Pengendalian Biofouling
Sistem Pendingin

CT.jpg

Utilitas multi-pabrik menghabiskan miliaran Rupiah per tahun untuk oxidizing & non-oxidizing biocide untuk menjaga permukaan pertukaran panas tetap bersih dan untuk mengendalikan biofouling dalam sistem pendingin. Pemilihan & penggunaan bahan Kimia Biocide yang tepat dapat menekan pertumbuhan mikro organisme.

 

Biofouling dapat berupa mikro atau makro (oleh remis atau moluska) di alam. Bagian pertama artikel ini mengeksplorasi microfouling oleh bakteri, slime, ganggang, dan sejenisnya. Bagian kedua membahas macrofouling oleh remis atau moluska; cara mengendalikan mereka adalah dengan disiplin pengolahan air khusus.

Bagian I: Microfouling

Pengotoran mikrobiologis/ Microbiological fouling dalam air pendingin disebabkan oleh biofilm (Gambar 1). Biofilm adalah konfigurasi dari berbagai jenis bakteri; zat berlendir yang mereka hasilkan yang disebut exopolysaccaride (EPS) menyatukan semuanya. Biofilm, yang menyebabkan gigi berlubang dan penyakit seperti fibrosis kistik, ada di mana-mana di hampir semua jenis perpipaan air. Dalam proses industri, biofilm dapat menyebabkan korosi dan secara serius mempengaruhi aliran, penurunan tekanan, dan efisiensi perpindahan panas dari permukaan logam (Gambar 2).

fig 2.jpg
  1. Beberapa membutuhkan oksigen; yang lain tidak. Biofilm hidup di berbagai lingkungan, dari aerobik, dalam air pendingin (atas), hingga anaerob, dekat permukaan pipa logam (bawah).

Sumber: P. Dirckx, MSU Center for Biofilm Engineering, Montana State University

fig 3.jpg

2. Tidak bisa tetap bersih. Biofouling membatasi perpindahan panas dari tabung kondensor. Courtesy: K.A. Selby

Korosi yang dipengaruhi secara mikrobiologis (MIC) seringkali merupakan konsekuensi dari pengotoran mikrobiologis. Untuk menyebabkan korosi, biofilm menciptakan area katodik dan anodik pada permukaan logam. Bakteri di dalamnya dapat menghasilkan asam yang korosif terhadap logam dan bahkan dapat menggunakan logam sebagai bahan bakar.

(Untuk detailnya, lihat James Walker, Susanne Surman, dan Jana Jass, "Industrial Biofouling: Detection, Prevention, and Control" [John Wiley & Sons Inc.: 2000], hlm. 86.)

Biofilm juga berfungsi sebagai tempat pengumpulan lumpur dan puing-puing lain yang dapat menumpuk pada pengisian menara pendingin dan menyebabkan kerusakan struktural. Mereka mendorong pembentukan kerak seperti Kalsium Karbonat. Biofilm juga dapat menampung populasi bakteri penyebab penyakit seperti Legionella dan listeria.

 

Tingkat umum pertumbuhan biofilm dikendalikan oleh nutrisi dan kondisi sekitar air pendingin. Jenis sumber air juga penting. Meningkatnya penggunaan limbah industri dan kota sebagai air umpan untuk sistem pendingin (make up water) adalah berita bagus bagi serangga, karena perairan ini sering mengandung sejumlah besar nitrogen, fosfat, dan senyawa organik yang diperlukan untuk pertumbuhannya.

 

Pendatang tak terlihat 

Sistem air pendingin bebas bakteri (sistem apa pun yang mengandung air, pada kenyataannya) tidak dapat ditemukan di industri listrik. Sumber bakteri terlalu banyak, dan kemampuan beradaptasi bakteri terhadap kondisi memungkinkan mereka untuk membentuk koloni di mana saja.

 

Bakteri yang menghuni sistem pendingin biasanya memulai hidup mereka sebagai bakteri berenang bebas atau planktonik. Mereka dapat dimasukkan dari sumber air baku atau sebagai spora dari udara. Meskipun mungkin ada miliaran bakteri planktonik dalam sistem pendingin, mereka biasanya tidak menjadi masalah. Selama mereka terus bergerak, mereka tidak dapat menyebabkan masalah korosi atau perpindahan panas. Dan mereka dapat dengan mudah dihancurkan bahkan oleh konsentrasi kecil dari sejumlah biosida oksidator dan nonoksidasi.

