produksi energi listrik melalui microbial fuel cell...

UNIVERSITAS INDONESIA

PRODUKSI ENERGI LISTRIK MELALUI MICROBIAL FUEL

CELL MENGGUNAKAN LIMBAH INDUSTRI TEMPE

SKRIPSI

ESTER KRISTIN

0806460471

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES

DEPOK

JUNI 2012

Produksi energi..., Ester Kristin, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

PRODUKSI ENERGI LISTRIK MELALUI MICROBIAL FUEL

CELL MENGGUNAKAN LIMBAH INDUSTRI TEMPE

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh Sarjana Teknik

ESTER KRISTIN

0806460471

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES

DEPOK

JUNI 2012


ii


iii


iv

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, atas

segala kasih karunia dan kebaikan-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi yang

berjudul “Produksi Energi Listrik Melalui Microbial Fuel Cell Menggunakan

Limbah Industri Tempe” sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana

Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai

pihak, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena

itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua orang tua dan kakak penulis yang selalu memberikan semangat kepada

penulis serta mendoakan kelancaran penulisan;

2. Ir. Rita Arbianti, M.Si., selaku dosen pembimbing I yang telah menyediakan

waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan dalam penyusunan penulisan

ini;

3. Dr. Tania Surya Utami, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing II yang telah

memberikan ide segar dan saran yang membangun dalam penyusunan

penulisan;

4. Dr. Heri Hermansyah, selaku ketua Program Studi Teknologi Bioproses

Universitas Indonesia dan ketua Research Group Bioproses;

5. Prof. Dr. Ir. Widodo Wahyu Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen

Teknik Kimia FTUI dan Ir. Yuliusman, M.Eng., selaku kordinator mata

kuliah spesial;

6. Para dosen dan laboran Departemen Teknik Kimia FTUI yang telah

memberikan ilmu dan wawasannya;

7. Pak Amat, sebagai pemilik pabrik tempe di Kampung Lio-Depok, yang

memberikan izin atas penggunaan limbah tempe yang digunakan dalam

penelitian ini;

8. Rekan satu riset yang sangat membantu dalam pelaksanaan penelitian yaitu

Ira Trisnawati;


v

9. Rekan satu bimbingan yang membantu dalam pencarian sumber dan saling

bertukar wawasan serta informasi yang ada yaitu David Adiprakoso, Hari

Sutioso, Aziz Priambodo, dan Khairul Hadi;

10. Girlfriends yang saling mendukung, memberikan semangat, dan berbagi suka

duka yaitu Destya Nilawati, Dini Asyifa, Indrianti Pramadewi, Nindya Sani

W.;

11. Teman terbaik Nirwanto Honsono atas segala bentuk dukungannya;

12. Teman-teman Teknologi Bioproses 2008 yang selalu ramah dan mengerti arti

solidaritas;

13. Semua pihak yang telah membantu penyusunan skripsi ini secara langsung

maupun tidak langsung.

Depok, 22 Juni 2012

Ester Kristin


vi

\


vii

ABSTRAK

Nama : Ester Kristin

Program Studi : Teknologi Bioproses

Judul : Produksi Energi Listrik Melalui Microbial Fuel Cell

Menggunakan Limbah Industri Tempe

Kebutuhan energi listrik di Indonesia yang terus meningkat telah memicu

dilakukannya berbagai riset ke arah teknologi inovatif yang lebih efektif, efisien

dan ramah lingkungan untuk memproduksi energi listrik. Salah satu teknologi

alternatif yang bisa dikembangkan adalah Microbial Fuel Cell (MFC) yang

berbasis prinsip bioelektrokimia dengan memanfaatkan mikroorganisme untuk

memecah substrat sehingga menghasilkan energi listrik. Penelitian kali ini

difokuskan pada pemanfaatan limbah industri tempe sebagai substrat pada sistem

MFC dual-chamber yang dilengkapi membran penukar proton. Variasi susbtrat

meliputi limbah tempe model, limbah tempe model yang ditambahkan glukosa

dengan perbandingan 1:1. Variasi lama waktu inkubasi substrat juga dilakukan,

yaitu selama satu hari, satu minggu, dan satu bulan. Kedua hasil variasi yang

optimal akan diterapkan pada penggunaan limbah industri tempe sebagai substrat.

Nilai produksi listrik tertinggi dihasilkan oleh limbah tempe model yang

diinkubasikan selama 1 minggu yaitu dengan power density sebesar 1,74 x 10-6

mW/m2 sedangkan limbah industri tempe dengan waktu inkubasi yang sama

menghasilkan power density sebesar 1.95 x10-7 mW/m

2. Riset lebih lanjut dalam

pemanfaatan limbah industri tempe sebagai substrat dalam sistem MFC dapat

mereduksi biaya operasi sistem MFC, sekaligus menjadikan MFC sebagai

teknologi penghasil listrik yang ekonomis, ramah lingkungan dan berkelanjutan.

Kata kunci: Microbial Fuel Cell, energi listrik, limbah industri tempe.


viii

ABSTRACT

Name : Ester Kristin

Study Program : Bioprocess Engineering

Title : Electricity Generation Through Microbial Fuel Cell Utilizing

Tempe Industry Wastewater

Electrical energy demand in Indonesia has sparked a growing range of research

done in the direction of innovative technologies that are more effective, efficient

and environmentally friendly to produce electrical energy. One of the alternative

technologies that could be developed is a Microbial Fuel Cell (MFC) based on the

principle of bioelectrochemical by utilizing microorganisms to break down the

substrate to produce electrical energy. The current study focused on the utilization

of tempe industry wastewater as a substrate on dual-chamber MFC system

equipped with a proton exchange membrane. Variations include tempe wastewater

model and tempe wastewater model is added with glucose with a ratio of 1:1.

Incubation time of substrate variations was also conducted, which were the

incubation for one day, one week and one month. The optimal results of both

variations will be applied to the use of tempe industry wastewater as a substrate.

The highest electricity production value generated by tempe waste model which

was incubated for 1 week with a power density of 1.74 x 10-6 mW/m

2 while tempe

industry wastewater with the same incubation time produced power density of

1.95 x10-7 mW/m

2. Further research of tempe industry wastewater utilization as

substrate in MFC system can reduce the cost of MFC system operation and also to

make electricity-producing MFC technology that is economical, environmental-

friendly and sustainable.

Keywords: Microbial Fuel Cell, electrical energy, tempe industry waste.


ix

DAFTAR ISI

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................. ii

LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. iii

KATA PENGANTAR .......................................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS

AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ............................................. vi

ABSTRAK ............................................................................................................ vii

ABSTRACT ........................................................................................................ viii

DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xi

DAFTAR TABEL ................................................................................................ xii

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang .......................................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah .................................................................................. 2

1.3. Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3

1.4. Manfaat Penelitian .................................................................................... 3

3.1. Batasan Masalah ....................................................................................... 3

3.2. Sistematika Penulisan ............................................................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 5

2.1. Microbial Fuel Cell .................................................................................. 5

2.1.1. Prinsip Kerja MFC ............................................................................ 5

2.1.2. Material Elektroda ............................................................................. 7

2.1.3. Jenis Sistem MFC .............................................................................. 8

2.1.4. Faktor Operasional Pada Sistem MFC ............................................ 11

2.1.5. Aplikasi MFC .................................................................................. 13

3.2. Limbah Industri Pengolahan Kedelai ..................................................... 14

3.3. Konsep Limbah menjadi Energi Listrik ................................................. 15

2.4. State of the Art ........................................................................................ 16

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 21

3.1. Rancangan Penelitian .............................................................................. 21

3.2. Waktu dan Lokasi Penelitian .................................................................. 23

3.3. Sampel Penelitian ................................................................................... 23


x

3.4. Alat dan Bahan Penelitian ...................................................................... 23

3.4.1. Alat Penelitian ................................................................................. 23

3.4.2. Bahan Penelitian .............................................................................. 24

3.5. Variabel Penelitian .................................................................................. 24

3.5.1. Variabel Bebas ................................................................................ 25

3.5.2. Variabel Terikat ............................................................................... 25

3.5.3. Variabel Kontrol .............................................................................. 25

3.6. Pelaksanaan Penelitian ............................................................................ 25

3.6.1. Preparasi Alat Elektrolisis ............................................................... 25

Gambar 3.3. Diagram Alir Preparasi Elektroda ................................................ 27

3.6.2. Preparasi Substrat ............................................................................ 27

3.6.3. Preparasi Elektrolit .......................................................................... 28

3.6.4. Eksperimen MFC ............................................................................ 28

3.6.5. Pengukuran Kuat Arus dan Tegangan Sistem MFC ........................... 29

BAB IV PEMBAHASAN DAN ANALISIS ....................................................... 30

4.1. Desain Microbial Fuel Cell .................................................................... 30

4.2. Reaksi Kimia di Kompartemen Katoda dan Kompartemen Anoda ........ 31

4.3. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Substrat ......................... 33

4.4. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi ... 36

4.5. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada Limbah Industri Tempe ............. 39

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 43

5.1. Kesimpulan ............................................................................................. 43

5.2. Saran ....................................................................................................... 43

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 44

LAMPIRAN A ..................................................................................................... 47

Perhitungan Preparasi Larutan ......................................................................... 47

LAMPIRAN B ..................................................................................................... 48

Data Produksi Listrik MFC ............................................................................... 48


xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Mekanisme transfer elektron melalui membran luar sel ............................................. 6

Gambar 2.2. Mekanisme transfer elektron menggunakan mediator ................................................ 7

Gambar 2.3. Mekanisme transfer elektron menggunakan bacterial nanowires .............................. 7

Gambar 2.4. Skema dual dan single chamber MFC........................................................................ 9

Gambar 2.5. Skema stack MFC ...................................................................................................... 9

Gambar 2.6. Konversi limbah menjadi energi listrik dalam single chamber MFC ....................... 15

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian............................................................................................ 23

Gambar 3.2. Diagram Alir Preparasi Membran Penukar Proton ................................................... 24

Gambar 3.3. Diagram Alir Preparasi Elektroda ............................................................................ 25

Gambar 4.1. Skema Desain MFC Dual-chamber .......................................................................... 30

Gambar 4.2. Rangkaian MFC ....................................................................................................... 31

Gambar 4.3. Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Jenis Substrat ....................... 34

Gambar 4.4. Produksi Listrik pada Variasi Jenis Substrat ............................................................ 34

Gambar 4.5. Perbandingan Power Density pada Variasi Jenis Substrat ....................................... 35

Gambar 4.6. Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Lama Waktu Inkubasi .......... 36

Gambar 4.7. Produksi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi ............................................... 37

Gambar 4.8. Perbandingan Power Density pada Variasi Lama Waktu Inkubasi .......................... 37

Gambar 4.9. Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Limbah Tempe Model dan Limbah

Industri Tempe ...................................................................................................... 39 Gambar 4.10. Produksi Listrik pada Limbah Tempe Model dan Limbah Industri Tempe ........... 40 Gambar 4.11. Perbandingan Power Density pada Limbah Tempe Model dan Limbah Industri

Tempe .................................................................................................................... 40 Gambar 4.12. Membran PEM dengan fouling .............................................................................. 41


xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Hasil Analisis Kandungan Limbah Cair Pabrik Tempe................................................. 14

Tabel 2.2. State of The Art Penelitian............................................................................................. 20

Tabel 3.1. Alat yang digunakan...................................................................................................... 23

Tabel 3.2. Bahan yang digunakan................................................................................................... 24


1 Universitas Indonesia

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Ketersediaan energi menjadi salah satu kebutuhan esensial bagi kehidupan

manusia. Pemilihan bentuk energi bergantung pada besar daya energi dan

lingkungan. Untuk lokasi yang terpencil, dibutuhkan instrumen energi seperti

baterai dan fuel cell. Pembuatan fuel cell dimulai pada awal abad ke-19. Fuel cell

adalah sistem konversi energi yang mentransfer listrik dari sumber yang dapat

diisi ulang dari bahan bakar eksternal. Fuel cell akan memproduksi listrik secara

kontinu dengan tersedianya suplai dari bahan bakar eksternal, sehingga sifatnya

berlawanan dengan baterai. Microbial Fuel Cell (MFC) adalah salah satu bentuk

energi yang ramah lingkungan dan dapat menjadi sumber energi di masa depan.

MFC mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik, yang

menggunakan mikroorganisme. MFC memfasilitasi sebuah lingkungan reduksi

oksidasi yang dapat dikendalikan oleh aliran elektron dan menjadikannya alat

yang ideal untuk mengolah mikroorganisme.

Limbah industri makanan, yang mengandung sejumlah besar karbohidrat,

protein, dan lemak, dapat menimbulkan masalah lingkungan karena menimbulkan

bau yang tidak sedap, dan merupakan polusi berat pada perairan bila

pembuangannya tidak diberi perlakukan yang tepat. Namun dengan bahan-bahan

organik dari air limbah industri makanan tersebut, air limbah dapat dimanfaatkan

dalam sistem MFC sebagai sumber karbon untuk pertumbuhan mikroba.

