ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 20 (2) (2017) : 74 – 78
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pengaruh Konsentrasi Substrat Maltosa terhadap Potensial Listrik Baterai Lactobacillus bulgaricus (MFC)
Farida Zulfah Fitriani a , Linda Suyati a* , W. H. Rahmanto a
a Physical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang 50275
* 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: maltose,  battery  of MFC, Lactobacillus bulgaricus ,  substrate concentration
Battery of MFC is a fuel cell that producing electrical potential from oxidation of organic substrate with microbial aid. One of the factors that play role in determining large-small electricity  production  in  the  battery of  MFC  is  substrate  concentration.  Battery of  MFC development associated with substrates which are accessible, for example maltose. This study purpose to determining effect of concentration substrate maltose in MFC batteries, determining  electrical  potential  maximum  with  various  concentration  of  substrate maltose  using Lactobacillus  bulgaricus ,  and  determining  standard  potential  of  maltose (E° maltose )  based  on  Nernst  equation.  Electrical  potential  measurement  performed  at various maltose concentrations 3-7%. Lactobacillus bulgaricus can grow in the substrate maltose and increased a number of colonies per mL chopped along with bacterial activity towards substrate and the toxicity of bacteria caused decreasing electrical potential. The results of electrical potential measurement at various concentrations 3-7% of substrate maltose,  respectively  0.57  V;  0.51  V;  0.48  V;  0.46  V;  0.39  V.  In  the  theory  using Nernst equation  obtained  E° maltose equals  to  +  0.5637  Volt.  The  results  showed  that  the concentration of substrate maltose affecting battery of MFC system.

## A b s t r a k
Kata kunci: maltosa, baterai MFC, Lactobacillus bulgaricus , konsentrasi substrat Baterai  MFC  merupakan  bahan  bakar  penghasil  potensial  listrik  dari  oksidasi  substrat organik dengan bantuan mikrobial. Salah satu faktor yang berperan dalam menentukan besar-kecilnya  produksi  listrik  pada  baterai  MFC  adalah  konsentrasi  substrat. Pengembangan  baterai  MFC  berhubungan  dengan  substrat  yang  mudah  dijangkau, contohnya  adalah  maltosa.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menentukan  pengaruh konsentrasi  substrat  maltosa  dalam  baterai  MFC,  menentukan  potensial  listrik maksimum  dengan  variasi  konsentrasi  substrat  maltosa  menggunakan Lactobacillus bulgaricus , dan menentukan potensial standar maltosa (E° maltosa ) berdasarkan persamaan Nernst . Pengukuran potensial listrik dilakukan pada variasi konsentrasi substrat maltosa 3-7%.  Bakteri  Lactobacillus bulgaricus dapat  tumbuh  dalam  substrat  maltosa  dan mengalami  peningkatan  jumlah  seiring  dengan  peningkatan  konsentrasi  substrat. Potensial listrik yang dihasilkan berhubungan dengan aktivitas bakteri terhadap substrat dan toksisitas pada bakteri mengakibatkan penurunan potensial listrik. Hasil pengukuran potensial dan arus listrik pada variasi konsentrasi 3-7% berturut-turut, 0,57 V; 0,51 V; 0,48  V;  0,46  V;  0,39  V.  Secara  teori  menggunakan  persamaan Nersnt diperoleh  E° maltosa sebesar  +0,5637  Volt.  Hasil  tersebut  menunjukkan  bahwa  konsentrasi  substrat berpengaruh dalam sistem baterai MFC.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 20 (2) (2017) : 74 – 78

## 1. Pendahuluan
Teknologi baterai bahan bakar mikrobial ( Microbial Fuel Cell , MFC) merupakan pendekatan yang menjanjikan untuk  menghasilkan  bioelektrisitas  dari  biomassa menggunakan  mikroba  [1].  Energi  listrik  dapat digenerasi  melalui  proses  degenerasi  senyawa  organik oleh  mikroorganisme  dan  menarik  perhatian  kalangan saintis dari pertengahan tahun 80-an sampai awal tahun 90-an  [2].  Baterai  MFC  memiliki  berbagai  kelebihan dibandingkan  dengan  energi  listrik  alternatif  lainnya, diantaranya  memiliki  tingkat  efisiensi  yang  tinggi  dan dapat diaplikasikan pada berbagai tempat yang memiliki infrastruktur listrik yang kurang [3].
