TESIS
OLEH:
ALWAHAB G2L1 15 005
PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS HALU OLEO
KENDARI
2017
ii
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Master Sains pada Progran Studi Kimia
Program Pascasarjana Universitas Halu Oleo
OLEH:
ALWAHAB G2L1 15 005
PROGRAM STUDI KIMIA PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS HALU OLEO KENDARI
2017
iii
Nama : Alwahab
Nomor Induk Mahasiswa : G2L1 15 005 Program Studi : Kimia Program Pendidikan : Pascasarjana Universitas : Halu Oleo
Menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa tesis yang saya tulis ini benar-benar merupakan hasil karya sendiri, bukan merupakan pengambialihan tulisan atau pikiran orang lain yang saya akui sebagai hasil tulisan atau pikiran saya sendiri.
Apabila dikemudian hari terbukti atau atau dapat dibuktikan Tesis ini hasil jiblakan, maka saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan tersebut sesuai peraturan yang berlaku.
,
iv
v
Assalamu’alaikum wa rahmatullahi wa barakaatuh
Alhamdulillahirabbil’aalamiin, puji dan syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah S.W.T. Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang atas limpahan rahmat, karunia dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul “Profil Energi Listrik Terbarukan Melalui Teknologi Microbial Fuel Cell Dari Beberapa Substrat Potensial”.
Sholawat dan salam senantiasa tercurah kepada junjungan kita Nabi Muhammad S.A.W. beserta keluarga dan para sahabatnya sebagai pembawa kebenaran sepanjang zaman dan menjadi panutan terbaik bagi umat manusia serta senantiasa menjunjung tinggi nilai-nilai Islam yang sampai saat ini dapat dinikmati oleh seluruh manusia di penjuru dunia.
Proses penulisan tugas akhir ini merupakan sebuah pengalaman yang sangat berharga. Pengalaman yang tidak hanya memberikan tantangan dalam segi keilmuan tetapi juga sarat ujian mental dan fisik dalam menuju proses pendewasaan. Sebuah proses eksplorasi yang tidak pernah berhenti yang mungkin akan sangat berat jika tidak ada pihak-pihak yang bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membantu memberikan bimbingan, arahan, dukungan serta motivasi kepada penulis.
Melalui kesempatan ini dengan segala bakti penulis haturkan terima kasih yang tak terhingga kepada orang tua penulis ibunda Wa Umi dan ayahanda La Kiama atas segala doa, restu, semangat, bimbingan, arahan dan nasehat yang
vi
karena berkat itu semua segala macam tantangan dan rintangan dalam proses penyelesaian tugas akhir ini dapat dihadapi. Semoga menjadi amal jariyah kepada keduanya dan Allah S.W.T. selalu melindungi dan melimpahkan rahmat-Nya kepadanya.
Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Dr. rer. nat. H.
Ahmad Zaeni, M.Si. selaku pembimbing pertama dan bapak La Ode Ahmad, S.Si., M.Si., Ph.D. selaku pembimbing kedua yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam mengarahkan dan membimbing penulis selama mengikuti perkuliahan maupun dalam proses penyelesaian tugas akhir ini.
Semoga Allah S.W.T. membalas kebaikan beliau dengan balasan yang terbaik.
Penghargaan dan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya juga penulis haturkan kepada :
1. Rektor Universitas Halu Oleo.
2. Direktur pascasarjana Universitas Halu Oleo.
3. Ketua program studi kimia pascasarjana Universitas Halu Oleo.
4. Kepala laboratorium kimia Universitas Halu Oleo.
5. Prof. Dr. H. Muh. Nurdin, M.Sc., Dr. Alimin, S.Si., M.Si. dan Prof. Dr. I.
Sahidin, S.Pd., M.Si., selaku dewan penguji yang telah banyak memberikan ide dan saran bagi penulis dalam menyelesaikan tugas akhir.
vii
terhadap isolasi dan identifikasi mikroba selama melakukan penelitian.
8. Ibu Hafni, ibu Muli dan pak Rahmad selaku Analis Laboratorium Kimia dan Biologi untuk semua pelayanan dan fasilitas yang telah diberikan selama penulis melakukan penelitian.
9. Teman seperjuangan Agung Yodha, Edihar, Herdin, Yoga, Kak Irma, Pak Sukidi, Kak Rahayana, Kahar, Salni, Sapril, Pithy, Akifah, Aswan atas rasa kekeluargaan yang terjalin erat selama ini.
10. Empat adikku, Ademarsal, S.Si., Dian Yustika Rini, Lening Tias dan Sri Muning, terima kasih atas dukungannya baik itu dalam bentuk materi maupun moril.
11. Kepada seluruh keluarga penulis atas dukungan dan bantuan baik materi maupun moril sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan sebagaimana mestinya.
12. Laode Abdul Kadir, S.Si., M.Si., Sarlan, S.Si., Feri Ichsan Susilo, Sigit Tonggo Pribadi, S.Si., Diva Ardiyanti, S.Si., Novianti Rasmin, S.Si., Fitri Wahyunita, S.Si., Iwan Kurniawan Martono, S.Si. dan Dewi Astriyanti, S.Farm., Apt. terimaksih atas bantuan dan saran pada penulis dalam pengerjaan penelitian.
13. Rekan-rekan mahasiswa pascakimia ’013, ’014 dan ’016 yang namanya tidak dapat penulis tuliskan satu persatu atas bantuannya kepada penulis.
viii
kepada semua pihak dan apabila masih terdapat kesalahan dalam tulisan ini, sudilah kiranya memberikan koreksi untuk lebih baiknya tulisan ini. Semoga Al- lah S.W.T. memberi taufik kepada kita semua untuk mencintai ilmu yang ber- manfaat dan memberikan ridho balasan yang sebaik-baiknya. Aamiin.
Kendari, 21 Juni 2017
Penulis
ix
Studi pemanfaatan bahan organik yang terkandung dalam beberapa substrat potensial sebagai sumber energi listrik alternatif melalui teknologi MFC telah dilakukan. Microbial fuel cell (MFC) adalah salah satu bentuk teknologi yang dapat mengubah bahan organik kompleks dalam sedimen maupun dari air limbah untuk menghasilkan elektron sebagai sumber energi melalui proses metabolisme mikroba. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui karakteristik beberapa substrat potensial, mengetahui kinerja MFC menggunakan substrat potensial dengan menggunakan elektrolit KMnO4 dan aerator, mengetahui pengaruh dengan menambah luas permukaan elektroda grafit sheet dalam kinerja MFC, mengetahui perubahan karakteristik substrat potensial dan mengetahui karakteristik bakteri MFC dari substrat potensial. Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik sedimen laut Teluk Kendari yang meliputi kadar bahan organik berupa C-organik sebesar 4,23%, nitrogen total 1,08%, dan rasio C/N 3,92 sedangkan sedimen Rawa Aopa sebesar 2,42%, nirogen total 0,81% dan rasio C/N 2,99. Karakteristik air lindi diperoleh C-organik sebesar 3,18%, nitrogen total 1,01% dan rasio C/N 3,15 sedangkan kotoran sapi sebesar C-organik sebesar 3,60%, nitrogen total 1,13% dan rasio C/N 3,19. Sistem SMFC sedimen laut Teluk Kendari menggunakan aerator dapat menghasilkan tegangan listrik sebesar 0,404 V sedangkan menggunakan KMnO4 sebesar 1,628 V. Sistem SMFC sedimen Rawa Aopa menggunakan aerator dapat menghasilkan tegangan listrik sebesar 0,354 V sedangkan menggunakan KMnO4 sebesar 0,622 V. Sistem MFC air lindi menggunakan aerator dapat menghasilkan tegangan listrik sebesar 0,474 V sedangkan menggunakan KMnO4 sebesar 1,554 V. Sistem MFC kotoran sapi menggunakan aerator dapat menghasilkan tegangan listrik sebesar 0,374 V sedangkan menggunakan KMnO4 sebesar 0,835 V. Hasil karakterisasi substrat MFC menunjukkan bahwa terjadi penurunan kandungan bahan organik substrat.
Kandungan bahan organik sedimen laut Teluk Kendari setelah pemakaian SMFC yaitu C-organik menjadi sebesar 4,06%, nitrogen total 0,97% dan rasio C/N 4,19.
Kandungan bahan organik sedimen Rawa Aopa setelah pemakaian SMFC yaitu C-organik menjadi sebesar 1,85%, nitrogen total 0,79% dan rasio C/N 2,34.
Kandungan bahan organik air lindi setelah pemakaian MFC yaitu C-organik menjadi sebesar 2,48%, nitrogen total 0,93% dan rasio C/N 2,67. Kandungan bahan organik kotoran sapi setelah pemakaian MFC yaitu C-organik menjadi sebesar 2,70%, nitrogen total 0,99% dan rasio C/N 2,72. Karakteristik bakteri MFC yang berasal dari sedimen laut Teluk Kendari, sedimen Rawa Aopa, air lindi dan kotoran sapi semua besar bersifat Gram positif dan semua berbentuk basil (batang).
