Keberlanjutan
Fotosintesis Buatan dan Biodegradasi: Memerangi Ancaman Plastik dengan Fokus pada Keberlanjutan
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Emisi CO2 dan keberadaan plastik yang tidak dapat terurai secara hayati di Bumi keduanya merupakan bahaya yang menyebabkan kerusakan tak dapat dipulihkan. Secara signifikan, karbon dioksida, sebagai gas penjebak panas, menghangatkan planet dan pada akhirnya menghasilkan perubahan iklim.
Efek pemanasan ini ditekankan oleh perkiraan NASA, yang menunjukkan bahwa aktivitas manusia telah meningkatkan kandungan karbon dioksida atmosfer sebesar 50% dalam kurang dari 200 tahun. Memburuknya situasi lebih lanjut disebabkan oleh plastik yang tidak dapat terurai secara hayati yang berasal dari bahan seperti styrofoam, kantong plastik sekali pakai, dan botol air plastik, yang menjadi ancaman serius lainnya karena mencemari air tanah, rantai makanan, dan mencemari udara.
Untuk mengatasi tantangan yang saling terkait ini, peneliti dari Osaka Metropolitan University kini telah merancang terobosan yang menangani kedua tantangan tersebut melalui satu jalur. Mereka menemukan cara inovatif dan efisien untuk memproduksi asam fumarat yang akan menurunkan tingkat emisi karbon dioksida sekaligus memanfaatkan limbah untuk membuat plastik yang dapat terurai secara hayati. Mari kita selami lebih dalam apa arti inovasi ini dan bagaimana cara kerjanya.
Produksi Berkelanjutan Asam Fumarat
Asam fumarat adalah komponen plastik yang dapat terurai secara hayati. Secara tradisional, asam ini berasal dari minyak bumi, karbon dioksida, dan senyawa yang dihasilkan dari biomassa. Sekarang, para peneliti telah menemukan solusi di mana asam fumarat dapat diproduksi secara berkelanjutan dan efisien. Ada dua studi yang mengarah pada tujuan yang sama.
Dalam studi pertama, tim riset yang dipimpin oleh Profesor Yutaka Amao dari Research Center for Artificial Photosynthesis di Osaka Metropolitan University (OMU) menunjukkan cara mensintesis asam fumarat dari bikarbonat dan asam piruvat yang berasal dari biomassa. Energi yang digunakan dalam proses tersebut adalah energi surya terbarukan.
Para ilmuwan juga berhasil memproduksi asam fumarat dengan karbon dioksida yang berperan sebagai bahan baku proses, langsung dari fase gas. Namun, percobaan tersebut memiliki satu keterbatasan. Mereka tidak dapat menghasilkan volume asam fumarat yang substansial. Produksi tetap rendah.
Namun, dalam penelitian berikutnya, para ilmuwan mengatasi tantangan tersebut. Mereka mengembangkan fotosensitizer baru dan membuat kemajuan dalam fotosintesis buatan yang dapat menggandakan hasil asam fumarat dibandingkan metode tradisional.
Para ilmuwan mengembangkan cara efektif untuk memproduksi fumarat yang digerakkan oleh cahaya tampak dari CO2 gas dan piruvat dengan sistem yang terdiri dari triethanolamine, porfirin seng kationik larut air, zinc tetrakis(4-N, N, N-trimethyl aminophenyl)porphyrin, kompleks rhodium(III) pentamethylcyclopentadienyl terkoordinasi 2,2′-bipyridyl, NAD+, malat dehidrogenase (NAD+-dependent oxaloacetate-decarboxylating) dan fumarase.
Penelitian yang berjudul “An effective visible-light-driven fumarate production from gaseous CO2 and pyruvate by the cationic zinc porphyrin-based photocatalytic system with dual biocatalysts,” didukung oleh Institute of Fermentation, Osaka.
Secara keseluruhan, penelitian ini secara empiris membuktikan bahwa memungkinkan untuk membuat katalis fotosintesis buatan tingkat lanjut yang dapat menggunakan karbon dioksida lebih efisien dalam memproduksi plastik yang dapat terurai secara hayati.