Sistem dalam baterai MFC ini dapat mengkonversikan  energi  kimia  melalui  aktivitas mikroorganisme  untuk  mengoksidasi  substrat  organik sehingga  menghasilkan  energi  dalam  bentuk  potensial listrik [4]. Potensial listrik berupa elektron dialirkan dari anoda  ke  katoda  melewati  sirkuit  eksternal  dan  proton dialirkan  melalui  membran  internal  yang  memisahkan kompartemen anoda dan katioda [5].
Mikroorganisme yang telah digunakan dalam sistem MFC  salah  satunya  adalah Lactobacillus  bulgaricus. Beberapa  peneliti  memanfaatkan  bakteri Lactobacillus bulgaricus sebagai penghasil listrik dengan faktor operasi sistem  MFC  yang  berbeda,  yaitu  variasi  kekeruhan ( Optical Desnsity , OD) dihasilkan arus listrik dan voltase optimum pada nilai OD 0,5 berturut-turut sebesar 0,287 mA  dan  200,7  mV  [6],  variasi  rangkaian  listrik  paralel dihasilkan  voltase  rangkaian  tunggal,  paralel  1,  dan paralel 2 masing-masing adalah 38,2 mV; 42,2 mV; dan 46,6 mV [7], variasi rangkaian listrik seri dihasilkan beda potensial  rangkaian  tunggal,  seri  1,  dan  seri  2  masing- masing  sebesar  45  mV,  57  mV,  dan  58  mV  [8],  variasi substrat yaitu whey tahu, glukosa, dan laktosa berturut- turut menghasilkan beda potensial sebesar 25,5 mV; 24,5 mV;  27,7  mV  [9].  Beberapa  penelitian  tersebut menunjukkan bahwa jenis bakteri Lactobacillus bulgaricus memiliki potensi untuk aplikasi MFC
Substrat  merupakan  faktor  yang  sangat  berperan dalam  besar-kecilnya  produksi  listrik  pada  sistem  MFC [9].  Substrat  digunakan  pula  untuk  menjadi  sumber nutrisi mikroba dalam melakukan metabolisme sel [10]. Beberapa  spesies  bakteri  tidak  dapat  menggunakan glukosa,  melainkan  menggunakan  karbohidrat  yang kompleks  seperti  disakarida,  yaitu  sukrosa,  laktosa, amilum,  dll  [10].  Penelitian  menggunakan  maltosa sebagai sumber karbon yang dimanfaatkan dalam sistem baterai  MFC  masih  sangat  minim  sehingga  perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengkaji potensi maltosa dalam baterai MFC.
Pada  penelitian  Rohan dkk. [10]  mengacu  pada  uji Minimal  Inhibitory  Concentration (MIC),  pertumbuhan mikroorganisme  yang  baik  adalah  pada  kisaran konsentrasi  substrat  glukosa  4-6%  dan  limbah  bir sebagai  substrat  diperoleh  potensial  listrik  yang  lebih besar  dari  substrat  glukosa,  yaitu  534  mV.  Penelitian tersebut  juga  menjelaskan  dimungkinkan  limbah  bir mengandung banyak komponen organik sebagai sumber
substrat  pertumbuhan  mikroba,  sehingga  dapat disimpulkan bahwa gula lain seperti sukrosa, maltosa, dll dapat digunakan juga untuk mengkaji peranannya dalam sel bahan bakar.
Hubungan  potensial  sel  dan  potensial  sel  standar pada  baterai  MFC  dapat  dinyatakan  dalam  persamaan Nernst di  mana  potensial  sel  standar  dipengaruhi  oleh nilai  potensial  standar  anoda  ( E ° anoda )  dan  potensial standar katoda ( E ° katoda ). Kecenderungan reaksi berjalan spontan dapat ditentukan dengan nilai potensial standar sel ( E ° sel ).
