Tren dan tantangan global dalam pemurnian biogas dan penangkapan CO2 untuk energi terbarukan dan mitigasi iklim

Abstrak
Teknologi pemurnian biogas memfasilitasi produksi produk bernilai tambah seperti biometana dan bahan kimia industri. Tinjauan ini didasarkan pada asumsi bahwa pemurnian biogas kurang terwakili dalam literatur meskipun potensinya signifikan untuk energi bersih dan mitigasi gas rumah kaca, yang menjamin analisis bibliometrik dan scientometrik yang komprehensif. Menggunakan data dari ISI Web of Science milik Clarivate Analytics, studi ini meneliti penelitian tentang pemurnian biogas dan penangkapan CO2 . Hasilnya menunjukkan publikasi mendalam yang relatif sedikit, tetapi ada minat yang meningkat pada biogas sebagai alternatif berkelanjutan untuk gas alam dan bahan bakar konvensional, yang didorong oleh tujuan pengurangan emisi. Tantangan utama meliputi biaya tinggi, kemajuan teknologi terbatas (misalnya, membran, penyerapan kimia), dan dukungan regulasi yang tidak memadai. Bidang publikasi utama adalah bahan bakar energi, teknik lingkungan, dan ilmu lingkungan. Tiongkok, Inggris, dan AS merupakan kontributor utama; namun, UE memimpin dalam penerapan komersial, yang mencerminkan integrasi yang lebih maju ke dalam sistem energi berkelanjutan. Selain biogas, proses fermentasi menghasilkan residu organik dengan potensi signifikan untuk dimaksimalkan melalui pemulihan nutrisi, pengomposan, dan ekstraksi produk bernilai tinggi, sehingga meningkatkan efisiensi sumber daya dan keberlanjutan. Biogas merupakan solusi yang menjanjikan untuk transisi energi, pembangunan berkelanjutan, dan integrasi ekonomi sirkular.

Perkenalan
Pencernaan anaerobik merupakan teknologi energi terbarukan dan metode pengolahan limbah yang menjanjikan. 1 Pencernaan anaerobik telah diadopsi secara luas untuk berbagai aplikasi. 2 Dibandingkan dengan sumber energi terbarukan lainnya, seperti tenaga surya, hidro, dan angin, produksi energi biomassa memerlukan investasi yang jauh lebih rendah. 3 Pencernaan anaerobik melibatkan konsorsium mikroorganisme anaerobik yang memecah bahan organik untuk menghasilkan biogas. 4 Dalam skala besar, biogas terutama mengandung metana dan karbon dioksida, dengan sedikit pengotor termasuk nitrogen, oksigen, hidrogen, amonia, hidrogen sulfida, dan karbon monoksida. Gas ini dapat ditingkatkan untuk pembangkitan energi dan penggunaan industri. 5

Proses pencernaan anaerobik bersifat kompleks, meliputi empat tahap biokimia utama: hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis. Meskipun mikroorganisme penting di semua tahap proses, masih terdapat kesenjangan yang signifikan dalam memahami interaksi mereka dan dalam pengoptimalan setiap fase untuk meningkatkan stabilitas proses dan hasil biogas, terutama dalam berbagai bahan baku dan kondisi operasi. 6 Mengoptimalkan proses pencernaan anaerobik dan mengelola nutrisi secara efisien, seperti rasio karbon:nitrogen (C:N), merupakan kunci untuk meningkatkan produksi biogas dan memperkuat profitabilitas sektor ini.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memantau rasio C:N selama proses berlangsung, menyeimbangkan kebutuhan mikroorganisme untuk memperoleh hasil biogas yang maksimal. 7 Stabilitas proses memainkan peran yang kompleks namun krusial dalam mengoptimalkan konversi biologis seperti pencernaan anaerobik. 8

Biogas telah muncul sebagai teknologi berkelanjutan dengan adopsi industri yang terus berkembang dan merupakan alternatif yang menjanjikan untuk mengurangi emisi gas rumah kaca di atmosfer. 9 Biogas digunakan secara luas untuk menghasilkan listrik atau menggantikan bahan bakar fosil. 10 Sangat penting untuk mengatur berbagai parameter utama dengan hati-hati untuk mengoptimalkan produksi biogas. Stabilitas lingkungan mikroba bergantung pada kondisi seperti suhu, pH, asam lemak volatil, rasio C:N, waktu retensi, dan laju pemuatan organik. 11 Biogas umumnya terdiri dari 30% hingga 70% metana dan 30% hingga 50% karbon dioksida, bervariasi menurut substrat yang digunakan dalam digester. 12 Pabrik biogas hanya dapat berkelanjutan jika terlebih dahulu layak secara ekonomi. Kelayakan ekonomi dari proyek-proyek ini merupakan faktor penentu dalam menarik investasi swasta, karena investor tidak hanya mengevaluasi keberlanjutan lingkungan tetapi juga profitabilitas yang diharapkan dibandingkan dengan peluang lain dalam portofolio investasi mereka. 13 Keputusan investasi ulang dalam industri yang sedang berkembang seperti biogas bergantung pada faktor risiko, pengembalian, dan stabilitas jangka panjang. Guncangan mikrostruktur dapat memengaruhi perilaku investasi swasta secara signifikan, memperkuat pentingnya model bisnis yang kuat dan strategi mitigasi risiko untuk proyek-proyek ini .

Biogas harus memiliki tingkat kemurnian yang tinggi. Karbon dioksida merupakan kontaminan utama. Pemurnian selanjutnya diperlukan untuk menghilangkan CO₂ dan meningkatkan konsentrasi CH₄ sebelum digunakan sebagai sumber energi. 15 Menurut Badan Nasional Perminyakan, Gas Alam, dan Biofuel (ANP), biometana harus memiliki konsentrasi rendah komponen yang berpotensi korosif, seperti hidrogen sulfida, karbon dioksida, dan air, untuk memastikan keamanan dan integritas peralatan. Biometana harus memiliki kemurnian minimal 90%. 16

Beberapa teknologi pemurnian biogas mentah tengah dikembangkan untuk memperoleh biometana dengan kemurnian tinggi. Teknologi komersial yang paling umum digunakan meliputi penyerapan, distilasi kriogenik, dan membran. 17 Pemilihan teknologi yang tepat bergantung pada tujuan akhir biogas, efisiensi proses, dan biaya yang dikeluarkan. Untuk injeksi ke jaringan gas alam, biogas harus mengandung sedikitnya 95% metana. 18

Penangkapan dan penyimpanan karbon dioksida (CCS) melibatkan beberapa teknologi untuk mencegah CO₂ yang dilepaskan mencapai atmosfer, yang berkontribusi pada mitigasi perubahan iklim. Penyimpanan harus dilaksanakan dengan hati-hati untuk menghindari kebocoran ke dalam ekosistem. 19 Meskipun hanya sebagian dari CO₂ yang diproduksi setiap tahun dapat disimpan dan diubah menjadi produk yang bernilai komersial, teknologi baru sedang dikembangkan untuk menemukan metode yang berkelanjutan, efisien, dan berbiaya rendah untuk konversi ini. 20 Integrasi penangkapan dan konversi CO₂ merupakan hal yang menarik secara teknologi. 21

Dalam industri makanan, CO₂ terutama dilepaskan dalam proses fermentasi, seperti dalam produksi alkohol. Penggunaan CO₂ ini untuk memperoleh produk baru merupakan pilihan yang menjanjikan. Tujuan utama penelitian saat ini adalah untuk melaksanakan analisis bibliometrik dan scientometrik jaringan dan metrik sentralitas yang difokuskan pada pemurnian biogas dan produk yang dapat diperoleh dari proses ini. Analisis ini berupaya mengidentifikasi keadaan terkini dan tren penelitian dalam berbagai teknologi pemurnian biogas, seperti penyerapan, distilasi kriogenik, dan penggunaan membran. Analisis ini juga bertujuan untuk memetakan kesenjangan dalam literatur, dengan menunjukkan area yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut.

