Pertumbuhan Bakteri Kinetika Pada Pertumbuhan Bakteri Pengolahan Secara Biologi

Tugas Pencegahan Pencemaran

RINGKASAN MATERI BAB 8

Pertumbuhan BakteriKinetika Pada Pertumbuhan BakteriPengolahan Secara Biologi

KELOMPOK 4FAJRI MUHAMMADHAFIDZ AL RASYIDKAMELIYA HANI MILLATI

Departemen Teknik KimiaUniversitas IndonesiaDepokMei, 2015Dosen PengajarProf. Dr. Ir. Heri Hermansyah, M.Eng.

Asisten DosenGalih Meri

PERTUMBUHAN BAKTERIKAMELIYA HANI MILLATI1.1. Struktur Bakteri

KapsulLapisan terluar dari bakteriKapsul (glikoprotein), lendir (air dan polisakarida)Kapsul (bakteri parasite dan patogen)Lendir (bakteri saproba)Dinding SelMempertahankan bentuk dan sebagai pelindungDinding sel: peptidoglikanBakteri gram positif dan negatifMembran PlasmaPembungkus sitoplasma yang selektif permeableMembran plasma: fosfolipid dan proteinDNADNA kromosom dan DNA nonkromosomRibosomOrganel kecil dalam sitoplasma untuk sintesis proteinRibosom: protein dan RNASitoplsmaCairan koloid tempat terjadinya reaksi metabolisme selSitoplasma: molekul organik seperti lemak, protein, karbohidrat, dan garam mineral, enzim, DNA, klorosom, dan ribosom

Ciri Utama Bakteri

MultiselulerProkariotikTidak memiliki klorofilUkuran tubuh 0.12 ratusan micron dengan rata rata 1- micronDapat hidup di lingkungan ekstrim1.2. Bentuk Bakteri

1.3. Pertumbuhan Bakteri

Pemindahan sedikit materi genetic dari suatu bakteri ke bakteri lainnyaPemindahan materi genetic melalui perantara/vector seperti virusPemindahan materi genetic dengan kontak langsung melalui jembatan sitoplasma1.4. Kecepatan Pertumbuhan BakteriPertumbuhan: Meningkatnya jumlah sel atau massa selWaktu generasi: Waktu yang diperlukan untuk membelah diri dari satu sel menjadi dua sel sempurnaDoubling time: Waktu yang diperlukan oleh sejumlah sel aau massa sel menjadi dua kali jumlah atau massa sel semula

1.5. Metode Pengukuran Pertumbuhan Bakteri1.6. Fase Pertumbuhan Bakterihttp://www.professorcrista.com/files/animations/posted_animations/bac_growth_curve.swf

FASE LAGFase ketika bakteri beradaptasi dengan lingkungan dan mulai bertambah sedikit demi sedikit

FASE LOGARITMIKFase ketika pertumbuhan bakteri berlangsung paling cepat.

FASE STASIONERFase ketika jumlah bakteri yang berkembangbiak sama dngan jumlah bakteri yang mati

FASE KEMATIANFase ketika jumlah bakter yang mati semakin banyak sehingga melebihi jumlah bakteri yang berkembangbiak1.7. Faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Bakteri

KINETIKA PADA PERTUMBUHAN BAKTERIFAJRI MUHAMMAD2.1. Persamaan Umum Laju Pertumbuhan Sel

2.2. Parameter Laju PertumbuhanY koefisien yield pada sel yang didefiniskan sebagai laju produksi atau pembentukan biomass per unit dari substrat (mg VSS/mg COD)

Kd laju kerusakan endogen atau jumlah sel yang hilang atau rusak selama terjadinya respirasi endogen per unti per satuan waktu ( 1/day)

max laju pertumbuhan spesifik maksimum

Ks konstanta pada persamaan Monod. Disamakan dengan konsentrasi pada substrat dimana sama dengan max2.3. Perhitungan Laju Pertumbuhan SelPersamaan Monod

Laju pertumbuhan spesifik

rg = laju pertumbuhan sel (g/dm3s) = laju pertumbuhan spesifik s-1Cc = konsentrasi sel (g/dm3)

max = laju pertumbuhan spesifik maksimum (s-1)Ks = konstanta pada persamaan Monod (g/dm3)Cs = konsentrasi substrat (g/dm3)

