57428347 Pemanfaatan Limbah Cair Rumah Tangga Sebagai Bahan Bakar Pembangkit Biolistrik Dalam Sistem MFC

7/16/2019 57428347 Pemanfaatan Limbah Cair Rumah Tangga Sebagai Bahan Bakar Pembangkit Biolistrik Dalam Sistem MFC

http://slidepdf.com/reader/full/57428347-pemanfaatan-limbah-cair-rumah-tangga-sebagai-bahan-bakar-pembangkit 1/22

I. PENDAHULUAN

Kebutuhan akan sumber energi yang ramah lingkungan semakin

meningkat dengan menipisnya bahan bakar minyak dan tingginya pencemaran

udara. Adanya penemuan beberapa potensi bahan bakar penyedia bioenergi

seperti biodisel juga semakin memacu pengembangan penelitian di bidang

bioenergi. Microbial Fuel cell sebagai salah satu alternatif yang bisa dipilih

untuk pengadaan biolistrik mempunyai potensi tinggi karena selain mampu

membangkitkan listrik dengan katalis mikroba, sistem ini juga mampu

mengolah limbah cair yang mengandung bahan organik tinggi secara simultan.

Microbial fuel cell (MFC) adalah sebuah teknologi yang cukup

menjanjikan di masa depan untuk membangkitkan biolistrik dari limbah cair.

Bahan organik dalam limbah cair akan dioksidasi oleh mikro organisma

menghasilkan arus listrik yang mengalir di antara 2 elektroda. Teknologi ini

tidak hanya menawarkan proses yang ramah lingkungan untuk produksi energi

namun juga merupakan salah satu alternatif yang dapat dipilih untuk

pengolahan limbah cair.

Menyadari potensi MFC di masa mendatang sebagai salah satu

penyedia energi yang ‘hijau’, penelitian ini akan mengeksplorasi pemanfaatan

microbial fuel cell untuk pembangkitan listrik dan pengolahan limbah cair.

Sebagai biokatalisator akan digunakan Saccharomyces cereviceae, sedangkan

limbah cair yang digunakan adalah limbah cair rumah tangga. MFC ini akan

digunakan untuk menyalakan LED sesuai dengan voltase yang dihasilkan.

Penelitian ini mempunyai tujuan untuk mengetahui efektifitas limbah

cair rumah tangga sebagai bahan bakar ( fuel) pada sistem MFC. Selain itu juga

menentukan pengaruh konsentrasi biokatalisator Saccharomyces cereviceae

dan volume limbah cair tahu pada proses pembangkitan listrik dalam

microbial fuel cell .

1



II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Microbial Fuel Cells

Microbial Fuel Cells adalah alat yang dapat mengubah energi kimia

menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik oleh mikro organisme.

Terjadinya pembangkitan listrik disebabkan oleh adanya aktivitas bakteri yang

menyebabkan terlepasnya elektron dari komponen seperti oksigen, nitrat ke

akseptor insoluble seperti anoda MFC.

MFC mempunyai keuntungan dibandingkan dengan teknologi lain

yang sekarang ini digunakan untuk membangkitkan energi dari bahan organik.

Pertama, proses ini memungkinkan pembangkitan listrik dari bahan organik

dengan tingkat konversi yang tinggi. Kedua, MFC beroperasi pada suhu kamar

bahkan bisa pada suhu rendah yang membedakannya dari proses bioenergi lain

yang saat ini sudah berkembang. Ketiga, MFC tidak memerlukan pengolahan

gas karena gas hasil keluaran MFC kaya akan CO2. Keempat, MFC tidak

memerlukan input energi untuk proses aerasi, karena di katoda secara pasif

telah terjadi proses aerasi. Kelima, MFC mempunyai potensi yang besar untuk

diadakan di wilayah yang langka fasilitas fisik dan sekaligus merupakan salah

satu bentuk difersifikasi pembangkitan energi untuk memenuhi kebutuhan

masyarakat (Rabaey, dkk., 2005).

Teknologi MFC juga memungkinkan produksi biolistrik dari limbah

cair yang kaya akan bahan organik. Penelitian penggunaan microbial fuel cells

untuk mengolah limbah cair telah dirintis sejak 1991 (Haberman, dkk.).

Namun, baru saat ini MFC dengan daya keluaran yang lebih besar

dikembangkan sehingga membuka peluang aplikasinya secara nyata.

Pengolahan limbah cair menggunakan MFC cukup menjanjikan

mengingat proses ini mengubah sebagian besar energi kimia yang tersimpan

dalam bahan organik menjadi listrik sehingga mengurangi jumlah sludge yang

berlebih (Jang, dkk. 2004; Kim, dkk., 2004).

