MICROBIAL FUEL CELL (MFC)Sebagai Tugas Mata Kuliah Elektrokimia Semester Genap Tahun Ajaran 2015-2016

Disusun Oleh :Ira Eka FatmawatiDesy Permata SariAndriyani Budi ListyoDita Widya NingrumDiana LiasfianiQurrotu AyunYudha Heri

JURUSAN KIMIAFAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS DIPONEGOROSEMARANG

4

2015

2

KATA PENGANTARPuji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Pengasih atas bimbingan dan penyertaan-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini. Makalah ini berjudul MICROBIAL FUEL CELL (MFC) disusun dalam rangka melengkapi nilai tugas mata kuliah Elektrokimia pada Semester Genap Tahun Ajaran 2015-2016Akhir kata penulis berharap agar makalah ini berguna bagi semua pihak dalam memberi informasi tentang betapa pentingnya kesadaran bela negara bagi kita sebagai warga negara Indonesia untuk menjaga persatuan dan kesatuan serta menjaga keutuhan bangsa dari segala ancaman, gangguan dan hambatan baik dari dalam maupun dari luar negeri, khususnya bagi generasi muda para penerus bangsa.

Semarang, Mei 2015Penyusun,

i

DAFTAR ISIKATA PENGANTARiDAFTAR ISIiiBAB I. PENDAHULUAN1A.LATAR BELAKANG1B.LANDASAN TEORI2BAB II. PENGENALAN MICROBIAL FUEL CELL (MFC)4A.FUEL CELL4B.Biofuel Cell5C.Microbial Fuel Cell (MFC)6D.Mikroba MFC7BAB III. PROSES KERJA MICROBIAL FUEL CELL13BAB IV. PEMBAHASAN16BAB V. SIMPULAN DAN SARAN205.1 SIMPULAN20DAFTAR PUSTAKA22

BAB I. PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANGKebutuhan akan energi alternatif khususnya energi listrik pada saat ini semakin meningkat. Semakin berkurangnya jumlah bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui seperti minyak bumi dan gas alam mendorong para ilmuwan untuk melakukan penelitian dalam menemukan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.Para peneliti menciptakan sel bahan bakar mikroba (microbial fuel cell). Jenis bahan bakar baru ini sekarang sedang dikembangkan tim riset NASA yang dipimpin Dr. Bruce Rittmann, seorang profesor pada Northwestern University.Semua jenis sel bahan bakar menghasilkan listrik, dengan memproduksi dan mengendalikan suatu arus elektron. Sel-sel konvensional, termasuk menggunakan pintalan dan dalam beberapa mobil prototipe, memperoleh elektron dengan melepaskan atom hidrogen. Dalam melakukan itu, sel-sel bahan bakar ini harus diberi persediaan hidrogen secara tetap.Sel bahan bakar mikroba memperoleh elektron dari limbah organik. Bakteri hidup dengan limbah sebagai bagian dari proses pencernaan mereka. Geobacter, menurut peneliti NASA ini dapat `dibujuk` untuk menyampaikan elektron secara langsung kepada elektroda sel bahan bakar ke dalam suatu sirkuit. Ketika elektron dialirkan sepanjang sirkuit, mereka menghasilkan listrik. Sel bahan-bakar mikroba ini telah dicoba di Pennsylvania University, untuk menghasilkan listrik pada saat proses memurnikan limbah cair domestik.Guna membuat gagasan ini menjadi bentuk yang praktis, Prof. Rittmann berpikir harus mempunyai suatu bentuk yang efisien dan sangat ringkas. Bahan bakar sel tidak bisa dibentuk dengan banyak ruang dengan ukuran yang luas. Untuk kebutuhan ini, peneliti sedang mempertimbangkan suatu sel bahan bakar serabut yang dikemas dengan ketat, masing-masing akan merupakan suatu sel bahan bakar dalam kemasan all in one.

