Produksi Bioplastik (Polihidroksilalkanoat) dari Fermentasi Bakteri sebagai Pengganti Plastik Berbasis Konvensional

Latar Belakang

    Plastik adalah komoditas yang sangat populer dan sering digunakan saat ini. Sejak ditemukannya polietilen pada tahun 1933 dan perkembangan industri dunia pada tahun 1950, plastik petrokimia telah menjadi industri produksi yang sangat besar. Berdasarkan data dari Kementerian Perindustrian Republik Indonesia, produksi tahunan resin utama termoplastik di Indonesia seperti polietilen, polipropilen, polistirena dan polivinil klorida mencapai 4,6 juta ton pada tahun 2018. Tidak hanya di Indonesia, produksi plastik di negara maju seperti Amerika, Jepang, Korea dan Cina juga serupa. Produksi bahan plastik membutuhkan energi yang sangat besar, sehingga membutuhkan bahan bakar yang besar juga. Ini dikarenakan proses produksinya yang melibatkan pemecahan polimer hidrokarbon menjadi molekul yang lebih kecil. Pembakaran terbuka atau pembakaran plastik memiliki tiga efek negatif antara lain:

1. Pelepasan gas CO2 dan karbon hitam. Dua zat itu menjadi salah satu agen perubahan iklim yang sangat kuat
2. Pembakaran plastik saat berada di TPA (Tempat Pembuangan Akhir) merupakan sumber polusi udara yang signifikan, termasuk emisi POPs yang tidak diinginkan (uPOPs) seperti dioksin, furan dan PCBs yang terklorinasi dan terbrominasi
3. Menimbulkan ancaman besar bagi kesehatan tanaman, hewan, dan manusia, karena partikel-partikel beracun dapat dengan mudah mengendap di tanaman atau di saluran air, menurunkan kualitas air dan memasuki rantai makanan (Ricardo, 2018). 

    Tingginya produksi plastik sangat dipengaruhi oleh permintaan pasar. Sifat-sifat plastik yang praktis, ringan, murah, dan tahan terhadap penguraian biologis membuat banyak orang menggunakan komoditas ini untuk kebutuhan sehari-hari. Tingginya penggunaan plastik di masyarakat berbanding lurus dengan jumlah sampah plastik yang dihasilkan. Indonesia adalah penyumbang sampah plastik terbesar kedua di dunia (Purba, 2017). Pada tahun 2018, sampah plastik di Jakarta mencapai 41 ton per hari dan jumlah ini akan terus bertambah setiap tahun (Sahwan, 2005). Saat ini, pengolahan limbah plastik masih belum optimal, sebagian besar plastik ditumpuk, dibakar dan dibuang lagi ke lingkungan.

    Oleh karena itu, pengendalian penggunaan plastik yang sulit terurai dan tidak ramah lingkungan seperti plastik polietilen dan polipropilena perlu dilakukan. Adapun salah satu cara alternatif yang diharapkan dapat membantu mengurangi jumlah penggunaan plastik-plastik yang berbasis polietilen ini adalah dengan mendukung produksi dan penggunaan plastik yang lebih ramah lingkungan dan biodegradable. 

