ISSN: 1410-8917
e-ISSN: 2597-9914
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (2) (2018): 70 – 74
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi

## Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Bioelectricity of Various Carbon Sources on Series Circuit from Microbial Fuel Cell System using Lactobacillus plantarum
Mufid Ainun a , Linda Suyati a*
a Physical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang
* Corresponding author: linda_suyati@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o

## A b s t r a c t
Keywords: Carbon source, Microbial Fuel Cell,
Lactobacillus plantarum , series circuit
Study  on  bioelectrisity  various  carbon  sources  on  the  circuit  series  Microbial  Fuel  Cell  using Lactobacillus plantarum has been conducted. This study aims to determine the electrical energy generated by various types of substrates in MFC and determe the effect of a series circuit of the electrical  energy  produced  using Lactobacillus  plantarum .  The  research  stage  consisted  of preparation stages MFC components, electrical power measurements on variations in the type of  substrate,  and  the  measurement  of  electrical  power  in  series  circuit  variation.  Electrical power measurements were performed on a variety of substrate types by comparing the electrical power  generated  by  the  fructose,  lactose  and  starch  substrates  while  the  electric  power measurements with series variations are used in single series, series 2 and series 3. The results of the maximum electrical power measurement on the variation of fructose, lactose and starch substrate in MFC system using Lactobacillus plantarum were obtained respectively 10,26 mW; 63 mW and 27.47 mW. The maximum electric power generated in the MFC system uses Lactobacillus plantarum in a single circuit, series 2, series 3 series with lactose substrate obtained respectively of 63 mW, 164.74 mW and 290.51 mW. The measurement of electrical power showed that the lactose substrate produces a greater power than the other substrates. Series circuit capable of increasing electrical power in MFC system.

## A b s t r a k
Kata Kunci: Sumber karbon, Microbial fuel cell,
Lactobacillus plantarum , rangkaian seri
Penelitian tentang bioelektrisitas berbagai sumber karbon pada rangkaian seri sistem Microbial Fuel Cell menggunakan Lactobacillus plantarum telah dilakukan. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan energi listrik yang dihasilkan oleh berbagai jenis substrat dalam sistem MFC dan menentukan pengaruh rangkaian seri terhadap energi listrik yang dihasilkannya menggunakan Lactobacillus  plantarum. Tahapan  penelitian  meliputi  preparasi  komponen  MFC,  pengukuran daya listrik pada variasi jenis substrat, dan pengukuran daya listrik pada variasi rangkaian seri. Pengukuran daya listrik pada variasi jenis substrat yaitu membandingkan  antara daya listrik yang dihasilkan oleh substrat fruktosa, laktosa dan amilum sedangkan pengukuran daya listrik dengan variasi rangkaian seri digunakan rangkaian tunggal, seri 2 dan seri 3. Hasil pengukuran daya listrik maksimum pada variasi substrat fruktosa, laktosa dan amilum dalam sistem MFC menggunakan Lactobacillus plantarum berturut-turut sebesar 10,26 mW; 63 mW dan 27,47 mW. Daya  listrik  maksimum  yang  dihasilkan  dalam  sistem  MFC  menggunakan Lactobacillus plantarum pada rangkaian tunggal, rangkaian seri 2, rangkaian seri 3 dengan substrat laktosa secara  berturut-turut  sebesar  63  mW,  164,74  mW  dan  290,51  mW.  Pengukuran  daya  listrik tersebut  menunjukkan  bahwa  substrat  laktosa  menghasilkan  daya  yang  lebih  besar dibandingkan  dengan  substrat  yang  lain.  Rangkaian  seri  mampu  meningkatkan  daya  listrik pada sistem MFC.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (2) (2018): 70 – 74

