Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018):144-148 144

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21(3) (2018):144-148 b»NUltrtui

QJurnal Kimia'-OSains dan AplikasiISSN:1410-8917

Jurnal Kimia-Sains &Aplikasi

e-ISSN: 2597-9914

Jurnal Kimia Sains dan AplikasiJournal of Scientific and Applied Chemistry

Journal homepage: http:/ /ejournal.undip.ac.id /index.php/ksa

Effect of Lactose Concentration as Lactobacillus bulgaricus Substrateon Potential Cells Produced in Microbial Fuel Cell Systems

Riska Anggri Kusuma a, W. H. Rahmanto 1, Linda Suyatia

a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang

* Corresponding author: linda suyati@live.undip.ac.id

https:/ /doi.org/io.iA7io/ jksa.2iAiAA-iA8

Article Info Abstract

The effect of laxose concentration as Lactobacillus bulgaricus bacterial substrate on thecell potential produced in Microbial Fuel Cell System has been done. This study aims todetermine the effect of lactose concentration as bacterial substrate, to generateelectricity, maximum electric potential and determine the potential value of standardlactose (E°Lactose) Based on Nernst equation. The MFC system of two compartments andbridges of salt as a linkage is used in this study. Anode contains lactose with variation ofconcentration 3 - 7% and bacteria.The cathode contains a lM KMO4. The electrodes usedare graphite. MFC operational time is 14 days. The results showed that the lactoseconcentration had an effect on the cell potential produced in the MFC system.Maximumcell potential yielded at 4% lactose concentration, that is 710 mV then based on Nerstequation theory obtained E°Lactose value in MFC system of + 0,236 V.

Article history:Received:1July 2018Revised: 25 July 2018Accepted: 26 July 2018Online: 31 July 2018

Keywords:Cell Potential,Lactobacillus bulgaricus,Lactose, MFC

Abstrak

Pengaruh konsentrasi laksosa sebagai substrat bakteri Lactobacillus bulgaricus terhadappotensial sel yang dihasilkan pada Sistem Microbial Fuel Cell telah dilakukan. Penelitianini bertujuan menentukan pengaruh konsentrasi laktosa sebagai substrat bakteri,untukmenghasilkan listrik, potensial listrik maksimum dan menentukan nilai potensialstandar laktosa (E°Laktosa) berdasarkan persamaan Nernst. System MFC duakompartemen dan jembatan garam sebagai penghubungnya.digunakan dalampenelitian ini. Anoda berisi laktosa dengan variasi konsentrasi 3 - 7% dan bakteri.Katoda berisi KM04 lM. Elektroda yang dipakai adalah grafit. Waktu operasional MFCadalah 14 hari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi laktosa berpengaruhterhadap potensial sel yang dihasilkan pada sistem MFC. Potensial sel maksimum yangdihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%, yaitu sebesar 710 mV kemudian berdasarkanteori persamaan Nerst diperoleh nilai E°Laktosa pada sistem MFC sebesar + 0,236 V.

Kata Kunci:Lactobacillus bulgaricus,Laktosa, MFC,Potensial sel

tersebut, ada yang berbahan bakar berasal dari alamseperti minyak bumi, air , panas bumi dan ada jugasumber energi listrik yang berasal dari senyawa kimia,seperti baterai. Namun semua bahan bakar listriktersebut disamping menguntungkan bagi manusia , jugadapat merugikan, sebagai contohberdampakpada polusi,

1. IntroductionPada era teknologi yang serba canggih seperti saat

ini, listrik sudah menjadi kebutuhan bagi manusia.Banyak perangkat elektronik yang diciptakan semuanyamembutuhkan energi listrik. Sumber energi listrik yangdigunakan untuk perangkat-perangkat elektronik

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018):144-148 145

dan keterbatasan bahan bakar itu sendiri. Maka dari itu,banyak peneliti melakukan penelitian untuk mencarisolusi dalam menciptakan sumber energi listrik yangramah lingkungan seperti biogas dan fuel cell. Fuel cellmerupakan baterai berbahan bakar hidrogen yangmengkonversi energi kimia menjadi energi listrik. Salahsatu jenis fuel cell yang sedang dikembangkan saat iniadalah Microbial Fuel Cell.

