Bagaimana menciptakan material konstruksi biogenik pengganti semen? Menurut Badan Lingkungan Hidup Jerman, produksi semen menyumbang sekitar 20 juta metrik ton emisi CO2 hanya di Jerman. Data itu setara dengan sekitar sepuluh persen dari semua emisi industri.
Penulis/editor: Rayendra L Toruan
TechnoMachinews.id – Fraunhofer FEP (sumber): Apakah material konstruksi biogenik dapat menggantikan bahan utama yakni semen? Selama ini semen merupakan bahan utama yang digunakan di pelbagai sektor konstruksi seperti bangunan, jalan raya, lapangan terbang, dam, dan sebagainya.
Biogenik adalah frasa yang digunakan untuk menggambarkan zat atau produk yang dihasilkan oleh proses biologis atau organisme hidup. Ini mencakup berbagai konstituen, sekresi, dan metabolit yang dihasilkan oleh tumbuhan atau hewan.
Dalam konteks biologi molekuler, zat biogenik sering disebut sebagai biomolekul demikian biogenikdesigns.com
Berita terbaru disampaikan oleh para peneliti Fraunhofer yang mengembangkan metode untuk membuat bahan konstruksi biogenik berdasarkan sianobakteri atau disebut Cyanobacteria.
Cyanobacteria dikenal sebagai ganggang hijau-biru dan merupakan kelompok bakteri yang mendapatkan energi melalui fotosintesis. Bahan itu termasuk dalam filum Cyanobacteria dan sering ditemukan di berbagai habitat seperti perairan tawar, laut, tanah lembap, dan bahkan di lingkungan ekstrem seperti sumber air panas demikian wikipedia.com
Lebih lanjut, laman Wikipedia.com menjelaskan nutrient solution merupakan larutan yang mengandung semua nutrisi penting yang dibutuhkan oleh tanaman untuk tumbuh.
Larutan ini sering digunakan dalam sistem hidroponik, di mana tanaman ditanam tanpa tanah dan mendapatkan nutrisi langsung dari air yang diperkaya dengan mineral dan elemen penting.
Sedangkan photosynthesis atau fotosintesis, menurut journals.plos.org adalah proses di mana tanaman, alga, dan beberapa bakteri mengubah energi cahaya menjadi energi kimia dalam bentuk glukosa.
Dalam proses ini, tanaman mengambil karbon dioksida (CO₂) dari udara dan air (H₂O) dari tanah, kemudian menggunakan cahaya matahari untuk mengubahnya menjadi oksigen (O₂) dan glukosa (C₆H₁₂O₆).
Fotosintesis sangat penting karena menghasilkan oksigen yang kita butuhkan untuk bernapas dan menyediakan energi bagi hampir semua kehidupan di bumi.
Sianobakteri atau Cyanobacteria berkembang biak dalam larutan nutrisi atau nutrient solution dan photosynthesis atau fotosintesis.
Ketika agregat dan pengisi seperti pasir, basal, atau bahan baku terbarukan ditambahkan, struktur padat seperti batu akan terbentuk.
Tidak seperti produksi beton tradisional, proses ini tidak mengeluarkan karbon dioksida, yang berbahaya bagi lingkungan.
Sebaliknya, karbon dioksida terikat di dalam material itu sendiri. Proses nutrient solution berlangsung dengan melarutkan berbagai mineral dan elemen penting dalam air.
Komponen utama biasanya termasuk nitrogen (N), fosfor (P), kalium (K), serta mikronutrien seperti besi (Fe), magnesium (Mg), dan kalsium (Ca). Dalam sistem hidroponik, larutan ini disirkulasikan ke akar tanaman, memungkinkan mereka menyerap nutrisi yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan.
Sedangkan proses fotosintesis terjadi dalam dua tahap utama: reaksi terang dan siklus Calvin. Pertama, reaksi terang terjadi di tilakoid kloroplas, di mana energi cahaya diserap oleh klorofil dan digunakan untuk memecah molekul air menjadi oksigen, proton, dan elektron. Energi ini juga digunakan untuk menghasilkan ATP dan NADPH.
Kedua, siklus calvin terjadi di stroma kloroplas, di mana ATP dan NADPH dari reaksi terang digunakan untuk mengubah karbon dioksida menjadi glukosa melalui serangkaian reaksi kimia.
Apa hubungan nutrient solution dengan fotosintesis? Nutrient solution menyediakan mineral dan elemen penting yang dibutuhkan tanaman untuk berbagai proses fisiologis, termasuk fotosintesis.
Misalnya, nitrogen penting untuk sintesis klorofil, yang merupakan pigmen utama dalam fotosintesis. Tanpa nutrisi yang cukup, tanaman tidak dapat melakukan fotosintesis secara efisien, yang akan mempengaruhi pertumbuhan dan produksi biomassa mereka.
Fotobioreaktor Fraunhofer FEP di dalam laboratorium bertujuan untuk membudidayakan sianobakteri dalam kondisi cahaya, suhu, dan gas yang ditentukan.
