Penghasilan Bahan Api dari Biojisim Lignoselulosa

Penulis: Dr. Mona Fatin Syazwanee binti Mohamed Ghazali, Dr. Nor Farhah binti Razak

Program ASASIpintar, Pusat PERMATA@Pintar Negara, Universiti Kebangsaan Malaysia

Dalam era yang semakin mengutamakan sumber tenaga yang boleh diperbaharui, bioetanol telah muncul sebagai sumber alternatif yang mampu menjanjikan kelestarian bahan api. Menurut Bušić et al. (2018), biojisim lignoselulosa, yang merupakan bahan mentah utama untuk penghasilan bioetanol generasi kedua, terdiri daripada selulosa (43%), hemiselulosa (20%), lignin (27%) dan komponen lain-lain (10%). Struktur kompleks ini menjadikan proses penghasilan bioetanol semakin mencabar dan memerlukan pendekatan saintifik yang teliti.

Broda et al. (2022) menjelaskan bahawa selulosa, yang juga merupakan komponen utama biojisim lignoselulosa, terdiri daripada β-D-glukopyranosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4-glikosidik. Struktur ini bukan sahaja memberikan kekuatan kepada tumbuhan tetapi juga menjadikannya sukar untuk dihidrolisis. Hemiselulosa pula, seperti yang diterangkan oleh Malik et al. (2022), adalah heteropolimer bercabang dan linear yang terdiri daripada pentosa dan heksosa, berfungsi sebagai penghubung antara selulosa dan lignin.

Komponen utama struktur lignin terdiri daripada sebatian fenolik dan bukan fenolik (Madadi dan Abbas, 2017). Sifat ketahanan lignoselulosa disumbangkan oleh struktur kompleks lignin yang melingkungi struktur β-1, 4-D-glukosa dan hemiselulosa (Liu et al., 2010; Manickam et al., 2018). Selain itu, penghabluran, luas permukaan spesifik selulosa, saiz dan isipadu liang, darjah pempolimeran (DP) dan faktor kimia juga menyumbang kepada sifat ketahanan komposisi lignin (Beluhan et al., 2023). Walaupun komposisi kandungan abu dalam biojisim agak rendah, majoriti abu akan terkumpul dalam sisa lignin menyebabkan pengurangan dalam penjanaan tenaga melalui pensinteran. Elemen-elemen yang terdapat dalam kandungan abu adalah Si, Mg, Fe, O, Ca, Ti, Cl, K, Al, S, P, Na, dan Mn (Kang et al., 2014).

Terdapat empat prosedur asas untuk menghasilkan bioetanol daripada biojisim lignoselulosa seperti prarawatan (pengaksesan kepada sumber karbohidrat), hidrolisis enzim (prarawatan biojisim oleh enzim hidrolitik), proses penapaian (gula C5 dan C6 menghasilkan alkohol) dan peringkat penyulingan (penulenan bahan api cecair) (Susmozas et al., 2020).

Prarawatan Bahan Lignoselulosa

Prarawatan merupakan langkah kritikal dalam proses biopenukaran bahan lignoselulosa kepada bioetanol. Menurut kajian Mohamed Remli et al. (2014), walaupun prarawatan adalah fasa penting, ia juga merupakan fasa kedua termahal dalam keseluruhan proses. Tujuan utama prarawatan, seperti yang dijelaskan oleh Bhatnagar et al. (2015), adalah untuk memisahkan dan melarutkan komponen biojisim, menjadikan sisa pepejal biojisim lebih mudah diakses semasa rawatan biologi atau kimia dijalankan.

Kecekapan proses prarawatan sangat dipengaruhi oleh pemilihan bahan mentah, pemulihan komponen selulosa, hemiselulosa dan lignin, serta ciri-ciri kimia dan morfologi komponen lignoselulosa (Awoyale dan Lokhat, 2021). Pemilihan kaedah prarawatan yang sesuai harus mengelakkan pengurangan saiz zarah biojisim, memelihara pecahan hemiselulosa, mengurangkan keperluan tenaga, menggunakan pemangkin yang jimat, mengawal pembentukan produk degradasi, dan menghasilkan produk sampingan bernilai tinggi daripada lignin (Tayyab et al., 2017).

Proses Sakarifikasi Bahan Mentah Semulajadi

Proses sakarifikasi, atau juga dikenali sebagai hidrolisis, melibatkan penukaran gula kompleks kepada gula ringkas dan proses ini melibatkan penggabungan air serta asid atau pemecahan molekul karbon menggunakan enzim (Velasquez-Orta et al., 2022). Walau bagaimanapun, Wang dan Lü (2021) menekankan bahawa kos penggunaan enzim hidrolitik yang diperlukan untuk proses ini amat tinggi dan menjadikannya salah satu cabaran utama dalam pengembangan biobahan api generasi kedua.