    Adapun salah satu jenis plastik yang lebih ramah lingkungan yang berpotensi untuk menjadi bakal pengganti plastik yang berbasis petrokimia adalah plastik PHA. Plastik berbasis PHA(Polihidroksialkanoat) adalah plastik yang terbentuk dari poliester yang pada umumnya disintesis secara alami oleh bakteri tertentu, seperti Pseudomonas putida dan Cupriavidus necator dengan bahan baku glukosa dan asam lemak volatile. Plastik PHA, tidak seperti plastik yang berbasis bahan petrokimia pada umumnya, memiliki kelebihan pada sifat biodegradabilitas dan biokompatibilitasnya terhadap lingkungan (Muhammadi et al. 2015). Selain itu, sumber bahan baku dari plastik ini diperoleh dari bahan organik seperti glukosa, sehingga beberapa limbah biomass seperti limbah restauran atau dapur dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan plastik ini yang mana hal ini juga akan dapat memberi suatu nilai tambahan bagi limbah-limbah organik tersebut untuk dapat dimanfaatkan kembali menjadi sesuatu yang berguna. Adapun kekurangan dari plastik PHA ini adalah diantaranya seperti stabilitas termo-mekanis yang terbatas, ketidakstabilan terhadap lingkungan, fasilitas produksi global yang tidak mencukupi, dan kondisi yang harus sempurna untuk berjalannya fermentasi steril yang menghambat aplikasi PHA berkembang pada dunia indutsri secara global (Kovalcik et al. 2017). Meskipun begitu, hal ini tidak mengubah kemungkinan untuk PHA kedepannya menjadi salah satu pilihan alternatif terbaik sebagai bioplastik pengganti plastik berbasis petrokimia, yang juga kedepannya dapat direalisasikan dalam skala industri. Penelitian intensif dalam mempelajari proses produksi PHA dalam kondisi non-steril, misalnya dengan menggunakan konsorsium mikroba campuran atau strain mikroorganisme mutan, yang dapat menyederhanakan kebutuhan operasional, dapat menjadikan produksi PHA ini semakin berpeluang untuk direalisasikan pada skala industry (Anjum et al. 2016; Kourmentza et al. 2017).

Rumusan Masalah

Dalam penyusunan makalah ilmiah ini, kami menggunakan metode studi pustaka tentang analisis kelayakan PHA sebagai bahan baku plastik biodegradable dan proses produksinya.

Skema Life-Cycle dari Bioplastik
Gambar 1. Skema Life-Cycle dari Bioplastik





Pembahasan

Upstream Process PHA dari Mikroorganisme

    Untuk mengatasi masalah ini, beberapa upaya telah dilakukan, salah satunya adalah memproduksi plastik biodegradable atau bioplastik. Bioplastik, adalah plastik yang terbuat dari bahan biodegradable. Idealnya, plastik ini harus memiliki karakteristik yang sama dengan plastik sintetis. Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa bioplastik dapat menutup loop dari daur hidup material. Salah satu polimer plastik biodegradable adalah PHA (Polyhodroxylalkanoat). Bahan baku untuk membuat PHA cenderung menjadi bahan baku terbarukan seperti limbah biomassa hutan dan pertanian dan limbah industri organik. PHA diproduksi melalui proses fermentasi oleh mikroorganisme.

    PHA dibuat dari prekursor atau dari substrat yang memiliki struktur serupa. Monomer hidroksialkanoat dihasilkan melalui metabolisme sel dalam bentuk 3-hidroksialkanoat (3HA) dan hampir semua monomer 3HA berada di konfigurasi R karena sifat stereo spesifik enzim yang terlibat dalam biosintesis PHA. Hidroksialkanoat dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu hidroksialkanoat rantai pendek (scl-HA) yang terdiri dari 3 hingga 5 rantai menengah dan rantai karbon (mcl-HA) yang terdiri dari 6 hingga 14 rantai karbon (Y. Doi, 1995).

Grafik Produksi Sampah di Indonesia (Kementerian Lingkungan Hidup)
Gambar 2. Grafik Produksi Sampah di Indonesia (Kementerian Lingkungan Hidup dan Katadata.com)