Preparasi bakteri Lactobacillus bulgaricus

Bibit bakteri Lactobacillus bulgaricus murnidimasukkan ke dalam medium MRS broth dalam kondisisteril dan diinkubasi selama 48 jam pada suhu 37 °C.Selanjutnya bakteri ini sebagai starter untuk dimasukkandalam laktosa dengan konsentrasi konsentrasi 3, 4, 5, 6dan 7% dan diinkubasi pula selama 48 jam pada suhu 37°C.

Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan suatu sistemyang mengubah energi kimia dalam bentuk campuranorganik menjadi energi listrik, dengan bantuan mikroba.Mikroba tersebut dapat mendegradasi medium organiksehingga menghasilkan elektron dan proton dari prosesreaksi reduksi dan oksidasi. Elektron inilah yang dapatmenghasilkan energi listrik [1]. Energi listrik yangdihasilkan dari sistem Microbial Fuel Cell (MFC) sangatdipengaruhi oleh banyak faktor seperti agitasi, rangkaianpada sistem MFC, konsentrasi substrat dan lain-lain.

Inayati dkk. [2] menyatakan bahwa agitasi padakompartemen anoda dalam sistem MFC denganmenggunakan substrat laktosa dan bakteri Lactobacillusbulgaricus, hasilnya dapat meningkatkan potensial sel.Hayati dkk. [3] telah meneliti pengaruh rangkaian serisistem MFC menggunakan bakteri Lactobacillus bulgaricusdengan substrat laktosa. Hasil yang diperoleh denganadanya rangkaian seri dapat meningkatkan potensial sel.Selain itu, Rohan dkk. [4] melakukan penelitian tentangvariasi konsentrasi glukosa 4-6% dengan bakteriEscherichia coli. Hasil yang diperoleh adalah potensial selmaksimal dihasilkan pada konsentrasi glukosa 5%.

Berdasarkan uraian tersebut di atas, maka padapenelitian ini akan mengkaji lebih dalam dari sisikonsentrasi substrat laktosa 3-7% dengan bakteriLactobacillus bulgaricus. Selain itu pada teori persamaanNernst menjelaskan bahwa potensial sel dipengaruhi olehkonsentrasi, oleh karena itu untuk menentukan nilaiE°Laktosadigunakan teori persamaan Nerst.

Kontruksi MFC

Rangkaian MFC terdiri dari dua kompartemen(anoda dan katoda) yang mempunyai volumelOOmL.Kedua kompartemen dihubungkan jembatangaram yang terbuat dari 5 gram agar-agar dan larutanKCL lM. Pada kompartemen anoda diisi bakteri yang telahdibiakkan sebanyak 20 mL, ditambahkan laktosasebanyak 60 mL dan larutan buffer fosfat 20 mL

Pengukuran potensial sel dan arus

Pengukuran potensial sel dan arus dilakukanmenggunakan alat ukur yang disebut multimeter. Untukmengetahui arus listrik pada MFC, maka pada salah satukutub dipasang hambatan (resistor), sedangkan untukmengetahui potensial sel, cukup dengan mengukur kutubanoda dan katoda pada MFC tanpa menggunakanhambatan. Pengukuran potensial dan arus dilakukanpada semua konsentrasi laktosa sampai mengalamipenurunan.Uji Karbohidrat Laktosa

Laktosa konsentrasi 3-7% dilakukan dengan ujibenedict. Lima tabung pereaksi yang berisi 5 mL laktosakonsentrasi 3, 4, 5, 6 dan 7%, dan ditambahkan larutanbenedict sebanyak 5 mL kemudian dipanaskan selama 5menit. Pengujian larutan hasil uji benedict dilakukanpengukuran absorbansi dengan spektrofometer uv-vis.Penentuan E°Laktosa

Pada teori persamaan Nernst menjelaskan bahwapotensial listrik dipengaruhi oleh konsentrasi. Daripersamaan Nernst tersebut dapat digunakan untukmenentukan nilai E°Laktosa.

2. Metode PenelitianBahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah bakteri Lactobacillus bulgaricus, laktosa, KMn04,MRS ( Media deMan Rogosa and Sharpe) broth, Media NA,agar-agar, alkohol, HC1, KC1, buffer fosfat pH = 7, NaOH,dan reagen Benedict.Alat

3. Hasil dan PembahasanDesain Alat Microbial Fuel Cell (MFC)

Alat MFC pada penelitian ini menggunakan sebuahkotak (inkubator) dengan panjang 60 cm, lebar 25 cm dantinggi 25 cm. Bagian dalam inkubator terdapat 5 pasangkompartemen anoda dan katoda dengan volume masing-masing kompartemen 100 mL. Inkubator didesainanaerob agar tidak ada oksigen yang masuk. Dalaminkubator tersebut dipasang sebuah kipas, lampu 5 wattdan termometer. Hal ini bertujuan untuk mengatur suhuoptimal pertumbuhan bakteri Lactobacillus bulgaricuspada suhu 37°C [5].

