1

PROPOSAL SKRIPSI

DESAIN REAKTOR MICROBIAL FUEL CELL

Disusun oleh :

Nanang Adi Siswondo 115061100111025 / Angkatan 2011

Teza Nur Firlyansyah 115061102111001 / Angkatan 2011

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2013

i

DAFTAR ISI DAFTAR ISI ................................................................................................................................ i

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................... ii

DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... iii

RINGKASAN .............................................................................................................................. 1

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

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

1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................................... 2

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

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................. 3

2.1 Microbial Fuel Cell ...................................................................................................... 3

2.1.1 Prinsip Kerja MFC .............................................................................................. 3

2.1.2 Material Elektroda ............................................................................................... 5

2.1.3 Faktor Operasional pada Sistem MFC................................................................ 7

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................................................. 8

3.1 Tahap Awal Penelitian ................................................................................................ 8

3.2 Tahap Persiapan Reaktor MFC .................................................................................. 8

3.3 Preparasi Elektroda ..................................................................................................... 9

3.4 Alat dan Bahan Penelitian ......................................................................................... 10

3.5 Variabel Penelitian .................................................................................................... 10

3.6 Eksperimen MFC ...................................................................................................... 11

3.7 Metode Perancangan Desain Reaktor ....................................................................... 11

3.8 Tahap Pengujian ........................................................................................................ 11

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................ 12

ii

DAFTAR GAMBAR

Figure 1......................................................................................................................................... 4

Figure 2......................................................................................................................................... 5

Figure 3......................................................................................................................................... 5

Figure 4......................................................................................................................................... 9

Figure 5......................................................................................................................................... 9

iii

DAFTAR TABEL

Table 1 .......................................................................................................................................... 2

Table 2 ........................................................................................................................................ 10

Table 3 ........................................................................................................................................ 10

1

RINGKASAN

Pertumbuhan populasi penduduk Indonesia yang meningkat ini menyebabkan

konsumsi energi yang sangat tinggi. Kebutuhan energi yang terus meningkat tersebut,

memicu dilakukannya berbagi riset ke arah teknologi inovatif yang lebih efektif, efisien,

aman dan ramah lingkungan untuk memproduksi energi listrik. Salah satu teknologi

alternatif yang dapat di kembangkan adalah Microbial Fuel Cell (MFC) dengan prinsip

bioelektrokimia menggunakan bantuan mikroorganisme untuk memecah substrat sehingga

menghasilkan energi listrik.

Microbial Fuel Cell(MFC) merupakan salah satu bentuk clean energy(energi ramah

lingkungan) dan dapat menjadi sumber energi masa depan. MFC merupakan alat untuk

mengubah energi kimia menjadi energi listrik dengan bantuan mikroorganisme sebagai

agen katalis. MFC terdiri dari wadah yang berisi anoda dan katoda yang terhubung oleh

kabel dan di pisahkan oleh membran khusus yang hanya ion H+ yang mampu lewat atau

lolos,sedangkan elektron atau gas lain dalam wadah tidak dapat lolos. Beberapa faktor

yang mempengaruhi sistem MFC meliputi : substrat, pH larutan, temperatur dan waktu

tinggal (Liu, Cheng, Huang, & Logan, 2008).

Peneltian tentang Microbial Fuel Cell (MFC) yang akan kami lakukan dengan

menfokuskan pada desain reaktor MFC yang mampu menghasilkan energi listrik tinggi.

Desain ini tetap menggunkan sistem MFC dual-chamber yang dilengkapi dengan membran

penukar proton berupa nafion. Pada penelitian ini juga mengamati pengaruh penambahan

agitator pada desain reaktor dan penambahan enzim cytochrom.dalam fungsinya pada

transfer elektron mikroorganisme yang diguanakan.

Kata Kunci : Microbial Fuel Cell, energi listrik, desain reaktor MFC..

