Revolusi Tenaga – Bakteria Sebagai Sumber Elektrik

Penulis: Mimi Hani Binti Abu Bakar¹, PhD , Muhammad Nabil Alias², Lim Swee Su³, Chai Jun Heng⁴,
Institut Sel Fuel, UKM¹²³, Kolej Yayasan UEM⁴

1.0 PENGENALAN

Menurut sumber dari Jabatan Penerangan Malaysia, pada tahun 2017, suhu purata maksimum harian di seluruh Malaysia adalah sekitar 32°C. Namun begitu, pada tahun 2022, suhu purata maksimum tercatat meningkat kepada 35°C. Peningkatan suhu sebanyak 1.5°C menurut para saintis dianggap sebagai ambang kritikal kepada kebanyakan sistem, termasuk mengakibatkan pencairan ais di kutub. Oleh itu, kenaikan yang melebihi nilai ambang kritikal ini tentunya membawa kesan yang lebih serius. Salah satu sebab utama peningkatan suhu bumi adalah pertambahan gas rumah hijau yang semakin ketara. Gas-gas rumah hijau seperti karbon dioksida, metana, nitrus oksida, wap air, dan ozon memang secara semula jadi berfungsi untuk memerangkap haba, membolehkan bumi kita ini selesa untuk didiami. Namun, pembebasan karbon dioksida yang tidak terkawal dari pembakaran bahan api fosil dan sektor industri telah mempercepatkan peningkatan suhu lantas terjadinya pemanasan global. Pemanasan global ini turut menjejaskan sektor ekonomi seperti berkurangnya dapatan hasil tanaman dan tangkapan sumber laut.

Sedar akan isu ini, kerajaan Malaysia mula memandang secara serius kepada sumber tenaga hijau alternatif yang mesra alam dan lebih lestari. Antara sumber tenaga hijau yang semakin mendapat perhatian di negara ini adalah teknologi sel fuel membran pertukaran proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell/ PEMFC) yang menghasilkan elektrik daripada tindak balas hidrogen. Di Sarawak telah terdapat bas awam yang dimiliki oleh Sarawak Metro Sdn Bhd yang beroperasi menggunakan teknologi sel fuel ini. Namun, tahukah anda, selain dari  PEMFC, terdapat juga teknologi sel fuel yang mampu menjanakan elektrik menggunakan mikroorganisma sekaligus membersihkan alam sekitaran?

2.0 APAKAH TEKNOLOGI SEL FUEL MIKROB?

Teknologi sel fuel berasaskan biologi ini dikenali sebagai sel fuel mikrob (Microbial Fuel Cell/ MFC) adalah peranti yang menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Proses penukaran ini berlaku secara berterusan selagi adanya bahan pencemaran seperti air kumbahan untuk dimakan oleh mikroorganisma ini. Sistem MFC di dalam makmal kebiasaannya mempunyai dua ruang, iaitu ruang anod dan katod, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Ruang anod bersifat anaerobik manakala ruang katod adalah aerobik dan kedua-dua ruang ini dipisahkan oleh membran yang hanya membenarkan ion hidrogen (H⁺) atau turut dikenali sebagai proton untuk melaluinya.

3.0 BAGAIMANAKAH SISTEM SEL FUEL MIKROB BERFUNGSI?

Terdapat dua tindak balas kimia yang terlibat dalam sistem MFC, iaitu pengoksidaan dan penurunan. Sebagai contoh, asetat (CH₃COOH) yang digunakan sebagai substrat akan ditindak balaskan oleh mikoorganisma di ruangan anod. Mikroorganisma ini adalah elektroaktif dan akan melakukan respirasi secara anaerobik apabila berlakunya pengoksidaan substrat untuk menghasilkan karbon dioksida, proton, dan elektron. Proton akan bergerak ke ruangan katod melalui membran pertukaran proton tersebut (Rajah 2).

Perbezaan keupayaan antara anod yang kini bercas negatif dan katod yang bercas positif akan menyebabkan pengaliran elektron secara berterusan di litar luar dari anod ke katod. Di katod, elektron akan bertindak balas dengan proton serta menurunkan penerima elektron seperti oksigen bagi menghasilkan air.

Anda mungkin bertanya sama ada penghasilan karbon dioksida sepanjang proses ini akan menyumbang kepada pemanasan global. Sebenarnya tidak, kerana karbon dioksida yang dihasilkan akan diserap semula ke dalam kitaran karbon, bagi mencapai pelepasan karbon sifar bersih (net zero carbon emission).