1.2 LANDASAN TEORITeknologi Microbial Fuel Cell (MFC) dapat menjadi solusi alternatif sebagai sumber energi listrik. MFC merupakan sistem untuk mendeteksi kemampuan konsorsium mikroba dalam limbah cair sebagai sumber energi listrik. Microbial Fuel Cells (MFCs) merupakan suatu alat yang menggunakan bakteri dalam menghasilkan tenaga listrik dari senyawa organik maupun non organik. Alat MFC sama seperti fuel cell biasa yang tersusun atas anoda , katoda dan elektrolit. pada Microbial Fuel Cell (MFC) sebagai komponen anoda digunakan kultur mikroba dalam hal ini aktivitas metabolisme mikroba (misalnya konsorsium mikroba yang mengoksidasi substrat organik seperti glukosa). Prinsip dalam MFC adalah aktivitas mikroba dalam medium cair tersebut. Aktivitas mikroba dapat menghasilkan komponen organik yang mengandung unsur hidrogen seperti etanol, metanol, maupun gas metan yang dapat digunakan untuk menghasilkan elektron dan arus listrik.

1

BAB IIMICROBIAL FUEL CELL (MFC)

2.1 FUEL CELLFuel cell merupakan alat untuk mengkonversi energi elektrokimia. Fuel cell dapat dibandingkan dengan sel elektrolit maupun baterai yakni suatu zat kimia yang dioksidasi atau direduksi secara elektrokimia untuk menghasilkan listrik. Fuel cell berbeda dari baterai yakni didesain untuk menambahkan reaktan yang dikonsumsi (digunakan) secara berkelanjutan. Jenis reaktan yang digunakan adalah hidrogen sebagai anoda dan oksigen sebagai katoda (Anonim 16, 2006).

Gambar 1. Fuel CellFuel cell tersusun atas anoda, katoda, dan elektrolit. Anoda berperan sebagai tempat terjadinya pemecahan hidrogen (H2) menjadi proton dan elektron. Katoda berperan sebagai tempat terjadinya reaksi penggabungan proton, elektron, dan oksigen untuk membentuk air. Sedangkan elektrolit adalah media untuk mengalirkan proton. Pada fuel cell berbahan bakar hidrogen, ketika molekul hidrogen melakukan kontak dengan anoda, molekul tersebut terpisah menjadi ion hidrogen dan elektron. Elektron mengalir melalui sirkuit luar menuju katoda yang dapat menimbulkan aliran listrik. Ion hidrogen ini melewati membran elektrolit menuju katoda yang selanjutnya bergabung dengan elektron dan oksigen dari luar membentuk molekul air (Anonim 5, 2006).Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell adalahAnoda : 2H2 4H+ + 4e-Katoda : 4e- + 4H+ + O2 2H2OJenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada 6 jenis fuel cell yaitu:1. Alkaline (AFC)2. Proton exchange membrane, juga disebut Proton Electrolyt Membrane(PEM)3. Phosphoric Acid(PAFC)4. Molten carbonate(MCFC)5. Solid oxide(SOFC)6. Direct methanol fuel cells (DMFC)7. Regenerative fuel cells

2.2 Biofuel CellBiofuel cell adalah sebuah perlalatan yang mengubah secara langsung energi biokimia menjadi energi listrik. Energi penggerak biofuel cell adalah reaksi redoks dari substrat karbohidrat seperti glukosa dan metanol menggunakan mikroorganisme atau enzim sebagai katalis, yang menggunakan mikroorganisme disebut Microbial Fuel Cell (MFC), sedangkan yang menggunakan enzim disebut Enzymatic Fuel Cell (EFC). Prinsip kerjanya mirip dengan fuel cell. Perbedaan utamanya adalah katalis pada biofuel cell adalah mikroorganisme atau enzim, oleh karena itu logam mulia tidak diperlukan, dan kondisi kerja dilakukan pada larutan netral dan temperatur kamar. Sebagai contoh, oksidasi sempurna satu gram metanol dengan bantuan enzim secara teoritis memberi energi listrik 5000 mAh. Oksidasi sempurna satu mol glukosa akan melepaskan 24 mol elektron.C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24 e-Oleh karena itu muatan 2,32 x 106 C per mol glukosa berpotensi untuk disambungkan melalui sirkuit elektronik. Besarnya arus yang dihasilkan dari proses oksidasi ini akan bergantung pada besarnya : 1. Angka metabolisme2. Efisiensi transer elektron menuju elektroda

