Disinfektan dan cara kerjanya: klorin dan pH, oksigen aktif, amonium kuaterner, alkohol, panas, UV, dan ozon

Seorang juru masak menuang pemutih klorin ke ember yang masih berisi sisa larutan pembersih lantai alkali, lalu memakai larutan itu untuk mengelap meja potong dan talenan. Ia mencelupkan kertas uji klorin dan warnanya menunjukkan kadar yang cukup. Seminggu kemudian, uji usap permukaan oleh tim mutu tetap menunjukkan jumlah bakteri yang tinggi di talenan.

Kertas uji itu tidak salah: klorinnya memang ada. Yang tidak diperhitungkan adalah pH. Pada pH tinggi dari sisa pembersih alkali, hampir semua klorin berada dalam bentuk ion hipoklorit yang daya bunuhnya jauh lebih lemah daripada asam hipoklorit. Ditambah sisa lemak di talenan yang menghabiskan klorin, larutan itu tidak mampu bekerja dalam waktu singkat sebelum permukaan kering. Bab ini menjelaskan cara setiap jenis disinfektan bekerja, apa yang melemahkannya, dan cara memilih dan memakainya dengan benar.

Batas pembahasan

Bab ini membahas disinfektan dan cara disinfeksi yang dipakai di dapur, laundry, fasilitas kesehatan, dan air: klorin, oksigen aktif, amonium kuaterner, alkohol, panas, ultraviolet, dan ozon. Jenis mikroorganisme dan ketahanannya ada di Bab 2 tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa; kinetika kematian dan CT di Bab 3 tentang kinetika kematian mikroba; asam basa dan pKa di Bab 15 · Kimia tentang asam basa lanjut; klorin tersedia dan reaksi redoks di Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut; pemutih laundry di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai; dan penanganan bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Dosis kerja, waktu kontak, dan izin pemakaian pada permukaan pangan mengikuti label produk dan peraturan yang berlaku. Konsentrasi dan dosis di bab ini adalah nilai umum dari literatur atau angka contoh untuk berhitung.

Cara disinfektan bekerja dan cara memilihnya

Disinfektan (disinfectant) adalah bahan atau cara yang membunuh atau menonaktifkan mikroorganisme dengan merusak bagian yang diperlukan untuk hidup. Ada empat cara kerja utama:

1. Oksidasi: klorin, peroksida, asam perasetat, dan ozon mengambil elektron dari protein, lemak membran, dan bahan genetik. Oksidator merusak dinding sel dan komponen di dalam mikroorganisme sehingga membunuh atau menonaktifkannya.
2. Merusak membran: amonium kuaterner dan alkohol melarutkan atau mengganggu membran lemak, sehingga isi sel bocor.
3. Menggumpalkan protein: panas basah dan alkohol menggumpalkan protein sel.
4. Merusak bahan genetik: sinar ultraviolet merusak bahan genetik sehingga mikroorganisme tidak dapat berkembang biak.

Cara kerja itu menjelaskan mengapa ketahanan berbeda: spora dan kista yang berdinding tebal dan berkadar air rendah sulit ditembus, dan virus tidak berselubung tidak mempunyai membran lemak yang dapat dirusak alkohol dan amonium kuaterner, seperti dibahas di Bab 2.

Disinfektan untuk air harus stabil dan tetap efektif selama proses disinfeksi. Kriteria memilih yang lebih lengkap:

Tidak ada disinfektan yang terbaik untuk semua tempat. Yang dipilih adalah disinfektan yang cukup untuk sasaran, aman untuk bahan dan orang, dan dapat diperiksa kadarnya.