Kata kunci: bahan organik, sedimen, air limbah, MFC
x
A study of the utilization of organic materials contents in several potential substrates as a source of alternative electricity through MFC technology has been conducted. Microbial fuel cell (MFC) is a form of technology that can change complex organic materials within sediments or waste water to generate electron and becomes a source of energy through metabolism of microbes. The aims of this study are to determine the characteristics of several potential subtrates, to determine the performance of MFC with potential subtrates by using KMnO4
electrilyte and aerator, to determine the effect of expanding the surface areas of graphite sheet electrode on the performance of MFC and to determine change in the characteristics of MFC bacteria from potential substrates. Results show that the characteristics of marine sediments of Kendari Bay are as follows C-organic is 4,23%, total of nitrogen 1,08% and C/N ratio 3,92, whereas the sediments of Rawa Aopa is 2,42%, total of nitrogen 0,81% dan C/N ratio 2,99. The characteristics of alkali water are as follows C-organic is 3,18%, total of nitrogen is 1,01% and C/N ratio 3,15 whereas cow dungs have 3,60% of C-organic,, 1,13%
of nitrogen total and 3,19 of C/N ratio. The SMFC system of marine sediments in Kendari Bay using aerator can generate 0,404 V of electric power whereas the use of KMnO4 generates 1,628 V. The SMFC system of sediment in Rawa Aopa using aerator can generate 0,354 V electric power, where KMnO4 can generate 0,622 V. The MFC system alkalis water using aerator can generate 0,474 V electric power whereas KMnO4 can generate 1,554 V. The MFC system with cow dungs using aerator can generate 0,374 V electric power whereas KMnO4 can generate 0,835 V. Results of analyzing the characteristics of MFCsubstrate showed that there is a decrease in the content of organic substrate. The characteristics of organic materials of marine sediments in Kendari Bay after the use of SMFC are C-organic increases to 4,06%, nitrogen totas is 0,97% and C/N ratio is 4,19. The characteristics of organic materials of marine sediments in Rawa Aopa after the use of SMFC are C-organic increased to 1,85%, nitrogen total 0,79% and C/N ratio 2,34. The characteristics of organic materials of marine sediments in alkali water after the use of SMFC are C-organic increases to 2,48%, nitrogen total 0,93% and C/N ratio 2,67. The contents of organic materials in marine sediments in cow dungs after the use of SMFC are C-organic increases to 2,70%, nitrogen total 0,99% and C/N ratio 2,72. The characteristic of MFC bacteria in the marine sediment of Kendari Bay, Rawa Aopa, alkali water and cow dung is positive Gram and all comes in basil (stems).
Keyword: organic material, sediments, waste water, MFC.
x
xi
PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN i
HALAMAN PENGESAHAN Error! Bookmark not defined. KATA PENGANTAR iv
ABSTRAK ix
ABSTRACT x
DAFTAR ISI xi
DAFTAR TABEL xiv
DAFTAR GAMBAR xv
DAFTAR LAMPIRAN xvii
DAFTAR ARTI LAMBANG DAN SINGKATAN xviii
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 6
1.3. Tujuan 7
1.4. Manfaat 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8
2.1. Energi 8
2.1.1. Macam-Macam Sumber Energi 8
2.1.2. Sumber-Sumber Energi 10
2.2. Fuel Cell 12
2.3. Microbial Fuel Cell (MFC) 16
2.4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC)18 2.5. Sediment Microbial Fuel Cell (SMFC) 19
2.6. Bakteri MFC 21
xii
2.8.3. Sedimen Laut Teluk Kendari 31
2.8.4. Sedimen Rawa Aopa 32
BAB III KERANGKA PEMIKIRAN DAN HIPOTESIS 35
3.1. Kerangka Pemikiran 35
3.2. Hipotesis 36
BAB IV METODE PENELITIAN 37
4.1. Jenis Penelitian 37
4.2. Desain Penelitian 37
4.3. Lokasi dan Waktu Penelitian 37
4.4. Variabel Penelitian 37
4.4.1. Variabel Bebas 37
4.4.2. Variabel Terikat 38
4.4.3. Variabel Terkendali 38
4.5. Alat dan Bahan 38
4.5.1. Alat 38
4.5.2. Bahan 39
4.6. Metode Penelitian 39
4.6.1. Karakterisasi Air Limbah dan Sedimen Potensial 40
4.6.2. Pembuatan Reaktor MFC 46
4.6.3. Pengukuran Arus dan Potensial Listrik MFC 47
4.6.4. Isolasi, Karakterisasi dan Identifikasi Bakteri MFC 48
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 50
5.1. Karakteristik Substrat Sebelum Penggunaan MFC 50 5.1.1. Karakteristik Sedimen Rawa Aopa dan Sedimen Laut Teluk Kendari50
xiii
5.2.3. Energi Listrik yang Dihasilkan Air Lindi 69
5.2.4. Energi Listrik yang Dihasilkan Kotoran Sapi 75
5.3. Karakteristik Substrat Setelah Penggunaan MFC 79
5.3.1. Karakteristik Sedimen Rawa Aopa dan Sedimen Laut Teluk Kendari79 5.3.2. Karakteristik Air Lindi dan Kotoran Sapi 81
5.4. Karakteristik Bakteri MFC 85
5.4.1. Karakteristik Bakteri Sedimen Laut Teluk Kendari 85
5.4.2. Karakteristik Bakteri Sedimen Rawa Aopa 87
5.4.3. Karakteristik Bakteri Air Lindi 88
5.4.4. Karakteristik Bakteri Kotoran Sapi 90
BAB VI PENUTUP 92
6.1. Kesimpulan 92
6.2. Saran 93
DAFTAR PUSTAKA 94
LAMPIRAN 105
xiv
1. Jenis fuel cell dan karakterisitiknya 14
2. Bakteri yang biasa digunakan dalam MFC 23
3. Karakteristik sedimen laut Teluk Kendari dan Sedimen Rawa Aopa 50
4. Karakteristik air lindi dan kotoran sapi 55
5. Karakteristik substrat sedimen laut Teluk Kendari dan sedimen Rawa
Aopa sebelum dan setelah penggunaan SMFC 79
6. Perbedaan karakteristik substrat air lindi dan kotoran sapi sebelum dan
sesudah MFC 82
7. Karakteristik bakteri SMFC berdasarkan bentuk dan pewarnaan Gram
sedimen laut Teluk kendari 85
8. Karakteristik bakteri SMFC berdasarkan bentuk dan pewarnaan Gram
sedimen Rawa Aopa 87
9. Karakteristik bakteri MFC berdasarkan bentuk dan pewarnaan Gram air
lindi 88
10. Karakteristik bakteri MFC berdasarkan bentuk dan pewarnaan Gram 90
xv
1. Skema konfigurasi fuel cell 13
2. Skema konfigurasi MFC 17
3. Representasi sistem SMFC 21
4. Desain reaktor MFC konvensional bentuk “H” 26
5. Desain reaktor MFC satu kompartemen 26
6. SCMFC dengan anoda brush dan katoda flat 26
7. MFC dengan mode fed-batch 27
8. MFC sistem 2 kamar (dual chamber) 46
9. Perbandingan waktu dan tegangan (open circuits voltage) yang
dihasilkan SMFC sedimen laut Teluk Kendari 58
10. Perbandingan waktu dan tegangan listrik yang dihasilkan SMFC
sedimen laut Teluk Kendari 61
11. Perbandingan tegangan dan arus listrik yang dihasilkan SMFC
sedimen laut Teluk Kenadari 63
12. Perbandingan tegangan dan hambatan yang dihasilkan SMFC
sedimen laut Teluk Kenadari 64
13. Perbandingan arus dan hambatan yang dihasilkan SMFC sedimen
laut Teluk Kenadari 64
14. Perbandingan daya dan kerapatan daya yang dihasilkan SMFC
SMFC sedimen laut Teluk Kenadari 65
15. Perbandingan waktu dan tegangan (open circuits voltage) yang
dihasilkan SMFC sedimen Rawa Aopa 66
16. Perbandingan waktu dan tegangan listrik yang dihasilkan SMFC
Rawa Aopa 68
17. Perbandingan waktu dan tegangan (open circuits voltage) yang
dihasilkan MFC air lindi 70
18. Perbandingan waktu dan tegangan listrik yang dihasilkan MFC air
lindi 71
19. Perbandingan tegangan dan arus listrik yang dihasilkan MFC air
lindi 72
20. Perbandingan tegangan dan hambatan yang dihasilkan MFC air
lindi 73
xvi
dihasilkan MFC kotoran sapi 77
24. Perbandingan waktu dan tegangan listrik yang dihasilkan MFC 78
xvii
1. Gambaran Umum Alur Penelitian 105
2. Prosedur Pembuatan Reagen 106
3. Diagram Alir penetapan kadar air 107
4. Diagram Alir Penetapan C-organik cara Spektrofotometer 108 5. Diagram Alir Penetapan N-total cara Spektrofotometer 109 6. Diagram Alir Pengukuran COD (Chemical Oxygen Demand) 111 7. Diagram Alir Pengukuran BOD (Biological Oxygen Demand) 112
8. Diagram Alir Pengukuran pH 113
9. Diagram Alir Pengukuran Daya Hantar Listrik (DHL) 114 10. Diagram Alir Isolasi, karakterisasi, dan Identifikasi Bakteri MFC 115
11. Perhitungan Faktor Kadar Air (fk) 117
12. Perhitungan Kadar C-organik 119
13. Perhitungan Kadar N-total 122
14. Data pengukuran pH 125
15. Data pengukuran daya hantar listrik 126
16. Data pengukuran tegangan dan arus listrik 127
17. Dokumentasi penelitian 163
xviii C
cm DHL e- g H+ L M m MFC mg/L mL mS mV mW/m2 N pH ppm
Karbon centi meter
Daya Hantar Listrik elektron
gram proton liter molar meter
Microbial Fuel Cell mili gram per liter mili liter
mili siemens mili volt
mili watt per meter kuadrat normal
power of hydrogen (derajat keasaman) part per million
xix Ω
%
ohm persen
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi senantiasa memainkan peranan penting bagi kelangsungan hidup manusia terutama dalam perkembangan peradaban dan perekonomian modern dunia. Pada masa kini, kebutuhan energi secara global sebagian besar bergantung pada bahan bakar fosil yang memiliki dampak negatif yang serius bagi lingkungan dikarenakan peningkatan emisi gas karbondioksida (Angenent et.al., 2014).
