Join emridho's empire

Senin, 25 Februari 2013

Contoh Jurnal Kinetika Biosorpsi Ion Logam Berat Cu(II) dalam Larutan Menggunakan Biomassa Phanerochaete chrysosporium


Soeprijanto, Ryan Fabella dan Bambang Aryanto
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi
Sepuluh Nopember Surabaya, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111
Email: s_soeprijanto@yahoo.co.uk

Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kemampuan biomassa Phanerochaete chrysosporium dalam mengadsorpsi ion logam Cu (II), dan juga untuk mendapatkan data keseimbangan dan biosorpsi kinetika. Biomassa P. chrysosporium ditumbuhkan dalam media cair pada suhu 35oC. Berbagai konsentrasi biomassa dikontakkan dengan larutan Cu(II) 200 mg/l dalam erlenmeyer yang digoyang dengan shaker flaker pada kecepatan 300 rpm. Hasil-hasil penelitian menunjukkan bahwa kapasitas biosorpsi maksimum dapat dicapai sebesar 3,99 mg/g. Estimasi parameter biokinetik, k1 untuk reaksi order pertama didapatkan  sebesar 0.02 menit-1 dengan nilai  koefisien korelasi sebesar 0.99.
Dapat disimpulkan bahwa jumlah biomassa Phanerochaete chrysosporium mempengaruhi konsentrasi keseimbangan ion logam Cu(II). Kinetika biosorpsi pada ion logam Cu(II) mengikuti persamaan reaksi order pertama.

Kata Kunci: Kapasitas Biosorpsi; Kinetika Biosorpsi; Phanerochaete chrysosporium

Abstract

The purpose of this research was to study the ability of biomass of Phanerochaete chrysosporium on biosorption of Cu(II) ion, and also to determine the kinetic parameter. P. chrysosporium was growed in a liquid media at temperature of 35oC. A variety of biomass concentrations was added to 200 mg/l Cu(II) solutions in erlenmeyer, then they were shaken using  shaker flaker at 300 rpm. The results showed that the maximum biosorption capacity was achieved to be 3.99 mg/g biomass. Parameter estimation, k1 was obtained approximately 0.02 min-1 for the first order reaction with a correlation coefficient of 0.99.
It concluded that the amount of biomass of Phanerochaete chrysosporium influenced on equilibrium concentration of Cu(II). Biosorption kinetic of Cu(II) ion followed the first order reaction.
           