Proses hidrolisis biojisim lignoselulosa dilaksanakan melalui beberapa jenis enzim hidrolitik seperti selulase (contohnya endoglukanase dan eksoglukanase) untuk hidrolisis selulosa kepada heksosa, dan hemiselulase (contohnya xylanase) untuk hidrolisis hemiselulosa kepada pentosa (Joshi et al., 2021). Kecekapan proses ini amat dipengaruhi oleh tahap prarawatan biojisim lignoselulosa, termasuk muatan enzim, tempoh hidrolisis dan tahap penyingkiran lignin (Vasić et al., 2021).

Kaedah Fermentasi untuk Penghasilan Bioetanol

Fermentasi gula untuk menghasilkan bioetanol boleh dicapai dengan menggunakan pelbagai mikroorganisma. Proses ini menggunakan mikroorganisma semulajadi atau yang diubah suai secara genetik seperti yis, kulat berfilamen dan bakteria (Boucher et al. 2014). Terdapat perbezaan antara fermentasi kanji dan fermentasi aliran gula dari bahan lignoselulosa yang mengandungi campuran heksosa (C6) dan pentosa (C5), di mana mikrob fermentatif mampu menukar kedua-dua jenis gula ini kepada bioetanol secara efisyen (Nichols et al., 2014).

Sejenis mikroorganisma yang dikenali sebagai Saccharomyces cerevisiae ialah mikrob yang paling kerap digunakan dalam penghasilan bioetanol kerana memiliki daya toleransi yang tinggi terhadap etanol, produktiviti yang tinggi dan keupayaan yang baik dalam menapai pelbagai jenis gula (Mohd Azhar et al., 2017). Walau bagaimanapun, mikrob ini kurang keupayaan untuk menapai gula pentosa (C5) dari hemiselulosa, yang merupakan salah satu komponen utama dalam biojisim lignoselulosa (Ruchala et al., 2020).

Terdapat beberapa penyelidikan yang telah dilakukan untuk mereka bentuk S. cerevisiae yang diubah suai secara genetik agar dapat menapai kedua-dua jenis gula iaitu heksosa (C6) dan pentosa (C5), berubah menjadi etanol dengan menghasilkan produktiviti yang tinggi (Nair et al.,2017). Walau bagaimanapun, kestabilan strain rekombinan yis ini tidak dapat dikenalpasti semasa penggunaannya untuk jangka masa panjang kerana strain biorekayasa kebiasaannya cenderung untuk kehilangan fenotip disebabkan oleh pengumpulan toksik, ketidakseimbangan enzim, ketidakstabilan genetik, dan beban metabolik (Mu and Zhang, 2023; Duperray et al., 2024).

Sebagai alternatif, Paschos et al. (2015) mencadangkan penggunaan kulat berfilamen seperti Fusarium oxysporum yang mampu untuk menghasilkan pelbagai enzim lignoselulolitik dan dapat menapai kedua-dua jenis gula C6 dan C5 untuk berubah menjadi bioetanol. Namun, terdapat dua kelemahan utama kulat ini berbanding yis iaitu kadar pertumbuhan yang lebih perlahan dan penghasilan etanol yang rendah serta melambatkan perkembangan proses ini (Anasontzis et al., 2016).

Kesimpulannya, walaupun terdapat cabaran yang signifikan dalam penghasilan bioetanol menggunakan biojisim lignoselulosa, penyelidikan berterusan dalam bidang ini menjanjikan penemuan baru yang berpotensi untuk meningkatkan kecekapan dan kebolehlaksanaan proses ini pada skala industri.

[ARTIKEL BERKAITAN – Penukaran Biojisim Lignoselulosa kepada Bahan Kimia Berguna]

Rujukan:

Anasontzis, G.E., and Christakopoulos, P. (2014). Challenges in ethanol production with Fusarium oxysporum through consolidated bioprocessing. Bioengineered, 5, 393-395.

Awoyale, A.A., and Lokhat, D. (2021). Experimental determination of the effects of pretreatment on selected Nigerian lignocellulosic biomass in bioethanol production. Sci Rep 11, 557.

Beluhan, S., Mihajlovski, K., Šantek, B., and Ivančić Šantek, M. (2023). The Production of Bioethanol from Lignocellulosic Biomass: Pretreatment Methods, Fermentation, and Downstream Processing. Energies, 16, 7003.

Bhatnagar, V.S., Sharma, N.R., and Kumar, S. (2015). Pretreatment of paddy straw for enhanced saccharification. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 7, 914-920.

Boucher, J., Chirat, C., and Lachenal, D. (2014). Extraction of hemicelluloses from wood in a pulp biorefinery, and subsequent fermentation into ethanol. Energy Conversion and Management, 88, 1120–1126.

Broda, M., Yelle, D.J., and K. Serwańska. (2022). Bioethanol production from lignocellulosic biomass — challenges and solutions. Molecules, 27: 8717

Bušić, A., Marđetko, N., Kundas, S., Morzak, G., Belskaya, H., Ivančić Šantek, M., Komes, D., Novak, S., and Šantek, B. (2018). Bioethanol Production from Renewable Raw Materials and Its Separation and Purification: A Review. Food Technol Biotechnol. 56(3):289-311.