Kebutuhan akan energi terutama dalam bentuk energi listrik meningkat seiring dengan bertambahnya populasi dan meningkatnya kondisi kehidupan umat manusia, terutama dalam segi transportasi, industri dan rumah tangga (Kristin, 2012).
Berdasarkan perkiraan Badan Perwakilan Energi Internasional, diramalkan terjadi peningkatan dalam pemakaian energi global pada tahun 2030 dengan 70%
peningkatan kebutuhan tersebut berasal dari negara-negara berkembang (Putranto, 2011). Di Indonesia, kebutuhan akan energi listrik diperkirakan terus bertambah sekitar 4,6% setiap tahunnya. Angka ini diduga menjadi tiga kali lipat pada tahun 2030 mendatang. Kondisi ini diperpuruk oleh keterbatasan cadangan energi dari bahan bakar fosil yang semakin menipis seiring dengan penggunaan energi tersebut yang semakin bertambah. Indonesia hanya memiliki minyak sekitar 3,7 milyar barrel, dimana persediaan ini dapat diperkirakan akan habis dalam 24 tahun. Jika hal ini tidak diiringi oleh upaya untuk meningkatkan produksi energi,
1
maka ada risiko bahwa Indonesia akan mengalami suatu krisis energi (Arbianti et al., 2013).
Kecemasan akan krisis energi dan keprihatinan akan dampak penggunaan bahan bakar fosil terhadap lingkungan global memunculkan minat yang besar untuk mencari dan menghasilkan sumber energi alternatif yang bersih dan berkelanjutan (sustainable energy). Microbial fuel cell (MFC) yang menghasilkan energi listrik dari suatu biomassa menggunakan bakteri merupakan contoh teknologi yang menyediakan energi berkelanjutan dan memiliki prospek untuk dikembangkan. Teknologi ini cukup menarik banyak perhatian saat ini dimana teknologi ini menggunakan biokatalis untuk mengonversi energi kimia dari suatu bahan bakar yang terdegradasi menjadi energi listrik (Penev et al., 2008). MFC mengonversi energi kimia yang terkandung dalam bahan organik maupun anorganik menjadi energi listrik melalui aktivitas katalitik (metabolisme) mikroorganisme anaerob (Schroder, 2008).
MFC telah diteliti secara intensif dalam beberapa tahun terakhir karena menawarkan solusi berkelanjutan serta sejalan dengan pengendalian polusi dan produksi energi (Li et al., 2016). Beberapa studi yang menguji kinerja MFC dalam menghasilkan energi listrik telah dilakukan seperti penelitian mengenai pengaruh temperatur dan media anoda pada produksi energi listrik dalam MFC (Tao et al., 2016) serta penelitian yang dilakukan untuk mengoptimalkan MFC dalam menghasilkan energi listrik dengan mempelajari pengaruh konfigurasi reaktor MFC, tipe elektrolit yang digunakan dan tipe material elektroda yang digunakan (Islam et al., 2016). Berbagai jenis mikroba juga telah digunakan
dalam MFC baik yang berupa kultur tunggal maupun kultur campuran (konsorsium), diantaranya Shewanella putrefaciens (Tender et al., 2002), Aeromonas hydrophila (Pham et al., 2003), Geobacter sulfurreducens (Lovely, 2006), Rhodopseudomonas palustris (Zhang et al., 2011), Enterobacter cloacae (Rezaei et al., 2009), Escherichia coli (Purwati et al., 2014), Lactobacillus bulgaricus (Arbianti et al., 2013) serta Shewanella oneidensis dan kultur campuran dari air limbah (Purwono, 2015).
Substrat adalah faktor penting dalam produksi energi listrik yang efisien dari suatu MFC. Pada dasarnya, berbagai bentuk bahan organik dapat digunakan sebagai substrat MFC, mulai dari bahan organik sederhana seperti glukosa (Liu dan Logan, 2004), pati (Min dan Logan, 2004), asam lemak (Liu et al., 2005) serta asam amino dan protein (Logan et al., 2005) hingga bahan organik kompleks yang terdapat dalam air limbah (Zhao et al,. 2016). Air limbah yang kaya akan bahan organik biodegradabel merupakan kandidat ideal dan sudah menjadi isu yang hangat sebagai sumber energi berkelanjutan dalam produksi energi listrik melalui MFC di antaranya dapat diperoleh dari kotoran ternak sapi dan air lindi.
Selain limbah organik, substrat MFC yang potensial juga terkandung dalam sedimen baik sedimen laut maupun sedimen rawa.
Limbah kotoran ternak memiliki potensi besar untuk dijadikan sebagai substrat dalam teknologi MFC karena masih memiliki kandungan senyawa organik yang lebih tinggi. Jika dibandingkan dengan limbah cair biogas dari kotoran ternak sapi sebagai substrat MFC, nilai voltase masih lebih tinggi Berdasarkan hasil penelitian Alwahab (2015), sistem MFC dua kamar dengan
substrat limbah cair biogas dapat menghasilkan tegangan listrik maksimum dengan puncak produksi pada hari ke-1 yaitu sebesar 1302,2 mV, sistem MFC dua kamar menggunakan elektrolit KMnO4 dapat menghasilkan tegangan listrik maksimum dengan puncak produksi pada hari ke-1 yaitu sebesar 1804,3 mV dan arus listrik maksimum sebesar 0,01 mA sedangkan untuk sistem MFC dua kamar menggunakan elektrolit K2Cr2O7 dapat menghasilkan tegangan listrik maksimum dengan puncak produksi hari ke-1 sebesar 1675,8 mV dan arus listrik maksimum dengan produksi hari ke-2 sebesar 0,99 mA.
Air lindi merupakan limbah cair yang terbentuk pada tumpukan sampah organik. Air lindi memiliki banyak kandungan senyawa organik maupun anorganik serta sejumlah bakteri patogen (Fahrudin, 1989). Oleh karena itu, jika tidak dilakukan penanganan yang tepat dapat mencemari lingkungan sekitar.
Telah dilaporkan pula bahwa air lindi dapat digunakan sebagai substrat MFC untuk menghasilkan energi listrik tanpa penambahan zat kimia maupun inokulum.
Air lindi yang dipakai sebagai substrat MFC dapat mengalami penurunan nilai COD dan BOD (Damiano, 2009). Hijir (2016) melaporkan bahwa air lindi yang dijadikan substrat MFC yang disusun secara seri menghasilkan tegangan maksimum dan kuat arus masing-masing 6460 mV dan 0,528 mA untuk MFC- KMnO4 serta 5440 mV dan 0,351 mA untuk MFC-K2Cr2O7. Susunan paralel MFC menghasilkan tegangan dan kuat arus masing-masing 1053 mV dan 2 mA untuk MFC-KMnO4 serta 954 mV dan 2,06 mA untuk MFC-K2Cr2O7. Berdasarkan laporan ini menunjukkan bahwa air lindi sangat berpotensi
dikembangkan lebih jauh sebagai substrat MFC dengan mengoptimasi elektroda untuk meningkatkan voltase dan arus listrik yang dihasilkan dari kinerja MFC.