    Bahan baku (feedstock) dari produksi PHA bervariasi, mulai dari bahan murni dan bahan non murni. Untuk bahan murni terdiri dari berbagai macam sumber biomassa seperti hasil pertanian, hasil hutan, dan sebagainya. Biomassa di Indonesia sendiri memiliki tingkat produksi yang tinggi yaitu mencapai 100 juta ton per tahun (Prastowo, 2011). Namun, perlu diketahui kebutuhan pangan di Indonesia juga memerlukan suplai dari produksi biomassa tersebut. Dari permasalahan tersebut pengembangan produksi PHA digeser untuk bisa memanfaatkan bahan-bahan non murni. Bahan non murni terdiri dari limbah organik industri maupun limbah organik rumah tangga. Produksi PHA dengan menggunakan bahan non murni dapat menurunkan cost pada aspek raw material. Berdasarkan Gambar 2, produksi limbah organik di Indonesia cukup tinggi, dari 64 juta ton limbah yang dihasilkan per tahun, 70%-nya merupakan limbah organik, hal ini dapat meningkatkan peluang untuk diterapkannya metode ini dalam produksi PHA di Indonesia.

Yield Produksi PHA dari Limbah Organik Berbagai Industri
Gambar 3. Yield Produksi PHA dari Limbah Organik Berbagai Industri



    Mikroba penghasil PHA berasal dari berbagai kelompok taksonomi, beberapa di antaranya adalah bakteri fototrofik, archaebacteria, bakteri gram negatif dan gram positif, dan bakteri aerobik dan anaerob. PHA yang diproduksi oleh bakteri disimpan dalam bentuk butiran di dalam sitoplasma. Granul PHA dikelilingi oleh membran monolayer fosfolipid di mana terdapat protein seperti PHA sintase dan degradasi PHA. PHA yang disintesis berasal dari substrat yang merupakan sumber karbon (glukosa, fruktosa, asam asetat, xilosa, dll.) Secara keseluruhan, biosintesis PHA berlangsung sesuai dengan substratnya. Pada produksi PHA yang bersumber dari limbah organik, yield dari PHA juga dipengaruhi oleh industri yang menghasilkan limbah tersebut. Dapat dilihat pada Tabel I yield PHA yang dihasilkan oleh berbagai macam limbah organik industri. Pada Tabel I juga dapat dilihat, rekayasa genetik juga berperan dalam meningkatkan yield dari PHA.

Proses Pembuatan PHA Skala Industri

Polihidroksi alkanoat (PHA) merupakan suatu jenis plastik biodegradabel yang berpotensi besar untuk menggantikan plastik konvesional. Pada skala industri, konversi biomassa menjadi bioplastik PHA adalah proses yang membutuhkan modal besar, dan PHA harus diproduksi sepanjang tahun untuk mencapai POT dan ROI yang layak (pengembalian investasi). Berikut skema proses produksi PHA dari limbah organik:
Proses Produksi PHA dari Limbah Organik
Gambar 4. Proses Produksi PHA dari Limbah Organik

    Dalam proses produksinya, produksi PHA dibagi menjadi 3 tahapan. Tahapan pertama dalam memproduksi PHA dari limbah organik adalah fermentasi asidogenik. Selama langkah ini, limbah kompleks, seperti sisa makanan, air limbah, dipecah menjadi asam fermentatif yang lebih sederhana dan lebih kecil, terutama asam C2-C4 seperti asetat, propionat, butirat dan asam laktat (Serafim et al., 2008; Albuquerque et al., 2012). Tahapan kedua dalam produksi PHA adalah pemilihan kultur. Secara umum, metode kultur tertutup (batch) adalah metode kultur yang paling populer. Metode kultur tertutup dipilih karena prosesnya lebih sederhana dan penanggulangan kontaminasi yang lebih mudah dibandingkan metode kultur lainnya. Bakteri mengalami kondisi bolak-balik untuk mendapatkan komunitas mikrobia dimana hampir semua mikroorganisme memiliki kapasitas penyimpanan PHA dan tingkat produksi yang tinggi. Hal ini dilakukan dalam reaktor batch sequencing (SBRs), sistem di mana full-feast dan siklus famine dilakukan dalam satu reaktor tunggal, dan panjang setiap fase bisa bervariasi. Siklus dapat berupa kondisi bolak-balik ekses substrat eksternal (feast) dan pembatasan (famine) dalam kondisi aerobik atau anoksik dan lingkungan mikro-aerobik. Tahapan ketiga dalam produksi PHA adalah proses pemurnian (pengayakan) PHA. Siklus feast-famine (FF) diketahui dapat meningkatkan sintesis dan penyimpanan butiran PHA (Villano et al., 2010). Kondisi anoksik dan aerobik juga telah digunakan dalam SBR untuk meningkatkan produksi PHA dari limbah organik. Lingkungan mikro-anoksik cenderung meningkatkan akumulasi PHA yang lebih tinggi karena akses yang lebih baik ke VFA dan rendahnya akseptor elektron, sedangkan lingkungan aerobik cenderung mendorong degradasi PHA, tetapi memiliki removal nutrisi yang lebih baik (Venkateswar Reddy dan Venkata Mohan, 2012).

