Alam Sebagai Pabrik Kimia Tanpa Mesin?

0
16
Alga dapat dibudidayakan dalam jumlah besar dalam sebuah reaktor pengangkutan piring datar. (Sumber foto/© : Volker Steger)

Biodiesel dari colza, plastik berkekuatan tinggi, deterjen yang efisien, vitamin yang murah—merupakan produk yang dibuat dengan bantuan bioteknologi putih (white biotechnology). Akan tetapi, para pelaku industri masih beranggapan bahwa bioteknologi putih dan penggunaan sumber daya terbarukan itu sebagai alternatif bagi produk petrokimia. Seperempat kimia organik dasar yang dibutuhkannya dari bahan baku terbarukan pada tahun 2030.

Alga dapat dibudidayakan dalam jumlah besar dalam sebuah reaktor pengangkutan piring datar. (Sumber foto/© : Volker Steger)
Alga dapat dibudidayakan dalam jumlah besar dalam sebuah reaktor pengangkutan piring datar. (Sumber foto/© : Volker Steger)

Para politisi, ilmuwan, dan pelaku industri kimia sepakat—masa depan adalah putih. Bioteknologi putih dijelaskan oleh semua perusahaan kimia terkemuka di dunia sebagai teknologi penting abad ke-21 ini. Kenapa ? Sedikit banyak, harga minyak melonjak tajam. Minyak tidak hanya sumber energi yang paling penting, tetapi juga bahan baku kimia yang paling banyak digunakan.

Oleh karena itu, kita ingin terbebas dari ketergantungan pada minyak mentah. Perusahaan-perusahan pun beralih ke bahan baku terbarukan sebagai sumber karbon. Dengan kata lain, kita dapat menggunakan sumber energi dari tanaman.

Advertisement

Sektor industri kimia di Amerika Serikat telah menetapkan tujuan ambisius: mendapatkan seperempat kimia organik dasar yang dibutuhkannya dari bahan baku terbarukan pada tahun 2030. Di Jerman, baru 10 persen dari zat tersebut sejauh ini didapatkan dari sumber regeneratif.

 

Tanaman bisa menjadi sumber bahan baku yang berharga untuk industri kimia.(Sumber foto/©: aboutpixel (li.)MEV)
Tanaman bisa menjadi sumber bahan baku yang berharga untuk industri kimia.(Sumber foto/©: aboutpixel (li.)MEV)

Bioteknologi putih juga menjadi agenda terpenting bagi semua perusahaan kimia besar di Eropa. “Penggunaan bahan baku terbarukan dalam industri kimia akan menjadi salah satu isu paling penting di tahun-tahun mendatang,” tegas Dr. Alfred Oberholz, anggota Manajemen Degussa.

Pergeseran paradigma mendapat dukungan politik: Kementerian Riset Jerman BMBF dan Uni Eropa mempromosikan bioteknologi putih bersama-sama. Inisiatif ‘BioIndustrie 2021’, sebuah proyek yang didanai oleh BMBF dengan besar dana hingga 60 juta euro, diluncurkan hanya beberapa minggu lalu. Uni Eropa telah membuat ‘Bioteknologi Putih’ menjadi salah satu isu pokok dalam Kerangka Program Ketujuh untuk Riset dan Pengembangan Teknologi.

Tapi apa sih sebenarnya bioteknologi putih itu? “Bioteknologi putih menggunakan alam sebagai pabrik kimia. Proses produksi bahan kimia konvensional diganti dengan penggunaan mikroorganisme atau enzim,” papar Profesor Thomas Hirth dari Institut Fraunhofer untuk Teknologi Kimia ICT.

Proses semacam ini tidak sepenuhnya baru. Mikroorganisme dan enzim telah lama digunakan dalam proses produksi–misalnya dalam pembuatan bir atau keju. Bioteknologi putih melangkah lebih jauh: Menggunakan instrumen bioteknologi modern untuk mengembangkan metode produksi bioteknik dan produk-produk baru seperti bahan kimia dasar dan yang sangat bagus, bioplastik, pengawet makanan, dan produk prekursor untuk industri makanan dan farmasi.

Cucian tanpa noda pada suhu 40 Celcius

Beberapa produk yang dihasilkan dengan bantuan bioteknologi sudah ddihasilkan, dan contoh paling dikenal adalah deterjen modern. Enzim membuat kegiatan mencuci menjadi tidak perlu lagi menggunakan suhu panas yang tidak ekonomis. Noda bahkan hilang pada temperatur rendah dan ini jelas membantu menghemat listrik dan air.