Sebagian besar literatur terkini memberikan wawasan baru yang terbatas dan analisis terperinci yang tidak memadai tentang pengintegrasian pemurnian biogas dengan tujuan lingkungan dan ekonomi yang lebih luas. Beberapa penelitian menyoroti potensi biogas sebagai sumber energi terbarukan tetapi hanya sedikit yang menilai perannya dalam model ekonomi sirkular atau kemampuannya untuk menghasilkan produk bernilai tambah. Penelitian ini berhipotesis bahwa kemajuan dalam metode pemurnian, khususnya dalam penangkapan dan konversi CO₂, dapat meningkatkan kelayakan ekonomi produksi biogas secara signifikan sambil mengurangi emisi gas rumah kaca. Pekerjaan ini bertujuan untuk menyediakan kerangka kerja yang komprehensif untuk mengembangkan proses peningkatan biogas yang lebih efisien dan hemat biaya dengan mengidentifikasi kesenjangan teknologi utama dan tren penelitian yang muncul. Hipotesis penelitian utama menyatakan bahwa memajukan teknologi pemurnian biogas dapat meningkatkan kinerja lingkungan secara signifikan sambil meningkatkan kelayakan ekonomi. Fokus ganda ini menggarisbawahi urgensi penelitian, khususnya dalam upaya dekarbonisasi global dan pencarian solusi energi bersih yang dapat diskalakan dan hemat biaya.

Metodologi
Analisis bibliometrik
Survei ini dikembangkan untuk menganalisis informasi relevan tentang topik terpilih menggunakan data produksi ilmiah dari koleksi Science Citation Index Expanded (SCI-E) dalam platform ISI Web of Science (WoS) milik Clarivate Analytics. Metode pencarian yang digunakan adalah ‘pencarian lanjutan’, yang menggabungkan kata kunci seperti pencernaan anaerobik, pemurnian biogas, peningkatan biogas, pemisahan biogas, biogas, pemisahan karbon dioksida, penangkapan karbon dioksida, pemisahan, penangkapan CO2 , pemurnian metana, dan penangkapan karbon untuk memastikan hasil yang andal dan akurat berdasarkan keberadaannya dalam judul, abstrak, dan kata kunci penulis. Studi ini difokuskan pada artikel dan tinjauan tanpa menetapkan tanggal. Sebanyak 169 dokumen dipilih untuk analisis bibliometrik, termasuk 126 artikel dan 43 tinjauan.

Studi bibliometrik menggunakan data keluaran ilmiah dari koleksi inti Science Citation Index Expanded (SCI-E) dalam ISI Web of Science© (WoS) milik Clarivate Analytics. Metode pencarian yang digunakan adalah “pencarian lanjutan,” yang menerapkan operasi logika ((TS = (“Anaerobic digestion”)) DAN TS = (“biogas purity” ATAU “biogas increased” ATAU “biogas separation” ATAU “biogas”)) DAN TS = (“carbon dioxide separation” ATAU “carbon dioxide capture” ATAU “CO 2 separation” ATAU “CO 2 capture” ATAU “methane purity” ATAU “carbon capture”) untuk memastikan hasil yang andal dan akurat berdasarkan kata-kata terpilih yang ditemukan dalam judul, abstrak, dan kata kunci penulis. Studi ini difokuskan pada artikel dan tinjauan tanpa membatasi tanggal. Sebanyak 169 dokumen dipilih untuk analisis bibliometrik, yang terdiri dari 126 artikel dan 43 tinjauan (Gbr. 1 ).

Untuk analisis dan visualisasi, data dari dokumen terpilih diekspor dan diproses menggunakan perangkat lunak bibliometrik. Secara khusus, paket ‘Bibliometrix’, dalam bahasa pemrograman R, digunakan untuk menghasilkan plot tiga bidang dan diagram waktu untuk melacak tren publikasi penulis teratas dari waktu ke waktu.

Kumpulan data tersebut kemudian diselidiki lebih lanjut menggunakan perangkat lunak VOSviewer untuk membangun jaringan penulis, sumber, negara, dan kelompok kata kunci penulis. Data yang dihasilkan oleh VOSviewer dimasukkan ke dalam Gephi (versi 0.10.1) untuk memperoleh nilai sentralitas dan kepadatan. Semua data yang digunakan dalam analisis bibliometrik diperoleh dari WoS. Pendekatan ini memungkinkan para peneliti untuk memperoleh wawasan berharga tentang tren dan pola penelitian yang terkait dengan topik yang dipilih. 22

Mengikuti kerangka kerja yang mapan dari Brocke et al ., 23 pencarian sistematis dirancang untuk mensintesis hasil menggunakan filter pencarian berikut:

1. Definisi ruang lingkup tinjauan. Ini difokuskan pada teknologi pemurnian biogas dan penangkapan CO₂, yang menekankan integrasinya dengan ekonomi sirkular dan pengelolaan limbah.
2. Konseptualisasi topik. Ini memposisikan pemurnian biogas sebagai strategi untuk pembangkitan energi bersih dan mitigasi gas rumah kaca.
3. Pencarian literatur. Dilakukan di basis data Web of Science ISI milik Clarivate Analytics, menggunakan pencarian tingkat lanjut dengan kata kunci yang ditargetkan.
4. Analisis dan sintesis literatur. Data dianalisis menggunakan Bibliometrix dalam R, VOSviewer, dan alat Gephi untuk mengidentifikasi tren dan jaringan kolaborasi.
5. Pengembangan agenda penelitian. Diuraikan dalam kesimpulan, mengidentifikasi peluang untuk inovasi dan pengembangan kebijakan guna memajukan teknologi pemurnian biogas, dengan pembahasan terperinci di bagian berikut.

Hasil dan Pembahasan
Kemajuan penelitian dan tren publikasi
Gambar 2 mengilustrasikan evolusi publikasi ilmiah tentang pemurnian biogas, peningkatan biogas, pemisahan biogas, pemisahan karbon dioksida, penangkapan karbon dioksida, pemisahan CO 2 , dan penangkapan CO 2 untuk periode 2010 hingga 2024. Produksi biogas menawarkan solusi berkelanjutan dengan menggabungkan energi terbarukan dan mengolah limbah organik. Meningkatnya permintaan akan alternatif energi yang lebih bersih telah mempercepat pengembangan teknologi inovatif untuk meningkatkan nilai biogas, khususnya sebagai pengganti gas alam dan bahan bakar transportasi. 24

Pada tahun 2010, hanya satu penelitian yang diterbitkan tentang pemurnian biogas. Sebaliknya, karena evolusi topik ini, 31 artikel diterbitkan pada tahun 2022, dan jumlah penelitian mencapai 25 pada tahun 2024. Peningkatan ini penting, terutama mengingat bahwa ceruk yang dianalisis secara khusus adalah tentang pemurnian biogas dan bukan tentang biogas secara umum. Relevansi topik ini juga terkait dengan fakta bahwa biogas telah menjadi solusi yang menjanjikan untuk mengurangi emisi gas rumah kaca dan meningkatkan kualitas lingkungan.

