4
2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Limbah Cair Industri Perikanan Limbah industri perikanan dapat didefinisikan sebagai apa saja yang tersisa dan terbuang dari suatu kegiatan penangkapan, penanganan, dan pengolahan hasil perikanan. Tipe limbah utama yang ditemukan dari limbah cair pengolahan ikan adalah darah, kotoran, jeroan, sirip, kepala ikan, cangkang, kulit dan sisa daging. Secara umum, tipe limbah cair industri pengolahan ikan dapat dibagi dalam dua kategori yaitu volum banyak-persentase limbah rendah dan volum sedikit-persentase limbah tinggi. Kategori volum banyak-persentase limbah rendah terdiri dari air yang digunakan untuk pembongkaran, transportasi, penanganan ikan dan air pencucian. Proses pada pembuatan tepung ikan menghasilkan jenis limbah kategori volum sedikit-persentase limbah tinggi (Colic et al. 2007). Limbah cair industri perikanan mengandung bahan organik yang tinggi. Tingkat pencemaran limbah cair industri pengolahan perikanan sangat tergantung pada tipe proses pengolahan dan spesies ikan yang diolah (Ibrahim 2005). Terdapat 3 tipe utama aktivitas pengolahan ikan, yaitu industri pengalengan dan pembekuan ikan, industri minyak dan tepung ikan, dan industri pengasinan ikan (Priambodo 2011). Karakteristik limbah cair perikanan dapat dilihat melalui parameter pH, jumlah padatan terlarut, suhu, bau, BOD, COD, dan konsentrasi nitrogen serta fosfor (FAO 1996). Limbah cair industri pengolahan ikan memiliki karakteristik jumlah bahan organik terlarut dan tersuspensi yang tinggi jika dilihat dari nilai BOD dan COD. Lemak dan minyak juga ditemukan dalam jumlah yang tinggi. Terkadang padatan tersuspensi dan nutrien seperti nitrogen dan fosfor juga ditemukan dalam jumlah tinggi. Limbah cair industri pengolahan ikan juga mengandung sodium klorida dalam konsentrasi tinggi dari proses pembongkaran kapal, air pengolahan, dan larutan asin (Colic et al. 2007). Secara umum karakteristik limbah cair industri pengolahan ikan dapat dilihat pada Tabel 1.
5
Tabel 1 Karakteristik limbah cair perikanan Parameter
Amonia BOD COD Lemak minyak
Satuan
dan
mg/L mg/L mg/L mg/L
Industri pengalengan dan pembekuan ikan 37 35 34 1,401
Industri Industri minyak ikan pengasinan dan tepung ikan ikan 1,659 101 204 127 196 360 12,750 1,305
Sumber: Priambodo (2011)
Baku mutu air limbah adalah ukuran batas atau kadar unsur pencemar dan/atau jumlah unsur pencemar yang ditenggang keberadaannya dalam air limbah yang akan dibuang atau dilepas ke dalam sumber air dari suatu usaha dan/atau kegiatan (Kementerian Negara Lingkungan Hidup 2007). Baku mutu limbah cair industri pengolahan perikanan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Baku mutu air limbah bagi usaha/kegiatan pengolahan perikanan Parameter pH TSS Sulfida Amonia Klor bebas BOD COD Minyak-lemak
Satuan mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L
Kegiatan Pembekuan 100 10 1 100 200 15
Kegiatan Pengalengan 6-9 100 1 5 1 75 150 15
Pembuatan Tepung Ikan 100 1 5 100 300 15
Sumber: Kementerian Negara Lingkungan Hidup (2007)
Pengolahan limbah cair yang pertama dilakukan adalah penyaringan (screening), sedimentasi (sedimentation), pemisahan lemak dan minyak, dan pengapungan (flotation). Pengolahan limbah cair pada tahap pertama ini dilakukan untuk padatan yang mengapung dan mengendap. Penyaringan dapat menghilangkan padatan berukuran besar (lebih besar 0,7 mm). Sedimentasi dilakukan untuk menghilangkan padatan tersuspensi yang ada pada limbah cair. Limbah cair perikanan mengandung jumlah minyak dan lemak yang berbeda. Gravity separation dapat dilakukan untuk menghilangkan minyak dan lemak yang terdapat di permukaan dan tidak teremulsi. Pengapungan adalah pengolahan
6
limbah cair untuk menghilangkan minyak, lemak dan padatan tersuspensi. Sistem pengapungan merupakan sistem pengolahan limbah yang efektif karena dapat juga menghilangkan minyak dan lemak (FAO 1996). Tahap kedua pengolahan limbah cair adalah proses biologi dan kimia yang betujuan untuk menghilangkan material organik yang terdapat pada limbah cair. Tujuan pengolahan limbah cair secara biologi adalah untuk menghilangkan padatan yang tidak mengendap dan bahan organik terlarut dengan mikroba. Mikroorganisme
bertanggung
jawab
mendegradasi
bahan
organik
dan
menstabilkan limbah organik. Pengolahan limbah cair secara biologi dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu pengolahan limbah secara aerobik dan anaerobik. Proses pengolahan secara aerobik terdiri dari sistem lumpur aktif, aerated lagoons, aerasi, trickling filters, rotating biological contractors, dan pilihan pengolahan aerobik. Proses pengolahan secara anaerobik terdiri dari digestion system dan imhoff tanks. Pengolahan limbah cair dapat juga dilakukan secara fisikokimia, antara lain coagulation-floculation dan disinfection yang terdiri dari klorinasi dan ozonasi (FAO 1996).
