Perombakan Zat Warna Tekstil Secara Biologi

Unit pengolahan tersier ini merupakan pengolahan secara khusus berfungsi untuk menghilangkan partikel-partikel halus dan senyawa kimia yang tidak dapat diuraikan oleh mikrob. Teknik yang digunakan adalah pengendapan dengan cara menambahkan koagulan dan karbon aktif. Air limbah yang sudah mengalami pengolahan dan memenuhi standar baku mutu air buangan industri selanjutnya dibuang ke perairan umum.

2.6. Perombakan Zat Warna Tekstil Secara Biologi

Pengolahan limbah zat warna tekstil secara biologi yang paling sederhana adalah melalui proses adsorpsi menggunakan biomassa. Penggunaan biomassa kurang baik digunakan pada pengolahan jangka panjang. Hal ini disebabkan selama proses perombakan, zat warna terkonsentrasi dan suatu saat mengalami kejenuhan sehingga adsorben harus dibuang atau didesorpsi kembali sebelum digunakan. Pengolahan limbah zat warna tekstil menggunakan mikroorganisme hidup lebih menguntungkan dibandingkan menggunakan biomassa karena mikroorganisme hidup dapat memanfaatkan bahan organik yang terdapat dalam limbah sebagai sumber karbon dan energi untuk pertumbuhannya. Perombakan zat warna azo yang dilakukan oleh HeFang et al. 2004, menunjukkan bahwa perombakan menggunakan mikroorganisme dengan proses pertumbuhan terlekat memberikan efisiensi perombakan yang lebih tinggi dibandingkan menggunakan mikroorganisme dengan proses pertumbuhan tersuspensi. Efisiensi perombakan zat warna azo direct fast scarlet 4BS menggunakan konsorsium mikrob proses pertumbuhan terlekat adalah 99,6 selama 6 jam inkubasi sedangkan menggunakan konsorsium mikrob proses pertumbuhan tersuspensi sebesar 99,1 selama 24 jam inkubasi. Pengolahan limbah tekstil menggunakan bakteri dapat berlangsung secara aerob, anaerob maupun kombinasi anaerob-aerob. Beberapa bakteri pada kondisi anaerob dilaporkan mampu untuk merombak zat warna azo di antaranya Bacillus cereus Wuhrmann et al. 1980, Bacillus sp., Alcaligenes sp., dan Aeromonas sp. Sharma et al. 2004, Clostridium sp. Eubacterium, Proteus vulgaris, Bacillus cereus, Streptococus faecalis, Sphingomonas BN6 Yoo 2000. Sedangkan beberapa bakteri pada kondisi aerob yang dilaporkan mampu merombak zat warna azo di antaranya adalah Acinetobacter sp., Bacillus sp., Pseudomonas sp., Legionella sp., dan Staphylococcus sp.Olukanni et al. 2006. Bakteri Actinomycetes terutama dari spesies Streptomyces penghasil enzim ekstraseluler peroksidase yang berperan penting pada proses degradasi lignin juga efektif digunakan untuk merombak zat warna tekstil Montano 2007. Disamping bakteri, beberapa jenis jamur pendegradasi lignin penghasil enzim lacasse, lignin peroksidase dan mangan peroksidase seperti Bjerkandera adusta, Irpex lacteus, Phanaerochaete crysosphorium and Hypoxylon fragiforme dapat digunakan untuk mengolah limbah zat warna tekstil Adosinda et al. 2003.

