asam2 volatil dan bakteri metanogenik


Sebagian besar senyawa dari alam bersifat biodegradable artinya dapat diuraikan secara biologis. Material organic dapat dihasilkan dari turunan produk limbah rumah tangga atau industry, dapat berupa senyawa sederhana maupun rumit, bergantung pada senyawa terkandung dalam limbah.sebagian besar senyawa yang terjadi adalah karbohidrat, lemak, dan protein.

Yang termasuk lemak misalnya lemak hewani, minyak, dan lilin. Hasil penguraian lemak hewan dan minyakl (trigliserida) adalah 3 molekul asam lemak sederhana dan  satu molekul gliserol. Asam lemak merupakan rantai karbon dan bervariasi sesuai panjangnya. Karbohidrat adalah gula dan turunannya. Penyusun protein adalah asam amino, yang dapat berupa senyawa tunggal atau berikatan dengan asam amino lainnya melalui ikatan peptide  membentuk rantai polipeptida.

Semua senyawa organic mengandung atom karbon, hydrogen, oksigen, dan mungkin sejumlah kecil nitrogen, Phosfor, dan Sulfur. Penguraian senyawa organic kompleks dapat menghasilkan ammonia, karbon dioksida, sulfat, sulfide, dan methane bergantung pada komposisi awal dari limbah dan bagaimana cara penguraiannya apakah secara aerob atau anaerob. Selama terjadi dekomposisi secara biologi, lebih dari setengah senyawa organic diubah bentuknya menjadi energy untuk digunakan biomassa  berkembang biak.

Penjelasan ini akan difokuskan kepada pembahasan proses pengolahan limbah secara anaerob dengan pembentukan asam lemak dan adanya proses methanogenesis, yaitu proses mengubah asam lemak rantai pendek (asam lemak yang mudah menguap seperti asam format, asam asetat, asam propionate, dan asam butirat), atau alcohol, CO2, dan hydrogen menjadi metana.

Asam volatile dari lemak

Tabel 5.1 Asam Lemak Umum

Asam lemak Rumus Molekul Sumber
Asetat CH3COOH Vinegar
Butirat C3H7COOH Mentega
Kaproat C5H11COOH Mentega
Kaprilat C7H15COOH Mentega
Kaprat C9H19COOH Minyak kelapa, Mentega
Laurat C11H23COOH Spermaceti, Mentega
Miristat C13H27COOH Mentega pala, Mentega
Palmitat C15H31COOH Lemak nabati dan hewani
Stearat C17H35COOH Lemak nabati dan hewani
Arakidat C19H39COOH Minyak kacang tanah

Asam lemak pada tabel di atas dapat dibentuk melalui proses hidrolisis lemak dan bereaksi dengan ion logam seperti natrium, kalium, magnesium, kalsium, untuk membentuk garam atau sabun. Sabun yang tidak larut dalam air dapat menyebabkan terjadinya buih yang menyebabkan kesulitan dalam degradasi. Hal ini dapat disebabkan adanya ion kalsium dan magnesium yang disebut sebagai air sadah.

Tidak seperti lemak, asam lemak dapat terurai dengan hidrolisis anaerob melalui mekanisme biokimia yang dikenal sebagai beta oksidasi dan  dengan menmbuang dua bagian karbon. Pembuangan satu bagian koenzim disebut koenzim A, hasilnya adalah pembentukan asam volatile seperti  asam asetat, asam propionate, dan asam butirat yang memiliki sifat yang mudah menguap pada tekanan atmosfer. Di antara asam-asam volatile ini, asam asetat merupakan precursor yang penting dalam pembentukan metana.

Asam volatile dari karbohidrat atau polisakarida

Semua gula mengandung atom C, H, dan O, serta sejumlah kecil nitrogen dan Phosfor.  Monosakarida merupakan jenis gula reduksi paling sederhana dan dapat menjadi bagian dari metabolism biokimia beberapa mikroba. Kelarutannya yang cukup besar dalam air dapat membuat mikroba dengan mudah mentransportasikannya ke dalam sel mereka. Disakarida seperti maltose, sukrosa, dan laktosa juga larut dalam air namun harus secara enzimatik dihidrolisis menjadi monosakarida terlebih dahulu untuk dapat masuk ke dalam sel mikroba. Polisakarida merupakan gula paling kompleks yang memiliki berat molekul tinggi dan tidak larut dalam air. Penguaraian sempurna polisakarida menjadi monosakarida membutuhkan tahapan yang menggunakan mekanisme enzimatik.