2.2 Microbial Fuel Cell (MFC) Microbial fuel cells merupakan salah satu tipe biofuel cells. Beberapa tipe biofuel cells yang ada antara lain microbial fuel cells dan enzymatic fuel cells (Kim et al. 2002). Microbial fuel cells (MFCs) merupakan sistem atau alat yang menggunakan bakteri sebagai katalis untuk mengoksidasi bahan organik dan anorganik. Elektron diproduksi oleh bakteri dari substrat yang kemudian ditransfer ke anoda (kutub negatif) dan dialirkan ke katoda (kutub positif) yang disambungkan oleh perangkat konduktivitas termasuk resistor, atau dioperasikan dibawah muatan untuk menghasilkan listrik yang dapat menjalankan alat. Aliran positif pengukur arus mengalir dari kutub positif ke negatif, arah yang berlawanan dengan aliran elektron (Logan et al. 2006). Prinsip kerja sistem MFC adalah bakteri pada bejana anoda mentransfer elektron dari donor elektron ke elektroda anoda (Logan et al. 2006). Bakteri yang hidup pada bejana anoda mengkonversi substrat seperti glukosa, asetat dan juga limbah cair menjadi CO2, proton dan elektron. Bejana anoda berada dalam kondisi
7
anaerobik dan bakteri harus mengubah penerima elektron alaminya menjadi penerima elektron insoluble seperti anoda (Microbialfuelcell 2008). Penerimaan elektron ke anoda berlangsung melalui kontak langsung, kabel-kabel nano (nanowires) atau pengangkut elektron yang dapat larut. Selama produksi elektron, proton juga diproduksi dalam jumlah banyak. Proton ini bermigrasi melalui cation exchange membrane (CEM) ke bejana katoda. Elektron mengalir dari anoda melalui hambatan luar ke katoda tempat bereaksinya penerima elektron (oksigen) dengan proton (Logan et al. 2006). Gambar 1 menunjukan prinsip kerja dari sistem MFC. Reaksi yang terjadi pada sistem MFC dengan contoh substrat asetat adalah sebagai berikut: reaksi pada anoda
: CH3COO- + 2H2O 2CO2 + 7H+ + 8e-
reaksi pada katoda
: O2 + 4e- + 4H+ 2H2O
Keseluruhan reaksi yang terjadi merupakan degradasi substrat menjadi karbondioksida, air dan pada saat yang bersamaan dihasilkan listrik sebagai hasil samping. Berdasarkan reaksi pada elektroda, bioreaktor MFC dapat menghasilkan listrik dari aliran elektron di anoda ke katoda melalui rangkaian eksternal (Du et al. 2007).