2.6.1. Perombakan Zat Warna Tekstil pada Kondisi Anaerob

Zat warna azo memiliki gugus kromofor berupa azo N=N lebih kuat menarik elektron dibandingkan dengan mentransfer elektron. Oleh sebab itu, perombakan secara biologi tidak efektif pada kondisi aerob Van der Zee 2002. Kebanyakan perombakan zat warna azo secara biologis dimulai dari tahap pemecahan ikatan azo dengan bantuan enzim azoreductase pada kondisi anaerob dan dilanjutkan ke tahap mineralisasi produk intermediet pada kondisi aerob. Mekanisme reduksi zat warna azo pada kondisi anaerob dibedakan menjadi tiga, yaitu reduksi menggunakan bantuan enzim secara langsung direct enzymatic reduction, reduksi dengan bantuan enzim secara tidak langsung indirect enzymatic reduction dan reduksi secara kimia Van der Zee 2002. Pada perombakan dengan mekanisme direct enzymatic reduction, enzim mentransfer reducing equivalents yang dihasilkan dari glikolisis substrat organik glukosa, laktat ke zat warna azo. Studi yang dilakukan oleh Zimmermann et al. 1982, melaporkan bahwa bakteri Pseudomonas KF46. mampu menggunakan zat warna azo sederhana sebagai sumber karbon dan energi dengan bantuan enzim azoreductase. Mekanisme reduksi zat warna azo orange II oleh bakteri Pseudomonas KF46 yang dikatalisis oleh enzim azoreductase disajikan pada Gambar 12. Gambar 12 Mekanisme perombakan orange II dikatalisis enzim orange II azoreductase. N N OH Orange II azoreductase 2 NADPH + H 2 NADP+ SO 3 Na SO 3 Na NH 2 + OH NH 2 Asam sulfanilat 1-amino-2-napthol Perombakan zat warna azo menurut hipotesis indirect enzymatic memerlukan mediator redoks yang berfungsi untuk mengakselerasi proses reduksi zat warna azo. Zat warna azo secara tidak langsung direduksi secara enzimatik oleh elektron yang dihasilkan glikolisis karbon eksternal. Enzim azoreductase mengkatalisis pembentukan flavinadeninenucleotide FAD tereduksi melalui reoksidasi oleh nicotinamide adenine dinucleotide NADH. Flavin dalam keadaan tereduksi mentransfer elektron secara langsung ke zat warna azo tanpa bantuan enzim azoreductase. Senyawa organik yang dapat berperan sebagai mediator redoks dilaporkan oleh beberapa peneliti, di antaranya flavin FADH 2 , FMNH 2 dan riboflavin Field dan Brady 2003, antrakuinon-2,6-disulfonat Damronglerd et al. 2005, metil viologen, menadion, dan antrakuinon Van der Zee 2002. Mekanisme reduksi zat warna azo secara indirect enzymatic menggunakan mediator redoks dilaporkan oleh Field dan Brady 2003, ditunjukkan pada Gambar 13. Gambar 13 Mekanisme perombakan zat warna azo menggunakan riboflavin sebagai mediator redoks. Perombakan zat warna azo secara kimia dengan menggunakan senyawa organik atau anorganik seperti sistein, askorbat, ditionat, sulfida yang dihasilkan dari metabolisme bakteri. Proses perombakan zat warna azo secara kimia ini, zat warna azo mengalami reaksi reduksi sedangkan senyawa organik atau anorganik mengalami reaksi oksidasi. Senyawa organik atau anorganik yang dapat digunakan mereduksi zat warna azo harus mempunyai nilai potensial reduksi lebih kecil dibandingkan dengan potensial reduksi zat warna azo. Beberapa potensial reduksi untuk sistem biologi pada pH 7 dan suhu 25 o C seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Riboflavin teroksidasi Riboflavin tereduksi Zat warna azo N N N NH R H O O H N N N NH R O O Riboflavin reductase R 2 NH 2 R 1 NH 2 + Substrat Substrat teroksidasi Amina aromatik N=N R 1 R 2 Tabel 4 Potensial redoks setengah reaksi pada sistem biologi Setengah reaksi E o mV Transfer 2 SO 3 2- S 2 O 4 2- + 2 H 2 O -574 2e + 4 H + TiIV sitratTiIIIsitrat -480 e + H Sistein2 sistein -340 2e + 2 H + NAD + NADH + H + -320 2e + 2 H + S o HS - -270 2e + 2 H + S o H 2 S -250 2e + 2 H + FADFADH 2 -220 2e + 2 H + FMNFMNH 2 -220 2e + 2 H + RO 96dua amina aromatik -133 4e + 4 H +

