PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA LIMBAH (PEMANFAATAN LIMBAH KANTIN VYATRA PEM AKAMIGAS MENJADI LISTRIK DENGAN METODE MICROBIAL FUEL CELL)

258

“PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA LIMBAH”

(PEMANFAATAN LIMBAH KANTIN VYATRA PEM AKAMIGAS MENJADI LISTRIK DENGAN METODE MICROBIAL FUEL CELL)

Niken Puspitasari^1* dan Ahmad Murtafi’in²

1,2Teknik Pengolahan Migas, PEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No.38, Mentul, Karangboyo, Cepu, 58315

*E-mail: nikenpuspitasri1@gmail.com

ABSTRAK

Buangan makanan kantin Asrama Vyatra merupakan limbah yang menimbulkan masalah terhadap lingkungan sekitarnya. Limbah tersebut mengandung sejumlah besar protein dan lemak yang dapat menimbulkan bau yang tidak sedap serta polusi pada tanah bila tidak diberi perlakuan tepat. Selain itu limbah ini dapat menghasilkan gas rumah kaca seperti metana dan karbondioksida yang memicu pemanasan global. Pencemaran lingkungan oleh limbah sebenarnya dapat dihindari dengan memanfaatkan limbah itu sendiri untuk menghasilkan energi terbarukan dengan sistem Microbial Fuel Cell (MFC). MFC atau sel elektrokimia berbasis mikroba merupakan teknologi alternatif yang berpotensi untuk dikembangkan dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik menggunakan mikroorganisme. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menerapkan MFC sebagai aplikasi sel volta dalam menghasilkan listrik menggunakan fase slurry limbah makanan sebagai substrat. Perbandingan fase slurry dengan air adalah 1:2 serta penambahan Effective Microorganism 4 (EM4). Operasi dilakukan selama 48 jam. Dengan limbah kantin sebanyak 1 kg, mampu menghasilkan tegangan sebesar 87.1 mV. Dengan pemanfaatan tersebut, permasalahan utama dari limbah dapat teratasi serta mampu menjadi sumber pembangkit listrik.

Kata kunci: Energi Listrik, Limbah makanan kantin, Lingkungan, Microbial Fuel Cell, Effective Microorganism 4

1. PENDAHULUAN

Saat ini, Indonesia sedang dihadapkan pada masalah krusial yang menyangkut hajat hidup orang banyak. Pertumbuhan penduduk yang semakin meningkat menyebabkan permintaan energi yang semakin besar sedangkan sumber energi semakin berkurang. Sumber energi yang digunakan saat ini kebanyakan berasal dari bahan bakar fosil, seperti minyak bumi, batu bara, dan gas alam. Di sisi lain, produksi bahan bakar fosil dinilai tidak seimbang dengan pemanfaatannya yang terlalu impulsif. Ditambah dengan fakta bahwa bahan bakar fosil tergolong dalam kategori energi yang tidak dapat diperbaharui. Krisis energi ini memicu terjadinya pergeseran untuk mulai memanfaatkan energi baru terbarukan sebagai alternatif pasokan energi.

Seiring berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi terdapat berbagai alternatif energi terbarukan, salah satunya adalah Microbial Fuel Cell (MFC). MFC atau sel elektrokimia berbasis mikroba merupakan salah satu teknologi alternatif yang potensial untuk dikembangkan sebagai energi subtituen karena dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik menggunakan mikroorganisme [1]. MFC telah banyak digunakan untuk mengolah air limbah seperti limbah domestik [7] dan [3], limbah industri gula [4], limbah industri kertas [5], dan limbah peternakan babi [6]. Adapun kajian untuk limbah makanan dan produksi listriknya masih belum banyak diteliti.

Limbah yang akan digunakan pada penelitian ini adalah limbah makanan dari kantin Asrama Vyatra PEM Akamigas. Limbah ini akan dibentuk menjadi slurry (campuran bahan dan air) dengan komposisi tertentu. Komposisi campuran bahan pada slurry diperkirakan

259

dapat mempengaruhi produksi listrik pada reaktor MFC. Hal ini diakibatkan oleh metabolisme mikroorganisme di dalam substrat. Mikroorganisme dapat mengubah energi kimia yang tersimpan di dalam komponen organic menjadi energi listrik selama diinkubasi dalam MFC, sehingga bakteri yang ada di dalamnya dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan daya listrik selama mengonsumsi limbah [7].

