2 TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Teori yang Mendasari
2.2.10 Teknologi Fixed Bed Reactor
Dalam proses pengolahan air yang mengandung polutan senyawa organik, teknologi yang digunakan sebagian besar menggunakan aktivitas mikroorganisme untuk menguraikan senyawa organik polutan tersebut (Miwa 1991). Fixed bed reactor adalah reaktor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi katalisator padat. Bisanya digunakan untuk reaksi fasa gas atau cair dengan katalisator padat.Katalisator disini digunakan sebagai media pertumbuhan mikroorganisme.Cara pemurnian limbah dengan bantuan bahan pengendali biologis yang sangat efektif dan tidak membahayakan perairan maupun mencemari perairan.
Fixed bedreactor biasanya terdiri dari katalis partikel padat (stationary solid catalyst particle) yang bereaksi dengan aliran fluida. Aliran fluida bisa berupa gas atau liquid (atau campuran keduanya) (Elma2010).Keuntungan penggunaan fixed bed reactor, antara lain relatif stabil terhadap perubahan kualitas influen dan keberadaan senyawatoksik, konsentrasi biomassa yang tinggi dan waktu retensi solid yang panjang dapat dicapai (Malone and Timothy 2006), mudah dalam proses aklimatisasi dan mampu mengatasi influen limbah yang bervariasi tanpa kesalahan proses (Umana 2008).
Salah satu penjelasan mengenai peningkatan aktivitas biodegradasi yaitu dimulai dengan peningkatan jumlah dari konsentrasi biomassa dalam pertumbuhan sistem.Aktivitas yang tinggi ini juga dilengkapi untuk meningkatkan konsentrasi dari nutrien yang melekat di dalam biofilm.(Madigan1997). Sehubungan dengan bentuknya yang berlumpur, biofilm tersebut menjerab zat partikulat dari pengolahan air, jadi konsentrasi nutrien dalam biofilm biasanya lebih tinggi dibandingkan air yang bebas dari kandungan organik. Tingginya konsentrasi nutrien dapat menyebabkan tinggi pula laju pertumbuhan mikroorganisme dan mempertinggi aktivitas degradasi.Penjelasan mengenai peningkatan aktivitas biodegradasi lainnya dapat dilihat dari perbedaan fisik antara lekatan dan suspensi mikroorganisme.Perbedaan ini dapat menunjukkan kecepatan laju pertumbuhan, aktivitas metabolik yang meningkat, dan hambatan besar atau keracunan (Cohen 2000).
Menurut Bitton (1994), mekanisme proses metabolisme di dalam sistem biofilm dalam suasana aerobik secara sederhana dapat dilihat pada Gambar3.
Gambar3 Mekanisme metabolisme di dalam reactor (Bitton 1994)
Gambar ini menunjukkan suatu sistem metabolisme yang terdiri dari medium penyangga, lapisan biofilm yang melekat pada pada medium, lapisan air yang diolah dan lapisan udara yang terletak di luar. Senyawa polutan yang ada di dalam air seperti amonium, nitrat, phospor, dan senyawa organik lainnya akan terdifusi ke dalam lapisan atau film biologis yang melekat pada permukaan medium. Pada saat yang bersamaan dengan menggunakan oksigen yang terlarut di dalam air, senyawa polutan tersebut akan diuraikan oleh mikroorganisme yang ada di dalam lapisan biofilm dan energy yang dihasilkan akan diubah menjadi biomassa. Suplai oksigen pada lapisan biofilm dapat dilakukan dengan beberapa. Cara misalnya pada sistem RBC yakni melalui kontak dengan udara luar, pada sistem trickling filter dengan aliran balik udara, sedangkan pada sistem fixed bedreactor tercelup dengan mengunakan blower udara dan dibantu dengan pompa sirkulasi.