2.6.2. Perombakan Zat Warna Tekstil pada Kondisi Aerob

Zat warna azo relatif sulit dirombak pada kondisi aerob. Hal ini disebabkan zat warna azo mempunyai gugus kromofor sebagai penarik elektron yang kuat. Dengan demikian, sistem penanganan aerob tidak efektif digunakan sebagai proses awal pada perombakan limbah tekstil melainkan lebih banyak digunakan sebagai penanganan lanjutan dari proses anaerob. Penanganan aerob untuk menghilangkan bau dan menstabilisasi bahan organik serta melanjutkan perombakan bahan pencemar yang belum dirombak pada proses anaerob agar limbah hasil pengolahan memenuhi baku mutu untuk dialirkan ke lingkungan. Perkembangan dewasa ini beberapa jenis bakteri mampu merombak zat warna tekstil pada kondisi ada oksigen dengan bantuan sumber karbon lain karena zat warna azo tidak dapat digunakan sebagai sumber energi secara langsung. Zissi et al. 1997, dalam kajiannya melaporkan bahwa bakteri Bacillus subtilis mampu merombak zat warna azo p-amino benzoat menjadi anilin pada kondisi aerob dengan menggunakan glukosa sebagai sumber karbon. Bakteri Pseudomonas stutzeri, Acetobacter liquefaciens dan Klebsiella pneumoniae mampu merombak zat warna azo reactive red 2 menggunakan glukosa sebagai sumber karbon Wong and Yuen 1996. Sebelumnya, Cao et al. 1993, melaporkan bakteri kelompok Streptomyces dan Sphingomonas penghasil peroksidase mampu merombak zat warna azo pada kondisi aerob. Disamping itu, beberapa jenis bakteri lain seperti Aeromonas sp., Proteus mirabilis, Pseudomonas pseudomallei 13NA dan Pseudo luteola dapat tumbuh pada kondisi aerob dan mampu merombak zat warna azo dengan menggunakan gula sebagai sumber karbon Chen et al. 1999. Berdasarkan hasil kajian tersebut, pada umumnya hanya zat warna azo sederhana seperti methyl red, acid orange 10, acid orange 8 dan acid red 88 yang mampu dirombak oleh bakteri pada kondisi aerob. Perombakan zat warna azo pada kondisi aerob memerlukan enzim spesifik yaitu aerobic azoreductase yang mengkatalis reaksi dengan adanya oksigen. Menurut Telke et al. 2008, mekanisme reaksi oksidasi zat warna azo reactive red 141 oleh bakteri Rhizobium radiobacter pada kondisi semi aerob dengan bantuan enzim azoreductase ditunjukkan seperti pada Gambar 14. Gambar 14 Mekanisme perombakan reactive red 141 menggunakan Rhizobium radiobacter. SO 3 N=N OH NO SO 3 SO 3 SO 3 N=NH Napthalena 2-diazonium 1,5 asam disulfonat 2-Nitroso napthol 4,7 asam disulfonat + N=NH Desulfonasi Desulfonasi OH NO Napthalena diazonium 2-Nitroso napthol N=N NaSO 3 SO 3 Na OH HN Reactive Red 141 N N N O O H H 1,3,5 triazine 2,4 diol intermediet + NO 2 O 2 N SO 3 SO 3 NO SO 3 OH N=N SO 3 + p-dinitro benzen Monoazo intermediet SO 3 SO 3 SO 3 N=N OH NO SO 3 Monoazo SO 3 Na SO 3 Na HN HN N N N O SO 3 Na NaSO 3 N=N O N N N NH OH SO 3 Na NaSO 3