Sebagian besar MFC adalah elektrokimia tidak aktif. Oleh karena itu

pada beberapa sistem MFC transfer elektron ke elektroda perlu dipermudah

dengan adanya mediator seperti potassium heksasianoferat, thionin. Sebagian

besar mediator ini mahal dan beracun. Sedangkan untuk MFC tanpa mediator,

adanya bakteri elektrokimia aktif langsung dapat mentransfer elektron ke

2



elektroda, yaitu dengan membawa langsung elektron dari enzim hasil respirasi

bakteri ke elektroda. Adapun bakteri yang termasuk dalam jenis ini adalah

Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila, dan lain-lain.

2.2. Metabolisme dalam Microbial Fuel Cells

Ada 3 cara proses metabolisme mikro organisme di dalam sistem

microbial fuel cells, metabolisme dengan redox tinggi, metabolisme dengan

redox rendah-medium dan fermentasi. Pada metabolisme dengan redox tinggi,

elektron dan proton dapat dipindahkan melalui reaksi dehidrogenasi NADH,

ubiquinone, coenzim Q dan cytochrome. Contoh konsorsia mikroba yang

menggunakan sistem metabolisme ini adalah Pseudomonas aeruginosa,

Enterococcus faecium dan Rhodoferax ferrireducens. Pada metabolisme

dengan redox rendah-medium, potensial anoda berkurang dengan adanya

komponen penerima elektron seperti sulphate dan nitrat, karena elektron akan

terdeposit dalam komponen tersebut. Bila tidak ada sulfat atau nitrat,

fermentasi akan menjadi proses penggerak utama. Beberapa jenis mikro

organisma yang diketahui dapat menghasilkan produk fermentasi ada dalam

genus Clostridium, Alcaligens, Enterococcus. Produk fermentasi seperti acetat

pada kondisi potensial yang rendah akan dioksidasi oleh bakteri anaerob

seperti species Geobacter , menghasilkan elektron di MFC. Di dalam Tabel 1

disajikan beberapa contoh species bakteri yang digunakan dalam Microbial

Fuel Cells dan metabolismenya.

Tabel 1. Species Bakteri yang Digunakan di dalam Microbial Fuel Cell dan

Metabolismenya

Tipe Metabolisme Bakteri LiteraturOxidatif Rhodoferax ferrireducens

Geobacter sulfurreducens

Aeromonas hydrophila

Eschericia coli

Shewanella putrefaciens

Pseudomonas aeruginosa

Erwinia dissolvens

Desulfovibrio

Chaudhuri, Lovley (2003)

Bond dan Lovley (2003)

Pham, dkk. (2003)

McKinlay, Zeikus (2004)

Kim, dkk. (2002)

Rabaey, dkk. (2005)

Vega dan Ferndanez (1987)

Cooney, dkk. (1996)

3



Fermentasi desulfuricans

Clostridium butyricum

Enterococcus faecium

Park, dkk. (2001)

Rabaey, dkk. (2005)

2.3. Limbah Cair Rumah tangga

Limbah cair adalah sampah cair dari suatu lingkungan yang sebagian

besar terdiri dari air yang telah digunakan dengan kurang lebih 0,1% berupa

zat padat, tergantung dari sumber limbah cair tersebut. Kandungan dari zat

padat itu sendiri berupa zat organik dan zat anorganik. Dalam Limbah, zat

organik terdiri dari bahan protein, karbohidrat, lemak dan sabun. Zat-zat ini

bersifat tidak tetap dan bila pembuangannya tidak diberi perlakuan yang tepatakan menimbulkan bau yang menyengat dan polusi yang berat bagi perairan.

Secara garis besar zat-zat yang terdapat di dalam air limbah dapat

dikelompokkan pada skema berikut ini.

Protein (65%) Butiran

Karbohidrat (25%) Garam

Lemak (10%) Metal

Gambar 1. Skema Komposisi Limbah Cair

Limbah cair yang mengandung banyak zat organik umumnya berasal

dari industri-industri pangan seperti: tahu, tempe, tapioka dan pengolahan ikan

(industri hasil laut). Limbah industri pangan ini dapat menimbulkan masalah

dalam penangannya karena dengan kandungan Biological Oxygen Demand

(BOD) yang tinggi, berkisar antara 100-400 mg/l, apabila dibuang langsung ke

Air Limbah

Air Bahan padat

Organik An organik

4



perairan akan mengganggu seluruh keseimbangan ekologik dan bahkan dapat

menimbulkan kematian ikan dan biota perairan lainnya.

Limbah cair organik yang berasal dari rumah tangga, terdiri dari dari

limbah padat berupa sisa makanann, bahan baku pangan dan cairan yang

berasala dari konsumsi sehari-hari untuk mandi, cuci dan makan. Selama ini

belum dilakukan pengolahan limbah yang berasal dari rumah tangga. Karena

masih ada kandungan bahan organik, limbah ini mempunyai potensi untuk

dimanfaatkan lebih jauh.

2.4. Yeast

Dalam penelitian ini yeast roti akan digunakan sebagai mikroba. Yeast

adalah mikro organisme eukariotik yang digolongkan dalam kingdom Fungi.

