[:id]Penulis : Rifqi Hakim Dewanto (Rekayasa Hayati 2016)

Program Studi Rekayasa Hayati terus berupaya untuk memberikan wawasan terhadap mahasiswanya khususnya mengenai topik-topik yang berkaitan dengan Bioindustri. Pada semester ini, upaya tersebut telah dilaksanakan melalui Kuliah Tamu Mata kuliah Kapita Selekta Bioindustri (BE4106) pada 21 Agustus 2018 lalu bertempat di Ruang Seminar, Gedung Labtek 1A, Kampus ITB Jatinangor. Pada kuliah tamu yang bertema “Drop-In Chemicals from Biomass” ini, program studi mengundang pembicara yaitu Prof. dr. Ir. H. J. (Erik) Heeres yang merupakan Professor di Faculty of Science and Engineering, Universitas Groningen, Belanda. Hadir pula pembicara dari salah satu alumni Rekayasa Hayati yaitu Dita Grinanda S.T. yang membagikan pengalaman riset magisternya di Department of Bioengineering, Graduate School of Life Science and Technology, Tokyo Institute of Technology, Jepang. Pada kesempatan ini, Dosen Pengampu Mata Kuliah Kapita Selekta Bioindustri, Dr. M. Yusuf Abduh (Ketua Program Studi Rekayasa Hayati) dan Novi Tri Astutiningsih, S.Si., M.Sc turut mengundang dosen-dosen Rekayasa Hayati lainnya diantaranya Dr. Robert Manurung sebagai Moderator, Dr. Erly Marwani, Prof. Sri Nanan B. Widiyanto, Neil Priharto, S.Si., M.T., Khairul Hadi Burhan, ST., MT., dan Annisa Ratna Nurillah, S.T., M.Sc.

Sekilas tentang Metabolic engineering

Seminar drop-in chemicals dibuka oleh Dita Grinanda S.T. Dita menyatakan bahwa Rekayasa Hayati adalah sebuah program studi yang sangat luas, melingkupi berbagai organisme, seperti tumbuhan dan mikroorganisme. Penerapan dari studi yang luas ini Dita rasakan pada saat melaksanakan tugas akhir ketika menyelesaikan gelar sarjananya, Ia mengerjakan proyek mengenai produksi biobutanol dari molase tebu, memanfaatkan mikroorganisme sebagai agen fermentasi. Pada program magisternya di Hirasawa Laboratory, Dita melakukan penelitian mengenai rekayasa metabolisme, yakni sebuah teknologi yang ditujukan untuk memanfaatkan sel-sel mikroba sebagai produsen senyawa yang berguna. Bidang studi ini menginvestigasi lebih jauh tentang peristiwa yang terjadi pada proses metabolisme mikroba pada level sel dan sub sel. Dengan pengetahuan yang dihasilkan dari investigasi ini, dapat diketahui dampak yang terjadi apabila suatu mikroba diberi perlakuan tertentu, sehingga pada akhirnya dapat dihasilkan produksi yang lebih baik.

Terdapat 3 ruang lingkup yang saling berhubungan pada rekayasa metabolisme, yakni penentuan mekanisme, optimasi mekanisme, dan pengendalian pertumbuhan serta metabolisme. Penentuan mekanisme yang dimaksud adalah pengidentifikasian jalur metabolisme senyawa tertentu yang dilakukan oleh suatu mikroba sebagai contoh yaitu penentuan mekanisme fermentasi untuk produksi asam glutamate oleh Corynobactorium glutamicum, yang menjadi salah satu topik riset di laboratorium Dita. Setelah penentuan mekanisme, lingkup selanjutnya adalah optimasi mekanisme tersebut. Beberapa senyawa tentu memiliki nilai jual yang lebih tinggi karena fungsi dan atau jumlahnya yang terbatas.

Berangkat dari hal ini, rekayasa metabolisme berusaha meningkatkan produksi senyawa tertentu pada proses yang dilakukan oleh mikroba, dengan memberikan berbagai perlakuan, agar metabolisme yang terjadi dapat diarahkan ke senyawa yang diinginkan. Setelah mengoptimasi mekanisme, ruang lingkup selanjutnya akan lebih jauh lagi meningkatkan hasil produksi senyawa tertentu, yaitu dengan mengendalikan pertumbuhan dan metabolisme dari suatu mikroba. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membuat organisme yang terekayasa secara genetis, misalnya dengan menghapus atau menambah gen tertentu, sehingga pertumbuhannya sesuai dan dapat memproduksi senyawa yang diinginkan.