2.3 Microbial Fuel Cell (MFC)MFC terdiri atas dua ruang yang dipisahkan oleh membran penukar proton/ Proton Exchange Membrane (PEM). Satu ruangan menjadi tempat untuk anoda dan ruangan lainnya untuk katoda. Prinsip penggunaan MFC ini erat berhubungan dengan proses biokimia yang terjadi dengan melibatkan mikroba yang disebut glikolisis, siklus asam sitrat, dan rantai transfer elektron.Glikolisis adalah suatu proses penguraian molekul glukosa yang memiliki enam atom karbon, secara enzimatik untuk menghasilkan dua molekul piruvat yang memilki tiga atom karbon. Selama reaksi-reaksi glikolisis yang berurutan banyak energi bebas yang diberikan oleh glukosa yang disimpan dalam bentuk ATP. Mediator elektron berperan selama proses transportasi elektron, membawa elektron dari membran plasama bakteri ke anoda. Elektron-elektron ini bergerak melewati sirkuit elektrik dan setelah itu mereduksi ion ferisianida menjadi ion ferosianida pada katoda. Proton dipompakan dari bakteri ke lingkungan anoda melewati membran penukar proton (PEM) ke ruang katoda. Ferosianida dioksidasi kembali menjadi ferisianida. Sedangkan ion hidrogen beraksi dengan oksigen membentuk air.4 Fe(CN)63- + 4 e 4 Fe(CN)64-4 Fe(CN)64- + 4 H+ + O2 4 Fe(CN)63- + 2 H2O

2.4 Mikroba MFCMenurut para peneliti, terdapat beberapa karakteristik mikroba yang digunakan pada suatu sel bahan bakar (fuel cell) meliputi : mikroba yang mampu bekerja pada suhu tinggi, organisme yang mampu menggunakan cahaya untuk menghasilkan energi, konsorsium mikroba pada limbah cair, mikroba yang mampu mentransfer elektron secara langsung menuju elektroda. Menurut Bond, et al. (2003), bakteri Shewanella putrefaciens, Geobacter sulfurreducens, Geobacter metallireducens, dan Rhodoferax ferrireducens telah menunjukkan kemampuannya dalam menghasilkan listrik dengan mediator berupa sistem MFC.2.4.1 GEOBACTER METALLIREDUCENSGeobacter metallireducens adalah golongan bakteri dari Genus Geobacter yang unik karena dapat memproduksi fili mirip filamen yang berfungsi sebagai kabel nano untuk mentransfer elektron dari luar sel kepada akseptor elektron yang tak larut seperti mineral besi dan yang paling mungkin kepada elektroda.

Gambar 2. Genus GeobacterFilamen ini lebarnya hanya 3-5 nanometer dan panjangnya bisa mencapai 20 mikrometer. Selain itu, bakteri ini juga dapat mengeluarkan flagel yang berfungsi sama sepert fili tersebut. Padahal, biasanya flagel dan fili atau merupakan alat gerak, tetapi tidak bagi bakteri ini karena bakteri ini bersifat imotil atau tidak bergerak. Formasi fili dan flagel ini bisa muncul jika bakteri tumbuh dalam lingkungan yang kaya akan oksida besi dan mangan, bentuk ini merupakan suatu bentuk adaptasi kemotaktik. Dengan demikian, bakteri akan mentransfer elektron, terutama ketika terjadi proses bioremediasi air tanah yang terkontaminasi oksida-oksida tersebut. Bioremediasi adalah memanfaatkan mikroba dan tanaman untuk membersihkan kontaminasi. Salah satunya adalah membersihkan kandungan nitrat dalam air dengan bantuan mikroba.Para penelitinya mengatakan bahwa sebelumnya bakteri golongan Geobacter tak pernah berenang atu bergerak dalam larutan, tetapi ketika dia berada dalam larutan yang mengandung logam tak larut, bakteri ini dengan leluasa bergerak.Para peneliti menyebut bakteri ini bergerak melalui rel yang menunjuk ke arah logam tak larut itu berada. Sehingga, ketika proses bioremediasi itu terjadi, limbah yang tercemar dapat dimurnikan dari pencemarnya karena pencemarnya bisa diekstraksi dari sifat ketidaklarutannya itu.Bakteri golongan Geobacter bersifat anaerob, artinya dia tidak membutuhkan oksigen bebas dalam berespirasi, itu sebabnya bakteri ini banyak dijumpai pada sedimen-sedimen yang ada di dasar danau, laut, ataupun sungai. Kemudian bakteri ini juga bersifat termofilik yang hidup di tempat bersuhu tinggi.

