PADA
MICROBIAL FUEL CELL
INDRI RACHMAWATI
(1112096000049)
Jurusan Kimia
Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Islam Negeri Jakarta
ABSTRAK
Krisis energi yang semakin terasa dewasa ini memicu
pengembangan sumber energi alternatif terbarukan (renewable) untuk
mensubstitusi penggunaan minyak bumi yang selama ini menjadi sumber energi
utama bagi masyarakat. Microbial Fuel
Cell(selanjutnya disingkat MFC) merupakan fuel cellyang memanfaatkan materi
organik, misalnya limbah organik,yang digunakan oleh mikrobasebagai sumber
energidalammelakukan aktivitas metabolismenya dengan menggunakan sample Limbah cair rumen sapi, limbah cair tahu dan
limbah cair industri sawit, Bakteri
Escherichia coli yang di isolasi dari feses ternak dan rumen substrat tambak
udang dan hasilnya adalah Bakteri Escherichia coli yang di isolasi dari feses
ternak dan rumen lebih memiliki potensial yang besar dalam memproduksi sumber
listrik dengan menghasilkan arus listrik sebesar tegangan (VoC) sebesar 512 mV.
ABSTRACT
The energy crisis is increasingly
felt today sparked the development of alternative renewable
energy sources (renewable) to
substitute the use of petroleum which has been the main source of energy
for the community. Microbial Fuel Cell (MFC abbreviated
hereafter) is a fuel
cell that utilizes organic
materials, such as organic waste, which
is used by microbes
as a source of energy in metabolic activity using
a cow rumen samples of liquid waste,
liquid waste and liquid
industrial waste oil, bacteria
Escherichia coli isolated
from cattle feces
and rumen substrate
shrimp farms and the
result is the bacterium Escherichia coli isolated
from cattle feces
and rumen more
have great potential
in producing electricity source to generate
electrical current of voltage (VoC) of 512 mV.
PENDAHULUAN
Listrik
menjadi kebutuhan primer dalam kehidupan manusia pada saat ini. Di
negaraberkembang seperti Indonesia, listrik diperoleh dengan cara pengolahan
berbagai macamsumber daya fosil yang dimiliki. Dilakukanlah ekplorasi hasil
fosil seperti minyak bumi, gas,batubara secara besar-besaran untuk memenuhi
kebutuhan konsumsinya. Kondisi inimengakibatkan terjadinya penurunan jumlah
cadangan bahan bakar khususnya minyak dangas. Hal inilah yang memicu terjadinya
kenaikan harga dan terjadinya krisis energi,khususnya listrik di negeri
ini.Pemanfaatan bakteri untuk menghasilkan energi listrik menjadi upaya yang
ditempuhdan dilakukan oleh para peneliti dalam beberapa tahun ini. Sistem yang
digunakan adalahteknologi Microbial Fuel Cells (MFCs) yang merubah penyimpanan
energi kimia dalambentuk campuran organik menjadi energi listrik yang terus
menembus reaksi katalis olehmikroorganisme telah menghasilkan energi listrik.
Bakteri bisa digunakan dalam sistemMFCs untuk menghasilkan energi listrik
sambil menyelesaikan proses penghancuran darimaterial organik (Du et al.,
2007).Berbagai macam cara telah diupayakan sebagai solusi mengatasi
ketergantunganmanusia atas energi yang berasal dari fosil. Energi baru
terbarukan dipandang sebagai salahsatu cara untuk mengatasi krisis energi
global. Metode pengembangan energi listrik darisumber yang dapat terbarukan
tanpa menghasilkan emisi karbondioksida ( CO2) dan ramahlingkungan telah
ditemukan dan dikembangkan oleh para peneliti (Du, Zhuwei, Li dan
Gu,2007).Sistem MFCs ini akan memanfaatkan hasil dari proses metabolisme
bakteri. Bakteriakan melakukan metabolisme dengan mengurai glukosa menjadi
hidrogen (H2) dan oksigen(O2). Hidrogen merupakan bahan baku yang digunakan
untuk reaksi reduksi dengan oksigen,sehingga melepaskan elektron pada anoda
sebagai sumber arus listrik. Apabila dibandingkandengan baterai yang hanya
mampu mengandung material bahan bakar yang terbatas, MFCsdapat secara kontiniu
diisi molasses atau glukosa untuk diuraikan oleh bakteri menjadi bahan bakar
(hidrogen)
Pada review kali ini, penulis
mengambil tema tentang bahan apa yang terbaik untuk dijadikan produksi teknologi Microbial Fuel Cells (MFCs)
dengan mengambil data sample menggunakan limbah cair, bakteri Escherichia
coli dan sedimen tambak udang.