Klorin dan pengaruh pH

Pemutih klorin, natrium hipoklorit, larut dalam air membentuk kesetimbangan antara asam hipoklorit (hypochlorous acid, HOCl) dan ion hipoklorit (hypochlorite ion, OCl⁻):

$\text{HOCl} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{OCl}^-$

Asam hipoklorit jauh lebih kuat membunuh mikroorganisme daripada ion hipoklorit, sering disebut puluhan sampai sekitar seratus kali, karena molekulnya tidak bermuatan dan mudah menembus dinding sel. Bab 15 · Kimia tentang asam basa lanjut mencatat pKa asam hipoklorit sekitar 7,5, sehingga bagian klorin yang berada sebagai HOCl adalah:

$f_{\text{HOCl}} = \frac{1}{1 + 10^{\,\text{pH} - \text{pKa}}}$

dengan $f_{\text{HOCl}}$ bagian klorin bebas yang berupa asam hipoklorit, dinyatakan sebagai pecahan 0 sampai 1 atau dalam persen.

Pada pH 7 bagiannya $1/(1 + 10^{-0{,}5}) = 0{,}76$ dan pada pH 8 hanya $1/(1 + 10^{0{,}5}) = 0{,}24$, sehingga kenaikan satu satuan pH memotong bagian HOCl lebih dari tiga kali. pH 7,5 tercatat sebagai pH yang ideal untuk mendisinfeksi bakteri. Di bawah pH sekitar 6 klorin menjadi lebih kuat tetapi mulai melepaskan gas klorin dan lebih korosif; di atas pH sekitar 8 daya bunuhnya turun cepat. Larutan pemutih pekat sengaja dibuat basa agar stabil saat disimpan, tetapi larutan kerja untuk disinfeksi bekerja paling baik ketika pH-nya mendekati netral.

Pada pemutihan linen, klorin dipakai pada pH tinggi untuk melindungi serat dan mengendalikan reaksi. Satu modul higiene tekstil menulis koridor pH 10,2 sampai 10,8 untuk pemutih klorin. Pada pH itu hampir semua klorin berupa ion hipoklorit: pada pH 10,5 bagian HOCl hanya $1/(1 + 10^{3}) = 0{,}001$, sekitar 0,1 persen. Karena itu peran disinfeksinya di laundry bergantung pada suhu, waktu, dan program yang divalidasi, bukan pada anggapan bahwa "ada klorin berarti steril".

Klorin dalam praktik: dosis, kebutuhan klorin, dan sisa

Klorin yang dituang tidak seluruhnya tersedia untuk membunuh mikroorganisme. Sebagian bereaksi dengan kotoran organik, besi, mangan, dan amonia. Bagian yang habis disebut kebutuhan klorin (chlorine demand), dan yang tersisa disebut klorin sisa (chlorine residual):

$\text{klorin sisa} = \text{dosis} - \text{kebutuhan klorin}$

Ketiga besaran dinyatakan dalam satuan yang sama, biasanya mg/L. Penggunaan utama klorinasi adalah disinfeksi, klorin sisa dapat diuji dengan beberapa metode, dan dosis klorin yang tinggi dapat menimbulkan masalah rasa dan bau. Di lapangan, klorin sisa diukur dengan kertas uji atau kit DPD, seperti di Bab 23 · Kimia tentang kimia analitik lapangan, dan pengukuran dilakukan pada larutan yang dipakai, bukan dihitung dari takaran.

Klorin sisa terdiri dari dua bagian. Klorin bebas (free chlorine) adalah asam hipoklorit dan ion hipoklorit, bagian yang bekerja cepat. Klorin terikat (combined chlorine) adalah kloramin yang terbentuk ketika klorin bereaksi dengan amonia dan senyawa nitrogen dari keringat, urine, dan sisa makanan; kloramin jauh lebih lambat membunuh mikroorganisme dan menimbulkan bau yang sering disangka "bau klorin terlalu banyak". Kit DPD dapat membaca klorin bebas dan klorin total, sehingga klorin terikat adalah selisihnya. Bau klorin yang tajam di sekitar bak cuci justru dapat berarti klorin bebasnya sudah banyak berubah menjadi kloramin.