Bakteri hanya menjadi bermasalah ketika mereka mengendap dan menjadi bagian dari biofilm yang sudah mapan. Sayangnya, sebagian besar teknik yang digunakan oleh industri dan vendor bahan kimia biosida untuk mengukur jumlah dan/atau jenis bakteri dalam sistem pendingin hanya mendeteksi bakteri planktonik. Jumlah bakteri planktonik dan prevalensi biofilm berbahaya dalam sistem air pendingin tidak berkorelasi dengan baik.

Gawang lengket

Pada  titik tertentu, menggunakan mekanisme yang tidak sepenuhnya dipahami, bakteri yang berenang bebas menempel pada permukaan dan membentuk koloni. Untuk membentuk biofilm, bakteri mengeluarkan EPS dan membungkus diri di dalamnya. Meskipun hampir seluruhnya air, EPS sangat efektif dalam melindungi bakteri dari perubahan kondisi di dunia luar. EPS juga unggul dalam menangkap nutrisi, puing-puing tersuspensi, dan bakteri lainnya, yang meningkatkan ketahanan dan daya tahan biofilm.

 

Ketika biofilm terbentuk, mereka menggabungkan dan mendukung berbagai jenis bakteri. Sementara air pendingin dan lapisan atas biofilm dapat mewakili lingkungan aerobik (kaya akan kandungan oksigen), di lapisan bawah (berdekatan dengan dinding perpipaan) lingkungannya anaerob (kekurangan oksigen).  Berbagai jenis bakteri mengeksploitasi kondisi dalam biofilm yang paling cocok untuk mereka. Jika biofilm menyebar, begitu juga koloni bakteri. Bakteri pada bagian biofilm dalam air pendingin dapat dikelupas dan mengendap di tempat lain untuk membentuk lebih banyak biofilm di seluruh sistem.

 

Bakteri di lapisan luar yang kaya oksigen lebih aktif daripada yang ada di lapisan dalam, yang tampaknya relatif tidak aktif. Menariknya, penelitian menunjukkan bahwa ada jauh lebih banyak bakteri yang tidak aktif di bagian dalam biofilm daripada di dekat permukaannya.

Karakteristik struktur biofilm ini menunjukkan betapa sulitnya mengendalikan atau menghilangkan biofilm yang sudah mapan menggunakan biosida saja. Bakteri dalam biofilm telah terbukti 10 hingga 1.000 kali lebih tahan terhadap biosida jenis apa pun daripada rekan-rekan planktonik mereka. Biosida hanya dapat membunuh bakteri yang bersentuhan dengan mereka.

 

Biofilm memiliki relatif sedikit bakteri di area luarnya yang aktif secara metabolik yang disentuh biosida. Biocides oksidator, seperti chlorine, tidak pandang bulu: mereka dapat sepenuhnya habis karena mereka membakar lapisan luar dan EPS biofilm, tidak pernah mencapai konsentrasi bakteri tertinggi. Itu sebabnya aplikasi yang jarang bahkan dosis "syok" chlorine tidak efektif dalam mengendalikan biofilm. Selain itu, karena bakteri di bagian dalam biofilm sebagian besar tidak aktif, biosida yang bertindak sebagai racun metabolik mungkin tidak sepenuhnya menghancurkan biofilm.

 

Dispersan dapat digunakan bersama dengan biosida untuk menurunkan konsentrasi lokal EPS, sehingga meningkatkan penetrasi biosida ke dalam biofilm dan penghancuran bakteri yang mereka simpan. Namun, pendekatan terbaik adalah mencegah biofilm menjadi begitu mapan sehingga  mereka dapat bangkit kembali.

Buang sampahnya

Apa yang tidak dapat dipertahankan oleh biofilm adalah penghapusan secara mekanis. Apakah mereka menggunakan sikat, atau bola busa, sistem mekanis sangat efektif dalam menghilangkan biofilm dari permukaan penukar panas dan menyebarkannya ke dalam air pendingin. Dalam sistem resirkulasi seperti menara pendingin, sangat penting untuk memasangkan pembersihan mekanis dengan aplikasi biosida dan mungkin biodispersan. Meskipun pengangkatan mekanis tidak membunuh bakteri, itu sangat efektif dalam mengganggu struktur biofilm, membuat semua bakteri di dalamnya lebih rentan terhadap biosida.