METODE
Review ini merupakan hasil suatu studi
literatur tentang bioetanol dengan memanfaatkan jurnal elektronik dari
internet.
Situswww.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/8
merupakan suatu situs internet yang khusus menyediakan jurnal penelitian
terkait bahan bakar nabati. Situs ini menyediakan jurnal-jurnal berstandar
dan open access. Topik yang dibahas
kebanyakan membahas produksi bahan bakar alternatif dengan memanfaatkan mikroba
melalui teknik fermentasi. Bioetanol
merupakan kata pencarian yang menampilkan banyak jurnal dan cukup
variatif. Dengan menggunakan bioetanol
sebagai topik, maka jurnal-jurnal yang digunakan dalam artikel ini adalah:
1.
PEMANFAATAN LIMBAH CAIR SEBAGAI SUMBER ENERGI
LISTRIK PADA MICROBIAL FUEL CELL
2.
MICROBIAL FUEL CELL SEBAGAI ENERGI ALTERNATIF
MENGGUNAKAN
BAKTERI Escherichia coli
3.
DEGRADASI BAHAN ORGANIK DAN PEMANFAATANNYA
SEBAGAI PENGHASIL ENERGI LISTRIK PADA SEDIMEN TAMBAK UDANG MELALUI
SEDIMENT MICROBIAL FUEL CELL
Jurnal-jurnal ini digunakan sebagai bahan pembuatan artikel
untuk kemudian dibandingkan satu sama lain guna mengetahui bahan baku paling efektif dan tergolong mudah untuk
mendapatkan sumber energi listrik.
HASIL
DAN PEMBAHASAN
Pada
jurnal pertama, diketahui bahwa
1. Limbah cair rumen sapi, limbah cair tahu dan
limbah cair industri sawit dapat dimanfaatkan sebagai substrat dan agensia
mikroba pada sistem MFC.
2. Dari tiga jenis limbah cair yang diuji
dengansistemMFC, limbah cair rumen memberikan tegangan listrik terbesar
dibandingkan dua macamlimbah cair lainyang diuji. Besar tegangan maksimal
limbah cair rumen yang terukur dengan sistem MFC bejana sepasang ialah 810
mVdan yang terukur dengan sistemMFC seri ialah 575 mV.
Hasil
pengukuran beda potensial MFC bejana seri Selain menggunakan bejana sepasang,
pengukuran beda potensial limbah cair juga dilakukan pada sistemMFC dengan
bejana seri. Pengujian terhadap karakteristiksistemMFC ini menunjukkan bahwa
sistemmampu menghasilkan beda potensial yanglebih tinggi bila diberi beda
potensial tambahan (pada t tertentu), dibandingkan kondisi alami
(tanpapenambahan). Beda potensial tambahan dapat dianalogikan dengan
cekamanlingkungan terhadap mikroba. Cekaman ini memicu mikroba untuk
bermetabolismelebih giat daripada biasanya.Dengan demikian elektron bebas yang
dihasilkan juga lebih banyak. SistemMFC dengan bejana seri juga mampu berfungsi
serupa dengan penyimpan muatan (kapasitor). Muatan yangdiberikan saat
penambahan beda potensial di atas disimpan oleh sistem. Hal ini
ditunjukkan oleh besarnya nilai yang
terukur oleh multimeter setelah bedapotensial tambahan tersebut dilepas.