Namun, penelitian akademis dalam pemurnian biogas, peningkatan, dan penangkapan CO₂ biogenik masih menghadapi hambatan yang signifikan. Ini termasuk biaya modal yang besar, dengan investasi untuk membangun fasilitas peningkatan skala besar biasanya berkisar dari €500.000 hingga lebih dari €3 juta tergantung pada kapasitas dan teknologi. 25 Biaya operasi dan pemeliharaan untuk teknologi penangkapan CO2 tingkat lanjut dapat mencapai €20–50 per ton CO₂ yang ditangkap, 26 , 27 sebagian besar disebabkan oleh konsumsi energi, penggantian pelarut atau membran, dan pemeliharaan sistem. Tantangan tambahan melibatkan pengembangan terbatas bahan membran tingkat lanjut, penyerapan kimia, dan proses adsorpsi. 28 Ada juga kurangnya insentif ekonomi dan peraturan yang konsisten, seperti subsidi atau mekanisme penetapan harga karbon, dan tidak adanya kebijakan komprehensif yang secara aktif mempromosikan adopsi energi terbarukan dan pengurangan emisi karbon. Namun, dengan meningkatnya kesadaran tentang perubahan iklim dan kebutuhan akan sumber energi terbarukan, diharapkan akan ada peningkatan investasi dan pengembangan teknologi ini. 24 Peneliti di seluruh dunia baru-baru ini memfokuskan penyelidikan mereka pada perlindungan lingkungan, mencari solusi inovatif untuk sumber energi alternatif. 29

Tabel 1 mengklasifikasikan sepuluh bidang publikasi utama, afiliasi peneliti, negara tempat penelitian dilakukan, jurnal yang paling relevan, dan penulis, berdasarkan jumlah publikasi yang terkait dengan topik pemurnian biogas.

Tabel 1. Peringkat sepuluh bidang publikasi teratas, afiliasi, negara, jurnal, dan penulis berdasarkan jumlah publikasi terkait pemurnian biogas.

Persentase dari 169 dokumen (dihitung secara otomatis dalam WoS). Pencarian dilakukan pada tanggal 31 Oktober 2024.

Bidang bahan bakar energi, teknik, dan ekologi ilmu lingkungan telah menerima jumlah publikasi terbanyak. Sebaliknya, bidang termodinamika, mekanika, dan elektrokimia telah menerima bagian publikasi terkecil. Distribusi ini mencerminkan keselarasan tematik pemurnian biogas dengan bidang utama yang berkaitan dengan produksi bahan bakar terbarukan dan mitigasi dampak lingkungan.

Mengenai afiliasi, tidak ditemukan perbedaan signifikan dalam jumlah publikasi. University College Cork memimpin dengan sembilan publikasi, diikuti oleh Huazhong Agricultural University dengan tujuh publikasi. Jumlah rata-rata publikasi di antara lembaga adalah 5,4, yang menunjukkan bahwa topik tersebut tidak terbatas pada satu kelompok atau lembaga saja, melainkan ada minat global dalam penelitian tentang pemurnian biogas. Motivasi utama yang mendorong minat ini adalah potensi untuk mengganti bahan bakar fosil dengan alternatif yang lebih bersih seperti biogas, sehingga mengurangi emisi gas rumah kaca. 30

Di antara negara-negara dengan jumlah publikasi tertinggi, Tiongkok menempati peringkat pertama, dengan 43 publikasi. Hal ini karena pengembangan kapasitas biogas merupakan pilar mendasar dari program pembangunan pedesaan berkelanjutan dan kebijakan transisi energi negara tersebut.31 , 32 Tiongkok telah memimpin dalam hal ini, dengan menetapkan sistem standar lengkap untuk biogas. Sistem ini tersegmentasi menjadi beberapa kategori: biogas rumah tangga umum, rekayasa biogas, digester biogas untuk pengolahan limbah rumah tangga, dan standar untuk sistem produksi dan layanan.33 Tiongkok , Inggris, dan India menempati posisi penting karena, selain berupaya memenuhi target pengurangan emisi karbon, mereka perlu meninggalkan pembuangan limbah di tempat pembuangan akhir sebagai strategi pengelolaan limbah utama mereka.34 Limbah dikelola menggunakan metode pencernaan anaerobik.35

Di antara terbitan berkala utama adalah Energy Conversion and Management dan Renewable Sustainable Energy Reviews , dengan sembilan publikasi. Terbitan berkala lainnya tidak jauh di belakang dan menyajikan rata-rata enam publikasi. Murphy JD dan Yan SP adalah penulis utama, diikuti oleh He QY. Tabel 1 menyajikan tinjauan strategis lanskap penelitian, menyoroti peringkat utama yang mendukung kemajuan dalam pemurnian biogas dan penangkapan CO₂ dan CO₂ biogenik. Ini memfasilitasi identifikasi referensi yang relevan dan studi berkualitas tinggi, menawarkan landasan yang kuat untuk penelitian lebih lanjut. Tabel ini juga mencerminkan tren terkini, teknologi yang muncul, dan lembaga serta kolaborasi terkemuka dalam bidang ini. Tabel 1 menyoroti publikasi dan area penelitian yang paling berpengaruh, menawarkan wawasan tentang metodologi dan teknik yang efektif. Ini memfasilitasi peningkatan kualitas dan efisiensi dalam penelitian masa depan dan memungkinkan analisis studi berdampak tinggi untuk menginformasikan pengembangan kebijakan dan kerangka kerja peraturan. Memahami publikasi dan penulis ini dapat membantu memandu pembuatan kebijakan publik yang lebih efektif untuk keberlanjutan dan mengurangi emisi CO 2 .

Tabel 2 mencantumkan sepuluh artikel yang paling sering dikutip di bidang pemurnian biogas beserta terbitan berkala masing-masing. Artikel dengan jumlah kutipan tertinggi diterbitkan dalam jurnal Energy Conversion and Management , dengan total 481 kutipan, diikuti oleh artikel yang diterbitkan dalam Renewable and Sustainable Energy Reviews , dengan total 244 kutipan, dan artikel yang diterbitkan dalam jurnal Energy dengan 234 kutipan.

Tabel 2. Sepuluh jurnal yang paling banyak dikutip di bidang penelitian pemurnian biogas.

Pemanfaatan biogas telah dipelajari dan dibahas secara luas. Penggunaannya sebagai pengganti gas alam telah mendapat perhatian signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Produksi biometana memiliki berbagai aplikasi dalam pembangkitan panas dan listrik serta sebagai bahan bakar kendaraan. Pemurnian sangat penting untuk menjamin kualitas dan efisiensi biometana, memperluas penggunaannya, dan berkontribusi terhadap keberlanjutan lingkungan. 36 Meningkatnya minat terhadap biogas merupakan hasil dari meningkatnya jumlah penelitian dan kebutuhan untuk penggunaan komersial di masa mendatang.

Penelitian dalam literatur menekankan pentingnya menganalisis kata kunci dalam studi bibliometrik. 46 Hal ini memudahkan pencarian informasi dan analisis kata kunci, serta bertindak sebagai filter untuk mencari berkas. 47

Industri biogas juga baru-baru ini berinvestasi dalam teknik untuk meningkatkan hasil metana, seperti thermal blasting, yang memecah struktur lignoselulosa dan memfasilitasi pencernaan anaerobik. 48 Parameter seperti suhu (180–220 °C), tekanan (10–30 bar), dan waktu (5–20 menit) sangat penting untuk mengoptimalkan proses. Tren ini bertujuan untuk mengintensifkan produksi energi terbarukan dan mendorong efisiensi dan keberlanjutan yang lebih besar. 49

Tabel 3 menampilkan 20 kata kunci utama dalam bidang tersebut. Istilah yang paling umum adalah ‘Pencernaan anaerobik’ (46 contoh), ‘Biogas’ (38 contoh), ‘Peningkatan biogas’ (24 contoh), dan ‘Penangkapan CO 2 ‘ (14 contoh), yang menunjukkan sentralitas dan seringnya istilah tersebut muncul bersamaan dengan istilah lain, seperti yang diamati dalam jumlah tautan (garis) pada Gambar 2(a) . Selain itu, variasi terminologi, seperti ‘Penangkapan CO 2 ‘ dan ‘Penangkapan karbon’, menggambarkan proses penangkapan karbon dalam biogas.

