Microbial Fuel Cell (Topik Skripsi)

Sebagai mahasiswa semester 6, saya sudah harus fokus pada topik penelitian untuk skripsi saya. Kebetulan sekali, bidang minat saya adalah Mikrobiologi. Maka saya ingin mengembangkan penelitian berbasis mikrobiologi. Karena saya juga peminat ilmu fisika juga, jadinya saya 'mengawinkan' ilmu biologi dan fisika dalam skripsi saya ini. Skripsi saya ini seputar mikroorganisme yang dapat menghasilkan energi listrik yang disbut Electricigenes. Setelah melalui pencarian dan pendownload'an berbagai macam jurnal ini, akhirnya saya menemukan bahwa teknik ini bisa disebut juga dengan Microbial Fuel Cell atau Sel Bahan Bakar Mikrobia. Mikrobiologi Keren ya? Ya doakan saja semoga skripsi saya ini lancar dan berhasil. Bagi yang penasaran apa itu Microbial Fuel Cell atau yang sedang cari wawasan tambahan, saya kasih contekan umum mengenai MFC ini ya.... Selamat membaca.

Sel bahan bakar mikroba (microbial fuel cell, disingkat MFC) atau sel bahan bakar biologis (biological fuel cell) merupakan suatu sistembio-elektrokimia yang mengendalikan arus dengan meniru interaksi bakteri yang dijumpai di tanah.

MFC tanpa-mediator adalah pengembangan yang lebih baru, karena hal ini, faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi yang optimal, seperti strain bakteri yang digunakan dalam sistem, jenis membrane pertukaran ion, dan kondisi sistem (suhu, pH, dll) yang tidak terlalu dipahami dengan baik .

Bacteria dalam MFC tanpa-mediator biasanya memiliki protein redoks yang aktif secara elektrokimia seperti sitokrom pada membran terluarnya yang dapat mentransfer elektron ke material eksternal.

Jenis-jenis

Definisi

Sebuah sel bahan bakar mikroba ialah satu alat yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik mikroorganisme.

Sebuah sel bahan bakar mikroba yang khas terdiri dari kompartemen anoda dan katoda dipisahkan oleh membrane spesifik kation (ion bermuatan positif). Dalam kompartemen anoda, bahan bakar dioksidasi oleh mikroorganisme, menghasilkan CO2, elektron dan proton. Elektron ditransfer ke katoda melalui kompartemen sebuah rangkaian listrik eksternal, sedangkan proton ditransfer ke kompartemen katoda melalui membran. Elektron dan proton dikonsumsi dalam kompartemen katoda, yang bergabung dengan oksigen untuk membentuk air.

Lebih luas, ada dua jenis sel bahan bakar mikroba: mediator dan sel bahan bakar tanpa-mediator.

Sel Bahan Bakar Mikroba Mediator

Kebanyakan dari drl mikroba tidak aktif secara elektrokimia. Transfer elektron dari sel-sel mikroba ke elektroda difasilitasi oleh mediator seperti thionine, methyl viologen, methyl blue, humic acid, neutral red dan seterusnya. Kebanyakan dari mediator yang tersedia adalah mahal dan beracun.

Sel Bahan Bakar Mikroba Bebas-Mediator

Sel bahan bakar mikroba bebas-mediator tidak memerlukan mediator tetapi menggunakan bakteri elektrokimia aktif untuk mentransfer elektron ke elektroda (elektron dibawa langsung dari enzim pernafasan bakteri ke elektroda). Di antara bakteri aktif elektrokimia adalah, Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila,  dan lain-lain. Beberapa bakteri, yang memiliki pili pada membran eksternal mereka, mampu mentransfer elektron produksi mereka melalui pili tersebut.

Sel mikroba tanpa mediator, selain berlangsung pada air limbah, juga dapat menghasilkan energi langsung dari tumbuhan air tertentu. Ini termasuk buluh Sweetgrass, cordgrass, beras, tomat, lupin, dan ganggang. Sel-sel bahan bakar mikroba disebut Tanaman Sel Bahan Bakar Mikroba (Tanaman-MFC). Mengingat bahwa daya yang demikian berasal dari tanaman hidup. (produksi-energi di tempat), varian ini dapat memberikan keuntungan ekologis ekstra.