Keywords: Biosorption Capacity; Biosorption Kinetic; Phanerochaete chrysosporium






1. Pendahuluan
Limbah logam berat, antara lain nikel, merkuri, tembaga, krom, timbal, seng, cadmium, banyak terdapat di dalam beberapa limbah industri kimia, misalnya pada industri elektroplating, metalurgi, smelting, dll. Logam berat dalam limbah biasanya dalam berada dalam berbagai macam kondisi, seperti tidak terlarut, terlarut, anorganik, tereduksi, teroksidasi, logam bebas, terpresipitasi, terserap dan dalam bentuk kompleks. Logam-logam berat tersebut merupakan unsur yang dibutuhkan oleh makhluk hidup dalam jumlah yang sangat kecil sehingga jika kelebihan maka akan menyebabkan keracunan pada makhluk hidup tersebut.
Logam berat yang mencemari lingkungan, sebagian besar disebarkan melalui jalur air.  Proses ini akan lebih cepat bila memasuki tubuh manusia melalui rantai makanan. Apabila suatu logam terakumulasi pada jaringan hewan dan tumbuhan yang kemudian dikonsumsi manusia tentunya manusia sebagai rantai makanan tertinggi pada piramida makanan, maka dalam tubuhnya akan terakumulasi logam berat tersebut. Peristiwa ini biasanya dinamakan pembesaran biologi (biology magnification). Sangatlah sukar untuk membersihkan lingkungan yang tercemar oleh logam berat tersebut. Oleh karena itu untuk mengontrol pencemaran lingkungan akibat logam berat, perlu dibatasi kandungan maksimum logam berat dalam suatu limbah yang diperbolehkan dibuang di badan air.
Pada dasarnya logam berat dalam air buangan dapat dipisahkan dengan berbagai cara, yaitu dengan proses fisika, kimia dan biologi. Proses pengambilan logam berat yang terlarut dalam suatu larutan biasanya dilakukan dengan cara presipitasi, reverse osmosis, ion exchange, dan adsorpsi.
Cara-cara tersebut mempunyai kelebihan dan kelemahan misalnya proses adsorpsi dengan menggunakan  karbon aktif sebagai adsorbent mempunyai kelemahan terbatas pada penggunaannya karena harganya mahal, juga pada proses presipitasi juga tidak efektif diterapkan bila larutan mempunyai konsentrasi logam berat antara 1 – 1000 mg/l dan membutuhkan bahan kimia dalam jumlah besar dan akan menghasilkan lumpur berbahaya yang beracun dalam jumlah yang besar, dan hal ini menambah permasalahan baru dalam mengolah lumpur hasil pengolahan tersebut.
Pengolahan secara biologis dilakukan dengan cara memanfaatkan akumulasi logam berat oleh mikroorganisme. Untuk skala industri, biaya pengadaan biomassa mikroorganisme ini secara ekonomi tidak menguntungkan. Oleh karena itu, limbah biomassa dari limbah industri fermentasi dapat dimanfaatkan.
Biosorpsi  logam terjadi karena kompleksitas ion logam yang bermuatan positif dengan pusat aktif yang bermuatan negatif pada permukaan dinding sel atau dalam polimer-polimer ekstraseluler, seperti protein dan polisakarida sebagai sumber gugus fungsi yang berperan penting dalam mengikat ion logam. Proses penyerapan ini berlangsung cepat dan terjadi pada sel hidup maupun sel yang telah mati (Volesky, 2000).
Selain itu biosorpsi juga terjadi karena adanya  peristiwa  pertukaran  ion   dimana  ion monovalent dan divalent seperti Na+, Mg2+, Ca2+, K+ pada dinding sel digantikan oleh ion-ion logam berat (Suhendrayatna, 2001).

Phanerochaete chrysosporium
Jamur merupakan mikroorganisme bersel banyak, hidup secara aerobik, nonfotosintetik kemoheterotrof dan termasuk eukariotik. Mikroba ini menggunakan senyawa organik sebagai substrat dan bereproduksi secara aseksual dengan spora. Kebutuhan metabolisme mereka sama seperti bakteri, namun membutuhkan lebih sedikit nitrogen dan dapat tumbuh dan berkembang biak pada pH rendah. Ukuran jamur lebih besar dari pada bakteri, tetapi mempunyai  karakteristik pengendapan yang buruk. Oleh karena itu mikroorganisme ini tidak disukai dalam proses activated sludge (lumpur aktif).
Faktor utama yang mempengaruhi pertumbuhan jamur ini adalah suhu, pH, kandungan oksigen terlarut dan konsentrasi nitrogen yang mencukupi. Temperatur optimum yang mendukung pertumbuhan jamur ini adalah 39oC dengan pH antara 4 – 5. Karena mikroorganisme ini termasuk aerobik, maka aktivitas biologisnya juga dipengaruhi oleh konsentrasi oksigen terlarut dalam media (Ceribasi dan Yetis, 2001).

                 
            Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan jamur Phanerochaete chrysosporium dalam menyerap ion logam berat Cu (II), mempelajari keseimbangan biosorpsi, dan kinetika bisorpsi.
           