Masing-masing kompartemen dipasang resistorterkecil yang ada dipasaran dengan hambatan sebesar 1,1

Peralatan yang digunakan dalam penelitian inimeliputi autoklaf , anoda dan katoda karbon, erlenmeyer,gelas beker , gelas ukur , hotplate dan stirrer, inkubator,labu ukur, lampu LED, multimeter SANWA CD8ooa,mikro pipet , neraca analitik KERN ALS 220-4N, pipa U,reaktor MFC, resistor 1,10, spektrofotometer UV-Vis PGInstruments Limited Model T60U, termometer, tabungreaksi, kabel dan jarum ose.

E = E° − RT

nFln Q

E = E° − RT

nFln

ap

ar

E = E° − RT

nFln

[fCO2]12 × [aH2O]11

[aC12H22O11]1 × [ fO2

]12

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018):144-148 146Gambar 2. Grafik pengukuran potensial sel selama 14

hariQ yang dihubungkan ke anoda.dengan harapan bisamenghasilkan pembacaan potensial dan arus yangsebesar besarnya. Bagian bawah penutup inkubatordipasang kabel sepanjang 20 cm yang akandisambungkan ke elektroda pada masing-masingkompartemen. Berikut merupakam alat MFC yangdigunakan dalam penelitian (Gambar.i).

25«

200

i * Laktosa 3%

" •I.aklosa 4%J? 15«**

< 100 I.aklosa 5%

I.aklosa 6%

50 I.aklosa 7%

»«0 2 4 6 K 1« 12 14

NVaklu ( Hari)

Gambar 3. Grafik pengukuran arus selama 14 hari

Pengukuran potensial dan arus dilakukan secarakontinyu selama 14 hari. Pada hari ke-2 potensial danarus menunjukkan adanya kenaikan yang cukupsignifikan. Artinya pada hari kedua bakteri sudah dapatberadaptasi dan mengalami pertumbuhan yangmaksimum.

Gambar 1. Alat MFC

Elektroda yang digunakan pada setiap kompartemenadalah jenis elektroda grafit. Luas permukaan elektrodaini sebesar 14,6 cm2 dengan diameter 0,8 cm dan panjang5,7 cm. Elektroda direndam terlebih dahulu dalam HC11M dan NaOH 1M sebelum digunakan dalam sistem MFC,dengan tujuan untuk menghilangkan pengotor. Untukmenghubungkan anoda dan katoda dipasang jembatangaram yang berisi larutan KC1 1 M dan agar-agar.Jembatan garam berfungsi sebagai tempat protonberdifusi dari anoda ke katoda.

Sesuai dengan persamaan hukum omh : V = I.R,dimana V (potensial)yang berbanding lurus dengan I(arus) dan berbanding terbalik dengan R (tegangan) ,maka pada grafik 2 dan 3 bisa dijelaskan bahwa pada harike-3 sampai hari ke-14, potensial dan arus yangdihasilkan dari konsentrasi 3-4% mengalami penurunansecara drastis. Hal ini dikarenakan jumlah laktosa padakonsentrasi 3-4% tersisa 0,01 dan 0,02% sehinggamakanan bakteri sedikit, arus dan potensial yangdihasilkan juga lebih sedikit. Jumlah laktosa padakonsentrasi 5-7% masih tersedia sampai hari ke-14 yaitu0,37; 0,62 dan1,66%., sehingga jumlah makanan baktericukup untuk degradasi sampai pada hari ke- 14 danpotensial serta arus yang dihasilkan juga akan bertahanlebih lama . Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.

Anoda:

Potensial dan Arus pada Sistem MFC

Untuk mengetahui potensial dan arus yangdihasilkan pada sistem MFC, maka dilakukan pengukuranpotensial sel dan arus listrik pada masing-masingkonsentrasi laktosa. Pengukuran potensial sel dan aruslistrik dilakukan selama 14 hari pada sistem MFC, hasilyang diperoleh pada konsentrasi laktosa 3-7% sepertipada Gambar 2 dan Gambar 3.