Di dalam proses biologis ini apabila ini apabila lapisan biofilm cukup tenang, maka pada bagian luar lapisan biofilm akan berada dalam kondisi aerobik sedangkan pada bagian dalam biofilm yang melekat pada medium akan berada dalam kondisi anaerobik. Pada kondisi anaerobik akan terbentuk gas H2S,dan jika
konsentrasi oksigen terlarut cukup besar maka gas H2S yang terbentuk tersebut akan diubah menjadi sulfat (SO4) oleh baktri sulfat yang ada di dalam biofilm. Pada zona aerobik, nitrogen-amonium akan diubah menjadi nitrit dan nitrat kemudian pada zona anaerobik nitrat yang terbentuk mengalami proses denitrifikasi menjadi gas nitrogen. Dalam proses biologis terjadi kondisi aerobik dan anaerobik pada saar bersamaan , oleh karena itu dengan sistem biofilm ini proses penyisihan senyawa nitrogen menjadi lebih mudah (Bitton 1994).
Menurut Metcalf dan Eddy (2003) proses metabolisme pada mikroorganisme adalah sebagai berikut:
Oksidasi
COHNS + O2 + bakteri CO2 + NH3 + produk +energy akhir (Materi organik) Sintesa
COHNS + O2 + bakteri + energi C5H7NO2(Materi organik) Respirasi
C5H7NO2 + 5 O2 5 CO2 + NH3 + 2H2O + energi
Pelezar dan Chan (1996) mengatakan bahwa pengolahan biologi efektif dalam menyisihkan bahan-bahan organik. Beberapa factor yang mempengaruhi efisiensi proses pengolahan antara lain:
1. Suhu (temperatur) air
Suhu optimal antara 20oC-30oC dan efisiensi pengolahan akan berkurang pada temperature yang lebih rendah atau lebih tinggi.
2. Nilai pH
Nilai pH optimal antara 7-7,5 3. Oksigen terlarut
Oksidasi dan penguraian dari zat-zat organik, nitrifikasi amonia dengan mikroorganisme membutuhkan oksigen, sehingga apabila menginginkan efisiensi lebih tinggi perlu ditambahkan aerasi atau suplai udara.
4. Penghambat
Kehadiran dari beberapa pencemar seperti logam berat, minyak, zat organik berbahaya, tanah dan pasir halus yang tersuspensi menutup lapisan biofilm dapat menghambat aktivitas biologis.Sehingga efisiensi pengolahan berkurang.
5. Frekuensi kontak
Frekuensi kontak dapat diartikan sebagai kapasitas pengolahan per unit luas permukaan biofilm. Frekuensi kontak antara air yang akan diolah dengan biofilm semakin tinggi maka efisiensi penyisihan akan meningkat.
Dalam proses pengolahan air yang mengandung polutan senyawa organik, teknologi yang digunakan sebagian besar menggunakan aktivitas mikroorganisme untuk menguraikan senyawa organik polutan tersebut (Miwa 1991). Fixed bed reactordidefinisikan sebagai suatu tube silindrikal yang dapat diisi dengan partikel-partikel katalis. Selama operasi, gas atau liquid atau keduanya akan melewati tube dan partikel-partikel katalis, sehingga akan terjadi reaksi, baik reksi kimia maupun raksi biologis (Yariv 2001). Katalisator disini digunakan sebagai media pertumbuhan mikroorganisme. Cara penanganan limbah dengan bantuan bahan pengendali biologis sangat efektif dan tidak membahayakan perairan maupun mencemari perairan.
Fixed bed reactorbiasanya terdiri dari katalis partikel padat (stationary solid catalyst particle) yang bereaksi dengan aliran fluida. Aliran fluida bisa berupa gas atau liquid (atau campuran keduanya) (Elma 2010). Keuntungan penggunaan fixed bed reactor, antara lain relatif stabil terhadap perubahan kualitas influen dan keberadaan senyawa toksik, konsentrasi biomassa yang tinggi dan waktu retensi solid yang panjang dapat dicapai, mudah dalam proses aklimatisasi dan mampu mengatasi influen limbah yang bervariasi tanpa kesalahan proses (Umana et al. 2008).
Biofilm heterogen biasa tumbuh di dalam media yang digunakan bioreaktor. Biofilm tersebut dapat menyebabkan korosif bila berada di air permukaan, namun pada bioreaktor-bioereaktor tertentu biofim ini menjadi sesuatu yang menguntungkan seperti pada bioreaktor trickling filters, submerged, aerated fixed bed reactors, dan rotating disc reactors (Wiesmann et al.2007).