Berdasarkan uraian di atas, maka penulis mencoba untuk  mengkaji  dari  kosentrasi  substrat  maltosa  3-7% dengan bakteri Lactobacillus bulgaricus pada baterai MFC untuk menghasilkan potensial listrik. Selain itu substrat maltosa  pada  baterai  MFC  belum  mempunyai  nilai potensial  standar  ( E ° anoda ),  maka  perlu  ditentukan nilainya dengan panduan persamaan Nernst .

## 2. Metodologi
Bahan: Kultur  mikroba  Lactobacillus  bulgaricus, MRS broth , maltosa 3-7%, agar 5 g, nutrient agar, batang rafit, akuades, NaOH 1M, HCl 1M, KCl 1M, KMnO 4 0,2M, alkohol 70%, buffer fosfat pH 7.
Alat: Sel  MFC,  multimeter  digital,  inkubator,  kabel dan  penjepit  buaya,  timbangan  digital,  autoklaf,  pipet mikro,  jarum  ose,  gelas  beker,  gelas  ukur,  pipet  tetes, plastic  wrap,  kapas,  botol  kaca,  aluminium  foil, thermometer.

## Preparasi Mikroorganisme Lactobacilus bulgaricus
Preprasai  mikroorganisme  dilakukan  dengan menginokulasi bibit Lactobacillus bulgaricu s murni dalam media  MRS  broth  yang  telah  disterilisasi,  diinkubasi selama 48 jam pada suhu 37°C. Bakteri dalam MRS broth digunakan  sebagai  starter  untuk  adaptasi  bakteri Lactobacillus  bulgaricus dalam  substrat  maltosa  yang sudah disterilisasikan dan diinkubasi selama 48 jam pada suhu  37°C.  Adaptasi  dilakukan  sebayak  3  kali.  Bakteri setiap hasil adaptasi digunakan sebagai sampel untuk uji Total Plate Count (TPC). Bakteri hasil dari adaptasi ketiga dalam susbtrat maltosa digunakan dalam kompartemen anoda pada sistem baterai MFC.

## Uji Karbohidrat pada Substrat
Maltosa  konsentrasi  3-7%  diuji  menggunakan pereaksi  benedict.  Lima  tabung  reaksi  masing-masing berisi  5  mL  sampel  maltosa  konsentrasi  3-7%, ditambahkan  5  mL  pereaksi  benedict.  Larutan dipanaskan selama 4-5 menit. Pengujian larutan hasil uji benedict dilakukan dengan menggunakan spektrofotometri  visibel  sehingga  didapatkan  nilai absorbansinya  dan  dapat  diidentifikasi  konsentrasi substrat maltoda dalam sistem baterai MFC.
Preparasi Elektrolit KMnO 4 0,2 M
Larutan  KMnO 4 0,2  M  dengan  penambahan  buffer fosfat  pH  7  diisi  ke  dalam  kompartemen  katoda  dan dijaga  agar  tidak  terkena  cahaya  matahari  dengan
menutup  larutan  menggunakan  aluminium  foil  karena larutan mudah mengalami fotodekomposisi.

## Konstruksi MFC
Kompartemen  MFC  yang  digunakan  dalam penelitian ini adalah dua kompartemen yang terdiri dari anoda  dan  katoda  dengan  volume  masing-masing  100 mL.  Kedua  kompartemen  ini  dihubungkan  dengan jembatan garam. Pembuatan jembatan garam dilakukan dengan menambahkan  5%  agar  (w/v)  ke  dalam  larutan KCl 1M, kemudian dipanaskan dan dimasukkan ke dalam pipa  U.  Penggunaan  batang  grafit  dibersihkan  dan diaktifkan  terlebih  dahulu.  Elektroda  direndam  dalam larutan  HCl  1M  selama  1  hari  kemudian  dibilas  dengan akuades. Selanjutnya elektroda direndam dalam larutan NaOH  1M  selama  1  hari  dan  dibilas  dengan  akuades. Elektroda direndam  dalam  larutan akuades  hingga  saat digunakan.