Nama yeast itu sendiri berasal dari bahasa Inggris kuno ‘gist’ atau ‘gyst’ yang

berarti uap atau busa. Yeast menggunakan bahan organik sebagai sumber

energi dan tidak memerlukan cahaya untuk tumbuh, Sumber utama karbon

diperoleh dari gula hexose seperti glukosa dan fruktosa atau disakarida seperti

selulosa atau maltosa. Jenis yeast roti biasanya berasal dari species

Saccharomyces cereviceae. Dalam aktivitasnya yeast roti akan mengubah

komponen gula menjadi karbondioksida. Dalam proses ini secara mikroskopik

akan dilepaskan elektron yang dapat digunakan untuk membangkitkan listrik

dalam MFC.

2.5 Light Emitting Diode (LED)

Pada dasarnya, LED adalah dioda yang memancarkan cahaya. Karenanya

dioda dan LED memiliki kemiripan simbol, ditunjukkan pada gambar 2a dan

2b.

Gb.2a: Simbol Dioda Gb.2b: Simbol LED

Konstruksi fisik dioda adalah sambungan bahan semikonduktor P dan N.

konstruksi fisik LED adalah sama seperti dioda tetapi antara sambungan P-N

disisipi lapisan aktif.

5



Dioda dibangun dengan sambungan bahan semikonduktor jenis P dan

jenis N. lebih detail ditunjukkan pada gambar 3 tentang struktur fisik dioda.

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

P N

Area Deplesi

Gambar 3. Struktur Fisik Dioda Dengan Sambungan P-N

Pada bagian P terdapat muatan hole dan N terdapat muatan elektron.

Dalam kondisi tanpa suplai arus listrik, muatan hole pada P dan muatan

elektron pada N seimbang, dan pada sambungan terdapat gap sempit antara

muatan-muatan tersebut. Gap ini disebut area deplesi (depletion area). Dioda

mengalirkan arus hanya dalam satu arah (DC).

Ketika dioda mendapatkan suplai bias maju ( forward bias) elektron

bergerak maju dan melompat ke P mengisi hole di P, sehingga terdapat hole di

bagian N. Terjadi aliran hole atau biasa disebut arus dari P ke N, sebagaimana

diilustrasikan dengan gambar 4 berikut.

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

P N

Area Deplesi

menyempit

+ -

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

i

Elektron mengisi hole

dalam bahan P

Gambar 4. Dioda Dengan Suplai Bias Maju

Ketika dioda mendapatkan suplai bias mundur (reversed bias) elektron

di N bergerak mundur dan hole di P juga bergerak mundur sehingga area

deplesi melebar pada saat ini tidak ada elektron yang melompat melewati area

deplesi dan tidak ada hole yang berpindah dari P ke N sebagaimana

diilustrasikan pada gambar 5 berikut :

6



+ + ++ + ++ + ++ + +

+ + +

- - -- - -- - -

- - -- - -

P N

Area Deplesimelebar

+-

++++

+

----

-

Gambar 5. Dioda Dengan Suplai Bias Mundur

Adapun konstruksi LED diperlihatkan pada gambar 6.

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

- - -

P N

Bahan Aktif

}

Area Deplesi

Gambar 6. Konstruksi LED

Perilaku hole dan elektron sama seperti pada dioda, baik ketika diberikan

bias maju maupun mundur. Bedanya, pada saat LED mendapat bias maju dan

elektron melompat dari N ke P untuk mengisi hole di P, melepaskan energi

dalam bentuk cahaya dan sedikit kalor karena melintasi bahan aktif. Warna

cahaya yang dihasilkan tergantung dari bahan aktif yang dipakai. Bahan

galium, arsenik, dan phosporus akan menghasilkan pancaran cahaya warna

merah, kuning, dan hijau. Warna-warna lain bisa dihasilkan dengan caramengkombinasikan bahan-bahan tersebut sebagai bahan aktif LED.

2.6 Tinjauan Penelitian Sebelumnya

Dari penelitian yang telah dilakukan, strain dari Shewanella putrafaciens

dan Eschericia coli paling banyak digunakan untuk pembangkitan listrik

dalam MFC. Rabaey, dkk (2005) menggunakan 2 jenis mikroba yaitu

Geobacter sulfurreducens dan Rhodoferax ferrireducens dan berhasil

mentransfer sebagian besar elektron dari sumber karbon, glukosa, ke

7



elektroda. Dari hasil penelitiannya menunjukkan adanya efisiensi coulomb

yang tinggi. Hal ini berarti proses perpindahan elektron berlangsung dengan

tingkat efisiensi yang tinggi. Namun ini tidak berarti energi listrik yang

dihasilkan akan tinggi, karena besarnya energi listrik yang dihasilkan akan

bergantung pada potensial dan arus listrik yang dibangkitkan. Dimana

resistansi atau hambatan akan berpengaruh di sini. Cahyani, F.N, dkk (2007)