Gambar 3. Geobacter metallireducens (si pengurai uranium)Spesies Geobacter pertama yang diisolasi didapat dari Sungai Potomac, di daerah dekat Washington DC Amerika Serikat di tahun 1987. Spesies ini kemudian disebut sebagai Geobacter metallireducens. Spesies ini juga adalah spesies bakteri pertama yang ditemukan yang dapat mengoksidasi komponen organik seperti beberapa jenis asam lemak rantai pendek, alkohol, komponen aromatik seperti toluen, dan fenol menjadi karbondioksida dengan oksida besi sebagai akseptor elektron. Dengan kata lain, Geobacter metallireducens mendapat energi dengan menggunakan oksida besi (mineral seperti karat), mangan, uranium atau logam lain, seperti halnya manusia menggunakan oksigen.Spesies-spesies bakteri dari genus geobacter mempunyai peran yang sangat besar di dalam fenomena geologis, terutama di dalam transformasi bumi yang modern seperti sekarang ini, seperti akumulasi besi dalam pembentukan magnetit. Spesies ini juga berperan dalam restorasi lingkungan, misalnya dalam merombak kontaminan minyak bumi yang mencemari air tanah dengan komponen-komponen yang berbahaya. Kemudian juga mendegradasi air yang tercemar logam berat ataupun radioaktif yang sangat toksik dan berbahaya menjadi air bersih. Keunggulannya yang lain, spesies Geobacter juga dapat dipercepat kemampuan mendegradasi polutannya sehingga lingkungan akan cepat pulih dari kerusakan tersebut.Apalagi sekarang ini bakteri Geobacter metallireducens dapat dilibatkan dalam produksi bahan bakar hidrogen yang ramah lingkungan. Dalam hal ini bakteri berperan sebagai agen fermentasi air limbah yang mampu mentransfer elektron dalam MFC (Microbial fuel cell) sehingga selain dihasilkan gas hidrogen didapat juga produk air bersih.Spesies Geobacter juga telah mengalami identifikasi genomik dengan komputer sehingga bakteri ini dapat dikondisikan sesuai dengan kebutuhan tertentu, di mana lingkungan dan faktor fisik penunjang hidupnya dapat dioptimasi dan diaklimatisasi.2.4.2 SHEWANELLA PUTREFACIENSShewanella adalah salah satu genus bakteri pereduksi metal. Bakteri ini banyak ditemukan di lingkungan laut, air tawar, danau, tanah atau terestrial, sungai, lautan Artik dan Antartika, pipa minyak yang berkarat atau berkorosi, dan lingkungan akuifer yang terkontaminasi uranium. Bakteri ini banyak digunakan untuk bioremidiasi atau pembersihan lingkungan dari polutan seperti senyawa yang mengalami klorinasi, radionuklida, dan polutan lingkungan lainnya. Shewanella tergolong ke dalam bakteri gram negatif dan beberapa spesies bakteri ini merupakan patogen penyebab penyakit pada manusia. Ciri-ciri lain dari Shewanella adalah berbentuk batang, motil (bergerak) dengan flagela polar, dan memiliki metabolisme sebagai organisme fakultatif anaerobik. Untuk kebutuhan hidupnya, bakteri ini mampu menggunakan bermacam-macam akseptor elektron, seperti oksigen, besi, mangan, uranium, nitrat, nitrit, fumarat, dan lain-lain.