Sel Elektrolisis Mikroba

Sebuah keragaman dari MFC tanpa-mediator ialah sel elektrolisis mikroba (MEC). Sementara itu MFC menghasilkan arus listrik melalui dekomposisi bakteri dari senyawa organik dalam air, MEC secara parsial membalikkan proses tersebut untuk menghasilkan hidrogen atau metana dengan menggunakan tegangan bakteri untuk melengkapi tegangan yang dihasilkan oleh dekomposisi organik mikroba yang cukup mengarah pada elektrolisis air atau produksi metana.

Sebuah pembalikan lengkap dari prinsip MFC ditemukan dalam elektrosintesis mikroba, di mana karbon dioksida direduksi oleh bakteri menggunakan arus listrik eksternal untuk membentuk senyawa organik berkarbon-banyak.

Sel Bahan Bakar Mikroba Berbasis-Tanah

Sel bahan bakar berbasis-tanah yang melekat dengan prinsip dasar yang sama seperti yang dijelaskan di atas, di mana tanah bertindak sebagai media anoda yang kaya akan nutrisi, yaitu inokulum, dan membran penukar-proton (proton-exchange membrane, disingkat PEM). Anoda ditempatkan pada kedalaman tertentu dalam tanah, sementara katoda terletak di atas tanah  dan terpapar dengan oksigen di udara di atasnya.

Tanah secara alami penuh dengan konsorsium beragam mikroba, termasuk mikroba elektrogenik dibutuhkan untuk MFC, dan penuh dengan gula kompleks dan nutrisi lainnya yang telah terakumulasi selama jutaan tahun dari peluruhan material tanaman dan hewanb. Selain itu, mikroba anaerob (yang mengonsumsi oksigen) terdapat dalam tanah sebagai penyaring oksigen, seperti bahan KEP mahal yang digunakan dalam system MFC laboratorium, yang menyebabkan potensial redoks tanah menurun dengan lebih mendalam. MFC berbasis-tanah Tanah menjadi alat pendidikan yang populer untuk belajar ilmu pengetahuan.

Sel Bahan Bakar Mikroba Biofilm Fototrop

MFC biofilm fototrop (phototrophic biofilm MFCs, disingkat PBMFCs) merupakan satu-satunya yang menggunakan anoda dengan biofilm fototrop yang mengandung mikroorganisme fotosintetik seperti klorofita, sianofita, dll., karena mereka dapat melakukan fotosintesis dan dengan demikian mereka bertindak sebagai produsen metabolit organik dan juga sebagai donor elektron.

Penelitian yang dipimpin oleh David P.B.T.B. dkk. mengungkapkan bahwa PBMFC dapat menghasilkan output daya dengan kepadatan tertinggi dan karenanya mereka dapat menjanjikan prospek aplikasi untuk kehidupan nyata. Kesulitan yang dihadapi oleh para peneliti adalah meningkatkan densitas daya dan kinerja jangka-panjang sehingga  untuk mendapatkan MSC dengan biaya-efektif.

Proses Pembangkit Listrik

Manakala mikroorganisme mengonsumsi suatu zat seperti gula dalam kondisi aerob mereka menghasilkan karbon dioksida dan air. Namun ketika oksigen tidak tersedia mereka menghasilkan karbon dioksida, proton dan elektron seperti yang dijelaskan di bawah ini:

C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e- (1)

Sel bahan bakar mikroba yang menggunakan mediator anorganik yang menyadap ke dalam rantai transpor elektron dari sel dan sinyal elektron yang dihasilkan. Mediator melintasi membran lipid sel luar dan membran luar bakteri, kemudian, ia mulai membebaskan elektron dari rantai transpor elektron yang biasanya akan diambil oleh oksigen atau intermediet lainnya.

Mediator yang tereduksi-sekarang keluar sel yang sarat dengan elektron yang diangkut ke elektroda di mana ia mengendapkan mereka, elektroda ini menjadi anoda yang menghasilkan listrik (elektroda bermuatan negatif). Pelepasan elektron berarti bahwa mediator kembali ke keadaan teroksidasi semula yang siap untuk mengulangi proses tersebut. Hal ini penting untuk dicatat bahwa ini hanya dapat terjadi di bawah kondisi-kondisi anaerob; bila oksigen ada, ia akan mengumpulkan semua electron karena ia memiliki elektronegativitas yang lebih besar dari pada mediator.

Dalam operasi sel bahan bakar mikroba, anoda adalah aseptor elektron terminal yang diakui oleh bakteri dalam ruang anoda. Oleh karena itu, aktivitas mikroba sangat kuat bergantung pada potensial redoks dari anoda.  Kenyataannya, hal itu baru-baru ini dipublikasikan bahwa sebuah kurva Michaelis-Menten diperoleh antara potensial anoda dan keluaran daya dari asetat yang dikendalikan oleh sel bahan bakar mikroba. Potensial anoda kritis tampaknya terdapat pada mana keluaran daya dari sel bahan bakar mikroba tercapai.