Proses bioteknologi juga telah mapan dalam produksi etanol, asam sitrat, dan asam amino dalam dalam beberapa tahun terakhir. Semakin banyak proses petrokimia secara bertahap digantikan oleh proses bioteknologi. Para ahli berharap industri kimia akan menghasilkan sekitar 20 persen dari omsetnya (300 miliar dolar AS) dari bioteknologi putih.

Apakah perubahan ini masuk akal secara ekonomi? Perusahaan konsultan manajemen McKinsey & Company percaya bahwa ini masuk akal. Dalam sebuah penelitian yang dipublikasikannya pada tahun 2003, mereka memperkirakan bahwa bioteknologi putih akan membuat penghematan biaya hingga 12 miliar euro per tahun di seluruh dunia.

Proses konvensional sering bekerja di bawah tekanan tinggi dan pada suhu tinggi. Di sisi lain, mikroorganisme dan enzim menjadi aktif dalam lingkungan berair pada kondisi suhu ruangan normal sehingga menghilangkan kebutuhan untuk perlengkapan keselamatan yang mahal. Ada juga keuntungan lain.

Bioteknologi putih membutuhkan tahap sintesis yang lebih sedikit, memangkas emisi, mengurangi bahan baku dan konsumsi energi dan memberikan beban yang lebih kecil pada lingkungan. Ini mengurangi biaya produksi secara dramatis, sebagaimana dicontohkan oleh riboflavin, atau vitamin B2. Hingga tahun 1990, BASF memproduksi vitamin ini melalui proses petrokimia multi-tahap yang kompleks.

Sekarang riboflavin dihasilkan dari minyak kedelai dalam satu tahap fermentasi. Konversi tersebut dibandingkan dengan kondisi perusahan saat ini: Produksi sampah berkurang sebesar 95 persen, emisi CO2 turun sebesar 30 persen dan konsumsi sumber daya alam turun sebesar 60 persen. Secara total, biaya produksi vitamin B2 turun sebesar 40 persen.

Enzim diproduksi dalam proses bioteknologi.(Sumber foto/© : BASF)
Enzim diproduksi dalam proses bioteknologi.(Sumber foto/© : BASF)

Namun, transisi tidak akan mudah karena hampir semua proses industri saat ini menggunakan minyak bumi. “Industri fokus pada petrokimia selama 50 atau 60 tahun terakhir. Industri berhasil menciptakan sejumlah besar produk murah dengan berinvestasi pada penelitian terkonsentrasi dan upaya pengembangan di bidang ini.

Kini, pada saat kita mulai menggunakan bahan baku terbarukan, kita harus kembali memimpin teknologi ini,” kata Gorge Deerberg, direktur ilmiah Institut Fraunhofer untuk Teknologi Lingkungan, Keselamatan dan Energi UMSICHT.

Bersatu dalam riset

Delapan lembaga Fraunhofer-Gesellschaft mengkontribusikan sumber daya mereka untuk mengerjakan “Bioteknologi putih – Alam punya pabrik kimia sendiri”. Tujuan mereka adalah untuk mengembangkan sebuah pendekatan proses dan produk terintegrasi – dari bahan mentah melalui biokatalis hingga produk jadi. Lembaga yang terlibat antara lain:

  • Institut Fraunhofer untuk Riset Polimer Terapan IAP
  • Institut Fraunhofer untuk Teknologi Kimia ICT
  • Institut Fraunhofer untuk Bioteknologi dan Rekayasa Antarmuka IGB
  • Institut Fraunhofer untuk Pengemasan dan Rekayasa Proses IVV
  • Institut Fraunhofer untuk Biologi Molekular dan Ekologi Terapan IME
  • Institut Fraunhofer untuk Rekayasa dan Otomasi Manufaktur IPA
  • Institut Fraunhofer untuk Teknologi Lingkungan, Keselamatan dan Energi UMSICHT
  • Institut Fraunhofer untuk Riset Kayu, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI

Bahan baku dari lapangan

Oleh karena itu, Fraunhofer-Gesellschaft telah menghimpun kegiatannya dalam sebuah aliansi riset strategis-baca tak. Topik ‘Bioteknologi putih-alam punya pabrik kimia sendiri’ juga salah satu dari duabelas ‘Tonggak ke pasar masa depan’, bidang-bidang teknologi di mana teknologi sangat diharapkan menciptakan inovasi yang relevan dengan pasar. Kegiatan di bidang bioteknologi putih dikoordinasikan oleh Prof. Hirth dari ICT dan Prof. Dr. Rainer Fischer dari Institut Fraunhofer untuk Biologi Molekuler dan Ekologi Terapan IME.