Downstream Process

    Downstream process dalam pembuatan bioplastik dari PHA mencakup ekstraksi, purifikasi, packaging, dan pemasaran. Proses ekstraksi dan purifikasi PHA dari rekombinan C. necator menggunakan proses bebas halogen dengan ethanol dan air sebagai mediumnya. Cuprivadus necator sendiri mengandung 30% (w/v) PHA (Mohammadi M. et al., 2011). Butiran PHA dipisahkan dengan cara sentrifugasi menggunakan non-polymer cellular material (NPCM) selama 20 menit pada suhu 4°C. Selanjutnya PHA yang telah dpisahkan lalu dicampur dengan ethanol 96% (v/v) dan didiamkan selama 30 menit pada suhu 30°C. Proses selanjutnya PHA dicuci dengan aquadest dan disentrifugasi selama 20 menit pada suhu 4°C dan dibekukan. Kemudian berat molekul polimer PHA dianalisis menggunakan Size Exclusion Chromatography (SEC) dengan sinar ultraviolet (UV, ╬╗=254 nm), sehingga diperoleh bioplastik dengan kadar 81% dan yield recovery sebesar 96%.
Tabel Purifikasi PHA pada Berbagai Suhu dan Perlakuan
Gambar 5. Tabel Purifikasi PHA pada Berbagai Suhu dan Perlakuan

    Berdasarkan table diatas terlihat bahwa perlakuan yang akan menghasilkan kadar PHA paling tinggi adalah dengan pencampuran ethanol dan didiamkan selama 1 jam pada suhu 30°C dengan kadar mencapai 81% dan recovery yield sebesar 96%. Biplastik dari PHA sendiri sebenarnya sudah cukup diterima dengan baik di pasaran, sehingga strategi pemasaran yang harus dilakukan hanyalah dengan mendirikan lebih banyak pabrik penghasil bioplastik dari PHA guna memenuhi permintaan pasar. Hal  ini semakin terlihat jelas saat Cina, Amerika Serikat, Italia, dan Brazil berlomba-lomba mendirikan pabrik penghasil PHA dengan berbagai jenis substrat, bakteri, dan proses produksi.

Perusahaan Penghasil Bioplastik PHA
Gambar 6. Perusahaan Penghasil Bioplastik PHA



    Selain itu, penggunaan PHA juga potensial dalam hal tambahan untuk biofuels dalam bentuk hydroxyalkanoate methyl ester (3HAME), pengemasan obat-obatan, dan sebagai zat tambahan dalam makanan sehat.