Pemakaian energilistrik yang dihasilkan oleh sistem membuat beda potensial yang
dihasilkan menurun. Namun, pada titik tertentu beda potensial kembali
meningkat. Peningkatan ini menunjukkan bahwa sistem mampu memulihkan sendiri
muatan listriknya. Pada kapasitor biasa,muatan listrik tetap pada nilai
tertentusetelah digunakan.Kemampuan sistemMFC dengan bejana seri untuk mengisi
ulang muatan listriknya tanpa perlakuan dari luar merupakan potensi yang dapat
dikembangkan.Pada pengukuran beda potensial MFC bejana seri terhadaptiga macam
limbah yang samaseperti pengukuran dengan bejana sepasang, limbah cair rumen
menghasilkanbeda potensial tertinggi,yakni 575 mV, selama70 jampengukuran
(tabel 4.2).Hal ini sejalan dengan hasil pengukuranpada bejana sepasang.
Beda
potensial yang dihasilkan olehkonsorsiummikroba selamapengukuran pada sistemMFC
baik dengan bejana sepasang maupun bejana seri tidak stabil (gambar 4.1).
Nilainya berfluktuasi di tiap waktu pengamatan. Hal ini terkait pula dengan
aktivitasmetabolismemikroba yang terdapat di dalamlimbah cair. Dalamaktivitas
katabolisme, sejumlah energi dihasilkan saat senyawa kompleks dipecahmenjadi senyawa
sederhana.Sebaliknya,sejumlah energi dipakai saat senyawa sederhana disintesis
menjadi senyawa kompleks. Kedua jenis
metabolismeini terjadi secara simultan. Pada waktu tertentusecara umum
(skala konsorsium mikroba) selisih dari total energi yangdihasilkan dan yang
dipakai dapat meningkat atau menurun, bergantung pada reaksi yang berlangsung.
Selainkarena aktivitasmetabolisme, fluktuasi beda potensial turut disebabkan
oleh interaksi antara mikroba penyusun konsorsium. Produk fermentasi (antara
lain : laktat, suksinat, format, dll) dari satu jenis bakteri dapat menjadi
substrat bagi jenis bakteri yang lain. Hal ini menyebabkan produk fermentasi
tersebut tidak dapat dioksidasi untuk kemudian menghasilkan elektron bebas dan
ion H+. Elektron yang dialirkan dari anoda ke katoda berkurang sehingga
bedapotensial yang terukur berkurang. Peningkatan atau penurunan beda
potensiallistrik berkorelasi dengan jumlah elektron bebas yang dihasilkan oleh
konsorsium mikroba. Peningkatan beda potensial yang terukur oleh multimeter
kemungkinan terjadi saat mikroba melakukan pemecahan substrat sederhana yang
terdapat di dalam medium. Adapunpenurunannya, selain karena aktivitas
anabolisme, kemungkinan dapat juga terjadi karena mikroba sedang beradaptasi
untuk memecah substrat yang lebih kompleks menjadi sederhana.
Peningkatandanpenurunan beda potensial listrik pada sistemMFC menggambarkan
kedinamisan sistem karena digerakkan oleh makhluk hidup. Beda potensial yang
terukur pada bejanaseri untukmasing-masing macam limbah lebih kecil
dibandingkan beda potensial padabejana sepasang. Hal ini kemungkinan
dikarenakan kebocoran yang terjadi pada sistem sepasang, namun perihal
mekanisme yang terjadi maupun reaksi yang berhubungan dengan penurunan beda
potensial listrik tersebut diketahui dengan jelas. Kemungkinanlain adalah
berkurangnya efektivitas membran nafion dan elektroda dalammengalirkan proton
dan elektron karena penggunaan yang berulang.
4.
Dari tiga jenis limbah cair yang digunakan,
limbah cair rumen memiliki aktivitas enzimatik berupa kemampuan dalam
menghidrolisis FDA yang paling besar yaitu 101,636 µg/ml/20menit dibandingkan
dengan limbah cair tahu (21 µg/ml/20menit) maupun kelapa sawit (27
µg/ml/20menit).
5. SistemMFC seri belum mempu meningkatkan perolehan tegangan listrik
yang lebih besar dibandingkan sistem MFC dengan bejana sepasang.