Gambar 4. Shewanella Putrefaciens RHODOFERAX FERRIREDUCENSBerbentuk Gram-negatif, motil, batang pendek dengan flagel kutub tunggal. Strain T118T tumbuh antara pH 6-7 dan 7-1, dengan suhu kisaran 40-30 C. Pertumbuhan optimal suhu 25 C. Mereduksi besi (III) dan mineral lainnya dalam lingkungannya (Langsung Listrik).

Gambar 5. Rhodoferax Ferrireducens4

BAB III. PROSES KERJA MICROBIAL FUEL CELLReaksi yang terjadi dalam sistem MFC adalah reaksi redoks, reduksi dan oksidasi, contohnya Fe3+ yang merupakan suatu oksidan atau oksidator yang akan menerima elektron dan mengalami reduksi. Oksidasi materi organik berpasangan dengan reduksi Fe3+. Dalam hal ini dibutuhkan kerjasama konsorsium mikroba fermentatif dan mikroba pereduksi Fe3+. Mikroba pereduksi Fe3+ (spesies Geobacter dalam kondisi lingkungan temperata dan Archaea pereduksi Fe3+ pada lingkungan yang panas) akan memetabolisme produk fermentasi dan senyawa organik yang tidak dapat dimetabolisme oleh mikroba fermentatif, mengoksidasinya menjadi karbon dioksida dengan menyediakan oksida Fe3+ sebagai akseptor elektron (Lovley, 2006).

Gambar 6. Reaksi yang terjadi pada MFC

Gambar 7. Proses munculnya tegangan listrikUmumnya pada sistem konvensional, MFC terdiri dari dua ruang yang terdiri dari ruang anoda dan katoda. Kedua ruang tersebut dipisahkan oleh sebuah membran tempat terjadinya pertukaran proton (proton exchange membrane). Sistem ini belum sepenuhnya bekerja dengan kerja bakteri karena hanya sisi anoda saja yang mengandung bakteri, sedangkan pada sisi katoda masih bekerja dengan menggunakan senyawa kimia seperti Polialumunium Chloride (PAC). Namun baru-baru ini telah dikembangkan MFC dengan menggunakan bakteri pada katoda, atau lebih dikenal dengan biokatoda. Bakteri pada ruang katoda memiliki fungsi yang sama sebagai mediator elektron yang sebelumnya dilakukan oleh senyawa kimia.Dalam banyak penelitian tentang MFC, asetat umum digunakan sebagai substrat untuk bakteri agar dapat menghasilkan listrik. Senyawa kimia ini lebih mudah diproses oleh bakteri ketimbang memproses air limbah. Asetat tergolong senyawa kimia sederhana yang berfungsi sebagai sumber karbon untuk bakteri. Kelebihan lain dari asetat adalah senyawa ini tidak menimbulkan reaksi lain terhadap bakteri seperti fermentasi dan methanogenesis pada temperatur ruang.