## Perhitungan Populasi Bakteri
Sterilisasi tabung reaksi dan akuades menggunakan autoklaf,  kemudian  pengambilan  1  mL  sampel  kultur bakteri Lactobacillus  bulgaricus ke  dalam  9  mL  akuades steril  untuk  memproleh  pengenceran  10 -1 hingga  10 -5 .
Pengambilan 1 mL pada setiap pengenceran menggunakan  mikropipet  ke  dalam  cawan  petri  steril, kemudian penuangan nutrient agar steril ke dalam cawan petri  tersebut,  putar  perlahan  untuk  mengaduk campuran.  Setelah  memadat,  cawan  diletakkan  dalam posisi terbalik dan diinkubasi selama 48 jam pada suhu 37°C.  Perhitungan  populasi  dilakukan  dengan  metode hitung  cawan  total  ( Total  Plate  Count ,  TPC)  dan menggunakan persamaan:
Koloni per mL (cfu mL
⁄ ) = Jumlah koloni per cawan  × 1 Faktor pengenceran (1)
Pengukuran Potensial dan Arus Listrik pada Variasi Konsentrasi Substrat.
Substrat  yang  digunakan  adalah  maltosa  dengan kosentrasi 3-7%. Substrat ditempatkan dalam kompartemen  anoda  dan  ditambahkan  inokulum Lactobacillus bulgaricus . Pada kompartemen katoda berisi larutan KMnO 4 0,2 M yang ditambah dengan buffer fosfat pH  7.  Kompartemen  anoda  dan  katoda  diisi  dengan elektroda grafit, kemudian elektroda grafit dihubungkan dengan  rangkaian  kabel  pada  multimeter  digital. Langkah  selanjutnya  pengamatan  potensial  dan  arus listrik selama 10 hari.
Penentuan E° maltosa
Penentuan nilai E ° maltosa dapat dihitung secara grafis dengan panduan persamaan Nernst :
𝐸 = 𝐸 0 − RT nF ln Q (2)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Populasi Mikroorganisme Lactobacillus bulgaricus dalam Variasi Konsentrasi Substrat Maltosa
Hasil  perhitungan  cacah  bakteri Lactobacillus bulgaricus per  mL  dalam  setiap  konsentrasi  substrat maltosa 3-7% dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Hubungan konsentrasi maltosa dan jumlah koloni bakteri Konsentrasi Maltosa Jumlah Bakteri (Koloni/mL) 3% 131 x 10 5 4% 146 x 10 5 5% 162 x 10 5 6% 175 x 10 5 7% 185 x 10 5
Berdasarkan  tabel  tersebut  terlihat  bahwa  jumlah cacah koloni bakteri mengalami peningkatan pada setiap konsentrasi maltosa. Peningkatan tersebut menunjukkan  bahwa  bakteri Lactobacillus  bulgaricus dapat tumbuh dengan baik di dalam substrat maltosa.

## Potensial dan Arus Listrik pada Variasi Konsentrasi Substrat
Konsentrasi  substrat  merupakan  faktor  penentu besar-kecilnya  produksi  listrik  baterai  MFC,  sehingga dapat dituliskan bahwa konsentrasi substrat merupakan fungsi  dari  potensial  listrik  baterai  MFC.  Secara matematika dapat dituliskan dengan persamaan:
E MFC = f(C substrat ) T,C elektrolit ,𝑝𝐻,R bridge (2)
Fungsi  lainnya  seperti  temperatur,  konsentrasi elektrolit, pH, dan R bridge dikondisikan konstan agar tidak mengganggu produksi listrik terhadap fungsi konsentrasi substrat.
Hasil pengukuran potensial dan arus listrik dengan variasi  konsentrasi maltosa ditunjukkan  pada gambar  1 dan 2.