2.4. Efek Metabolisme Endogin

Efek Metabolisme EndoginLaju pertumbuhan bakteri harus mempertimbangkan efek Endogin (mati dan saling memakan). Faktor endogin dapat diformulasikan sbb :

rd = -kdX

Hubungan dengan laju pertumbuhan bakteri dapat didefinisikan:

2.5. Efek TemperaturTinggi rendahnya suhu akan meningkatkan laju pertumbuhan dan banyaknya jumlah sel, tergantung dari jenis sel atau mikroba Bakteri Thermofilik adalah bakteri yang akan tumbuh secara efektif dan baik pada suhu tinggiTinggi atau rendahnya suhu juga dapat menghambat atau mematikan pertumbuan sel

2.5. Efek Temperatur

2.5. Efek TemperaturUntuk mengukur laju reaksi pada temperature tertentu, digunakan persamaan:rT = r20 (T-20)rT = laju reaksi pada ToC r20 = laju reaksi pada 20oC = koefisien aktivitas temperatur (tergantung tipe pengolahan)T = temperatur oC

2.6. YieldUntuk mengetahui konsumsi dari substrat, sel yang terbentuk, dan produk yang terbentuk maka dapat diketahui dengan mengetahui nilai Yield.Yield adalah rasio massa atau mol produk yang dibentuk untuk massa atau mol reaktan yang dikonsumsiUntuk menghitung jumlah yield , maka Yield = (Produk Akhir)/(Reaktan yg diumpankan ke reaktor) x 100%

2.6. YieldPerolehan sebuah produk P terhadap reaktan A (YP/A) dapat dinyatakan sebagai:

2.7. Perhitungan Growth YieldHubungan antara pertumbuhan sel mikroba dan konsumsi substrat dinyatakan dengan:X =Xt XoYx/s = s = (st so)Dimana X adalah kenaikan jumlah biomassa sebagai akibat digunakannya substrat sebanyak s2.8. Neraca Massa Laju Pertumbuhan SelNeraca massa sel pada CSTR

Neraca massa substrat pada CSTR

2.8. Neraca Massa Laju Pertumbuhan SelNeraca massa sel pada BatchUntuk sistem Batch, tidak terdapat aliran masuk dan keluar secara kontinyu, dimana v = v0 = 0, dimana neraca massa adalah:

Untuk laju pengurangan substrat, -r, neraca masa hasil konsumsi substrat oleh pertumbuhan sel adalah:

Pada pertumbuhan sel fase stasioner, konsumsi substrat dan pertumbuhan sel stabil, maka neraca massa pembentukan sel adalah:

Untuk pembentukan produk, rp, dapat dihubungkan dengan pembentukan sel, dimana neraca massa yang terjadi adalah

PENGOLAHAN SECARA BIOLOGIHAFIDZ AL RASYIDBiological Treatment Processes

Pengolahan limbah secara biologi yaitu pengolahan (treatment) air limbah dengan mendaya gunakan mikroorganisme untuk mendekomposisi bahan-bahan organik yang terkandung dalam air limbah menjadi bahan yang kurang menimbulkan potensi bahaya (misalnya keracunan, kematian biotik akibat penurunan DO, maupun kerusakan ekosistem).

Secara umum tujuan serta manfaat pengolahan air limbah secara biologi yaitu sebagai berikut :Degradasi (penguraian) bahan organikTransformasi zat organik menjadi zat yang kurang berbahayaNitrifikasi/DenitrifikasiMenggunakan kembali zat organik dalam air limbah (misalnya gas metana).

Anaerob ProcessPengolahan air limbah secara biologi anaerob merupakan pengolahan air limbah dengan mikroorganisme tanpa injeksi udara/oksigen kedalam proses pengolahan. Pengolahan air limbah secara biologi anaerob bertujuan untuk merombak bahan organic dalam air limbah menjadi bahan yang lebih sederhana yang tidak berbahaya.Pada proses pengolahan secara biologi anaerob terjadi empat tahapan proses yang terlibat diantaranya :Proses hydrolysis : suatu proses yang memecah molekul organic komplek menjadi molekul organic yang sederhanaProses Acidogenisis : suatu proses yang merubah molekul organic sederhana menjadi asam lemakProses Acetogenisis : suatu proses yang merubah asam lemak menjadi asam asetat dan terbentuk gas-gas seperti gas H2, CO2, NH4 dan SProses Methanogenisis : suatu proses yang merubah asam asetat dan gas-gas yang dihasilkan pada proses acetogenisis menjadi gas methane CH4 dan CO2

Aerob tersuspensi

Gambar Tangki DigesterPada tangki digester dilengkapi dengan pengaduk yang bertujuan untuk mensuspensikan mikroorganisme dalam digester. Pada bagian atas tangki terdapat lubang (man hole) agar manusia bisa masuk kedalam tangki digester untuk maintenance (pemeliharaan) dan juga lubang kecil untuk pengukuran tekanan didalam tangki digester.

