Ditulis oleh:

Pengenalan

Peningkatan pelepasan gas karbon dioksida (CO2) berpunca daripada aktiviti perindustrian, penebangan hutan dan pembakaran bahan api fosil seperti arang batu dan minyak telah menjadi faktor utama perubahan iklim. Gas CO2 memerangkap haba, menyebabkan pemanasan global yang juga mengakibatkan cuaca ekstrem seperti ribut, gelombang haba, hujan lebat, banjir dan kemarau. Malahan, pencairan ais di kutub juga meningkatkan paras laut mengancam kawasan pantai dan mengganggu habitat semula jadi, yang akhirnya menjejaskan kelangsungan hidupan flora dan fauna.Walaupun pelbagai inisiatif dilakukan, pembebasan CO₂ kekal tinggi dan mencapai rekod tertinggi pada tahun 2022. Bagi mengatasi isu ini, teknologi yang berkesan dalam memerangkap dan menggunakan CO₂ perlu dibangunkan. Salah satu teknologi yang semakin maju adalah Penangkapan, Penggunaan dan Penyimpana Karbon (CCUS). CCUS merupakan sebuah pendekatan yang melibatkan kaedah memerangkap CO2 daripada industri dan menyimpannya secara selamat di bawah tanah atau menggunakannya untuk penghasilan produk bernilai, bertujuan untuk mencapai pelepasan karbon sifar.

Salah satu teknologi CCUS berpotensi tinggi adalah Sel Elektrosintesis Mikrob (MESC), yang melibatkan penggunaan mikroorganisma elektroaktif untuk menukar CO₂ kepada produk berguna seperti asid organik, alkohol dan biofuel. Sistem MES terdiri daripada anod dan katod yang dipisahkan oleh membran dan disambung ke sumber kuasa. Mikroorganisma akan menghasilkan elektron di anod menerusi proses biologi, yang kemudian dipindahkan ke katod untuk menurunkan CO₂ menjadi metana atau bahan lain.  Keberkesanan MESC bergantung kepada jenis mikrob yang digunakan. Lazimnya, mikrob autotrofik jenis acetogen digunakan sebagai bioenzim kerana kebolehannya menukar CO₂ secara langsung melalui laluan metabolik khas.

Jenis-jenis Sistem Sel Elektrosintesis Mikrob

Sistem mikrob elektrosintesis (MES) dapat direka dalam dua konfigurasi utama: satu ruang (single-chamber) dan dua ruang (double-chamber). Dalam sistem dua ruang, ruang anod dan katod diasingkan dengan membran pertukaran ion (CEM) untuk mengelakkan percampuran mikroorganisma dan bahan organik, membantu mengawal tahap pH serta mengelakkan kejadian litar pintas. Bagi meningkatkan kecekapan sistem, pelbagai jenis reka bentuk telah diterokai, termasuk konfigurasi berbentuk cruse, tong, cakera bulat, dan tiub sepusat. Sebaliknya, sistem satu ruang meliputi gabungan anod dan katod dalam satu larutan tanpa penggunaan membrane yang boleh membantu mengurangkan rintangan. Ia juga lebih mudah dibina dan mampu mengatasi masalah berkaitan membran seperti degradasi dan kos yang tinggi. Sistem MES satu ruang ini sering dibina menggunakan bahan seperti kaca atau plastik dan boleh didapati dalam pelbagai reka bentuk.

Aplikasi dan Potensi Sel Elektrosintesis Mikrob

Penghasilan Produk Bernilai

a. Hidrogen

Hidrogen (H₂) adalah unsur paling banyak di Bumi dan terdapat dalam biojisim, bahan api fosil dan air. Ia tidak berbau, tidak berwarna dan tidak beracun serta berpotensi tinggi sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui bagi menggantikan bahan api fosil. Kaedah penghasilan hidrogen secara biologi seperti penapaian adalah mesra alam, namun menghasilkan jumlah tenaga yang rendah. Teknologi yang terkini seperti elektrosintesis mikrob mampu menghasilkan hidrogen daripada pelbagai bentuk biojisim. Sebaliknya, teknologi MES boleh menghasilkan jumlah hidrogen yang lebih tinggi daripada pelbagai jenis substrat. Selain itu, dengan juga memfokuskan kepada pengeluaran hidrogen berskala besar, MESC boleh menjadi sumber bahan api alternatif yang mampu mengurangkan kebergantungan terhadap bahan api fosil yang menyumbang kepada pelepasan CO₂.

b. Metana

Metana merupakan komponen utama gas asli (50%-80%) dan digunakan secara meluas dalam sektor pengangkutan, tenaga elektrik dan industri kimia seperti bahan antibeku dan produk sanitasi. Bukan itu sahaja, menurut Agensi Tenaga Antarabangsa (IEA), permintaan metana dijangka meningkat menjelang tahun 2040 dengan penggunaan gas asli global mencecah hampir 55%. Berdasarkan kajian dijalankan, sistem MES mampu meningkatkan penghasilan metana secara signifikan melalui proses penguraian sisa organik pada bekalan voltan rendah. Terdapat satu lagi kajian mendapati bahawa sistem MES mampu menukar CO₂ kepada metana menggunakan biokatod, dan mengekalkan kadar penukaran metana 100% selama 188 hari.