2. Fundamental

Untuk mengevaluasi kemampuan biomassa dalam mengadsorpsi larutan logam berat dapat dilakukan dengan mendapatkan data keseimbangan biosorpsi yang diperoleh dari eksperimen.
Biosorpsi ion logam memungkinkan melibatkan chemisorpsi, yang dapat mengendalikan laju kecepatan reaksi. Analisa kinetika didasarkan pada kinetika reaksi terutama pseudo order pertama atau mekanisme pseudo pertama bertingkat. Untuk meneliti mekanisme adsorpsi, konstanta kecepatan reaksi sorpsi kimia untuk ion-ion logam, digunakan persamaan system pseudo order pertama oleh Lagergren (Zhang dkk., 1998), dan mekanisme pseudo order kedua. Persamaan ini digunakan untuk menguji data percobaan dari konsentrasi awal, suhu dan berat ion-ion logam dalam larutan pada pH  6.
Untuk Konstanta kecepatan reaksi order pertama chemisorpsi:
                       … (1)
Dengan qe adalah jumlah Cu(II) diadsorp (mg/g) pada waktu keseimbangan, qt adalah jumlah Cu(II) diadsorp pada waktu t (menit), k1 adalah konstanta kecepatan adsorpsi (jam-1). Integrasi persamaan ini dengan kondisi batas t =0 sampai t=t dan qt = qt, memberikan:
              … (2)
Dengan menggunakan regreasi linear dan mengalurkan ln(qe qt ) terhadap t diperoleh konstanta k1.
Untuk konstanta kecepatan reaksi order kedua proses chemosorpsi:
                     … (3)
Integrasi persamaan ini dengan kondisi batas t = 0 sampai t = t dan qt = 0 sampai qt = qt, memberikan:
                  … (4)               
dengan  k2 konstanta keseimbangan order kedua chemisorpsi (g/mg.jam). Model kinetika order kedua dapat disusun untuk mendapatkan bentuk linear :
                         … (5)
             
3. Bahan-bahan dan Metodologi
Bahan-bahan Kimia
Bahan-bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini adalah CuSO4. 5 H2O, Dektrose, Dimethyl Glyoxime, NaOH, H2SO4, Glukosa, Pepton, Potato Dextrose Agar (PDA). Ini semua dibeli dari perusahaan-perusahaan berikut ini: Merck Ltd. Poole Dorsel; Fluka, Gilingham-Dorset; Oxoid Basingstoke Hampshire; semua bahan-bahan kimia adalah ”general purpose reagent” (GPR). 
            Larutan ion logam Cu(II) dengan konsentrasi 200 mg/l dibuat dengan melarutkan garam CuSO4 5 H2O dalam air. Perlakuan terhadap biomassa digunakan larutan 0,5 N NaOH.

Mikroorganisme

Strain Phanerochaete chrysosporium diisolasi, ditentukan dan diberikan oleh Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
            Biomassa P. chrysosporium ditentukan dengan mengeringkan dalam oven pada suhu sekitar 110o C sampai diperoleh berat konstan.

Biosorpsi Secara Batch
Dibuat larutan ion logam Cu(II) garam CuSO4. 5 H2O dengan konsentrasi 200 mg/l sebanyak 100 ml dalam erlenmeyer dan dikontakkan dengan biomassa P. chrysosporium dengan bervariasi konsentrasi antara 4 -8 g/l.
Sebelum proses, biomassa dikontakkan terlebih dahulu dengan larutan NaOH 0,5 N selama beberapa menit, untuk menghilangkan kotoran-kotoran yang ada pada permukaan, seperti lemak, protein, dan polisakarida, sehingga akan membukan rongga pori-pori. Kemudian digoyang dengan shaker dan kemudian dipisahkan dengan centrifuge. Biomassa kemudian dicuci dengan aquades sampai air bekas cucian mendekati netral.

Penentuan Konsentrasi Ion Logam Tembaga

Suspensi dipisahkan dari biomassanya dengan cara centrifugasi pada kecepatan 5000 rpm selama 15 menit. Supernatan yang diperoleh dianalisa kosentrasi ion Cu(II) dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 480 nm.
            Ion logam Cu(II) yang terserap dalam biomassa, qe untuk biosorpsi isothermal  diukur berikut ini:
  ... (3)
dengan qe kapasitas biosorpsi (mg Cu(II) /g biomassa), V adalah volume larutan dalam erlenmeyer dengan kontak batch (ml), Ci adalah konsentrasi ion Cu(II) dalam larutan (mg/l), Ce adalah konsentrasi akhir ion Cu(II) dalam larutan (mg/l), W adalah massa sel (g).           