Fixed bed reactorberoperasi secara aerobik dimana pada area bawah reaktor terdapat aerator, fixed bed reactorini memproduksi aliran dua fase pada sistem tiga fase dengan aliran naik ke atas (up flow) (Westerman 2006). Biomassa yang terdapat dalam bioreaktor ini dapat melekat pada permukaan media dan juga
tersuspensi didalam air seperti flok. Hal yang tidak mudah untuk menghindari hambatan pada daerah biofilm yang memiliki ketebalan yang besar dan dengan laju alir yang rendah. Sehingga fixed bed reactorharus dibersihkan sewaktu-waktu dengan meningkatkan laju alir air (Schulz dan Menningmann 1999).
Dalam rangka meningkatkan efisiensi penyisihan bahan organik dan kotoran yang berada dalam air (influent) dibutuhkan laju bioreaksi yang rendah dalam reaktor yang memiliki biofilm di dalamnya sehingga dibutuhkan juga laju substrat yang rendah.Tujuan lainnya yaitu untuk mengontrol kesatabilan biofilm karena adanya aliran air ke dalam biofilm tersebut (Martinov et al.2010). Menurut Blackwell (2010), energi yang digunakan pada bioreaktor dengan sistem aerasi (sehingga terbentuk gas dalam CO2) dalam pengolahan limbah cair memiliki empat fungsi utama, yaitu untuk menghilangkan karbon (senyawa organik), proses nitrifikasi, menghillangkan phosphor, pencuci hama, menghilangkan kotoran berupa mikroorganisme.
Grady dan Lim (1980) menyatakan ada beberapa keuntungan dari jenis reaktor biofilter ini antara lain:
1. Pengoperasiannya mudah
Di dalam proses pengolahan air sistem biofilm, dengan dilakukan ataupun tanpa dilakukan sirkulasi lumpur tidak menimbulkan masalah bulking seperti yang terjadi pada proses dengan biakan tersuspensi misalnya pada sistem lumpur aktif, oleh karena itu pengelolaannya lebih mudah.
2. Lumpur yang dihasilkan sedikit
Lumpur yang dihasilkan proses biofilm relatif lebih kecil dibandingkan dengan proses lumpur aktif, dimana 30–60% dari organik yang dihilangkan diubah menjadi lumpur aktif (biomasa) sedangkan pada proses biofilm hanya sekitar 10-30%. Hal ini disebabkan karena pada proses biofilm rantai makanan lebih panjang dan melibatkan aktifitas mikroorganisme dengan orde yang lebih tinggi dibandingkan pada proses lumpur aktif.
3. Tepat untuk mengolah air dengan konsentrasi polutan rendah maupun tinggi. Proses pengolahan air dengan sistem biofilm ini mikroorganisme melekat pada permukaan media penyangga, sehingga pengontrolan proses pengolahan terhadap aktivitas mikroorganisma lebih mudah. Proses biofilm cocok
digunakan untuk mengolah air limbah dengan konsentrasi rendah sampai konsentrasi tinggi.
4. Tahan terhadap fluktuasi jumlah air baku maupun konsentrasi polutan
Mikroorganisma dalam proses biofiltrasi melekat pada permukaan unggun media, akibatnya konsentrasi biomassa mikroorganisme persatuan luas atau volume media relatif besar sehingga tahan terhadap fluktuasi beban organik maupun fluktuasi beban hidrolik.
5. Pengaruh penurunan suhu terhadap efisiensi pengolahan kecil
Jika suhu air baku turun aktifitas mikroorganisme berkurang, tetapi oleh karena didalam proses biofilm substrat maupun enzim dapat terdifusi sampai ke bagian dalam lapisan biofilm dan lapisan biofilm cukup tebal maka pengaruh penurunan suhu (suhu rendah) tidak begitu besar.