Gambar Operasional pengolahan air limbah secara biologi anaerob tersuspensiOperasional instalasi pengolahan air limbah secara biologi anaerob dengan model pertumbuhan mikroorganisme tersuspensi seperti berikut:Pembiakan mikroorganisme dalam tangki digester.

Alirkan air limbah kedalam tangki digester, besarnya aliran air limbah diatur sesuai dengan waktu tiinggal dalam tangki digester

Pada proses pengolahan secara biologi anaerob akan dihasilkan gas-gas seperti CH4, CO2 dan NH3, gas-gas ini akan memberikan tekanan pada tangki. Dalam rangka mengatasi tekanan gas-gas tersebut, maka dibutuhkan pengeluaran gas-gas tersebut secara kontinyu

Air limbah yang telah diolah, dialirkan kedalam tangki clarifier yang bertujuan untuk memisahkan antara air limbah hasil pengolahan dengan mikroorganismenyaOperasional instalasi pengolahan air limbah secara biologi anaerob dengan model pertumbuhan mikroorganisme melekat seperti berikut :

Pembiakan mikroorganisme dalam media trickling fliter, pembiakan mikroorganisme dilakukan dengan mengalirkan mikroorganisme kedalam trickiling filter melalui distributor.

Alirkan air limbah kedalam trickling filter melalui distributor, pastikan aliran air limbah mengenai media porous secara merata agar terjadi kontak antara air limbah dengan mikroorganismenya.

Air limbah yang telah berkontak dengan mikroorganisme akan keluar melalui bagian bawah trickling filter, aliran air akan mengandung mikroorganisme dalam jumlah yang kecil, mikroorganisme ini dipisahkan dalam tangki clarifier dan dialirkan kembali ke dalam trickling filter, sedangkan air limbah hasil pengolahan akan mengalir secara over flow dari bagian atas tangki clarifier.

Pada proses pengolahan secara biologi anaerob akan dihasilkan gas-gas seperti CH4, CO2, NH3, gas-gas ini dikeluarkan dari bagian atas tangki trickling filter.

Gas-gas yang dihasilkan pada pengolahan air limbah secara biologi anaerob seperti CH4 dan CO2 dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar.

Anaerob ProcessProses Lumpur Aktif (Activated Sludge Process)Pengolahan air limbah dengan metode pertumbuhan tersuspensi (suspended growth) umumnya diaplikasikan sebagai Proses Lumpur Aktif. Langkah operasional lumpur aktif sebagai berikut :Pembiakan mikroorganisme.Air limbah yang telah terkondisi sesuai lingkungan mikroorganisme (pH normal dan temperatur lingkungan serta kandungan logam berat kecil) dipompa dialirkan menuju tangki aerasi.Air limbah yang tercampur dengan mikroorganisme pada tangki aerasi akan keluar dari tangki aerasi menuju tangki clarifier. Mikroorganisme yang keluar dari bagian bawah clarifier, sebagian besar dipompa dan dialirkan kembali ke tangki aerasi untuk proses berikutnya, dan sebagian kecil dibuang. Mikroorganisme yang terbuang dari clarifier perlu dilakukan pengelolaan lebih lanjut sehingga tidak mencemari lingkungan.

Model Kontak-Stabilisasi (Contact-Stabilization)Model ini merupakan pengolahan air limbah secara biologi aerob. Pengembangan model kontak-stabilisasi ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi dan efektivitas pengolahan air limbah secara biologi aerob, yaitu waktu proses pengolahan yang lebih pendek dan hasil pengolahan air limbahnya yang maksimal.

Gambar Model Kontak-StabilisasiModel Kolam Oksidasi (oxidation Ditch)Pada model ini tangki proses dibuat berkelok-kelok, dan proses aerasi tidak dilakukan injeksi oksigen/udara secara langsung melainkan mempergunakan rotor sejenis baling-baling. Rotor ini berputar dan pada saat berputar air limbah akan berkontak dengan udara. Air limbah dipompa dialirkan kedalam kolam oksidasi, pada kolam oksidasi air limbah bercampur dengan mikroorganimse berputar, panjang lintasan putaran tergantung pada waktu kontak yang dibutuhkan.