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Pertumbuhan populasi penduduk indonesia yang meningkat ini menyebabkan

konsumsi energi yang sangat tinggi. Tetapi kebutuhan energi yang sangat tinggi tersebut

tidak diimbangi dengan penyedian sumber energi yang kurang bahkan sumber energi

semakin menipis. Dengan kurangnya sumber energi, dapat menyebabkan kelangkaan

2

energi terutama bahan bakar minyak atau bahan bakar fosil. Saat ini telah di kembangkan

beberapa trobosan dalam pengalihan konsumsi energi dari BBM ke energi listrik yang

ramah lingkungan. Yang sering banyak di beritakan mengenai pengalihan mobil yang

menggunakan bahan bakar fosil ke mobil listrik yang ramah lingkungan. Namun, masih

terdapat banyak kendala mengenai baterai lithium sebagai penyimpan energi listrik yang

harganya sangat mahal.

Kebutuhan energi listrik di indonesia yang juga terus meningkat,belum di

terimannya PLTN(Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir) di negara ini karena resikonya yang

besar telah memicu dilakukannya berbagi riset ke arah teknologi inovatif yang lebih

efektif, efisien, aman dan ramah lingkungan untuk memproduksi energi listrik. Salah satu

teknologi alternatif yang dapat di kembangkan adalah Microbial Fuel Cell (MFC) dengan

prinsip bioelektrokimia menggunakan bantuan mikroorganisme untuk memecah substrat

sehingga menghasilkan energi listrik.

Table 1

Tabel 1. Penjualan Listrik Persektor (2004 – 2012)

Dengan melihat fakta dari berbagai permasalahn tersebut, kami melakukan

penelitian untuk menghasilkan energi listrik yang efektif, efisien, aman, dan ramah

lingkungan. Pada penelitian melakukan inovasi dalam desain reaktor MFC yang dapat

diaplikasikan dalam skala besar.

1.2 Rumusan Masalah

a. Bagaimana model atau desain reaktor MFC yang efektif agar menghasilkan

energi listrik yang tinggi?

3

b. Bagaimana pengaruh agitasi pada hasil desain reaktor MFC?

c. Bagaimana pengaruh penambahan enzim sitokrom pada MFC dalam perannya

membantu transfer elektron mikroorganisme yang digunakan?

1.3 Tujuan Penelitian

a. Mampu mendesain reaktor MFC yang efektif mengasilkan energi listrik tinggi.

b. Mengetahui pengaruh agitasi pada hasil desain reaktor MFC.

c. Mengetahui pengaruh penambahan enzim sitokrom pada MFC dalam perannya

membantu transfer elektron mikroorganisme yang digunakan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Microbial Fuel Cell

Microbial fuel cell mmerupakan salah satu teknologi konversi energi yang

memanfaatkan kemampuan metabolism bakteri. Untuk pengembanag MFC perlu

pemahaman tentang konsep-konsep MFC terutama prinsip kerjanya serta pengetahuan

lainnya.

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 organism yang sangat kecil ang bias mengkonversi

berbagai macam senyawa organic menjadi CO2, air dan energi. Mikroba

menggunakan energi yang dihasilkan untuk tumbuh dan melangsungkan

aktivitas metabolism. Melalui teknologi MFC sebagian dari energi yang

dihasilkan bias diambil dalm bentuk listrik.

Umumnya sebuah MFC terdiri dari anoda, katoda membrane penukar kation

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

substrat seperti glukosa, asetat dan limbah cair menjadi CO2, proton dan

electron. Pada kondisi aerobic, bakteri menggunakan oksigen atau nitrat sebagai

aseptor electron 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

4

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 + H2O 6CO2 + 24H+ + 24e

-

Pada katoda : O2 + 4H+ + 4e

- 2H2O

Reaksi : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Ada beberapa mekanisme yang melibatkan transfer elektron dari bakteri ke

anoda (Liu et al., 2008)sebagai berikut:

a. Transfer elektron langsung melalui protein membrane luar sel

Pada mekanisme ini, transfer elektron melibatkan sitokrom yang terdapat

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

sitokrom dengan elektroda untuk mekanisme transfer elektron. Contoh

mikroba yan menggunakan mekanisme ini adalah Geobacter sulfurreducens

dan Shewanella putrefaciens. Mekanisme transfer elektron langsung melalui

protein membrane luar sel ditunjukkan pada Gambar 1

Gambar 1. Mekanisme transfer elektron melalui membran luar sel (Liu et al., 2008)