Penggunaan glukosa yang biasa digunakan sebagai substrat dapat digantikan

dengan air limbah (Li, 2010). Penggunaan air limbah dalam sistem MFC ini

mempunyai beberapa keuntungan, seperti kontaminan dalam air limbah dapat

menjadi sumber karbon untuk MFC, dan energi listrik yang dihasilkan cukup

untuk digunakan dalam pengolahan air limbah berikutnya, dan ini berarti

mengurangi konsumsi energi (Li, 2010).


2

Universitas Indonesia

Air limbah industri pembuatan tempe merupakan salah satu air limbah yang

banyak menimbulkan masalah terhadap lingkungan sekitarnya. Seperti yang kita

ketahui, industri tempe merupakan industri yang sangat banyak dijumpai di

Indonsia, karena tempe merupakan makanan berprotein tinggi yang sangat

digemari oleh masyarakat karena harganya yang murah. Pada saat ini, sebagian

besar air limbah industri tempe belum diolah karena merupakan industri kecil

skala rumah tangga yang tidak dilengkapi dengan unit pengolahan air limbah.

Padahal air limbah industri pembuatan tempe ini masih mengandung senyawa

organik dan nutrien yang cukup tinggi (Komala et al., 2010). Maka sebagai upaya

pemanfaatan, air limbah industri tempe ini dapat dimanfaatkan sebagai substrat

dalam sistem MFC untuk produksi listrik.

Air limbah industri tempe ini akan digunakan sebagai substrat dan

kosubstrat, yaitu dengan menggabungkan glukosa dan air limbah dengan

perbandingan 1:1 (v/v) serta dilakukan variasi lama waktu inkubasi substrat untuk

melihat seberapa besar energi listrik yang bisa dihasilkan oleh sistem MFC dalam

bentuk power density. Hasil yang optimal dari kedua variasi ini akan diterapkan

pada eksperimen yang menggunakan limbah industri tempe sebagai substrat.

Dengan pemanfaatan air limbah industri pembuatan tempe ini sebagai

substrat dalam sistem MFC, diharapkan dapat menjadi salah satu alternatif

pengolahan air limbah yang selama ini digunakan dan dapat mengatasi

permasalahan utama yang ditimbulkan oleh air limbah tersebut, yaitu bau yang

tidak sedap yang menyebabkan ketidaknyamanan masyarakat di sekitarnya. Selain

itu, hasil dari riset ini juga diharapkan dapat menjadi salah satu langkah ke depan

untuk mendapatkan sumber energi yang murah.

1.2. Perumusan Masalah

Masalah yang dikaji dalam penelitian kali ini adalah

• Bagaimana pengaruh penambahan glukosa dengan rasio 1:1 (v/v) pada

limbah tempe model terhadap power density yang dihasilkan sistem MFC.

• Bagaimana pengaruh penggunaan limbah industri tempe terhadap power

density yang dihasilkan sistem MFC.


3


• Bagaimana pengaruh lama waktu inkubasi pada substrat terhadap power


1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

• Mengetahui pengaruh penambahan glukosa dengan rasio 1:1 (v/v) pada

limbah tempe model terhadap power density yang dihasilkan sistem MFC.

• Mengetahui pengaruh penggunaan limbah industri tempe terhadap power


• Mengetahui pengaruh lama waktu inkubasi pada substrat terhadap power


1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini antara lain

• Pemanfaatan limbah tempe menjadi energi listrik yang berguna

• Perancangan sistem MFC yang murah atau low-cost sehingga dapat

diterapkan di kehidupan sehari-hari.

• Produksi energi listrik yang ekonomis, ramah lingkungan, dan

berkelanjutan.

2.1. Batasan Masalah

Batasan masalah dari penelitian ini adalah:

• Limbah tempe model adalah air limbah buatan atau artificial waste.

• Limbah industri tempe diuji berasal dari industri pembuatan tempe di

daerah Kampung Lio-Depok.

• Desain sistem MFC yang digunakan adalah dual-chamber yang setiap

kompartemennya memiliki volum yang sama, yaitu 500 mL.


4


2.2. Sistematika Penulisan

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini terdiri atas penjelasan mengenai latar belakang masalah,

perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika

penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menjelaskan mengenai teori umum yang akan digunakan dalam

penelitian ini antara lain, Microbial Fuel Cell, Limbah Industri

Pengolahan Kedelai, Konsep Limbah menjadi Energi Listrik, dan State

of the Art.

BAB III METODE PENELITIAN

Bab ini berisi penjelasan tentang diagram alir penelitian, waktu dan

lokasi penelitian, sampel penelitian, alat dan bahan yang digunakan,

variabel penelitian, prosedur penellitian, serta metode analisis yang

akan digunakan dalam penelitian.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini menjelaskan mengenai Desain Microbial Fuel Cell, Reaksi

Kimia di Kompartemen Katoda dan Kompartemen Anoda, Hasil

Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Substrat, Hasil Pengukuran

Energi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi, Hasil Pengukuran

Energi Listrik pada Limbah Industri Tempe.

BAB V KESIMPULAN

Bab ini berisi penjelasan tentang kesimpulan dan saran dari penelitian

yang telah dilakukan.



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Microbial Fuel Cell

Microbial Fuel Cell merupakan salah satu teknologi konversi energi yang

memanfaatkan kemampuan metabolisme bakteri. Untuk pengembangan MFC

perlu pemahaman tentang konsep-konsep MFC terutama prinsip kerjanya serta

pengetahuan lain yang terkait.

2.1.1. Prinsip Kerja MFC

Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan sebuah sistem yang langsung

mengkonversi energi kimia yang terdapat pada substrat bio-convertible menjadi

energi listrik, menggunakan katalis berupa bakteri.

Bakteri merupakan organisme yang sangat kecil yang bisa

mengkonversi berbagai macam senyawa organik menjadi CO2, air dan energi.

Mikroba menggunakan energi yang dihasilkan untuk tumbuh dan

melangsungkan aktivitas metabolisme. Melalui teknologi MFC sebagian dari

energi yang dihasilkan bisa diambil dalam bentuk listrik.

Umumnya sebuah MFC terdiri dari anoda, katoda membran penukar

kation atau proton dan sirkuit listrik. Bakteri hidup pada ruangan anoda dan

mengubah substrat seperti glukosa, asetat juga limbah cair menjadi CO2, proton

dan elektron. Pada kondisi aerobik, bakteri menggunakan oksigen atau nitrat

sebagai aseptor elektron akhir untuk membentuk air. Namun pada ruangan

anoda dalam sebuah MFC, tidak terdapat oksigen, sehingga bakteri harus

mengubah aseptor elektronnya menjadi sebuah aseptor insoluble seperti anoda

MFC. Berdasarkan kemampuan bakteri mentransfer elektron pada anoda

tersebut, maka MFC bisa digunakan untuk mengumpulkan elektron yang berasal

dari metabolisme mikroba. Elektron kemudian mengalir melalui sirkuit listrik

dengan muatan pada katoda. Beda potensial antara anoda dan katoda bersama

dengan aliran elektron menghasilkan daya.

Reaksi yang berlangsung pada MFC dengan substrat berupa glukosa

dan oksigen sebagai elektron aseptor adalah sebagai berikut:

Pada anoda :C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H

+ + 24e− (2.1)


6


Pada katoda :O2 + 4H+ + 4e−

2H2O (2.2)

Reaksi overall :C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O (2.3)

Ada beberapa mekanisme yang melibatkan transfer elektron dari

bakteri ke anoda (Liu, 2008), sebagai berikut :

a. Transfer elektron langsung melalui protein membran luar sel

Pada mekanisme ini transfer elektron melibatkan sitokrom yang terdapat

pada membran luar sel mikroba. Dalam hal ini diperlukan kontak langsung

sitokrom dengan elektroda untuk mekanisme transfer elektron. Contoh mikroba

yang menggunakan mekanisme ini adalah Geobacter sulfurreducens dan

Shewanella putrefaciens. Mekanisme transfer electron langsung melalui protein

membrane luar sel ditunjukkkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Mekanisme transfer elektron melalui membran luar sel (Liu, 2008)

b. Transfer elektron dengan mediator

Transfer elektron yang efisien dapat dicapai dengan menambahkan

mediator seperti neutral red dan methylene blue, yang mampu melewati

membran sel, menerima elektron dari pembawa elektron intraselluler,

meninggalkan sel dalam bentuk tereduksi dan kemudian mengeluarkan elektron

ke permukaan elektroda. Salah satu mikroba yang memerlukan mediator adalah

Escherichia coli. Namun untuk limbah, mekanisme ini tidak sesuai karena akan

memakan biaya dan kemungkinan adanya racun dari beberapa mediator.

Mekanisme transfer elektron dengan mediator ditunjukkan dalam Gambar 2.2.


7


Gambar 2.2. Mekanisme transfer elektron menggunakan mediator (Liu, 2008)

c. Transfer elektron melalui bacterial nanowires

Penelitian akhir-akhir ini menunjukkan bahwa struktur seperti pili

yang disebut nanowires yang tumbuh pada membran sel bakteri bisa terlibat

langsung dalam transfer elektron ekstraseluler dan memungkinkan reduksi

langsung dari sebuah aseptor elektron yang jauh. Nanowires ini telah

teridentifikasi pada G. sulfurreducens PCA, Shewanella oneidensis MR-1,

Synechocystis PCC6803, dan Pelotomaculum thermopropionicum. Mekanisme

transfer electron melalui bacterial nanowires ditunjukkan dalam Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Mekanisme transfer elektron menggunakan bacterial nanowires (Liu, 2008)

2.1.2. Material Elektroda

Teknologi MFC merupakan teknologi berbasis prinsip elektrokimia,

sehingga diperlukan material elektroda yang terbagi dua, yaitu anoda dan

katoda.

1. Anoda

Material anoda harus bersifat konduktif, biocompatible (bisa beradaptasi

dengan makhluk hidup), dan secara kimia stabil di dalam larutan bioreaktor.


8


Logam anoda dapat berupa stainless steel nonkorosif, tetapi tembaga tidak dapat

digunakan akibat adanya toksisitas ion tembaga pada bakteri (Zahara, 2011).

Material yang umum digunakan sebagai anoda pada sistem MFC adalah

material berbasis karbon, karena sifat konduktivitasnya tinggi, stabil,

strukturnya kuat, sifat permukaan yang sesuai untuk perkembangan biofilm dan

luas permukaan yang memadai. Beberapa contohnya adalah grafit dalam bentuk

batangan , lempeng, busa, granular, dan karbon aktif (Liu, 2008).

Lempengan atau batang grafit banyak dipakai karena relatif murah,

sederhana, dan memiliki luas permukaan tertentu. Karbon aktif adalah karbon

dengan struktur amorphous atau monokristalin yang telah melalui perlakukan

khusus sehingga memiliki luas permukaan yang sangat besar (300-2000 m2/g).

Karakteristik karbon yang ideal adalah pada rentang pH antara 5-6 (50g/L H2O,

20oC), titik leleh 3800

oC, dan ukuran partikel ≤ 50 µm. Resin perekat berguna

untuk merekatkan karbon aktif sehingga memiliki struktur yang kuat dan tidak

rapuh selama MFC dioperasikan. Resin perekat ini digunakan karena memiliki

konduktivitas yang rendah yaitu 10-10/Ω.m – 10

-15/Ω.m (Zahara, 2011).

2. Katoda

Bahan yang digunakan sebagai katoda bisa berupa bahan karbon biasa

seperti plat grafit namun bisa juga dilengkapi dengan katalis seperti platinum

(Liu, 2008).

Selain itu bisa juga digunakan kalium ferrisianida (K3[Fe(CN)6) yang

dikenal sangat baik sebagai aseptor elektron dalam sistem MFC. (K3[Fe(CN)6)

merupakan spesies elektroaktif yang mampu menangkap elektron dengan baik

dengan harga potensial reduksi standar sebesar + 0.36 V. Keuntungan terbesar

dalam penggunaan kalium ferrisianida adalah dihasilkannya overpotensial yang

rendah bila menggunakan katoda karbon. Akan tetapi kerugian terbesar adalah

terjadinya proses reoksidasi yang tidak sempurna oleh oksigen sehingga

larutannya harus diganti secara teratur (Zahara, 2011).

2.1.3. Jenis Sistem MFC

Sistem MFC dalam perkembangannya memiliki berbagai tipe sesuai

dengan aplikasinya. Secara umum sistem MFC bisa dibedakan berdasarkan


9


disain kompartemennya, penggunaan membran penukar elektron dan kultur

mikroba yang digunakan dalam MFC tersebut.