Satu panduan kerja dapur memberi takaran sanitasi bahan pangan dengan klorin: 50 ppm untuk buah dan sayur, yaitu 2,5 mL per 5 L, dan 100 ppm untuk telur, yaitu 5 mL per 5 L, dengan perendaman sekitar 1 menit lalu dibilas dengan air layak minum yang mengalir, dan pemakaian kertas uji klorin untuk mengukur kadarnya. Takaran 2,5 mL per 5 L untuk 50 ppm menyiratkan pekatan sekitar 10 persen (Contoh 1). Panduan yang sama menulis kadar sekurang-kurangnya 25 dan paling banyak 50 ppm, sehingga angka 100 ppm untuk telur perlu dicocokkan dengan label produk dan peraturan pangan yang berlaku sebelum dipakai.

Oksigen aktif: hidrogen peroksida dan asam perasetat

Hidrogen peroksida (hydrogen peroxide) adalah oksidator yang mengoksidasi komponen sel dan terurai menjadi air dan oksigen. Pada kadar biasa daya kerjanya sedang; pada kadar dan suhu lebih tinggi, atau dalam bentuk yang distabilkan, ia dapat membunuh spora. Enzim katalase yang dimiliki banyak bakteri menguraikan peroksida, sehingga kadar dan waktu kontak harus cukup.

Asam perasetat (peracetic acid) adalah campuran kesetimbangan asam asetat, hidrogen peroksida, dan asam perasetat. Ia bekerja cepat pada suhu rendah, tidak banyak dilemahkan kotoran organik, mempunyai spektrum luas termasuk spora pada kadar yang lebih tinggi, dan terurai menjadi asam asetat, air, dan oksigen. Karena itu ia dipakai untuk disinfeksi kimia linen pada suhu rendah dan di industri pangan. Kelemahannya: bau tajam, korosif terhadap beberapa logam, dan uapnya mengiritasi.

Lembar data pemutih oksigen yang dibahas di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi mencatat bahaya peroksida pekat, termasuk sisa kering pada kain yang dapat menyala sendiri, sehingga penyimpanan dan penanganannya mengikuti lembar datanya.

Amonium kuaterner

Senyawa amonium kuaterner (quaternary ammonium compound) adalah disinfektan bermuatan positif yang menempel pada membran sel yang bermuatan negatif, lalu merusaknya. Kekuatannya: tidak berbau, tidak korosif pada kadar kerja, dan meninggalkan sisa yang tetap aktif. Kelemahannya, yang sering tidak disadari:

1. Lemah terhadap spora, mikobakteri, dan virus tidak berselubung. Klaim produk yang menyebut "membunuh berbagai bakteri dan virus" perlu dibaca bersama daftar mikroorganisme yang diuji.
2. Dilemahkan oleh deterjen anionik yang bermuatan berlawanan; sisa deterjen di permukaan harus dibilas sebelum amonium kuaterner dipakai.
3. Dilemahkan oleh air sadah dan kotoran organik.
4. Terserap oleh kain katun: lap katun yang direndam di ember menyerap amonium kuaterner, sehingga kadar larutan turun di bawah sasaran (Contoh 6).

Satu panduan kerja dapur membedakan tiga kadar: sekitar 200 ppm untuk sanitasi, 400 ppm untuk disinfeksi, dan 800 ppm untuk menghilangkan bau, dengan takaran 45, 90, dan 180 mL per 5 L, waktu rendam atau waktu mengering sekurang-kurangnya 1 menit, dan penggantian larutan setidaknya setiap 4 jam. Untuk permukaan yang menyentuh pangan tanpa dibilas, batas kadar amonium kuaterner ditetapkan peraturan pangan dan label produk; kadar di atas batas itu memerlukan pembilasan dengan air layak minum.