## 1. Pendahuluan
Senyawa  organik  di  alam  menyimpan  sejumlah energi yang besar dalam bentuk biomassa, namun belum dieksplorasi secara optimal dan menjadi objek degradasi mikroba. Salah satu cara untuk mengeksplorasi substrat biologis  ini  adalah  dengan  mendegradasinya  untuk pembangkitan  listrik  menggunakan  sel  bahan  bakar mikroba  atau microbial  fuel  cell (MFC).  MFC memanfaatkan  aktivitas  katabolik  dari  sel-sel  hidup (biokatalis) untuk mengubah energi kimia menjadi listrik [1].
Teknologi microbial  fuel  cell (MFC)  adalah pendekatan  yang  menjanjikan  untuk  menghasilkan bioelektrisitas dari biomassa menggunakan mikroba [2]. Permintaan  energi  saat  ini  telah  membuat  khawatir seluruh  dunia  dan  MFC  ini  telah  menjadi  kajian  yang menarik  didalam  kalangan  ilmuwan  sebagai  salah  satu cara  untuk  menghasilkan  bioenergi  atau  hidrogen  dari biomassa  tanpa  menimbulkan  masalah  pencemaran lingkungan.  Jenis  mikroba  di  ruang  anodik,  bentuk  sel bahan  bakar  MFC  dan  kondisi  operasi  mempengaruhi faktor-faktor tertentu seperti power output dan efisiensi coulomb [3].
Pengembangan  sel  bahan  bakar  mikroba  masih dalam masa pertumbuhan dengan kebutuhan perbaikan yang cukup sehubungan dengan output daya dan substrat yang mudah dijangkau [4,  5]. Senyawa organik di alam dapat  berupa  senyawa  molekul  rendah  hingga  senyawa makromolekul. Senyawa-senyawa tersebut yaitu monosakarida  seperti  fruktosa,  disakarida  seperti laktosa,  dan  bahkan  karbohidrat  kompleks  seperti  pati (amilum). Choi dkk memanfaatkan fruktosa, laktosa, dan pati  sebagai  sumber  karbon  dengan  biokatalis  bakteri Micrococcus luteus [6].
Teknologi  ini  mengubah  energi  yang  tersimpan dalam  senyawa  organik  menjadi  energi  listrik  melalui reaksi  katalitik  mikroorganisme.  Hal  ini  telah  menarik perhatian  banyak  peneliti  di  bidang  sains.  Dalam eksperimen  terbaru, microbial  fuel  cell menggunakan kultur  murni  menunjukkan  hasil  pembangkitan  tenaga listrik  yang  dicapai  tidak  sama  dengan  menggunakan kultur campuran. MFC dioperasikan dengan menggunakan  kultur  bakteri  campuran  mencapai kerapatan  arus  yang  lebih  besar  dibandingkan  dengan kultur murni [7].
Analisis populasi bakteri dari mikroorganisme yang ada di MFC sejauh ini telah diteliti dengan jenis bakteri yang  bervariasi  [3].  Fernandez  dan  Vega  telah menggunakan Lactobacillus  plantarum,  Streptococcus lactis ,  and Erwinia  dissolvens dalam  sistem  MFC menggunakan  substrat  glukosa  [8]  dan Lactobacillus bulgaricus juga telah digunakan dalam sistem MFC oleh Arbianti  [9].  Penelitian  tersebut  telah  menunjukkan bahwa jenis bakteri asam laktat (BAL) memiliki potensi sebagai biokatalisator untuk aplikasi MFC.
Kinerja  MFC  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor antara  lain  substrat,  membran  penukar  proton, kecepatan degradasi substrat, kecepatan transfer proton dan  elektron  dalam  larutan serta  rangkaian  listrik  [10].
Sistem  MFC  dengan  rangkaian  seri  berkaitan  dengan besar  tegangan  yang  dihasilkan,  dengan  rangkaian  seri akan  menghasilkan  tegangan  lebih  besar  dibanding dengan rangkaian tunggal [9].
Penggunaan  rangkaian  seri  sudah  dilakukan  oleh Jafary  dkk  menggunakan Saccharomyces  cerevisiae dan glukosa  sebagai  substrat  dengan  nafion  117  sebagai proton exchange membrane (PEM) mampu menghasilkan beda potensial maksimum sebesar 0,8 V pada rangkaian tunggal,  dan  beda  potensial  maksimum  sebesar  1,2  V pada  rangkaian  seri  [11].  Berdasarkan  penelitian  Jafary dkk  tersebut  menunjukkan  bahwa  rangkaian  seri  dapat meningkatkan beda potensial.
Dari uraian tersebut di atas maka pada penelitian ini menggunakan  fruktosa,  laktosa,  dan  amilun  sebagai substrat  yang  juga  berfungsi  sebagai  sumber  karbon  di kompar temen anoda untuk produksi bioelektrisitas dan mikroba jenis Lactobacillus plantarum sebagai biokatalisator dan menentukan pengaruh rangkaian seri terhadap  energi  listrik  yang  dihasilkan  dalam  sistem MFC tersebut.