1. Berdasarkan Disain Kompartemen

Berdasarkan kompartemennya terdapat tiga jenis MFC, yaitu dual

chamber MFC, single chamber MFC dan stack MFC. Dual chamber MFC

pada intinya memiliki dua ruang yang dipisahkan oleh membran penukar

kation (PEM) atau jembatan garam. Ruang anoda merupakan ruangan

yang berisi substrat dan bakteri, sementara ruang katoda berisi larutan

elektrolit. Single chamber MFC hanya memiliki satu ruang sehingga

substrat dan larutan elektrolit bercampur. Disain ini bisa menggunakan

PEM ataupun tanpa PEM. Skema disain kompartemen MFC ditunjukkan

dalam Gambar 2.4. Stack MFC merupakan rangkaian dari beberapa unit

MFC baik dual chamber maupun single chamber yang dirangkai seri,

paralel ataupun seri paralel. Tujuannya adalah untuk meningkatkan

kapasitas daya yang bisa diproduksi. Skema MFC yang disusun secara

stack ditunjukkan dalam Gambar 2.5.

( a ) ( b )

Gambar 2.4. a) Skema dual chamber MFC, b) Skema single chamber MFC

(Karmakar et al., 2010)


10


Gambar 2.5. Skema stack MFC (Ieropoulos et al., 2008)

2. Berdasarkan Ada Tidaknya Membran

Pada sistem dual chamber MFC PEM dibutuhkan untuk

menghindari difusi aseptor elektron yang beracun seperti ferisianida ke

dalam ruang katoda sekaligus untuk memfasilitasi transfer proton atau

kation lainnya ke ruang katoda. Sementara pada single chamber MFC,

membran berfungsi untuk menghalangi difusi oksigen. Membran yang

biasa digunakan adalah Nafion dan Ultrex CMI-7000. Hal ini dikarenakan

konduktivitas proton yang tinggi serta kestabilan mekanis dan termal dari

membran tersebut. Harga membran Nafion yang mahal membuat beberapa

peneliti mencari alternatif yang lebih murah. Beberapa jenis low-cost

membrane telah dicoba seperti tanah liat (Behera et al., 2010)

MFC tanpa membran merupakan salah satu alternatif untuk

meminimalisir biaya. Sistem membran yang mahal dan rumit bisa

dihindari dengan memanfaatkan perkembangan biofilm yang terjadi di

permukaan katoda. Biofilm merupakan sebuah populasi bakteri yang bisa

berfungsi sebagai membran untuk meminimalisir difusi oksigen ke anoda.

Densitas daya yang lebih tinggi dapat diperoleh pada sistem MFC tanpa

membran, karena kemampuan sistem dalam menurunkan hambatan

internal.

3. Berdasarkan Kultur yang Digunakan

Sistem MFC menggunakan kultur sel tunggal telah banyak diteliti,

diantaranya dengan menggunakan Saccharomyces cerevisiae (Zahara,


11


2010), E. coli (Scott and Murano, 2007), Geobacter sulfurreducens (Yia et

al., 2009). Penggunaan kultur sel tunggal memerlukan pemeliharaan dan

pekerjaan yang lebih rumit dan memakan biaya. Selain itu kultur sel

tunggal menghasilkan energi yang lebih rendah dibandingkan dengan

menggunakan mix culture.

Untuk pengolahan air dan limbah, mix culture lebih dipilih dari

pada single culture. Mix culture bisa dengan mudah beradaptasi untuk

menggunakan material organik kompleks dalam aliran limbah. Proses

dengan menggunakan mix culture lebih mudah dioperasikan dan dikontrol.

Komunitas bakteri yang berkembang pada sistem mix culture sangat

beragam, mulai dari δ-Proteobacteria yang dominan pada MFC sedimen

sampai komunitas yang terdiri dari α- , β-, γ-, δ- Proteobacteria, dan kloni

yang belum terkarakterisasi (Logan and Regan, 2006).

Beberapa penelitian menggunakan mix culture seperti pemanfaatan

limbah industri bir (Mathuriya and Sharma, 2010; Wang et al., 2008),

limbah domestik (Cheng et al., 2006; Li et al., 2007; Sukkasema et al.,

2008; Yang et al., 2008), limbah penggilingan padi (Behera et al., 2010)

dan limbah pertanian (Scott and Murano, 2007).

2.1.4. Faktor Operasional Pada Sistem MFC

Terdapat beberapa faktor operasional yang mempengaruhi kinerja

sistem MFC. Faktor tersebut meliputi substrat, sifat kimia larutan,

temperature dan waktu tinggal (hydraulic retention time, HRT).

1. Substrat

Substrat merupakan faktor kunci untuk produksi listrik yang efisien

dalam sistem MFC. Substrat yang digunakan mulai dari material organik

sederhana sampai campuran kompleks seperti yang terdapat pada limbah

cair. Meskipun substrat yang kaya dengan kandungan organik membantu

pertumbuhan beragam mikroba aktif, namun substrat sederhana dianggap

lebih baik untuk produksi dalam waktu singkat. Beberapa substrat yang

telah digunakan seperti asetat, glukosa, biomassa lignoselulosa dari

sampah pertanian, limbah cair industri bir, limbah pati ( tepung ), selulosa

dan kitin (Das and Mangwani, 2010).


12


Penelusuran tentang efek substrat terhadap aktivitas mikroba dan

pembentukan energi harus dilakukan baik pada sistem MFC dengan proses

uji anoda sebagai faktor pembatas atau menggunakan potentiostat, yang

bisa mengkarakterisasi potensial anoda pada arus yang ditentukan dan

eliminasi keterbatasan yang dihasilkan hambatan internal dan/atau katoda.

Penelitian harus diarahkan untuk optimasi komunitas mikroba aktif yang

bisa menghasilkan peningkatan efisiensi transfer elektron dan degradasi

substrat. Substrat inorganik seperti hidrogen sulfida telah dievaluasi dalam

hal pembentukan energi listrik pada sistem MFC dengan tujuan

menghilangkan kandungan sulfida yang dihasilkan secara anaerobik.

2. Sifat Kimia Larutan

a. pH

pH merupakan faktor kritis untuk semua proses berbasis mikroba.

Pada MFC, pH tidak hanya mempengaruhi metabolisme dan pertumbuhan

bakteri tapi juga terhadap transfer proton, reaksi katoda , sehingga

mempengaruhi performa MFC. Sebagian besar MFC beroperasi pada pH

mendekati netral untuk menjaga kondisi pertumbuhan optimal komunitas

mikroba yang terlibat dalam pembentukan listrik (Liu, 2008).

b. Kekuatan Ionik

Kekuatan ion mempengaruhi konduktivitas larutan pada ruangan

MFC sehingga mempengaruhi hambatan internal, yang akhirnya berefek

pada performa MFC (Liu, 2008).

3. Temperatur

Kinetika bakteri, transfer massa proton melalui elektrolit dan laju

reaksi oksigen pada katoda menentukan performa MFC dan semua

tergantung kepada temperatur. Biasanya, konstanta reaksi biokimia

mengganda setiap kenaikan temperatur 10 0 C sampai tercapai temperatur

optimal. Sebagian besar studi MFC dilakukan pada temperatur 28-35 0 C

(Liu, 2008).

4. Hydraulic Retention Time (HRT)

Hydraulic Retention Time (HRT) merupakan variabel penting

lainnya dalam pengolahan limbah menggunakan MFC. HRT


13


mempengaruhi penurunan kadar COD/BOD dan pembentukan daya pada

MFC (Liu, 2008).

2.1.5. Aplikasi MFC

Sistem MFC sejauh ini sudah diaplikasi dalam beberapa bidang,

diantaranya untuk pengolahan limbah cair dan penghasil energi listrik , biosensor,

dan produksi bahan bakar sekunder.

1. Pengolah Limbah Cair dan Penghasil Energi Listrik

Teknologi MFC menarik untuk pengolahan limbah karena sistem

ini memungkinkan kita untuk mengambil energi dari limbah untuk

produksi listrik (Patra, 2008). MFC menggunakan mikroba tertentu

memiliki kemampuan untuk menghilangkan kandungan sulfida yang

merupakan salah satu parameter penting pada pengolahan limbah. Substrat

MFC memiliki kandungan promotor pertumbuhan yang bisa

meningkatkan pertumbuhan mikroba bioelektrokimia selama proses

pengolahan limbah.

2. Biosensor

Sistem MFC dengan komunitas consortium anaerobik yang bisa

diganti bisa digunakan sebagai biosensor untuk on-line monitoring

senyawa organik. Meskipun beberapa metode konvensional telah

digunakan untuk menghitung nilai BOD pada limbah, namun metode -

metode tersebut tidak cocok untuk on-line monitoring dan kontrol proses

pengolahan limbah secara biologis.

3. Produksi Bahan Bakar Sekunder

Dengan sedikit modifikasi, MFC bisa digunakan untuk

memproduksi bahan bakar sekunder seperti hidrogen sebagai alternatif

listrik. Pada kondisi eksperimen standard, proton dan elektron yang

dihasilkan pada ruang anoda ditransfer ke katoda yang kemudian bisa

berkombinasi dengan oksigen membentuk air. Pembentukan hidrogen

secara termodinamika merupakan proses yang sulit pada sebuah sel untuk

mengkonversi proton dan elektron menjadi hidrogen. Peningkatan

potensial eksternal pada katoda bisa mengatasi kerumitan termodinamika

dan bisa menghasilkan pembentukan hidrogen. Sebagai hasilnya, proton


14


dan elektron pada anoda berkombinasi di katoda membentuk hidrogen.

MFC diperkirakan bisa memproduksi hidrogen ekstra dibandingkan

dengan jumlah yang dikeluarkan oleh metode fermentasi glukosa klasik.

3.1. Limbah Industri Pengolahan Kedelai

Kedelai telah banyak digunakan untuk bahan makanan masyarakat

Indonesia dikarenakan nilai gizinya yang tinggi. Dari sekian banyak makanan

yang berasal dari kedelai, tempe merupakan makanan yang paling banyak

diproduksi di Indonesia. Proses produksi tempe, memerlukan banyak air yang

digunakan untuk perendaman, perebusan, pencucian serta pengupasan kulit

kedelai. Limbah yang diperoleh dari proses proses tersebut diatas dapat berupa

limbah cair maupun limbah padat. Sebagian besar limbah padat yang berasal dari

kulit kedelai, kedelai yang rusak dan mengambang pada proses pencucian serta

lembaga yang lepas pada waktu pelepasan kulit, sudah banyak yang dimanfaatkan

untuk makanan ternak. Limbah cair berupa air bekas rendaman kedelai dan air

bekas rebusan kedelai masih dibuang langsung diperairan disekitarnya (Anonim,

1989). Setiap kuintal kedele akan menghasilkan limbah 1,5 - 2 m3 air limbah

(Nurhasan and Pramudyanto, 1991). Jika limbah tersebut langsung dibuang

keperairan maka dalam waktu yang relatif singkat akan menimbulkan bau busuk

dari gas H2S, amoniak ataupun fosfin sebagai akibat dari terjadinya fermentasi

limbah organik tersebut (Wardojo, 1975). Adanya proses pembusukan, akan

menimbulkan bau yang tidak sedap, terutama pada musim kemarau dengan debit

air yang berkurang.

Pada saat ini sebagian besar industri tempe masih merupakan industri kecil

skala rumah tangga yang tidak dilengkapi dengan unit pengolah air limbah,

sedangkan industri tempe yang dikelola koperasi beberapa diantaranya telah

memiliki unit pengolah limbah. Unit pengolah limbah yang ada umumnya

menggunakan sistem anaerobik dengan efisiensi pengolahan 60-90%. Dengan

sistem pengolah limbah yang ada, maka limbah yang dibuang ke peraian kadar zat

organiknya (BOD) masih terlampau tinggi yakni sekitar 400 – 1.400 mg/l. Untuk

itu perlu dilakukan proses pengolahan lanjut agar kandungan zat organik di dalam

air limbah memenuhi standar air buangan yang boleh dibuang ke saluran umum


15


(Said dan Wahjono, 1999). Analisis kandungan mengenai limbah cair tempe

terdapat dalam Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Hasil Analisis Kandungan Limbah Cair Pabrik Tempe (Wiryani, 2007)

No. Parameter Satuan Limbah Cair dari Rendaman

Kedelai (Rata-rata)

1. Suhu °C 32

2. TDS (Total Dissolve Solid) mg/l 25.254

3. TSS (Total Suspended Solid) mg/l 4,551

4. pH - 4,16

5. NH3N (Amoniak bebas) mg/l 26,7

6. NO3N (Nitrat) mg/l 14,08

7. DO (Dissolved Oxygen) mg/l Tidak terdeteksi

8. BOD

(Biological OxygenDemand) mg/l 31.380,87

9. COD

(Chemical Oxygen Demand) mg/l 35.398,87

Limbah pada industri pengolahan kedelai pada dasarnya memiliki

karakteristik yang hampir sama. Mengingat kedelai sebagai bahan baku

mengandung protein (34.9%), karbohidrat (34.8%), lemak (18,1%) dan bahan-

bahan nutrisi lainnya, maka limbah yang dihasilkan dapat mengandung bahan

organik yang tinggi dan merupakan media yang baik untuk pertumbuhan mikroba

(Sudaryati et al., 2007).

3.2. Konsep Limbah menjadi Energi Listrik

Limbah yang diubah menjadi energi listrik melalui sistem MFC dapat

diilustrasikan oleh Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Konversi limbah menjadi energi listrik dalam sistem single chamber MFC

(Laboratoire Ampere Ecole Centrale de Lyon, 2012)


16


Pada gambar 2.6., MFC diisi dengan limbah yang mengandung molekul

biodegradabel dan mikroba. Mikroba yang terdapat dalam limbah tersebut

kemudian akan mengoksidasi molekul biodegradabel menghasilkan elektron,

proton dan CO2. Proton menuju ke katoda melalui larutan elektrolit. Sedangkan

elektron akan menempel ke anoda, kemudian mengalir melalui sirkuit listrik ke

katoda. Aliran elektron inilah yang menghasilkan daya listrik. Pada katoda

elektron, proton dan oksigen bergabung membentuk H2O.

2.9. State of the Art

Pada tahun 2007, Scott melakukan penelitian mengenai MFC dengan tujuan

untuk mengetahui pengaruh posisi geometrik anoda dan katoda terhadap produksi

energi listrik. Pada penelitian ini, digunakan reaktor dual chamber dengan

elektroda kertas karbon. Faktor yang dibandingkan adalah bahan bakar, dengan

dan tanpa mediator, serta dengan dan tanpa membran.

Lanthier juga melakukan penelitian tentang MFC. Pada penelitian ini,

digunakan bakteri Shewanella oneidensis yang ditumbuhkan selama 50 hari di

dalam sistem MFC yang menggunakan batang grafit sebagai elektrodanya.

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh proses oksidasi senyawa

laktat menjadi asetat di dalam kompartemen anoda pada sistem MFC. Bioreaktor

yang digunakan dirancang anaerob dengan mengalirkan gas nitrogen dan

karbondioksida ke dalam kompartemen anoda, sedangkan pada kompartemen

katoda dialirkan udara ke dalamnya.

Dengan bakteri yang sama, Velasquez (2009) melakukan penelitian MFC

menggunakan reaktor single-chamber dan lempengan grafit sebagai elektrodanya.

Zat anolit diaduk menggunakan magnetic stirrer. Tujuan penelitian ini adalah

untuk mengetahui pengaruh penambahan mediator terhadap transpor elektron dari

sel bakteri ke anoda dalam rangka meningkatkan produksi kuat arus listrik.

Mediator yang ditambahkan adalah FMN dan riboflavin. Hasilnya adalah bahwa

MFC dengan menggunakan mediator mampu menghasilkan power density lebih

tinggi dibandingkan dengan tidak menggunakan mediator.

Penambahan riboflavin sebagai mediator juga dilakukan oleh Zahara (2011).

Kultur Saccharomyces cerevisiae digunakan sebagai anoda pada reaktor dual-


17


chamber dengan elektroda grafit. Sedangkan pada katoda digunakan kalium

ferisianida dan larutan bufer. Dari penelitian ini, diperoleh bahwa penambahan

riboflavin mampu meningkatkan kuat arus dari 224 µA menjadi 262 µA. Selain

itu, dilakukan pula upaya penambahan riboflavin dengan menggunakan minyak

kelapa sawit dan dihasilkan peningkatan riboflavin sebesar 42,19%.

Bakteri lain yang sering digunakan dalam MFC adalah Geobacter

sulfurreducens. Trinh (2009) menggunakan kultur G. Sulfurreducens sebagai

anoda pada reaktor dual-chamber dengan asetat sebagai substrat. Elektroda di

anoda berupa kertas karbon, sedangkan di katoda ditambahkan katalis Pt. Tujuan

dari penelitian ini adalah untuk melihat pengaruh temperatur dan loading katalis

Pt pada elektroda di katoda. Power density maksimum sebesar 418 – 470 mW/m2

dicapai saat temperatur optimum 30 – 320C dan meningkat sebesar dua kali lipat

setelah loading katalis Pt ditambahkan dari 0,5 menjadi 3 mg/cm2.

Dengan menggunakan bakteri yang sama, Nevin (2008) melakukan

penelitian dengan tujuan membandingkan kinerja MFC pada kultur murni G.

Sulfurreducens dengan kultur campuran. G. Sulfurreducens ditumbuhkan dalam

asetat sebagai substrat pada sistem MFC dengan elektroda kertas karbon pada

anoda dan katoda yang diletakkan sedekat mungkin. Power density yang

dihasilkan G. Sulfurreducens lebih tinggi dibandingkan dengan kultur murni.

Hasil ini diperoleh pada saat ukuran dan volume anoda diperkecil. Dalam

penelitiannya, Nevin juga membandingkan kinerja kertas karbon dan grafit

sebagai elektroda. Dibandingkan dengan kertas karbon, grafit dapat menghasilkan

current density lebih besar. Namun lapisan biofilm yang ditimbulkan juga lebih

tebal (50 µm) dibanding dengan kertas karbon (3 – 18 µm).

Selain bakteri, wastewater juga dapat digunakan sebagai inokulum di

anoda. You melakukan penelitian tentang MFC dari wastewater pada tahun 2006.

You menggunakan 3 jenis larutan elektrolit sebagai perbandingan, yaitu

permanganat, ferisianida, dan oksigen (dengan dan tanpa katalis Pt). Hasil

penelitian menunjukkan bahwa penggunaan permanganat sebagai akseptor

elektron di katoda mampu menghasilkan power density maksimum sebesar 115,6

mW/m2. Nilai ini 4,5 kali power density dengan ferisianida (25,62 mW/m

2) dan

11,3 kali lebih besar dibanding oksigen (10,2 mW/m2). Selain itu, dikaji pula


18


pengaruh pH dan konsentrasi awal permanganat terhadap Open Circuit Potential

(OCP). Dari percobaan ini diperoleh bahwa nilai OCP sebanding dengan

konsentrasi awal permanganat dan berbanding terbalik dengan pH.

Gurrero-Rangel (2010) juga menggunakan wastewater untuk meninjau

pengaruh larutan elektrolit terhadap power density MFC. Kali ini, larutan yang

dibandingkan adalah potassium permanganat, potassium ferisianida, dan

potassium dikromat. Penelitian ini menggunakan dual-chamber reaktor yang

dihubungkan oleh jembatan garam (salt bridge) dengan grafit sebagai elektroda

dan glukosa sebagai substrat. Hasilnya adalah potassium permanganat mampu

menghasilkan power density tertinggi, yaitu 7,29 mW/m2, diikuti oleh potassium

ferisianida (0,92 mW/m2) dan potassium dikromat (0,79mW/m

2).

Penelitian MFC mengunakan wastewater juga dilakukan oleh Guo pada

tahun 2008. Penggunaan waste sebagai biokatoda berfungsi menggantikan peran

mediator dan katalis. Reaktor yang digunakan adalah dual-chamber dengan grafit

sebagai elektrodanya. Pada anoda terdapat domestic waste water sementara katoda

dialiri oleh udara sebagai akseptor elektron. Power density yang dihasilkan dari

sistem MFC ini adalah 19,53 W/m3.

Peneliti lain yang menggunakan waste sebagai inokulum adalah Min

(2008). Digunakan reaktor dual-chamber dengan kertas karbon sebagai elektroda

dan terdapat pengaliran udara secara kontinyu di katoda. Hal yang ingin ditinjau

adalah pengaruh penambahan komposisi medium pada anoda dan peningkatan

temperatur terhadap power density yang dihasilkan. Dari ketiga temperatur yang

diuji, yaitu 150, 22

0, dan 30

0C, power density tertinggi dihasilkan saat MFC

dioperasikan pada temperatur 300C. Penambahan bufer fosfat pada medium di

anoda terbukti dapat meningkatkan power density 4 kali lebih besar dibandingkan

kontrol, yaitu 320 mW/m2.

Di tahun yang sama, Ieropoulos (2008) juga meneliti wastewater dalam

bentuk sludge pada reaktor dual-chamber MFC yang dialiri substrat secara

kontinyu (continous flow). Hal yang dikaji adalah pengaruh konfigurasi reaktor

MFC terhadap produksi energi listrik. Ieropoulos menggunakan 10 reaktor identik

yang dirangkaikan secara seri, paralel, dan seri-paralel. Tegangan maksimum

sebesar 1400 mV diperoleh pada rangkaian seri, sedangkan kuat arus maksimum


19


didapatkan dari rangkaian paralel, yaitu sebesar 23 mA/m2. Gabungan rangkaian

seri-paralel menghasilkan power density tertinggi, yaitu 5,2 mW/m2. Gabungan

seri-paralel ini kemudian dimodifikasi dengan tidak mengalirkan substrat ke

dalam reaktor (fluidically isolated) dan dihasilkan kenaikan power density

menjadi 12,5 mW/m2.

Penggunaan wastewater sebagai inokulum juga dilakukan oleh Li (2010).

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh konfigurasi

reaktor, larutan elektrolit, dan material elektroda terhadap energi listrik. Dalam hal

konfigurasi, reaktor dual-chamber tanpa membran memiliki resistansi internal

lebih rendah dan menghasilkan tegangan lebih tinggi daripada reaktor

konvensional. Penggunaan ferisianida sebagai larutan katoda memberikan nilai

tegangan yang lebih tinggi daripada katoda dengan nitrat. Berdasarkan material

elektroda, karbon aktif granular menghasilkan power density 2,5 kali lebih besar

daripada kertas karbon. Secara keseluruhan, reaktor dual-chamber tanpa membran

dengan elektroda karbon aktif granular memiliki daya keluaran yang tertinggi.

Pada tahun 2010, Lee meninjau pengaruh ukuran sel bakteri terhadap

produksi energi listrik. Reaktor yang digunakan adalah single-compartment,

dimana katoda berada di luar sehingga dapat kontak langsung dengan udara

atmosfer. Digunakan elektroda FeC untuk katoda dan elektroda graphite felt yang

dimodifikasi dengan Neutral Red untuk anoda. Sebagai perbandingan, digunakan

bakteri Microbacterium sp dan Pseudomonas sp. Hasilnya adalah bakteri

Microbacterium sp yang memiliki ukuran lebih kecil dapat menghasilkan energi

listrik 3-4 kali lebih besar daripada Pseudomonas sp. Dari penjelasan mengenai

penelitian MFC diatas, state of the art mengenai penelitian saat ini terdapat pada

Tabel 2.2.



Elektroda

Grafit

Lee,2010.

Guo,2008.

Guerrero,2010

Zahara,2011 Lanthier,

2007. Novitasari,2011

Penelitian

saat ini

Elektroda

karbon

Min,2008.

You,2006.

Ieropoulos,

2008

Trinh,2009.

Nevin,2008. Scot,2007.

Elektroda

platina Trinh,2009.

Mediator-

less

Li,2010.

Guerrero,2010

Penelitian

saat ini

Single

Chamber Lee,2010.

Velasquez-

Orta, 2009. .

Dual

chamber

Min,2008.

Guo,2008.

Li,2010.

You,2006.

Guerrero,2010

Ieropoulos,

2008

Trinh,2009.

Nevin,2008. Scott,2007. Zahara,2011 Lanthier,2007. Novitasari,2011

Penelitian

saat ini

Riboflavin Zahara,2011 Velasquez-

Orta, 2009.

Mix-

culture Waste

G-

sulfurreducens E.coli S.cerevisiae S.oneidensis L. bulgaricus

Tempe

Waste

Parameter operasi

Substrat

Tabel 2.2. State of the Art Penelitian



BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Rancangan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan rancangan yang ditunjukkan pada

diagram alir pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian

Tahap awal penelitian adalah studi literatur yang dilakukan dengan

mempelajari jurnal publikasi nasional maupun internasional yang berkaitan

dengan penelitian mengenai MFC dan perkembangannya serta penggunaan

limbah sebagai substrat dalam sistem MFC.

Langkah berikutnya adalah persiapan reaktor digunakan untuk

eksperimen. Reaktor MFC bekerja layaknya sel elektrolisis dimana terdapat dua


22


kompartemen atau dual chamber, yang berisikan kompartemen katoda dan

kompartemen anoda serta adanya peletakan elektroda di masing-masing

kompartemen. Kompartemen katoda berisi elektrolit yang merupakan larutan

KMnO4 sedangkan kompartemen anoda berisi substrat yaitu limbah makanan.

Preparasi limbah makanan sebagai substrat dilakukan dengan membuat

limbah tempe model yang terbuat dari air rebusan kacang kedelai (Glycine max.)

dan menyimpan larutan tersebut hingga satu hari, satu minggu, dan satu bulan.

Kemudian dilakukan preparasi alat elektrolisis berupa persiapan membran

penukar ion yang dalam penelitian ini digunakan jenis Nafion 117 yang terlebih

dahulu diaktivasi dengan mereaksikannya dengan aquades, larutan peroksida dan

asam sulfat. Selain itu, dilakukan pula persiapan elektroda berupa grafit.

Pada eksperimen MFC ini dilakukan variasi pada jenis substrat, yaitu

limbah tempe model dan limbah tempe model yang ditambahkan glukosa dengan

perbandingan 1:1. Dari eksperimen tersebut, didapatkan jenis substrat optimal

yang digunakan untuk eksperimen dengan variasi lama waktu inkubasi yaitu

substrat dengan lama waktu inkubasi satu hari, satu minggu, dan satu bulan. Dari

hasil dua variasi ini akan didapatkan jenis substrat dan lama waktu inkubasi

substrat optimal yang akan digunakan pada eksperimen dengan substrat limbah

industri tempe dan dilihat pengaruhnya terhadap produksi energi listrik berupa

kuat arus dan tegangan. Instrumen pengukur kuat arus dan tegangan yang

digunakan dalam penelitian MFC ini ada dua, yaitu Analog Microampere

(Yokogawa Electric Works. Ltd, tipe 2011b9000em class 1.0, Singapore) dan

Digital Multimeter Sanwa Electric Instrument co., Ltd cd 771. Sistem ini memiliki

hambatan berkisar 0,88 – 2.5 kΩ. Data yang dididapatkan diolah dengan program

Microsoft Excel 2007.

Pada penelitian ini, dilakukan analisis pengaruh variasi parameter operasi

terhadap kinerja MFC. Kinerja MFC ini dilihat dari kuat arus (I) dan tegangan (V)

yang dihasilkan melalui pengukuran menggunakan digital multimeter dan analog

mikroampere. Dari data kuat arus dan tegangan, dapat diperoleh nilai power

density (mW/m2 ), yaitu daya per satuan luas permukaan elektroda. Power density

dapat dihitung menggunakan persamaan berikut (Momoh et al, 2010).


23


(/) =( )×"("#$%)

(&) (3.1)

3.2. Waktu dan Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada bulan Maret hingga bulan Mei, bertempat di

Laboratorium Rekayasa Bioproses, Departemen Teknik Kimia, UI.

3.3. Sampel Penelitian

Sampel untuk penelitian ini adalah substrat yang terdiri dari limbah

industri model yang dibuat dari air rebusan kacang kedelai (Glycine max.) dan

diinkubasikan selama satu hari, satu minggu, dan satu bulan. Adapun limbah

industri tempe yang digunakan diambil dari limbah industri tempe yang terletak di

Kampung Lio Depok.

3.4. Alat dan Bahan Penelitian

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini dijelaskan

sebagai berikut.

3.6.1. Alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini dijelaskan dalam Tabel

3.1.

Tabel 3.1. Alat yang digunakan

No. Alat Fungsi

1. Reaktor MFC Menampung elektrolit dan substrat untuk system

2. Multimeter digital Mengukur tegangan yang dihasilkan sistem

3. Mikroamperemeter

analog Mengukur kuat arus yang dihasilkan sistem

4. Kabel dan jepit

buaya

Menghubungkan arus listrik dari sistem menuju

multimeter dan mikroamperemeter

5. Timbangan

analitik

Menimbang bahan agar massa yang digunakan

dalam penelitian menjadi akurat

6. Magnetic stirrer Mengaduk larutan dengan menggunakan

kekuatan magnet


24


7. Gelas beaker Wadah pengadukan larutan

8. Gelas ukur Mengukur volume larutan

9. Erlenmeyer Tempat mereaksikan larutan dan menyimpan

larutan sementara

10. Spatula kaca Mengaduk larutan hingga homogen

11. Kaca arloji Tempat peletakan bahan berbentuk solid

12. Pipet ukur Mengukur volume larutan dan memindahkan

larutan tersebut

13. Pipet tetes Memindahkan larutan dalam jumlah yang kecil

3.6.2. Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini dijelaskan dalam

Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Bahan yang digunakan

No. Bahan Fungsi

1. Membran Nafion

117

Meloloskan proton dari kompartemen anoda ke

kompartemen katoda

2. Grafit Menjadi elektroda dalam system

3. Aquadest Sebagai pelarut dan pengencer

4. NaOH Untuk preparasi elektroda

5. HCl Untuk preparasi elektroda

6. H2O2 3% Untuk preparasi membran

7. H2SO4 Untuk preparasi membran

8. KMnO4 Sebagai elektrolit

9. Buffer fosfat Sebagai penstabil pH larutan

10. Cling Wrap Sebagai penutup saat menyimpan larutan

11. Alumunium Foil Sebagai penutup saat menyimpan larutan

3.5. Variabel Penelitian

Variabel yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari variabel bebas,

variabel terikat, dan variabel kontrol.


25


3.6.1. Variabel Bebas

Variabel bebas merupakan variabel yang dibuat bervariasi dengan besar

nilai tertentu. Variabel bebas dalam penelitian ini antara lain jenis substrat dan

lama waktu inkubasi substrat.

3.6.2. Variabel Terikat

Variabel terikat merupakan variabel yang terjadi akibat adanya variabel

bebas. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah kuat arus dan tegangan yang

dihasilkan oleh sistem MFC.

3.6.3. Variabel Kontrol

Variabel kontrol merupakan variabel yang dikendalikan atau dibuat dalam

keadaan konstan. Variabel kontrol dari penelitian ini adalah suhu.

3.6. Pelaksanaan Penelitian

Prosedur penelitian yang dilakukan dalam eksperimen ini terdiri

dari preparasi awal yang terdiri dari preparasi alat elektrolisis; preparasi

substrat; dan preparasi elektrolit, eksperimen MFC, dan pengambilan data

berupa kuat arus dan tegangan listrik.

3.6.1. Preparasi Alat Elektrolisis

Alat elektrolisis yang digunakan dalam sistem MFC dipreparasi terlebih

dahulu sebelum digunakan. Alat elektrolisis yang digunakan adalah membran

penukar proton (Proton Exchange Membrane) dan elektroda.

3.6.2.1. Preparasi Membran Penukar Proton

Membran penukar proton dipreparasi dengan langkah-langkah yang

dijelaskan dalam Gambar 3.2.

Membran Penukar

Proton

Dididihkan dalam

aquades

Dididihkan dalam H2O2

3%


26


Gambar 3.2. Diagram Alir Preparasi Membran Penukar Proton

Proton Exchange Membrane, dalam hal ini adalah membran Nafion

117 perlu dilakukan pre-treatment terlebih dahulu sebelum diaplikasikan

pada MFC dengan cara direbus dengan aquades selama 1 jam lalu

dididihkan dengan H2O2 3% selama 1 jam dan dicuci dengan aquades.

Membran selanjutnya dididihkan kembali dalam H2SO4 1 M selama 1 jam

lalu dicuci dengan aquades sebanyak 3 kali. Membran disimpan

(direndam) dalam aquades hingga saat akan digunakan. Sesaaat sebelum

mengaplikasikan membran ke dalam reaktor MFC, membran perlu

dikeringkan dengan cara diangin-anginkan.

3.6.2.2. Preparasi Elektroda

Elektroda dipreparasi dengan tahap-tahap yang dijelaskan dalam

Gambar 3.3.


27


Gambar 3.3. Diagram Alir Preparasi Elektroda

Elektroda grafit (karbon aktif) direndam ke dalam larutan HCl 1 M

selama 1 hari kemudian dibilas dengan menggunakan aquades.

Setelah itu elektroda direndam lagi ke dalam larutan NaOH 1 M

selama 1 hari kemudian dibilas lagi dengan menggunakan aquades.

Elektroda direndam dalam larutan aquades hingga saat akan

digunakan.

3.6.2. Preparasi Substrat

Substrat yang harus dipreparasi dalam penelitian ini terdiri dari

limbah tempe model dan glukosa yang akan dicampur dengan dari limbah

tempe model.

3.6.2.1. Preparasi Limbah Tempe Model

Kacang kedelai (Glycine max) dengan massa 200 gram direbus

dengan air 500 mL (rasio 1 : 2,5; w/v) selama 15 menit. Hal ini

dilakukan mengikuti proses perendaman kacang kedelai pada proses

pembuatan tempe, yaitu dengan rasio 3 : 5 (w/v) (Nout et al., 1985).

Air rebusan kemudian disimpan dalam gelas beaker dan ditutup

dengan alumunium foil dan dilapisi dengan plastic wrap. Air rebusan

ini diinkubasikan pada inkubator dengan suhu 37°C secara aerob

selama 1 hari, 1 minggu, dan 1 bulan.

Direndam dalam HCl 1

M

Direndam dalam NaOH

1 M

Dicuci dan direndam

dalam aquades

Elektroda


28


3.6.2.2. Preparasi Glukosa

Glukosa (C6H12O6) yang akan dicampur dengan limbah tempe model

adalah larutan glukosa 1 M, maka untuk membuatnya glukosa dengan

massa 40,54 gram dilarutkan dalam 225 mL aquades.

3.6.3. Preparasi Elektrolit

Elektrolit yang digunakan adalah larutan kalium permanganat

(KMnO4) 1 M. Pada penelitian ini kalium permanganat dengan massa 71,8

gram dilarutkan dengan 450 mL aquades.

3.6.4. Eksperimen MFC

Pada penelitian ini, eksperimen MFC dilaksanakan dengan variasi

jenis substrat, varasi lama waktu substrat, dan penggunaan limbah industri

tempe

3.6.2.1. Variasi Jenis Substrat

Pada eksperimen dengan substrat limbah tempe model, kompartemen

anoda diisi dengan limbah tempe model dengan waktu inkubasi 1

hari sebanyak 450 mL dan kompartemen katoda diisi dengan larutan

elektrolit KMnO4 sebanyak 450 mL. Masing-masing kompartemen

ditambahkan larutan buffer fosfat 0,1 M 50 mL. Pada eksperimen

dengan limbah tempe model yang dicampur dengan glukosa,

kompartemen anoda diisi dengan limbah tempe model dengan waktu

inkubasi 1 hari sebanyak 225 mL yang dicampur dengan larutan

glukosa 1 M 225 mL dan kompartemen katoda diisi dengan larutan


juga ditambahkan larutan buffer fosfat 0,1 M 50 mL.

3.6.4.2. Variasi Lama Waktu Inkubasi Substrat

Pada eksperimen dengan waktu inkubasi 1 minggu, kompartemen

anoda diisi dengan limbah tempe model dengan waktu inkubasi 1

minggu sebanyak 450 mL dan kompartemen katoda diisi dengan

larutan elektrolit KMnO4 sebanyak 450 mL. Masing-masing

kompartemen ditambahkan larutan buffer fosfat 0,1 M 50 mL. Hal


29


yang sama dilakukan pada eksperimen berikutnya, namun mengganti

substrat dengan limbah tempe model dengan waktu inkubasi 1 bulan.

3.6.4.3. Penggunaan Limbah Industri Tempe

Pada eksperimen ini, kompartemen anoda diisi dengan limbah industri

tempe dengan penambahan substrat dan waktu inkubasi optimal

sebanyak 450 mL dan kompartemen katoda diisi dengan larutan


ditambahkan larutan buffer fosfat 0,1 M 50 mL.

3.6.5. Pengukuran Kuat Arus dan Tegangan Sistem MFC

Kuat arus dari sistem MFC diukur menggunakan mikroampere

analog dan tegangan dari sistem MFC diukur menggunakan multimeter

digital. Sebelum pengukuran dilakukan, mikroampere analog dan

multimeter digital dikalibrasi terlebih dahulu. Pengambilan data dilakukan

satu jam sekali selama 18 jam. Data berupa kuat arus dan tegangan akan

diolah menjadi diperoleh nilai power density (mW/m2 ), yaitu daya per

satuan luas permukaan elektroda.


4.1. Desain Microbial Fuel Cell

Desain alat MFC pada penelitian ini menggunakan sel elekrokimia dengan

sistem dual-chamber

anoda. Sistem MFC

digunakan untuk menguji pengaruh dari kondisi operasi yang divariasikan

(Larrosa et al., 2009).

sama yaitu 500 mL. Kedua kompartemen dipisahkan dengan seb

yaitu Proton Exchange Membrane

digunakan dalam penelitian MFC sebagai membran penukar elektron.

Membran Nafion

dengan grup sulfonat (

digunakan untuk memisahkan kompartemen katoda dan anod

desain MFC untuk memberikan jalur bagi H

kompartemen katoda sementara difusi oksigen pada kompartemen anoda

direstriksi. Luas membran yang terkena kontak

dipreparasi sebelum dipakai untuk meningkatkan area pertukaran yang efektif dan

memaksimalkan porositas.

silikon untuk mencegah membran bergeser dari posisi yang semula.

desain MFC yang digunakan dalam penelitian ini terdapat pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1.


BAB IV

PEMBAHASAN DAN ANALISIS

Microbial Fuel Cell


chamber yang terdiri dari kompartemen katoda dan kompartemen

Sistem MFC dual-chamber termasuk sistem MFC yang paling sering


, 2009). Kedua kompartemen ini dapat menampung volume

500 mL. Kedua kompartemen dipisahkan dengan seb

Proton Exchange Membrane (Nafion 117, Lyntech, USA


Membran Nafion memiliki penyusun utama fluorokarbon hidrofobik

dengan grup sulfonat (-SO3) hidrofilik yang terikat. Membran penukar proton

digunakan untuk memisahkan kompartemen katoda dan anoda secara fisik dalam

untuk memberikan jalur bagi H+ dari kompartemen anoda menuju


Luas membran yang terkena kontak adalah 12,56 cm


imalkan porositas. Membran yang digunakan diapit dengan lapisan

on untuk mencegah membran bergeser dari posisi yang semula.


Gambar 4.1. Skema Desain MFC Dual-chamber



yang terdiri dari kompartemen katoda dan kompartemen

termasuk sistem MFC yang paling sering


Kedua kompartemen ini dapat menampung volume yang

500 mL. Kedua kompartemen dipisahkan dengan sebuah membran

Lyntech, USA) yang biasa


arbon hidrofobik

Membran penukar proton ini

a secara fisik dalam

dari kompartemen anoda menuju


adalah 12,56 cm2. Membran


Membran yang digunakan diapit dengan lapisan

on untuk mencegah membran bergeser dari posisi yang semula. Skema dari



31


Sistem MFC ini, menggunakan elektroda grafit yang berasal dari batang karbon

batu baterai berukuran A. Luas permukaan dari elektroda ini sebesar 1,46 x 10-3

m2 dengan diameter sebesar 0,762 cm dan panjang elektroda 5,715 cm. Elektroda

dipreparasi sebelum pemakaian untuk netralisasi. Kabel tembaga digunakan untuk

menghubungkan elektroda ke microampere dan multimeter.

Kemudian setelah instrument lengkap dipasang, eksperimen MFC

dijalankan dengan menutup anoda dengan plastic wrap untuk menjaga kondisi

lingkungan mikro anaerobik dan menutup kompartemen katoda dengan

alumunium foil untuk mecegah terjadinya fotodekomposisi pada larutan KMnO4.

Rangkaian MFC yang digunakan ditunjukkan dalam Gambar 4.2.

Gambar 4.2. Rangkaian MFC

4.2. Reaksi Kimia di Kompartemen Katoda dan Kompartemen Anoda

Larutan elektrolit yang digunakan pada MFC diletakkan pada

kompartemen katoda. Novitasari (2011) membandingkan produksi listrik yang

dihasilkan sistem MFC dengan larutan elektrolit kalium ferisianida (K3Fe(CN)6) 1

M dan kalium permanganat (KMnO4) 1 M. Dari eksperimen tersebut, sistem MFC

yang menggunakan larutan elektrolit kalium permanganat memberikan kuat arus

dan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan MFC yang menggunakan

larutan elektrolit kalium ferisianida, yaitu sebesar 19% untuk kuat arus dan 12%

untuk tegangan. Nilai potensial di anoda umumnya ditentukan oleh beberapa


32


faktor, antara lain laju konversi substrat dan laju transfer elektron dari bakteri ke

permukaan elektroda di anoda sedangkan nilai potensial di katoda hanya

ditentukan oleh jenis akseptor elektron yang digunakan. Dengan mengasumsikan

potensial redox NAD+/NADH di anoda bernilai konstan (-0,32 V), nilai tegangan

akan bergantung sepenuhnya kepada kinerja katoda. Karena permanganat

memiliki potensial redoks yang tinggi, perbedaan potensial di anoda dan katoda

akan semakin besar sehingga energi listrik yang dihasilkan akan meningkat (You

et al., 2006).

Proton dan elektron yang berasal dari anoda digunakan untuk mereduksi

Mn7+ menjadi Mn

4+. Reaksi yang terjadi sebagai berikut (Guerrero-Rangel N,

2010).

MnO4- + 4H

+ + 3e

- MnO2 + 2H2O E

0 = 1,70 V (4.1)

Kalium permanganat juga mengalami fotodekomposisi atau terdekomposisi jika

terkena cahaya. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.

2KMnO4 K2MnO4 + MnO2(s) + O2 (4.2)

Maka saat eksperimen dijalankan, kompartemen katoda yang berisi elektrolit

ditutup dengan alumunium foil untuk menghindari fotodekomposisi.

Kompartemen katoda dan anoda berisi larutan buffer fosfat 0,1 M dengan

pH 7,0 yang berfungsi menyeimbangkan pH larutan di kedua kompartemen dalam

sistem MFC. Selain itu, larutan buffer fosfat juga berfungsi menambah kekuatan

ion dan konduktivitas larutan sehingga dapat digunakan untuk meningkatkan nilai

power density (Min et al., 2008) dan juga menyediakan proton (Chae et al., 2008).

Kompartemen anoda MFC diisi dengan limbah yang mengandung molekul

biodegradabel dan mikroba. Mikroba yang terdapat dalam limbah tersebut

kemudian akan mengoksidasi molekul biodegradabel menghasilkan elektron,

proton dan CO2. Proton menuju ke katoda melalui larutan elektrolit sedangkan

elektron akan menempel ke anoda, kemudian mengalir melalui sirkuit listrik ke

katoda. Aliran elektron inilah yang menghasilkan daya listrik. Pada katoda

elektron, proton dan oksigen bergabung membentuk H2O. Secara umum reaksinya

dapat dituliskan dalam Persamaan 4.3. dan 4.4. :

Anoda : Molekul biodegradabel + H2O CO2 + e

- + H

+ (4.3)


33


Katoda : O2 + e- + H

+ H2O (4.4)

Limbah industri kedelai mengandung protein, karbohidrat dan lemak yang

merupakan senyawa biodegradabel. Senyawa ini kemudian telah terurai oleh

mikroba menjadi molekul yang lebih sederhana yang sebagian besar berupa asetat

dan senyawa gula sederhana (glukosa, sukrosa, dan sebagainya). Senyawa

sederhana inilah yang kemudian diuraikan lagi dalam sistem MFC untuk konversi

menjadi listrik. Oleh karena itu persamaan bisa dituliskan lagi sebagai berikut :

• Gula sederhana sebagai molekul biodegradable terdegradasi seperti yang

ditunjukkan Persamaan 4.5. dan 4.6.

Anoda : CXHYOZ + H2O CO2 + e

- + H

+ (4.5)

Katoda : O2 + e- + H

+ H2O (4.6)

Molekul sederhana yang diberikan pada substrat MFC seperti asetat akan

terdegradasi (Liu et al., 2005) seperti yang ditunjukkan Persamaan 4.7 dan 4.8.

• Asetat sebagai molekul biodegradabel

Anoda : CH3COOH + 2H2O 2CO2 + 8e

- + 8H

+ (4.7)

Katoda : 2O2 + 8e- + 8H

+ 4H2O (4.8)

4.3. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Substrat

Eksperimen MFC dilakukan menggunakan substrat limbah tempe model

dan limbah tempe model yang ditambahkan glukosa dengan perbandingan 1:1

(v/v). Kompartemen anoda dioperasikan tanpa menggunakan mediator elektron

(mediator-less), dimana elektron yang dihasilkan dari degradasi senyawa organik

oleh mikroba disalurkan menuju elektroda secara langsung tanpa bantuan zat

kimia tambahan. Kuat arus dan tegangan diukur selama satu siklus batch.

Tegangan yang diukur dalam penelitian MFC ini juga disebut Open Circuit

Voltage (Tegangan Sirkuit Terbuka) karena sirkuit listrik, yang dalam penelitian


ini merupakan sistem MFC, tidak diberikan beban atau hambatan listrik eksternal

seperti resistor atau lampu.

pada variasi substrat tersaji dalam Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Perbandingan Kuat Arus

Data berupa kuat arus dan tegangan

mendapatkan nilai power density

dihasilkan oleh sistem MFC.

digambarkan dalam Gambar 4.4.

Gambar 4.4



lampu. Kuat arus dan tegangan yang dihasilkan sistem MFC

tersaji dalam Gambar 4.3.

Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Jenis Substrat

Data berupa kuat arus dan tegangan di atas diolah dengan Persamaan 3.1

power density yang dapat mewakili produksi listrik yang

dihasilkan oleh sistem MFC. Power density sistem MFC dengan variasi ini

digambarkan dalam Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Produksi Listrik pada Variasi Jenis Substrat

34



Kuat arus dan tegangan yang dihasilkan sistem MFC

pada Variasi Jenis Substrat

diolah dengan Persamaan 3.1 untuk

dapat mewakili produksi listrik yang

sistem MFC dengan variasi ini


35


Kedua variasi memberikan produksi listrik (dalam nilai power density)

yang besar di awal eksperimen yaitu sebesar 1,65 x 10-6 mW/m

2 untuk limbah

tempe model murni dan 9,59 x 10-7 mW/m

2 untuk limbah industri tempe dengan

tambahan glukosa, yang kemudian turun secara perlahan seiring berjalannya

waktu. Banyaknya senyawa organik yang dapat dikonsumsi oleh mikroba

membuat metabolisme mikroba meningkat tajam, yang diindikasikan oleh

meningkatnya produksi listrik hasil metabolisme. Perbandingan energi per satuan

luas yang dihasilkan masing-masing substrat digambarkan dalam Gambar 4.5.

Gambar 4.5. Perbandingan Power Density pada Variasi Jenis Substrat

Pada eksperimen ini, limbah tempe model menghasilkan listrik dari sistem

MFC lebih tinggi 41,85% daripada limbah industri tempe model yang

ditambahkan glukosa dengan rasio 1:1 (v/v), dengan nilai power density

maksimum 1,64 x 10-6 mW/m

2. Glukosa adalah substrat yang biasa digunakan

dalam eksperimen MFC karena mudah dioksidasi oleh mikroba sehingga produksi

listrik dari sistem MFC dapat meningkat (Kim et al., 2000), namun berdasarkan

penelitian ini, penambahan glukosa pada limbah tempe model tidak meningkatkan

produksi listrik pada sistem MFC.

Penggunaan nutrisi lain seperti asetat mungkin dapat digunakan untuk

meningkatkan produksi listrik pada sistem MFC dengan substrat limbah industri

tempe. Dalam penelitian yang dilakukan Chae (2009), asetat digunakan dalam

0

0,0000002

0,0000004

0,0000006

0,0000008

0,000001

0,0000012

0,0000014

0,0000016

0,0000018

Po

we

r D

en

sity

(mW/m

2)

Limbah Tempe Model

Limbah Tempe Model +

Glukosa


limbah yang kaya protein sebag

substrat tersebut menghasilkan daya listrik dua kali lipat nilai maksimum

dibandingkan substrat yang hanya menggunakan limbah yang kaya protein.

Waktu penambahan glukosa pada limbah kemungkinan juga

mempengaruhi produksi listrik yang dihasilkan sistem MFC. Air rendaman

kacang kedelai memiliki mikroba asidifikasi alami (Winarno dan Reddy, 1986).

Spesies predominan yang bertanggung jawab atas proses asidifikasi ini

Lactobacillus casei,

epidermidis. Pada periode 12

mengawali fermentasi asam laktat/asetat (Nout

yang ditambahkan tidak diikutsertakan dalam inkubasi selama 24 jam, glukosa

tersebut belum menjadi asetat

listrik pada sistem MFC seperti yang dilakukan oleh Chae (2009)

4.4. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

Setelah didapatkan jenis substrat yang menghasilkan

lebih besar, yaitu limbah

Kompartemen anoda

(mediator-less). Kuat arus dan tegang

arus dan tegangan yang dihasilkan sistem MFC pada variasi lama waktu inkubasi

tersaji dalam Gambar 4.6

Gambar 4.6. Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Lama Waktu Inkubasi


limbah yang kaya protein sebagai substrat. Sistem MFC yang menggunakan




duksi listrik yang dihasilkan sistem MFC. Air rendaman


Spesies predominan yang bertanggung jawab atas proses asidifikasi ini

, Enterococcus faecium, Strep. dysgalactiae

Pada periode 12 – 48 jam dan suhu 28°C mikroflora alami akan

mengawali fermentasi asam laktat/asetat (Nout et al., 1990). Maka

kan tidak diikutsertakan dalam inkubasi selama 24 jam, glukosa

tersebut belum menjadi asetat yang diperkirakan dapat meningkatkan produksi

listrik pada sistem MFC seperti yang dilakukan oleh Chae (2009).

Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

Setelah didapatkan jenis substrat yang menghasilkan power density

ih besar, yaitu limbah tempe model, dilakukan variasi waktu inkubasi.

kembali dioperasikan tanpa menggunakan mediator elektron

Kuat arus dan tegangan diukur selama satu siklus batch.


dalam Gambar 4.6.

Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

36


ai substrat. Sistem MFC yang menggunakan




duksi listrik yang dihasilkan sistem MFC. Air rendaman


Spesies predominan yang bertanggung jawab atas proses asidifikasi ini adalah

p. dysgalactiae dan Staph.

48 jam dan suhu 28°C mikroflora alami akan

, 1990). Maka jika glukosa

kan tidak diikutsertakan dalam inkubasi selama 24 jam, glukosa

diperkirakan dapat meningkatkan produksi

Pengukuran Energi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

power density yang

tempe model, dilakukan variasi waktu inkubasi.

kembali dioperasikan tanpa menggunakan mediator elektron

an diukur selama satu siklus batch. Kuat


Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Variasi Lama Waktu Inkubasi


37


Power density sistem MFC dengan variasi lama waktu inkubasi digambarkan

dalam Gambar 4.7.

Gambar 4.7. Produksi Listrik pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

Dari data pengamatan yang didapatkan, terlihat bahwa limbah model

dengan inkubasi 1 minggu memberikan produksi listrik yang lebih tinggi

dibandingkan dengan waktu inkubasi 1 hari dan 1 bulan. Perbandingan energi per

satuan luas yang dihasilkan masing-masing substrat dengan lama waktu inkubasi

yang berbeda digambarkan dalam Gambar 4.8.

Gambar 4.8. Perbandingan Power Density pada Variasi Lama Waktu Inkubasi

0

0,0000002

0,0000004

0,0000006

0,0000008

0,000001

0,0000012

0,0000014

0,0000016

0,0000018

0,000002

Po

we

r D

en

sity

(mW/m

2)

1 hari

1 minggu

1 bulan


38


Hal ini disebabkan pada waktu inkubasi 1 minggu, konsorsium mikroba

(biofilm) yang terbentuk untuk mendegradasi senyawa organik lebih stabil

dibanding limbah dengan waktu inkubasi satu hari. Biofilm ini dibutuhkan untuk

mendegradasi substrat secara optimal (Rabaey et al., 2005).

Hasil pengamatan pada eksperimen MFC menggunakan substrat limbah

tempe model dengan lama waktu inkubasi 1 bulan menunjukkan hasil yang

berbeda. Limbah tempe model dengan waktu inkubasi 1 bulan menghasilkan

power density maksimum yang paling rendah dibandingkan substrat lainnya di

awal eksperimen, yaitu 1,4 x 10-6 mW/m

2. Hal ini disebabkan kandungan senyawa

organik yang sudah terdegradasi seiring substrat diinkubasikan. Namun, limbah

dengan waktu inkubasi 1 bulan ini memberikan produksi listrik yang cukup stabil,

bahkan meningkat di jam ke 7, dari 1,39 x 10-6 mW/m

2 menjadi 1,42 x 10

-6

mW/m2 dan terus meningkat. Terbentuknya biofilm yang lebih stabil pada

substrat dengan waktu inkubasi yang paling lama diperkirakan membuat MFC

lebih lama memproduksi listrik. Mikroba membutuhkan waktu untuk beradaptasi

di lingkungan sekitarnya dan untuk bereproduksi sehingga dibutuhkan waktu yang

cukup lama agar terbentuk konsorsium mikroba yang stabil. Biofilm yang stabil

akan mendegradasi senyawa organik dengan sempurna sehingga produksi listrik

hasil metabolisme mikroba yang terbentuk agak kecil di awal eksperimen namun

cenderung lebih stabil seiring dengan berjalannya waktu karena kestabilan

mikroba yang mendegradasi senyawa organik dalam substrat. Namun jika terlalu

lama, maka senyawa organik yang terdapat dalam limbah akan terus terdegradasi.

Logan (2006) menyatakan jika tidak ada senyawa organik yang tersisa maka akan

menyebabkan produksi listrik turun karena tidak ada lagi senyawa untuk

dioksidasi. Selain itu, biofilm yang terus berkembang seiring berjalannya waktu

dapat menutupi elektroda (Kim et al., 2007; Nevin et al., 2008) dan meningkatkan

hambatan internal anoda (Zahara, 2011) sehingga menyebabkan penurunan nilai

power density (Kim et al., 2007).


4.5. Hasil Pengukuran Energi Listrik pada

Dari hasil eksperimen sebelumnya, didapatkan jenis substrat dan lama

waktu inkubasi substrat yang menghasilkan

limbah industri tempe murni tanpa tambahan dan dengan lama waktu inkubasi 1

minggu. Kedua hasil eksperimen

eksperimen MFC menggunakan limbah industri tempe.

kembali dioperasikan tanpa menggunakan mediator elektron (

pengamatan dibandingkan dengan data eksperimen

tempe model. Kuat arus dan tegangan diukur selama satu siklus batch.

dan tegangan yang dihasilkan sistem MFC pada pengunaan limbah tempe model

dan limbah industri tempe tersaji dalam Gambar 4.9

Gambar 4.9. Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada

Power density sistem MFC dengan

industri tempe tersaji


Pengukuran Energi Listrik pada Limbah Industri Tempe


waktu inkubasi substrat yang menghasilkan power density yang lebih besar, yaitu


minggu. Kedua hasil eksperimen yang optimal tersebut digunakan untuk

eksperimen MFC menggunakan limbah industri tempe. Kompartemen

kembali dioperasikan tanpa menggunakan mediator elektron (mediator

pengamatan dibandingkan dengan data eksperimen MFC menggunakan limbah

Kuat arus dan tegangan diukur selama satu siklus batch.


i tempe tersaji dalam Gambar 4.9.

Perbandingan Kuat Arus dan Tegangan pada Limbah Tempe Model dan

Limbah Industri Tempe

sistem MFC dengan pengunaan limbah tempe model dan limbah

industri tempe tersaji digambarkan dalam Gambar 4.10.

39




yang lebih besar, yaitu


yang optimal tersebut digunakan untuk

ompartemen anoda

mediator-less). Data

MFC menggunakan limbah

Kuat arus dan tegangan diukur selama satu siklus batch. Kuat arus


Limbah Tempe Model dan

pengunaan limbah tempe model dan limbah


40


Gambar 4.10. Produksi Listrik pada Limbah Tempe Model dan Limbah Industri Tempe

Produksi listrik yang dihasilkan limbah tempe model lebih besar

dibandingkan limbah industri tempe. Power density maksimum yang dihasilkan

limbah industri tempe adalah 1,95 x 10-7 mW/m

2 atau sekitar 9 kali lipat lebih

rendah dibandingkan power density maksimum yang dihasilkan limbah tempe

model, yaitu 1,74 x 10-6 mW/m

2. Perbandingan energi per satuan luas yang

dihasilkan masing-masing limbah sebagai substrat digambarkan dalam Gambar

4.11.

Gambar 4.11. Perbandingan Power Density pada Limbah Tempe Model dan Limbah Industri

Tempe

0

0,0000002

0,0000004

0,0000006

0,0000008

0,000001

0,0000012

0,0000014

0,0000016

0,0000018

0,000002

Po

we

r D

en

sity

(mW/m

2)

Limbah Tempe Model



41


Hal ini dikarenakan limbah industri tempe memiliki partikel padat

tersuspensi (suspended solid) yang lebih banyak dibandingkan limbah tempe

model. Partikel padat lebih banyak terdapat di limbah tempe karena banyaknya

kedelai yang digunakan dan bahan-bahan tambahan lain yang ditambahkan oleh

pabrik seperti ragi. Partikel padat ini menyebabkan difusi oksigen yang rendah

dalam kompartemen anoda dan menyebabkan oksidasi oleh akseptor elektron

yang lain, produksi biomassa, dan fermentasi (Kim et al., 2004; Lu et al., 2009).

Partikel padat yang banyak terdapat dalam limbah industri tempe juga

menghalangi perpindahan massa yang difasilitasi oleh membran penukar proton.

Kandungan nitrat yang besar dalam limbah industri tempe juga

mempengaruhi produksi listrik yang dihasilkan sistem MFC. Dalam limbah

domestik, sebagian besar nitrogen organik akan diubah menjadi amoniak pada

pembusukan anaerobik dan menjadi nitrat atau nitrit pada pembusukan aerob

(Mahida, 1986). Nitrat yang lebih banyak terkandung dalam limbah industri

tempe menjadi akseptor elektron dalam kompartemen anoda dan menyebabkan

rendahnya produksi listrik yang dihasilkan sistem MFC.

Selain itu, membran penukar proton yang digunakan juga mengambil andil

dalam turunnya produksi listrik pada penggunaan limbah industri tempe sebagai

substrat. Membran PEM semakin sulit untuk dibersihkan dari pengotor (fouling)

karena pemakaian berulang kali sebelum eksperimen ini dijalankan. Membran

PEM dengan fouling yang digunakan dalam penelitian ini digambarkan dalam

Gambar 4.12.

Gambar 4.12. Membran PEM dengan fouling


42


Residu KMnO4 kemungkinan besar menempel pada membran dan karena

sering digunakan, maka semakin banyak residu KMnO4 yang terakumulasi pada

permukaan membran, yang mengakibatkan luas permukaan membran efektif

mengecil dan perpindahan proton dari kompartemen anoda ke kompartemen

katoda terhambat.

Selain itu, membran PEM memiliki resistansi internal yang cukup tinggi

yang menghambat output produksi listrik pada sistem MFC. Fan (2008)

melaporkan bahwa membran PEM Nafion 117 memberikan kontribusi resistansi

internal 38 – 86% dari total resistansi internal yang terdapat dalam sistem MFC.

Peningkatan power density oleh sistem MFC menjadi tantangan utama

dalam riset MFC. Salah satu cara untuk meningkatkan power density adalah

dengan menekan resistansi internal yang disebabkan oleh hambatan atau resistansi

yang diberikan komponen-komponen yang ada dalam sistem MFC, seperti

elektroda, elektrolit, dan membran. Resistansi internal dapat ditekan dengan

memperluas area permukaan anoda dan katoda dan membran penukar proton serta

menaikkan kekuatan ionik elektrolit (Fan et al., 2008). Selain itu, peningkatan

power density juga dapat ditingkatkan dengan memperluas permukaan elektroda

agar semakin banyak elektron yang dapat ditransfer menuju elektroda dan

mengalir menuju kompartemen katoda. Maka untuk penelitian selanjutnya,

resistansi membran dapat dikurangi dengan menjalankan MFC tanpa

menggunakan membran PEM dan menggunakan elektroda yang memiliki area

permukaan yang lebih luas seperti karbon aktif granular.



BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

1. Limbah tempe model menghasilkan listrik dari sistem MFC lebih

tinggi 41,85% daripada limbah industri tempe model yang

ditambahkan glukosa dengan rasio 1:1 (v/v), dengan nilai power

density maksimum 1,64 x 10-6 mW/m

2.

2. Limbah tempe model dengan waktu inkubasi 1 minggu menghasilkan

listrik lebih banyak dari sistem MFC dibanding dengan limbah industri

tempe model dengan waktu inkubasi 1 hari dan 1 bulan, yaitu dengan

nilai power density maksimum 1,74 x 10-6 mW/m

2.

3. Limbah industri tempe dengan waktu inkubasi 1 minggu menghasilkan

listrik yang lebih rendah dibanding limbah tempe model dengan waktu

inkubasi yang sama, yaitu dengan nilai power density maksimum 1,95

x 10-7 mW/m

2. Maka perbaikan desain MFC diperlukan agar produksi

listrik dapat ditingkatkan dan dapat diterapkan untuk menghasilkan

energi listrik yang berguna di kehidupan sehari-hari.

5.2. Saran

Perbaikan pada desain sistem MFC dan substrat yang digunakan akan

meningkatkan performa MFC dalam menghasilkan listrik serta

pengamatan nilai COD dan BOD pada air limbah industri tempe sebelum

dan sesudah digunakan dalam sistem MFC dapat dilakukan untuk

menyelidiki kemampuan MFC dalam mengolah limbah.

Penggunaan elektrolit, mediator elektron atau alat elektrolisis lain

yang lebih murah dapat membuat konstruksi sistem MFC menjadi low-

cost, mudah diterapkan, dan dapat menghasilkan produksi listrik yang

maksimal.


44


DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, I., M. S. A. Khan. 2011. Microbial Applications in Agriculture and the

Environment: A Broad Perspective. Microbes and Microbial Technology :

Agricultural and Environtmental Applications. F. A. Iqbal Ahmad, John

Pichtel. New York, Springer: 1.

Behera, Jana. 2010. Rice mill wastewater treatment in microbial fuel cells

fabricated using proton exchange membrane and earthen pot at different pH.

Bioelectrochemistry 79: 228-233.

Cheng, Liu. 2006. Increased performance of single-chamber microbial fuel cells

using an improved cathode structure. Electrochemistry Communications 8:

489-494.

Cheng, Xing. 2010. Electricity Generation of Single-Chamber Microbial Fuel

Cells at Low Temperatures. Biosensors and Bioelectronics.

Choi, Y., E. Jung. 2004. Construction of Microbial Fuel Cells Using

Thermophilic Microorganisms, Bacillus licheniformis and Bacillus

thermoglucosidasius. Bull. Korean Chem. Soc. 25: 813-818.

Das and Mangwani 2010. Recent developments in microbial fuel cells : a review.

Scientific & Industrial Research 69: 727-731.

Hollricher, K. 2010. Waste to Watts: With a Little Help from Tiny Power Horses.

Lab Times: 22-26.

Ieropoulos, I., J. Greenman. 2008. Microbial fuel cells based on carbon veil

electrodes: Stack configuration and scalability. International Journal Of

Energy Research.

Jain, A., E. Marsili. 2011. The Biofilm Returns: Microbial Life at the Interface.

Microbes and Microbial Technology: Agricultural and Environtmental

Applications. F. A. Iqbal Ahmad, John Pichtel. New York, Springer: 76.

Kubota, Yoochatchaval. 2010. Application of a single-chamber microbial fuel cell

(mfc)for organic wastewater treatment: influence of changes in wastewater

composition on the process performance. Sustain. Environ. Res 20: 347-351.

Li, Yao. 2007. Electricity generation using a baffled microbial fuel cell

convenient for stacking. Bioresource Technology.


45


Liu, H., Cheng, S., Logan B. 2005. Production of Electricity from Acetate or

Butyrate Using a Single-Chamber Microbial Fuel Cell. Environ. Sci.

Technol. : 39, 658-662.

Liu, H. 2008. Microbial Fuel Cell: Novel Anaerobic Biotechnology for Energy

Generation from Wastewater. Anaerobic Biotechnology for Bioenergy

Production : Principles and Applications. S. K. Khanal. Iowa, Blackwell

Publishing: 221-243.

Logan and Regan. 2006. Electricity-producing bacterial communities in microbial

fuel cells. TRENDS in Microbiology 14: 512-518.

Lorenzo, Curtis. 2009. A single-chamber microbial fuel cell as a biosensor for

wastewaters. Water Research 43: 3145-3154.

Mathuriya and Sharma. 2010. Treatment of Brewery Wastewater and Production

of Electricity through Microbial Fuel Cell Technology. Biotechnology and

Biochemistry 6: 71-80.

Nevin, Kim. 2009. Anode Biofilm Transcriptomics Reveals Outer Surface

Components Essential for High Density Current Production in Geobacter

sulfurreducens Fuel Cells. PLoS ONE.

Patra, A. 2008. Low-Cost, Single-Chambered Microbial Fuel Cells for Harvesting

Energy and Cleansing Wastewater. Journal of the U.S. SJWP 1: 72-89.

Rabaey, K., and Verstraete, W., 2005, “Microbial fuel cells: Novel biotechnology

for energy generation” Trends. Biotech. 23, pp. 291-298.

Richter, H., K. P. Nevin. 2009. Cyclic voltammetry of biofilms of wild type and

mutant Geobacter sulfurreducens on fuel cell anodes indicates possible roles

of OmcB, OmcZ, type IV pili, and protons in extracellular electron

transfer.Energy & Environmental Science 2: 506–516.

Rozendal, Hamelers. 2006. Effects of Membrane Cation Transport on pH and

Microbial Fuel Cell Performance. Environ. Sci. Technol. 40: 5206-5211.

Said, N. I. and H. D. Wahjono. 1999. Teknologi Pengolahan Air Limbah Tahu-

Tempe dengan Proses Biofilter Anaerob dan Aerob. Diakses 4 Maret 2011.

Scott and Murano. 2007. Microbial fuel cells utilising carbohydrates. Journal of

Chemical Technology and Biotechnology 82: 92-100.


46


Sudaryati, N. L. G., I. W. Kasa. 2007. Pemanfaatan sedimen perairan tercemar

sebagai bahan lumpur aktif dalam pengolahan limbah cair industri tahu.

Ecotrophic.

Sukkasema, Xua. 2008. Effect of nitrate on the performance of single chamber air

cathode microbial fuel cells. Water Research : 1-8.

Wang, Feng. 2008. Electricity production from beer brewery wastewater using

single chamber microbial fuel cell. Water Science & Technology 57: 1117-

1121.

Yang, Jia. 2008. Effects of the Pt loading side and cathode-biofilm on the

performance of a membrane-less and single-chamber microbial fuel cell.

Bioresource Technology.

Yia, Nevina. 2009. Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with

enhanced capacity for current production in microbial fuel cells. Biosensors

and Bioelectronics 24: 3498-3503.

Zahara. 2010. Pemanfaatan Saccharomyces cerevisiae Dalam Sistem Microbial

Fuel Cell Untuk Produksi Energi Listrik.

Zhuwei, Qinghai. 2008. Electricity Generation Using Membrane-less Microbial

Fuel Cell during Wastewater Treatment. Chinese Journal of Chemical

Engineering 16:772-777.


47


LAMPIRAN A

Perhitungan Preparasi Larutan

• Preparasi Glukosa

Glukosa ('()*+()1 M sebanyak 225 mL

,-. =..(/.)

..-01-.

1000

5-1(6)

1, =..

180,16//-.1000

2256

.. =180

4.44= 40.54/.

Dibutuhkan 40,54 gram glukosa untuk membuat larutan glukosa 1 M

dalam penelitian ini.

• Preparasi Elektrolit KMnO4

Kalium permanganat (=,+>) 1 M sebanyak 450 mL

,-. =..(/.)

..-01-.

1000

5-1(6)

1, =..

158,03//-.1000

4506

.. =158

2.22= 71.16/.

Dibutuhkan 71,16 gram KMnO4 untuk membuat larutan elektrolit 1 M

dalam penelitian ini.


48


LAMPIRAN B

Data Produksi Listrik MFC

a. Variasi Jenis Substrat

Waktu

(jam)

Limbah Industri Tempe Model Limbah Industri Tempe dan Glukosa

Kuat Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

Kuat Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

0 32.1 75 0.002408 1.64897E-06 25 56 0.0014 9.58904E-07

1 21 46.5 0.000977 6.68836E-07 17 38.2 0.0006494 4.44795E-07

2 24 55.6 0.001334 9.13973E-07 14.5 31.5 0.0004568 3.12842E-07

3 26 60 0.00156 1.06849E-06 13.5 28.8 0.0003888 2.66301E-07

4 25 58.5 0.001463 1.00171E-06 12 26.6 0.0003192 2.1863E-07

5 23 54 0.001242 8.50685E-07 12 25 0.0003 2.05479E-07

6 22 51 0.001122 7.68493E-07 11 23.6 0.0002596 1.77808E-07

7 20.8 46 0.000957 6.55342E-07 10.5 22.3 0.0002342 1.60377E-07

8 19 43 0.000817 5.59589E-07 10 20.2 0.000202 1.38356E-07

9 18 41 0.000738 5.05479E-07 9.5 19.8 0.0001881 1.28836E-07

10 18 39 0.000702 4.80822E-07 9 18 0.000162 1.10959E-07

11 18 38 0.000684 4.68493E-07 8 16 0.000128 8.76712E-08

12 16 32 0.000512 3.50685E-07 7.5 14.2 0.0001065 7.29452E-08

13 15 32.5 0.000488 3.33904E-07 6.5 12.3 7.995E-05 5.47603E-08

14 14.5 31 0.00045 3.07877E-07 6 11.1 0.0000666 4.56164E-08

15 14.2 30.5 0.000433 2.96644E-07 6 10.1 0.0000606 4.15068E-08

16 13.8 29.5 0.000407 2.78836E-07 6 9.8 0.0000588 4.0274E-08

17 13.5 29 0.000392 2.68151E-07 6 9.8 0.0000588 4.0274E-08

18 13.3 28.5 0.000379 2.6E-07 6 9.6 5.76E-05 3.95E-08


49


b. Variasi Lama Waktu Inkubasi

Waktu

(jam)

Inkubasi 1 hari Inkubasi 1 minggu Inkubasi 1 bulan

Kuat

Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

Kuat

Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

Kuat

Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

0 32.1 75 0.002408 1.65E-06 33.4 76.1 0.002542 1.74E-06 29.5 69.8 0.002059 1.41E-06

1 21 46.5 0.000977 6.69E-07 33 68.4 0.002257 1.55E-06 16 35 0.00056 3.84E-07

2 24 55.6 0.001334 9.14E-07 32 68 0.002176 1.49E-06 13 27.7 0.00036 2.47E-07

3 26 60 0.00156 1.07E-06 30 66.8 0.002004 1.37E-06 11.5 23.6 0.000271 1.86E-07

4 25 58.5 0.001463 1E-06 29 55 0.001595 1.09E-06 10.5 22 0.000231 1.58E-07

5 23 54 0.001242 8.51E-07 28 50 0.0014 9.59E-07 10 20.7 0.000207 1.42E-07

6 22 51 0.001122 7.68E-07 26.8 48 0.001286 8.81E-07 10 20.3 0.000203 1.39E-07

7 20.8 46 0.000957 6.55E-07 26 43 0.001118 7.66E-07 10 20.8 0.000208 1.42E-07

8 19 43 0.000817 5.6E-07 24 39.7 0.000953 6.53E-07 10 20.9 0.000209 1.43E-07

9 18 41 0.000738 5.05E-07 23 37 0.000851 5.83E-07 10 20.9 0.000209 1.43E-07

10 18 39 0.000702 4.81E-07 21.6 35.2 0.00076 5.21E-07 10 21.1 0.000211 1.45E-07

11 18 38 0.000684 4.68E-07 18 33.4 0.000601 4.12E-07 10.1 21.5 0.000217 1.49E-07

12 16 32 0.000512 3.51E-07 16 32 0.000512 3.51E-07 10 21.5 0.000215 1.47E-07

13 15 32.5 0.000488 3.34E-07 15 31.4 0.000471 3.23E-07 10 21.3 0.000213 1.46E-07

14 14.5 31 0.00045 3.08E-07 14 29 0.000406 2.78E-07 10 21.4 0.000214 1.47E-07

15 14.2 30.5 0.000433 2.97E-07 14 29.1 0.000407 2.79E-07 10 21.8 0.000218 1.49E-07

16 13.8 29.5 0.000407 2.79E-07 14 29.1 0.000407 2.79E-07 9.8 21.8 0.000214 1.46E-07

17 13.5 29 0.000392 2.68E-07 14.3 29.6 0.000423 2.9E-07 9.8 22 0.000216 1.48E-07

18 13.3 28.5 0.000379 2.6E-07 14.5 29.2 0.000423 2.9E-07 9.8 22 0.000216 1.48E-07


50


c. Penambahan Limbah Industri Tempe

Waktu

(jam)

Limbah Tempe Model Limbah Industri Tempe

Kuat Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

Kuat Arus

(µA)

Tegangan

(mV)

Daya

(mW)

Power

Density

(mW/m2)

0 33.4 76.1 0.002542 1.74E-06 12 23.7 0.000284 1.95E-07

1 33 68.4 0.002257 1.55E-06 11.5 23.7 0.000273 1.87E-07

2 32 68 0.002176 1.49E-06 9.5 18.6 0.000177 1.21E-07

3 30 66.8 0.002004 1.37E-06 8 18.4 0.000147 1.01E-07

4 29 55 0.001595 1.09E-06 7.6 18.1 0.000138 9.42E-08

5 28 50 0.0014 9.59E-07 7.5 18 0.000135 9.25E-08

6 26.8 48 0.001286 8.81E-07 7.5 18 0.000135 9.25E-08

7 26 43 0.001118 7.66E-07 7.4 17.5 0.00013 8.87E-08

8 24 39.7 0.000953 6.53E-07 7.2 17.3 0.000125 8.53E-08

9 23 37 0.000851 5.83E-07 7.2 17.2 0.000124 8.48E-08

10 21.6 35.2 0.00076 5.21E-07 7 15.5 0.000109 7.43E-08

11 18 33.4 0.000601 4.12E-07 5.5 10.4 5.72E-05 3.92E-08

12 16 32 0.000512 3.51E-07 5.3 10.3 5.46E-05 3.74E-08

13 15 31.4 0.000471 3.23E-07 5.3 9.9 5.25E-05 3.59E-08

14 14 29 0.000406 2.78E-07 5 9.8 0.000049 3.36E-08

15 14 29.1 0.000407 2.79E-07 5 9.7 4.85E-05 3.32E-08

16 14 29.1 0.000407 2.79E-07 5 9.7 4.85E-05 3.32E-08

17 14.3 29.6 0.000423 2.9E-07 5 9.5 4.75E-05 3.25E-08

18 14.5 29.2 0.000423 2.9E-07 5 9.7 4.85E-05 3.32E-08


produksi energi listrik melalui microbial fuel cell...

Documents