Banyak mediator telah menunjukkan bagi penggunaan sebagai sel bahan bakar mikroba. Ini meliputi natural red, methylene blue, thionineatau resorufin.

Ini adalah dasar di samping menghasilkan aliran elektron dari mikroorganisme pada umumnya (organisme mampu menghasilkan arus listrik yang diistilahkan dengan Eksoelektrogen). Dalam rangka untuk mengubah ini menjadi pasokan listrik yang dapat digunakan proses ini harus ditampung dalam sel bahan bakar. Dalam rangka untuk menghasilkan arus yang berguna perlu untuk membuat rangkaian lengkap, dan bukan hanya antar-jemput elektron ke satu titik.

Mediator dan mikroorganisme, dalam hal ini ragi, dicampur bersam dalam suatu larutan pada mana ditambahkan suatu zat yang sesuai seperti glukosa. Campuran ini ditempatkan dalam sebuah ruang yang disegel untuk menghambat oksigen masuk, dengan demikian mengarahkan  mikroorganisme tersebut untuk menggunakan  pernafasan anaerob. Sebuah elektroda diletakkan dalam larutan yang akan bertindak sebagai anoda seperti yang dijelaskan sebelumnya.

Dalam ruangan kedua dari MFC adalah larutan lain dan elektroda. Elektroda ini, disebut katoda yang bermuatan positif dan adalah setara dengan oksigen wastafel pada akhir rantai transpor elektron, hanya sekarang berada di luar sel biologis.

Larutan ini adalah zat pengoksidasi yang mengambil elektron pada katoda. Seperti dengan rantai elektron dalam sel ragi, ini dapat berupak sejumlah molekul seperti oksigen. Namun, ini ini tidak terlalu praktis karena akan memerlukan sejumlah besar gas yang bersirkulasi. Sebuah pilihan yang lebih mudah adalah dengan menggunakan suatu larutan dari zat pengoksidasi padat.

Penghubung dua elektroda adalah seutas kawat (atau penghantar listrik lain yang mungkin meliputi beberapa alat bertenaga listrik seperti bola lampu) dan menyelesaikan sirkuit dan menghubungkan dua kamar adalah jembatan garam atau membran pertukaran ion. Fitur terakhir memungkinkan proton yang dihasilkan, seperti yang dijelaskan dalam persamaan-1 untuk lolos dari ruang anoda ke ruang katoda.

Mediator tereduksi membawa electron dari sel ke elektroda. Di sini mediator teroksidasi karena ia mengendapkan elektron. Ini kemudian mengalir melalui kawat menuju elektroda kedua, yang bertindak sebagai watafel electron. Dari sini mereka lewat menuju bahan pengoksidasi.

Aplikasi

Pembangkit Listrik

Sel bahan bakar memiliki banyak potensi kegunaan. Yang paling mudah terlihat adalah panen listrik yang dihasilkan untuk digunakan sebagai sumber listrik. Hampir semua bahan organik dapat digunakan untuk memberi makan sel bahan bakar, termasuk sel sambungan ke instalasi pengolahan air limbah.

Bakteri akan mengonsumsi bahan limbah dari air dan menghasilkan  daya tambahan untuk pabrik. Keuntungan harus dibuat dari melakukan hal ini adalah bahwa MFC adalah metode yang sangat bersih dan penghasil energy yang efisien. Proses kimia air limbah dan dan air limbah sintetik yang dirancang telah digunakan untuk menghasilkan listrik biologis (bioelectricity) dalam MFC tanpa mediator berkamar dua dan tunggal (elektroda grafit tanpa-dilapisi) bagian dari pengolahan air limbah.

Produksi listrik yang lebih tinggi diamati dengan biofilm yang dibungkus dengan anoda (grafit). Emisi sel bahan bakar jauh di bawah peraturan. MFC juga menggunakan energi jauh lebih efisien ketimbang mesin pembakar standar yang dibatasi oleh Siklus Carnot. Teori sebuah MFC adalah mampu efisiensi energi jauh melampaui 50% (Yue & Lowther, 1986). Menurut penelitian baru yang dilakukan oleh René Rozendal, menggunakan sel bahan bakar mikroba baru, konversi energi untuk hidrogen setinggi-tingginya 8 x teknologi produksi hidrogen konvensional.