## 2. Metode Penelitian

## Preparasi Mikroorganisme Lactobacillus plantarum
Preparasi  mikroorganisme  dilakukan  dengan menginokulasikan 1 mL bibit Lactobacillus plantarum dari stock ke dalam 100 mL media MRS (deMan Rogosa and Sharpe). Media MRS yang telah diinokulasi bibit mikroba diinkubasi selama 24 jam pada suhu 37 0 C.

## Uji Karbohidrat pada Substrat
Uji  karbohidrat  digunakan  metode  uji  seliwanoff untuk  fruktosa,  uji  fehling  untuk  laktosa  dan  uji  iod untuk  amilum.  Pada  uji  seliwanoff,  satu  buah  tabung reaksi  diisi  dengan  beberapa  tetes  larutan  fruktosa, kemudian  larutan  ditambah  dengan  5  mL  pereaksi Seliwanoff.  Uji  fehling  dilakukan  dengan  cara menambahkan pereaksi fehling yang terdiri dari fehling A yaitu larutan CuSO 4 dan fehling B yang terdiri dari K- Na-tartrat  dan  NaOH  ke  dalam  larutan,  kemudian dipanaskan sambil digoyang. Pada  uji  iod,  l mL  larutan amilum ditambahkan dengan 5 tetes larutan iodin.

## Konstruksi MFC
Kompartemen  MFC  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  dua  ruang  kompartemen  dengan volume  masing-masing  sebanyak  100  mL.  Kedua kompartemen ini dihubungkan dengan jembatan garam. Elektroda  yang  digunakan  adalah  grafit  dengan  luas permukaan 13,29 cm 2 .

