Sintesis Asid Suksinik Dari Biojisim Sawit

Oleh : Dr Abdullah Amru Indera Luthfi
Pusat Penyelidikan Teknologi Proses Mampan, CESPRO), Universiti Kebangsaan Malaysia

Pengenalan

Asid suksinik (asid butanadioik) atau dikenali juga sebagai asid amber adalah asid dikarboksilik yang terjadi secara semula jadi dalam tisu tumbuhan, haiwan dan mikroorganisma. Ia adalah asid organik yang mengandungi empat karbon dan dua kumpulan karboksil berfungsi (-COOH). Sejak tahun 1877, potensi asid suksinik sebagai antibiotik dan penawar semulajadi telah dikenal pasti oleh para saintis yang menjalankan penyelidikan terhadap asal-usul geologi amber dari beberapa penemuan arkeologi. Molekul ajaib yang kini dikenali sebagai asid suksinik kemudiannya diekstrak dari batu ambar dengan mengisar dan menyulingnya menggunakan kubang pasir. Penggunaan asid suksinik dalam perubatan juga dipercayai dapat meningkatkan pernafasan selular dan metabolisma glukosa yang membolehkan tubuh badan berfungsi secara optimum. Rentetan itu, asid suksinik dirujuk sebagai “Spirit of Amber” dan “Amber of Modern Times”.

Proses penghasilan asid suksinik

Umumnya, asid suksinik dihasilkan di peringkat komersial melalui proses petrokimia atau ditukarkan dari gula melalui fermentasi yang dimangkin oleh mikroorganisma. Beberapa kaedah laluan petrokimia termasuk pengoksidaan parafin atau penghidrogenan katalitik asid maleik pada tekanan dan suhu yang tinggi. Kaedah tersebut mendatangkan keburukan dari segi sumber bahan fosil yang terhad, hasil perolehan tidak memuaskan dan penggunaan tenaga yang tinggi.

Keterbatasan laluan petrokimia menyebabkan penggunaan asid suksinik menjadi agak terhad untuk pembangunan pelbagai aplikasi. Menyedari hakikat ini, syarikat-syarikat kimia terkemuka dunia seperti BioAmber (Kanada), Myriant (Amerika Syarikat), Succinity (Sepanyol), Reverdia (Itali), Institut Bioteknologi Michigan (Amerika Syarikat), Mitsubishi-Ajinomoto (Jepun) dan MBEL-KAIST (Korea Selatan) muncul dan saling bergiat aktif dalam meneroka laluan alternatif bioteknologi putih (white biotechnology) untuk mengkomersialkan produk berasaskan bio-asid suksinik sebagai bahan komoditi baru.

Aplikasi bio-asid suksinik boleh dibahagikan kepada tiga komponen utama iaitu plastik, ester dan garam (Gambar 3). Potensi bio-asid suksinik dalam menghasilkan lebih dari 30 produk komersial penting dilihat cenderung ke arah penjanaan pendapatan yang lumayan. Asid suksinik dan terbitannya (diamina dan diol) boleh digunakan sebagai unit monomer poliester, poliamida dan poliester amida bagi aplikasi dalam sektor bioplastik, automotif, pembinaan dan lain-lain.

Fermentasi sebagai laluan alternatif

Kaedah fermentasi menggunakan bakteria untuk menghasilkan asid suksinik dari sumber yang boleh diperbaharui berpotensi menjadi satu alternatif yang lebih efisien dari segi penjimatan gas rumah hijau dan penggunaan tenaga yang optimum, di samping dapat mengurangkan kebergantungan terhadap sumber mineral yang terhad. Sisa-sisa atau biojisim dari industri sawit adalah contoh sumber yang boleh diperbaharui dan dianggap terbaik kerana kuantitinya yang banyak dan tidak mencetuskan kontroversi “food versus fuel”.

Apakah potensi biojisim sawit?

Malaysia adalah sebuah negara beriklim tropika, di mana perladangan (kelapa) sawit merupakan sektor tanaman komersial terpenting. Di Malaysia, pokok sawit ditanam dengan jumlah keluasan sekitar 5.85 juta hektar. Penjanaan sisa pepejal sawit pula mencapai sebanyak kira-kira 90 juta tan setahun dan sebahagian besar sisa sawit terdiri daripada pelepah, batang pokok, serat tandan sawit kosong, serat mesokarpa dan tempurung sawit. Penyelidikan terdahulu melaporkan bahawa karbohidrat dalam biojisim sawit mengandungi kira-kira 56-68% daripada jumlah berat kering biojisim (rujuk Jadual 1), di mana ia terdiri daripada unit-unit gula monomer seperti glukosa, xilosa, arabinosa dan mannosa berulang.

Jadual 1: Jumlah karbohidrat sisa pepejal sawit (per 100 g berat kering biojisim)

Sejumlah besar molekul karbohidrat diperolehi apabila lignin yang melitupi dinding sel tumbuhan berjaya disingkirkan. Justeru, liberalisasi gula monomer dari biojisim sawit yang kaya dengan karbohidrat boleh digunakan sebagai ‘makanan’ atau ‘sumber karbon’ untuk bakteria penghasil asid suksinik.

Bagaimana sisa sawit ditukarkan kepada gula dan asik suksinik?