Drop in Chemicals from Biomass

Sesi utama pada acara ini diisi oleh Prof. dr. Ir. H. J. (Erik) Heeres. Di ENTEG (Engineering and Technology Institute Groningen), beliau merupakan Ketua kelompok riset Green Chemical Reaction Engineering yang fokus pada pengembangan teknologi katalatik dengan katalis metal atau asam yang efektif untuk mengonversi biomassa.

Presentasi dibuka dengan penjelasan mengenai bidang studi beliau yaitu pengembangan produk baru dengan teknik katalitik yang lebih efisien. Fokus beliau pada konversi biomassa disebabkan oleh properti biomassa yang unik, dapat berupa limbah yang dipandang sebagai masalah, namun memiliki potensi yang tinggi dan ramah lingkungan jika dikonversi dengan metoda tertentu. Konversi biomassa tersebut merupakan bentuk valorisasi, peningkatan nilai dengan mengubah biomassa menjadi produk tertentu. Profesor Erik menjelaskan bahwa valorisasi perlu dilakukan mengingat menipisnya sumber energi berbahan dasar fosil dan terus meningkatnya gas rumah kaca diatmosfir, yang berujung pada terjadinya perubahan iklim. Selain itu, dengan valorisasi, ekonomi yang berbasis hayati (Biobased Economy) akan lebih mudah dilakukan sehingga masyarakat tak lagi selalu bergantung pada energi dan material mentah yang berbahan dasar fosil.

Tidak dapat dipungkiri, industri berbahan dasar fosil merupakan industri yang sudah sangat maju dan terintegrasi dalam berbagai aspek di kehidupan masyrakat. Maka dari itu, untuk mengembangkan industri yang dapat menggantikan industri masif ini kita perlu bercermin dan belajar dari apa yang sudah ada. Salah satu hal yang dapat dipelajari dan diterapkan di valorisasi biomassa adalah konsep kilang minyak, yang hampir dari seluruh produk sampingan hasil pengolahan minyak dari bahan mentah hingga bahan dengan titik didih paling tinggi dapat dimanfaatkan menjadi bahan baku untuk produk turunan lainnya. Dengan menerapkan konsep ini, Professor Erik melakukan hal yang serupa untuk valorisasi biomassa, sehingga tidak ada biomassa yang berakhir sebagai limbah.

Konsep biorefinery yang dilakukan oleh Professor Erik adalah dengan memanfaatkan biomassa menjadi bahan kimia yang dapat digunakan untuk produk turunan lainnya. Hal ini dipilih dari 3 kategori bahan kimia yang dapat dihasilkan dari konversi biomassa, yaitu sebagai bahan bakar dan energi, material dan bahan baku kimia, serta obat-obatan dan kosmetik. Secara nilai ekonomis, obat-obatan dan kosmetik memiliki nilai paling tinggi karena fungsi dan jumlah yang terbatas, kemudian dilanjutkan oleh material dan bahan kimia, lalu bahan bakar dan energi. Tidak akan cukup biomassa jika harus memenuhi seluruh kebutuhan dari tiga kategori ini, maka dari itu Professor Erik memutuskan untuk fokus dalam mengonversi biomassa menjadi material dan bahan kimia lainnya.

Proses konversi ini memanfaatkan molecular breakdown, yaitu memecah biomassa menjadi senyawa-senyawa dengan berat molekuler yang lebih ringan. Terdapat dua jenis pendekatan untuk melakukan hal ini, yaitu Low T Platform, seperti fermentasi, hidrolisis, dan separasi fraksi, dam high T platform, seperti pembakaran, pirolisis, dan gasifikasi. Dengan kombinasi dari dua pendekatan ini, dapat dihasilkan senyawa-senyawa kimia yang baru. Beberapa senyawa kimia yang dihasilkan memang benar-benar baru dan unik (novel) sehingga hanya dapat dihasilkan dari proses konversi biomassa, namun banyak pula yang dapat dihasilkan dari proses refinery (pengilangan) minyak. Senyawa-senyawa ini sudah mempunyai pasar yang jelas serta produk turunan yang beragam pula. Produksi senyawa dari konversi biomassa tentulah sebuah alternatif yang lebih ramah lingkungan dan berpotensi untuk mengintersepsi produksi senyawa dari proses pengilangan minyak. Karena hal ini, senyawa yang dihasilkan diberi istilah drop-in chemicals. Selain sudah mempunya pasar yang jelas, drop-in chemicals mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan produksi novel chemicals yaitu sistem pemanfaatan yang sudah ajeg sehingga mudah dikonversi untuk menjadi bahan lainnya. Tiga senyawa yang termasuk drop-in chemicals benzena, toluena, dan xylene (BTX). BTX merupakan senyawa yang sangat banyak dimanfaatkan diberbagai bidang, misalnya dalam pembuatan plastik, karet, epoksi, nilon, dan detergen. Salah satu contoh konversi bioassay yang dapat menghasilkan BTX adalah pemanfaatan black liquor, atau limbah dari industri kertas yang berupa hemiselulosa dan lignin.