4. Hasil Penelitian dan Pembahasan

Konsentrasi Keseimbangan Ion Logam Cu(II).

Gambar 1 menunjukkan hubungan antara banyaknya biomassa yang ditambahkan dan konsentrasi keseimbangan ion Cu(II) setelah mencapai keadaan seimbang, Ce.  Konsentrasi awal larutan ion Cu(II) yang digunakan adalah sebesar 200 mg/l, dan waktu biosorpsi yang dicapai pada keadaan seimbang adalah sekitar 160 menit. Hasil percobaan menunjukkan bahwa besarnya konsentrasi keseimbangan ion logam Cu(II) pada setiap proses biosorpsi sangat tergantung pada banyaknya biomassa (biosorbent) yang digunakan (dikontakkan) dalam larutan. Semakin banyak biosorbent yang dikontakkan dalam larutan, maka semakin besar ion Cu(II)  yang terserap dan konsentrasi akhir (keseimbangan) ion Cu(II) akan semakin kecil.
                  Gambar 1. Hubungan Antara Konsentrasi Keseimbangan Cu(II) Terhadap Berbagai Konsentrasi Awal Biomassa. (¿: 4g/l; ¾:5g/l; p: 6 g/l;  Î: 7g/l;r: 8g/l).


Kapasitas Biosorpsi Logam Berat Cu(II).

Gambar 2 menunjukkan hubungan kapasitas biosorpsi ion logam Cu(II) terhadap waktu.  Biosorpsi dilakukan pada pH media sekitar 6, karena pada kondisi ini proses biosorpsi dapat dicapai optimum (Sing and Yu, 1998). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kapasitas biosorpsi meningkat dengan waktu hingga mencapai kondisi maksimum (keseimbangan) dalam waktu sekitar 160 menit, dan diperoleh nilai kapasitas biosorpsi maksimum sebesar 3,99 mg/g biomassa. Hasil penelitian ini lebih rendah bila dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh Soeprijanto dkk. (2004), yang menggunakan biomassa Saccharomyces cerevisiae dengan kapasitas biosorpsi sebesar 19,9 mg/g;  Wase et al. (1997) menggunakan fungi dengan kapasitas biosorpsi 30 mg/g; dan Liu dan Tang (1999) menggunakan resin dengan kapasitas biosorpsi sebesar 87 mg/g; dan Liu et al. (2001) menggunakan Extracellular Polymeric Substances (EPS) menghasilkan kapasitas maksimum sebesar 1120 mg Cu2+ /g.
                  Tetapi hasil penelitian ini lebih besar bila dibanding oleh Kapoor dan Viraraghavan (1997) yang menggunakan Aspergillus niger dengan kapasitas biosorpsi sebesar 2,9 mg/g.

Gambar 2. Hubungan Kapasitas Biosorpsi Ion Cu(II) Terhadap Waktu. 

Estimasi Parameter Biokinetik
Regresi linear dengan mengalurkan ln(qeqt) terhadap t dari persamaan (2) akan menghasilkan konstanta k1. Sedangkan untuk mendapatkan konstanta k2 diperoleh dari persamaan (5) dengan mengalurkan t/qt terhadap t yang merupakan garis lurus. Hasil perhitungan konstanta-konstanta dari kedua persamaan dan nilai koefisien korelasi (R2) ditunjukkan dalam Tabel 1.
                  Hasil-hasil percobaan menunjukkan bahwa kinetika biosorpsi ion loam Cu(II) dalam larutan mengikuti persamaan reaksi order pertama, karena persamaan - persamaan tersebut mempunyai nilai koefisien korelasi (R2) yang tinggi sebesar 0,99 (Gambar 3). Sedangkan untuk order kedua didapatkan nilai (R2) sebesar 0,88 (Gambar 4).  Nilai koefisien korelasi (R2=0,99) yang besar ini menunjukkan bahwa ada hubungan baik antara data percobaan dengan persamaan model matematika.