Pada
jurnal kedua, diketahui :
Sistem
Microbial Fuel Cell menggunakan E. coli yang diisolasi dari Rumen Kerbau
Pada
sistem ini, E.coli yang digunakan diisolasi dari rumen kerbau yang diambil
dariRumah Potong Hewan (RPH) Bandar Buat Padang. Proses isolasi bakteri E.coli
dilakukandengan menggunakan media MacConkey Agar. Koloni bakteri E.coli yang
tampak akanberwarna merah muda. CFU yang didapatkan adalah 2,1 x 108CFU/g. Hal
ini berarti 1 ml larutan bakteri E.coli terdapat 2,1 x 108CFU/g. Untuk
mendapatkan proses pengukuran arusdan tegangan dilakukan selama 14 jam.
Pengambilan data dilakukan secara acak, sehinggadidapatkan data yang
menunjukkan hubungan antara kurva tegangan terhadap waktu
Sistem
Microbial Fuel Cell menggunakan E. coli yang diisolasi dari Air Perasan
RumenKerbau
Pada
sistem microbial fuel cell yang menggunakan E. coli dari air perasan rumenkerbau,
Proses isolasi bakteri E.coli dilakukan dengan menggunakan media MacConkeyAgar.
koloni bakteri E.coli yang tampak akan berwarna merah muda. CFU yang
didapatkanadalah 2,1 x 108CFU/g. Hal ini berarti 1 ml larutan bakteri E.coli
terdapat 2,1 x 108CFU/g.
Sistem
Microbial Fuel Cell menggunakan E. coli yang diisolasi dari Feses Kambing
Pada
sistem microbial fuel cell yang menggunakan E. coli yang diisolasi dari
feseskambing. Proses isolasi bakteri E.coli dilakukan dengan menggunakan media
MacConkeyAgar. Koloni bakteri E.coli yang tampak akan berwarna merah muda. CFU
yang didapatkanadalah 1,1 x 108CFU/g. Hal ini berarti 1 ml larutan bakteri
E.coli terdapat 1,1 x 108CFU/g.
Sistem
Microbial Fuel Cell E.coli yang diisolasi dari Feses Sapi
Pada
sistem microbial fuel cell yang menggunakan E. coli yang diisolasi dari
fesessapi. Proses isolasi bakteri E.coli dilakukan dengan menggunakan media
MacConkey Agar.Koloni bakteri E.coli yang tampak akan berwarna merah muda. CFU
yang didapatkan adalah100 x 108CFU/g. Hal ini berarti 1mllarutan bakteri E.coli
terdapat 100 x 108CFU/g.Menggunakan tembaga dan seng sebagai anoda dan katoda.
Luas permukaan elektroda yangdigunakan adalah 47,65 cm2.
Sistem
Microbial Fuel Cell E.coli yang diisolasi dari Feses Itik
Pada
sistem microbial fuel cell yang menggunakan E. coli yang diisolasi dari
fesesitik. Proses isolasi bakteri E.coli dilakukan dengan menggunakan media
MacConkey Agar.Koloni bakteri E.coli yang tampak akan berwarna merah muda. CFU
yang didapatkan adalah130 x 108CFU/g. Hal ini berarti 1 ml larutan bakteri
E.coli terdapat 130 x 108CFU/g.Elektroda yang digunakan adalah seng pada katoda
dan tembaga pada anoda.Sistem Microbial Fuel Cell E.coli yang diisolasi dari
Feses AyamSistem microbial fuel cell yang menggunakan E. coli yang diisolasi
dari feses ayam.Proses isolasi bakteri E.coli dilakukan dengan menggunakan
media MacConkey Agar. Kolonibakteri E.coli yang tampak akan berwarna merah
muda. CFU yang didapatkan adalah 14 x108CFU/g. Hal ini berarti 1 ml larutan
bakteri E.coli terdapat 14 x 108CFU/g. Elektrodayang digunakan adalah seng pada
katoda dan tembaga pada anoda.Perbandingan Waktu dan Tegangan (Open circuits
Voltage) untuk mencapai kondisi tetap(Steady state) yang dihasilkan MFC Dengan
Menggunakan Bakteri E.coli yang Diisolasi dari Sampel Feses kambing, Sapi,
Itik, Ayam, Rumen Kerbau dan air perasan rumen.Kondisi steady state merupakan
kondisi dimana tidak terjadi perubahan tegangan yangdihasilkan oleh sistem MFC.