Duperray, M., Delvenne, M., François, J.M., Delvigne, F. and Capp, J.P. (2024) Genomic and metabolic instability during long-term fermentation of an industrial Saccharomyces cerevisiae strain engineered for C5 sugar utilization. Front. Bioeng. Biotechnol. 12:1357671.

Joshi, A., Kanthaliya, B., Meena, S., Khan, F., and Arora, J. (2021). 3 – Process consolidation approaches for cellulosic ethanol production. Editor(s): Ray, R.C. In Applied Biotechnology Reviews, Sustainable Biofuels, Academic Press, pp: 43-72.

Kang, Qian, Appels, Lise, Tan, Tianwei, Dewil, and Raf. (2014). Bioethanol from Lignocellulosic Biomass: Current Findings Determine Research Priorities, The Scientific World Journal, 298153

Liu, H., Zhu, J., and Fu, S., (2010). Effects of lignin-metal complexation on enzymatic hydrolysis of cellulose. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 58, 7233–7238.

Madadi, M., and Abbas, A. (2017). Lignin degradation by fungal pretreatment: A review. Journal of Plant Pathology and Microbiology, 8, 1-6.

Manickam, N.K., Rajarathinam, R., Muthuvelu, K.S., and Senniyappan, T. (2018). New insight into the effect of fungal mycelia present in the bio-pretreated paddy straw on their enzymatic saccharification and optimization of process parameters. Bioresource Technology, 267, 291–302.

Malik, K., Sharma, P., Yang, Y., Zhang, P., Zhang, L., Xing, X., Yue, J., Song, Z., Nan, L.,Yujun, S., El-Dalatony, M.M., Salama, E.S., and Li, X. (2022). Lignocellulosic biomass for bioethanol: Insight into the advanced pretreatment and fermentation approaches. Industrial Crops and Products,188: 115569.

Mohamad Remli, N.A., Md Shah, U.K., Mohamad, R., and Abd-Aziz, S. (2014). Effects of chemical and thermal pretreatments on the enzymatic saccharification of rice straw for sugars production. BioResources, 9, 510-522.

Mohd Azhar, S.H., Abdulla, R., Jambo, S.A., Marbawi, H., Gansau, J.A., Mohd Faik, A.A., and Rodrigues, K.F. (2017). Yeasts in sustainable bioethanol production: A review, Biochemistry and Biophysics Reports, 10: 52-61.

Mu, X., and Zhang, F. (2023). Diverse mechanisms of bioproduction heterogeneity in fermentation and their control strategies. J. Industrial Microbiol. Biotechnol. 50, kuad033.

Nair, R.B., Kabir, M.M., Lennartsson, P.R., Taherzadeh, M.J., and Horváth, I.S. (2017). Integrated process for ethanol, biogas, and edible filamentous fungi-based animal feed production from dilute phosphoric acid-pretreated wheat straw. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1-15.

Nichols, N.N., Hector, R.E., Saha, B.C., Frazer, S.E., and Kennedy, G.J. (2014). Biological abatement of inhibitors in rice hull hydrolyzate and fermentation to ethanol using conventional and engineered microbes. Biomass and Bioenergy, 67, 79-88.

Paschos, P., Xiros, C., and Christakopoulos, P. (2015). Ethanol effect on metabolic activity of the ethalogenic fungus Fusarium oxysporum. BMC Biotechnology, 15, 15.

Ruchala, J., Kurylenko, O.O., Dmytruk, K.V., and Sibirny, A.A. (2020). Construction of advanced producers of first- and second-generation ethanol in Saccharomyces cerevisiae and selected species of non-conventional yeasts (Scheffersomyces stipitis, Ogataea polymorpha). J Ind Microbiol Biotechnol. 47(1):109-132.

Velasquez-Orta, S.B., Mohiuddin, O., Ledesma, M.T.O., and Harvey, A.P. (2022). 13 – Process intensification of microalgal biofuel production, Editor(s): Jacob-Lopes, E., Zepka, L.Q., Severo, I.A., and Maroneze, M.M. In Woodhead Publishing Series in Energy, 3rd Generation Biofuels, Woodhead Publishing, pp: 269-290.

Susmozas, A., Martín-Sampedro, R., Ibarra, D., Eugenio, M.E., Iglesias, R., Manzanares, P., and Moreno, A.D. (2020). Process Strategies for the Transition of 1G to Advanced Bioethanol Production. Processes, 8:1310.

Tayyab, M., Noman, A., Islam, W., Waheed, S., Arafat, Y., Ali, F., Zaynab, M., Lin, S., Zhang, H., and Lin, W. (2017). Bioethanol production from lignocellulosic biomass by environment-friendly pretreatment methods: A review. Applied Ecology and Environmental Research, 16, 225-249.

Vasić, K., Knez, Ž., and Leitgeb, M. (2021). Bioethanol Production by Enzymatic Hydrolysis from Different Lignocellulosic Sources. Molecules, 26(3):753.

Wang, T., and Lü, X. (2021). Chapter 8 – Overcome saccharification barrier: Advances in hydrolysis technology. Editor(s): Lü, X. In 2nd Generation of Bioethanol Production, Woodhead Publishing, 2021, Pages 137-159.