanaman tembakau.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Deepak Kumar, Peneliti Pascadoktoral, Universitas Illinois di Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Profesor Ilmu Tanaman dan Biologi Tumbuhan, Universitas Illinois di Urbana-Champaign
Vijay Singh, Profesor Teknik Pertanian dan Biologis dan Direktur Laboratorium Riset Bioproses Terintegrasi, Universitas Illinois di Urbana-Champaign