“Tujuan kami adalah memetakan seluruh rantai proses, mulai dari tanaman hingga produk jadi,” kata Hirth dalam menggambarkan tugas raksasa yang dihadapi oleh aliansi penelitian.

Bahan baku terbarukan sangat cocok untuk produksi polimer, bahan kimia khusus seperti pelarut, tensides dan perekat, dan produk kimia menengah. Tapi kondisi tertentu harus dipenuhi, seperti yang Hirth tekankan:

“Sebelum biomassa bisa digunakan dalam skala besar sebagai bahan baku, industri membutuhkan jaminan bahwa biomassa akan senantiasa tersedia dalam jumlah yang cukup, bersama dengan jaminan kualitas yang konsisten dan harga yang kompetitif.”

Karenanya, meningkatkan karakter tanaman dan mempersiapkan tanaman-tanaman tersebut untuk dipergunakan sebagai bahan baku industri merupakan fokus utama kegiatan-kegiatan penelitian. IME, misalnya, sedang mendalami berbagai kemungkinan cara menggunakan kentang sebagai sistem produksi bioteknologi untuk pati kualitas baru, dan untuk memproduksi karet alam lebih murah dibandingkan dengan tanaman pertanian lainnya.

Produk-produk berbasis biotek

Calon-calon untuk penggunaan komersial

  • Polimer
  • Tensides
  • Pelarut
  • Pewarna
  • Aroma Rasa
  • Bahan Obat
  • Kosmetik
  • Bahan Bakar
  • Pelumas
  • Serat

Bahan baku

  • Lignin
  • Selulosa
  • Kitin
  • Hemiselulosa
  • Gula
  • Pati
  • Minyak dan lemak

Tanaman- tidak hanya tanaman sereal, kacang-kacangan, pohon atau tanaman minyak, dan bahkan ganggang-menghasilkan sejumlah besar senyawa kimia berbeda yang sampai saat ini jarang dimanfaatkan.

“Ini masuk akal dari segi logika ekonomi untuk memaksimalkan penggunaan keragaman alam dan proses alami sintesis untuk mengekstrak sebanyak mungkin bahan aktif yang mungkin berharga,” kata Dr. Michael dari Institut Fraunhofer untuk Rekayasa Proses dan Pengemasan IVV.

Bagaimana senyawa kimia yang dicari dapat diperoleh? Lembaga-lembaga pada Fraunhofer sedang menyelidiki cara pemurnian produk seperti pati, lignin atau asam lemak dari tumbuhan sebagai tahap-tahap peralihan penting bagi produk kimia.

Para peneliti di IVV telah mengembangkan metode pemisahan yang sangat lembut dan metode fraksionasi untuk mengekstraksi minyak dari tanaman seperti lupin dan colza sedemikian rupa sehingga protein juga diekstrak dalam bentuk yang paling murni. Para peneliti di UMSICHT dan ICT menggunakan cairan superkritis untuk mengekstrak bahan-bahan berharga.

Baca juga :   Produk Sekunder Pertanian dan Kehutanan Menjadi Bahan Plastik
Proporsi proses bioteknologi dalam penciptaan nilai
Pangsa pasar dalam miliar $ 50 250 400 500
Persentase proses bioteknologi pada tahun 2004 15 1 2 2
Persentase proses bioteknologi tahun 30-60 5-12 5-20 5-15
Sumber: Chemical Week, Februari 2004, McKinsey & Company, 2004

Hutan adalah sumber bahan baku alami terbesar. Kayu sangat penting untuk pembuatan kertas. Salah satu produk limbah dari pembuatan kertas adalah lignin, struktur pendukung dari serat kayu. Sekitar 50 juta metrik ton zat ini diproduksi di seluruh dunia setiap tahun. Lignin adalah polimer alami yang darinya, dikombinasikan dengan serat alami dan aditif, dimungkinkan untuk memproduksi bahan termoplastik yang sangat bagus, yaitu plastik yang meleleh pada suhu tertentu.

Keunggulan utamanya adalah bahwa bahan dapat diproses pada mesin pengolahan plastik konvensional seperti termoplastik sintetis. Tapi tidak semua produk sayuran cocok untuk kebutuhan industri dalam kondisi alaminya. Produk-produk tersebut sering kali harus diproses terlebih dahulu dengan menggunakan enzim.