4.0 APAKAH KELEBIHAN TEKNOLOGI SEL FUEL MIKROB?

Antara aplikasi MFC menyumbang kepada pelepasan karbon sifar bersih, adalah melalui perawatan air sisa atau kumbahan, seperti kumbahan domestik dan air sisa kilang petroleum (Rajah 3). Bahan pencemar organik yang terdapat di dalam air akan dioksidakan oleh MFC, sekaligus menurunkan kandungan bahan pencemar yang boleh dipantau melalui nilai bacaan permintaan oksigen kimia (chemical oxygen demand/ COD). Nilai bacaan COD ini merupakan penunjuk kepada kepekatan bahan pencemar organik di dalam air. Pada masa yang sama, oleh kerana sistem ini menghasilkan elektron daripada pengoksidaan mikroorganisma, MFC adalah berpotensi dijadikan sebagai alat biosensor pemantauan dan pembersihan yang mampu bermandiri dengan menjanakan elektriknya sendiri selagi adanya bahan pencemar organik. Selain itu, kajian berkenaan keupayaan mikroorganisma dalam bioremediasi, turut mendapat tempat di dalam kajian integrasi bersama MFC bagi tujuan kitar semula logam berharga dan penghasilan gas hidrogen sebagai sumber tenaga baru yang mesra alam.

5.0 CABARAN TEKNOLOGI SEL FUEL MIKROB

Walaupun teknologi ini mempunyai banyak kelebihan, terdapat cabaran yang perlu diatasi untuk memperluas dan mengindustrikan teknologi MFC. Salah satu cabarannya ialah kestabilan sistem, kerana kebanyakan penyelidikan dijalankan dalam tempoh masa yang pendek kurang dari tiga tahun. Oleh kerana teknologi ini berkembang dari teknologi sel fuel kimia, komponen-komponen binaannya seperti membran dan elektrod katod adalah hampir sama. Hal ini meningkatkan kos pembuatan sistem. Selain itu, kos operasi untuk mengepam efluen dan pengadukan juga merupakan faktor yang signifikan. Walaupun teknologi MFC ini mampu untuk menurunkan nilai COD sehingga hampir 100%, namun output elektrik yang terhasil masih kecil dan tidak berkadaran dengan kecekapannya di dalam mengurangkan kesan pencemaran air. Akhir sekali, jangka masa permulaan pengoperasian sistem MFC memerlukan masa yang panjang antara 1 hari hingga 65 hari.  Oleh itu, lebih banyak kajian dan inovasi diperlukan untuk mengatasi cabaran-cabaran ini agar teknologi MFC dapat direalisasikan sepenuhnya.

6.0 TREND PENYELIDIKAN SEL FUEL MIKROB

Walaupun ilmu dan teori asas MFC telah dibangunkan, tetapi masih banyak bahagian yang memerlukan penyelidikan lanjut. Trend penyelidikan terkini dalam MFC termasuklah penggunaan elektrod yang murah dan berkecekapan tinggi. Banyak ahli sains sedang mengkaji struktur nano elektrod dan berusaha mengubahnya untuk menghasilkan elektrod yang lebih efisien. Selain itu, pelbagai jenis membran pertukaran proton sedang dikaji, termasuk membran dinamik, membran filtrasi nano, dan bahkan MFC tanpa membran. Penyelidikan mengenai fungsi MFC sebagai biosensor juga semakin popular, dengan eksperimen yang mengukur permintaan oksigen biokimia (BOD) dan COD dalam pelbagai substrat. Pada masa yang sama, usaha untuk meningkatkan pengeluaran elektrik oleh MFC terus giat dijalankan. Bidang penyelidikan ini menawarkan banyak potensi untuk inovasi dan penambahbaikan teknologi SFM.