Monosakarida dapat masuk ke dalam mekanisme biokimia mikroba yang disebut sebagai proses glikolisis, yang menghasilkan asam piruvat yang merupakan pusat dari reaksi biokimia yang terjadi.  Monosakarida dapat memasuki hamper semua mekanisme biologi baik anabolisme untuk membentuk berbagai senyawa kimia pembentuk sel, maupun katabolisme untuk membentuk asam format dan asam asetat. Penggunaan gula oleh bakteri dalam proses anaerob disebut fermentasi. Produk fermentasi adalah alcohol (etanol dan butanol) yang dapat dikonversi menjadi asam volatile.

Asam volatile dari Protein

Protein merupakan senyawa organic yang cukup kompleks dan merupakan penyusun berbagai senyawa pembentuk sel. Terdapat 26 asam amaino di alam, walaupun hanya 20 yang diketahui secara umum membentuk protein. Beberapa asam amino memiliki struktur rantai lurus (alifatik) dan sebagian yang lain aromatic. Masing-masing asam amino tersebut memiliki gugus amino (-NH2) ,  gugus karboksil (-COOH), dan gugus samping (alkol “R”). Asama amino satu sama lain bergabung membentuk rantai polipetida melalui mekanisme polimerisasi kondensasi dan melepaskan molekul air.

Beberapa bakteri aerob dalam system pencernaan kita memiliki kemampuan untuk menghidrolisis protein dan polipeptida menjadi asam amino. Hidrolisis protein membutuhkan sekresi eksoenzim dari organism yang bersangkutan. Asam amino bebas dapat mengalami penguraian secara anaerob (fermentasi, dekarboksilasi, atau deaminasi) dan membentuk asam volatile.

Bakteri fakultatif anaerob, fakultatif aerob, dan bakteri metanogenik

Pada proses hidrolisis senyawa organic kompleks, sebagian besar produk dikonversi menjadi senyawa asam organic melalui proses asetogenesis dalam suasana anaerob. Selama proses ini, asam lemak rantai pendek seperti asam format, asam asetat, asam propionate,a sam butirat terbentuk.

Reduksi sulfat mendahului proses metanogenesis atau pembentukan biogas (CH4) yang diselenggarakan bakteri yang dikenal sebagai bakteri methanogenik. Bakteri jenis ini bertipe obligat anaerob, artinya hanya dapat hidup pada lingkungan yang kekurangan oksigen.

Tidak seperti obligat anaerob, bakteri fakultatif anaerob  dapat hidup dan bermetabolisme dalam lingkungan yang mengandung sedikit oksigen terlarut atau sama sekali tidak mengandung oksigen. Banyak bakteri anaerob fakultatif dapat menyelenggarakan fermentasi campuran. Misalnya, genus Enterobacter dapat menghasilkan asam, aldehida, alcohol, CO2, dan hydrogen dari  glukosa. Eschericia Coli, juga melakukan hal yang sama dengan menghasilkan senyawa indol atau skatol yang berbau tidak sedap.

Bakteri anaerob tidak dapat hidup dan bermetabolisme dalam lingkungan yang mengandung oksigen terlarut walaupun sedikit. Sebagian besar bakteri fakultatif anaerob dapat hidup di lingkungan dengan potensial oksidasi -reduksi berkisar antara -200 dan +200 mV, sementara bakteri anaerob termasuk di dalamnya bakteri metanogenik dapat hidup lebih baik dalam lingkungan yang memiliki potensial oksidasi –reduksi sekitar -200 sampai -400 mV.

Bakteri anaerob diklasifikasikan menjadi dua kelompokbesar. Yang pertama adalah kelompok bakteri yang tidak dapat bermetabolisme dalam lingkungan dengan kadar oksigen terlarut sesedikit mungkin namun masih dapat hidup, dan kelompok kedua adalah bekteri yang sama sekali tidak mentolerir  keberadaan oksigen sama sekali.  Beberapa bakteri anaerob  adalah penghasil asam kuat dan beberapa mereduksi sulfat, menjadi asam sulfide. Di dalam limbah dan lumpur aktif, bakteri fakulltatif anaerob dan anaerob menghidrolisis substrat senyawa organic (karbohidrat, lemak, dan protein). Lemak dikonversi menjadi asam lemak dan trigliserida, protein dihidrolisis menjadi asam amino, dan polisakarida dihidrolisis menjadi mono- atau disakarida.

Bakteri metanogenik adalah bakteri kuno dan berbeda dari kebanyakan eubakteri (bakteri sejati).  Beberapa memilkiki karakteristik yang sangat unik mulai dari jalur metabolism, komposisi dinding sel, dan koenzim. Bakteri ini memiliki peran yang sangat pentingdi alam. Mereka mampu mengkonversi  produk fermentasi menjadi produk berbentuk gas yang dapat berdifusi ke lingkungan aerobic. Hal ini mencegah akumulasi massa dari material organic yang disebut biorekalsitran yang memilkii jalur metabolism yang cukup lambat.