Figure 1

b. Transfer elektron dengan mediator

Transfer elektron yang efisien dapat dicapai dengan menambahkan mediator

seperti neutral red dan methylene blue, yang mampu melewati membrane

sel, menerima elektron dari pembawa elektron intraselluler, meniggalkan sel

dalam bentuk tereduksi dan kemudian megeluarkan elektron ke permukaan

elektroda. Salah satu mikroba yang memerlukan mediator adalah

mikroba

mikroba

mikroba

5

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

Gambar 2. Mekanisme transfer elektron menggunakan mediator (Liu et al., 2008)

Figure 2

c. Transfer elektron melalui bacterial nanowires

Penelitian akhir-akhir ini menunjukkan bahwa struktur seperti pili yang

disebut nanowires yang tumbuh pada membrane sel bakteri bbisa 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,

Synechocytis PCC6803, dan Pelotomaculum thermopropionicum.

Mekanisme transfer elektron melalui bacterial nanowires ditunjukkan pada

Gambar 3

Gambar 3. Mekanisme transfer elektron menggunakan bacterial nanowires (Liu, 2008)

Figure 3

2.1.2 Material Elektroda

Teknologi MFC merupakan teknologi berbasisi prinsip elektrokimia, sehingga

diperlukan material elektroda yang terbagi menjadi dua, yaitu anoda dan

katoda.

6

a. Anoda

Material anoda harus bersifat konduktif, biocompatible (bias

beradaptasi dengan makhluk hidup), dan secara kimia stabil di dalam

larutan bioreactor. Logam anoda dapat berupa stainless steel nonkorosif,

tetapi tembaga tidak dapat digunakan akibat adanya toksinitas ion tembaga

pada bakteri (Zahara, 2010)

Material yang umum digunakan sebagai anoda pada system 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 et

al., 2008)

Lempengan atau batang grafit banyak digunakan karena relative

murah, sederhana, dan memiliki luas permukaan tertentu. Karbon aktif

adalah karbon dengan struktur amorphous atau monokristalin yang telah

melalui perlakuan khusus sehingga memiliki luas permukaan yang sangat

besar (300-2000m2/g). Karakteristik karbon yang ideal adalah pada rentang

pH antara 5-6 (50g/L H2O, 20oC), titik leleh 3800

oC, dan ukuran partikel <

µm. resin perekat berguna untuk merekatkan karbon aktif sehingga

memiliki struktur yang kuat dan tidak rapuh selam MFC dioperasikan.

Resin perekat ini diguanakan karena memiliiki konduktivitas yang rendah

yaitu 10-10/Ωm-10

-15/Ωm. (Zahara, 2010)

b. Katoda

Bahan yang digunakan sebagai katoda bias berupa bahan karbon

biasa seperti plat grafit namun bias juga dilengkapi dengan katalis seperti

platinum (Liu et al., 2008)

Selain itu bias juga menggunakan kalium ferrisianida (K3[Fe(CN)6])

yang dikenal sangat baik sebagai aseptor elektron dalam system MFC.

(K3[Fe(CN)6] merupakan spesies elektroaktif yang manpu mengkap

elektron dengan baik dengan harga potensial reduksi standar sebesar

+0,36V. Keuntungan terbesar dalam penggunaan kalium ferrasianida adalah

dihasilkannya overpotensial yang rendah apabila menggunakan katoda

karbon. Akan tetapi kerugian terbesar adalah terjadinya proses reoksidasi

7

yang tidak sempurna oleh oksigen sehingga larutannya harus diganti secara

teratur. (Zahara, 2010)

2.1.3 Faktor Operasional pada Sistem MFC

Terdapat beberapa faktor operasional yang memengaruhi kinerja sistem

MFC. Faktor tersebut meliputi substrat, sifat kimia larutan, dan temperature.

