Prof. Ardiyan menjelaskan bahwa perubahan paradigma Teknik Kimia menjadikan efisiensi energi, minimalisasi, pemulihan sumber daya, ekonomi sirkular, dan dekarbonisasi sebagai fokus dalam pengembangan ilmu dan praktik Teknik Kimia modern. Perubahan tersebut juga ditandai dengan semakin besarnya peran sistem biologis.

Mikroorganisme yang sebelumnya dikenal terutama dalam fermentasi dan pengolahan limbah kini juga dimanfaatkan untuk memahami interaksi dengan material, transfer elektron, proses korosi, hingga pemulihan energi dari air limbah. Rekayasa bioelektrokimia kemudian mengintegrasikan sistem biologis dan elektrokimia untuk mempelajari interaksi mikroorganisme dengan material, transfer elektron, transformasi senyawa, dan kinerja suatu sistem.

Salah satu penelitian yang dipaparkan adalah mengenai biokorosi pada tangki penyimpanan biosolar. Peningkatan penggunaan biodiesel di Indonesia melalui program pemerintah, dari B5 hingga B35, turut menghadirkan tantangan pada sistem penyimpanan dan distribusi. Biodiesel lebih mudah menyerap air, teroksidasi, dan terdegradasi sehingga dapat mendukung pertumbuhan mikroorganisme dan pembentukan biofilm pada permukaan material. Aktivitas mikroorganisme dapat menghasilkan senyawa korosif yang mempercepat kerusakan material. Penelitian menunjukkan bahwa biofilm tidak hanya memengaruhi laju korosi, tetapi juga dapat memicu pitting corrosion atau korosi sumuran akibat terbentuknya lingkungan mikro dengan gradien oksigen, pH, nutrien, dan produk metabolit. Temuan tersebut menjadi dasar pengembangan mitigasi biokorosi yang lebih preventif dan prediktif melalui pencegahan, pemantauan, dan intervensi berdasarkan kondisi sistem.

Prinsip interaksi material dan transfer elektron yang dipelajari dalam biokorosi kemudian dikembangkan melalui microbial fuel cell (MFC) untuk menghasilkan energi listrik dari air limbah. Dalam sistem ini, mikroorganisme menguraikan senyawa organik di ruang anoda dan menghasilkan elektron serta proton. Elektron mengalir melalui rangkaian listrik menuju katoda, sedangkan proton bergerak melalui elektrolit dan membran hingga mendukung proses reduksi oksigen menjadi air.

“Artinya melalui sistem MFC ini kita bisa menguraikan air limbah sekaligus bisa menghasilkan listrik,” ujarnya. Pengembangan MFC memerlukan integrasi rekayasa reaktor, fenomena transport, ilmu material, mikrobiologi, dan elektrokimia.

Penelitian menggunakan air limbah tapioka menunjukkan bahwa jarak elektroda anoda dan katoda memengaruhi daya listrik yang dihasilkan. Jarak elektroda yang lebih pendek meningkatkan efisiensi transfer proton dan elektron sehingga hambatan internal dapat berkurang dan kinerja sistem meningkat.

Selain konfigurasi elektroda, biofilm juga berperan penting dalam mendukung transfer elektron menuju elektroda. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa struktur dan karakteristik biofilm memengaruhi efisiensi transfer elektron, sementara semakin tinggi kandungan bahan organik dalam air limbah, semakin besar potensi produksi listrik karena tersedianya lebih banyak sumber elektron. Namun, kondisi tersebut juga meningkatkan kompleksitas proses biologis sehingga sistem membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai kondisi stabil.

Dari penelitian MFC, pengembangan kemudian diarahkan menuju resource recovery atau pemulihan sumber daya melalui sistem bioreaktor berbasis mikroalga. Mikroalga dipilih karena mampu memanfaatkan cahaya, karbon dioksida, dan nutrien dalam air limbah untuk menghasilkan biomassa melalui fotosintesis dan respirasi.

Biomassa tersebut dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan produk bernilai tambah seperti lipid, protein, karbohidrat, dan pigmen. Pendekatan ini memungkinkan air limbah dan karbon dioksida tidak hanya dipandang sebagai beban lingkungan, tetapi juga sebagai sumber daya yang dapat dikonversi menjadi produk bermanfaat. Karena itu, pengembangan teknologi mikroalga juga membutuhkan rekayasa reaktor untuk menyediakan kondisi pertumbuhan yang optimal.

Untuk meningkatkan pengendalian pertumbuhan mikroalga, Prof. Ardiyan mengembangkan membrane photobioreactor (MPBR) yang mengintegrasikan kultivasi mikroalga dengan teknologi membran. Penelitian menggunakan palm oil mill effluent (POME) yang diambil dari PTPN Cikasungka, Bogor, dengan pengembangan sistem dari skala 1 liter menjadi 30 liter hingga 300 liter.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja MPBR dipengaruhi kondisi operasi, terutama keseimbangan antara kecepatan pengolahan limbah, pertumbuhan mikroalga, dan produksi senyawa bernilai tambah. Peningkatan aerasi mempercepat pertumbuhan mikroalga melalui peningkatan fotosintesis, sedangkan penurunan aerasi memberikan penyisihan bahan organik yang lebih baik. Perubahan waktu tinggal cairan juga menunjukkan adanya kompromi antara produktivitas mikroalga dan efisiensi pengolahan air limbah, serta dapat memengaruhi akumulasi senyawa seperti beta-karoten dan lipid.

Di balik keunggulannya, MPBR juga menghadapi tantangan berupa membrane fouling, yaitu pembentukan lapisan biofilm dan akumulasi biomassa pada permukaan membran yang dapat menurunkan fluks dan kinerja sistem. Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju reaksi berpengaruh terhadap pembentukan fouling dan stabilitas fluks membran. Critical flux menjadi parameter penting untuk menentukan kondisi operasi yang dapat meminimalkan fouling tanpa mengurangi produktivitas sistem.

“Temuan ini memberikan dasar penting bagi pengembangan MPBR yang lebih andal dan juga siap diterapkan pada skala yang lebih besar,” tutur Prof. Ardiyan.

Melalui berbagai penelitian tersebut, Prof. Ardiyan menekankan pentingnya integrasi berbagai bidang dalam pengembangan rekayasa bioelektrokimia, mulai dari mikrobiologi, ilmu material, fenomena perpindahan, rekayasa reaktor, hingga teknologi membran. Integrasi tersebut diperlukan untuk menghasilkan solusi yang mendukung keberlanjutan dan ekonomi sirkular.

Ia pun menyampaikan bahwa tantangan energi dan lingkungan dapat dipandang sebagai peluang untuk menciptakan nilai tambah melalui inovasi Teknik Kimia.

“Dengan memahami interaksi antara mikroorganisme, material, dan transfer elektron kita dapat mengembangkan teknologi yang mampu memulihkan sumber daya sekaligus mendukung pembangunan yang berkelanjutan,” ujarnya.