menggunakan mikroba Saccharomyces cereviceae yang diperoleh dari ragi

roti dan substrat/bahan bakar limbah cair artifisial untuk membangkitkan

listrik dalam MFC. Limbah cair artifisial disiapkan dari campuran glukosa dan

asam glutamat yang telah dimodifikasi sehingga mempunyai BOD 100-400

mg/L. Sistem yang digunakan MFC tanpa mediator dengan katolit Potassium

heksasianoferat. Besar voltase optimal yang diperoleh dari sistem ini adalah

0,6 Volt dan arus 0,8 mA dengan densitas daya sebesar 450,1 mW/m2. Pada

Tabel 2 disajikan beberapa sistem mikrobial yang telah digunakan dalam

penelitian-penelitian sebelumnya.

Tabel 2. Sistem Microbial Dari MFC

Mikroba Substrat Tipe Elektroda Literatur

Kultur Tunggal

Erwinia dissolvens

Proteus vulgaris

Shewanella

putrefaciens

Geobacter

sulfurreducens

Rhodoferax

ferrireducens

Pseudomonas

aerigunosa

Escherichia coli

Saccharomyces

cereviceae

Kultur campuran

Glukosa

Glukosa

Laktat

Acetat

Glukosa

Glukosa

Laktat

Glukosa dan

Asam

glutamat

Grafit (anyaman)

Karbon

Grafit (anyaman)

Grafit (plain)

Grafit (plain)

Grafit (plain)

Grafit (plain)

Karbon

Vega, dkk. (1987)

Choi, dkk. (2003)

Kim, dkk. (1999)

Bond, Lovley

(2003)

Chaudhuri, Lovley

(2003)

Rabaey, dkk.

(2005)

Park, Zeikus (2003)

Cahyani, F.N.

(2007)

8



Konsorsia

campuran, batch

Activated sludge

Konsorsia

campuran,

continuous

Glukosa

Limbah cair

Glukosa

Glukosa

Acetat

Grafit (plain)

Grafit (anyaman)

Grafit (anyaman)

Grafit (granular)

Kertas karbon

Liu, dkk. (2004)

Kim, B.H., dkk.

(2004)

Kim, B.H., dkk.

(2004)

Rabaey, dkk.

(2005)

Liu, dkk. (2005)

Hasil penelitian dari Bond dan Lovley (2003) menunjukkan potensi

Geobacter sulfureducens fermentans sebagai biokatalis MFC. Ketika

sejumlah G. sulfurreducens disuntikkan di ruang elektroda fuel cell, suspensi

dari bakteri ini dapat mengoksidasi acetat menghasilkan electron yang

mengalir melalui 2 elektroda. Penelitian lebih lanjut yang dilakukan oleh Bond

dan Lovley (2005) menggunakan mikroba yang berbeda yaitu Geothrix

fermentans. Dalam penelitian ini G. fermentans sebagai organisme yang dapat

mereduksi Fe (III) mampu menyimpan energi untuk menyuplai

pertumbuhannya dengan jalan merangkai proses oksidasi acetat ke reduksi

elektroda grafit. Ini adalah penelitian pertama yang melaporkan hubungan

antara oksidasi bahan organik dengan reduksi elektroda.

2.7 Parameter Unjuk Kerja MFC

Besarnya energi (Joule) yang dihasilkan dari proses elektrokimia dapat

dirumuskan sebagai berikut:

E = P.t ………………………………………………………………(1)Dengan P adalah daya (Watt) dan t adalah waktu (detik). Besarnya daya

tergantung pada besarnya potensial dan arus yang timbul :

P = V.I ………………………………………………………………(2)

Dalam praktek, maksimal potensial pada sistem open circuit yang dapat

diperoleh dalam kisaran 750-800 mV. Ketika loop ditutup, voltasenya akan

turun secara drastic dikarenakan adanya over potensial akibat adanya

resistansi internal dan resistansi pada proses transfer elektron. Pada MFC, over

9



potensial sangat tergantung pada aliran arus melalui anoda, sifat elektrokimia

dari elektroda, ada tidaknya mediator dan suhu operasi. (Rabaey, dkk, 2005)

Parameter unjuk kerja dari MFC umumnya dilihat dari besarnya

output daya per luas elektroda dalam satuan mW/m2. Namun, karena

biokatalis (bakteri) mempunyai karakteristik khusus dan menempati sebagian

volume dari ruang elektroda sehingga mengurangi ukuran pori-pori elektroda,

maka dari sudut pandang teoritis unjuk kerja dari MFC lebih baik jika

dinyatakan dalam satuan mW/m3 sebagai pembanding. Dan atas dasar densitas

daya ini unjuk kerja dari MFC dievaluasi.

Rabaey, dkk. (2003) menyatakan bahwa densitas daya sebesar 3,6

W/m2 dapat diperoleh dari MFC yang menggunakan 100 mM ferisianida

sebagai mediator di katoda. Akan tetapi densitas daya sebesar ini tidaklah

konstan, terdapat beberapa puncak selama 5 hari pengoperasian.

