57428347 pemanfaatan limbah cair rumah tangga sebagai bahan bakar pembangkit biolistrik dalam sistem...
TRANSCRIPT
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
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 2/22
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
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 3/22
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
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 4/22
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
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 5/22
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
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 6/22
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
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 7/22
+ + ++ + ++ + ++ + +
+ + +
- - -- - -- - -
- - -- - -
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
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 8/22
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
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 9/22
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
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 10/22
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
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 11/22
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
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 12/22
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
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 13/22
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
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 14/22
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
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 15/22
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
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 16/22
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
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 17/22
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
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 18/22
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
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 19/22
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
TULIS DATA KE ARRAY <MSG > :
“ SETUP : Data : <counter >,
Auto : <XXX> menit ,
Reg. 1: ON / OFF / <REG 1>,
Reg. 2: ON / OFF / <REG 2>,
Reg. 3: ON / OFF / <REG 3>,
Reg. 4: ON / OFF / <REG 4>,
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>
TULIS DATA KE ARRAY <MSG > :
“ CHEK : < TEXT RESPON > “KIRIMSMS
NOMOR TUJUAN = REGISTER 1 - 5
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 ”
NOMOR TUJUAN = PENGIRIMSMS
NOMOR TUJUAN = PENGIRIM SMS
Gambar 11. Diagram Alir Sistem Periksa Isi Pesan SMS
19
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 20/22
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
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 21/22
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
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 22/22
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