a. Substrat

Substrat merupakan faktor kunci untuk produksi listrik yang efisien

dalam system MFC. Substrat yyang digunakan mulai dari material organic

sederhana sampai campuran kompleks seperti yang terdapat pada limbah

cair. Meskipun substrat yang kaya dengan kandungan organic membantu

pertumbuhan beragam mikroba aktif, namun substrat sederhana dianggap

lebih baik untuk produksi dalam waktu singkat. Beberapa substrat yang

digunakan seperti asetat, glukosa, biomassa lignoselulosa dari sampah

pertanian, limbah cair dari industry bir, limbah pati (tepung), selulosa dan

kitin.(Das and Mangwangi, 2010)

Penelusuran tentang efek substrat terhadap aktivitas mikroba dan

pembentukan energi harus dilakukan biak pada system MFC dengan proses

uji anoda sebagai faktor pembatas atau menggunaka potentiostat, yang bias

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 dapat

menghasilkan peningkatan efisiensi transfer elektron dan degradasi substrat.

Substrat inorganic seperti hydrogen sulfide telah dievaluasi dalam hal

pembentukan energi listrik pada system MFC dengan tujuan menghilangkan

kandungan sulfide yang dihasilkan secara anaerobik.

b. Sifat Kimia Larutan

1. pH

pH merupakan faktor kritis untuk semua proses berbasis

mikroba. Pada MFC, pH tidak hanya mempengaruhi metabolism

dan pertumbuhan bakteri tapi juga terhadap transfer proton,

reaksi katoda, sehingga mempengaruhi performa MFC. Sebagian

besar MFC beroperasi pada pH mendekati netral untuk menjaga

8

konidisi optimal pertumbuhan komunitas mikroba yang terlibat

dalam pembentukan listrik (Liu et al., 2008)

2. Kekuatan Ionik

Kekuatan ion mempengaruhi konduktivitas larutan pada ruangan

MFC sehingga mempengaruhi hambaan internal, yang akhirnya

berdampak pada performa MFC. (Liu et al., 2008)

c. Temperatur

Kinetika bakeri, transfer massa proton melalui elektrolit dan laju

reaksi okisgen pada katoda menetukan performa MFC dan semua

tergantung pada temperature. Biasanya konstanta reaksi biokimia

mengganda setiap kenaikan temperature 10oC sampai tercapai temperature

optimal. Sebagian besar studi MFC dilakukan pada temperature 28-35oC.

(Liu et al., 2008)

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Tahap Awal Penelitian

Tahap awal penelitian adalah studi literatur yang dilakukan dengan mempelajari

jurnal publikasi nasional maupun internasiaonal yang berkaitan dengan penelitian

MFC.

3.2 Tahap Persiapan Reaktor MFC

Persiapan reaktor MFC layaknya sel elektrolisis dimana terdapat dua kompartemen

atau dual chamber, yang berisikan katoda dan anoda serta adanya pelekatan

elektroda pada masing-masing kompartemen. Kompartemen katoda berisi larutan

elektrolit yaitu larutan NaCl sedangkan kompartemen anoda berisi substrat yaitu

asetat atau senyawa glukosa sederhana (glukosa, sukrosa, dan sebagainya).

Membran penukar proton yang digunakan adalah nafion dan elektroda yang

digunakan adalah grafit.

9

Gambar 4 . Microba Fuel Cell

Figure 4

3.3 Preparasi Elektroda

Elektroda dipreparasi menurut tahap-tahap pada Gambar......

Gambar 4. Diagram Alir Preparasi Elektroda

Figure 5

Elektroda grafit direndam dalam larutan HCl 1 M selama 1 hari kemudian di bilas

dengan aquades. Setelah itu elektroda kembali direndam dalm larutan NaOH 1 M

selama 1 hari kemudian dibilas lagi dengan aquades. Hal ini dilakukan untuk

menjaga pH elektroda netral. Kemudian elektroda direndam dalam aquades hingga

akan digunakan.