Penelitian yang menekankan pada modifikasi microbial fuel cell telah

dilakukan oleh Zhen , dkk. (2005). Sebuah sistem Up flow microbial fuel cell

(UMFC) dikembangkan untuk membangkitkan listrik sekaligus mengolah

limbah cair. Selama periode 5 bulan operasi dengan larutan sukrosa sebagai

electron donor, UMFC secara kontinyu mampu membangkitkan listrik dengan

densitas daya maksimum 170 mW/m2. Guna memperoleh densitas daya

sebesar ini, di katoda digunakan mediator elektron heksasianoferat.

10



III. METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Pelaksanaan Penelitian

Penelitian ini telah dilaksanakan di Kampus STT Migas Balikpapan

selama 4 bulan diantaranya untuk persiapan, kalibrasi alat ukur dan penelitian

pendahuluan, penelitian, dan pembuatan laporan.

3.2 Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini tercantum dalam

tabel 3 berikut :

Tabel 3. Bahan yang digunakan dalam Penelitian

No Bahan yang digunakan Karakteristik

1.

2.

3.

4.

5.

Saccharomyces cereviceae

dari yeast roti

Metilen blue

Potasium heksasioanoferat

Larutan buffer pH 7

Limbah cair rumah tangga

Berbentuk padatan dengan butiran-

butiran kecil

Serbuk yang kemudian dilarutkan

dalam aquades

Berbentuk kristal, kemurnian 99%

Berbentuk cair

BOD tertentu

Adapun sistem microbial fuel cell yang digunakan disajikan dalam gambar

berikut :

Gambar 7. Deskripsi Microbial Fuel Cells3.3 Prosedur Penelitian

11



Saccharomyces cereviceae dari yeast roti yang digunakan sebagai mikroba

dilarutkan dalam larutan buffer pH 7 dan menempati ruang anoda (10 ml).

Sebagai oksidator digunakan Potasium heksasianoferat yang menempati ruang

katoda (10 ml). Untuk substrat/bahan bakar digunakan limbah cair rumah tangga

yang sebelumnya disterilisasi, untuk menjamin tidak adanya kontaminasi dengan

mikroba yang lain.

Selanjutnya elektroda karbon dihubungkan dengan crocodile clip dan

disambungkan ke Telemetri. Selain itu untuk membuktikan secara nyata adanya

pembangkitan listrik dirangkai dumper lamp (LED) sebagai beban listrik yang

dihasilkan.

Untuk menentukan voltase dan arus yang dibangkitkan microbial fuel cell,

Telemetri voltase, ampere dan daya dirangkai dengan interface yang menampilkan

hasil pengukuran tiap waktu tertentu melalui short message service (SMS) yang

juga dapat ditampilkan ke monitor komputer. Sebagai pembanding (standar)

dibuat larutan blanko berupa aquades yang dimasukkan ke ruang anoda, untuk

diukur voltase dan arus listriknya.

3.4 Analisa data

Variabel yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut :

a. Variabel berubah : konsentrasi mikroba (dalam larutan buffer)

Variabel tetap : konsentrasi oksidator, volume substrat/bahan bakar

b. Variabel berubah ; volume substrat/bahan bakar limbah rumah tangga

Variabel tetap : konsentrasi mikroba, konsentrasi oksidator

Perhitungan energi listrik yang dihasilkan menggunakan persamaan 2.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

12



4.1 Analisis Blangko

Voltase = 0,14 V

Arus = 10 mA

Daya = 1,4 mW

4.2 Variasi Volume Substrat

Dari penelitian yang telah dilakukan, untuk luas elektroda = 11,1 cm2

dan volume ruang anoda = 10 ml, diperoleh data penelitian untuk variasi

volume substrat sebagai berikut :

Tabel 4. Data Percobaan Variasi Volume Substrat dengan Penambahan Yeast

10 gram.Volume

Substrat, mlI, mA V, Volt P, mW

Densitas Daya,

W/m2

10 22 0,7 15,4 14,0

20 21 0,6 12,6 11,5

30 21 0,86 18,06 16,4

40 22 0,9 19,8 18,0

4.3 Variasi Konsentrasi Yeast

Tabel 5. Data Percobaan Variasi Konsentrasi Yeast dengan Substrat 30 ml

Konsentrasi

Yeast (gram/ml)I, mA V, Volt P, W

Densitas Daya,

W/m2

0,05 20 0,7 14 12,7

0,10 20 0,8 16 14,5

0,15 22 0,9 19,8 18,0

0,20 22 0,9 19,8 18,0

4.4 Pembahasan

Microbial fuel cell yang digunakan dalam penelitian ini beroperasi secara

batch. Substrat yang berupa limbah cair rumah tangga yang diambil dari air

limbah sisa makanan (kaya bahan organik) akan berfungsi sebagai bahan bakar

bagi fuel cell . Limbah ini mengandung bahan organik yang akan dioksidasi

menghasilkan proton dan elektron. Yeast jenis Saccharomyces cereviceae

berperan sebagai biokatalisator proses pembangkitan listrik.