Penggunaan sedimen sebagai substrat merupakan suatu terobosan teknologi MFC yang dikenal dengan nama sediment microbial fuel cell (SMFC), dimana Reimers et al. (2001) pertama kali mendemonstrasikan bahwa komunitas mikroba yang secara alami terdapat dalam sedimen laut dapat menghasilkan energi listrik.
Selain itu, kandungan bahan organik yang cukup besar pada sedimen laut menjadikan umur penggunaan sedimen sebagai substrat MFC akan sangat lama (Shantaram et al., 2005).
Sedimen laut Teluk Kendari memiliki potensi besar untuk dijadikan sebagai substrat dalam teknologi SMFC. Hal ini didasari oleh kondisi fisik kawasan Teluk Kendari dengan karakteristik yang unik yaitu menyerupai suatu estuaria (Apriyanto, 2007). Adanya aliran air tawar yang terjadi secara terus menerus dari hulu sungai dan adanya proses gerakan air akibat pasang surut yang mengangkut mineral-mineral, bahan organik dan sedimen merupakan penunjang produktifitas perairan di wilayah estuaria (Supriadi, 2001). Robby (2013) melaporkan bahwa sistem SMFC tunggal dengan substrat sedimen laut Teluk Kendari dapat menghasilkan tegangan listrik dengan puncak produksi pada hari ke-22 yaitu sebesar 163,6 mV untuk stasiun 1 (berjarak ±20 meter dari pantai sekitar pasar pelelangan ikan Teluk Kendari) sedangkan stasiun 2 (berjarak ±7 meter dari pinggir pantai di muara Teluk Kendari) mencapai puncak produksi pada hari ke-8 sebesar 438 mV dan stasiun 3 (berjarak ± 10 meter dari pantai sekitar pelabuhan pertamina) mencapai puncak produksi pada hari pertama sebesar 94,9 mV. Sistem SMFC berganda menghasilkan tegangan listrik dengan puncak produksi pada hari
ke-26 yaitu sebesar 1,807 V untuk SB1 (SMFC berganda 1) dan 2,174 V untuk SB2 (SMFC berganda 2). Data laporan ini menunjukkan bahwa sistem SMFC tanpa adanya penambahan elektrolit di katoda dapat menghasilkan sumber tegangan yang menjanjikan sebab dilihat dari besarnya voltase yang dihasilkan melebihi voltase yang dihasilkan baterai biasa.
Rawa Aopa merupakan daerah depresi yang terletak di antara Pegunungan Mendoke, Motaha dan Makaleleo. Kondisinya selalu tergenang sepanjang tahun karena menjadi muara beberapa sungai yang ada. Akibat adanya pertemuan muara sungai ini menyebabkan Rawa Aopa memiliki kandungan senyawa organik hasil dari endapan yang berasal dari berbagai sungai yang mengalir menuju Rawa Aopa (Amhir, 2010). Sedimen yang banyak mengandung senyawa organik sangat potensial dijadikan substrat MFC sebab kinerja MFC akibat dari kinerja mikroba dalam menguraikan senyawa organik.
Dalam penelitian ini, kami akan melakukan optimasi kinerja elektroda dan menguji kinerja sistem MFC memanfaatkan limbah potensial yang berasal limbah organik kotoran ternak sapi dan air lindi serta sedimen rawa dan sedimen laut sebagai substrat dalam MFC dengan menggunakan elektrolit KMnO4 dan aerator.
Optimasi yang dimaksud adalah dengan menambah luas permukaan elektroda grafit sheet yang akan meningkatkan jumlah bakteri yang menempel pada permukaan elektroda sehingga arus dan voltase yang dihasikan semakin besar.
1.2. Rumusan Masalah
Masalah yang ingin dikaji dalam penelitian ini adalah 1. Bagaimana karakteristik limbah cair dan sedimen potensial ?
2. Bagaimana kinerja MFC menggunakan limbah cair dan sedimen potensial dengan menggunakan elektrolit KMnO4 dan aerator ?
3. Bagaimana pengaruh dengan menambah luas permukaan elektroda grafit sheet dalam kinerja MFC ?
4. Bagaimana perubahan karakteristik limbah cair dan sedimen potensial ?
5. Bagaimana karakteristik bakteri MFC dari limbah cair dan sedimen potensial ?
1.3. Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah 1. Mengetahui karakteristik limbah cair dan sedimen potensial.
2. Mengetahui kinerja MFC menggunakan limbah cair dan sedimen potensial dengan menggunakan elektrolit KMnO4 dan aerator.
3. Mengetahui pengaruh dengan menambah luas permukaan elektroda grafit sheet dalam kinerja MFC.
4. Mengetahui perubahan karakteristik limbah cair dan sedimen potensial.
5. Mengetahui karakteristik bakteri MFC dari limbah cair dan sedimen potensial.
1.4. Manfaat
Manfaat yang diharapkan pada penelitian ini antara lain
1. Memberikan contoh solusi masalah penaganan pencemaran limbah cair dan sedimen.
2. Memberikan contoh sumber energi alternatif berkelanjutan.
3. Sebagai bahan rujukan untuk pengembangan penelitian bidang energi terba- rukan menggunakan limbah cair dan sedimen.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi
2.1.1. Macam-Macam Sumber Energi
Energi adalah ukuran dari kesanggupan benda tersebut untuk melakukan suatu usaha. Energi berasal dari bahasa Yunani yaitu energia yang berarti kemampuan untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran yang kekal, artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat diubah dari suatu bentuk satu kebentuk yang lain namun tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan. Energi dalam pengertian sehari-hari merupakan kemampuan untuk melakukan gerak, jika suatu objek mampu untuk melakukan gerakan maka objek tersebut dikatakan mempunyai energi (Mateo, 2012).
Menurut ilmu fisika, terdapat berbagai macam bentuk energi diantaranya 1. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi dari suatu benda yang dimiliki karena pengaruh gerakannya. Misalnya, ketika seseorang yang sedang berlari, maka po- sisi orang tersebut akan berubah setiap detiknya. Perubahan posisi ini menunjuk- kan bahwa orang itu memiliki energi (Mulyana, 2014).
2. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut juga dengan energi diam karena benda yang dalam keaadaan diam dapat memiliki energi. Jika benda tersebut bergerak, maka benda itu mengalami perubahan energi
8
potensial menjadi energi gerak. Energi potensial memiliki beberapa bentuk diantaranya energi potensial gravitasi, energi potensial pegas dan lain-lain (Dewan Energi Nasional, 2014).
3. Energi Panas
Energi panas adalah energi yang muncul saat terjadinya perubahan suhu benda dan menjalar dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Energi ini dapat dideteksi dengan indera peraba dan termometer (Mulyana, 2014).
4. Energi Kimia
Energi kimia adalah energi yang tersimpan secara kimiawi. Misalnya, ma- kanan yang kita makan menghasilkan energi kimia yang sangat bermanfaat bagi tubuh. Minyak bumi mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat untuk ba- han bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari (Dewan Energi Nasional, 2014)..
5. Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi yang tersimpan dalam atom. Energi keluar ketika terjadi proses reaksi nuklir. Energi ini diperoleh dari hasil reaksi inti, yaitu reaksi yang terjadi pada inti atom dimana partikel-partikel berenergi tinggi ber- tumbukkan dengan inti atom tersebut sehingga terbentuklah inti baru yang ber- beda dengan inti semula (Dewan Energi Nasional, 2014)..
6. Energi Listrik
Energi listrik adalah energi yang ditimbulkan oleh benda yang bermuatan listrik. Muatan listrik yang diam (statis) menimbulkan energi potensial listrik
sedangkan muatan listrik yang bergerak (dinamis) menimbulkan arus listrik dan energi magnet (Mulyana, 2014).
2.1.2. Sumber-Sumber Energi 1. Sumber Energi Tak Terbaharui
Sumber energi tak terbaharui (nonrenewable) didefinisikan sebagai sum- ber energi yang tidak dapat diisi atau dibuat kembali oleh alam dalam waktu yang singkat. Sumber energi tak terbaharui diantaranya
a. Minyak Bumi
Minyak bumi adalah zat cair licin dan mudah terbakar yang terjadi sebagi- an besar karena hidrokarbon. Menurut teori, minyak bumi berasal dari sisa-sisa binatang kecil dan tumbuhan yang hidup di laut jutaan tahun yang lalu yang men- gendap dan mendapat tekanan dari lempengan bumi sehingga secara alami, larut dan berubah menjadi minyak bumi (Mateo, 2012).
b. Batubara
Batubara adalah batuan sedimen yang berasal dari material organik (organoclastic sedimentary rock) yang memiliki kandungan utama berupa karbon, hidrogen dan oksigen. Batubara ini merupakan hasil akumulasi tumbuhan dan material organik pada suatu lingkungan pengendapan tertentu (Mateo, 2012).