Tabel 3. 20 kata kunci teratas dalam penelitian pemurnian biogas, diperingkat berdasarkan kemunculan.

Tabel 4 menyajikan klaster yang diperoleh dari analisis kata kunci. Tiga klaster dapat diidentifikasi, masing-masing terkait dengan istilah kunci yang terkait dengan peningkatan biogas dan proses penangkapan dan pemurnian CO 2 . Kata kunci yang paling penting menunjukkan korelasi potensial antara integrasi sumber daya biomassa, produksi biogas, dan teknologi penangkapan CO 2 . Dengan demikian, kata kunci seperti ‘Peningkatan biogas,’ ‘ penangkapan CO 2 ,’ ‘penangkapan karbon,’ ‘biomassa,’ ‘CO 2 ,’ ‘pencernaan anaerobik,’ dan ‘energi terbarukan’ menawarkan wawasan berharga ke dalam pengembangan dan pengoptimalan sistem energi berkelanjutan, mengurangi perubahan iklim, dan mempromosikan inisiatif ekonomi sirkular dengan mengekstraksi CO 2 dari biogas. Analisis kata kunci juga menyoroti berbagai metode untuk peningkatan biogas dan pemanfaatan CO 2 , seperti penyerapan, pencernaan anaerobik, adsorpsi, pirolisis, dan metanasi.

Tabel 4. Kelompok kata kunci utama dalam penelitian pemurnian biogas, diperoleh menggunakan perangkat lunak VOSviewer.

Gambar 3(a) mengilustrasikan 39 kata kunci penulis yang paling umum digunakan di bidang tersebut. Setiap kata muncul sedikitnya tiga kali. Ilustrasi tersebut disusun ke dalam kelompok dan ukuran lingkaran sesuai dengan total kekuatan tautan kata kunci. Kedekatan antara dua istilah menunjukkan apakah keduanya saling terkait erat. Sebanyak 226 kata kunci dikumpulkan melalui penggabungan bibliometrik.

Gambar 3(b) menggambarkan peta tahun rata-rata, alat untuk mengamati evolusi publikasi berdasarkan analisis kata kunci. Menurut Gambar 3(b) , topik yang paling menonjol di bidang ini adalah pencernaan anaerobik, produksi biogas, peningkatan, dan penangkapan CO2 . Pencernaan anaerobik dan CO2 telah dipelajari secara ekstensif sejak 2010, dengan fokus yang meningkat sejak 2020. Temuan tersebut menunjukkan bahwa prioritas utama dalam penelitian pencernaan anaerobik adalah meningkatkan biogas dengan menangkap CO2 dengan teknologi ramah lingkungan untuk pemanfaatan bioenergi.

Gambar 4 menggambarkan peta tematik yang mengatur kata kunci penulis berdasarkan relevansi dan tingkat perkembangannya di bidang penelitian. Peta tersebut mengkategorikan klaster menurut kepentingannya, yang menunjukkan kepadatan dan sentralitas di sepanjang sumbunya. Peta tersebut dibagi menjadi beberapa kuadran. Kuadran pertama berisi klaster ungu dengan kata kunci seperti produksi karbon dan metana dan dua klaster oranye kecil, termasuk bubur biogas, analisis teknoekonomi, dan pembakaran. Klaster-klaster ini diklasifikasikan sebagai tema khusus, yang menunjukkan bahwa klaster tersebut berkembang dengan baik dalam bidangnya masing-masing tetapi memiliki hubungan terbatas dengan topik lain. Kata kunci ‘pencernaan anaerobik’ dianggap sebagai tema motor, yang terletak di bagian tengah peta. Tema ini memengaruhi dan berinteraksi dengan area tematik lainnya. Klaster dalam kuadran tema yang muncul atau menurun terdiri dari istilah-istilah yang semakin penting atau sedang menurun atau ketinggalan zaman. Terakhir, kuadran terakhir berisi istilah-istilah dengan perkembangan rendah tetapi sentralitas tinggi. Istilah-istilah ini diklasifikasikan sebagai tema dasar, yang menunjukkan potensi signifikan untuk penelitian di masa mendatang. Perkembangan terkini dalam literatur menekankan pentingnya mengoptimalkan mekanisme penetapan harga karbon dalam sektor energi untuk meningkatkan efisiensi regulasi dan mendorong pengurangan emisi, 50 sekaligus menjajaki alternatif yang layak untuk meningkatkan nilai produk sampingan padat dari proses pirolisis melalui pembangkitan listrik, yang berkontribusi pada ekonomi sirkular dan transisi energi berkelanjutan.51

Negara, penulis, dan kata kunci
Negara dan lembaga yang terlibat dalam produksi dan pemurnian biogas melalui pencernaan anaerobik diurutkan menurut jumlah publikasi yang terkait dengan masing-masing negara. Gambar 5 menunjukkan jumlah publikasi per negara dan jaringan kolaborasi antarnegara.

Globalisasi produksi biogas melalui pencernaan anaerobik tersebar luas di Asia, Australia, Amerika Utara, dan Eropa. Tiongkok adalah negara paling produktif dan, pada saat yang sama, negara yang telah menjalin kerja sama dengan negara-negara lain di seluruh dunia. Inggris adalah negara paling produktif kedua dan telah menjalin kerja sama dengan negara-negara Eropa lainnya. Dominasi Tiongkok yang nyata dalam publikasi pemurnian biogas konsisten dengan statusnya sebagai negara terpadat di Asia dan pertumbuhan ekonominya yang pesat, yang keduanya berkontribusi terhadap produksi limbah organik yang besar yang memerlukan pengolahan. 52 Penerapan pemilahan limbah dan kebijakan kota bebas limbah di Tiongkok telah menyebabkan lonjakan penerapan pencernaan anaerobik sebagai teknologi berkelanjutan yang mampu menghasilkan biogas dan, akibatnya, manfaat sosial dan ekonomi yang signifikan. Memperoleh metana dalam biogas merupakan solusi yang layak untuk menggantikan bahan bakar fosil. Kebijakan yang diterapkan untuk mempromosikan produksi biogas dari biomassa di Eropa dan Asia mendukung proyek pembangkitan biogas skala besar untuk diintegrasikan ke dalam jaringan pipa gas alam, bahan bakar kendaraan, dan bahan bakar komersial dan industri setelah pemurnian. 53 Oleh karena itu, peningkatan jumlah artikel yang diterbitkan oleh penulis dari Tiongkok dapat dimengerti, dan Tiongkok telah terlibat dalam banyak kolaborasi dengan negara lain di seluruh dunia.

Hubungan juga telah terjalin antara berbagai negara Eropa karena kebijakan Eropa tentang valorisasi limbah. Italia adalah satu-satunya negara yang tidak berpartisipasi dalam kerja sama erat antara negara-negara Eropa ini.