Microbial Fuel Cell (MFC) bekerja melalui aksi bakteri yang dapat menghasilkan elektron-elektron dari reaksi oksidasi bahan organik pada ruang anoda. Elektron mengalir dari anoda melalui sebuah kabel ke katoda yang menghasilkan arus listrik [8]. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan [9] dijelaskan bahwa pemanfaatan sampah sayur pasar dapat menjadi biolistrik melalui MFC. Pada penelitian tersebut juga dibahas pengaruh penggunaan bakteri tertentu dalam peningkatan energi listrik yang dihasilkan yaitu dengan penambahan Effective Microorganism 4 (EM4) mampu menghasilkan energi listrik yang paling tinggi dibandingkan tanpa penambahan.

Buangan makanan kantin Vyatra merupakan salah satu limbah yang menimbulkan masalah terhadap lingkungan sekitarnya. Limbah tersebut mengandung sejumlah besar protein dan lemak yang dapat menumbulkan bau yang tidak sedap serta polusi pada tanah bila tidak diberi perlakuan tepat. Selain itu, limbah ini dapat menghasikan gas rumah kaca seperti metana dan karbondioksida yang memicu pemanasan global. Pencemaran lingkungan oleh limbah ini sebenarnya dapat dihindari dengan memanfaatkannya untuk menghasilkan energi terbarukan dengan sistem MFC.

2. METODE

Penelitian ini terdiri dari perancangan reactor MFC skala laboratorium dan Pengoperasian reactor untuk melihat potensi limbah kantin Asrama Vyatra menghasilkan listrik. Sampel limbah yang digunakan adalah limbah makanan yang diperoleh dari kantin Asrama Vyatra PEM Akamigas Cepu, Kabupaten Blora yang diambil dengan Teknik grab sampling. Limbah kantin ini kemudian dikarakterisasi jenis makanan yang ada. Selanjutnya, dibuat sampel limbah artifisialnya dalam bentuk fase slurry. Variable bebas pada penelitian ini adalah pengaruh waktu. Sedangkan variabel terikat yang terkait dengan parameter produksi listrik yaitu tegangan listrik (voltase). Selain itu, diukur pula pH dan temperatur terkait kondisi lingkungan tempat hidup mikroba.

Berikut ini adalah flowchart tahapan penelitian :

Gambar 1. Tahapan Penelitian

260

Kompartemen yang digunakan pada penelitian ini terbuat dari material polipropilen (PP) berukuran 10 cm x 10 cm x 11 cm yang mampu menampung volume limbah sebanyak 1000 mL. Anoda dipasang pada kompartemen tersebut dan katoda berada di luar kompartemen yang dibatasi cellophane sebagai membran pemisah. Elektroda yang digunakan berupa grafit dengan ukuran 5 cm x 2 cm x 1 cm. Elektroda tersebut disambungkan dengan kabel jenis single wire lalu dihubungkan oleh multimeter. Hambatan yang digunakan berupa lampu LED (56.667Ω). Adapun larutan buffer yang digunakan adalah larutan buffer asetat dengan pH 4.1.

Pengoperasian reaktor dilakukan selama 48 jam pada suhu kamar dengan rata-rata suhu 28- 29°C tiap harinya.

Skema reaktor MFC dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Desain Reaktor Single Chamber MFC dengan air-cathode 3. PEMBAHASAN

Dengan teknologi MFC, Limbah makanan Kantin Asrama Vyatra akan dioksidasi dengan bantuan mikroorganisme sehingga menghasilkan elektron dan proton pada anoda. Elektron dialirkan melalui rangkaian eksternal, dimana proton akan didifusikan melalui membran pemisah menuju katoda. Pada kondisi ini, terjadi perbedaan potensial antara katoda dan anoda. Dengan adanya elektron yang mengalir pada sistem akan menghasilkan arus listrik [7].

Pada katoda, proton dan oksigen akan direduksi sehingga menghasikan air. Kompartemen anoda dijaga dalam kondisi anaerobik agar memiliki derajat stabilitas yang tinggi sedangkan katoda dalam kondisi aerobik.

Reaksi yang terjadi pada MFC dengan glukosa sebagai substrat dan oksigen sebagai akseptor elektron adalah sebagai berikut :

Pada anoda : C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H⁺ + 24e^- Pada Katoda : O2 + 4H⁺ + 4e^- → 2H2O

Pada overall : C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Dalam perkembangannya, MFC memiliki berbagai tipe sesuai dengan aplikasinya.

Berdasarkan kompartemen, MFC terbagi menjadi 3 yakni Single chamber, dual chamber, dan stack. Single chamber terdiri satu ruang yang berisi substrat dan mikroorganisme, sedangkan dual chamber memiliki 2 ruang yang terdiri ruang anoda dan ruang katoda yang dipisahkan membran pemisah. Ruang anoda berisi substrat dan mikroorganisme sedangkan ruang katoda berisi larutan elektrolit. Tipe stack merupakan gabungan dari beberapa unit MFC baik itu single chamber dan dual chamber yang dirangkai seri maupun paralel. Jika dibandingkan

mikroba

261

dengan tipe dual chamber, MFC dengan single chamber memiliki desain yang lebih sederhana dan hemat biaya serta mampu menghasilkan daya dengan secara efektif [8].

