Nanopartikel Minyak Atsiri Serai Dapur Untuk Menghambat Biokorosi Pada Baja

[caption caption="http://www.metalurgi.lipi.go.id/bakteri-penyebab-bio-korosi/"][/caption] 

Korosi diketahui merupakan penyebab kerugian terbesar dalam industri perminyakan karena dapat menyebabkan kebocoran pada instalasi pipa minyak bumi yang berdampak pada kerugian besar juga pencemaran lingkungan. Sebanyak 70% penyebab korosi pada instalasi pipa minyak disebabkan oleh mikroorganisme. Oleh sebab itu, dalam industri perminyakan, dibutuhkan metode yang tepat guna dalam mengontrol dan menghambat pertumbuhan mikroorganisme yang dapat menyebabkan biokorosi. Biofilm yang merupakan penyebab terbesar terjadinya biokorosi di instalasi pipa minyak yang terbentuk dari lapisan konsorsium mikroba pada permukaan logam pun memiliki struktur sangat kompleks yang sulit ditembus dengan senyawa biosida yang memiliki ukuran makromolekul. Dalam penelitian sebelumnya, telah digunakan biosida sintesis atau kimia untuk merusak integritas biofilm pada pipa minyak bumi. Namun biosida sintesis atau kimia dinilai dapat menghasilkan residu yang lebih beracun dan dapat membahayakan lingkungan. Hal tersebut memicu penelitian berbasis biosida alami yang ramah lingkungan, namun memiliki aktivitas anti-mikroba dan anti-korosi yang memiliki spektrum luas terhadap mikroorganisme penyebab biokorosi. Selain itu juga diperlukan teknologi yang dapat mengantarkan senyawa biosida alami tersebut dengan meningkatkan bioavabilitas dan membuat ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga dapat mempenetrasi biofilm hingga ke intinya.

Korosi itu sendiri merupakan sebuah proses kerusakan material, khususnya pada logam, yang terjadi akibat adanya reaksi elektrokimia dengan lingkungan. Proses korosi yang disebabkan oleh agen makhluk hidup, seperti mikroorganisme, disebut dengan biokorosi. Mikroorganisme, khususnya bakteri, mampu melekat pada permukaan logam pada instalasi pipa minyak bumi dengan mengekskresikan metabolit dan exopolymeric substances (EPS) yang membentuk lapisan biofilm pada permukaan logam. Hal tersebut dapat memicu terjadinya lokalisasi reaksi elektrokimia dengan cara mengganggu laju kesetimbangan proses reaksi reduksi dan oksidasi. Reaksi tersebut akan melepaskan banyak ion logam ke lingkungan sehingga dapat mendegradasi permukaan logam dan mengakselerasi proses terjadinya laju biokorosi. Pembentukan EPS akan memfasilitasi bakteri aerob untuk melekat pada logam dan membentuk mikrokoloni. Kolonisasi bakteri aerob akan menggunakan oksigen untuk proses respirasi sehingga akan terbentuk area yang tidak ada oksigen atau anaerob. Area ini memicu hadirnya mikroorganisme anaerob yang dapat mengakselerasi terjadinya korosi. Biofilm pun akan semakin tebal dan membentuk tubercule dan lubang-lubang kecil (pitting corrosion) sebagai produk dari biokorosi. Mikroorganisme yang berperan dalam pembentukan biofilm dan penyebab terjadinya biokorosi antara lain; bakteri penghasil eksopolisakarida (EPS), bakteri penghasil asam, bakteri pengoksidasi sulfur, bakteri pengoksidasi besi, dan bakter pereduksi sulfat (SRB).

Biokorosi paling banyak disebabkan oleh mikroorganisme yang dapat menggunakan kandungan sulfur dalam reservoir minyak bumi sebagai donor elektron untuk proses metabolisme. Salah satunya adalah bakteri pereduksi sulfat atau SRB (sulphate-reducing bacteria). SRB menggunakan ion sulfat yang ada dalam reservoir minyak bumi sebagai akseptor elektron terakhir dan menghasilkan gas biogenik hidrogen sulfida yang sangat korosif terhadap permukaan pipa. Selain itu, sulfida dapat bereaksi dengan ion besi yang dapat menghasilkan senyawa besi sulfida yang dapat meningkatkan reaksi katodik sehingga mampu mempercepat terjadinya laju biokorosi. Bakteri SRB dapat tumbuh dalam permukaan pipa dengan membentuk biofilm bersama dengan konsorsium mikroba lain yang dapat mendegradasi material pipa yang digunakan dan mengakselerasi laju pembentukan biokorosi.