Profesor Erik menutup sesi pemaparan dengan menyampaikan prospek dari produksi BTX ini, dan apa saja yang dapat dilakukan di masa depan. Menurut Profesor Erik, produksi BTX sebagai bentuk valorisasi biomassa adalah sebuah proses yang intens sumber daya, misalnya menggunakan katalis, yang juga tidak murah. Maka dari itu, perlu dilakukan studi yang lebih lanjut dalam produksi ini, seperti meninjau penggunaan-penggunaan katalis yang berbeda dalam proses produksi (dengan metal misalnya) dan melihat stabilitas berbagai katalis. Selain itu, dapat pula dicari sumber bahan baku lain yang dapat dimanfaatkan, misalnya kombinasi plastik dan biomassa. Dapat pula diciptakan biopoiymer sebagai produk hasil konversi biomassa. Di masa depan, perlu juga dilakukan scaling up dari teknologi yang sudah dikembangkan untuk produksi BTX ini. Proses scaling-up bukanlah sebuah proses yang mudah dan singkat, perlu sekitar 10-15 tahun untuk menjalani proses produksi pilot hingga skala yang lebih besar. Hal-hal ini merupakan to-do list yang perlu menjadi prioritas dalam riset mengenai konversi biomassa.

[:en]

Bioengineering major keeps on trying to expand its students experiences and knowledges, especially regarding the topic of Bioindustry. This semester, one way of realizing that effort was in a guest lecture for Kapita Selekta Bioindustri (BE 4106) course, held at 21 August 2018, in Labtek 1A, ITB Jatinangor. Said guest lecture brought the topic of “Drop in chemicals from Biomass”, and was given by Prof. dr. Ir. H.J (Erik) Heeres, from Faculty of Science and Engineering Groningen University, Netherland. Aside from the main speaker, this guest lecture also invited another speaker, an alumnus of Bioengineering ITB, who shared her experience on continuing her study in magister research at Department of Bioengineering, Graduate School of Life Science and Technology, Tokyo Institute of Technology, Japan. Dr. M. Yusuf Abduh (Ketua Program Studi Rekayasa Hayati) and Novi Tri Astutiningsih, S.Si., M.Sc as the coordinating lecturer of this course, also invited other bioengineering lecturers to attend this guest lecture: Dr. Robert Manurung came as the moderator of this guest lecture, Dr. Erly Marwani, Prof. Sri Nanan B. Widiyanto, Neil Priharto, S.Si., M.T., Khairul Hadi Burhan, ST., MT., and Annisa Ratna Nurillah, S.T., M.Sc., also attend this event.

A brief of Metabolic Engineering

The guest lecture was started by Dita Grinanda S.T. Dita said that Bioengineering is a major that has a wide scope, including many organisms as its study focuses, such as plants and microorganisms. This wide application of study was felt by Dita when she did her undergraduate final project for her bachelor’s degree. Her final project was about biobuthanol production from sugarcane molasses, by applying a certain microorganism as the fermenting agent. During her magister program at Hirasawa Laboratory, she is involved in a research about metabolic engineering, a technology that creates high functioning microbes to produce useful chemicals. This field of study further investigates about phenomenon that happen inside microbe metabolism process at cellular and sub cellular level. This knowledge then leads to the discovery of ways that microbes reacts to a certain influence, therefore enhancing production processes that use microbes as one of its elements.