Kolam Besar Aerasi (Aerated lagoons)Pengolahan air limbah secara biologi aerob dengan model Aerated lagoons (basins) membutuhkan luas lahan yang cukup besar, hal ini dilakukan mengingat jumlah air limbah yang akan dilakukan pengolahan sangat besar. Pada model ini dapat terjadi 2 (dua) proses yaitu aerob dan fakultatif. Aplikasi Proses Pengolahan BiologiMenurunkan senyawa organik karbon NitrifikasiDenitrifikasiMenurunkan senyawa fosfor Stabilisasi limbah cairTransformasi zat organik menjadi zat yang kurang berbahayaMenggunakan kembali zat organik dalam air limbah (misalnya gas metana).

Istilah-Istilah Pada Pengolahan BiologiAnoxic Denitrification / Denitrifikasi Anaerob : nitrogen dari senyawa Nitrat dikonversi menjadi gas Nitrogen tanpa oksigenBiological nutrient removal : penghilangan senyawa nitrogen dan fosfor dalam proses pengolahan biologiFacultative Process : proses pengolahan biologi dimana organisme berperan pada kondisi ada oksigen atau pun tidak ada oksigenCarbonaceous BOD removal : konsersi senyawa organik karbon pada limbah cair menjadi jaringan sel dan berbagai gas, dapat diasumsikan Nitrogen dalam berbagai bentuk dikonversi menjadi amoniaNitrification : amonia dikonversi menjadi nitrit kemudian dikonversi lagi menjadi nitratDenitrification : nitrat dikonversi menjadi nitrogen dan produk gas lainnyaSubstrate : menandakan senyawa organik/nutrisi yang akan dikonversi selama proses pengolahan biologi atau yang menjadi pembatas pada proses pengolahan biologiSuspended-Growth Processes : mikroorganisme berperan untuk mengkonversi senyawa organik menjadi gas /jaringan sel keberadaanya di air berupa suspensi.Attached-growth processes : mikroorganisme yang menempel pada media inert berperan mengkonversi senyawa organik.

KESIMPULANBakteri dapat tumbuh atau berkembang biak secara aseksual dengan pembelahan biner (paling umum) dan seksual dengan rekombinasi genetik.Pertumbuhan bakteri terbagi menjadi 4 fase yaitu fase lag, fase logaritmik, fase stasioner, dan fase kematian.Faktor utama yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri adalah nutrisi, suhu, pH, kandungan air, dan kandungan oksigen. Persamaan monod digunakan dalammenentukan laju pertumbuhan selMetabolisme endogen dan suhu mempengaruhi pertumbuhan selLaju pertumbuhan sel dapat dihitung dengan neraca massa menggunakan perhitungan yield sehingga diketahui jumlah biomassa yang didapat dan diperoleh laju pertumbuhan selSemua air buangan yang biodegradable dapat diolah secara biologi. Sebagai pengolahan sekunder, pengolahan secara biologi dipandang sebagai pengolahan yang paling murah dan efisien. Dalam beberapa dasawarsa telah berkembang berbagai metode pengolahan biologi dengan segala modifikasinya.Ditinjau dari segi lingkungan dimana berlangsung proses penguraian secara biologi, proses ini dapat dibedakan menjadi dua jenis:Proses Aerob, yang berlangsung dengan adanya oksigenProses Anaerob, tanpa adanya oksigen. Sebagian besar pengolahan air limbah secara biologi menggunakan sistem aerob [dengan injeksi oksigen], hal itu dikarenakan proses penguraian berjalan lebih cepat, biaya operasional relative murah, serta tidak menimbulkan hasil sampingan yang berbahaya.

DAFTAR PUSTAKABerlanga B (1998). Process, formula and installation for the treatment and sterilization of biological, solid, liquid, ferrous metallic, non-ferrous metallic, toxic and dangerous hospital waste material. United States Patent : 5,820,541.Christiani (2002). Pemanfaatan substrat padat untuk imobilisasi sel lumpur aktif. Buletin Keslingmas.Fogler (2006). Chemical Reaction Engineering 4th Edition. Pearson Eduaction.Hermansyah, Heri (2015). PPT Kuliah: Bacterial Growth, Kinetics in Bacterial Growth, and Biological Process Treatment. Universitas Indonesia Depok. Sumarsih, Sri (2003). Diktat Kuliah Mikrobiologi Dasar. UPN Veteran Yogyakarta.