Untuk meningkatkan kinerjanya, single chamber perlu dilengkapi dengan membran pemisah untuk menghindari masuknya oksigen ke ruang anoda yang dapat menurunkan efisiensi coulomb dan aktivitas bioelektrokatalitik dari mikroorganisme. Membran yang sering digunakan adalah Proton Exchange Membran (PEM). Karena harganya yang mahal, alternatif lain yang dapat digunakan adalah cellophane. Cellophane merupakan membran pemisah yang baik dan memiliki hambatan listrik lebih kecil dari PEM sehingga dapat diperoleh daya yang besar [18]. Dalam penggunaannya, cellophane tidak dapat digunakan kembali karena mudah terdeteriorasi.

Dalam prosesnya, MFC memerlukan elektroda untuk mekanisme transfer electron.

Material elektroda harus bersifat konduktif, dan secara kimia stabil di dalam larutan bioreaktor. Material yang sering digunakan sebagai anoda adalah material berbasis karbon, karena stabil, strukturnya kuat, konduktivitas tinggi, dan luas permukaan yang memadai.

Anoda dapat berbentuk batangan, lempeng, busa, granula, dan karbon aktif [17]. Batang grafit banyak dipakai karena relatif murah, sederhana, dan memiliki luas permukaan tertentu [15].

Untuk katoda, dapat digunakan platina (Pt), platina hitam, karbon aktif (AC), katoda berbasis grafit dan biokatoda [10]. Katoda berbasis grafit menjadi alternatif pilihan mengingat harga yang murah dan kinerja yang baik. Elektroda tersebut dapat diberi tambahan lapisan katalis platina untuk meningkatkan efisiensinya dalam produksi listrik, namun harganya yang mahal maka dapar digunakan alternatif katalis lain seperti besi, oksida mangan, dan senyawa berbasis kobalt untuk ditambahkan [18][12]. Pada bahasan ini, katoda yang digunakan adalah grafit batangan tanpa tambahan katalis.

Kompartemen katoda diisi dengan larutan akseptor elektron guna menerima elektron yang dihasilkan dari kompartemen anoda. Larutan yang biasa digunakan adalah kalium ferisianida (K3(Fe(CN)6), kalium permanganat (KMnO4), dan kalium dikromat (K2Cr2O7).

Untuk menghasilkan sistem MFC yang lebih hemat biaya, kompartemen katoda dibuat menjadi air-cathode. Air-cathode tidak memerlukan larutan akseptor elektron dan hanya memanfaatkan udara beroksigen sebagai akseptor elektron. Namun air-cathode memiliki kekurangan berupa efisiensi

Coulomb yang diperoleh umumnya lebih rendah dibandingkan menggunakan katoda dengan larutan akseptor elektron [7].

Perkembangan mikroorganisme didalam MFC dilihat dari hasil pengujian optical density (OD), arus, dan voltasenya. Tingginya nilai OD pada substrat menunjukkan adanya jumlah bakteri pengoksidasi substrat yang besar. Dengan substrat limbah kedelai, pada kondisi awal dengan OD substrat 0.175 diperoleh voltase sebesar 441 mV dan arus sebesar 162 A.

Setelah 40 jam, voltase menjadi 164.2 mV dan arus menjadi 65 A [10]. sedangkan untuk OD substrat 0.148, voltase yang dihasilkan pada kondisi awal sebesar 227.2 mV dan arus sebesar 100 A. setelah 40 jam, voltase menjadi 120 mV dan arus sebesar 56 A. Dengan nilai OD yang besar maka voltase dan arus yang dihasilkan juga besar karena semakin banyak elektron yang dihasilkan dari substrat yang teroksidasi. Nilai voltase dan arus akan turun seiring berjalannya waktu karena jumlah bahan organik yang akan di oksidasi semakin berkurang.

Pemanfaatan limbah makanan kantin sebanyak 1 kg untuk menjadi substrat mampu menghasilkan voltase sebesar 87,1 mV . Dengan substrat berupa limbah sayur sebanyak 8 kg dapat diperoleh voltase sebesar 1180 mV [14]. Apabila substrat diganti menjadi limbah ikan sebanyak 1 kg, voltase yang diperoleh dapat mencapai 0,19 V [13]. Pemanfaatan limbah makanan kantin asrama Vyatra dengan sistem MFC diharapkan dapat menjadi alternatif pengolahan limbah untuk mengatasi permasalahan utama yang ditimbulkan oleh limbah tersebut. Hasil dari gagasan ini juga diharapkan dapat menjadi salah satu langkah ke depan untuk mendapat sumber energi baru dan terbarukan, sehingga penggunaan sistem MFC

262

dengan substrat limbah kantin dapat mengurangi konsumsi energi fosil [11].