There are 3 corelative field of study in metabolic engineering, which are mechanisms determination, mechanisms optimization, and growth and metabolism control. Mechanism determination identifies the pathway needed to synthesize certain chemical substances by microbes; for example, one of Dita’s research is to determine fermentation mechanism of Corynobacterium glutamicum to produce glutamic acid. Following this, the next scope of study, mechanism optimization, searches for a way to increase the productivity of said chemical substance synthesize. As known, some chemical substances might have higher economical value than others due to its function and or limited availability. Therefore, metabolic engineering tries to optimize these chemical substances synthesize, by giving treatments to direct the metabolism processes. After these mechanisms are known, it is possible to even further optimize the productivity, by controlling the microbe growth and metabolism. This control comes by harnessing the gene of these microbes, for example, adding or deleting gene sequence that is prominent in controlling the microbe growth and desired chemical substance synthesize.

Drop in chemicals from biomass

The main session of this guest lecture was provided by Prof. dr. Ir. H. J. (Erik) Heeres. He is the head of research group Green Chemical Reaction Engineering in ENTEG (Engineering and Technology Institute Groningen), which focuses on the development of catalytic technology with acidic or metallic catalysts that is effective in biomass conversion.

This session was opened by a brief explanation of his field of study, which is new products discovery and development. His big interest in biomass conversion was due to the unique properties of biomass, first, it is considered as waste in many production processes, yet second, it has great potential to be converted to other products and is environmentally friendly. Biomass conversion is a form of valorization, which adds value to the wasted biomass by transforming it into a certain product. Professor Erik explained that this valorization is important to do since fossil-based energy is at the brink of scarcity and greenhouse gases concentration in the atmosphere is ever rising, changing our climate almost permanently. Therefore, it is needed to transform our economic system that once completely dependent on fossil-based energy into a more biologically based one by biomass valorization, as one of its step.

It is obvious that fossil based-industry has run deep and integrated to many aspects of our lives, as stated by Professor Erik. Consequently, it is important to take notes of this massive industry if transformation to bio-based economy is desired. One of the greatest concept in fossil-based energy production lies in its oil refinery process, which almost of its byproducts when processing crude oil from the lowest boiling point to the highest one can be used for other derivative products. Professor Erik took this concept as an idea to his biomass valorization, so that no biomass that ends up as waste.

This biorefinery concept that Professor Erik applies to his research enables him to discover chemical substance that can be produced from biomass, so that it can be used for other material production. Producing chemical substances for material production was chosen out of three possibilities of biomass conversion: fuel and energy, chemical substances for material production, and pharmaceutical and cosmetics products. The latter has the most economical value, yet it is very limited in production. On the other hand, converting biomass into fuel and energy give abundant result, but has lower economic value. Chemical substances as material production serves as the middle ground, hence the choice that Professor Erik made to focus on this aspect.

The conversion of biomass uses molecular breakdown, a process that enables the biomass degraded to lower molecular weight compounds. There are two approaches to do this, firstly, using a low temperature platform, such as fermentation, hydrolysis, fraction separation, and secondly, high temperature platform, such as burning, pyrolysis, and gasification. Combining these two approaches will result in useful chemical substances. Some of these chemical substances are novel prior to the biomass conversion method, but some others are also can be produced by oil refinery process. This production method can be a ‘greener’ alternative compared to production from oil refinery process, and thus intercepting the production from oil refinery. Due to this ability, chemical substances produced by this method is named as “drop in chemicals”.  These previously produced chemicals obviously have more developed market and are much easier to convert into other derivatives products since many industries use them. The main three examples for these drop-in chemicals are benzene, toluene, and xylene (BTX). BTX are very important in producing plastic, rubber, epoxy, nylon, and even detergent. One of bioassay conversion that can produce BTX is the conversion of black liquor, a waste from paper industry that majorly comprised of hemicellulose and lignin.

Professor Erik closed his session by giving the prospect of BTX production and what other things that need to be done in the near future. According to him, BTX production is a resource intense production, meaning it needs a lot of expensive materials, such as catalysts. Therefore, study regarding product optimization such as discovering new catalysts, catalyst stability, and other sources of biomass needs to be conducted. It is also possible to create biopolymer as other alternative products for biomass conversion. In the future, scaling up these conversions are also desired. Scaling up is not something that can be done overnight, it takes 10 to even 15 years to scale up a pilot production to massive factory production. These things are some to-do-list set on urgent scale for biomass conversion research.

[:]