## Pengukuran Energi Listrik Pada Variasi Substrat
Substrat  yang  digunakan  adalah  80  mL  fruktosa, laktosa, dan amilum dengan konsentrasi masing-masing 0,8%  (w/v).  Substrat  untuk  eksperimen  ditempatkan dalam  kompartemen  anoda  dan  ditambahkan  20  µL inokulum Lactobacillus  plantarum serta  20  mL  buffer fosfat 0,2 M pH 7. Untuk kompartemen katoda berisi 80 mL larutan KMnO 4 0,2 M yang ditambahkan dengan 20 mL  buffer  fosfat  0,2  M pH  7. Kedua  kompartemen  diisi
dengan  elektroda  grafit  yang  dihubungkan  dengan rangkaian  kabel  pada  multimeter  digital,  kemudian dilakukan  pengamatan  beda  potensial  dan  arus  listrik yang  dihasilkan  setiap  jam  selama  50  jam.  Dan selanjutnya dilakukan pengukuran pada rangkaian seri 2 dan rangkaian seri 3.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Pengukuran Daya Listrik pada Variasi Jenis Substrat
Pada penelitian ini, kompartemen anoda dioperasikan  tanpa  menggunakan  mediator  elektron ( mediatorless ),  dimana  elektron  yang  dihasilkan  dari degradasi  senyawa  organik  oleh  mikroba  disalurkan secara langsung menuju elektroda tanpa melalui bantuan zat  kimia  tambahan.  Beda  potensial  yang  diukur dalam penelitian  MFC  ini  disebut  juga  dengan Open  Circuit Voltage (Tegangan Sirkuit Terbuka) karena sirkuit listrik dalam  sistem  MFC  ini  tidak  diberikan  beban  atau hambatan listrik eksternal seperti resistor atau lampu.
Data  kuat  arus  dan  beda  potensial  yang  diperoleh diolah untuk mendapatkan nilai daya listrik yang dapat mewakili  produksi  listrik  yang  dihasilkan  oleh  sistem MFC.
Gambar 1. Beda potensial variasi substrat
Berdasarkan data yang tersaji pada gambar 1 terlihat bahwa  ketiga  substrat  yang  digunakan  yaitu  fruktosa, laktosa dan amilum mampu menghasilkan energi listrik (daya).  Daya  maksimum  untuk  substrat  fruktosa dihasilkan  pada  jam  ke  22  sebesar  10,26  mW,  untuk substrat laktosa daya maksimum dihasilkan pada jam ke 26 sebesar 63 mW, sedangkan amilum daya maksimum dihasilkan pada jam ke 20 yaitu sebesar 27,47.
Perbedaan  waktu  dari  ketiga  substrat  untuk mencapai  daya  maksimum  ini  dipengaruhi  oleh kekompleksan  struktur  molekul  dan  kemampuan Lactobacillus  plantarum dalam  mengkonsumsi  ketiga substrat  ini.  Fruktosa  adalah  bentuk  gula  yang  paling sederhana dibandingkan dengan ketiga substrat lainnya karena merupakan monosakarida, namun menghasilkan daya  yang  paling  rendah.  Hal  ini  disebabkan  karena kemampuan Lactobacillus plantarum dalam menghasilkan enzim fruktokinase kurang.
Fruktosa dimetabolisme melalui perubahan menjadi zat  antara  glikolisis.  Pertama,  enzim  fruktokinase melakukan  fosforilasi  terhadap  fruktosa.  Fruktosa  1- fosfat diputuskan oleh enzim fruktosa 1-fosfat aldolase menjadi dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida, dan
gliseraldehida  mengalami  fosforilasi  oleh  suatu  enzim triosa  kinase.  Baik  dihidroksiaseton  fosfat  maupun gliseraldehida  3-fosfat  adalah  zat  antara  pada  jalur glikolitik dan dapat masuk ke dalam jalur tersebut untuk menjadi piruvat sebagaimana tersaji pada gambar 2.
Gambar 2. Reaksi metabolisme fruktosa
Piruvat hasil dari penguraian fruktosa dalam reaksi glikolisis  selanjutnya  masuk  ke  dalam  siklus  kreb, kemudian  dilanjutkan  ke  rantai  transfer  elektron  dan fosforilasi oksidatif menghasilkan sejumlah elektron dan ATP.
Amilum adalah polisakarida yang terdiri dari banyak glukosa,  sehingga  mikroba  membutuhkan  waktu  yang lebih  lama  untuk  mengkonsumsinya  karena  harus memecah  amilum  menjadi  maltosa  dan  dekstrin- dekstrin  terlebih  dahulu  dengan  bantuan  enzim α - amilase. Namun, ini hanya terjadi pada fase awal reaksi metabolisme  karena  pada  tahap  selanjutnya  amilum telah  dipecah  menjadi  glukosa  sehingga  lebih  mudah dikonsumsi oleh bakteri Lactobacillus plantarum . Glukosa hasil hidrolisis tersebut akan diuraikan menjadi piruvat melalui reaksi glikolisis yang selanjutnya masuk ke siklus kreb  dan  diteruskan  ke  dalam  rantai  transfer  elektron dan fosforilasi oksidatif menghasilkan sejumlah elektron dan proton.
Gambar 3. Reaksi hidrolisis laktosa
Daya listrik tertinggi dihasilkan oleh substrat yang ketiga  yaitu  laktosa.  Laktosa  merupakan  gula  bentuk disakarida  dan  jenis  gula  yang  mudah  dimetabolisme oleh bakteri asam laktat seperti Lactobacillus plantarum, sehingga akan sangat mudah dalam mengkonsumsinya. Pada  proses  metabolisme,  laktosa  akan  dihidrolisis menjadi molekul sederhana yaitu glukosa dan galaktosa dengan bantuan enzim laktase (gambar 3).
Galaktosa  difosforilasi  menjadi  galaktosa  1-fosfat dengan bantuan  enzim  galaktokinase dan dapat diubah menjadi  glukosa  1-fosfat.  Kemudian  glukosa  1-fosfat diubah menjadi glukosa 6-fosfat dan selanjutnya masuk ke jalur glikolitik (gambar 4)
Gambar 4. Reaksi metabolisme galaktosa