Alkohol dan panas

Etanol dan isopropanol pada kadar sekitar 60 sampai 80 persen bekerja cepat terhadap bakteri biasa dan virus berselubung. Air diperlukan agar protein menggumpal; alkohol yang terlalu pekat justru kurang efektif. Kelemahannya: tidak membunuh spora, lemah terhadap beberapa virus tidak berselubung, menguap cepat sehingga waktu kontak pendek, mudah terbakar, dan tidak membersihkan kotoran. Untuk tangan, alkohol dioleskan sampai seluruh permukaan tangan basah dan dibiarkan kering sendiri, tanpa dilap, karena waktu basah itulah waktu kontaknya; tangan yang kotor oleh lemak atau tanah dicuci dengan sabun dan air lebih dulu. Alkohol cocok untuk tangan yang bersih dan permukaan kecil yang bersih, bukan untuk permukaan yang kotor atau sasaran spora, seperti pada kasus bangsal di Bab 2 tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa.

Panas basah adalah disinfektan yang paling dapat diandalkan bila suhu dan waktunya tercapai: tidak meninggalkan sisa kimia, menembus lipatan linen, dan dapat diukur dengan termometer. Kelemahannya adalah energi, kerusakan pada bahan yang tidak tahan panas, dan kesulitan memastikan suhu di inti muatan. Perhitungan suhu dan waktu ada di Bab 3 tentang kinetika kematian mikroba, dan penerapannya pada linen di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen.

Mesin cuci piring memperlihatkan dua cara yang berbeda. Mesin bersanitasi panas mengandalkan bilasan akhir yang sangat panas dari pemanas penguat; satu materi pelatihan mesin cuci piring menulis bilasan akhir sekitar 80 sampai 90 °C dan meminta suhu diperiksa sebelum mesin dipakai. Mesin bersuhu rendah memakai bilasan akhir yang lebih dingin dengan disinfektan kimia yang didosis otomatis. Keduanya sah bila sesuai spesifikasi mesin, tetapi tidak boleh dicampur: mesin bersanitasi panas dengan pemanas penguat yang rusak tidak menjadi mesin bersanitasi kimia hanya karena ada deterjen di tangkinya.

Sinar ultraviolet, ozon, dan disinfektan lain

Sinar ultraviolet gelombang pendek merusak bahan genetik mikroorganisme. Sinar UV dihasilkan oleh lampu uap raksa bertekanan tinggi atau rendah. Ukuran kerjanya adalah dosis UV (UV dose), yaitu hasil kali intensitas sinar dan waktu paparan:

$\text{dosis (mJ/cm}^2\text{)} = \text{intensitas (mW/cm}^2\text{)} \times \text{waktu (s)}$

Untuk air minum, dosis sekitar 40 mJ/cm² sering dipakai sebagai acuan rancangan (Contoh 4). Kelemahan UV:

1. Tidak ada sisa: air yang sudah disinari dapat tercemar lagi di pipa sesudahnya.
2. Bayangan: kekeruhan, besi, dan lapisan pada selubung kuarsa menghalangi sinar.
3. Lampu menua: intensitas turun seiring jam pakai.
4. Pemulihan: bila bakteri pulih di bawah cahaya lampu neon, prosesnya disebut fotoreaktivasi (photoreactivation).

Ozon (ozone) adalah senyawa tiga atom oksigen. Ozon adalah oksidator yang sangat kuat dan cepat, tetapi tidak stabil, sehingga tidak meninggalkan sisa yang tahan lama di pipa, dan gasnya beracun bagi orang. Literatur plumbing menganjurkan kadar sekitar 2 sampai 5 ppm dengan penghilangan sisanya oleh karbon aktif. Klorin dioksida dan bromin adalah biosida alternatif untuk air pendingin, seperti dibahas di Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin. Setiap pilihan ini dipakai oleh orang yang terlatih dengan peralatan pemantau, bukan dengan takaran perkiraan.

