Produksi amonia hijau kini tengah menjadi tren dalam upaya mengurangi emisi gas karbon. Amonia merupakan senyawa kimia penting yang banyak digunakan dalam industri pupuk, baja, tekstil, dan farmasi. Selain itu, amonia telah menarik perhatian sebagai potensi bahan bakar alternatif. Namun, metode produksi amonia saat ini, seperti proses Haber-Bosch, memiliki dampak lingkungan yang signifikan.
Beberapa artikel ilmiah menilai proses Haber-Bosch cukup unefisien karena konsumsi energi yang tinggi dan emisi karbon dioksida yang besar. Oleh karena itu, pendekatan biologis menggunakan bakteri dan ragi untuk produksi amonia telah menjadi fokus penelitian dalam upaya mencapai masyarakat yang berkelanjutan.
Proses Haber-Bosch dan Tantangannya
Proses Haber-Bosch, yang dikembangkan pada awal abad ke-20, memungkinkan fiksasi nitrogen secara industri untuk menghasilkan amonia dengan mereaksikan nitrogen (N₂) dari udara dengan hidrogen (H₂) di bawah tekanan tinggi (sekitar 150-300 atm) dan suhu tinggi (400–500°C), menggunakan katalis besi (Humphreys et al., 2021). Reaksi utamanya adalah sebagai berikut:
N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇌ 2NH₃ (g)
Meskipun proses ini telah mendukung pertanian global dengan menyediakan pupuk nitrogen, metode ini sangat bergantung pada bahan bakar fosil untuk menghasilkan hidrogen, yang menyebabkan emisi gas rumah kaca yang signifikan.
Diperkirakan bahwa proses ini menyumbang antara 1 hingga 2 persen dari konsumsi energi dunia. Selain itu, limpasan pupuk yang tidak terserap oleh tanaman dapat mencemari lingkungan dan menyebabkan eutrofikasi perairan, merusak ekosistem akuatik dan kualitas air.
Pendekatan Biologis dalam Produksi Amonia
Pendekatan biologis menawarkan alternatif yang lebih ramah lingkungan untuk produksi amonia hijau. Beberapa mikroorganisme, seperti bakteri diazotrof, memiliki kemampuan alami untuk memfiksasi nitrogen dari atmosfer menjadi amonia melalui enzim nitrogenase.
Namun, kemampuan ini terbatas pada beberapa spesies bakteri tertentu. Oleh karena itu, rekayasa genetika telah diterapkan untuk mentransfer gen yang mengkode nitrogenase ke mikroorganisme lain, seperti Escherichia coli, untuk memungkinkan mereka memproduksi amonia.
Lebih lanjut, mikroorganisme memiliki kemampuan luar biasa untuk mendegradasi dan mensintesis berbagai senyawa, baik alami maupun buatan manusia, dengan bantuan pendekatan rekayasa seperti evolusi terarah dan pengeditan genom.
Berdasarkan berbagai penelitian sebelumnya, bahkan senyawa farmasi yang tidak dapat dicerna oleh tubuh manusia pun dapat dipecah oleh mikroorganisme di lingkungan. Kemampuan ini membuka peluang besar dalam sintesis berbagai senyawa termasuk amonia, dengan memanfaatkan lintasan metabolisme yang direkayasa secara presisi (Bornscheuer et al., 2012).
Rekayasa Metabolik pada Bakteri
Rekayasa metabolik pada bakteri bertujuan untuk meningkatkan produksi amonia hijau dengan memodifikasi jalur metabolisme mereka. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa dengan mengekspresikan nitrogenase secara heterolog di E. coli, bakteri ini dapat memproduksi amonia dari nitrogen atmosfer. Selain itu, modifikasi jalur metabolisme dapat meningkatkan efisiensi produksi amonia hijau dari asam amino yang terdapat dalam limbah makanan.
Beberapa metode telah dikembangkan untuk menghasilkan amonia dari limbah makanan dan biomassa lainnya menggunakan E. coli dan Bacillus yang direkayasa. Sebagai contoh, Bacillus subtilis digunakan untuk menghidrolisis biomassa protein melalui protease alaminya dan secara efisien menghasilkan asam amino.
Amonia dan alkohol kemudian diproduksi secara tinggi dari asam amino menggunakan pendekatan rekayasa metabolik. Dengan mengeliminasi gen pengatur codY dan bkdB, serta mengekspresikan gen decarboxylase, seperti leuDH, produksi amonia meningkat hingga 46,6% dari hasil teoritis (Zou et al., 2021).
Upaya serupa dilakukan pada E. coli dengan menonaktifkan gen glutamine synthetase (glnA), serta mengekspresikan gen kivD untuk mendorong produksi amonia hijau dari media yang mengandung asam amino, dengan hasil mendekati 47,8% dari hasil teoritis. Penelitian lanjutan mengevaluasi produksi amonia dari berbagai jenis limbah makanan, dan ditemukan bahwa kehadiran glukosa menghambat produksi amonia.
Dengan menonaktifkan gen transporter glukosa (ptsG), produksi amonia hijau dari medium yang mengandung gula dan asam amino meningkat hingga 73%, dan dari limbah kedelai yang telah dipretreatment, dihasilkan konsentrasi amonia sekitar 35 mM dengan efisiensi konversi sekitar 47% (Kato et al., 2022).