Namun MFC tidak digunakan pada skala besar, karena elektroda dalam beberapa hal hanya membutuhkan ketebalan 7 μm dengan panjang 2 cm. Keuntungan menggunakan MFC dalam situasi ini seperti berlawanan dengan sebuah baterai normal adalah bahwa ia menggunakan bentuk energi terbarukan dan tidak perlu diisi ulang seperti baterai standar. Selain itu mereka bisa beroperasi dengan baik dalam kondisi ringan, 20 °C sampai 40 °C dan juga pada pH sekitar 7. Meskipun lebih kuat dibanding katalis logam, mereka saat ini terlalu tidak stabil untuk aplikasi medis jangka panjang seperti alat pacu jantung dalam (Biotech / Life Sciences Portal).

Selain pembangkit listrik air limbah, seperti yang disebutkan sebelumnya, energi juga dapat dihasilkan langsung dari tanaman. Hal ini memungkinkan set-up pembangkit listrik didasarkan pada platformganggang atau penggabungan tanaman lainnya sebuah lapangan yang luas dengan tanaman air. Menurut Bert Hamelers, lapangan adalah set-up terbaik dalam mensinergikan dengan keberadaan tanaman terbarukan (misalnya, turbin angin lepas pantai). Hal ini mengurangi biaya karena tanaman sel bahan bakar mikroba kemudian dapat memanfaatkan jaringan listrik yang sama dengan turbin angin.

Pembelajaran

Sel bahan bakar berbasis-tanah merupakan perangkat edukasi yang populer, karena mereka  memakai berbagai disiplin ilmu (mikrobiologi, geokimia, rekayasa listrik, dll.), dan dapat dibuat penggunaan bahan yang tersedia secara umum, seperti tanah dan  item dari lemari es. Ada juga kit yang tersedia untuk ruang kelas dan para penggemar, dan kit tingkat-penelitian untuk laboratorium dan korporasi ilmiah.

Biosensor

Karena arus yang dihasilkan dari sebuah sel bahan bakar adalah berbanding langsung dengan kandungan energi dari air limbah yang digunakan sebagai bahan bakar, maka MFC dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi zat terlarut dari air limbah (yaitu, sebagai sebuah sistem biosensor).

Kekuatan air limbah dipantau secara umum sebagai nilai kebutuhan oksigen biokimia (biochemical oxygen demand, disingkat BOD). Nilai BOD ditentukan dengan menginkubasikan sampel selama 5 hari dengansumber mikroba yang sesuai, biasanya lumpur aktif yang dikumpulkan dari kerja limbah. Mana kala nilai BOD digunakan sebagai parameter kontrol “real time”, maka inkubasi 5 hari terlalu lama.

Sebuah sensor BOD tipe-MFC dapat digunakan untuk mengukur nilai BOD real time. Oksigen dan nitrat lebih disukai aseptor elektron atas elektroda yang mereduksi generasi sekarang dari sebuah MFC. Sensor BOD tipe-MFC mengabaikan nilai BOD dengan adanya aseptor elektron tersebut. Ini dapat dihindari dengan menghambat pernafasan aerob dan nitrat dalam MFC yang menggunakan inhibitor oksidase terminal seperti sianida dan azida. Tipe sensor BOD ini tersedia secara komersial.

Biorecovery

Sejak 2010 A.Heijne dkk. Merancang sebuah alat yang mampu menghasilkan listrik dan mereduksi ion Cu(II) menjadi logam tembaga.

Penelitian Praktis Terbaru

Beberapa peneliti  menunjukkan beberapa praktek yang tidak diinginkan, seperti pencatatan arus maksimum yang diperoleh melalui sel ketika menghubungkannya ke sebuah tahanan sebagai indikasi dari kinerjanya, bukan arus keadaan-tunak yang sering merupakan sebuah derajat yang besarnya lebih rendah.

Sering kali data tentang nilai-nilai tahannan yang digunakan minimal, atau bahkan tidak ada, sehingga banyak data tidak-sebanding di semua studi. Hal ini membuat ekstrapolasi dari prosedur standar sulit jika tidak mustahil.

Aplikasi Komersial

Banyak perusahaan telah muncul untuk mengkomersiali-sasikan sel bahan bakar mikroba. Perusahaan-perusahaan ini telah berusaha untuk memasuki baik remediasi maupun aspek teknologi pembangkit listrik.