Namun, jika kita berpikir lebih jauh dan mencoba menilai mengapa fotosintesis buatan dan kontribusinya dalam memproduksi plastik yang dapat terurai secara hayati secara berkelanjutan dianggap sebagai terobosan, kita akan melihat bahwa plastik telah menjadi ancaman, dan setiap upaya untuk memproduksinya secara berkelanjutan dan dapat terurai harus dihargai dan didorong.
Salah satu kerusakan terkait plastik yang paling parah di planet Bumi disebabkan oleh mikroplastik. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Amerika Serikat mendefinisikan mikroplastik sebagai potongan plastik kecil yang panjangnya kurang dari lima milimeter dan menyebabkan bahaya bagi kesehatan kita, laut, dan kehidupan akuatik. Kategori ini juga mencakup plastik yang sengaja dirancang berukuran kecil. Disebut mikrobeads, ini digunakan dalam banyak produk kesehatan dan kecantikan. Mikroplastik ini membawa beberapa implikasi berbahaya.
Mikroplastik masuk ke dalam tubuh kita melalui berbagai jalur, termasuk air yang kita minum, makanan yang kita konsumsi, dan wadah makanan yang kita gunakan, semuanya merupakan jalur masuk mikroplastik secara oral. Selain itu, kita menghirup mikroplastik melalui udara, dan produk perawatan pribadi serta casing ponsel kami, yang mengandung mikroplastik, menciptakan celah bagi mereka untuk bersentuhan dengan kita.
Setelah berada di dalam tubuh manusia, mikroplastik ini dapat menyebabkan berbagai masalah kesehatan. Mereka diketahui menyebabkan stres oksidatif dan kerusakan DNA, memicu gangguan metabolik, serta menyebabkan disfungsi pada organ vital seperti hati, usus, otak, dan saluran pernapasan. Lebih jauh lagi, toksisitas mikroplastik dapat merusak kemampuan reproduksi dan perkembangan kita, menggambarkan betapa seriusnya dampaknya terhadap kesehatan manusia.
Masalah mikroplastik tidak hanya terbatas pada kesehatan manusia, karena partikel-partikel ini juga merusak kehidupan laut. Mereka memberikan efek toksik pada ikan dan organisme akuatik lainnya, menghambat pertumbuhan dan perkembangan, meningkatkan tingkat kematian, menyebabkan peradangan, menurunkan kecepatan berenang, mengurangi vitalitas dan panjang tubuh, serta menyebabkan cedera pada usus. Bukti ini menegaskan kebutuhan mendesak untuk menangani dan menghentikan pencemaran lingkungan kita dengan mikroplastik.
Sehubungan dengan hal ini, survei penyelaman bawah air terbaru menyoroti kebutuhan mendesak akan solusi pengumpulan limbah inovatif. Misalnya, survei terobosan yang dilakukan oleh peneliti dari Desert Research Institute di dasar Danau Tahoe mengungkapkan rata-rata mengkhawatirkan sebanyak 83 potongan sampah plastik per kilometer, tanpa satu pun segmen dasar danau yang bebas dari sampah plastik. Barang umum yang diidentifikasi meliputi wadah makanan, botol, kantong plastik, dan mainan, dengan enam jenis plastik paling umum yaitu polivinil klorida (PVC), polistirena, poliester/pet (polyethylene terephthalate), polietilena, polipropilena, dan poliamida.
Meskipun ada beberapa penyedia solusi yang menawarkan alternatif yang layak untuk membersihkan plastik di bawah air, peneliti juga tertarik menilai potensi sebuah ‘metrik keberlanjutan’ untuk mengurangi polusi plastik. Peneliti dari Woods Hole Oceanographic Institution mengembangkan metrik keberlanjutan untuk desain ekologi produk plastik yang memiliki ketahanan rendah di lingkungan. Peneliti percaya bahwa metrik ini dapat memberikan manfaat lingkungan dan sosial.
Studi tersebut menunjukkan cara inovatif dan kreatif untuk mengatasi ancaman polusi plastik. Pendekatan ini dapat dilihat agak mirip dengan latihan akuntansi dampak sosial yang kita kenal. Ia membandingkan indeks untuk dampak lingkungan plastik serta penggantinya yang menunjukkan bahwa memperhitungkan ketahanan lingkungan plastik dan menggantinya secara efisien dapat berarti keuntungan ratusan juta dolar untuk satu produk konsumen.