Di sini, alam juga memberi solusi. Lebih dari 3.000 enzim berbeda telah diidentifikasi hingga saat ini, tetapi hanya 150 yang digunakan secara komersial dalam skala besar. Sampai sekarang, industri berkonsentrasi terutama pada enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang dapat dibudidayakan di laboratorium.

Pencarian enzim baru

Para peneliti di Pusat Penyaringan Institut Fraunhofer untuk Teknik Antarmuka (Interface) dan Bioteknologi IGB berharap akan menemukan enzim baru dari bakteri dan sejenisnya. Dr. Steffen Rupp dan tim ilmuwannya menggunakan teknik khusus untuk tujuan ini: mereka mengisolasi seluruh DNA dari sampel lingkungan, bukan satu mikro-organisme.

Bahan genetik dikumpulkan di perpustakaan gen dan diuji untuk aktivitas enzimatik. Sementara itu 65.000 klon telah diuji untuk berbagai jenis aktivitas.

Para peneliti jelas berada di jalur yang benar: Mereka telah mengidentifikasi berbagai enzim yang barangkali memungkinkan jalur transformasi baru, misalnya mengubah minyak nabati menjadi asam lemak dan gliserin atau memisahkan protein. Penyaringan strain bakteri asam laktat yang mampu memfermentasikan pati langsung menjadi asam laktat adalah suatu area lain yang tengah dieksplorasi oleh para peneliti.
Melalui bioteknologi dan rekayasa genetika bahkan dimungkinkan untuk merancang varietas enzim dan mikroorganisme baru dan yang lebih baik. IGB dan IME sama-sama aktif di bidang ini. Enzim tersintesis diproduksi oleh ekspresi (gen)dalam organisme yang cocok untuk aplikasi industri, seperti bakteri, ragi, sel hewan dan tumbuhan.

Pada inti dari industri bioteknologi adalah biokonversi, konversi biomassa menjadi bahan bakar. Ini dicapai baik dengan fermentasi, menggunakan mikroorganisme, atau dengan biokalisis dengan menggunakan enzim. Namun, konversi yang cepat dan ekonomis sejumlah besar bahan baku hanya akan dimungkinkan jika metode bioproduksi baru dikembangkan.

Para peneliti di UMSICHT, misalnya, sedang merancang sebuah metode untuk produksi asam suksinat. Proyek ini disponsori oleh Badan Sumber Daya Terbarukan (FNR). Asam dikarboksilat yang digunakan dalam industri makanan sebagai acidifier (pembuat asam), penyedap dan pengawet sangat cocok untuk digunakan sebagai bahan kimia platform. Bahan baku kimia dapat diperoleh dari glukosa dengan bantuan mikroorganisme.

Sebaliknya, para peneliti di IGB menggunakan mikroalga untuk menghasilkan asam lemak dan karotenoid. Ganggang dapat dibudidayakan dalam jumlah besar dalam reaktor airlift plat datar. Para ilmuwan di Institut Fraunhofer untuk Riset Polimer Terapan IAP mengupayakan metode produksi baru untuk bahan dasar penting untuk bioplastik.

Mereka memproduksi asam polilaktat (PLA) dari asam laktat yang dihasilkan oleh fermentasi bakteri. Glukosa yang digunakan untuk menghasilkan asam laktat dapat diperoleh dari bahan baku terbarukan seperti chip bit gula, tepung gandum.
“Bioplastik tidak hanya harus dapat terdegradasi secara biologis, tetapi juga kuat untuk dipergunakan, mudah diproses dan tersedia dalam jumlah yang hampir tak terbatas,” kata Dr Eckhard Bonatz dari IAP di Golm, memerinci permintaan materi yang diperkirakan akan terpenuhi. “Semua aset yang diinginkan dapat ditemukan di PLA terbuat dari glukosa yang telah difermentasikan untuk menghasilkan asam laktat.”

Plastik yang terbuat dari asam laktat yang sudah digunakan dalam beberapa aplikasi ceruk dewasa ini. Bahan kemasan berbusa, bahan sanitasi dan produk medis yang terbuat dari bahan ini sudah ada. Bioplastik bahkan dapat digunakan sebagai peralatan katering. Pada Hari Pemuda Dunia di Cologne, para kaum muda pengunjung dari seluruh dunia makan dengan peralatan makan yang terbuat dari plastik dapat diuraikan.