## Daya Listrik pada Variasi Rangkaian Seri
Substrat  yang  menghasilkan  daya  listrik  tertinggi, yaitu  laktosa,  selanjutnya  dilakukan  pengukuran  daya listrik  pada  variasi  rangkaian  seri.  Tujuannya  adalah menentukan  pengaruh  rangkaian  seri  terhadap  energi listrik yang dihasilkan. Jenis rangkaian yang digunakan pada sistem MFC ini adalah rangkaian tunggal, rangkaian seri 2 dan rangkaian seri 3.
Gambar 5. Daya listrik substrat laktosa pada variasi rangkaian seri
Pengukuran  beda  potensial  dan  arus  listrik  pada penelitian ini menggunakan sistem Open Circuit Voltage (Tegangan Sirkuit Terbuka), dimana dalam sistem MFC ini  tidak  diberi  beban  atau  hambatan  listrik  eksternal seperti  lampu  atau  resistor.  Data  kuat  arus  dan  beda potensial  yang  diperoleh  tersebut  diolah  untuk mendapatkan  nilai  daya  yang  dapat  mewakili  produksi listrik yang dihasilkan sistem oleh sistem MFC.
Berdasarkan  gambar  5  menunjukkan  bahwa  daya listrik  yang  dihasilkan  pada  rangkaian  seri  dengan rangkaian tunggal berbeda. Daya listrik maksimum yang dihasilkan  pada  rangkaian  tunggal,  seri  2  dan  seri  3
berturut-turut  adalah  63  mW;  164,74  mW;  dan  290,51 mW pada jam ke 26. Rangkaian seri merupakan gabungan dari rangkaian tunggal sehingga nilai beda potensialnya pun  lebih  besar  dari  rangkaian  tunggal,  maka  akan meningkatkan  daya  listrik  maksimum  yang  dihasilkan juga.