2.2.11 Biofilm
Biofilm adalah kumpulan selmikroorganisme, khususnya bakteri, yang melekat di suatu permukaan dan diselimuti oleh pelekat karbohidrat yang dikeluarkan oleh bakteri.Biofilm terbentuk karena mikroorganisme cenderung menciptakan lingkungan mikro dan relung (niche) mereka sendiri.Biofilm memerangkap nutrisi untuk pertumbuhan populasi mikroorganisme dan membantu mencegah lepasnya sel-sel dari permukaan pada sistem yang mengalir.Permukaan sendiri adalah habitat yang penting bagi mikroorganisme karena nutrisi dapat terjerap pada permukaan sehingga kandungan nutrisinya dapat lebih tinggi daripada di dalam larutan.Konsekuensinya, jumlah dan aktivitas mikrobaa pada permukaan biasanya lebih tinggi daripada di air.Bukti-bukti menunjukkan bahwa pembentukan biofilm lebih disukai oleh mikroorganisme, dan hampir semua permukaan yang terkena kontak dengan mikroba dapat mendukung pembentukan biofilm. Selain bakteri, mikroorganisme lainnya seperti alga dan khamir (fungi bersel satu) juga dapat membentuk biofilm (Madigan et al.
2006)
Biofilm terbentuk karena prakarsa koloni bakteri dan sianobakteri yang melekat pada batuan tersebut.Sampai saat ini, fosil tersebut adalah fosil organisme hidup tertua yang diketahui sehingga biofilm diperkirakan sudah ada pada awal
mula kehidupan di bumi.Komposisi biofilm terdiri dari sel-sel mikroorganisme, produk ekstraseluler, detritus, polisakarida sebagai bahan pelekat, dan air yang adalah bahan penyusun utama biofilm dengan kandungan hingga 97% (Rodser et al. 2004).Polisakarida (polimer dari monosakarida atau gula sederhana) yang diproduksi oleh mikroba untuk membentuk biofilm termasuk eksopolisakarida (EPS) yaitu polisakarida yang dikeluarkan dari dalam sel. EPS yang disintesis oleh sel mikrobaa berbeda-beda komposisi dan sifat kimiawi dan fisikanya.Beberapa adalah makromolekul yang bersifat netral, namun mayoritas bermuatan karena keberadaan asam uronat (Asam glukuronat), Asam D-galakturonat, dan Asam D- manuroniat. Ada biofilm yang bersifat kaku karena EPS-nya terdiri dari ikatan ß-1,4 atau ß-1,3 glikosida (ikatan monosakarida monomer penyusun polisakarida) seperti EPS xanthan gum yang dihasilkan oleh
Xanthomonas campestris tetapi ada juga yang bersifat fleksibel karena memiliki ikatan α-1,2 atau α-1,6 glikosida yang banyak ditemukan pada dekstran. Beberapa contoh EPS selain xanthan gum adalah asam kolanat yang diproduksi oleh
Escherichia coli, alginat oleh P. aeruginosa, dan galaktoglukan oleh Vibrio cholerae. Bahan-bahan penyusun biofilm yang lain contohnya adalah protein, lipid, dan lektin (Prescott et al. 2002).
Struktur dari suatu biofilm adalah unik tergantung dari lingkungan tempatnya berada, contohnya adalah kandungan nutrisi dan keadaan fisik.Selain itu, di alam, sangat jarang terdapat biofilm yang hanya terdiri dari satu spesies, biasanya biofilm tersusun dari beberapa spesies dalam lapisan-lapisan yang berbeda (Romeo 2008).Mikroorganisme fotosintetik ada di permukaan paling atas, mikroorganisme kemoorganotrof anaerob fakultatif di bagian tengah, sedangkan di bagian dasar adalah mikroorganisme anaerob pereduksi sulfat. Pada bagian atas, cahaya matahari lebih mudah didapat sehingga dapat digunakan untuk fotosintesis, sedangkan bagian tengah dapat dihuni oleh mikroba kemoorganotrof fakultatif anaerob karena dapat mentolerir kandungan udara yang sedikit serta banyak dapat mengakses bahan organik sebagai sumber energinya (Zhang et al. 1998).
Pada bagian dasar, tidak terdapat kandungan udara sehingga mikroba anaerob pereduksi sulfat dapat tumbuh dan energi dengan cara mereduksi sulfat.
Pemodelan habitat mikroba-mikroba tersebut dapat diamati menggunakan Kolom Winogradsky. Struktur biofilm yang lebih kompleks dapat berbentuk empat dimensi (x,y,z, dan waktu) dengan agregat sel, pori-pori, dan saluran penghubung. Tergantung dari kondisi lingkungannya, biofilm dapat menjadi sangat besar dan tebal sehingga dapat dilihat dengan mata telanjang contohnya pada lingkungan air laut dapat terbentuk stromatolit.Struktur dan ukuran biofilm sangat bergantung pada konsentrasi substrat (Rigent et al. 1999).