Rawatan Air Sisa

Pertambahan populasi penduduk mendorong peningkatan air sisa, terutamanya di negara membangun, di mana air sisa dilepaskan secara langsung tanpa rawatan lengkap, menyebabkan penyakit. Kira-kira seramai 1.8 juta kanak-kanak berusia di bawah lima tahun meninggal dunia setiap tahun akibat sumber air tercemar.  Di samping itu, pelepasan gas metana dan nitrus oksida daripada air sisa turut menyumbang kepada perubahan iklim. Walaupun banyak kaedah rawatan air sisa tradisional telah dilaksanakan, kebanyakannya kurang praktikal untuk skala besar disebabkan permintaan tenaga yang tinggi. Oleh itu, pembangunan teknologi yang lebih maju dan cekap sangat penting bagi mencapai rawatan air sisa yang mampan.

Antara semua teknologi maju yang sedia ada, penggunaan sistem elektrosintesis mikrob (MES) dalam rawatan air sisa semakin meningkat kerana keupayaannya merawat air sisa secara biologi sambil menghasilkan produk bernilai. Teknologi MES sangat bermanfaat kerana boleh merawat air sisa daripada pelbagai sumber termasuk air sisa domestik, air sisa industri tenusu, industri minyak, pemprosesan makanan dan sisa pertanian. Sistem ini dapat memanfaatkan bahan organik yang terdapat dalam air sisa untuk menjana tenaga, memulihkan tenaga dan nutrien. Contohnya, satu sistem MES telah dibangunkan bagi merawat sisa minyak daripada biojisim lignoselulosa dan menghasilkan bioetanol. Kajian lain melibatkan pembangunan MES menggunakan bakteria penurun sulfat (SRB) untuk merawat air sisa yang kaya dengan sulfat. Satu lagi sistem MES yang digabungkan dengan sistem sel penyahgaraman mikrob (MDC) berjaya menyingkir nitrogen dalam air sisa, logam dalam efluen industri, serta mengurangkan kemasinan dalam sisa air masin.

Kelebihan dan Kekurangan Teknologi MES

Sistem elektrosintesis mikrob (MES) semakin pesat berkembang kerana menawarkan banyak kelebihan berbanding kaeda-kaedah tradisional. Hal ini kerana, sistem ini boleh menggunkan pelbagai substrat dan menghasilkan produk seumpama hidrogen sehingga 90%, terutamanya dalam sistem asetat. Selain itu, sistem elektrosintesis mikrob juga boleh digunakan dalam biorefineri untuk meningkatkan hasil penapaian dan boleh digabung dengan pencerna anaerobik untuk meningkatkan penurunan karbon dan penghasilan metana, sekaligus meningkatkan kecekapan MES daripada 60% kepada 98%. Antara kelebihan lain termasuklah kurang pelepasan gas rumah hijau, kurang penggunaan bahan api fosil, dan galakan kepada penggunaan sumber tenaga boleh diperbaharui dengan memproses sisa organik. Namun begitu, teknologi ini masih menghadapi beberapa kekangan dari segi kestabilan jangka panjang, keperluan operasi, serta faktor lain seperti bahan elektrod yang perlu ditambah baik bagi mencapai sistem yang lebih efisien. 

Kesimpulan dan Hala Tuju

Secara kesimpulannya, sel elektrosintesis mikrob (MESC) merupakan sebuah teknologi mampan untuk kegunaan industri dan alam sekitar. Teknologi ini menyumbang kepada pengurangan pencemaran dengan merawat aliran sisa dan memerangkap gas CO₂, dan menghasilkan produk bernilai seperti hidrogen dan biofuel secara serentak. Melangkah ke masa hadapan, penambahbaikan perlu dilakukan untuk mengatasi kekangan semasa dari segi kecekapan, kos, dan skala teknologi tersebut. 

Rujukan

1. Salehmin, M. N. I., Tiong, S. K., Mohamed, H., Hil Me, M. F., Zakaria, Z., Mahmod, S. S., & Lim, S. S. (2025). Revolutionising waste-to-energy through the advanced and pragmatic operation of microbial electrochemical technologies. International Journal of Hydrogen Energy, 104, 263–288. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.05.467

2. Lim, S. S., Fontmorin, J.-M., Izadi, P., Wan Daud, W. R., Scott, K., & Yu, E. H. (2020). Impact of applied cell voltage on the performance of a microbial electrolysis cell fully catalysed by microorganisms. International Journal of Hydrogen Energy, 45(4), 2557–2568. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.142 

3. Fontmorin, J.-M., Izadi, P., Li, D., Lim, S. S., Farooq, S., Bilal, S. S., Cheng, S., & Yu, E. H. (2021). Gas diffusion electrodes modified with binary doped polyaniline for enhanced CO2 conversion during microbial electrosynthesis. Electrochimica Acta, 372. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.137853 

4. Lim, S. S., Fontmorin, J.-M., Ikhmal Salehmin, M. N., Feng, Y., Scott, K., & Yu, E. H. (2022). Enhancing hydrogen production through anode fed-batch mode and controlled cell voltage in a microbial electrolysis cell fully catalysed by microorganisms. Chemosphere, 288, 132548. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132548 

5. Lim, S. S., Wong, W. Y., Abu Bakar, M. H., & Muhammed, A. S. A. (2025). Advancing Fuel Cell and Hydrogen Innovation for a Low-Carbon Future. Fuel Cells, 25(1), e70003. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/fuce.70003