Batubara yang kita kenal dibentuk dari sisa-sisa tumbuhan yang terkubur di dasar rawa selama jutaan tahun yang lalu. Pertama, sisa-sisa tumbuhan berubah menjadi bahan yang padat disebut gambut. Akibat tekanan dan pemanasan dari lapisan bagian atas, sisa-sisa tumbuhan tersebut berubah menjadi batubara (Nurracman, 2013).
2. Energi Alternatif (Sumber Energi Terbaharui)
Sumber energi terbaharui (renewable) didefinisikan sebagai sumber energi yang dapat dengan cepat diisi kembali oleh alam. Berikut ini adalah yang terma- suk sumber energi terbaharui
a. Matahari
Energi matahari diperoleh dari cahaya panas yang merupakan komponen dari panas matahari. Selain memanaskan air, energi ini juga bisa diubah menjadi listrik. Secara global, matahari menyediakan 10.000 kali energi bumi yang dapat dimanfaatkan siapapun secara gratis dan merupakan salah satu sumber energi alternatif yang potensial untuk dikelola dan dikembangkan lebih lanjut, terutama bagi negara-negara tropis seperti Indonesia (Nurracman, 2013).
b. Angin
Energi angin adalah energi yang dihasilkan oleh udara yang berhembus di permukaan bumi. Energi angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk menghasilkan usaha. Karena angin tidak menimbulkan polusi, maka banyak nega- ra-negara membangun turbin angin sebagai sumber tenaga listrik tambahan (METI, 2011).
c. Panas Bumi
Energi panas bumi adalah energi panas yang berasal dari dalam bumi. En- ergi panas ini dihasilkan di dalam inti bumi yang ditimbulkan oleh peristiwa pe- luruhan partikel-partikel radioaktif di dalam batuan. Inti bumi terbentuk dari magma yang mengalir menembus berbagai lapisan batuan di bawah tanah. Saat mencapai reservoir air bawah tanah, terbentuklah air panas bertekanan tinggi yang
keluar ke permukaan bumi melalui celah atau retakan di kulit bumi, maka timbul sumber air panas yang biasa disebut uap panas (Mateo, 2012).
d. Biomassa
Biomassa merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui karena tum- buh-tumbuhan dapat kita tanam setiap saat. Dari berbagai macam bahan bakar bi- omassa, kayu merupakan kebutuhan yang sangat banyak digunakan, seperti pada rumah tangga dan pada ketel uap. Membakar biomassa bukan cara satu-satunya untuk menghasilkan energi karena biomassa dapat juga dikonversi ke bentuk en- ergi lain diantaranya gas metana atau etanol dan biosolar (METI, 2011).
2.2. Fuel Cell
Fuel cell sebanding dengan suatu sel elektrolitik atau baterai, dimana bahan kimia (bahan bakar dan oksidan) dioksidasi atau direduksi secara elektrokimia untuk menghasilkan energi listrik. Fuel cell mengandung dua elektroda (anoda dan katoda) yang keduanya dipisahkan oleh suatu elektrolit, seperti suatu jembatan garam atau membran (Zou et al., 2016). Elektrolit menghalangi pencampuran langsung bahan bakar dan oksidan serta membolehkan konduksi muatan ionik antara elektroda-elektroda dan transpor reaktan terlarut pada elektroda (Holland et al., 2007). Menurut Arsov dan Georgievski (2009), porositas suatu elektroda menambah bidang elektroda yang aktif ratusan bahkan ribuan kali, dimana fakta ini sangat penting karena reaksi elektrokimia berlangsung pada permukaan elektroda.
Secara teori, berbagai zat yang dapat teroksidasi secara kimia pada laju yang cukup di anoda fuel cell dapat digunakan sebagai bahan bakar. Dalam
pengertian yang sama, berbagai zat yang dapat direduksi di katoda pada laju yang cukup dapat digunakan sebagai oksidan (Holland et al., 2007). Pada praktiknya, hidrogen merupakan bahan bakar terbaik untuk kebanyakan aplikasi fuel cell (Blomen dan Mugerwa, 1993). Representasi skema konfigurasi fuel cell dengan reaktan/produk berupa gas dan arah hantaran ion yang mengalir melalui sel dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema konfigurasi fuel cell (Larminie dan Dicks, 2003)
Pada fuel cell hidrogen/oksigen, bahan bakar yang dimasukkan di anoda adalah hidrogen dan oksidan yang dimasukkan pada katoda adalah oksigen. Di anoda, hidrogen akan dioksidasi menjadi proton dan elektron. Elektron yang dihasilkan di katoda akan mengalir menuju anoda melalui suatu sirkuit dan akan menghasilkan arus listrik, sedangkan proton akan bergerak melalui elektrolit menuju katoda. Di katoda, oksigen akan bergabung dengan proton dan mengambil elektron dari sirkuit untuk menghasilkan air sebagai hasil samping tunggal dari
reaksi (Larminie dan Dicks, 2003). Reaksi elektrokimia dasar fuel cell ditunjukkan sebagai berikut (Balkin, 2002).
Anoda : H2 → 2H+ + 2e-
Katoda : 2H+ + 2e- + ½ O2 → H2O
H2 + ½ O2 → H2O + panas + energi listrik (1) Saat ini, berbagai jenis fuel cell telah diteliti dan dikembangkan yang secara umum diklasifikasikan berdasarkan elektrolit yang digunakan yang dapat dilihat pada Tabel 1. Potensial dari suatu sel yang beroperasi umumnya sekitar 0,7-0,8 V dan biasanya terlalu kecil untuk aplikasi secara praktik karena daya terbatas yang tersedia dari suatu sel tunggal (Milcarek et. al, 2016). Oleh karena itu, untuk menggunakan fuel cell sebagai sumber energi secara praktik, sejumlah fuel cell tunggal harus dihubungkan secara seri untuk memperoleh keluaran voltase yang lebih besar (Shimura et. al, 2016).
Tabel 1. Jenis fuel cell dan karakterisitiknya (Holland et al., 2007)
Tipe Fuel cell Elektrolit Suhu Operasi (°C)
Alkaline (AFC) KOH 50-250
Polymer Electrolyte Membran (PEMFC)
Membran per-
tukaran ion 50-100
Phosphoric Acid (PAFC) Asam fosfat 200
Molten Carbonat (MCFC) Alkali karbonat 600
Solid Oxide (SOFC) Oksida logam 500-1000
Fuel cell merupakan teknologi yang mengonversi energi kimia secara langsung menghasilkan energi listrik sehingga diperoleh energi bersih dengan menghilangkan emisi dari polutan kimia. Inilah keuntungan fuel cell yang berbeda
dengan teknologi berbasis pembakaran bahan bakar fosil yang tidak efisien karena proses konversi energi terjadi secara tidak langsung melalui berbagai tahapan untuk menghasilkan energi listrik (Fletcher et. al., 2016). Keuntungan yang lain dari fuel cell dibandingkan dengan mesin berbasis pembakaran yaitu bahwa efisiensi fuel cell tidak ditentukan dari ukuran alat, sehingga daya dengan efisiensi tinggi untuk alat elektronik portable dapat terwujud, sedangkan mesin berbasis pembakaran dengan skala kecil hanya dapat mencapai efisiensi sistem 10-15%
(Mench et al., 2001).
Fleksibilitas tinggi dari fuel cell menjadikan teknologi ini dapat digunakan dalam berbagai aplikasi dari kebutuhan daya dengan ruang lingkup yang luas. Hal ini merupakan keunggulan khas fuel cell dan aplikasi potensial fuel cell melingkupi sistem beberapa watt hingga megawatt. Aplikasi fuel cell dapat diklasifikasikan menjadi aplikasi mobile atau stationary. Aplikasi mobile terutama melingkupi sistem transportasi dan peralatan elektronik portable, sedangkan aplikasi stationary terutama melingkupi sistem gabungan panas dan daya untuk keperluan pemukiman dan komersial (Holland et al., 2007).
Secara umum, mayoritas fuel cell menggunakan oksigen sebagai oksidan di katoda. Meski banyaknya keuntungan dari keberadaan oksidan ini, suatu kinetika yang lambat dari reaksi reduksi oksigen (RRO) menunjukkan kemacetan kinerja yang berat terutama dalam fuel cell temperatur rendah. Elektrokatalis standar dari RRO untuk fuel cell temperatur rendah adalah platinum, sekalipun harganya yang tinggi telah memicu pencarian intensif untuk bahan katalis alternatif. Kelemahan lebih lanjut dari platinum sebagai katalis RRO adalah
berdasarkan pada kekuatan sebenarnya kemampuannya untuk bertindak sebagai oksidan maupun sebagai katalis reduksi. Dengan begitu, perembesan bahan bakar dari anoda melalui membran pemisah menuju kompartemen katoda (saling-silang bahan bakar) mengarah pada pembentukan potensial campuran dan aliran arus internal menyebabkan suatu depolarisasi elektroda bahkan pada sirkuit terbuka.