## 4. Kesimpulan
Energi  listrik  maksimum  yang  dihasilkan  pada variasi  substrat  fruktosa,  laktosa  dan  amilum  dalam sistem  MFC  menggunakan Lactobacillus  plantarum berturut-turut sebesar 10,26 mW; 63 mW dan 27,47 mW. Rangkaian  seri mampu  meningkatkan  daya  listrik  pada sistem MFC, dimana pada rangkaian tunggal, rangkaian seri  2,  rangkaian  seri  3  dengan  substrat  laktosa  secara berturut-turut  sebesar  63  mW;  164,74  mW  dan  290,51 mW.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Juliane  Niessen,  Uwe  Schröder,  Fritz  Scholz, Exploiting  complex  carbohydrates  for  microbial electricity generation – a bacterial fuel cell operating on  starch, Electrochemistry  Communications ,  6,  9, (2004) 955-958
https://doi.org/10.1016/j.elecom.2004.07.010
[2]  Bruce E. Logan, Bert Hamelers, René Rozendal, Uwe Schröder,  Jürg  Keller,  Stefano  Freguia,  Peter Aelterman,  Willy  Verstraete,  Korneel  Rabaey, Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology,
Environmental  Science  &  Technology ,  40,  17,  (2006) 5181-5192 http://doi.org/10.1021/es0605016
[3]  Zhuwei Du, Haoran Li, Tingyue Gu, A state of the art review  on  microbial  fuel  cells:  A  promising technology for wastewater treatment and bioenergy, Biotechnology  Advances ,  25,  5,  (2007)  464-482 https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2007.05.004
[4]  Farida  Zulfah  Fitriani,  Linda  Suyati,  Wasino  Hadi Rahmanto, Pengaruh Konsentrasi Substrat  Maltosa terhadap  Potensial  Listrik  Baterai  Lactobacillus bulgaricus (MFC), Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi , 20, 2, (2017) 74-78 http://dx.doi.org/10.14710/jksa.20.2.74-78
[5]  Desvita  Sari,  Linda  Suyati,  Didik  Setiyo  Widodo, Pengaruh Buffer Kalium Fosfat dan Natrium Fosfat terhadap  Produksi  Listrik  dalam  Sistem  Microbial Fuel  Cell  (MFC)  dengan  Lactobacillus  bulgaricus pada Whey Tahu, Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi , 19, 3, (2016) 107-110 http://dx.doi.org/10.14710/jksa.19.3.107-110
[6]  Youngjin  Choi,  Eunkyoung    Jung,  Hyunjoo  Park, Seunho Jung, Sunghyun Kim, Effect of Initial Carbon Sources on the Performance of a Microbial Fuel Cell Containing
Environmental Microorganism
Micrococcus  luteus, Bulletin  of  the  Korean  Chemical Society , 28, 9, (2007) 1591-1594
[7]  Vanita  Roshan  Nimje,  Chien-Yen  Chen,  Hau-Ren Chen, Chien-Cheng Chen, Yuh Ming Huang, Min-Jen Tseng,  Kai-Chien  Cheng,  Young-Fo  Chang, Comparative bioelectricity production from various wastewaters  in  microbial  fuel  cells  using  mixed cultures and a pure strain of Shewanella oneidensis, Bioresource  Technology ,  104,  (2012)  315-323 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.09.129
[8]  Carmen A. Vega, Ivonne Fernández, Mediating effect of  ferric  chelate  compounds  in  microbial  fuel  cells with  Lactobacillus  plantarum,  Streptococcus  lactis, and  Erwinia  dissolvens, Bioelectrochemistry  and Bioenergetics , 17, 2, (1987) 217-222 https://doi.org/10.1016/0302-4598(87)80026-0 [9]  Rita Arbianti, Tania Utami, Heri Hermansyah, Deni Novitasari, Ester Kristin, Ira
Trisnawati,
Performance  Optimization  of  Microbial  Fuel  Cell (MFC)  Using  Lactobacillus  bulgaricus, Makara Journal  of  Technology ,  17,  1,  (2013)  32-38 http://doi.org/10.7454/mst.v17i1.1925
[10] Hong Liu, Shaoan Cheng, Bruce E. Logan, Production of  Electricity  from  Acetate  or  Butyrate  Using  a Single-Chamber  Microbial  Fuel  Cell, Environmental Science  &  Technology ,  39,  2,  (2005)  658-662 http://doi.org/10.1021/es048927c
[11]  Tahere  Jafary,  Mostafa  Rahimnejad,  Ali  Asghar Ghoreyshi,  Ghasem  Najafpour,  Fahime  Hghparast, Wan  Ramli  Wan  Daud,  Assessment  of  bioelectricity production in microbial fuel cells through series and parallel  connections, Energy  Conversion  and Management , 75, (2013) 256-262
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.06.032