 

Biofilm dan biofouling dapat terjadi pada hampir setiap bahan. Faktanya, beberapa logam paduan yang biasanya dianggap rentan terhadap korosi umum mungkin kurang rentan terhadap biofouling daripada logam paduan yang diiklankan sebagai "tahan korosi."

 

MIC dapat menyerang stainless steel yang digunakan dalam banyak sistem air pendingin dengan salah satu dari beberapa cara. Setelah biofilm menembus lapisan oksida pelindung, korosi dapat berlangsung dengan cepat. Kondisi anaerob di dasar biofilm mencegah lapisan oksida pelindung terbentuk (Gambar 3). Korosi dapat sangat terlokalisasi dan melemahkan penampilan. Dalam beberapa kasus, "terowongan" korosi di bawah logam (Gambar 4).

fig 5.jpg

Makhluk lapar.  Biofilm dalam air sumur yang tergenang menyebabkan korosi pada baja tahan karat 304L yang berdekatan dengan lasan. "Tunneling" biasanya menyertai korosi yang diinduksi secara mikrobiologis.

Courtesy: M&M Engineering

Bahkan jika logam tidak menimbulkan korosi, sifat lembam dari beberapa paduan (yang memiliki titanium, misalnya) membuat logam menjadi inang yang sangat cocok untuk biofilm. Paduan tembaga, sebaliknya, cenderung secara aktif mencegah pertumbuhan biofilm. Korosi pada permukaan pipa tembaga membebaskan ion tembaga yang dapat bertindak sebagai biosida, meracuni pertumbuhan bakteri. Tembaga dapat memiliki efek yang sama pada macrofouling, dengan mencegah perlekatan kerang dan kerang.

 

Melawan pelanggaran

Biosida kimia dapat dibagi menjadi dua kelompok utama, oksidator dan nonoksidator. Biosida oksidator termasuk klorin (gas dan pemutih),  asam hipobromous, BCDMH (1-bromo, 3-kloro, 2,2-dimetil hydantoin), klorin dioksida, hidrogen peroksida, dan ozon. Biosida nonoksidasi yang umum termasuk gluteraldehyde, isothiazalone, dan DBNPA (2,2-dibromo, 3-nitrilopropionamide).

 

Klorin dulunya adalah biosida yang paling umum digunakan di pembangkit listrik . Baru-baru ini, banyak pabrik telah meninggalkan sistem klorin gas mereka yang lebih murah demi pemutih cair yang lebih mahal. Masalah peraturan dan keselamatan yang terkait dengan transportasi, penyimpanan, dan penggunaan silinder klorin 1 ton membuat penggunaannya yang berkelanjutan terlalu berisiko dan tidak ekonomis.

 

Ketika gas klorin ditambahkan ke air, ia bereaksi untuk membuat asam klorida dan asam hipoklorit dalam proporsi yang sama. Dalam sistem air pendingin resirkulasi ulang, aplikasi gas klorin sering disertai dengan penurunan pH.

 

Sistem pendingin yang menggunakan klorin secara efektif sering beroperasi pada pH mendekati 7. Pada tingkat ini, klorin dan asam hipoklorit sangat efektif. Ini adalah asam hipoklorit (HClO) yang berfungsi sebagai biosida, dengan menembus membran sel dan mengganggu beberapa mekanisme sel vital. Namun, dalam lingkungan alkali asam hipoklorit dinetralkan dan membentuk ion hipoklorit (ClO-1). Dalam lingkungan seperti itu, ion belum terbukti mampu berfungsi sebagai biosida, mungkin karena mereka tidak dapat menembus dinding sel bakteri semudah HClO.