Berdasarkan grafik pada Gambar 2, hasil potensialtertinggi pada konsentrasi laktosa 3-7% berturut-turutadalah 652 mV, 710 mV, 453 mV, 599 mV dan 558 mV.Grafik pada Gambar IV.3 menunjukan hasil arus tertinggipada konsentrasi laktosa 3-7% berturut-turut adalah203,8 pA, 221,9 pA,144,6 pA, 191,5 pA dan 174,4 pA.

800 •

700 •

600 •

1 500 •

|400 •

300 •

200 •

100 •

C12H22O11 + 13 H2O 12 CO2 + 48 H+ + 48 e

Katoda:

12 O2 + 48 H+ + 48 e_ -» 24 H2O E° = 1,23 V

Reaksi secara keseluruhan

C12H22O11 + 12 O2 12 CO2 + 11 H2O

Dari reaksi tersebut dapat ditinjau hubungankonsentrasi dengan potensial sel yang dihasilkan padasistem MFC dengan menggunakan persamaan Nernstsebagai berikut:* Laktosa 3%—

Laktosa 4%1Laktosa 5%

£Laklosa 6*/«

Laktosa 7%

00 2 4 6 8 10 12 14

Waktu ( Hari )

E = E° − RT

nFln

[1]12 × [1]11

(γC12H22O11∙ CC12H22O11

) × [1]12

E = E° − RT

nFln

1

γC12H22O11∙ [C12H22O11]

E = E° − RT

48 Fln

1

γC12H22O11∙ [C12H22O11]

E = E° − RT

48 Fln

1

[C12H22O11]

γ

aC12H22O11 Q =1

[C12H22O11]

E = E° − RT

nFln Q

E = E° − RT

nFln

1

[C12H22O11]

E0 = EO2|H2O0 − EC12H22O11|CO2

0

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018):144-148 147

metabolisme bakteri juga lebih sedikit yang melakukankontak dengan elektroda. Semakin sedikit jumlahelektron yang melakukan kontak dengan elektroda makaakan semakin kecil potensial yang dihasilkan.Penentuan E°Laktosa pada sistem MFC

Secara teoritis, nilai potensial sel dari sistem MFCdapat ditentukan dengan menggunakan persamaanNernst. Nilai potensial sel tersebut bergantung pada nilaiE°katoda dan E°anoda, di mana E°katoda merupakan nilai daripotensial sel standar pada reaksi pada reaksi katoda danE°anoda merupakan nilai dari potensial sel standar laktosa( E°Laktosa). Oleh karena nilai E°Laktosa belum diketahui,sehingga perlu ditentukan nilai E°Laktosa menggunakanpersamaan Nerst , dengan cara mengukur potensial selMFC yang dihasilkan sebagai Esei dan mengukurkonsentrasi laktosa untuk menentukan nilai Q.

Di mana: f = fugasitas, a = aktifitas, = koefisien aktifitas

Dari persamaan Nernst tersebut menunjukan bahwasemakin tinggi konsentrasi maka akan semakin tinggipotensial sel yang akan dihasilkan. Akan tetapi potensialsel tertinggi dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%. Halini dikarenakan potensial sel yang dihasilkan dari sistemMFC juga dipengaruhi oleh jumlah dan metabolismebakteri [6]. Jumlah dan metabolisme bakterimempengaruhi nilai dariAktifitas laktosa sebanding dengan aktifitas bakteri yangada pada sistem MFC. Aktifitas bakteri pada konsentrasilaktosa 4% dalam keadaan maksimal sehingga potensialmaksimum dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%.

Selain itu, dalam volume reaktor yang sama, semakinbanyak jumlah bakteri dapat menyebabkan kerapatanbakteri meningkat [7]. Kerapatan yang tinggi akanmengakibatkan elektron hasil metabolisme bakterisemakin sulit untuk mendekati elektroda , sehinggapotensial sel yang dihasilkan juga akan lebih kecil.Hubungan antara jumlah bakteri, konsentrasi laktosa danpotensial sel ditampilkan pada Tabel1.

Tabel1. Hubungan jumlah bakteri, konsentrasi laktosadan potensial sel setelah 14 hari

(aktifitas laktosa).

Dari nilai Q.tersebut dapat ditentukan nilai potensialsel laktosa dengan menggunakan persamaan Nernstsebagai berikut:

Hubungan nilai potensial sel (hasil pengukuran)dengan konsentrasi laktosa dapat menghasilkanpersamaan garis, sehingga dapat ditentukan nilaipotensial sel standar laktosa.