Proses saling-silang antara kompartemen anoda dan katoda adalah faktor penting yang membatasi efisiensi dan kinerja fuel cell (Wang et al., 2016).
2.3. Microbial Fuel Cell (MFC)
Microbial fuel cell (MFC) yang menggunakan bakteri untuk menghasilkan energi listrik dari bahan organik dan anorganik adalah suatu teknologi alternatif yang prospektif (Arbiyanti et al., 2013). MFC merupakan alat elektrokimia yang mengonversi energi kimia yang terkandung dalam bahan organik maupun anorganik menjadi energi listrik melalui bantuan aktivitas katalitik (metabolisme) dari organisme anaerob (Schroder, 2008). Prinsip MFC didasarkan oleh fakta bahwa setiap aktivitas metabolisme yang dilakukan mikroba umumnya melibatkan pelepasan elektron bebas ke medium (Madigan et al., 1997).
Suatu MFC (Gambar 2) biasanya terdiri dari dua ruang, dimana ruang yang satu anaerob (anoda) dan ruang yang lain aerob (katoda). Kompartemen anoda berisikan substrat organik yang dimetabolisme oleh mikroba untuk pertumbuhan dan produksi energi selagi menghasilkan elektron dan proton yang ditransfer ke elektroda. Katoda berisikan akseptor elektron potensial tinggi untuk melengkapi sirkuit MFC. Suatu akseptor elektron yang ideal seharusnya adalah senyawa yang sustainable tanpa efek toksik. Oksigen berlaku sebagai akseptor
elektron yang ideal karena tanpa efek toksik dan lebih disukai sebagai reagen pengoksidasi yang sederhana dalam operasi MFC (Modi et. al., 2016).
Gambar 2. Skema konfigurasi MFC
Media standar dengan akseptor elektron yang cocok seperti ferrisianida dapat juga digunakan untuk meningkatkan rapat daya sistem MFC (Montpart et.
al., 2016). Selain ferrisianida, penggunaan permanganat sebagai elektrolit di katoda juga telah dilakukan yang menunjukkan peningkatan energi listrik yang lebih besar dibandingkan penggunaan ferrisianida (Arbianti et al., 2013).
Ada beberapa mekanisme transfer elektron dari bakteri menuju elektroda, yaitu transfer elektron menggunakan mediator eksternal seperti tionin dan neutral red serta transfer elektron tanpa menggunakan mediator yang dilakukan secara langsung dari dinding bakteri ke anoda, menggunakan mediator yang dihasilkan oleh bakteri (Rabaey dan Verstraete, 2005). Bakteri yang memerlukan suatu mediator tidak memiliki protein luar yang aktif secara elektrokimia untuk
mentransfer elektron ke anoda. MFC yang tidak menggunakan mediator masih memerlukan karbohidrat untuk berjalan, baik yang menggunakan bakteri kultur tunggal atau tidak (Motoyama et. al., 2016). Persamaan 2 menggambarkan reaksi umum yang terjadi dalam sistem MFC, dalam kasus substrat berupa glukosa (Angenent et al., 2004).
Anoda : Katoda :
(2) MFC tanpa mediator memiliki keuntungan dibandingkan MFC menggunakan mediator, yaitu dalam hal biaya serta ketiadaan mediator beracun yang tidak diinginkan. Sejumlah penulis telah melakukan penelitian-penelitian menggunakan MFC tanpa mediator. Sistem MFC yang berhasil telah dibangun tanpa membran selektrif yang mahal, kultur campuran (konsorsium) telah berhasil dimanfaatkan dalam sejumlah MFC, dan yang paling akhir, energi listrik telah dihasilkan menggunakan sumber-sumber energi kompleks yang melingkupi air limbah (Motoyama et. al., 2016).
2.4. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Berbagai jenis substrat telah digunakan dalam MFC, mulai dari bahan organik sederhana (glukosa) hingga limbah rumah tangga. Tiap-tiap jenis substrat memiliki komposisi kimia, kekuatan ion, pH dan jenis bakteri yang berbeda. Jenis mikroorganisme yang terlibat juga berpengaruh terhadap kondisi lingkungan yang dibutuhkan, jenis substrat yang didegradasi dan kemampuan dalam menghantarkan elektron. Menurut Liu et al. (2005), faktor-faktor yang
berpengaruh terhadap kinerja MFC adalah kecepatan degradasi substrat, kecepatan transfer elektron dari bakteri ke anoda dan transfer proton dalam larutan. Chauduri dan Lovley (2003) menyatakan bahwa kinerja MFC dapat dipengaruhi oleh aktivitas mikroba dan substrat yang digunakan. Selain itu, kinerja MFC ini dapat juga dipengaruhi oleh suhu, karena berkaitan langsung dengan kinetik bakteri, kecepatan reaksi oksigen yang dikatalis oleh Pt pada katoda dan kecepatan transfer proton melalui larutan (Liu et al. 2005).
Liu et al. 2005 menyatakan juga bahwa faktor lain yang mempengaruhi kinerja MFC adalah komponen penyusunnya, seperti elektroda (anoda dan katoda) dan membran penukar proton serta kelengkapan membran (Chauduri dan Lovley 2003). Jenis bahan dan struktur anoda berdampak pada penempelan mikroba, transfer elektron dan pada beberapa kasus oksidasi substrat. Bahan yang biasa digunakan sebagai anoda adalah karbon (carbon cloth atau graphite felt) karena stabil terhadap kultur mikroba, memiliki konduktivitas yang tinggi dan luas permukaan yang besar (Du dan Li, 2016). Hal ini yang menyebabkan perlunya dilakukan modifikasi karbon grafit dengan menambah luas permukaanya (Pham et al. 2004) sehingga dengan luas permukaan yang besar mikroba semakin banyak yang menempel pada permukaan elektroda dan energi listrik yang dihasilkan akan semakin besar.
2.5. Sediment Microbial Fuel Cell (SMFC)
Penggunaan sedimen sebagai substrat merupakan suatu terobosan teknologi MFC yang dikenal dengan nama sediment microbial fuel cell (SMFC), dimana Reimers et al. (2001) pertama kali mendemonstrasikan bahwa komunitas mikroba
terdapat secara alami dalam sedimen yang dapat menghasilkan listrik. SMFC terdiri dari suatu anoda nonkorosif dan konduktif seperti batang grafit yang ditanam dalam suatu sedimen yang bersifat anaerob dan katoda yang mengambang dalam badan air yang bersifat aerob di atas anoda yang saling dihubungkan satu sama lain (Reimers et al., 2001).
SMFC menghasilkan energi dari beda potensial listrik yang terjadi melalui proses oksidasi bahan organik yang terdapat dalam sedimen menghasilkan elektron yang ditransfer ke anoda dan reduksi oksigen pada badan air dengan menerima elektron dari katoda. Suatu membran penukar kation menjadi tidak esensial dalam SMFC karena pengurangan gradien oksigen di atas kedalaman dari badan air dan sedimen menghasilkan perbedaan potensial yang esensial secara alami (Abazarian et al., 2016).
Pada sistem SMFC Gambar 3, bahan organik kompleks yang terkandung dalam sedimen dipecah oleh berbagai enzim hidrolitik dan mikroorganisme fermentatif seperti Geobacteraceae menjadi asetat dan pendonor elektron yang lain yang dioksidasi menjadi karbon dioksida dengan mentransfer elektron ke anoda (Ewing et al, 2016). Proses yang terjadi pada sistem SMFC ini menghasilkan energi listrik pada tingkatan yang cukup untuk menjalankan beberapa alat kelautan (Reimerset al., 2001; Tender et al., 2002).
Gambar 3. Representasi sistem SMFC (Lovley, 2006)
Produksi listrik SMFC selain ditentukan oleh aktivitas mikroorganisme yang mendegradasi bahan organik kompleks dalam sedimen juga ditentukan oleh jenis katalis pada katoda, bahan yang digunakan pada elektroda dan jarak kedua elektroda (Ye et al. 2016). Selain itu, fakta menunjukkan bahwa SMFC yang menggunakan air laut dapat menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan dengan SMFC yang menggunakan air tawar, di mana air laut meningkatkan proses reduksi yang terjadi di katoda (Bergel et al., 2005). Selain itu, proton yang dihantarkan melalui air laut dapat menghasilkan kerapatan daya hingga 28 mW/m2, sehingga salinitas air laut memiliki peran penting pada sistem SMFC karena memberikan konduktivitas yang baik pada elektroda (Logan, 2008).