 

Bleach / Pemutih  

Pemutih komersial atau industri tersedia dalam kekuatan dari 10% hingga 15%. Ini diproduksi dengan mem-bubbling gas klorin melalui larutan natrium hidroksida. Kelebihan hidroksida dipertahankan dalam larutan akhir untuk meningkatkan stabilitas pemutih (kekuatan pemutih berkurang seiring waktu, paparan sinar UV, dan kontak dengan sejumlah logam). Biasanya, pemutih komersial memiliki pH antara 11 dan 13. Pada tingkat yang sangat basa ini, pemutih  tidak mengandung asam hipoklorit, hanya ion hipoklorit. Salah satu konsekuensi yang mungkin dari pH tinggi adalah pembentukan endapan kalsium karbonat pada injektor pemutih, hasil dari pemutih yang bereaksi dengan air pendingin "keras" (Gambar 5).

Konsumsi besar, pengembalian lebih rendah.

Tingginya pH Chlorine menyebabkan endapan kalsium karbonat yang menyumbat saluran injeksi Chlorine ini.

Courtesy: M&M Engineering

fig 6.jpg

Tidak seperti dosis dengan klorin, menambahkan pemutih ke air pendingin baik sedikit meningkatkan pH-nya atau tidak berpengaruh padanya. Jika pH air sudah basa, ion hipoklorit yang lebih tidak efektif akan terbentuk, sehingga merugikan menciptakan asam hipoklorit yang lebih efektif . Dalam pH 8 air pendingin, konsentrasi HClO adalah 20%, dibandingkan dengan 70% dalam air dengan pH 7. Banyak sistem pendingin resirkulasi saat ini beroperasi pada pH antara 8,0 dan 8,5. Air danau yang digunakan untuk pendinginan bisa sangat basa.

Selain bertindak sebagai biosida, klorin atau pemutih dapat bereaksi dengan sejumlah senyawa organik dan anorganik lainnya. Jika air pendingin mengandung amina atau amonia, seperti banyak air pendingin, kloromin terbentuk. Karena kloromin mengkonsumsi klorin, mereka meningkatkan jumlah klorin yang dibutuhkan untuk menghasilkan tingkat residu klorin bebas yang ditentukan.  Kloromin juga dapat bertindak sebagai biosida, tetapi tidak terlalu efektif.

Saat mengukur klorin bebas yang tersedia, penting untuk diingat bahwa reagen yang ditambahkan untuk tes DPD (4,5-dihidroksi, 2,3-pentanedione) akan mengukur konsentrasi asam hipoklorit dan ion hipoklorit — serta parameter dari spesies pengoksidasi lainnya seperti asam hipobromous , ion hipobromit, dan peroksida. Oleh karena itu, jika pengukuran air pendingin dengan pH 8,5 menunjukkan bahwa ia memiliki 1 ppm klorin bebas yang tersedia, konsentrasi asam hipoklorit pembunuh bakteri hanya sekitar sepersepuluh dari tingkat itu, atau 0,1 ppm. 0,9 ppm lainnya mewakili ion hipoklorit.

 

Anda tidak perlu membeli pemutih komersial atau industri dalam jumlah besar untuk mendapatkan hipoklorit.  Banyak pembangkit listrik tepi laut menghasilkan hipo mereka sendiri dengan memberi umpan air laut ke generator bertenaga listrik yang menghasilkan  larutan hyprochlorite yang lebih encer  daripada pemutih komersial, tetapi karena kesegarannya, beberapa mengklaim bahwa itu lebih efektif terhadap biofilm.

 

Mengingat ketidakefektifan pemutih di lingkungan alkali, banyak utilitas yang memiliki air pendingin alkali telah beralih ke penggunaan  asam hipobromous (HBrO).  Asam hipobromous seperti asam hipoklorit dalam hal ini: Bentuk asam adalah biosida yang efektif, sedangkan ion hipobromit (BrO–) tidak. Namun,  asam hipobromous tetap dalam bentuk asam pada pH yang lebih tinggi  daripada asam hipoklorit (Gambar 6) dan karenanya berkali-kali lebih efektif untuk mengolah air pendingin dengan pH tinggi.  Bromoamines, tidak seperti rekan-rekan mereka yang diklorinasi, tampaknya merupakan  biosida yang sangat efektif. Untuk alasan ini,  asam hipobromous sering lebih disukai untuk mengolah air pendingin (dan air limbah) yang mengandung amonia.

pH air pendingin mempengaruhi efektivitas biosida.

