Teknologi Fixed Bed Reactor

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 reactor didefinisikan 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 reactor 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 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 reactor beroperasi 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 CO 2 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 D-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. 3. Maturasi I: proses pematangan biofilm tahap awal. 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 hidupsintasan 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-