Gambar 1 Prinsip kerja MFC (Logan et al. 2006). Sistem MFC harus mempunyai substrat yang dapat dioksidasi di bagian anoda. Elektron dapat ditransfer ke anoda oleh mediator elektron, membran yang terhubung langsung dengan transfer elektron, atau dengan nanowires yang
8
dihasilkan oleh bakteri (Logan et al. 2006). Pada sistem MFC, substrat merupakan faktor penting dalam efisiensi produksi listrik. MFC dapat dioperasikan pada suhu ruang dan dapat didesain untuk keperluan pada suhu mikroba dapat hidup. MFC dapat mengekstrak hampir 90% elektron dari komponen organik dan dapat berkelanjutan sendiri serta terbarukan saat terjadi kepadatan mikroorganisme yang menghasilkan energi melalui transfer elektron ke elektroda (Lovley 2006). Banyak mikroorganisme memiliki kemampuan untuk mentransfer elektron dari hasil metabolisme bahan organik ke anoda. Sedimen laut, tanah, limbah cair, sedimen air tawar, dan lumpur aktif merupakan sumber bahan organik untuk mikroorganisme. Tabel 3 menampilkan jenis mikrooganisme dengan substratnya pada sistem MFC. Tabel 3 Mikroorganisme pada sistem MFC Mikroba Actinobacillus succinogenes, Alcaligenes faecalis, Enterococcus gallinarum, Pseudomonas aeruginosa, Clostridium beijerinckii, Clostridium butyricum, Erwinia dissolven, Gluconobacter oxydans, Klebsiella pneumoniae, Lactobacillus plantarum, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, Streptococcus lactis Aeromonas hydrophila, Geobacter metallireducens, Geobacter sulfurreducens, Shewanella putrefaciens Clostridium beijerinckii, Clostridium butyricum Clostridium beijerinckii, Clostridium butyricum, Shewanella oneidensis, Shewanella putrefaciens Clostridium beijerinckii, Clostridium butyricum Desulfovibrio desulfuricans Escherichia coli Rhodoferax ferrireducens Rhodoferax ferrireducens Shewanella putrefaciens
Substrat Glukosa
Asetat Tepung kanji Laktat Molasses Sukrosa Glukosa sukrosa Silosa Maltosa Piruvat
Sumber: Du et al. (2007)
Sistem MFC dapat digunakan untuk berbagai macam tujuan termasuk monitoring aktivitas bakteri, penghasil listrik untuk area lokal, dan proses pengolahan limbah cair (Kim et al. 2002). Jumlah kekuatan listrik dari sistem MFC dalam proses pengolahan limbah cair secara potensial dapat membagi listrik yang dibutuhkan dalam
proses pengolahan
limbah konvensional
yang
mengonsumsi banyak tenaga listrik untuk proses aerasi lumpur aktif. Molekul
9
organik seperti asetat, propionat, butirat dapat didegradasi menjadi CO2 dan H2O. Beberapa sistem MFC menggunakan jenis mikroba yang mempunyai kemampuan khusus untuk mengurangi sulfida yang terdapat pada limbah cair. Pada beberapa kasus, MFC dapat mengurangi COD hingga 80%. Limbah rumah tangga dan limbah cair pengolahan makanan merupakan sumber biomassa yang baik untuk MFC karena memiliki bahan organik yang tinggi (Du et al. 2007).
2.3 Microbial Fuel Cell Satu Bejana Desain MFC yang sederhana dan efisien adalah MFC tanpa bejana katoda dan menempatkan katoda langsung dengan permukaan proton exchange membrane (PEM). Desain ini mengurangi penggunaan aerasi air karena oksigen di udara dapat langsung ditransfer ke katoda. Desain pertama yang dibuat pada skala laboratorium digunakan untuk menghasilkan listrik dari limbah cair, katoda ditempatkan di bagian tengah silinder, sehingga kamar anoda membentuk silinder mengelilingi katoda. Membran nafion direkatkan dengan katoda dan membran nafion tersebut berkontak langsung dengan larutan di dalam bejana anoda. Tipe kedua desain MFC satu bejana adalah tabung tunggal dengan dua elektroda berbentuk bulat ditempatkan bersebrangan di ujung tabung. Elektroda anoda ditutup untuk mencegah difusi oksigen ke kamar anoda, sementara itu satu sisi katoda terbuka ke udara dan sisi satunya menempel dengan PEM dan berada pada bagian bejana anoda yang berisi larutan (Logan 2005). Sistem kerja MFC satu bejana ditampilkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Sistem kerja MFC satu bejana (Lovley 2006).
10
PEM digunakan pada sistem MFC karena PEM sudah digunakan dalam hidrogen fuel cells. Saat air digunakan di dalam bejana anoda, PEM menjadi tidak berguna karena air akan mengahantarkan proton ke katoda. PEM dapat lebih efisien sebagai pembawa proton dibandingkan air, namun daya tahan internal sistem akan dibatasi oleh difusi proton di dalam air, bukan di dalam PEM. Oleh karena itu, pada beberapa studi PEM dihilangkan untuk meningkatkan tenaga yang dihasilkan oleh MFC (Logan 2005). Sistem MFC satu bejana, sistem dengan aliran yang berkelanjutan, dan tanpa membran merupakan sistem yang baik untuk pengolahan limbah cair karena dapat dikembangkan untuk skala besar (Du et al. 2007).