Campuran berbahaya dan keselamatan

Produk asam tidak boleh dicampur dengan produk klorin karena sangat berbahaya dan menimbulkan gas beracun, dan pemutih yang dicampur amonia menghasilkan gas kloramin yang beracun. Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia menyusun matriks ketidakcocokan bahan kimia, dan Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi membahas pemindahan, penyimpanan, dan pertolongan pertama. Aturan sederhana untuk disinfektan:

1. Satu disinfektan untuk satu tugas; tidak ada campuran buatan sendiri.
2. Takaran diukur dengan gelas ukur atau dispenser, bukan dengan tuangan perkiraan.
3. Ember dan botol semprot diberi label isi dan kadar, dan dibilas sebelum diisi bahan lain.
4. APD sesuai lembar data: sarung tangan, pelindung mata, dan ventilasi untuk bahan yang menguap.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Takaran 2,5 mL dan 45 mL per 5 L berasal dari panduan kerja dapur yang dibahas di bagian klorin dan amonium kuaterner.

Contoh 1: pekatan yang tersirat dari takaran klorin. Takaran 2,5 mL per 5 L untuk 50 ppm menyiratkan pekatan $50 \times 5.000/2{,}5 = 100.000$ ppm, yaitu sekitar 10 persen klorin tersedia.

Contoh 2: pekatan amonium kuaterner. Takaran 45 mL per 5 L untuk 200 ppm menyiratkan pekatan $200 \times 5.000/45 = 22.200$ ppm, sekitar 2,2 persen.

Contoh 3: larutan klorin untuk permukaan. Larutan 1.000 ppm dibuat dari pemutih rumah tangga 5 persen (50.000 ppm) untuk 5 L: $5.000 \times 1.000/50.000 = 100$ mL pemutih, ditambah air sampai 5 L.

Contoh 4: dosis UV. Untuk dosis 40 mJ/cm² dengan intensitas 8 mW/cm², waktu paparan $40/8 = 5$ detik. Bila lampu yang menua hanya memberi 70 persen intensitas, waktunya menjadi $40/(8 \times 0{,}7) = 7{,}1$ detik, sehingga debit melalui reaktor harus diturunkan atau lampu diganti.

Contoh 5: alkohol 70 persen. Untuk 1 L alkohol 70 persen dari etanol 96 persen: $1.000 \times 70/96 = 729$ mL etanol, ditambah air sampai 1 L.

Contoh 6: lap katun dan amonium kuaterner. Ember 5 L berisi larutan 200 ppm. Lap katun yang direndam menyerap sekitar 30 persen amonium kuaterner, sehingga kadar larutan turun menjadi sekitar $200 \times 0{,}7 = 140$ ppm, di bawah sasaran sanitasi; lap mikrofiber atau pengukuran kadar dengan kertas uji mengatasi masalah ini.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Disinfektan akan dicampur dengan bahan lain, terutama klorin dengan asam atau amonia.
2. Kadar larutan tidak dapat diukur, atau kertas uji yang sesuai tidak tersedia.
3. Larutan dipakai pada permukaan yang belum dibersihkan atau masih berisi sisa deterjen yang bertentangan.
4. Disinfektan yang dipakai tidak sesuai sasaran yang diketahui, misalnya amonium kuaterner untuk spora.
5. Kadar disinfektan di permukaan pangan melebihi batas tanpa pembilasan dengan air layak minum.
6. Lampu UV pengolah air mati, alarm intensitas berbunyi, atau selubung kuarsa kotor, tetapi air tetap dipakai.
7. Gas ozon atau bau klorin kuat tercium di ruang kerja; tinggalkan ruangan dan ventilasi, seperti di Bab 11 · Kimia tentang gas berbahaya dan ventilasi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang bakteri, spora, virus, jamur, dan protozoa menjelaskan sasaran disinfeksi, dan Bab 3 tentang kinetika kematian mikroba menghitung waktu dan CT. Dasar kimianya ada di Bab 15 · Kimia tentang asam basa lanjut untuk pKa dan Bab 17 · Kimia tentang redoks lanjut untuk klorin tersedia, sedangkan pengukuran klorin sisa di lapangan ada di Bab 23 · Kimia tentang kimia analitik lapangan. Di laundry, pemutih dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai, dan disinfeksi linen di Bab 14 · Laundry tentang higiene linen. Penanganan bahan kimia ada di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi, campuran berbahaya di Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia, dan biosida air pendingin di Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.