Grafik menunjukkan pengaruhnya terhadap ionisasi asam hipoklorit (HClO) dan hipobromous (HBrO).

Sumber: M&M Engineering

fig 7.gif

Satu-satunya lalat dalam salep ini adalah ketidakstabilan asam hipobromous pada  pHs yang hampir netral. Dalam lingkungan netral atau sedikit basa, ia terurai menjadi bromat (BrO3-), karsinogen dan neurotoksin. Dengan demikian, jumlah bromat yang terbentuk mungkin menjadi perhatian pabrik yang membuang air pendinginnya ke sungai atau danau. Di lingkungan yang sangat asam,  asam hipobromous relatif stabil.

 

Karena biasanya dibutuhkan banyak natrium bromida untuk mengolah air pendingin, biayanya mungkin merupakan biaya kimia yang signifikan bagi pabrik. Namun, banyak pabrik tidak menggunakannya dengan benar dan dengan demikian membuang-buang uang mereka.

Meskipun natrium bromida disampaikan dengan instruksi yang sangat spesifik tentang cara mencampurnya dengan pemutih dengan benar untuk mencapai aktivasi penuh, sejumlah pembangkit listrik tidak melihat instruksi atau telah diberitahu oleh pemasok mereka untuk tidak repot-repot mengikutinya.  Beberapa pabrik hanya mencampur bahan kimia pekat dan menyuntikkan larutan ke dalam air pendingin. Yang lain menambahkan pemutih dan bromida menggunakan garis terpisah. Kedua metode ini tidak efisien dan membuang sejumlah besar bromida.

 

Optimalisasi injeksi biosida

Dalam sistem injeksi biosida, larutan pemutih pekat dan natrium bromida biasanya hanya bersentuhan selama hitungan detik sebelum air pendingin mengencerkannya ke titik di mana mereka tidak dapat lagi bereaksi secara efektif. Jika diterapkan dengan cara ini, kemungkinan hanya sebagian kecil dari bromida yang benar-benar diubah menjadi  asam hipobromous. Bahwa banyak pabrik mendapatkan hasil positif dari menambahkan bromida menunjukkan efektivitas bahkan sejumlah kecil  asam hipobromous sebagai biosida.

 

Untuk memaksimalkan efektivitas natrium bromida, larutan yang mengandungnya harus disuntikkan ke dalam aliran samping air pendingin dan dicampur secara menyeluruh dalam mixer statis in-line. Kemudian, pemutih harus ditambahkan dan larutan dicampur lagi. Konsentrasi bromida dan pemutih sering ditambahkan secara equimolar. Aliran aliran air pengenceran harus diatur untuk menghasilkan konsentrasi oksidan akhir antara 1.000 ppm dan 2.000 ppm. Pemasok natrium bromida Anda harus dapat memberikan panduan aplikasi produk yang berisi persamaan yang memungkinkan Anda mengoptimalkan konfigurasi sistem penambahan pemutih/bromida Anda.

 

Peroksida: "green" Biosida

Biosida pengoksidasi lain yang telah berhasil digunakan dalam sistem air pendingin tanaman adalah hidrogen peroksida, oksidan yang sangat kuat yang menghancurkan bakteri dan biofilm. Peroksida memiliki keunggulan lingkungan yang berbeda dengan hanya menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan dari reaksinya.

Sebagian besar kerusakan korosi yang dilakukan oleh biofilm berada di daerah anaerob di pangkalan mereka.  Bakteri pereduksi sulfat (SRBs) berkembang dalam kondisi anaerob ini dan menghasilkan asam korosif. Peroksida tidak hanya "membakar" melalui biofilm; itu meresap dengan oksigen, menghancurkan SRBs.

 

Hidrogen peroksida bekerja dengan baik di satu pabrik yang pengisian menara pendinginnya telah begitu kotor oleh akumulasi biofilm dan puing-puing sehingga struktur menara ke titik puncak (Gambar 7). Suntikan berulang hidrogen peroksida kekuatan industri ke dalam riser sel menara menghilangkan film dan puing-puing yang mereka tarik.

Pembersih menara. 

Biofilm pada pengisian menara pendingin ini secara efektif dikontrol dengan hidrogen peroksida.

Courtesy: M&M Engineering

fig 8.jpg

Sources : Powermag.com water treatment chemical services