Saat menjelaskan pentingnya studi tersebut, penulis utama, Bryan James, seorang ilmuwan material dan insinyur, berkata:
“Yang penting untuk ditentukan adalah bagaimana kita dapat merancang material, produk, dan proses yang fungsional, berkelanjutan, dan tidak berbahaya, yang menggabungkan semua prinsip rekayasa material hijau ke dalam dunia masa depan yang akan kita tinggali.”
Secara keseluruhan, membuat plastik yang cukup dapat terurai secara hayati dan mengidentifikasi alternatif yang cocok untuknya telah membuat komunitas ilmiah dan teknologi tetap sibuk. Ada banyak bisnis, besar maupun kecil, yang aktif bekerja di bidang ini.
#1. Mitsubishi Chemical Group
Mitsubishi Chemical Group telah menjadi peserta aktif di bidang ini selama cukup lama. Sebagai anggota Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), yang didirikan pada Oktober 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) berpartisipasi dalam proyek Fotosintesis Buatan yang dilaksanakan oleh New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Sejak itu, Mitsubishi terus mendorong batas untuk mencapai efisiensi dan optimasi proses yang lebih tinggi.
Penelitian awal kami berfokus pada produksi berkelanjutan asam fumarat sebagai pembuka diskusi. Namun, upaya Mitsubishi Chemical Group diarahkan pada produksi Olefin.
Dalam proses ini, katalis sintetis memainkan peran penting dengan memungkinkan reaksi antara hidrogen terpisah dan karbon dioksida. Inovasi Mitsubishi dalam mengembangkan katalis yang cocok dan menyempurnakan teknologi proses yang diperlukan telah secara signifikan meningkatkan hasil, menjadikan produksi Olefin lebih efisien.
Akibatnya, Olefin telah menjadi bahan baku yang diproduksi secara efektif untuk menciptakan plastik, menunjukkan kontribusi Mitsubishi dalam memajukan praktik manufaktur berkelanjutan di industri kimia.
Proyek Inovasi Hijau, yang dijalankan oleh NEDO, memilih pengembangan komersial Mitsubishi dalam produksi bahan kimia mentah berbasis fotosintesis buatan untuk pendanaan pada Februari 2022.
Pada tahap pengembangan selanjutnya, proses ini akan mengubah bahan baku dari minyak bumi dan membantu mengembangkan teknologi produksi plastik dengan memanfaatkan karbon dioksida melalui pemanfaatan teknologi manufaktur petrokimia, teknologi pengembangan katalis, dan teknologi lain yang telah dikembangkan sambil berkolaborasi dengan universitas dan lembaga riset.
Mitsubishi Corporation menerbitkan laporan terintegrasi untuk tahun fiskal yang berakhir pada 31 Maret 2023. Perusahaan memperoleh lebih dari US$159 miliar.
#2. Evonik and Siemens
Dalam apa yang disebut fotosintesis teknis, dua perusahaan, Evonik dan Siemens, menggunakan energi terbarukan dan bakteri untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan kimia khusus. Kedua perusahaan melaksanakan tugas ini dalam proyek riset bersama yang disebut Rheticus. Fase pertama riset menghasilkan bahan kimia seperti butanol dan heksanol, yang keduanya merupakan bahan baku untuk plastik khusus dan suplemen makanan.
Menurut Dr. Thomas Haas, yang bertanggung jawab atas proyek di departemen riset strategis Evonik, Creavis:
“Dengan platform Rheticus, kami ingin menunjukkan bahwa fotosintesis buatan dapat diwujudkan.”
Untuk mewujudkan klaim ini, Evonik dan Siemens berkontribusi sesuai kompetensi inti mereka. Misalnya, Siemens memperkuat proses dengan teknologi elektrolisis, yang akan digunakan pada langkah pertama untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi hidrogen serta karbon monoksida menggunakan listrik.
Kontribusi Evonik ditujukan untuk memperkuat proses fermentasi, di mana gas yang mengandung Karbon Monoksida akan diubah menjadi produk berguna melalui proses metabolik yang difasilitasi oleh mikroorganisme khusus.