Terdapat lima substrat yang dapat dikonversi bakteri metanogenik menjadi metana: asetat (CH3-COO), format (HCOO), methanol (CH3OH), Karbon dioksida, dan metilamin (CH3NH2). Penggunaan asetat dalam pembentukan metana disertai pemecahan molekul , pembentukan metana dari gugus – CH3, dan karbondioksida dari gugus -COO.

Bakteri anaerob dan aerob dalam system pencernaan

Usus halus dan beberapa organ pencernaasn manusia lainnya merupakan tempat yang cukup ideal untuk kehidupan Bakteri anaerob. Dilaporkan bahwa terdapat 1010 sel/gram feses kering bakteri  jenis Bacteriocida. terdapat  jenis sakarolitik (penghancur gula) seperti Clostridium, Acetoribrio, Staphylococcus, Bacteriocides, Fusobacetrium, dan Peptococcus. Selain ditu, di dalam organ pencernaan, bakteri metanogenik juga dapat hidup. Koloni mereka mencapai 104 sampai  108 sel/mL .

Pencernaan Anaerob Senyawa Organik Menjadi Metana

Penguraian senyawa organic secara anaerob menjadi metana dibagi ke dalam 2 tahap utama sederhana yaitu hidrolisis dan pembentukan asam volatile, kemudian pembentukan metana. Ada juga yang membaginya ke dalam enam  tahap yaitu hidrolisis senyawa organic, fermentasi atau asetogenesis, hidrolisis anaerobic asam lemak dengan β oksidasi dan alcohol, oksidasi anaerobic asam lemak dan beberapa asam volatile, konversi asetat menjadi metana, dan pembentukan metana dengan pemasangan hydrogen dan karbon menjadi metana.

Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap Anaerobiosis dan metanogenesis

  1. Komposisi nutrisi

Komposisi nutrisi  dalam lumpur mempengaruhi perkembangan bakteri dan keberjalanan metabolism mereka dalam melakukan penguraian senyawa organic. Selain itu, komposisi  nutrisi juga berpengaruh pada komposisi biogas yang dihasilkan. CH4 seharusnya memiliki komposisi terbesar dalam offgas yang terbentuk. Namun karena pengaruh nutrisi, CO2 dapat menempati posisi dengan komposisi terbesar. Pada torinya penguraian sempurna karbohidrat, dapat menghasilkan 50% bagian CH4 dan 50% bagian CO2.. perubahan komposisi nutrisi dalam sludge dapat merubah perolehan ini.

  1. Oksigen terlarut yang terkandung dari system penguraian anaerob

Kehadiran oksigen dalam system dapat menghambat proses hidrolisis, asetogenesis, dan metanogenesis.

  1. Temperatur

Hampir semua kehidupan mikroba dipengaruhi temperature. Untuk menunjang kehidupan yang optimum, maka temperature yang harus diberikan pun optimum sesuai dengan karakteristik bakteri itu sendiri.  Temperature akan berpengaruh pada laju metabolism, laju pertumbuhan mikroba, produksi gas, penggunaan substrat, dan aktifitas biologi lainnya.  Hal ini disebabkan adanya keterlibatan enzim secara aktif dalam berbagai aktifitas tersebut, sementara enzim memiliki karakter yang cukup spesifik terhadap temperature. Dan yang perlu diperhatikan adalah bahwa  masing-masing kelompok bakteri anaerob memiliki temperature optimum yang berbeda-beda, jadi perlu disesuaikan. Berdasarkan spesifikasinya terhadap temperature, bakteri dibedakan menjadi 3 kelompok yaitu mesofilik, psikrofilik, dan termofil.

  1. pH

sama halnya dengan temperature, pH memiliki peran yang penting. Perubahan pH dapat merubah aktifitas biologi bakteri. Neutrophyles misalnya dapat hidup secara optimum dalam rentang pH sekitar 6.5-8, Acidophles hidup pada pH 3.5-5.5 dan Basophyles lebih suka tinggal pada pH 9,5-13. Alasannya pun sama yaitu berkaitan dengan aktifitas enzim yang sensitive terhadap pH sehingga perlu diilakukan pengendalian pH agar tetap berada pada kondisi optimum bakteri.

  1. Konsentrasi padatan volatile

Konsentarsi padatan volatile yang cukup tinggi di dalam umpan akan menambah beban penguraian bakteri, artinya, konsentari padatan ini akan menjadi parameter terukur yang dapat menyatakan seberapa besar beban pencernaan yang harus dilakukan. Padatan volatile ini biasanya terdiri dari sumber makanan untuk proses hidrolisis dan pembentukan asam. Selain itu, kadarnya juga akan berhubungan dengan asdam volatile yang terbentuk, dan pH dari system itu sendiri.