13



Gambar 8. Voltase yang dihasilkan dan LED yang menyala dari variasi

substrat dan konsentrasi yeast.

Di ruang anoda bakteri akan mengoksidasi bahan organik dalam limbah cair

menghasilkan elektron sebagai produk intermediet. Selanjutnya elektron ini akan

ditransfer ke elektroda. Aliran elektron dari elektroda anoda ke elektroda katoda

akan melalui clip dan konduktor membangkitkan listrik. Telemetri yang dapat

mengirimkan hasil pengukuran voltase, ampere dan daya MFC secara kontinyu

melalui sistem short message service (SMS) ke Handphone. Proton akan bergerak

ke ruang katoda menembus kation membran. Di katoda Potassium heksasianoferat

terreduksi dari Fe(III) menjadi Fe(II).

Reaksi di katoda adalah sebagai berikut :

Fe(CN)63- + e- →Fe(CN)64-

Potassium heksasioferat sebagai katolit (akseptor elektron) akan menjadikan

ruang katoda miskin elektron, sehingga terjadi aliran elektron dari anoda (kaya

elektron) ke katoda. Penggunaan katolit Potassium heksasionoferat untuk skala

laboratorium lebih efektif dibandingkan dengan jenis yang lain seperti MnO2,

oksigen, dikarenakan besarnya potensial yang dihasilkan lebih mendekati

potensial open circuit (overpotensial rendah). Namun penggunaannya untuk skala

besar kurang efektif karena proses oksidasinya terbatas waktunya sehingga harus

diganti secara berkala. Dari Tabel 4 dan Tabel 5 hasil pengukuran voltase pada

berbagai variasi volume substrat dan konsentrasi mikroba diperoleh range voltase

0,6 – 0,9 V.

Besarnya voltase ini selain dipengaruhi oleh jenis akseptor elektron, dalam hal

ini Potassium heksasianoferat, juga dipengaruhi oleh proses metabolisme yang

terjadi di anoda, dimana terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik.

C6H12O6 + H2O→6 CO2 + 24 H+ + 24 e-

14



Dari variasi volume substrat terlihat bahwa semakin besar volume substrat

voltase makin besar. Harga voltase tertinggi diperoleh pada V=40 ml, yaitu

sebesar 0,9V. Adanya mikroba akan meningkatkan beda potensial antar elektroda.

Semakin besar jumlah mikroba semakin banyak bahan organik yang akan

dikonsumsi. Artinya elektron akan semakin banyak dihasilkan. Namun pada

konsentrasi Yeast 0,15-0,20 gram/ml nilai daya tetap karena pada kondisi tersebut

bahan organik telah dikonsumsi oleh mikroba sehingga peningkatan jumlah

mikroba tidak dapat lagi meningkatkan daya yang dihasilkan.

Keberadaan mikroba yang merupakan agen reduksi sangat menentukan proses

konversi energi kimia menjadi listrik. Jika konsentrasi mikroba makin besar

banyak elektron yang terlepas dari proses oksidasi bahan organik juga makin

banyak, namun setelah mencapai konsentrasi optimum elektron yang dihasilkan

justru akan turun karena pada konsentrasi yang lebih tinggi mikroba justru

bersaing menggunakan bahan organik untuk proses pertumbuhannya.

Selama proses pengukuran arus, besarnya arus terukur tidak stabil.

Dibandingkan arus yang terukur saat pengukuran blangko, besarnya arus menurun

karena sistem menjadi polar yang mengindikasikan bahwa tidak ada suplai

elektron yang cukup besar di elektroda. Hal ini dikarenakan luas permukaan

elektroda yang digunakan sangat kecil (11,1 cm2), sehingga polarisasi sangat

mungkin terjadi. Oleh karena itu, dari hasil penelitian ini disarankan guna

peningkatan arus dan daya yang dihasilkan penggunaan microbial fuel cell secara

paralel untuk memperluas elektroda sangat dimungkinkan. Selain itu dengan cara

ini juga dapat ditingkatkan lama proses karena sistem dapat berkerja secara semi

batch.

Dengan daya yang dihasilkan seperti pada Tabel 4 dan 5 dapat digunakan

untuk menghasilkan LED sebagai bukti bahwa benar listrik dihasilkan.

15



V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Berdasarkan hasil dan pembahasan dari pecobaan yang telah dilakukan

diperoleh hasil sebagai berikut :

1. Yeast roti dengan jenis Saccharomyces cereviceae dan bahan

bakar/substrat limbah cair rumah tangga dapat digunakan sebagai sumber energi

alternatif pembangkit listrik, meskipun baru digunakan dengan skala yang kecil.