Larutan gula monomer diperolehi melalui hidrolisis berenzim atau asid. Hidrolisis berenzim menawarkan kelebihan seperti penggunaan tenaga yang rendah, tidak terdedah kepada masalah hakisan peralatan operasi, serta tidak mengeluarkan produk sampingan berbanding hidrolisis asid. Penghasilan enzim hidrolitik kini didominasi oleh dua syarikat utama, iaitu Novozymes (Denmark) dan DuPont/Genencor (Amerika Syarikat) dengan perkongsian pasaran masing-masing sebanyak 47% dan 21%. Beberapa jenis enzim industri yang digunakan secara meluas termasuk Accellerase-1500 dan GC-220 dari syarikat DuPont. Manakala Celluclast 1.5 L dan Cellic CTec dihasilkan dari syarikat Novozymes dengan kerjasama Sigma-Aldrich/Merck yang membantu meluaskan lagi jaringan pemasaran produk.

Penghasilan asid suksinik dari biojisim sawit melibatkan proses pra-rawatan diikuti dengan hidrolisis karbohidrat kepada gula ringkas dan seterusnya fermentasi untuk menukarkan gula kepada asid suksinik (Gambar 4). Pra-rawatan beralkali menggunakan sodium, kalsium dan amonium hidroksida biasanya digunakan untuk menyingkirkan lignin serta mengolah struktur utuh matriks selulosa-hemiselulosa (iaitu karbohidrat kompleks) bagi memudahkan kebolehcapaian enzim kepada substrat yang disasarkan.

Tiga kumpulan enzim yang memainkan peranan utama dalam penukaran selulosa kepada gula ringkas termasuk: (i) endo-1,4-β-glukanase; (ii) ekso-1,4-β-glukanase dan (iii) β-glukosidase. Tiga kumpulan enzim di atas bertindak secara sinergistik untuk membebaskan selobiosa dan selodekstrin dari struktur selulosa yang kemudiannya ditukar kepada gula monomer. Seterusnya, gula tersebut digunakan dalam fermentasi bagi menghasilkan asid suksinik.

Bakteria penghasil asid suksinik

Bakteria jenis rumen dikenal pasti sebagai bakteria penghasil asid suksinik terbaik disebabkan potensinya dalam menyerap karbon dioksida. Gambar 5 menunjukkan tapak jalan metabolik bakteria rumen untuk menghasilkan asid suksinik dari gula.

Sama seperti manusia, gula merupakan sumber tenaga bagi bakteria. Gula yang digunakan oleh bakteria ditukarkan kepada fosfoenolpiruvat (PEP) melalui proses glikolisis. PEP kemudiannya ditukarkan menjadi piruvat dengan pembentukan asid asetik, asid formik dan etanol sebagai produk akhir (laluan C3) atau oksaloasetat yang diikuti oleh pembentukan asid suksinik sebagai produk terminal (laluan C4). Karbon dioksida diperlukan untuk mengalihkan PEP dari laluan C3 ke laluan C4 dengan nisbah molar produk sampingan kepada asid suksinik sebanyak kira-kira 1.0 berdasarkan keseimbangan redoks. Justeru, pembekalan karbon dioksida membawa kepada peningkatan aktiviti sel dan penghasilan asid suksinik sebagai produk terakhir.

Maka jelaslah di sini bahawa biojisim sawit berpotensi dimanfaatkan sebaiknya dengan menukarkannya kepada larutan gula dan seterusnya kepada penghasilan asid suksinik melalui pendekatan fermentasi.

Kesimpulan

Penghasilan asid suksinik dari biojisim sawit mampu memberikan keuntungan kepada negara dan menambah peluang pekerjaan, sekaligus dapat menambahbaik sistem pengurusan sisa pepejal dengan lebih berkesan. Proses biokimia yang mampu mengurangkan jejak karbon adalah wajar untuk diaplikasikan dalam penghasilan produk tambah nilai seperti asid suksinik.

Rujukan

Bukhari, N.A et al. (2019). Response surface optimisation of enzymatically hydrolysed and dilute acid pretreated oil palm trunk bagasse for succinic acid production. BioRes. 14(1): 1679-1693

Chong, P.S et al. (2013). Enhancement of batch biohydrogen production from prehydrolysate of acid treated oil palm empty fruit bunch. Int. J. Hydrogen Energ. 38(22): 9592-9599

Iberahim, N.I et al. (2013). Sodium hydroxide pretreatment and enzymatic hydrolysis of oil palm mesocarp fiber. Int. J. Chem. Eng. Appl. 4(3): 101

Luthfi, A.A.I et al. (2016). Biorefinery approach towards greener succinic acid production from oil palm frond bagasse. Process Biochem. 51(10): 1527-1537

Luthfi, A.A.I et al. (2017). Biotechnological route for sustainable succinate production utilizing oil palm frond and kenaf as potential carbon sources. Appl. Microbiol. Biotechnol. 101(8): 3055-3075

McKinlay, J.B et al. (2010). A genomic perspective on the potential of Actinobacillus succinogenes for industrial succinate production. BMC Genomics 11(1): 680

Okoroigwe, E.C et al. (2014). Characterization of palm kernel shell for materials reinforcement and water treatment. J. Chem. Eng. Mater. Sci. 5(1): 1-6

Kredit Foto : KYTan