Untuk menghambat terjadinya biokorosi, umumnya digunakan senyawa biosida. Salah satu biosida alami yang diketahui memiliki aktivitas anti-korosi terdapat pada daun serai dapur. Daun serai dapur (Cymbopogon citratus) merupakan tanaman yang telah diteliti memiliki aktivitas anti-mikroba yang spektrumnya sangat luas. Kemampuan tersebut diambil dari ekstrak daun serai dapur yang menghasilkan minyak essensial yaitu minyak atsiri serai dapur (lemongrass essential oil) yang mengandung beberapa komponen senyawa yang bersifat biosidal, salah satunya adalah senyawa sitral yang dapat secara sinergitik membunuh mikroba, yaitu dengan cara menempel pada membran sel mikroba dan merusaknya, menghambat pembentukan protein essensial, atau dengan berinterkalasi dengan DNA/RNA mikroba sehingga menyebabkan gangguan pada sistem replikasi sel. Namun, sifat minyak atsiri yang merupakan senyawa volatil dan mudah teroksidasi menjadi kelemahan dari penggunaan minyak atsiri dalam menghambat biokorosi karena senyawa tersebut cepat menguap dan hilang sebelum sampai ke targetnya. Selain itu, kelarutan minyak atsiri serai dapur atau biovabilitasnya dalam air formasi cukup rendah karena minyak atsiri bersifat lipofilik.

Untuk mengatasi kelemahan tersebut, terdapat teknologi yang mampu meningkatkan kinerja biosida alami sebagai anti-korosi, yaitu dengan teknologi enkapsulasi nanopartikel. Nanopartikel terbuat dari bahan makromolekul atau polimer yang digunakan untuk melarutkan, memerangkap, atau mengenkapsulasi bahan bioaktif secara kimia dalam bentuk nanopartikel. Salah satu polimer alami yang umum digunakan dalam teknologi nanopartikel adalah kitosan. Kitosan merupakan polisakarida yang memiliki karakteristik biodegradable, biocompatible, murah, dan aman bagi lingkungan. Metode yang paling umum dan mudah digunakan untuk menghasilkan nanopartikel berbasis polimer kitosan yaitu dengan metode gelasi ionik. Metode ini menggunakan kemampuan elektrostatik gugus amina pada kitosan yang bermuatan positif untuk membentuk struktur cross-linking dengan polianion yang bermuatan negatif. Polianion yang umum digunakan dalam pembuatan nanopartikel adalah tripolophosphate atau TPP.

Penggunaan nanopartikel kitosan-TPP dengan minyak atisiri serai dapur didalamnya dapat meningkatkan kelarutan atau bioavabilitas minyak atsiri serai dapur dalam fase air. Sebab biofilm terdapat pada pertengahan fase antara minyak dengan air formasi. Selain itu, nanopartikel minyak atisiri serai dapur mampu meningkatkan luas permukaan dan area kontak minyak atsiri serai dapur dengan mikroba yang terintegrasi dalam biofilm, juga dapat mengkontrol rilis minyak atsiri serai dapur pada laju spesifik dan menjaga minyak atsiri serai dapur yang terkandung di dalamnya dari oksidasi lingkungan, evaporasi, dan kerusakan termal sehingga tidak mudah tervolatilisasi. sehingga dapat meningkatkan efektivitas sifat anti-mikroba dan anti-korosi yang terdapat pada minyak atsiri serai dapur dalam menghambat laju biokorosi pada instalasi pipa minyak bumi.

Dampak secara kualitatif dan kuantitatif dari penggunaan nanopartikel minyak atsiri serai dapur sebagai biosida alami dalam menghambat biokorosi pada baja karbon ST-37 ini masih dilakukan uji coba pada Laboratorium Bioproses I, Sekolah Ilmu Teknologi Hayati, Institut Teknolog Bandung di bawah bimbingan dosen Program Studi Mikrobiologi, Ibu Dr. Pingkan Aditiawati dan Ibu Dr. Eng Isty Adithya Purwasena. Semoga hasil penelitian ini nantinya dapat memberikan pencerahan pada masalah korosi, khususnya biokorosi, yang kerap terjadi pada berbagai bidang di industri.