Saat menjelaskan potensinya untuk membantu industri plastik dan bahan kimia khusus, Dr. Haas berkata:
“Sifat modular dan fleksibilitasnya dalam hal lokasi, sumber bahan baku, dan produk yang diproduksi membuat platform baru ini menarik khususnya bagi industri bahan kimia khusus. Kami yakin perusahaan lain akan menggunakan platform ini dan mengintegrasikannya dengan modul mereka sendiri untuk memproduksi produk kimia mereka.”
Menurut laporan keuangan tahunan terbaru yang tersedia, Grup Evonik mencatat penjualan hampir 18,5 miliar Euro pada tahun 2022. Dari pendapatan ini, aditif khusus dan nutrisi & perawatan masing‑masing menyumbang 23%. Pendapatan dari material pintar menyumbang 26% dari total pendapatan, sementara material performa menyumbang 20%, dan produk serta layanan teknologi dan infrastruktur menyumbang 8%.
Dalam tahun fiskal 2023, Siemens mencatat pendapatan tahunan mendekati 22 miliar Euro, peningkatan signifikan dibandingkan 19,5 miliar Euro yang tercatat pada FY 2022.
Plastik dan Perjalanan Kami Menuju Keberlanjutan
Melalui upaya kolektif, kita perlu memastikan bahwa kita mengambil langkah yang tepat menuju masa depan yang dipenuhi dengan bioplastik, yang merupakan plastik yang dapat terurai secara hayati atau bahan berbasis bio itu sendiri, yang memperoleh energi dari sumber terbarukan. Bioplastik ini, dalam hal ketahanan dan kegunaannya, tidak kalah dari plastik konvensional. Mereka dapat diproses melalui mesin plastik konvensional dan disimpan di gudang tradisional, secara efektif menghilangkan kebutuhan akan redundansi sumber daya.
Kegagalan menemukan alternatif yang layak untuk mengatasi ancaman limbah plastik akan berakibat pada bahaya serius bagi banyak negara di seluruh dunia. Asia Tenggara, misalnya, telah menjadi ‘titik panas’ polusi plastik, situasi yang diperparah oleh urbanisasi cepat dan kelas menengah yang berkembang. Ditambah lagi dengan kurangnya infrastruktur yang efisien, hal ini menghasilkan efisiensi daur ulang plastik yang rendah.
Masalah pengelolaan limbah ini semakin parah selama masa COVID karena konsumsi masker, botol sanitizer, dan kemasan pengiriman daring. Menurut data yang disajikan oleh World Bank, di negara‑negara seperti Thailand, Filipina, dan Malaysia, lebih dari 75% nilai material plastik daur ulang hilang — setara dengan $6 miliar per tahun ketika plastik sekali pakai dibuang alih-alih dipulihkan dan didaur ulang.
Dengan adanya pengelolaan limbah yang buruk dan infrastruktur yang tidak memadai, bioplastik muncul sebagai alternatif paling efektif yang tidak bergantung pada kegagalan tersebut. Lebih jauh lagi, bioplastik mendukung upaya keberlanjutan kita karena mereka lebih sedikit bergantung pada bahan bakar fosil konvensional. Menggunakan plastik yang dapat terurai secara hayati juga berarti skenario akhir hidup yang lebih baik untuk pembuangan dan daur ulang.
Namun, pangsa bioplastik masih jauh lebih kecil daripada yang seharusnya agar masa depan kita sepenuhnya bergantung pada cara berkelanjutan. Menurut satu perkiraan, dari 367 juta ton plastik yang diproduksi secara global setiap tahun, pangsa bioplastik masih kurang dari satu persen. Namun, diperkirakan akan mengalami pertumbuhan signifikan dalam beberapa tahun mendatang di berbagai bidang aplikasi, termasuk kemasan, barang konsumen, bangunan dan konstruksi, otomotif dan transportasi, tekstil, pertanian dan hortikultura, listrik dan elektronik, pelapis dan perekat, serta lainnya.
Teknologi mutakhir yang didukung riset, seperti fotosintesis buatan dan produksi berkelanjutan komponen plastik yang didukung oleh sumber energi terbarukan, akan memberikan dampak signifikan pada cara menangani plastik. Proses‑proses ini tidak hanya berarti plastik yang lebih ramah lingkungan tetapi juga ekosistem produksi yang berkelanjutan dan hampir bebas emisi.