600

y = -285.29x + 994.38500Konsentrasi

LaktosasebelumprosesMFC%

JumlahBakteri

(Koloni/mL)

Konsentrasisetelah

proses MFCLaktosa (%)

400Potensialsel (mV) >£ 300

a200

100 X IO15 6523 0.01 100

102 X 1015

124 X 1015128 X 1015

154 X 1015

4 0.02 710 01.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.54535 0.37

0.62 In Q6 499

1.66 5587Gambar 5.Grafik hubungan potensial (E) dan In Q

Dari hasil tersebut menunjukan bahwa potensial selmaksimum dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%, halini dimungkinkan jumlah bakteri dalam keadaan optimal,sehingga elektron yang dihasilkan akan lebih mudahmelakukan kontak dengan elektroda. Pada konsentrasi 5,6 dan 7%, jumlah bakteri yang ada lebih banyakdibandingkan dengan jumlah bakteri pada konsentrasilaktosa 4% (Tabel 1), sehingga kerapatan bakteri padakonsentrasi laktosa 5, 6 dan 7% lebih tinggidibandingkan dengan pada konsentrasi 4% dan potensialyang dihasilkan lebih kecil. Jumlah bakteri yang ada padakonsentrasi laktosa 3% lebih sedikit dibandingkandengan konsentrasi laktosa 4%, sehingga elektron hasil

Dari grafik tersebut, persamaan garis yang diperolehdiubah ke dalam persamaan Nerst sehingga dapatdiprediksikan nilai dari E0

Laktosa. Nilai E°Laktosa dapatdihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Reaksi pada MFC:

C12H22O11 + 12 02 -> 12 C02 + 11 H20

Dari persamaan tersebut diperoleh nilai E°Laktosa

sebesar + 0,236 V.

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018):144-148 148

4. KesimpulanKonsentrasi laktosa sebagai substrat Lactobacillus

bulgaricus pada sistem MFC dapat berpengaruh padapotensial sel yang dihasilkan. Potensial sel maksimumyang dihasilkan dari sistem MFC adalah pada konsentrasilaktosa 4% sebesar 710 mV. Nilai E°Laktosa yang diperolehpada sistem MFC sebesar + 0,236 V.

5. Daftar Pustaka[1] Enas Taha Sayed , Takuya Tsujiguchi, Nobuyoshi

Nakagawa, Catalytic activity of baker 's yeast in amediatorless microbial fuel cell, Bioelectrochemistry,

(2012)https:/ /d0i.0rg/10.1016/ j.bi0elechem.2012.02.001

[2] Nor Sri Inayati, Agustina L. N. Aminin, Linda Suyati,The Bioelectricity of Tofu Whey in Microbial Fuel CellSystem with Lactobacillus bulgaricus, Jurnal Sains danMatematika , 23,1, (2015) 32-38

[3] Dini Noor Hayati, Rahmad Nuryanto, Linda Suyati,Effect of Series Circuit on the Lactose Bioelectricity ofa Microbial Fuel Cell System using Lactobacillusbulgaricus, Jurnal Sains dan Matematika, 23, 3, (2015)84-89

[4] D}souza Rohan, Verma Deepa, Gavankar Rohan,Bhalerao Satish, Bioelectricity Production fromMicrobial Fuel using Escherichia Coli (Glucose andBrewery Waste), International Research Journal ofBiological Sciences, 2, 7, (2013) 50-54

[5] P. Teixeira, H. Castro, C. Mohacsi-Farkas, R. Kirby,Identification of sites of injury in Lactobacillusbulgaricus during heat stress, Journal of AppliedMicrobiology,http:/ /dx.doi.0rg/doi:io.1046/j.1365-2672.IQQ7.00221.X

[6] C. Siu, M. Chiao, A Microfabricated PDMS MicrobialFuel Cell, Journal of Microelectromechanical Systems,

(2008)10.1109/JMEMS.2008.2006816

[7] Seung Won Lee, Bo Young Jeon, Doo Hyun Park,Effect of bacterial cell size on electricity generation ina single-compartmented microbial fuel cell,Biotechnology Letters, 32, 4, (2010) 483-487http://dx.d0i.org/10.1007/s1052Q-00Q-0184-1

86 97-101

(1997) 219-22683 2

6 1329-134117 ,