 

REFERENSI

 

Adukwu EC., et al. The ant-biofilm activity of Lemongrass (Cymbopogon flexuosus) and

Grapefruit (Citrus  paradis) essential oils against fife strains of Staph. Aureus. J appl

Microbiol, 113, pp. 1217- 1227.2012

Antony PJ, Raman RKS, Mohanram R, Kumar P, Raman R.2008. Influence of thermal aging

on sulfate-reducing bacteria (SBR) – influenced corrosion behavior of 2205 duplex

stainless steel. Corrosion Science.;50:1858-1864.

Anwer, Md Khalid, et al. Enhanced Antibacterial Effects of Clove Essential Oil by

Nanoemulsion. Journal of  Oleo Science, 2014

Astuti, D.I, Taufik, I. Rodiana, W,N. 2015. Efek Penambahan Minyak Atsiri Ekstrak Serai

Dapur  (Cymbopogon citratus) dalam Air Formasi Minyak Bumi terhadap Mitigasi Biofilm-Biokorosi.  Repository Tugas Akhir SITH-ITB (2015), Vol. 2

Augustinovic, Zdenko, et al. Microbes- Oilfield Enemies or Allies ? Oilfield Review, 2012.

Bakkali F, Averbeck S, Averbeck D, Idaomar M. 2008. Biological effects of essential oils--a

review. Food Chem Toxicol.;46:446-475.

Bogan BW, Lamb BM, Husmillo G, Lowe K, Paterek RJ, Kilbane.2004. JJ. Development of

an environmentally benign microbialinhibitor to control internal pipeline corrosion.

Gas Technology Institute,;1-18.

Bolton, N., Critchley, M., Fabien, R., Cromar, N., Fallowfield, H., 2010. Microbially

Influenced Corrosion of Galvanized  Steel Pipes in Aerobic Water Sistem, Journal of

Applied Microbiology, 109, pp. 239-247

BP Statistical Review of World Energy. 2013. [Online] 

http://www.bp.com/content/dam/bpcountry/fr_fr/Documents/Rapportsetpublications/statistical_review_of_world_energy_2013.pdf. .15 Desember 2015

Diana, Lani, et al. 2014. Pengaruh Penambahan Substrat Karbon, Nitrogen dan Fosfat dalam

Air  Formasi terhadap  Pembentukan Biofilm dan Biokorosi, Repository Tugas       Akhir SITH-ITB Vol (2)

Donlan RM, Costerton JW. 2002. Reviews Biofilms: Survival mechanisms of clinically

relevant microorganisms. Clinical

Microbiology Reviews.;15:167-193.

Gonçalves RS, Azambuja DS, Lucho AMS. 2002. Electrochemical studies of propargyl

alcohol as corrosion inhibitor for nickel, copper, and copper/nickel (55/45) alloy.

Corrosion Science.;44:467-479.

Hammer, KA. et al. In-vitr activity of Essential Oils, in particular Melaleuca alternifolia (tea

tree) oil and tea tree oil products, against Candida spp. J. Antimicrob          Chemothe 42, 591-595, 1998.

Hector et.al. 2007. Biocorrosion in oil recovery systems. Prevention and protection. An

update. Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 30, 272 – 279

Hubert C, et. al/ 2005. Corrosion risk associated with microbial souring control using nitrate

or nitrite . Appl Microbiol Biotechnol  ; 68: 272–282

Hussin, M. Hazwan et al., The Corrosion Inhibition and Adsorption Behaviour of Uncaria

Gambir Extract on Mild Steel 1 M HCl. Materials Chemistry and Physics   125, 2011.

Irianto, H.E. Muljanah, I. 2011. Proses Dan Aplikasi Nanopartikel Kitosan

Sebagai Penghantar Obat. Squalen Vol. 6 No.1

Keasler V, Bennett B, McGinley H. 2010. Analysis of bacterial kill versus corrosion from use

of common oilfield biocides.International Pipeline Conference.;1:935-944.