BAB IV. PEMBAHASANFuel cell menggunakan reaksi kimia, lebih baik daripada mesin pembakaran, untuk memproduksi energi listrik Istilah fuel cell sering dikhususkan untuk hidrogen-oksigen fuel cell. Prosesnya merupakan kebalikan dari elektrolisis. Pada elektrolisis, arus listrik digunakan untuk menguraikan air menjadi hidogen dan oksigen. Dengan membalik proses ini, hidrogen dan oksigen direaksikan dalam fuel cell untuk memproduksi air dan arus listrik. Konversi energi fuel cell biasanya lebih effisien daripada jenis pengubah energi lainnya. Efiensi konversi energi dapat dicapai hingga 60-80%. Keuntungan lain fuel cell adalah mampu menyuplai energi listrik dalam waktu yang cukup lama. Tidak seperti baterai yang hanya mampu mengandung material bahan bakar yang terbatas, fuel cell dapat secara kontinu diisi bahan bakar (hidrogen) dan oksigen dari sumber luar. Fuel cell merupakan sumber energi ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polutan dan sungguh-sungguh dapat digunakan terus-menerus jika ada suplai hidogen yang berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbarui. Keuntungan fuel cell yaitu, efisiensi tinggi dapat mencapai 80%, tidak bising dan gas buang yang bersih bagi lingkungan.Kendala yang masih membatasi pengguanaan fuel cell adalah :1) Apabila digunakan bahan bakar hidrogen, maka dibutuhkan tanki pengaman yang berdinding tebal dan memiliki katup pengaman. Selain itu diperlukan kompresor untuk memasukan ke dalam tanki.2) Apabila yang dibawa adalah hidrogen cair, maka akan timbul kesulitan karena harus dipertahankan pada temperatur -253,15oC pada tekanan 105Pa.3) 4) Apabila digunakan metanol sebagai pengganti hidrogen, maka dibutuhkan reformer. Tetapi efisiensi menjadi menurun.5) Temperatur yang cukup tinggi saat pengoperasian antara 60o-120oC6) Teknologi baru menggunakan prinsip mirip fuel cell untuk menghasilkan energi listrik menggunakan sumber alami, yaitu biofuel cell. Biofuel cell adalah alat untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik dengan bantuan biokatalis dari enzim atau mikroorganisme.Berdasarkan pada pengetahuan pada fungsi biofuel cell usaha-usaha sudah banyak dilakukan untuk memaksimalkan arus dan daya keluaran pada MFC, antara lain:1. Membandingkan dan menggunakan kombinasi berbeda bakteri dan mediator elektron.2. Menggunakan kultur bakteri campuran.3. Menggunakan lingkungan anaerobik di anoda.4. Meningkatkan angka suplai bahan bakar.5. Modifikasi elektroda 6. Memompakan oksigen melewati ruangan katoda.Microbial Fuel Cell didasari coupling oksidasi glukosa menjadi molekul oksigen dan air. Bakteri Escherichia Coli (E. Coli) dapat digunakan untuk eksperimen ini, suatu mikroorganisme yang sering ditemukan pada usus manusia. Bakteri seperti E. Coli menguraikan glukosa menghasilkan ATP yang dimanfaatkan sel untuk sumber energi. Methylene blue (MB) digunakan sebagai mediator elektron atau electronophore untuk sarana efisiensi transfer elektron dari mikroorganisme ke elektroda. Mediator elektron yang ideal seharusnya :1. Dapat membentuk pasangan redoks reversibel pada katoda2. 3. Terhubung dengan NADH dan memiliki angka potensial reduksi standar yang sangat negatif dalam rangka untuk memaksimalkan produksi energi listrik.4. Stabil pada bentuk oksidasi maupun bentuk reduksi.5. Tidak terdekomposisi selama reaksi redoks yang berulang-ulang dalam jangka waktu lama.6. Memiliki polaritas sehingga mediator dapat larut dalam air dan dapat diserap oleh membran mikroba.Methylene blue dan neutral red adalah dua jenis mediator elektron yang biasa digunakan dalam MFC karena toksisitas yang rendah.Mediator elektron membuka jalan ke dalam rantai transfer elektron, secara kimiawi mereduksi NAD+ menjadi NADH. Mekanisme nyata transfer elektron melalui mediator elektron masih belum jelas. Bagaimanapun juga, ini diketahui bahwa elektron memasukan diri ke dalam membran bakteri dan pada dasarnya membajak proses transportasi elektron metabolisme glukosa.Berikut adalah perbandingan antara Fuel Cell Kimiawi dengan Fuel Cell Biologis:Tabel 1. Perbandingan antara Fuel Cell Kimiawi dengan Fuel Cell BiologisNoFuel Cell KimiawiFuel Cell Biologis

1KatalisLogam muliaMikroorganisme / enzim

2pHLarutan asam (pH