Industri konstruksi mempunyai masalah dalam pengadaan material seperti semen. Semen, komponen utama dalam beton—bisa dibilang bahan konstruksi yang paling banyak digunakan saat ini namun dampaknya sangat buruk terhadap iklim. Emisi CO2 dari produksi semen sangat tinggi.
Menurut Badan Lingkungan Hidup Jerman (UBA), pada tahun 2018 produksi semen menyumbang sekitar 20 juta metrik ton emisi CO2 di Jerman saja. Itu setara dengan sekitar sepuluh persen dari semua emisi industri.
Peneliti di Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS dan Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology FEP memperkenalkan metode produksi bahan konstruksi biogenik yang ramah lingkungan dan diinduksi secara biologis sebagai bagian dari proyek “BioCarboBeton”.
Proses itu sendiri tidak hanya tidak mengeluarkan karbon namun sebaliknya gas yang digunakan justru berpotensi merusak iklim dan dalam proses tersebut yang kemudian diikat di dalam material.
Inti dari metode baru ini adalah cyanobacteria yang kita kenal sebagai ganggang biru-hijau.
Kultur bakteri ini mampu melakukan fotosintesis. Saat cahaya, kelembapan, dan suhu berinteraksi, mereka membentuk struktur yang dikenal sebagai stromatolit yang terbuat dari batu kapur.
Struktur biogenik yang tampak seperti batu ini dikandung alam selama 3,5 miliar tahun—ini membuktikan ketahanan dan daya tahan proses biologis yang sangat kuat.
Sama seperti dulu, CO2 ditangkap dari atmosfer sebagai bagian dari proses mineralisasi dan kemudian diikat di dalam batuan biogenik.
Para peneliti di Fraunhofer berhasil meniru proses alami ini dengan metode teknologi.
Di bawah manajemen proyek yang digagas oleh Dr. Matthias Ahlhelm, dan menyumbang kekuatan ide menjadi proyek yang mereka tangani itu, maka Fraunhofer IKTS mengembangkan material dan proses, memilih pengisi potensial serta agen pengikat, dan menyediakan bentuk dan struktur.
Para peneliti di Fraunhofer FEP, yang dipimpin oleh Dr. Ulla König menetapkan metode untuk membudidayakan sianobakteri, analisis mikrobiologi pelengkap, dan peningkatan skala produksi biomassa yang akan dicapai.
Larutan bakteri menjadi padat
Pada langkah pertama untuk menghasilkan biomassa, sianobakteri yang peka cahaya dibudidayakan dalam larutan nutrisi. Intensitas dan warna sumber cahaya yang digunakan memengaruhi fotosintesis dan metabolisme bakteri.
Untuk memastikan bahwa larutan bakteri dapat mengalami mineralisasi untuk menghasilkan struktur seperti stromatolit, sumber kalsium seperti kalsium klorida ditambahkan.
Setelah itu, para peneliti membuat campuran hidrogel dan berbagai pengisi, seperti berbagai jenis pasir, termasuk pasir laut atau pasir silika. CO2 tambahan ditambahkan untuk meningkatkan kandungan karbon dioksida terlarut dan mendukung proses tersebut.
Campuran bakteri diaduk hingga homogen lalu diberi struktur dengan cara dipindahkan ke cetakan, misalnya.
Cetakan sebaiknya tembus cahaya sehingga proses metabolisme dan fotosintesis bakteri dapat berlanjut. Mineralisasi selanjutnya mengarah pada pemadatan akhir.
Campuran bakteri juga dapat dibentuk melalui penyemprotan, pembusaan, ekstrusi, atau pembuatan aditif, sehingga menjadi bentuk yang digunakan untuk tahap akhir mineralisasi.
Sebagai alternatif, substrat berpori juga dapat diproduksi dan kemudian diolah dengan kultur sianobakteri.
“Struktur padat yang berkembang masih berpori selama proses berlangsung, sehingga cahaya masuk ke dalam dan mendorong fiksasi karbon dioksida melalui mineralisasi batu kapur. Kita dapat menghentikan proses tersebut dengan menghilangkan cahaya dan kelembapan atau mengubah suhu,” jelas Dr. Matthias Ahlhelm penggagas proyek.
Pada saat tiba waktunya, semua jenis bakteri akan mati begitu saja. Hasil selanjutnya adalah produk padat berdasarkan kalsium karbonat biogenik dan pengisi yang berpotensi digunakan sebagai batu bata, misalnya.
Bahan konstruksi berbasis material konstruksi biogenik yang terbuat dari sianobakteri tidak mengandung zat beracun apa pun.
Salah satu tujuan proyek BioCarboBeton adalah untuk menentukan kemungkinan material dan sifat mekanis dari material biogenik yang akan diproduksi dan untuk meningkatkan skala proses.
Para peneliti memikirkan tentang desain proses sirkular. Misalnya, karbon dioksida dapat bersumber dari gas limbah industri.
Tim saat ini sedang bekerja dengan biogas. Basal dan limbah tambang dapat digunakan sebagai sumber kalsium, tetapi juga dapat berupa residu susu dari operasi peternakan sapi perah.
Dan selain pasir, puing-puing konstruksi atau sumber daya terbarukan juga dapat digunakan sebagai pengisi.
Bagaimana para peneliti menguji proses?