Setelah tercapai tegangan dalam kondisi steady state (kondisitetap), proses
pengukuran tegangan dan arus berbeban dilakukan. Pada masing -masing sistemMFC
yang dilakukan, dihasilkan kondisi tetap yang berbeda-beda.Pada Gambar 5
menunjukkan bahwa tiap sistem pada MFC memiliki kondisi tetapyang berbeda. Pada
sistem MFC E. coli rumen kerbau kondisi tetap terjadi pada waktupengukuran
memasuki waktu 14, 33 jam. Sistem E. coli feses kambing kondisi tetap padawaktu
20 jam. Sistem E. coli feses air perasan rumen kondisi tetap pada waktu 51,59
jam.Sistem E. coli feses sapi kondisi tetap pada waktu 17,58 jam. Sedangkan
Sistem E. coli fesesayam dan itik kondisi tetap pada waktu 32 jam dan 23,17 jam.
Ketika
sistem mencapai keadaan stabil, berarti sistem dalam penelitian ini
telahmencapai titik jenuh atau bakteri tidak lagi bereproduksi maksimal.
Sehingga menyebabkankurva mengalami kecendrungan untuk menghasilkan garis
datar, hal ini dikarenakan bakterisudah mengalami masa stationer, dimana
peningkatan jumlah bakteri tidak signifikan. Selainitu berkurangnya substrat
untuk pertumbuhan bakteri ak ibat telah digunakan oleh bakteri,memiliki
pengaruh terhadap hidrogen yang dihasilkan. Menurut Garbutt (1997) pada
kondisiini peningkatan jumlah sel hidup pada kultur tidak lagi signifikan.
Populasi akan berhentitumbuh ketika nutrien yang dibutuhkan unt uk tumbuh telah
digunakan sehingga tidak adalagi tersedia pada kultur bakteri.Pada Gambar 5
menunjukkan tegangan (open circuits voltage) dari ke 6 jenis sampelyang
digunakan. Setelah larutan E. coli dimasukkan ke dalam larutan anoda, kestabilantegangan
(kondisi tetap) membutuhkan waktu yang berbeda -beda. Dimana kondisi tetap
yangpaling cepat adalah pada sampel yang menggunakan sistem MFC E. coli rumen
kerbau yaitu14.33 jam. Sedangkan kondisi tetap yang paling lama adalah sistem
E. coli feses air perasanrumen yaitu 51,59 jam. Pada penelitian Ming dan Ping
(2008) kondisi tetap yang dibutuhkanlebih cepat yaitu 65 menit. Diduga
perbedaan komposisi larutan pada bagian anodamemberikan efek yang signifikan
bagi pertumbuhan bakteri. Ming dan Ping (2008)menambahkan larutan buffer NaHCO3
dan NaH2PO4, selain itu juga dilakukan penambahanvitamin C dan olefin.
Sedangkan pada penelitian ini tidak ditambahkan larutan buffer danvitamin C
serta olefin, sehingga waktu untuk kondisi tetapnya lebih lama, tapi berpengaruhterhadap
pencapaian tegangan.Pada penelitian ini lebih lambat dalam pencapaian kondisi
tetap yaitu 14.33 jamdengan tegangan 364 mV. Untuk penelitian ini tegangan yang
tertinggi dihasilkan oleh sistemE. coli feses ayam sebesar 670 mV dengan waktu 32
jam. Jika dibandingkan tegangan yangdihasilkan, tegangan pada penelitian ini
masih lebih rendah, dimana Ming dan Ping (2008)menghasilkan 0.598 V pada waktu
65 menit dan didapatkan hasil bahwa :
1.
Bakteri Escherichia coli yang di isolasi dari feses ternak dan rumen dapat
digunakanuntuk menghasilkan listrik dengan menggunakan sistem microbial fuel
cell.
2.
Perbandingan dari masing-masing sistem MFC yang menggunakan grafit sebagaianoda
dan katodanya menunjukkan bahwa E.coli yang diisolasi dari air perasan rumen
lebih baik daripada E.coli yang diisolasi rumen kerbau dan E.coli yang
diisolasi feses kambing dalam menghasilkan tegangan (VoC) sebesar 512 mV, rapat
Arus maksimal 1148 mA/m2 dan Rapat daya Maksimal 373,4 mW/m2.