Gambar 1 . Potensial listrik yang dihasilkan pada variasi konsentrasi substrat maltosa
Gambar 2. Arus listrik yang dihasilkan pada variasi konsentrasi substrat maltosa
Data  pada  gambar  1  dan  2  menunjukkan  bahwa konsentrasi  maltosa  3-7%  mampu  menghasilkan potensial  dan  arus  listrik.  Potensial  listrik  maksimum untuk  konsentrasi  3%  dan  4%  muncul  pada  hari  ke  2, yaitu  0,57  Volt  dan  0,51  Volt,  konsentrasi  5%  dan  6% pada hari ke 3 dengan potensial 0,48 Volt dan 0,46 Volt, sedangkan  konsentrasi  7%  pada  hari  ke  4  dengan potensial listrik sebesar 0,39 Volt.
Perbedaan  waktu  dari  kelima  variasi  konsentrasi substrat  untuk  mencapai  potensial  maksimum dipengaruhi oleh jumlah populasi bakteri. Jumlah bakteri yang meningkat menyebabkan kerapatan bakteri dalam kompartemena  anoda  jg  meningkat.  Kerapatan  bakteri yang  tinggi  akan  menghambat  elektron  dari  hasil metabolisme  bakteri  untuk  mendekati  elektroda  dan menyebabkan waktu kontak antara elektroda dan bakteri cukup  lama,  sehingga  proses  transfer  elektron  juga membutuhkan  waktu  yang  lama.  Konsentrasi  substrat maltosa 3% menunjukkan jumlah populasi bakteri yang lebih rendah dimungkinkan kerapatan bakteri berkurang dan  waktu  tercapainya  potensial  dan  arus  listrik maksimum lebih cepat dibandingkan dengan konsentrasi substrat  maltosa  4-7%.  Kerapatan  bakteri  pada konsentrasi  substrat  maltosa  3%  yang  dimungkinkan kecil  maka  elektron  hasil  metabolisme  bakteri  dapat dengan  mudah  mendekati  elektroda  dan  menghasilkan potensial dan arus listrik yang lebih besar pula.
Pada  gambar  1  dan  2  juga  menunjukkan  adanya penurunan  nilai  potensial  listrik.  Hal  tersebut dimungkinkan  karena  selama  proses  MFC  berlangsung terjadi  pengurangan  nutrien  makanan  bakteri  serta peningkatan  produk  samping  berupa  CO 2 yang menyebabkan efek toksisitas sehingga pH menurun dan juga mengakibatkan penurunan metabolisme bakteri.

## Penentuan E°
maltosa
Hubungan  potensial  sel  yang  dihasilkan  dan konsentasi  substrat  pada  sistem  baterai  MFC menggunakan  persamaan Nernst (2)  mengacu  reaksi pada anoda:
C 12 H 22 O 10 + 13H 2 O → 12CO 2 + 48H + + 48e- (3), sedangkan pada katoda:
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O E° = + 1,23 V (4) sehingga didapatkan reaksi total:
C 12 O 22 H 11 + 12O 2 → 12CO 2 + 11H 2 O (5)
Berdasarkan reaksi total (5) maka persamaan Nernst yang didapatkan adalah sebagai berikut:
𝐸 = 𝐸 0 − 𝑅𝑇 𝑛𝐹 ln [𝑓 𝐶𝑂2 ] 12 [𝑎 𝐻2𝑂 ] 11 [𝑎 𝐶12𝐻22𝑂11 ] 1 [𝑓 𝑂2 ] 12 (6)
di mana α merupakan aktivitas, aktivitas CO 2 dan O 2 dinilai  dari  fugasitasnya  (f),  fugasitas  CO 2 dan  O 2 sama dengan satu. Aktivitas H 2 O sama dengan satu sedangkan γ merupakan koefisien aktivitas. Maltosa dalam larutan memiliki  nilai  koefisien  aktivitas  sama  dengan  satu, sehingga:
E = E 0 − RT 48F ln 1 [C 12 H 22 O 11 ] (7)
Jika, E°sel = E° katoda – E°anoda, maka
E sel 0 = E O 2 |H 2 O 0 − E C 12 H 22 O 11 |CO 2 0 (8)
Berdasarkan  persamaan Nernst (2)  nilai E ° sel ditentukan  secara  grafis  sehingga  didapatkan  nilai E ° maltosa.