4. SIMPULAN

Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan inovasi energi baru dan terbarukan yang dapat menghasilkan listrik. Teknologi ramah lingkungan ini memanfaatkan aktivitas mikroba untuk mengkonversi bahan organik menjadi energi listrik. Sumber energi listrik tersebut berasal dari limbah makanan kantin Asrama Vyatra. Selain menjadi sumber EBT, pemanfaatan limbah ini juga dapat meminimalisir masalah yang ditimbulkan jika limbah tidak diolah.

5. DAFTAR PUSTAKA

[1] B. Ibrahim, P. Suptijah, and Z. N. Adjani, “Kinerja Microbial Fuel Cell Penghasil Biolistrik dengan Perbedaan Jenis Elektroda pada Limbah Cair Industri Perikanan,” J. Pengolahan Hasil Perikanan Indonesia, vol. 20, pp. 296-304, 2017.

[2] H. Liu and B. E. Logan, “Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane,”

Environmental Science Technology, vol. 38, pp. 4040-4046, 2004.

[3] Y. Ahn and B. E. Logan, “Effectiveness of Domestic Wastewater Treatment Using Microbial Fuel Cells at Ambient and Mesophilic Temperatures,” Bioresource Tech, vol. 101, pp. 469- 475, 2010.

[4] S. M. Abhilasha dan V. N. Sharma, “Bioelectricity Production from Various Wastewater Trhrough Microbial Fuel Cell Technology,” J. Biochemical Technology, vol. 2, pp. 133-137, 2009.

[5] L. Huang and B. E. Logan, “Electrocity Generation and Treatment of Paper Recycling Wastewater Using A Microbial Fuel Cell,” Appl. Microbiol. and Biotechnol, vol. 80, pp 394- 355, 2008

[6] J.E. Kim, J. Dec, and B. E. Logan, “Reductiun of Odors from Swine Wastewater by Using Microbial Fuel Cells,” Appl. and Environmental Microbiology, vol. 78, pp. 2540-2543, 2008.

[7] C. E. Milliken and H. D. May, “Sustained generation of electricity by the spore-forming, Gram-positive, Desulfitobacterium hafniense strain DCB2,” Appl. Microbiol. Biotechnol, vol. 5, pp. 1180-1189, Jan 2007.

[8] K. Rabaey and W. Verstraete, “Microbial Fuel Cells: Novel Biotechnology for Energy Generation,” Trends in Biotechnol, vol. 23, pp. 291-298, 2005.

[9] M. Imaduddin, Hermawan, and Hadiyanto, “Pemanfaatan Sampah Sayur Pasar Dalam Produksi Listrik Melalui Microbial Fuel Cells (Utilization Of Market Vegetable Waste In Electricity Production Through Microbial Fuel Cells),” J. Media Elektrika, vol. 7, pp. 22-35, Desember 2014.

[10] Cahyono, Yohanes & Madurani, Tilana & Azzahra, Widya & Lestari, Retno. (2019).

Bioconversion on Wastewater of Soybeans using Microbial Fuel Cell. Advance Sustainable Science, Engineering and Technology. 1. 10.26877/asset.v1i1.4880.

[11] Cheng, Liu. 2006. Increased performance Of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure. Electrochemistry Communications 8: 489-494.

[12] Cheng, S., and Logan, B.E. (2011). Increasing power generation for scaling up single- chamber air cathode microbial fuel cells. Bioresource Technology 102, 4468-4473.

[13] Du Z, Li H, Gu T. 2007. A state art review on microbial fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnology Advances. 25:464-482.

[14] H. Liu and B. E. Logan, “Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane,”

Environmental Science Technology, vol. 38, pp. 4040-4046, 2004.

[15] Liu H, Logan BE. 2004. Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane. Environmental Science and Technology. 38(4): 4040-4046.

263

[16] Logan BE. 2010. Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems. Appl Microbiol Biotechnol. 85:1665–1671.

[17] Moqsud, M.A., Omine, K., Yasufuku, N., Hyodo, M. and Nakata, Y. (2013) Microbial Fuel Cell (MFC) for Bioelectricity Generation from Organic Wastes. Waste Management, 33, 2465-2469.

[18] Oh, S., Min, B., and Logan, B.E. (2004). Cathode Performance as a Factor in Electricity Generation in Microbial Fuel Cells. Environmental Science & Technology 38, 4900-4904.