3.
Perbandingan dari masing-masing sistem MFC yang menggunakan seng sebagaianoda
dan jalinan kawat tembaga sebagai katodanya menunjukkan bahwa E.coli
yangdiisolasi dari feses sapi lebih baik daripada E.coli yang diisolasi dari
feses ayam danE.coli yang diisolasi Feses itik dalam menghasilkan tegangan
(VoC) sebesar 889 mV,rapat Arus maksimal 220 mA/m2 dan Rapat daya Maksimal 83,1
mW/m2.
Pada
jurnal ketiga, Produksi Arus Listrik pada Sediment Microbial Fuel Cell (SMFC)
Produksi
arus listrik oleh SMFC selama 40 hari
dengan menggunakan substrat sedimen tambak udang yang dirangkaikan
dengan sebuah resistor tetap bernilai 560 Ω ± 5%. Jumlah arus listrik yang
dihasilkan pada hari pertama pengukuran sebesar
15,7 mA/m2(inlet), 15,7
mA/m2(tengah), 11,4 mA/m2(outlet), dan 21,4 mA/m2(kontrol),
menurun drastis pada hari kedua, yaitu sebesar 1,4 mA/m2(inlet), 2,1 mA/m2(tengah), 0 mA/m2(outlet) dan 2,1 mA/m2(kontrol). Hal ini disebabkan adanya akumulasi elektron
yang telah ada pada sedimen tambak udang yang digunakan. Peningkatan jumlah
arus listrik setelah hari kedua merupakan hasil dari peningkatan aktivitas dan
jumlah mikroorganisme pada sedimen.
Produksi arus listrik dan voltase pada penelitian ini mencapai puncak pada hari ke-24 (Gambar 4 dan Gambar
5), yaitu sebesar 161,99 mA/m2(mA per luas meter persegi permukaan
elektroda) dan 0,39 V pada titik
pengambilan sampel di tengah tambak.
Penurunan jumlah arus listrik
menjelang akhir pengukuran disebabkan, bahan organik yang terdapat disekitar
anoda telah berkurang. Transfer massa pada pembentukan sedimen menjadi faktor
pembatas dalam produksi energi menggunakan SMFC ini (Reimers et al. 2001).
SMFC
dengan substrat sedimen tambak udang dapat menghasilkan arus listrik yang
mencapai puncak produksi arus listrik pada hari ke-24, yaitu ~161,99 mA/m2dan
tegangan sebesar ~0,39 V.
KESIMPULAN
:
Bahwa
Limbah cair rumen sapi, limbah cair tahu dan limbah cair industri sawit, Bakteri Escherichia coli yang di isolasi dari
feses ternak dan rumen substrat tambak udang dapat dimanfaatkan sebagai
substrat dan agensia mikroba pada sistem MFC yang mana Bakteri Escherichia coli
yang di isolasi dari feses ternak dan rumen lebih memiliki potensial yang besar
dalam memproduksi sumber listrik.
DAFTAR
PUSTAKA
Ahn
TA, Kroeze C, Bush SR, Mol APJ. 2010.
Water pollution by intensive brackish shrimp farming in south-east
Vietnam: causes and option for control. Journal Agriculture Water Management
97: 872-882.
Aiyushirota.
2009. Konsep budidaya udang sistem bakteri heterotroph dengan bioflocs.
Bandung: Biotechnology Consulting dan Trading.
A`in
C. 2009. Alternatif pemanfaatan ex disposial area untuk kegiatan perikanan dan
pertanian di kawasan Segara Anakan berdasarkan sistem informasi geografis. [tesis].
Program Studi Magister Manajemen Sumberdaya Pantai, Universitas Diponogoro.
Arshad
MA, Coen GM. 1992. Characterization of soil quality: physical and chemical
criteria. Journal Agricultural 7: 25–31.
Avnimelech
Y, Ritvo G, Meijer LE, Kochba M. 2001. Water content, organic carbon and dry
bulk density in flooded sediment.
Journal Agricultural Engineering 25: 25-33.
0 komentar:
Posting Komentar