2. Pada konsentrasi yeast roti 0,15 gram/ml dan volume substrat 40 ml

diperoleh kondisi terbaik yaitu besarnya densitas daya 18 W/m2 dengan arus listrik

sebesar 22 mA dan voltase 0.9 Volt.

3. Daya yang diperoleh dapat digunakan untuk menghidupkan LED.

B. Saran

Dari penelitian yang telah dilakukan, ada beberapa hal yang dapat disarankan,

yaitu :

1. Untuk menghasilkan daya yang lebih besar, sebaiknya dalam

penelitian selanjutnya MFC dengan ruang katoda-anoda yang lebih besar dan sistem

rangkaian MFC yang paralel.

2. Jika menggunakan limbah cair lain seperti limbah cair organik dari

industri sebaiknya dilakukan pretreatment terlebih dahulu untuk mengetahui

komposisi yang terdapat dalam limbah tersebut.

16



DAFTAR PUSTAKA

1. Bond, D.R. and Lovley, D.R., 2003,” Electricity production by

Geobacter sulfurreducens attached to electrodes”, Appl.Environ.Microbiol.

69:1548-15552. Bond, D.R. and Lovley, D.R., 2005,” Evidence for involvement of

electron shuttle in electricity generation by Geothrix fermentans”,

Appl.Environ.Microbiol. 71:2186-2189

3. Cahyani, F.N., dkk, 2007, “Penggunaan biokatalisator

Saccharomyces cereviceae dengan substrat limbah cair artifisial untuk

membangkitkan listrik dalam sistem Microbial fuel cell (MFC)”, Prosiding

Simposium RAPI VI 2007, FT UMS

4. Habermann, W., and Pommer, E.H., 1991,”Biological fuel cells

with sulphide storage capacity”, Appl. Microbiol. Biotechnol.35 , 128-133

5. Jang, J.K., Pham, T.H., Chang, I.S., Kang, K.H., Moon, H., Cho,

K.S., Kim, B.H., 2004,”Construction and operation of a novel mediator andmembrane-less microbial fuel cell”, Process Biochem., 39, 1007-1012

6. Kim, B.H, et al., 2006,” Continuos electricity production from

artificial wastewater using a mediator-less microbial fuel cell”, Bioresource

Technology 97:621-627

7. Kim, B.H., Park, H.S., Kim, H.J., Kim G.T., Chang I.S., Lee, J.,

Phung, N.T., 2004, “ Enrichment of Microbial Community generating

electricity using a fuel cell type electrochemical cell”, Appl.Microbiol.

Biotechnol. 63(6),672-681

8. Kim, H.J, et al., 1999,” A microbial fuel cell type lactate biosensor

using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens”, J. Microbiol.

Biotechnol., 9:365-367

9. Kim, H.J, et al., 2002,” A mediator-less microbial fuel cell using a

metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens”, Enzyme Microb.

Technol., 30:145-152

10. Rabaey, K., and Verstraete, W., 2005,” Microbial fuel cells: novel

biotechnology for energy generation”, TRENDS in Biotechnology, Vol 23 No

6 June 2005, 291-298

11. Rabaey, K., et al., 2003,”A microbial fuel cell capable of

converting glucose to electricity at high rate and efficiency”, Biotechnol.Lett.

25, 1531-1535

12. Rabaey, K., et al., 2004,” Biofuell cells select for microbialconsortia that self-mediated electron transfer”, Appl. Environ. Microbiol. 70,

5373-5382

13. Sugiharto, 1987,” Dasar-dasar pengolahan air limbah”, Cetakan

pertama, UI press, Jakarta

14. U.N. Mahida, 1986,” Pencemaran air dan pemanfaatan limbah

industri”, Cetakan kedua, CV Rajawali, Jakarta

15. Zhen, H. et al., 2005,” Electricity generation from artificial

wastewater using an upflow microbial fuel cell” Environ.Sci.Technol.

39:5262-5267

16. “ The History of Bread Yeast”, British Broadcasting Company,

2006

17



LAMPIRAN I

MIKROKONTROLER

AVR ATMEGA 16A

KONVERTER

TTL KE RS 232GSM MODEM

BEBAN LISTRIK

DISPLAY

LCD 16x2 BARIS

SWITCH SETING

LED INDIKATOR

SENSOR ARUS

SENSOR TEGANGAN

SUMBER DAYA

Gambar 9. Diagram Blok Telemetri VA meter

START

n = 0

BACA SMS MASUK :KIRIM : AT+CMGR = INDEX

SIMPAN ISI PESAN SMS

INDEX > m

YA

YA

TIDAK

TIDAK

INISIALISASI MIKROKONTROLER :

PORT I /O, LCD , USART 19200 BPS ,

DISPLAY : JUDUL PENELITIAN ,

START TIMER 1

TIMER 1 = SET MENIT

HAPUS MEMORI SMSKIRIM : AT+CMGD = inde

PERIKSA ISI PESAN SMS

BACA ADC 0 & ADC 1,

KONVERSI NILAI TEGANGAN & ARUS

SIMPAN DATA

DISPLAY LCD :

NILAI TEGANGAN & ARUS

YA

TIDAK

KIRIMSMS

BACA MEMORI SMS SIMCARD :

SET INDEX = 1, KIRIM : AT+CPMS ?