Elektroda

Direndam dalam NaOH 1 M

Di cuci dan direndam

dalam aquades

Direndam dalam HCl 1 M

10

3.4 Alat dan Bahan Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian dijelaskan pada Tabel 2.

Table 2

Tabel 2. Alat yang digunakan

No. Alat Fungsi

1. Reaktor MFC Menampung elektrolit dan substrat untuk sistem

2. Multimeter digital Mengukur tegangan

3. Mikroamperemeter analog Mengukur kuat arus

4. Kabel dan jepit buaya Menghubungkan arus listrik dari sistem menuju

multimeter dan mikroamperemeter

6. Magnetic stirrer Mengaduk larutan dengan kekuatan magnet

7. Erlenmeyer Tempat mereaksikan dan menyimapan sementara

larutan

8. Pipet ukur Mengkur volume dan memindahkan larutan

9. Pipet tetes Memindahkan larutan dengan jumlah kecil

Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian dijelaskan pada Tabel 3.

Table 3

Tabel 3. Bahan yang diperlukan

No. Bahan Fungsi

1. Membran Nafion 117 Meleoloskan proton dari anoda ke katoda

2. Grafit Bahan elektroda

3. Aquades Pelarut/pengencer/pembilas

4. HCl Untuk preparasi elektroda

5. NaOH Untuk preparasi elektroda

6. NaCl Larutan elektrolit

7. Asetat/glukosa Sebagai substrat

8. Enzim cytochrom Katalisator untuk transfer elektron pada bakteri

3.5 Variabel Penelitian

Variabel penelitian berupa variabel bebas, variabel terikat, dan variabel kontrol.

a. Variabel Bebas

11

Variabel bebas adalah variabel yang dibuat bervariasi dengan besar nilai

tertentu. Variabel bebas pada penelitian ini adalah jenis substrat,ada

tidaknya agitasi serta kecepatan agitasi pada sistem, dan ada tidaknya

penambahan enzim pada sistem(bagian kompartemen anoda).

b. Variabel Terikat

Vareiabel terikat merupakan variabel yang etrjadi akibat adanya variabel

bebas. Variabel terikat pada penelitian ini adalah kuat arus dan tegangan

yang dihasilkan MFC.

c. Variabel Kontrol

Variabel kontrol merupakan variabel yang dikendalikan atau dibuat dalam

keadaan konstan. Variabel kontrol pada penelitian ini adalah suhu sistem.

3.6 Eksperimen MFC

Pada penelitian ini, eksperimen MFC dilakukan dengan variasi jenis substrat,

variasi tanpa atau dengan agitasi,variasi kecepatan agitasi, dan penambahan enzim

cytochrom. Hasil dari eksperimen di catat dan data hasil eksperimen digunakan

untuk bahan dalam perancangan alat.Bakteri yang digunakan dalam eksperimen ini

adalah G. sulfurreducens dan Shewanella oneidensis.

3.7 Metode Perancangan Desain Reaktor

Data hasil eksperimen digunakan untuk perhitungan guna menentukan desain

dimensi, bahan dan hal-hal lain yang diperlukan untuk merancang reaktor.

Penggunaan software untuk membantu dalam perancangan reaktor juga sangat

dibutuhkan. Pada penelitian ini software yang digunakan adalah Hysys, Ansys, dan

perngkat lunak pendukung lain. Perangkat-perangkat lunak ini di perlukan untuk

optimasi pada desain reaktor yang dirancang.

3.8 Tahap Pengujian

Tahap pengujian dikerjakan dengan membuat prototipe reaktor. Prototipe reaktor

dibuat dengan skala tertentu (misal : 1:10) dari ukuran asli desain reaktor. Prototipe

reaktor dibuat menggunakan bahan yang sudah direncanakan.

.

12

DAFTAR PUSTAKA

Das and Mangwangi. (2010). No Title. recent development in microbial fuel cell, (a review

scientific & industrial research), 69:727–731.

Liu, H., Cheng, S., Huang, L., & Logan, B. E. (2008). Scale-up of membrane-free single-

chamber microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 179(1), 274–279.

doi:10.1016/j.jpowsour.2007.12.120

Zahara. (2010). No Title. pamanfaatan saccharomyces dalam sistem microbial fuel cell

untuk produksi energi listrik.