Pemanfaatan Ragi melalui Rekayasa Permukaan Sel
Selain bakteri, ragi seperti Saccharomyces cerevisiae juga telah dimodifikasi untuk produksi amonia. Melalui rekayasa permukaan sel, enzim yang terlibat dalam produksi amonia hijau dapat ditampilkan pada permukaan sel ragi, memungkinkan konversi substrat seperti limbah makanan menjadi amonia.
Metode ini memiliki keuntungan karena enzim yang ditampilkan pada permukaan sel cenderung lebih stabil dan dapat digunakan berulang kali, sehingga meningkatkan efisiensi proses.
Pemanfaatan Limbah Makanan untuk Produksi Amonia Hijau
Limbah makanan merupakan sumber nitrogen yang potensial untuk produksi amonia. Dengan menggunakan mikroorganisme yang telah direkayasa, asam amino dalam limbah makanan dapat dikonversi menjadi amonia.
Sebagai contoh, residu kedelai (okara) telah digunakan sebagai substrat untuk produksi amonia menggunakan ragi yang telah dimodifikasi. Pendekatan ini tidak hanya mengurangi limbah makanan tetapi juga menghasilkan amonia dengan cara yang lebih berkelanjutan.
Pengalaman perusahaan kami dalam memfermentasi limbah makanan menjadi pakan ikan tinggi protein ramah lingkungan menunjukkan peluang besar dalam produksi amonia secara biologis. Dalam proses fermentasi, kami menggunakan konsorsium mikroba untuk mengurai bahan organik menjadi komponen yang berguna, seperti asam amino dan amonia.
Meskipun fokus utama kami adalah produksi pakan ikan murah tinggi protein, kami mulai mengidentifikasi bahwa amonia juga dihasilkan sebagai produk turunan. Hal ini membuka kemungkinan untuk memanfaatkan amonia tersebut sebagai bahan baku atau produk tambahan yang bernilai ekonomi.
Keberadaan amonia sebagai hasil fermentasi tidak hanya relevan dalam konteks pengelolaan limbah dan ekonomi sirkular, tetapi juga memperkuat gagasan bahwa teknologi lokal dapat memainkan peran penting dalam pembangunan berkelanjutan. Dengan pendekatan ini, tidak hanya limbah yang berkurang, tetapi juga tercipta nilai tambah dari sesuatu yang sebelumnya dianggap sebagai residu.
Tantangan dan Prospek Masa Depan
Meskipun pendekatan biologis dalam produksi amonia menjanjikan, masih ada beberapa tantangan yang perlu diatasi. Efisiensi produksi amonia oleh mikroorganisme masih perlu ditingkatkan agar dapat bersaing dengan metode konvensional. Selain itu, stabilitas dan aktivitas enzim nitrogenase dalam kondisi aerobik serta integrasi jalur metabolisme baru ke dalam mikroorganisme non-diazotrof memerlukan penelitian lebih lanjut.
Namun, dengan kemajuan dalam bioteknologi dan rekayasa genetika, diharapkan bahwa mikroorganisme yang telah dimodifikasi dapat digunakan secara efektif untuk produksi amonia hijau dalam skala industri. Pendekatan ini berpotensi mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil, menurunkan emisi karbon dioksida, dan memanfaatkan limbah organik secara efisien, sehingga berkontribusi pada pembangunan masyarakat yang lebih berkelanjutan.
Produksi amonia menggunakan bakteri dan ragi melalui rekayasa genetika menawarkan alternatif yang menjanjikan terhadap metode konvensional yang memiliki dampak lingkungan signifikan. Dengan memanfaatkan kemampuan mikroorganisme untuk memfiksasi nitrogen dan mengkonversi limbah makanan menjadi amonia, pendekatan ini dapat berkontribusi pada pengurangan emisi gas rumah kaca dan pemanfaatan sumber daya yang lebih efisien.
Meskipun masih terdapat tantangan dalam implementasinya, penelitian yang berkelanjutan di bidang ini diharapkan dapat membuka jalan menuju produksi amonia yang lebih ramah lingkungan dan mendukung terciptanya masyarakat yang berkelanjutan. Dalam konteks lokal, inisiatif seperti fermentasi limbah makanan menjadi pakan ikan juga dapat dikembangkan menjadi solusi multifungsi yang menyentuh isu lingkungan, pangan, dan energi secara bersamaan.
Referensi
Bornscheuer, U. T., Huisman, G. W., Kazlauskas, R. J., Lutz, S., Moore, J. C., & Robins, K. (2012). Engineering the third wave of biocatalysis. Nature, 485(7397), 185-194.
Humphreys, J., Lan, R., & Tao, S. (2021). Development and recent progress on ammonia synthesis catalysts for Haber–Bosch process. Advanced Energy and Sustainability Research, 2(1), 2000043.
Watanabe Y, Aoki W, Ueda M. Ammonia Production Using Bacteria and Yeast toward a Sustainable Society. Bioengineering (Basel). 2023 Jan 7;10(1):82. doi: 10.3390/bioengineering10010082. PMID: 36671654; PMCID: PMC9854848.
Zou, R., et al. (2021). “High ammonia production by engineering Bacillus subtilis with optimized branched-chain amino acid metabolism.” Biotechnology for Biofuels, 14:46. https://doi.org/10.1186/s13068-021-01883-x
Kato, Y., et al. (2022). “Engineering Escherichia coli to produce ammonia from food waste: Overcoming glucose inhibition through genetic modification of sugar transport pathways.” Metabolic Engineering, 69:154–162. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.01.006