Gambar 3. Linearisasi Persamaan Model Lagergren Reaksi Order Pertama.

 Gambar 4. Linearisasi Persamaan Model Lagergren Reaksi Order Kedua.

Tabel 1. Estimasi Parameter Biokinetik Persamaan Model Lagergren Reaksi Order Pertama dan Kedua.

Parameter
Order Pertama
Order Kedua
k1
(menit-1)
0,02

k2
(g.mg-1.menit-1)

0,00
R2
0,99
0,88
4. Kesimpulan
Hasil penelitian ini dapat disimpulkan  bahwa kapasitas biosorpsi maksimum dapat dicapai dalam waktu sekitar 160 menit dengan nilai sebesar 3,99 mg/g.
                  Kinetika biosorpsi pada ion logam Cu(II) mengikuti persamaan reaksi order pertama dengan nilai  k1 = 0,02 menit–1 dan nilai koefisien korelasi (R2) sebesar 0,99.
                       
Daftar Notasi
Symbol


Ce


Ci

k1


k2



qe


qt


t

V


W
=


=

=


=



=


=


=

=


=
Konsentrasi keseimbangan ion Cu(II) dalam larutan (mg/l).
Konsentrasi ion Cu(II) dalam larutan (mg/l).
Konstanta kecepatan biosorpsi order pertama (menit –1).
Konstanta keseimbangan order kedua chemisorpsi (g.mg –1menit –1).
Jumlah Cu(II) diadsorp (mg/g) pada waktu keseimbangan.
Jumlah Cu(II) diadsorp (mg/g) pada waktu t (menit).
Waktu proses biosorpsi (menit)
Volume larutan dalam erlenmeyer dengan kontak batch (ml).
Massa sel (g). 



Daftar Pustaka
Ceribasi, H. dan Yetis, U. (2001). Biosorption of Ni(II) and Pb(II) by Phanerochaete chrysosporium from a Binary System-Kinetic, Water Research, 27(1), 15-20.

Kapoor, A. dan Viraraghava, T. (1997). Biosorption Heavy Metal by  Aspergillus niger. Global Environmental Biotechnology, Kluwer Academic Publisher, 139-155.

Liu, R. dan Tang, H. (1999). Removal of Heavy Metal from Solutions. Proc. Of Urban Pollut. Control Tech., Hong Kong, October 13-16, 1999, 203-207.

Liu, Y., Lam, M.C. dan Fang, H.H.P. (2001). Adsorption of  Heavy Metals by EPS of Activated Sludge. Wat. Sci. and Tech., 43(6), 59-66.

Sing, C dan Yu, J. (1998). Copper Adsorption and Removal from Water by Living Mycelium of White Rot Fungi  Phanerochaete chrysosporium. Water Research, 32(9), 2746-2752. Soeprijanto, Eko Sulistyowati dan Achmad Elsony (2004). Kinetika Bioadsorpsi Ion Logam Berat Cu(II) Menggunakan Biomassa Saccharomyces Cerevisae. Dalam: Seminar Nasional, Teknik Kimia “Kejuangan” 2004, 27-28 Januari 2004,Yogyakarta.

Suhendrayatna (2001). Heavy metal Bioremoval by Microorganisms: A literature Study, Institute for Technology Studies-Chapter Japan.

Volesky, B. (2000). Biosorption of Heavy Metals, CRC Press Boston.

Wase, D.A.J., Forster, C.F. and Ho, Y.S. (1997). Low Cost Biosorbents: Batch Processes. In: Biosorpbents for Metal Ions, J.Wase and C. Forster (ed), Taylor&Francis, Great Britain, 141-163.

Zhang, L., Zhao, L., Yu, Y. dan Chen, C., (1998). Removal of Lead  from Aqueous Solution by Non-living Riz

Tidak ada komentar:

Mengenai Saya

Foto saya
Mahasiswa Teknik Industri Universitas Andalas 2009 Alumni Ponpes Asy-Syarif Angkatan 09,, Alumni Ponpes Madinatul Munawwarah angkatan 06.