2.6. Bakteri MFC
Mikroorganisme memainkan peranan penting dalam biokonversi anaerob dari suatu substrat menjadi energi. Dalam sistem MFC, tergantung pada
konfigurasi sistem serta maksud aplikasi yang dituju, katalis mikroba dapat berupa kultur tunggal dan kultur campuran. Telah dilakukan beberapa penelitian yang menjalankan sistem MFC dengan kultur tunggal di antaranya menggunakan Shewanella putrefaciens, Pseudomonas aeruginosa, Geobacter sp., serta Rhodoferax ferrireducens (Pham et al., 2006). MFC juga telah dijalankan pada temperatur tinggi menggunakan bakteri termofilik seperti Bacillus licheniformis atau Bacillus thermoglucosidasius (Chauduri dan Lovley, 2003).
Biasanya kultur campuran mikroba digunakan untuk pemecahan substrat secara anaerob dimana kultur campuran kompleks membolehkan pemanfaatan substrat kasar. Namun, ada beberapa desain MFC regular yang menyelidiki kecenderungan metabolisme dari spesies mikroba tunggal untuk menghasilkan energi listrik (Rabaey dan Verstraete, 2005). Sumber-sumber yang kaya kandungan bahan organik (sedimen laut, tanah, air limbah dan lumpur aktif) adalah sumber yang kaya akan mikroba yang dapat digunakan dalam unit katalitik MFC ( S a m s u d e e n et. al. 2016). Bakteri yang digunakan dalam MFC dengan/tanpa mediator telah dipelajari secara intensif dan dapat dilihat pada Tabel 2 (Du dan Li, 2016).
Tabel 2. Bakteri yang biasa digunakan dalam MFC
Bakteri Mode Operasi
Actinobacillus succinogenes Erwinia dissolven
Proteus mirabilis
Pseudomonas aeruginosa Shewanella oneidensis Streptococcus lactis Aeromonas hydrophila Geobacter metallireducens G. sulfurreducens
Rhodoferax ferrireducens Shewanella putrefacien Klebsiella pneumonia
Butuh mediator exogenous MFC berbasis mediator Berbasis mediator
Dengan mediator exogenous Dengan mediator exogenous Dengan mediator
MFC tanpa mediator MFC tanpa mediator MFC tanpa mediator MFC tanpa mediator
MFC tanpa mediator, mediator exogenous meningkatkan produksi energi listrik Berbasis mediator
Bakteri pereduksi logam seperti famili Geobacteraceae dan genus Shewanella adalah spesies yang paling banyak digunakan dalam jenis MFC tanpa mediator. Bakteri ini dapat mereduksi banyak substrat seperti Fe (III) (Lovely, 2006). Dalam suatu studi oleh Bond dan Lovely (2006), ditunjukkan bahwa Geobacter sulfurreducens memberi peningkatan aktivitas elektron hingga 3000 kali dibandingkan dengan bakteri lain seperti Shewanella putrefaciens. Rapat daya yang tinggi biasanya terkait dengan komunitas yang didominasi oleh beragam spesies Geobacter. Beberapa studi menunjukkan bahwa produksi arus oleh Geobacter sulfurreducens secara positif berhubungan dengan biomassa.
Ditunjukkan juga menggunakan cyclic voltammetery (CV) bahwa sitokrom yang ditampakkan berdasarkan pada puncak utama dalam CV, berubah dengan potensial yang diatur, mengusulkan bahwa G. sulfurreducens mengatur sendiri
jalur transpor elektron ekstra selulernya untuk menyesuaikan dengan potensial anoda (Paitier et al., 2016).
Bioelektrokatalisis pada MFC kultur tunggal mengacu hanya pada aktivitas dari satu kultur bakteri sedangkan MFC yang beroperasi dengan kultur campuran ditentukan oleh interaksi dari keseluruhan komunitas mikroba yang disebut dengan konsorsium yang aktif secara elektrokimia. Konsorsium mikroba yang aktif secara elektrokimia umumnya banyak terdapat pada sedimen (laut dan danau) maupun lumpur aktif dari rancangan pengolahan limbah (Pham et al., 2006).
MFC yang beroperasi menggunakan kultur campuran baru-baru ini pada hakekatnya mencapai rapat daya yang lebih besar daripada MFC dengan kultur tunggal. Akan tetapi dalam uji terbaru, MFC menunjukkan produksi daya yang tinggi menggunakan suatu kultur tunggal tetapi untuk alat yang sama tersebut tidak diuji menggunakan kultur campuran yang sesuai iklim dan selnya tumbuh secara eksternal pada alat. Dipercaya bahwa banyak jenis bakteri baru yang akan ditemukan yang mampu untuk transfer elektron anodophilic (transfer elektron pada suatu anoda) atau bahkan transfer elektron interspesies (elektron ditransfer antara bakteri dalam berbagai bentuk). Energi bersih dapat dihasilkan dengan menggunakan MFC untuk pengolahan limbah. Keuntungan menggunakan MFC untuk pengolahan limbah melingkupi bersih, aman, kinerja yang tenang, emisi rendah, efisiensi tinggi dan pembangkitan energi listrik secara langsung (Xu et al., 2016).
MFC telah dibuat menggunakan berbagai material dan sedang dikembangkan dalam berbagai macam konfigurasi. Sistem ini telah dioperasikan di bawah berbagai kondisi yang meliputi perbedaan suhu, pH, akseptor elektron, luas permukaan elektroda, ukuran reaktor dan waktu operasi (Logan et al., 2006).
Adapun berbagai kajian terakhir MFC dilakukan terhadap elektroda (Cheng et al., 2006a), membran (Cheng et al., 2006b), desain reaktor MFC (Liu dan Logan 2004), jenis bakteri dan substrat yang digunakan (Lu et al., 2009, Moon et al., 2006) serta kajian dari variasi parameter yang digunakan dalam MFC (Liu et al., 2005).
2.7. Desain Konfigurasi MFC
Desain konfigurasi MFC yang murah dan secara luas digunakan adalah MFC dua kompartemen yang dibuat secara tradisional dalam bentuk “H” (Gambar 3) yang biasanya mengandung dua botol yang terhubung oleh suatu pipa berisikan suatu separator yang biasanya adalah membran penukar kation (cation exchange membran/CEM) seperti nafion atau ultrex atau dapat berupa suatu jembatan garam sederhana. Kunci dari desain ini adalah untuk memilih membran yang membolehkan proton untuk lewat di antara kompartemen (CEM juga disebut proton exchange membran/PEM) tetapi secara optimal tidak untuk substrat atau elektron akseptor di kompartemen katoda (biasanya oksigen) (Noori et al., 2016).
Di bawah ini adalah beberapa jenis desain MFC (konvensional hingga terbaru).
(MFC konvensional dengan gas N2) (MFC dengan air limbah pada anoda) Gambar 4. Desain reaktor MFC konvensional bentuk “H”
(Single Chamber MFC (SCMFC)) (SCMFC berisi air limbah) Gambar 5. Desain reaktor MFC satu kompartemen
Gambar 6. SCMFC dengan anoda brush dan katoda flat (Logan et al., 2007)
Gambar 7. MFC dengan mode fed-batch (Liu dan Logan, 2004)
2.8. Limbah dan Sedimen Potensial 2.8.1. Limbah Air Lindi
Lindi adalah cairan yang dihasilkan dari hasil proses dekomposisi biologis sampah yang telah membusuk. Air lindi terjadi karena keluarnya cairan dari timbunan sampah, baik dari resapan air hujan maupun kandungan air pada sampah itu sendiri. Air lindi pada Tempat Pembuangan Akhir (TPA) adalah salah satu permasalahan yaitu cemaran bau dan serangga yang sangat mengganggu kehidupan masyarakat (Susanto et. al., 2004). Air lindi dihasilkan pada TPA yang menggunakan teknologi Sanitary Landfill.
Sanitary landfill adalah sistem pengelolaan sampah yang mengembangkan lahan cekungan dengan syarat tertentu, antara lain jenis dan porositas tanah.
Tentunya harus memenuhi desain teknis tertentu sehingga sampah yang dimasukkan ke tanah tidak mencemari tanah dan air tanah. Pada metode sanitary landfill dasar TPA dilapisi bahan kedap air dan diberi saluran untuk cairan hasil
pembusukan sampah (Putra, 2004). Namun bila tidak segera ditangani, landfill yang dipenuhi air lindi dapat mencemari air tanah dan air permukaan (Tchobanoglous et. al., 1993).