Gambar 3. Grafik hubungan E dan ln Q
Hasil  perhitungan  menggunakan  persamaan  (8) diperoleh nilai E ° maltosa sebesar + 0,5637 Volt. Nilai E ° maltosa yang didapat bernilai positif, hal tersebut menunjukkan bahwa  reaksi  pada  penelitian  baterai  MFC  ini berlangsung secara spontan.

## 4. Kesimpulan
Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  konsentrasi substrat  maltosa  mempengaruhi  potensial  litrik  yang dihasilkan pada sistem baterai MFC. Konsentrasi maltosa 3%  merupakan  konsentrasi  yang  berpotensi  untuk pertumbuhan  bakteri Lactobacillus  bulgaricus dalam menghasilkan  potensial  listrik  sistem  baterai  MFC. Potensial standar maltosa dalam sistem baterai sebesar + 0,5637 Volt.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  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://dx.doi.org/10.1021/es0605016
[2]  F. J. Hernández-Fernández, A. Pérez de los Ríos, M. J. Salar-García,  V.  M.  Ortiz-Martínez,  L.  J.  Lozano- Blanco,  C.  Godínez,  F.  Tomás-Alonso,  J.  Quesada- Medina,  Recent  progress  and  perspectives  in microbial  fuel  cells  for  bioenergy  generation  and wastewater  treatment, Fuel  Processing  Technology ,
138, Supplement C, (2015) 284-297
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.05.022
[3]  Korneel  Rabaey,  Willy  Verstraete,  Microbial  fuel cells:  novel  biotechnology  for  energy  generation, Trends  in  Biotechnology ,  23,  6,  (2005)  291-298 http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2005.04.008
[4]  Sonal G. Chonde Chonde, Microbial Fuel cell: A New Approach  of  Wastewater  Treatment  with  Power Generation, International  Journal  of  Chemical, Environmental  and  Pharmaceutical  Research  (ijCEPr) , 5, 1, (2014) 8-12
[5]  Manaswini Behera, Partha S. Jana, Tanaji T. More, M.
M.  Ghangrekar,  Rice  mill  wastewater  treatment  in microbial fuel cells fabricated using proton exchange membrane  and  earthen  pot  at  different  pH, Bioelectrochemistry , 79, 2, (2010) 228-233 https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2010.06.002
[6]  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,  (2001)  32-38 http://dx.doi.org/10.7454/mst.v17i1.1925
[7]  Adi Putra, Rahmad Nuryanto, Linda Suyati, Lactose Bioelectricity  on  A  Microbial  Fuel  Cell  System Parallel Circuit Using Lactobacillus Bulgaricus , Jurnal Sains dan Matematika , 22, 4, (2014) 107-111
[8]  Dini  Noor  Hayati,  Rahmad  Nuryanto,  Linda  Suyati Suyati,  Effect  of  Series  Circuit  on  The  Lactose Bioelectricity of A Microbial Fuel Cell System Using Lactobacillus Bulgaricus , Jurnal Sains dan Matematika ,
23, 3, (2015) 84-89
[9]  Nor Sri Inayati, Agustina L. N. Aminin, Linda Suyati, The Bioelectricity of Tofu Whey in Microbial Fuel Cell System  with  Lactobacillus  Bulgaricus, 23 ,  1,  32-38,
(2015)
[10] D.  Rohan,  Deepa  Verma,  Rohan  Gavankar,  Satish Bhalerao,  Bioelectricity  production  from  microbial fuel  using  Escherichia  coli  (glucose  and  brewery waste), International  Research  Journal  of  Biological Sciences , 2, 7, (2013) 50-54