Gambar 4 Pembentukan biofilm (Rigent et al. 1999)
Komunikasi antar sel penting bagi perkembangan dan pemeliharaan biofilm.Pelekatan suatu sel pada suatu permukaan adalah hasil dari sinyal untuk mengekspresikan gen-gen pembentuk biofilm.Gen-gen ini mengkodekan protein-protein untuk mensitensis sinyal komunikasi antarsel dan memulai pembentukan polisakarida. Pada bakteri gram negatif seperti Pseudomonas aeruginosa, molekul sinyal yang utama adalah komponen yang disebut homoserin lakton yang berfungsi sebgai agen kemostatik untuk mengumpulkan sel-sel P. aeruginosa
yang berdekatan (melalui mekanisme quorum sensing) dan membentuk biofilm. Ada 5 tahap pembentukan biofilm yaitu:
1. Pelekatan awal: mikroba melekat pada permukaan suatu benda dan dapat diperantarai oleh fili (rambut halus sel) contohnya pada P.aeruginosa. 2. Pelekatan permanen: mikroba melekat dengan bantuan eksopolisakarida
(EPS).
4. Maturasi II: proses pematangan biofilm tahap akhir, mikroba siap untuk menyebar.
5. Dispersi: Sebagian bakteri akan menyebar dan berkolonisasi di tempat lain (Stoodley et al. 1999).
Alasan bakteri membentuk biofilm adalah karena daya tahan hidup/sintasan (survival) meningkat dan pertumbuhan menjadi lebih baik (Wimpenny dan Colasanti 1997). Setidaknya ada empat alasan yang mendasari hal tersebut:
1. Pertahanan
Biofilm berfungsi sebagai mekanisme pertahanan bagi bakteri dengan cara meningkatkan resistensi terhadap gaya fisik yang dapat menyapu bersih sel-sel yang tidak menempel, fagositosis oleh sel-sel-sel-sel sistem imun (kekebalan) tubuh, dan penetrasi dari senyawa beracun seperti antibiotik. Bakteri di dalam biofilm lebih resisten 10-1.000 kali dibandingkan bila tidak di dalam biofilm. 2. Pelekatan pada relung
Dengan menggunakan biofilm, bakteri dapat melekat pada permukaan yang kaya akan nutrisi seperti jaringan sel hewan, atau permukaan substrat pada sistem yang mengalir contohnya permukaan batu di dalam aliran air.
3. Kolonisasi
Pembentukan biofilm membantu sel-sel bakteri untuk hidup berdekatan dan membentuk koloni.Contohnya adalah Pseudomonas aeruginosa yang berkoloni dengan biofilm sehingga memfasilitasi komunikasi antar sel dengan molekul sinyal, dan meningkatkan peluang pertukaran materi genetik. Di alam, biofilm adalah cara hidup alami bagi beberapa bakteri tertentu dengan alasan terbatasnya nutrisi, tidak seperti medium buatan yang kaya akan nutrisi bagi bakteri.
Tabel 2 Jenis bakteri pembentuk biofilm pada air dan limbah cair Bakteri gram positif Bakteri gram negatif Mikroorganisme lain
Corynebacterium spp. Acinetobacter spp. Candida spp.
Enterococcus spp. Escherichia coli Candida albicans Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa Candida tropicalis Streptococcus pneumoniaeSerratia marcescens Mycobacterium chelonae
4. Pengolahan limbah
Pemanfaatan biofilm untuk mengolah limbah sudah diaplikasikan saat ini contohnya untuk mengolah limbah cair.Pada biofilm di fasilitas pengolahan limbah cair, terdapat berbagai macam mikroba yang dapat menguraikan senyawa-senyawa baik organik maupun inorganik pada limbah.Misalnya saja bakteri pengoksidasi sulfur (S) yang berperan untuk mendaur ulang sulfur, lalu bakteri pengikat Uranium (U) yaitu Desulfovibrio desulfuricans.Alat yang digunakan untuk mengolah limbah dengan biofilm berupa bioreaktor yang memiliki biofilm contohnya sequencing batch biofilm reactor (SBBR).
2.2.12 Media pada Fixed Bed Reaktor