Karakter air lindi sangat bervariasi, tergantung dari proses yang terjadi di dalam landfill yang meliputi proses fisik, kimia dan biologis. Faktor yang mempengaruhi proses yang terjadi di landfill antara lain jenis sampah, lokasi, hidrogeologi dan sistem pengoperasian. Faktor tersebut sangat bervariasi pada tiap tempat pembuangan. Selain itu, aktivitas biologis serta proses yang terjadi pada timbunan sampah juga bervariasi. Oleh karena itu, akan mempengaruhi pula produk dekomposisi seperti kualitas dan kuantitas air lindi serta gas. Contohnya, TPA yang banyak menimbun sampah organik, maka karakter air lindi yang dihasilkan akan mengandung zat organik tinggi dan disertai bau (Ali, 2011).
Selain itu, air lindi mengandung sejumlah bakteri patogen dan parasit seperti kutu air (Sarcoptes sp) (Susanto et. al., 2004).
Telah diketahui air lindi dapat diproses menjadi gas bio, pupuk cair atau starter mikroba. Air lindi mempunyai potensi untuk dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik karena mengandung berbagai macam bahan organik seperti nitrat, mineral dan mikroorganisme. Jumlah air lindi yang dihasilkan oleh sampah tergolong rendah, tetapi dapat mencemari air tanah jika tidak ditangani dengan benar (Ali, 2011).
2.8.2. Limbah Kotoran Sapi
Kotoran sapi adalah limbah hasil pencernaan sapi dan memiliki warna yang bervariasi dari kehijauan hingga kehitaman, tergantung makanan yang dimakan
sapi. Setelah terpapar udara, warna dari kotoran sapi cenderung menjadi gelap.
Kotoran sapi biasanya digunakan sebagai pupuk kandang. Diberbagai tempat di dunia, kotoran sapi yang dikeringkan digunakan sebagai bahan bakar. Kotoran sapi juga digunakan untuk menghasilkan biogas untuk dibakar dan menghasilkan listrik dan panas. Biogas memiliki kandungan gas metana dan telah digunakan secara luas diberbagai pedesaan di India dan Pakistan sebagai sumber energi terbarukan. Di Afrika Tengah, masyarakat suku Maasai membakar kotoran sapi di dalam rumah untuk menangkal nyamuk. Di tempat dingin, kotoran sapi dijadikan bahan insulasi termal. Kotoran sapi juga merupakan salah satu pilihan bahan baku pembuatan bahan bangunan setara dengan bata (Erliza, 2008).
Kotoran sapi menjadi habitat bagi berbagai jenis organisme yang memecahkan kandungan nutrisi yang ada di dalamnya untuk didaur ulang dan disatukan dengan molekul tanah. Di tempat di mana sapi belum berdiam pada waktu yang lama, organisme pendegradasi kotoran sapi belum banyak sehingga keberadaan kotoran sapi dapat menjadi sarang tumbuhnya organisme merugikan.
Di Australia, kumbang kotoran harus didatangkan dari luar untuk membantu mendaur ulang kotoran sapi dilahan penggembalaan hewan (Matarirano, 1994).
Sektor peternakan di Indonesia sebagian besar merupakan usaha peternakan rakyat berskala kecil yang berada pada lingkungan perdesaan dan biasanya teknologi yang dipergunakan masih sederhana atau tradisional. Menurut Adimihardjai et. al., (2000), usaha peternakan di Indonesia didominasi oleh usaha rakyat dengan menggunakan cara tradisional masih merupakan usaha sampingan serta lebih menjadi tabungan dan salah satu indikator status sosial. Pengembangan
sektor tersebut sekarang ini diarahkan tidak hanya terkait dengan pemenuhan pangan namun juga berkaitan dengan kesehatan dan lingkungan. Intensifikasi usaha peternakan telah mencapai efisiensi produksi tetapi juga perlu melihat isu lingkungan yang menjadi perhatian baik di negara maju dan berkembang.
Dampak dari sektor ini pada pencemaran lingkungan (amonia, gas rumah kaca dan patogen), mengevaluasi risiko kesehatan terkait dan menilai potensi peranan sistem pengolahan limbah dalam pelemahan isu-isu lingkungan dan kesehatan (Matarirano, 1994). Menurut Erliza (2008), perlakuan terhadap kotoran ternak telah menjadi isu yang memprihatinkan di banyak peternakan, keberhasilan pemrosesan ini sangat tergantung keterlibatan petani, teknologi dan harga pupuk.
Lebih lanjut menurut Adimihardjai et. al., (2000), produksi peternakan intensif akan memberikan sumbangan bagi tingkat pencemaran lingkungan, termasuk pembuangan pada tanah dan air permukaan serta emisi ke atmosfer. Di daerah dengan kepadatan ternak tinggi diperlukan teknologi pengurangan amonia dan proses perlakuan pupuk kandang yang menghasilkan produk-produk yang bersaing untuk mengganti penggunaan pupuk kimia dan (sebagian) memperbaiki siklus hara lagi.
Selain amonia, aplikasi pengolahan udara juga dapat mengurangi emisi lingkungan bau dan partikel (debu) (Anonim, 1993). Air larian (air permukaan) yang berasal dari kandang atau hasil penyiramannya membanjiri lahan sekitarnya dan mengakibatkan pencemaran terhadap badan air. Selain itu juga, mengakibatkan pencemaran udara karena hasil penguraian bahan organik limbah ternak yang dibuang dengan cara hanya ditumpuk dan menggunung di suatu
tempat tanpa penanganan yang benar dapat menghasilkan gas yang berbau dan berbahaya bagi kesehatan manusia (Dariah dan Rahman, 1989). Perlunya menjaga kebersihan kandang, kebersihan sapi dan kebersihan peralatan yang dipergunakan untuk pemeliharaan termasuk menjaga kebersihan petugas karena kebersihan kandang akan mempengaruhi jumlah bakteri ((Erliza, 2008) dan pada akhirnya akan mempengaruhi kondisi dan kesehatan ternak serta produktivitas ternak.
Menurut Adimihardjai et. al., (2000), dampak lingkungan dari usaha peternakan dapat berupa pencemaran tanah, air dan udara yang berpotensi mengganggu kesehatan ternak itu sendiri dan manusia. Usaha peternakan sapi di Indonesia sampai saat ini masih mementingkan produktivitas ternak dan belum mempertimbangkan aspek lingkungan atau dampak kegiatan terhadap lingkungan (Kadir, 2002). Wahyuningsih (2010), mengatakan bahwa peternakan berkelanjutan tidak hanya memperhatikan kelangsungan hidup ternak dan produksinya namun juga penanganan limbah yang dapat mencemari lingkungan khususnya di daerah dengan kepadatan ternak yang tinggi. Akibat pengelolaan ternak yang tidak memperhatikan lingkungan, banyak usaha peternakan yang tidak berhasil dikarenakan timbulnya kerugian yang disebabkan oleh limbah yang tidak dikelola dengan benar (Benit et. al. 2010).
2.8.3. Sedimen Laut Teluk Kendari
Sedimen terbentuk dari erosi bebatuan seperti granit atau basal yang menjadi partikel-partikel yang kemudian digerakkan oleh udara, air maupun es.
Sedimen dapat juga terbentuk dari akumulasi jasad-jasad organisme yang telah mati. Oleh karena itu, sedimen dapat terdiri dari partikel-partikel yang berupa
mineral maupun fosil yang dapat ditemukan di dasar laut (Jones and Bartlett Publishers, 2012).
Sedimen laut merupakan salah satu sumber daya kelautan yang menyimpan berbagai kekayaan alam. Hasil analisis memperlihatkan bahwa secara umum sedimen laut dunia menempati 70% dari total wilayah bumi dan memiliki peran yang sangat penting terhadap siklus karbon dan nutrien mahluk hidup dan kehidupan di muka bumi (Rochelle et al.,1994). Sedimen laut merupakan reservoir dari karbon organik yang besar dalam skala global (Toffin et al., 2004).
Reimers et al. (2001) menyatakan bahwa sedimen pada dasar benua (<1000 m) mengandung 2-3 % karbon organik (bobot kering). Reimers et al., (2001) juga menyatakan bahwa bahan organik, HS-, dan Fe2+ yang terdapat dalam sedimen laut merupakan sumber energi dalam pembangkit listrik dan oksigen pereduksi yang diperoleh dalam bentuk air atau H2O2.
Sedimen laut Teluk Kendari terbentuk melalui proses gerakan air akibat pasang surut yang mengangkut bahan sedimen dari sungai ke Teluk. Hasil analisis yang dilakukan oleh Salnuddin (2005) menunjukkan bahwa secara umum sedimen dasar permukaan perairan Teluk Kendari merupakan sedimen halus dengan kategori pasir sangat halus dengan diameter partikel rata-rata 0,998 mm. Karakter sedimen dasar permukaan ini secara visual didominasi lumpur kasar, dimana warna sedimen tergantung pada lokasi sekitarnya (Salnuddin, 2005).
2.8.4. Sedimen Rawa Aopa
Sedimentasi adalah peristiwa pengendapan material batuan yang telah diangkut oleh tenaga air atau angin. Pada saat pengikisan terjadi, air membawa