  1. Konsentrasi asam volatile

Ketika penguraian terjadi, asam lemak dapat dikonversi menjadi asam volatile, akumulasi berlebih dapat menyebabkan pH system turun signifikan. Penurunan pH akan menyebabkan terhambatnya proses metanogenesis dan hidrolisis.  Jadi konsentrasi asam volatile dijaga pada kondisi optimum.

Senyawa Toksik dan Inhibitor Penguraian Oleh Mikroba

  1. Ion logam

Ion logam yang dapat menghambat proses digesti mikoba bahkan membunuhnya adalah ion logam dalam konsentrasi berlebih melebihi kadar yang diperlukan mikroba, misalnya seng, tembaga, nikel, boron, molybdenum, selenium, besi, magnesium,  dan mangan. Beberpa logam yang lain seperti raksa, cadmium, kromium, timbale, tembaga, dan nikel memiliki keberpengaruhan yang cukup besar. Ion logam tersebut dapat menginaktivasi enzim sehingga tidak hanya pertumbuhannya yang terhambat, proses pencernaan senyawa organic yang sedangn meraka lakukan juga akan terhenti. Bahkan jika terdapat ion –SH  metanogenesis tidak akan terjkadi. Ion-ion tersebut dapat dating dari umpan, maupun dari asam organic yang ada. Selain menginaktivasi enzim, mereka juga dapat menurunkan kemampuan bakteri untuk mengadsorpsi padatan tersuspensi.

  1. Sulfide

Sulfide terbentuk dari reduksi ion sulfat dan dekomposisi asam amino yang mengandung sulfur. Mekanisme bagaimana ion sulfide dapat meracuni bakteri tidak diketahui dengan pasti, namun efek inhibitor dan racun yang terjadi dapat diidentifikasi mulai dari konsentrasi 200 mg/L dalam system digesti mesofilik.

Sulfide trlarut dapat bereaksi dengan logam berat kecuali kromium kemudian mengendap.

  1. Gas ammonia terlarut

Efek keberadaan ammonia berpengaruh pada proses metanogenesis, namun dalam jumlah sedikit dapat mnyebabkan beberapa perubahan pada proses hidrolisis dan pembentukan asam. Dilaporkan bahwa kadar ammonia yang lebih besar dari 700mg/L memiliki pemngaruh yang kurang signifikan, sementara inhibisi terjadi pada kadar di bawah 150 mg/L.

  1. Asam volatile tak terionisasi

Asam lemak volatile yang terakumulasi dapat menyebabkan turunnya Ph system dan menghambat proses metanogenesis, goncangan bebab yang harus dicerna, dan infiltrasi inhibitor seperti ion logam, hidrokarbon terklorinasi, sianida, formaldehid, dan kloroform.

  1. Sianida

Sianida akan menghambat proses metanogenesis.

  1. Inhibitor lain

inhibitor lain yang dapat mengganggu kinerja mikroba misalnya deterjen dengan kandungan laurel sulfatnya, hidrokarbon terklorinasi, formaldehid, kloroform pestisida, herbisida, insektisida, fungisida, dan pengawet makanan.

Advertisements

About iinparlina

Seorang Insan manusia yang diciptakan Allah dengan segala kekurangan dan kelebihannya, yang mencoba menjadi seorang yang dicintaiNya, dan salah satu cara yang dilakukannya adalah dengan menulis, membagi sedikit sekali ilmu yang dimilikinya. Meskipun sedikit, dia berharap dari yang sedikit itu, ilmu itu bisa bermanfaat untuk orang lain sebagaimana dia pun membutuhkan Ilmu untuk membuatnya bisa menjejakan kakinya di surga.

Posted on July 21, 2009, in teknik kimia..... Bookmark the permalink. 4 Comments.

  1. Ass. saya tertarik dg tulisan sdr, n sgt membantu penyusunan tesis..dg hormat sy mohon kiranya sdr dpt mgrm to E-mail ku. about nutrisi buat bakteri pengolahan limbah. sy sdg meneliti perananan C, N, F, dan K dalam fermentasi pupuk cair.Thanks..sblmnya.

  2. ass, mbak/ ibu…salam kenal…
    tanya bakteri apa saja yg hidup pada pengolahan limbah secara aerob?
    balasan via email…vebi_yuuuk@yahoo.co.id
    atas bantuan jawaban saya samapaikan terimakasih…

  3. ass.. saya ingin tau rumus air sadah apa ya?
    terima kasih

  4. ass,,, teh saya izin minta tulisannya ya,,,, untuk tugas ^_^
    jzk….

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: