Teknologi Microbial Fuel Cels (MFC) merupakan pendekatan terbaru untuk menghasilkan pembangkit listrik-bioelektrik dari biomassa menggunakan bakteri. MFC mulai meningkat. Namun, percobaan yang dilakukan memerlukan penggunaan mediator kimia, atau angkutan elektron, yang dapat membawa elektron dari dalam sel ke elektroda eksogen. Terobosan dalam MFC terjadi pada tahun 1999 ketika diketahui bahwa mediator tidak perlu ditambahkan.
Dalam MFC, mikroorganisme mendegradasi (mengoksidasi) bahan organik, menghasilkan elektron yang berjalan melalui serangkaian enzim pernapasan di dalam sel dan membuat energi untuk sel dalam bentuk ATP. Elektron kemudian dilepaskan ke terminal electron acceptor (TEA) yang menerima elektron dan menjadi tereduksi. Misalnya, oksigen dapat direduksi menjadi air melalui reaksi katalis elektron dengan proton. Banyak TEAS seperti oksigen, nitrat, sulfat, dan lainnya dengan mudah berdifusi ke dalam sel di mana mereka menerima elektron yang membentuk produk yang dapat berdifusi keluar dari sel. Namun, sekarang kita tahu bahwa beberapa bakteri dapat mentransfer elektron secara
Gambar 6. Skema dua elektroda MFC dengan PEM (Reddy et al., 2010)
eksogen (yaitu, di luar sel) ke TEA seperti oksida logam seperti oksida besi. Bakteri inilah yang dapat mentransfer elektron secara eksogen, yang disebut eksoelektrogen, yang dapat digunakan untuk menghasilkan daya dalam MFC. Nomenklatur yang digunakan untuk proses kategorisasi, mikroorganisme, dan reaktor untuk pembentukan metana adalah: metanogenesis, metanogen, dan digester anaerobik. Demikian pula, kami mengklasifikasikan metode proses pembangkit elektron ini sebagai elektrogenesis, dengan bakteri eksoelektrogen dan reaktor sel bahan bakar mikroba (MFC).
Skema sistem MFC ditunjukkan pada gambar 4.1. Oksigen dalam ruang anoda akan menghambat pembangkitan listrik, sehingga sistem harus dirancang untuk menjaga agar bakteri tetap terpisah dari oksigen (katolit dalam contoh ini). Pemisahan bakteri dari oksigen dapat dicapai dengan menempatkan membran yang memungkinkan transfer muatan antara elektroda, membentuk dua ruang terpisah: ruang anoda, tempat bakteri tumbuh; dan ruang katoda, tempat elektron bereaksi dengan catholyte. Katoda dilepaskan dengan udara untuk menyediakan oksigen terlarut untuk reaksi. Kedua elektroda dihubungkan dengan kabel yang mengandung beban (mis., Perangkat yang diberi daya), tetapi di laboratorium resistor digunakan sebagai beban. Pada prinsipnya membran permeabel terhadap proton yang diproduksi di anoda, sehingga dapat bermigrasi ke katoda dimana dapat bergabung dengan elektron yang ditransfer melalui kawat dan oksigen, membentuk air. Arus yang dihasilkan oleh MFC biasanya dihitung di laboratorium dengan memantau penurunan tegangan pada resistor menggunakan (a) voltmeter (pengambilan sampel intermiten) atau (b) multimeter atau potensiostat yang dihubungkan ke komputer untuk akuisisi data yang pada dasarnya berkelanjutan (Reddy et al., 2010).
Perkembangan proses yang dapat menggunakan bakteri untuk menghasilkan listrik merupakan metode yang fantastis untuk produksi bioenergi karena bakteri tersebut mereplikasi diri sendiri, dan dengan demikian katalis untuk oksidasi bahan organik bersifat mandiri. Reaksi bakteri dapat dilakukan pada beberapa rentang suhu yang berbeda tergantung pada toleransi bakteri, mulai dari suhu sedang atau tingkat kamar (15-35°C) hingga suhu tinggi (50-60°C) yang dapat ditoleransi oleh termofil dan suhu rendah (<15oC) di mana psikrofil dapat tumbuh. Seperti yang akan kita lihat, hampir semua bahan organik yang dapat terurai secara hayati dapat digunakan dalam MFC, termasuk asam volatil,
karbohidrat, protein, alkohol, dan bahkan bahan yang relatif bandel seperti selulosa.
Meskipun gagasan membuat listrik dengan menggunakan MFC mungkin bukan hal baru dalam teori, namun sebagai metode praktis produksi energi ini cukup baru. Persyaratan untuk membuat MFC layak secara ekonomi sebagai metode produksi energi sangat menuntut. Harga minyak saat ini tetap rendah, dan terdapat banyak metode produksi energi alternatif yang telah mencapai tingkat pengembangan yang tinggi sehingga dapat bersaing untuk produksi energi. MFC sangat baru sehingga relatif sedikit usaha telah dimasukkan ke dalam arsitektur praktis menggunakan bahan yang terjangkau. Namun, seperti yang disoroti dalam buku ini, hal itu sudah berubah dan banyak pendekatan baru untuk desain MFC membuahkan hasil yang menjanjikan. Ketika sebuah teknologi baru dikembangkan, cara tercepat untuk memasarkannya adalah dengan menerapkannya di area yang paling mungkin menghasilkan keuntungan terbesar.
Seiring perkembangan teknologi lebih lanjut, ia kemudian dapat menjangkau pasar baru. Hard drive komputer membutuhkan pengembangan bertahun-tahun, misalnya, sebelum menjadi cukup kecil untuk dapat dibawa-bawa sebagai pemutar musik. Demikian pula, MFC harus dikembangkan untuk diterapkan di area yang kemungkinan besar akan menghasilkan keuntungan terbesar.
Karena banyak alasan tersebut, tampaknya penerapan MFC yang pertama dan paling berguna adalah sebagai metode pemulihan energi untuk membuat infrastruktur air berkelanjutan.
Lebih dari dua miliar orang di planet ini kekurangan sanitasi yang memadai, dan satu miliar tidak memiliki akses yang memadai ke air minum. Tuntutan energi untuk proses air dan air limbah konvensional adalah sebagian besar masalah. Di AS, kami menggunakan sekitar 4-5% dari produksi listrik kami untuk infrastruktur air, yang mencakup pengolahan dan distribusi air, serta pengumpulan dan pengolahan air limbah. Sekitar 1,5% listrik kita digunakan untuk pengolahan air limbah saja. Biaya pemeliharaan infrastruktur cukup signifikan, dengan biaya tahunan untuk pengolahan air limbah sebesar $ 25 miliar.
Diharapkan selama dua puluh tahun ke depan, tambahan $ 45 miliar perlu dikeluarkan untuk memelihara dan meningkatkan infrastruktur ini.
Air limbah mengandung energi, dalam bentuk bahan organik yang dapat terurai secara hayati, yang kita keluarkan untuk
membuang energi daripada mencoba memulihkannya. Di instalasi pengolahan air limbah konvensional di Toronto, Kanada, diperkirakan ada 9,3 kali lebih banyak energi dalam air limbah daripada yang digunakan untuk mengolah air limbah. Limbah cair domestik, hewan dan pengolahan makanan diperkirakan mengandung total 17 GW. Jumlah energi ini sama dengan yang saat ini digunakan untuk seluruh infrastruktur air di AS. Jadi, jika kita dapat memulihkan energi ini, kita dapat membuat infrastruktur air menjadi mandiri. Pencapaian seperti itu akan menjadi manfaat besar bagi kesehatan dan kesejahteraan AS di tahun-tahun ketidakpastian energi yang akan datang. Lebih penting lagi, proses pengolahan tersebut dapat meningkatkan kualitas hidup manusia secara global, serta berkontribusi pada pengurangan penyebaran penyakit yang ditularkan melalui air melalui limbah yang tidak diolah. Proses penguraian anaerobik berdasarkan pembentukan metana dapat menjadi bagian penting dari pembangkitan energi dari bahan limbah. Namun, alat ini membutuhkan suhu yang relatif tinggi (36oC) dan waktu detensi yang lama, sehingga hanya cocok untuk air limbah berkekuatan tinggi.
Teknologi MFC untuk penanganan limbah
Teknologi sel bahan bakar mikroba (MFC) adalah pendekatan yang menjanjikan namun sangat berbeda untuk pengolahan air limbah karena proses pengolahannya dapat menjadi metode menangkap energi dalam bentuk listrik atau gas hidrogen, daripada menguras energi listrik. Pada akhir 1990-an, Kim dan rekan kerjanya menunjukkan bahwa bakteri dapat digunakan dalam sel biofuel sebagai metode untuk menentukan konsentrasi laktat dalam air, dan kemudian pembangkit listrik dalam MFC dapat dipertahankan oleh pati. menggunakan air limbah industri. Namun, produksi daya rendah dan tidak jelas apakah teknologi tersebut akan berdampak besar pada pengurangan kekuatan air limbah. Pada tahun 2004, hal ini berubah dan hubungan antara listrik yang menggunakan MFC dan pengolahan air limbah ditempa dengan jelas ketika ditunjukkan bahwa air limbah rumah tangga dapat diolah ke tingkat praktis sekaligus menghasilkan listrik. Jumlah listrik yang dihasilkan dalam studi ini, meskipun rendah (26 mW/ m2), ternyata jauh lebih tinggi (beberapa lipatnya) daripada yang diperoleh sebelumnya dengan menggunakan air limbah. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa materi organik dan anorganik dalam sedimen laut dapat digunakan dalam jenis baru
MFC, yang menunjukkan bahwa berbagai macam substrat, material, dan arsitektur sistem dapat digunakan untuk menangkap listrik dari bahan organik dengan bakteri. Namun, tingkat daya di semua sistem ini relatif rendah. Perkembangan terakhir yang memicu minat saat ini di MFC yang mendemonstrasikan kepadatan daya dua lipat lebih besar dimungkinkan dalam MFC menggunakan glukosa, sekali lagi tanpa perlu mediator kimia eksogen.
Pegembangkan aplikasi praktis MFC, dengan tujuan utama adalah pengembangan teknologi berskala untuk pengolahan air limbah domestik, industri, dan jenis lainnya. Selagi energi yang dapat diambil dari air limbah tidak cukup untuk menggerakkan kota, cukup besar untuk menjalankan instalasi pengolahan.
Dengan kemajuan, memanfaatkan kekuatan ini dapat mencapai keberlanjutan energi dari infrastruktur air. Sebagai contoh daya yang dapat diperoleh dari air limbah, perhatikan contoh berikut untuk pemulihan energi untuk kota berukuran sedang.
MFC mungkin memiliki aplikasi lain di masa depan selain pengolahan air limbah dan energi terbarukan. Dengan meletakkan elektroda anoda di sedimen laut dan meletakkan katoda di air di atasnya, dimungkinkan untuk menghasilkan listrik dari penguraian bakteri dari bahan organik di sedimen. Tidak ada listrik yang cukup yang dihasilkan untuk menjadikannya layak secara ekonomi sebagai sumber energi terbarukan, tetapi cukup untuk menyalakan perangkat di lokasi laut dan muara yang terpencil.
Mungkin juga MFC dapat dimodifikasi dan digunakan sebagai metode bioremediasi. Meskipun aplikasi ini jauh kurang berkembang dibandingkan aplikasi lain, sejauh ini telah ditunjukkan bahwa teknologi berbasis MFC dapat digunakan untuk menghilangkan nitrat (konversi menjadi nitrit) dan U [konversi dari U terlarut (V1) menjadi U tidak larut (IV)] dari air.