Gambar 6 adalah grafik tiga bidang yang di dalamnya negara-negara yang paling produktif di bidang tersebut, kata kunci, dan penulis dikaitkan. Elemen-elemen utama dan hubungan mereka dapat diamati melalui diagram Sankey, yang digunakan untuk mengidentifikasi aliran antara satu bidang dan bidang lainnya. 54

Negara-negara paling produktif dalam literatur terkait adalah, sekali lagi, Tiongkok dan Inggris, diikuti oleh Australia, Irlandia, dan Brasil, seperti yang ditunjukkan Gambar 6. Negara-negara ini sangat terkait dengan penulis paling produktif dalam pemurnian biogas, dengan Zhang Y., Yan S., He Q., Lin R., dan Murphy J. memimpin daftar ini dan dengan siapa aliran koneksi besar dibuat. Penulis-penulis ini muncul di antara yang pertama dalam peringkat yang dibuat dalam Tabel 1 dengan kata kunci yang terkait dengan pemurnian biogas. Kata kunci yang paling sering digunakan adalah pencernaan anaerobik, biogas, penangkapan karbon, biometana, dan peningkatan biogas, yang bertepatan dengan kata kunci yang disajikan dalam Tabel 3. Jika aliran antara kata kunci dan penulis diperiksa, dapat diamati bahwa pencernaan anaerobik dan biogas memiliki koneksi dengan hampir semua penulis. Kata kunci yang paling berulang—pencernaan anaerobik, biogas, penangkapan karbon, biometana, dan peningkatan biogas—selaras dengan istilah-istilah yang disajikan dalam Tabel 3 , yang menyoroti tren penelitian utama di bidang ini. Hal ini disebabkan karena istilah-istilah baru seperti ekonomi sirkular atau energi terbarukan berhubungan dengan topik yang sedang berkembang dan baru-baru ini semakin banyak digunakan, seperti yang dapat diamati pada Gambar 4.55 Kebijakan keberlanjutan yang baru – baru ini dipromosikan dalam skala global dapat menyebabkan peningkatan lebih lanjut dalam penggunaan istilah-istilah ini, khususnya yang terkait dengan pencernaan anaerobik.56

Angka ini menunjukkan bahwa pencernaan anaerobik ditetapkan sebagai teknologi yang berkelanjutan, hemat biaya, dan ramah lingkungan untuk pemulihan biometana dari limbah organik. Peningkatan biogas yang dihasilkan menjadi prioritas.

Penggunaan biogas yang dihasilkan oleh pencernaan anaerobik merupakan tujuan utama pada tahun-tahun sebelumnya, dan hal ini membenarkan penerapan teknologi ini dalam hal keuntungan ekonomi dan lingkungan. Hasilnya, jumlah artikel tertinggi yang terkait dengan subjek ini diterbitkan dalam 13 tahun terakhir. Seperti yang ditunjukkan Gambar 7 , kata kunci seperti pencernaan anaerobik, biogas, dan peningkatan biogas merupakan persentase kutipan tertinggi. Investigasi pencernaan anaerobik dalam semua variannya – termofilik tahap tunggal, mesofilik tahap tunggal, dengan pemisahan fase suhu dan dengan pemisahan fase suhu dan mikroorganisme – menggunakan substrat yang berbeda atau campuran substrat (ko-pencernaan) dan memeriksa parameter operasional utama seperti agitasi, waktu retensi hidrolik, laju pemuatan organik, dan pH, merupakan area penelitian yang penting dan diperluas secara global. Lini penyelidikan ini bertujuan untuk mengoptimalkan produksi biogas, memaksimalkan hasil dan keuntungan. Oleh karena itu, hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 masuk akal karena peningkatan produksi biogas sangat penting untuk pemanfaatan metana yang diproduksi oleh pencernaan anaerobik secara efisien dan aman. 57 Produksi biogas dari biomassa menghasilkan hasil yang mengesankan dalam hal hasil dan peningkatan nilai produk sampingan. Misalnya, 1 ton limbah organik dapat menghasilkan antara 50 dan 200 m3 biogas , tergantung pada komposisi bahan bakunya, dengan kandungan metana rata-rata berkisar antara 50% hingga 70%. 58 Volume ini setara dengan sekitar 5000 hingga 12.000 MJ energi, yang dapat digunakan untuk menggantikan bahan bakar fosil. Karbon dioksida murni yang ada dalam biogas juga dapat digunakan dalam produksi metanol, di mana setiap 1 m3 CO₂ menghasilkan sekitar 0,7 kg metanol dalam proses terpadu. 59 Digestate, produk sampingan lainnya, mengandung nutrisi seperti nitrogen (1%–5%), fosfor (0,5%–3%), dan kalium (0,5%–5%), yang dapat digunakan sebagai biofertilizer, yang mendorong peningkatan nilai biomassa secara penuh dan memperluas kelayakan ekonomi dan lingkungannya. 60

Penggunaan metana melibatkan pemurnian dan pengolahan CO 2 yang dihasilkan dalam pencernaan anaerobik. Oleh karena itu, kata kunci seperti ‘penangkapan CO 2 ‘ atau ‘penangkapan karbon’ muncul pada Gambar 7 sebagai kata kunci yang paling banyak dikutip, karena kebutuhan untuk menghilangkan polutan apa pun yang berasal dari praktik ini yang mungkin memiliki dampak buruk pada lingkungan dan kesehatan manusia. Karbon dioksida yang ditangkap oleh biochar juga memiliki banyak kegunaan dalam industri makanan, kosmetik, pengolahan air, pembersihan, dan keselamatan kebakaran.

Di sisi lain, kata kunci lain seperti ‘ekonomi sirkular’ atau ‘energi terbarukan’ menunjukkan bahwa kebijakan pengelolaan limbah berubah, dan tidak lagi cukup hanya dengan menghasilkan biogas dan menghilangkan sebagian limbah yang dihasilkan. Kebijakan lingkungan saat ini mendukung model ekonomi sirkular dan praktik berkelanjutan yang ditujukan pada pengelolaan terpadu semua limbah organik. Akibatnya, pengelolaan digestat yang efektif sangat penting untuk mencapai tujuan kebijakan ini.

Kata kunci “ekonomi sirkular” dan “energi terbarukan” diperkirakan akan semakin sering dikutip karena kebijakan berkelanjutan yang mendukung pengelolaan limbah dalam bioekonomi sirkular terus mendapatkan momentum. Teknologi yang paling umum dipelajari dan diterapkan untuk mencapai kebijakan ini tidak diragukan lagi adalah pencernaan anaerobik, yang memungkinkan produksi produk bernilai tambah tinggi (bioenergi dan biofertilizer), memecahkan masalah lingkungan, ekonomi, dan sosial, serta menghasilkan nol limbah.

Peningkatan skala pencernaan anaerobik di luar penelitian laboratorium sangat penting untuk adopsi yang meluas. Studi kasus skala industri tentang valorisasi limbah diperlukan untuk memvalidasi kelayakan lingkungannya dan menunjukkan manfaat teknologi, sosial, dan ekonomi. Akibatnya, banyak negara menyelaraskan kebijakan lingkungan untuk mempromosikan teknologi ini, mendorong perusahaan untuk berinvestasi dalam solusi berkelanjutan, sebagaimana tercermin dalam analisis bibliometrik. Penelitian masa depan dalam pemurnian biogas harus memprioritaskan teknologi yang hemat biaya dan hemat energi – seperti membran canggih, sistem hibrida, dan integrasi penangkapan karbon – sambil mengatasi tantangan termasuk biaya operasional yang tinggi, daya tahan material, dan skalabilitas. Kemajuan ini akan meningkatkan kelayakan biogas sebagai sumber energi bersih dan mendukung integrasinya ke dalam sistem energi berkelanjutan dan model ekonomi sirkular.

Analisis scientometrik jaringan dan metrik sentralitas
Gambar 8 menyajikan metrik distribusi dalam jaringan kolaborasi. Gambar 8a menyoroti jaringan kata kunci, yang memperlihatkan hubungan dan signifikansi istilah-istilah sentral dalam bidang yang diteliti. Kepadatan jaringan, yang dilaporkan sebesar 0,036, menunjukkan bahwa istilah-istilah tersebut cukup terhubung, yang menunjukkan beberapa tema inti tetapi topik-topiknya masih tersebar, yang mencerminkan area yang baru muncul atau kurang dieksplorasi. Sentralitas rata-rata kata kunci, dengan derajat 3,764, menunjukkan bahwa istilah-istilah tertentu memiliki frekuensi hubungan langsung yang lebih tinggi dengan istilah-istilah lain – misalnya kata-kata ‘biogas’, ‘alga’, ‘karbon dioksida’, limbah, dan energi terbarukan. Istilah-istilah sentral ini bertindak sebagai pilar penelitian, memfasilitasi pemahaman tema-tema utama dan membangun interkoneksi antara berbagai subarea studi, yang mengungkap struktur pengetahuan dan tren penelitian di area tersebut. Hasil-hasil ini menunjukkan konektivitas yang lebih sedikit antara topik-topik ini, yaitu isu-isu seperti penangkapan CO₂ dan penyerapan atau pemurnian biogas masih merupakan area yang kurang dieksplorasi dalam bidang tersebut. Penangkapan karbon dioksida, misalnya, memiliki potensi kuat untuk mengurangi perubahan iklim sambil menghasilkan masukan berharga untuk senyawa kimia, seperti metanol atau prekursor lainnya. Demikian pula, pemurnian biogas, yang melibatkan penghilangan senyawa yang tidak diinginkan seperti H₂S dan CO₂, sangat penting untuk memperluas prediksi penerapannya sebagai bahan bakar atau bahan baku industri. Rendahnya konektivitas topik-topik ini dengan simpul-simpul pusat dapat menunjukkan kesenjangan penelitian atau tantangan teknologi yang belum diatasi, yang membatasi integrasi topik-topik tersebut ke dalam badan utama studi di bidang tersebut. Dengan demikian, evolusi jaringan ini bergantung pada intensifikasi penelitian yang menghubungkan tema-tema strategis ini dengan area-area pusat yang telah mapan. Penelitian harus mengembangkan teknologi yang dapat diterapkan, memajukan tema-tema yang muncul, untuk beralih dari bidang yang terfragmentasi menuju sistem yang lebih terintegrasi dan kuat.

Gambar 8(b) menyoroti pentingnya kolaborasi internasional untuk kemajuan bidang penelitian ini. Kepadatan jaringan yang moderat (0,149) mencerminkan tingkat kerja sama ilmiah yang wajar, dengan beberapa negara menjalin kemitraan rutin sedangkan yang lain masih berpartisipasi hingga batas tertentu. Konfigurasi ini menunjukkan bahwa, meskipun ada upaya signifikan dalam kolaborasi global, masih ada peluang untuk memperkuat interaksi antarnegara, terutama yang memiliki konektivitas lebih rendah. Rata-rata derajat sentralitas 2,684 menyoroti peran negara-negara tertentu sebagai hub, yang memusatkan aliran informasi dan mendorong pertukaran pengetahuan. Negara-negara ini memberikan pengaruh penting pada pengembangan bidang ini, mempromosikan penyebaran teknologi dan metodologi baru. Mengidentifikasi negara-negara yang bertindak sebagai jembatan antara wilayah yang kurang terhubung adalah strategis, karena koneksi perantara ini membantu mengintegrasikan pengetahuan dari berbagai wilayah geografis, mempromosikan kesetaraan yang lebih besar dalam distribusi sumber daya dan inovasi.

Namun, struktur jaringan saat ini juga menunjukkan adanya kesenjangan dalam akses ke kolaborasi ilmiah. Banyak negara masih berada di posisi pinggiran, dengan keterlibatan yang lebih sedikit dalam jaringan penelitian global. Hal ini dapat dikaitkan dengan kendala pendanaan, infrastruktur penelitian yang tidak memadai, atau hambatan geopolitik. Untuk memaksimalkan potensi bidang ini, penting untuk berinvestasi dalam inisiatif yang mempromosikan kolaborasi yang lebih inklusif, seperti konsorsium internasional, program pendanaan kolaboratif, dan pertukaran ilmiah. Singkatnya, meskipun negara inti dan negara jembatan memainkan peran yang sangat penting dalam dinamika jaringan, memperkuat partisipasi negara-negara yang kurang terhubung sangat penting untuk mengonsolidasikan jaringan penelitian yang benar-benar global, beragam, dan tangguh.

Penangkapan, pemisahan, dan penyerapan karbon dioksida oleh bahan alami
Pemurnian biogas dan penangkapan CO 2 merupakan proses yang saling terkait erat dalam konteks produksi energi berkelanjutan dan mitigasi emisi gas rumah kaca. Biogas mengandung metana (CH 4 ) dan karbon dioksida (CO 2 ) tetapi, untuk digunakan dengan biofuel atau energi, biogas perlu dimurnikan, menghilangkan kotoran seperti hidrogen sulfida (H 2 S), uap air, dan, khususnya, CO 2 . Gambar 9 menunjukkan skema ekonomi sirkular dari metode pemisahan karbon dioksida untuk pemurnian biogas. Penghapusan CO 2 , atau ‘peningkatan’ biogas, membuatnya lebih cocok untuk digunakan sebagai pengganti gas alam, tetapi juga menciptakan peluang untuk menangkap dan menggunakan kembali CO 2 . Penangkapan karbon dioksida dapat diintegrasikan dengan mulus ke dalam proses pemurnian biogas, memungkinkan penggunaan kembali karbon dioksida untuk aplikasi industri seperti produksi metanol dan bahan kimia lainnya atau penyimpanannya untuk mengurangi emisi karbon.

Kemajuan terkini menunjukkan bahwa kecerdasan buatan (AI) dapat mendukung optimalisasi penangkapan CO₂ dan proses pemurnian biogas secara signifikan. Teknik kecerdasan buatan, seperti pembelajaran mesin dan analisis data, diposisikan dengan baik untuk mengatasi tantangan tekno-ekonomi multifaktorial dalam mengoptimalkan sistem yang kompleks ini. Dengan memanfaatkan AI, peneliti dapat memodelkan dan mensimulasikan proses pemurnian dengan lebih akurat, mengidentifikasi inefisiensi, dan meningkatkan integrasi sistem untuk hasil ekonomi dan lingkungan yang lebih baik. 61 , 62

Selain kemajuan dalam teknologi pemurnian biogas dan penangkapan CO₂, metode komputasi modern memiliki potensi signifikan untuk memprediksi keberhasilan komersial teknologi yang kompleks. Pembelajaran mesin, AI, dan pendekatan komputasi berbasis data lainnya dapat mensimulasikan, memodelkan, dan menganalisis berbagai variabel yang terlibat dalam proses ini, sehingga memungkinkan prediksi kelayakan ekonomi dan kinerja pasar yang lebih akurat. Dengan mengintegrasikan metode komputasi canggih ini ke dalam proses pengambilan keputusan, para peneliti dan pemimpin industri dapat mengidentifikasi teknologi yang paling menjanjikan, mengoptimalkan desainnya, dan mempercepat jalur mereka menuju komersialisasi. Pendekatan ini meningkatkan efisiensi pengembangan teknologi dan memainkan peran penting dalam memastikan keberlanjutan ekonomi solusi biogas dan penangkapan CO₂ dalam jangka panjang. 63 , 64

Gambar 10 membandingkan teknologi pemurnian biogas – penyerapan, adsorpsi, membran, dan proses kriogenik. Kemajuan terbaru dalam pemurnian biogas menyoroti teknologi membran karena efisiensi energinya dan selektivitas CH₄/CO₂ yang lebih baik, terutama dengan bahan polimer dan matriks campuran baru. Metode kriogenik juga semakin diminati untuk memungkinkan produksi biometana dan pemulihan CO₂. Adsorpsi dan penyerapan kimia yang dioptimalkan menggunakan sorben canggih meningkatkan kinerja dan regenerasi. Inovasi ini meningkatkan kelayakan ekonomi dan mendukung tujuan ekonomi sirkular.

Tabel 5 menunjukkan artikel dan ulasan utama yang membahas metode pemurnian biogas, perakitan sistem dengan teknologi penangkapan CO₂ yang baru, pemulihan energi dari biogas, dan strategi untuk mengurangi produksi CO₂ selama pencernaan anaerobik. Teknik pemurnian industri umum – seperti penyerapan, distilasi kriogenik, dan pemisahan membran H₂:CH₄:CO₂ – disajikan bersama pendekatan yang baru muncul seperti proses berbasis mikroalga. Keuntungan dan keterbatasan masing-masing metode untuk pemurnian biogas yang efektif dipertimbangkan.

Tabel 5. Pekerjaan utama pemurnian biogas dan berbagai metode serta bahan baku yang digunakan.

Teknologi adsorpsi telah banyak mendapat perhatian atas potensinya dalam hal pelestarian lingkungan dan produksi energi bersih. Absorpsi merupakan salah satu metode yang paling efisien untuk menangkap CO₂, karena kapasitas bebannya yang tinggi. Sorben seperti zeolit, karbon aktif, rangka logam-organik (MOF), oksida logam, silika, dan litium zirkonat, antara lain, telah diusulkan untuk penangkapan dan sekuestrasi karbon melalui adsorpsi. 69 , 70 Untuk mengevaluasi material adsorben, perlu dipertimbangkan selektivitasnya terhadap CO₂, kapasitas adsorpsinya, efisiensi energi dari siklus adsorpsi-desorpsi, stabilitasnya dari waktu ke waktu, dan kelayakan ekonomi dan lingkungan. Kinerja adsorben skala penuh harus dievaluasi dalam berbagai kondisi tekanan, suhu, dan konsentrasi CO₂. Penting juga untuk menguji material pada berbagai jenis kolom, seperti unggun tetap, unggun terfluidisasi, atau unggun putar, untuk memverifikasi perilakunya dalam berbagai skenario pengoperasian. 71

Adsorben karbon aktif (AC) terbuat dari bahan berkarbon yang mengandung banyak karbon dan sedikit abu. Selama pirolisis, senyawa volatil menguap, membentuk pori-pori. Bahan-bahan ini relatif murah dan membutuhkan lebih sedikit energi untuk regenerasi daripada adsorben lainnya. Sifat-sifatnya, seperti luas permukaan dan ukuran pori-pori, dapat disesuaikan untuk aplikasi tertentu. 72 Karbon aktif memiliki stabilitas termal dan kimia yang tinggi, gugus fungsi yang mengandung oksigen, kinetika yang cepat, dan potensi daur ulang yang baik. Karbon aktif efektif dalam penyerapan molekul dalam fase gas dan cair, sehingga ideal untuk pemisahan. 73

Karbon aktif (AC) dapat diproduksi dari bahan organik apa pun yang mengandung karbon tinggi dan memiliki kandungan senyawa volatil rendah. Penggunaan biomassa lignoselulosa yang sesuai memungkinkan produksi CA yang sangat berpori dengan luas permukaan yang besar. Limbah pertanian merupakan sumber biomassa yang paling umum karena kadar selulosa dan ligninnya yang tinggi. Sintesis karbon aktif (AC) melibatkan dua proses utama: karbonisasi dan aktivasi. Karbonisasi bertujuan untuk mengurangi kandungan volatil bahan baku dengan pirolisis prekursor karbon pada suhu antara 300 dan 900 °C, menciptakan bahan dengan porositas primer dan kandungan karbon tetap yang tinggi. Di sisi lain, aktivasi bertujuan untuk meningkatkan luas permukaan dan volume pori-pori, membuka pori-pori baru dan mengembangkan pori-pori yang sudah ada. Ia juga dapat memodifikasi kimia permukaan AC, sehingga memberikan karakteristik yang unik. Aktivasi dianggap lebih penting daripada karbonisasi dalam mendefinisikan sifat-sifat AC dan karenanya mendapat perhatian lebih besar. Saat ini, tiga teknik aktivasi utama adalah fisik, kimia, dan fisikokimia. 69

Aktivasi fisik terjadi dalam dua langkah: pertama, bahan karbon dikarbonisasi di bawah gas inert pada suhu 400–850 °C pada tekanan rendah; kemudian aktivasi dilakukan dengan CO₂, NH₃, uap, atau udara pada suhu 600–900 °C untuk membentuk struktur berpori. Proses ini menguntungkan karena menghindari pengotor. Aktivasi fisik dan kimia mengubah biomassa, biochar, atau hydrochar menjadi karbon berpori, yang menjanjikan untuk penyerapan CO₂. Aktivasi fisik hemat biaya dan ramah lingkungan, meningkatkan porositas dan gugus fungsi, dengan CO₂ lebih disukai karena reaktivitasnya yang terkendali pada suhu tinggi (>700 °C). 74

Metode aktivasi kimia memiliki kelebihan dibandingkan metode fisik, karena dilakukan dalam satu langkah karbonisasi dan aktivasi serta menggunakan suhu yang lebih rendah. Bahan prekursor diresapi dengan agen pengaktif seperti NaOH, KOH, atau ZnCl₂, dan dikarbonisasi di bawah tekanan rendah. Setelah karbonisasi, bahan dicuci untuk menghilangkan agen kimia, sehingga membentuk struktur berpori. 75 Karbon aktif dapat diresapi dengan zat untuk meningkatkan efisiensi penyerapan CO₂. Zat utama yang digunakan untuk tujuan ini meliputi:

Teknologi pembersihan amina digunakan secara luas untuk mendekontaminasi gas asam dan memurnikan biogas, gas alam, gas batu bara, dan gas buang dari pembangkit listrik berbahan bakar batu bara secara efisien. Teknologi ini menonjol karena reaksinya yang cepat dengan CO₂, kapasitas penyerapan yang tinggi, dan regenerasi yang mudah, sehingga menjadikannya solusi canggih untuk penghilangan CO₂ dalam proses industri besar. 76 Meskipun proses penangkapan menggunakan monoetanolamin (MEA) telah maju pesat, minat terhadap pelarut alternatif yang menawarkan perbaikan yang lebih besar pun semakin meningkat. Di antara pelarut generasi baru untuk penangkapan CO₂ ini, campuran amina berair semakin menonjol. Dengan berbagai macam amina yang tersedia, ada banyak kemungkinan untuk menyesuaikan dan mengustomisasi pelarut guna mencapai kinerja yang diinginkan dan mengoptimalkan sifat fisik sesuai dengan kebutuhan spesifik proses penangkapan. 77 Tantangan terbesar dari teknologi ini adalah konsumsi energi yang tinggi. Lebih dari separuh biaya operasi berasal dari regenerasi pelarut. 78