2.6.3. Perombakan Zat Warna Tekstil Kombinasi Anaerob dan Aerob

Karakteristik limbah industri tekstil dengan nilai COD dan intensitas warna yang tinggi disertai sifat bahan pewarna yang stabil pada kondisi aerob, proses pengolahan sistem kombinasi anaerob-aerob menjadi pilihan utama untuk menanggulangi pencemaran air oleh limbah tekstil. Secara umum proses pengolahannya dibagi menjadi dua tahap yaitu pertama proses penguraian anaerob dan yang ke dua proses pengolahan lanjutan secara aerob. Pada proses anaerob ditujukan untuk memecah molekul-molekul zat warna yang besar dan kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana sehingga warna menjadi hilangg. Sedangkan pada proses aerob terjadi proses pengolahan lanjutan yaitu perombakan hasil transformasi bahan organik pada proses anaerob dimineralisasi menjadi molekul sederhana seperti CO 2 dan H 2 O. Perombakan Tahap Anaerob Zat warna tekstil reaktif azo pada tahap perombakan anaerob diuraikan menjadi senyawa amina aromatik, gas-gas seperti hidrogen sulfida maupun amoniak yang berbau menyengat. Perombakan zat warna azo menjadi senyawa amina aromatik tak berwarna sehingga warna menjadi hilang. Senyawa amina aromatik tersebut umumnya sulit mengalami perombakan pada kondisi anaerob karena mempunyai energi resonansi negatif yang tinggi sehingga bersifat stabil secara termodinamik Stolz 2001. Perombakan zat warna reaktif azo pada kondisi anaerob membutuhkan karbon organik seperti glukosa, pati, asetat, tapioka atau senyawa karbon lainnya Chinwetkitvanich et al. 2000. Perombakan Tahap Aerob Proses pengolahan lanjutan ini dilakukan untuk menguraikan amina aromatik yang terbentuk pada peruraian anaerob menjadi zat-zat sederhana yang tidak toksik serta CO 2 dan H 2 O. Pada kondisi aerob, mikrob terutama bakteri melalui enzim hidroksilase dan oksigenase mengkatalisis pemecahan struktur benzena. Cincin aromatik mengalami hidroksilasi dan selanjutnya terjadi pembukaan cincin cleavage melalui pengikatan 2 atom oksigen Pandey 2007. Penghilangan warna dan perombakan zat warna azo menggunakan mikrob sangat baik menggunakan kombinasi anaerob-aerob. Beberapa keunggulan sistem pengolahan dengan kombinasi anaerob-aerob adalah bahwa pada tahap anaerob digunakan untuk proses stabilisasi limbah organik sehingga proses peruraian dapat lebih efisien. Pengolahan sistem kombinasi anaerob-aerob dapat dilakukan dengan sequential menggunakan dua reaktor maupun secara simultan menggunakan satu reaktor berisi mikrob yang teramobilisasi. Uji efisiensi reaktor pengolahan limbah tekstil sistem kombinasi anaerob-aerob teknik batch telah dilakukan oleh Liyan et al. 2001. Hasil kajiannya menunjukkan bahwa pengolahan limbah menggunakan dua unit reaktor memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan menggunakan satu unit reaktor. Mekanisme perombakan zat warna azo dengan sistem kombinasi anaerob- aerob dilaporkan oleh Hug et al. 1991 dengan menggunakan zat warna azo mordant yellow 3 sebagai model limbah zat warna tekstil. Mekanisme perombakan zat warna azo sistem kombinasi anaerob-aerob disajikan pada Gambar 15. Gambar 15 Perombakan zat warna mordant yellow 3 dengan kombinasi anaerob-aerob COOH OH N=N SO 3 H COOH OH NH 2 H 2 N SO 3 H Anaerobik 5-aminosalisilat OH H 2 N COOH SO 3 H H 2 N 6-aminonapthalenasulfonat SO 3 H OH OH H H 2 N O 2 [2H] OH OH H 2 N O 2 HSO 3 O COOH OH H 2 N OH H2N COOH Piruvat COOH O COOH H 2 N O 2 COOH COOH O H 2 N H 2 O NH 3 COOH HO COOH O H 2 O Pumarat + Piruvat Aerobik

2.7. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Efisiensi Perombakan Limbah Tekstil Secara Biologi