RESPON : + CPMS = “n” , ”m” ,”SM” ,

INDEX + 1

TULIS DATA KE ARRAY <MSG > :

“ TELEMETRI SISTEM , DATA NO . NNNN ,

TEGANGAN V : 0,00VOLT , ARUS I : 0,000 A,DAYA LISTRIK P : 0,00 WATT ”

RESTART TIMER 1

Gambar 10. Diagram Alir Sistem Kerja Telemetri VA meter

18



MSG = REGn ON

MSG = REGn OFF

MSG = REGn <081 …>

MSG = AUTO XXX

MSG = SETING

SIMPAN DATA REGISTER n = 0

SIMPAN DATA <081...>

KE EEPROM ARRAY < REGn >

SIMPAN DATA :

SET TIMER = XXX MENIT

MSG = DATA

MSG = CEK

YA

YA

YA

YA

YA

YA

YA

TIDAK

TIDAK

TIDAK

TIDAK

TIDAK

TIDAK

TIDAK

MSG = PULSA < KODE >

TIDAK

YA


“ SETUP : Data : <counter >,

Auto : <XXX> menit ,

Reg. 1: ON / OFF / <REG 1>,




Reg .5: ON / OFF / <REG 5> ”

SIMPAN DATA REGISTER n = 1

VOICE DIAL :

KIRIM : ATD <KODE> ;<CR>< LF>

SIMPAN DATA :

NOMER PENGIRIMSMS = <Y>,

TEXT PESAN SMS = <MSG >

START

STOP

DISPLAY LCD :

SMS INPUT NO .< INDEX >,

NOMER PENGIRIMSMS = <Y>


“ CHEK : < TEXT RESPON > “KIRIMSMS

NOMOR TUJUAN = REGISTER 1 - 5


“ TELEMETRI SISTEM , DATA NO . NNNN ,

TEGANGAN V : 0,00VOLT , ARUS I : 0,000 A,

DAYA LISTRIK P : 0,00 WATT ”

NOMOR TUJUAN = PENGIRIMSMS

NOMOR TUJUAN = PENGIRIM SMS

Gambar 11. Diagram Alir Sistem Periksa Isi Pesan SMS

19



KIRIMDATA SERIAL KE GSMMODEM :

AT+CMGS = “< NOMOR TUJUAN >” <CR><LF >

RESPON :”OK” (COUNTER + 1) > 3

SET COUNTER = 0

TIDAK

YA YA

TIDAK

START

STOP

PERSIAPAN DATA :

NOMOR SERVICE CENTRE <X>,

NOMOR TUJUAN SMS <Y>,

ISI PESAN TEXT < MSG >

RESPON : ” > ” DELAY 10 mS

KIRIMDATA SERIAL KE GSMMODEM :

KIRIMDATA : < MSG > < CTRL +Z >

Gambar 12. Diagram Alir Sub Routine Kirim SMS

20



Lampiran II

1

4

2

3

5

6

7

8

9

12

10

11

Keterangan :

1. GSM Modem menggunakan Wavecom M1602 Fastrack

2. Sistem regulator supply 5V DC

3. Sistem regulator supply 7V DC untuk GSM Modem

4. Fuse pengaman sensor tegangan dan arus bernilai 2 A

5. Resistor shunt 0,5 ohm 1 Watt6. Konverter RS232 menggunakan IC MAX232

7. Mikrokontroler ATMEGA16

8. Lcd modul tipe M1632

9. Led indikator

10. Panel box sisi depan

11. Fuse pengaman sistem control modul bernilai 3 A

12. Panel terminal sisi bawah

Gambar 13. Realisasi Alat Telemetri VA Meter Sisi Dalam

21



13 14 15

Keterangan :

13. Input switch A

14. Input switch B

15. Input switch C

Gambar 14. Realisasi Alat Telemetri VA Meter Sisi Atas

16 18

17 19

20 22

21 23

Keterangan

16. Removable fuse holder

17. Terminal koneksi ke GSM Modem

18. Switch power utama

19. Terminal masukan power supply AC/DC 12V

20. Terminal positif masukan dari sumber tegangan input

21. Terminal negatif masukan dari sumber tegangan input

22. Terminal positif output ke rangkaian beban listrik

23. Terminal negatif output ke rangkaian beban listrik

Gambar 15. Realisasi Alat Telemetri VA Meter Sisi Bawah

Documents

57428347 Pemanfaatan Limbah Cair Rumah Tangga Sebagai Bahan Bakar Pembangkit Biolistrik Dalam Sistem MFC