Oksida logam lebih ekonomis dan kurang beracun daripada zeolit ​​dan MOF sebagai adsorben, dan menawarkan selektivitas yang baik untuk penangkapan CO₂ pada suhu tinggi. Oksida logam alkali tanah, seperti magnesium oksida (MgO) dan kalsium oksida (CaO), digunakan secara luas dalam proses ini. 47 Larutan hidroksida logam juga merupakan alternatif yang efisien untuk penangkapan CO₂, terutama dalam sumber encer, yang mengungguli efektivitas amina. Kalium hidroksida (KOH) dan natrium hidroksida (NaOH) sering digunakan untuk menghamili karbon aktif, bereaksi dengan CO₂ dan membentuk karbonat, yang meningkatkan kapasitas penyerapan bahan. 79 Hidroksida alkali juga sangat efisien dalam penangkapan CO₂ langsung (DAC); mereka tersedia secara luas dan memiliki toksisitas rendah, volatilitas lebih rendah, dan stabilitas lebih besar daripada amina. 80

Penangkapan karbon dioksida dengan amonia menawarkan beberapa keuntungan, seperti biaya rendah, efisiensi penangkapan CO₂ yang tinggi, konsumsi energi yang rendah, dan kemampuan untuk menangkap gas asam lainnya, seperti NOx dan SOx, serta menghasilkan produk bernilai tambah. Namun, penurunan amonia, yang disebabkan oleh volatilitasnya yang tinggi, telah menjadi salah satu tantangan teknologi dan ekonomi utama untuk komersialisasi teknologi penangkapan karbon dioksida ini. 81

Zhao et al . 82 melaporkan bahwa penggunaan biochar dalam pembangkitan dan pemurnian biogas merupakan pilihan yang ekonomis dan ramah lingkungan, serta meningkatkan efisiensi pencernaan anaerobik. Sebuah studi oleh Sun et al . 83 juga menyelidiki produksi biochar dari pirolisis langsung kulit kentang dan efektivitasnya dalam menghilangkan H 2 S. Kumar et al . 84 menganalisis efisiensi biochar dalam menghilangkan CO₂ dan H₂S dari biogas, serta menyoroti sifat-sifatnya dalam proses pencernaan anaerobik. Studi ini juga membahas tantangan yang ada dan menunjukkan perspektif untuk penelitian masa depan di bidang ini.

Analisis tersebut sangat mendukung gagasan bahwa teknologi pemurnian biogas menjanjikan secara industri, dengan potensi keberlanjutan ekonomi yang besar. Potensi ini meningkat secara signifikan ketika teknologi tersebut diintegrasikan ke dalam model ekonomi sirkular di mana limbah diperlakukan sebagai sumber daya dan diintegrasikan kembali ke dalam siklus produksi. 85 Penelitian terkini menyoroti pentingnya mengoptimalkan bahan baku untuk meningkatkan hasil biogas, dengan fokus pada peningkatan biodegradabilitas substrat, yang pada gilirannya mempercepat produksi metana. Kemajuan ini sangat penting untuk meningkatkan efisiensi sistem biogas dan memastikan kelayakan ekonominya. 86 , 87

Selain itu, penerapan kebijakan publik yang mendukung dan inovasi teknologi berkelanjutan, termasuk bahan membran canggih, proses penyerapan yang lebih efisien, dan teknik penangkapan CO2 selektif , merupakan pendorong utama untuk memungkinkan kelangsungan industri skala besar dari sistem ini. Tren menuju pengintegrasian produksi biogas dengan model limbah-ke-sumber daya, seperti yang ditunjukkan dalam studi terkini, semakin menekankan potensi untuk meningkatkan kinerja ekonomi keseluruhan proyek biogas. 88 Konvergensi inovasi, kebijakan, dan kerangka kerja berkelanjutan ini, bersama dengan perbaikan berkelanjutan dalam metode produksi biogas, memposisikan biogas sebagai pilar strategis dalam transisi energi global. Seiring berkembangnya teknologi, ada penekanan yang semakin besar pada peningkatan keberlanjutan ekonomi dan lingkungan dari kedua sistem ini, menjadikannya komponen utama dalam mengurangi perubahan iklim dan mempromosikan praktik ekonomi sirkular.

Kesimpulan
Studi ini mengungkap beberapa hubungan interdisipliner yang sebelumnya terabaikan, khususnya antara teknologi pemurnian biogas dan bidang-bidang seperti ekonomi sirkular, pengelolaan limbah, dan ilmu material tingkat lanjut. Persinggungan ini sangat menjanjikan karena memungkinkan pendekatan yang lebih holistik terhadap produksi biogas, menggabungkan model limbah menjadi sumber daya dengan teknologi pemurnian mutakhir. Integrasi material membran tingkat lanjut, proses penyerapan yang lebih baik, dan metode penangkapan CO2 dengan aplikasi industri menyediakan jalur baru untuk mengoptimalkan produksi biogas dan penyerapan karbon. Sinergi antara rekayasa ekologi dan kimia industri juga menghadirkan peluang untuk mengembangkan solusi yang dapat diskalakan yang layak secara ekonomi dan berkelanjutan secara lingkungan. Peluang bisnis utama terletak pada pengembangan dan komersialisasi teknologi peningkatan biogas, khususnya di wilayah-wilayah yang sedang mengalami transisi menuju energi terbarukan. Integrasi pemurnian biogas dengan kerangka ekonomi sirkular juga membuka peluang bagi model bisnis baru yang berpusat pada peningkatan nilai limbah, pemanfaatan CO2, dan produksi produk bernilai tambah seperti biometana dan bahan kimia industri. Mekanisme pembiayaan yang inovatif, ditambah dengan kerangka kebijakan yang mendukung, akan menciptakan lingkungan yang mendukung untuk mempercepat adopsi teknologi ini dalam skala besar.

Teknologi pemurnian biogas sangat penting untuk menghasilkan produk bernilai tambah seperti biometana dan bahan kimia industri serta sebagai alat penting untuk memajukan upaya dekarbonisasi global. Analisis bibliometrik dan scientometrik kami menggarisbawahi peran strategis pemurnian biogas dan penangkapan CO2 dalam memungkinkan pembangkitan energi terbarukan dan mengurangi emisi gas rumah kaca. Antara tahun 2010 dan 2024, hasil ilmiah dalam domain ini melonjak, yang berpuncak pada 31 publikasi pada tahun 2022 saja – indikator yang jelas dari momentum yang berkembang di bidang penelitian ini. Tiongkok memimpin upaya global, menyumbang 25,4% dari semua publikasi, diikuti oleh Inggris (9,5%) dan AS (7,7%). UE menonjol dalam penyebaran komersial. Bidang penelitian yang dominan meliputi bahan bakar energi (46,1%), rekayasa ekologi (26,6%), dan ilmu lingkungan (20,1%), yang menunjukkan pentingnya multidisiplin topik ini. Kata kunci inti seperti ‘pencernaan anaerobik’, ‘biogas’, dan ‘peningkatan biogas’ mencerminkan tulang punggung teknologi dari transisi ini.

Studi ini mengungkap bahwa, meskipun minat meningkat, penerapan komersial yang meluas masih dibatasi oleh biaya operasional yang tinggi, lambatnya evolusi teknologi canggih seperti membran dan penyerapan kimia, dan kurangnya dukungan regulasi. Namun, munculnya integrasi ekonomi sirkular dan kerangka kebijakan berkelanjutan menunjukkan adanya pergeseran paradigma – sistem biogas tidak lagi dianggap hanya sebagai solusi pengolahan limbah tetapi sebagai komponen utama dalam matriks energi masa depan. Wawasan ini membuka jalan baru bagi inovasi industri dan pembuatan kebijakan strategis dalam skala global.