Bioteknologi 101: Komposisi Kayu dalam Persepektif Bioteknologi dan Dinamika Pre-Treatmentnya

Dulu, di jenjang smp/sma, di dalam  pelajaran biologi, kita belajar bahwa kayu adalah dari bagian batang atau cabang serta ranting tumbuhan yang mengeras karena mengalami lignifikasi yang membantu menopang tumbuhan.

Atau mungkin ada definisi lain dalam perspektif ilmu biologi. Akan tetapi, di dunia industri bioteknologi, kayu dipandang sebagai suatu yang memiliki nilai tinggi, tapi berbeda pemanfaatannya dengan teman-teman teknik sipil atau arsitek yang menggunakan kayu sebagai bahan dasar bangunan. Mereka memanfaatkannya secara makro. 

Kayu dalam dunia biorefinery adalah biomassa yang kaya akan suatu zat mikroskopis yang dapat dimanfaatkan untuk menjadi berbagai produk-produk di industri. Zat yang dimaksud adalah monosakarida,yang nantinya dapat direkayasa membuat variasi produk yang memiliki nilai guna. Berikut adalah kandungan kayu yang kaya akan monosakarida : 

1. Selulosa 

Struktur Selulosa (Sumber: Shutterstock.com)

Selulosa seperti yang kita ketahui bahan utama dinding sel tumbuhan. Selulosa merupakan jenis biomassa karbohidrat C5. Bila dilihat dari kacamata kimia, selulosa memiliki struktur yang unik. Selulosa mengandung ribuan molekul beta-glukosa yang terikat oleh ikatan 1,4 glycosidic . 

Molekul beta-glukosa ini berjejer dengan mengalami inversi 180 derajat secara selang-seling, yang fungsinya untuk mencegah selulosa berbentuk lingkaran melainkan lurus dan panjang.  Selulosa yang panjang akan berbaris secara paralel.

Akibatnya setiap gugus hidroksil (-OH) dari beta-glukosa berdekatan dan membentuk ikatan hidrogen. Hal ini akan menciptakan cross-linking antara selulosa yang satu dan selulosa lainnya. Karena berperan dalam struktural, memberi efek penguatan pada tumbuhan.

2.  Hemiselulosa

Struktur Hemiselulosa (Sumber: Researchgate.net)

Hemiselulosa sebenarnya mirip selulosa. Hemiselulosa tergolong biomassa jenis karbohidrat C5. Sekitar 20% Biomassa tanaman darat bentuknya hemiselulosa.

Hemiselulosa ini terdiri dari berbagai molekul gula selain glukosa terutama xylosa, mannosa, galactosa, rhamnosa, dan arabinosa. Rantai hemiselulosa lebih pendek, hanya terdiri dari 500-3000 molekul saja. Berbeda dengan selulosa yang lurus, hemiselulosa memiliki struktur yang bercabang.  

3. Lignin

Struktur Lignin (Sumber : bioekonomie-bw.de)

Lignin adalah kelas polimer  organik  yang sangat kompleks yang membentuk bahan struktur utama dalam jaringan pendukung bagi tanaman. Pada tanaman kayu, kandungan lignin cukup tinggi. Lignin memberikan kekakuan pada tanaman dan membuat tanaman tidak mudah busuk. 

Jadi, semakin kuat bagian tumbuhan, seperti kayu, semakin banyak kandungan ligninnya juga. Bahan dari polimer lignin juga heterogen, tapi dalam satu jenis senyawa fenolic. Senyawa fenolic berarti senyawa itu terdiri dari satu atau lebih gugus hidroksil yang terikat langsung dengan gugus hidrokarbon aromatik.

3 jenis utama lignol (bahan dasar lignin) diantaranya 4-hydroxy-3-methoxyphenyl propanol (paling umum di tumbuhan conifers), 4-hydroxyphenyl-propane, dan 3,5,-dimethoxy-4-hydroxyphenyl propane (paling umum di kayu keras). Lignin ini kaya akan substat aromatik, relatif hidrofobik, dan sulit untuk ditentukan degree of polymerization-nya disebabkan heterogenitas komponennya.

Ada juga polimer yang bernama lignoselulosa. Ini adalah sejumlah selulosa yang berikatan dengan lignin dan hemiselulosa membentuk ikatan yang rapat sehingga menjadi material yang insoluble. 

Walau ketiga polimer memiliki kandungan gula yang tinggi, pada kenyataannya di pabrik, yang diinginkan oleh pihak industri hanya selulosa saja. Karena pada dasarnya selulosa memiliki selulase sebagai enzim hidrolisis. Sedangkan, lignin dan hemiselulosa tidak ada.

2 polimer yang terdapat di lignoselulosa juga akan mengganggu akses enzim hidrolisis ke struktur selulosa. Maka, untuk memperoleh monosakarida dari selulosa secara maksimal, berbagai pre-treatment pun dibutuhkan.

Apa aja sih yang menghambat Lignoselulase untuk diaplikasikan sebagai Biomassa?

1. Kristalinitas Selulosa (Sederhananya selulosa di lignoselulosa lebih cenderung berkristal, dapat diatasi dengan mechanical treatment seperti milling agar bentuknya jadi lebih sederhana).

2. Ukuran partikel (Dapat diatasi dengan milling juga agar menjadi lebih kecil).

3. Keberadaan Lignin, hemiselulosa, dan protein (Dapat dipisah dengan alkalyn pre-treatment).

Skema Tahap Pre-Treatment Pada Green Biomass Seperti Kayu

 

Diagram Pre-Treatment untuk Green Biomass

Keterangan

#Mechanical pre-treatment seperti pressing dilakukan agar memisahkan kadar air dalam biomassa. Produk dari proses ini adalah liquid fraction dan solid fraction.

#Liquid fraction mengandung protein, mineral, dan monosakarida yang terlarut.

#Untuk itu proses heating dilakukan agar protein dan zat-zat lainnya terkoagulasi dan terisolasi dari air.

#Sama halnya juga dengan solid fraction yang mengandung insoluble protein dan lignoselulosa.  Alkalyne pre-treatment dapat diaplikasikan untuk memisahkan protein, lignin, dan hemiselulosa sekaligus.

#Pada akhirnya terbentuklah selulosa yang siap dipecah lagi menjadi monosakarida yang kemudian disusun kembali menjadi berbagai produk yang memiliki nilai jual tinggi (seperti bioenergi, biopolimer, dll.)

Sumber : 

https://learning.edx.org/course/course-v1:DelftXRWTHx+BioBased1x+2T2020/block-v1:DelftXRWTHx+BioBased1x+2T2020+type@sequential+block@7499c8c0f3c44ac59111a64c34f2ec48/block-v1:DelftXRWTHx+BioBased1x+2T2020+type@vertical+block@6880d82a5aa04a2c9a0cfbbec9e578c9