Kesimpulan

    Dari semua pernyataan di atas, Indonesia perlu mengubah produksi plastik dari petrokimia menjadi bioproses. PHA adalah biopolimer yang menarik karena sifatnya yang dapat terurai secara hayati dan fisiokimia. Fermentasi mikroba adalah proses yang layak untuk mengkomersialkan plastik biodegradable. Dampaknya besar akan terlihat ketika plastik biodegradable mulai diproduksi dengan cara yang hemat biaya dan memanfaatkan sumber daya terbarukan yang berlimpah seperti limbah biomassa dan biomassa. Dari produksi plastik berbasis PHA, kita dapat mengurangi biaya yang disebabkan oleh pengolahan limbah plastik, biaya pengelolaan limbah plastik, biaya inspeksi untuk limbah industri plastik, biaya perawatan medis yang disebabkan oleh polusi industri plastik dan biaya yang terkait dengan dampak dari produksi plastik sintetis lainnya. Dalam proses memulai industri bioproses, memang terlihat mahal, tetapi dampak positif akan terlihat ketika industri berjalan secara berkelanjutan.

Daftar Pustaka

Chen, G. Q., & Jiang, X. R. (2017). Engineering bacteria for enhanced polyhydroxyalkanoates (PHA) biosynthesis. Synthetic and Systems Biotechnology, 2(3), 192–197. https://doi.org/10.1016/j.synbio.2017.09.001

Dietrich, K., Dumont, M. J., Del Rio, L. F., & Orsat, V. (2016). Producing PHAs in the bioeconomy – Towards a sustainable bioplastic. Sustainable Production and Consumption, http://dx.doi.org/10.1016/j.spc.2016.09.001

Fern├índez-Dacosta, C., Posada, J. A., Kleerebezem, R., Cuellar, M. C., & Ramirez, A. (2015). Microbial community-based polyhydroxyalkanoates (PHAs) production from wastewater: Techno-economic analysis and ex-ante environmental assessment. Bioresource Technology, 185, 368–377. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.025

Mohammadi, M., Hassan, A. H., Phang, L. Y., Arifin, H., Shirai, Y., Ando, Y. (2011). Recovery and purification of intracellular polyhydroxyalkanoates from recombinant Cupriavidus necator using water and ethanol. Biotechnol Lett, 34, 253-259.

Nielsen, C., Rahman, A., Rehman, A. U., Walsh, M. K., & Miller, C. D. (2017). Food waste conversion to microbial polyhydroxyalkanoates. Microbial Biotechnology, 10(6), 1338–1352. https://doi.org/10.1111/1751-7915.12776

Prastowo, B. (2011). Paper is presented in the German-Indonesia Workshop on Biomass: Our Last Resource Defining Sustainable Policies and Management of Indonesia s Biomass Utilization Biomass Resource in Indonesia : Indonesia s Solid Biomass Energy Potential. (September 2011), 1–15. Retrieved from https://biomassourlastresource.files.wordpress.com.

Pittmann, T., & Steinmetz, H. (2017). Polyhydroxyalkanoate production on waste water treatment plants: Process scheme, operating conditions and potential analysis for german and european municipal waste water treatment plants. Bioengineering, 4(2), 1–24. https://doi.org/10.3390/bioengineering4020054

Purba, N. P. (2017). Status Sampah Laut Indonesia. https://Www.Researchgate.Net/Publication/312586557, (January).

R.J. van Wegen, Y. Ling and A.P.J. Middelberg, Trans IchemE., 76 (1998) 417 Ricardo Barra, S. A. L. (2018). GEF Council Meeting June 24 – 26, 2018 Da Nang, Viet Nam. 1–23.

Sahwan, F. L., Martono, D. H., Wahyono, S., & Wisoyodharmo, L. A. (2005). Sistem Pengelolaan Limbah Plastik di Indonesia. Jurnal Sistem Pengolahan Limbah J. Tek. Ling. P3TL-BPPT, 6(1), 311–318.

Yu, J. (2007). Microbial Production of Bioplastics from Renewable Resources. Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources, 585–610.
Y. Doi, S. Kitamura and H. Abe, Macromolecules, 28 (1995) 4822.

Tidak ada komentar untuk "Produksi Bioplastik (Polihidroksilalkanoat) dari Fermentasi Bakteri sebagai Pengganti Plastik Berbasis Konvensional"