KESIMPULAN

Kemampuan teknologi MFC untuk menjana elektrik sambil mengurangkan sisa air adalah seperti serampang dua mata. Namun, cabaran yang telah dikenal pasti perlu diselesaikan sebelum teknologi ini dapat diaplikasikan secara meluas dalam industri. Prospek masa depan teknologi MFC adalah amat cerah, dan mungkin juga anda tergolong sebagai ahli sains yang memberi sumbangan penting kepada perkembangan teknologi ini bagi masa hadapan yang lebih baik:

Banjir melanda terlalu cepat

Hilang nyawa hilangnya harta

Jagalah bumi sebelum terlambat

Untuk peninggalan anak cucu kita

RUJUKAN

Arun, J., SundarRajan, P., Grace Pavithra, K., Priyadharsini, P., Shyam, S., Goutham, R., Hoang Le, Q., & Pugazhendhi, A. (2023). New insights into microbial electrolysis cells (MEC) and microbial fuel cells (MFC) for simultaneous wastewater treatment and green fuel (hydrogen) generation. Fuel, 355, 129530. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129530

Boas, J. V., Oliveira, V. B., Simões, M., & Pinto, A. M. (2022). Review on microbial fuel cells applications, developments and costs. Journal of Environmental Management, 307, 114525. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.114525

Brunschweiger, S., Ojong, E. T., Weisser, J., Schwaferts, C., Elsner, M., Ivleva, N. P., Haseneder, R., Hofmann, T., & Glas, K. (2020). The effect of clogging on the long-term stability of different carbon fiber brushes in microbial fuel cells for brewery wastewater treatment. Bioresource Technology Reports, 11, 100420. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2020.100420

Diaz, F. (2022). An Analysis of Global Trends from 1990 to 2022 of Microbial Fuel Cells: A Bibliometric Analysis. Sustainability, 15(4), 3651. https://doi.org/10.3390/su15043651

Lu, H., Yu, Y., Xi, H., Zhou, Y., & Wang, C. (2020). A quick start method for microbial fuel cells. Chemosphere, 259, 127323. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127323

Nawaz, A., Hafeez, A., Abbas, S. Z., Haq, I. ul, Mukhtar, H., & Rafatullah, M. (2020). A state of the art review on electron transfer mechanisms, characteristics, applications and recent advancements in microbial fuel cells technology. In Green Chemistry Letters and Reviews (Vol. 13, Issue 4, pp. 101–117). Taylor and Francis Ltd. https://doi.org/10.1080/17518253.2020.1854871

Obileke, K., Onyeaka, H., Meyer, E. L., & Nwokolo, N. (2021). Microbial fuel cells, a renewable energy technology for bio-electricity generation: A mini-review. Electrochemistry Communications, 125, 107003. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2021.107003

Palanisamy, G., Jung, H., Sadhasivam, T., Kurkuri, M. D., Kim, S. C., & Roh, S. (2019). A comprehensive review on microbial fuel cell technologies: Processes, utilization, and advanced developments in electrodes and membranes. Journal of Cleaner Production, 221, 598-621. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.172

Sonawane, J. M., Mahadevan, R., Pandey, A., & Greener, J. (2022). Recent progress in microbial fuel cells using substrates from diverse sources. In Heliyon (Vol. 8, Issue 12). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e12353

Srivastava, R. K., Boddula, R., & Pothu, R. (2021). Microbial fuel cells: Technologically advanced devices and approach for sustainable/renewable energy development. Energy Conversion and Management: X, 13, 100160. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2021.100160

Stamatelatou, Katerina., & Tsagarakis, K. P. (n.d.). Sewage treatment plants : economic evaluation of innovative technologies for energy efficiency.

Tan, W. H., Chong, S., Fang, H. W., Pan, K. L., Mohamad, M., Lim, J. W., Tiong, T. J., Chan, Y. J., Huang, C. M., & Yang, T. C. K. (2021). Microbial fuel cell technology—a critical review on scale-up issues. In Processes (Vol. 9, Issue 6). MDPI AG. https://doi.org/10.3390/pr9060985

Zhang, M. (2024). Microbial Fuel Cell Technology and Its Research Progress. In Highlights in Science, Engineering and Technology MSMEE (Vol. 2024).

Zhao, J., Li, F., Cao, Y., Zhang, X., Chen, T., Song, H., & Wang, Z. (2021). Microbial extracellular electron transfer and strategies for engineering electroactive microorganisms. Biotechnology Advances, 53, 107682. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107682

Zhu, Q., Hu, J., Liu, B., Hu, S., Liang, S., Xiao, K., Yang, J., & Hou, H. (2022). Recent Advances on the Development of Functional Materials in Microbial Fuel Cells: From Fundamentals to Challenges and Outlooks. Energy & Environmental Materials, 5(2), 401-426. https://doi.org/10.1002/eem2.12173