Korenblum et.al, 2013. Antimicrobial action and anti-corrosion effect against sulfate

reducing bacteria by lemongrass (Cymbopogon citratus) essential oil and its            major component, the citral. AMB Express, 3:44

Lasa I, Penadés JR. 2006. Mini-review: Bap: A family of surface proteins involved in biofilm

formation. Research in Microbiology.;157:99-107.

Liang R, Xu S, Shoemaker CF, Li Y, Zhong F, Huang Q. 2012. Physical and Antimicrobial

Properties of Peppermint Oil Nanoemulsions. Journal of Agricultural and Food

Chemistry;60:7548-7555.

Maiara, C et. al. 2012. An Outline to Corrosive Bacteria Universidade Federal de

Pernambuco 50670-420,

Mardliyati, E., El Muttaqien, S., Setyawati, D.R., Rosidah, I., Sriningsih. 2012.

Preparasi dan aplikasi nanopartikel kitosan sebagai sistem penghantaran insulin secara oral. Prosiding InSINas.: 25-30

Miranda et.al, 2006. Biocorrosion of carbon steel alloys by an hydrogenotrophic sulfate-

reducing bacterium Desulfovibrio capillatus isolated from a Mexican oil      field separator, Corrosion Science;48 (2006) 2417–2431

Morikawa M. 2006.Beneficial biofilm formation by industrial bacteria Bacillus subtilis and

related species. Journal of Bioscience and Bioengineering.;101:1-8.

Mougin P, Lamoureux-Var V, Bariteau A, Huc AY. 2007.Thermodynamic of

thermochemical sulphate reduction. Journal of Petroleum Science &

Engineering.;58:413-427.

Pallud C, Van Cappellen P. 2006.. Kinetics of microbial sulfate reduction in estuarine

sediments. Geochimic.;70:1148-1162.

Pedro et.al. 2013. The use of nanotechnology as an approach for essential oil-based formulations with antimicrobial activity. Campus Universitário, 44031-460

Peabody,A.W. 1967. Peabody’s control of Pipeline Corrosion 2nd Edition. Houston :  NACE Press. p: 275-279

Pimenta G; Pépe N. 2003. Corrosão induzida por microrganismos em aços inoxidáveis

austeníticos AISI 304/316 aplicados em sistemas de distribuição de água. In:

Symposium New Trends in Molecular Electrochemistry e XII Meeting of the

Portuguese Electrochemical Society; Sept 16-20

Shaaban HAE, El-Ghorab AH, Shibamoto T. 2012. Bioactivity of essential oils and their

volatile aroma components: Review. Journal of Essential Oil Research.;24:203-212.

Shi X, Xie N, Gong J.2011. Recent progress in the research on microbially influenced

corrosion: A bird’s eye view through The engineering lens. Recent Patents on Corrosion Science.;1:118-131.

Siregar, M. 2009. Pengaruh Berat Molekul Kitosan Nanopartikel untuk Menurunkan Kadar

Logam Besi(Fe) dan Zat Warna pada Limbah Industri Tekstil Jeans. Tesis. Sekolah Pascasarjana. Universitas Sumatera Utara. Medan.

Stoica, R. Somoghi, R. 2013. Preparation Of Chitosan – Tripolyphophate

Nanoparticles For The Encapsulation Of Polyphenols Extracted From Rose Hips. aNational Institute for Research and Development in Chemistry and Petrochemistry. 8(3). 955 – 963

Tiyaboonchai, W. 2003. Chitosan nanoparticles: A promising system for drug delivery.

Naresuan University Journal 11 (3): 51–66.

van Vuuren S, Viljoen A. 2011. Plant-based antimicrobial studies-methods and approaches to

study the interaction between natural products. Planta Medica.;77:1168-1182.

Pothakamury UR, Barbosa-Canovas GV. 1995. Fundamental aspects of controlled release in foods. Trends in Food Science and Technology. ;6:397–406.

Videla HA, Herrera LK. 2004. Biocorrosion. Studies in Surfaces Science &

Catalysis.;151:193-218.

Wang, X., Xu, J., & Sun, C.  2013. Effects of sulfat reducing bacterial on corrosion of 403

stainless steel in soils containing chloride ions, Int. J. Electrochem. Sci, 8, pp. 821-830