Setelah digunakan, piring, gelas, pisau, garpu, sendok dan sisa-sisa makanan yang diberikan ke sebuah pabrik biogas dan difermentasi. Peralatan katering terbuat dari Biograde® 300A, sebuah bioplastik yang dikembangkan oleh para peneliti di FKuR Kunststoff GmbH dan UMSICHT.

Komponen polimer adalah selulosa asetat, suatu zat yang diperoleh dari selulosa dan dengan demikian, pada dasarnya, dari kayu.

Namun, sebelum ‘plastik hijau’ bisa diproduksi secara massal, biaya produksi harus diturunkan secara signifikan. Optimasi proses akan memainkan peranan penting dalam mencapai tujuan ini.

Para peneliti di ICT, juga mengeksplorasi lintasan baru di bidang manufaktur plastik. Dalam sebuah usaha kolaboratif dengan Dow Germany GmbH, telah dikembangkan suatu proses baru untuk mengekstraksi polialkohol dari gula. Poliol tersebut merupakan bahan dasar yang penting untuk produksi poliuretan dan poliester.

Karbohidrat rendah-molekul seperti glukosa, fruktosa, xilosa dan sakarosa diubah menjadi poliol di dalam air mendekati titik kritis. Hasil terbaik diperoleh dalam serangkaian uji coba antara 1500 dan 250 Celcius dengan menggunakan elemen ruthenium sebagai katalis. Dow kemudian berhasil menggunakan poliol dalam produksi poliuretan.
Ini membuka sumber bahan baku yang sama sekali baru untuk produksi plastik. Karbohidrat terisolasi dari tanaman seperti gula bit, yang secara luas dibudidayakan di Jerman. Proyek ini disponsori oleh Badan Sumber Daya Terbarukan.

Bukan hanya hasil dari bahan paling pokok yang penting, tetapi juga cara bagaimana bahan tersebut dipersiapkan untuk diproses lebih lanjut. Ini berarti bahwa bahan yang dibutuhkan harus dipisahkan dari biomassa.

“Keberhasilan metode bioteknologi sangat ditentukan oleh isolasi dan proses pembersihan produk,” Hirth menekankan – produk setengah jadi hanya dapat digunakan untuk sintesis kimia berikutnya jika sebisa mungkin diperoleh sebagai bentuk murni.

Metode mekanis, termal atau kimia harus secara optimal diselaraskan dengan biokonversi hulu dan proses pengolahan hilir. Lembaga-lembaga Fraunhofer memiliki keahlian komprehensif di bidang ini.

Lembaga Fraunhofer membawa konsep ini lebih jauh dengan bio-refinery (kilang biologi) di mana bahan baku terbarukan akan dimanfaatkan secara maksimal dari segi materi dan energi, dikonversikan menjadi bahan kimia dan bahan-bahan lain dan menjadi bahan mudah terbakar dan bahan bakar. “Ide untuk sepenuhnya memanfaatkan bahan baku terbarukan akan semakin penting seiring waktu,” Hirth meyakininya.

“Berbagai langkah ke arah ini telah direalisasikan di lembaga Fraunhofer.” Satu contoh praktis dari cara dimana produksi terpadu energi, panas dan produk limbah yang dapat dipergunakan kembali dari sumber daya terbarukan dapat diimplementasikan telah ditunjukkan oleh Loick AG.

Perusahaan memproduksi produk-produk baru dari bahan baku terbarukan dengan memulihkan biogas, listrik, panas dan energi pendingin dari pupuk cair, tanaman dan residu organik. Miniatur biorefinery ini didirikan melalui kerjasama erat antara Loick Group dan pada ilmuwan dari UMSICHT.
Harapan besar telah ditempatkan di bidang bioteknologi putih. Tercapainya pergeseran paradigma ini membutuhkan kerja sama erat antara ahli kimia, biologi, bioteknologi, fisikawan dan insinyur proses. Jerman merupakan produsen bahan kimia terbesar ketiga di dunia, setelah Amerika Serikat dan Jepang.

Agar industri kimia mempertahankan daya saingnya, sangat penting untuk berhasil menyelesaikan transisi kegiatan produksinya dengan bahan baku terbarukan dan proses yang hemat sumber daya. (Diolah dari tulisan Birgit Niesing; www.fraunhofer.de/magazine)

Incoming search terms:

Advertisement

Tulis Opini Anda