## ALCHEMY : JOURNAL OF CHEMISTRY

## Artikel Penelitian
Potensi Energi Listrik dari Microbial Fuel Cell (MFC) Menggunakan Substrat Molase dan Bakteri Pseudomonas sp.
Ilmi Wahyuni 1 , Heri Heriyono 1 , Aisyah 1* , Maswati Baharuddin 1 , Iswadi Ibrahim Patunrengi 2
1 Jurusan Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin, Makassar, Sulawesi Selatan, Indonesia, 92118
2 Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin, Makassar, Sulawesi Selatan, Indonesia,
92118 INFO ARTIKEL ABSTRAK Sejarah Artikel Diterima 4 April 2021 Direvisi 12 November 2021 Tersedia online 9 Maret 2022 * Penulis korespondensi: aisyah@uin-alauddin.ac.id Sugarcane  molasses  have  been  reported  as  potential  biomass  to  produce electricity  from  its  metabolic  processes  through  the  microbial  fuel  cell  (MFC) system. However, it is important to improve electrical generation by using both appropriate  and  readily  available  substrates  and  microorganisms.  This  study aimed  to  determine  the  current  and  potential  difference  as  well  as  the  power density generated from the metabolic process of the molasses substrate. A dual- chamber of MFC was arranged in series to generate electrical current. The anode chamber contained a mixture of molasses substrate, potassium phosphate buffer pH  7,  and Pseudomonas sp.  The  cathode  chamber  contained  0.2  M  KMnO 4 electrolyte  solution.  Measurement  of  current  and  potential  differences  was conducted  every  4  hours  for  36  hours.  The  results  showed  that  the  maximum current,  potential  difference,  and  power  density  were  1656  mV,  1582  µA,  and 1794.37 mW/m 2, respectively.
Keywords: dual chamber, microbial fuel cell, molasses, Pseudomonas sp.
Molase  telah  banyak  dilaporkan  sebagai  salah  satu  sumber  energi  listrik  yang potensial  dengan  menggunakan  sistem microbial  fuel  cell (MFC).  Namun demikian,  produksi  energi  listriknya  perlu  ditingkatkan  dengan  menggunakan substrat  dan  mikroorganisme  yang  tepat  dan  mudah  diperoleh.  Tujuan  dari penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  arus  dan  beda  potensial  serta  nilai kerapatan  daya  yang  dihasilkan  dari  proses  metabolisme  substrat  molase menggunakan bakteri Pseudomonas sp. Penelitian ini menggunakan sistem MFC kompartemen ganda sebanyak dua sel yang dirangkai seri. Ruang anoda berisi campuran substrat molase, buffer kalium fosfat pH 7 dan bakteri Pseudomonas sp. Adapun ruang katoda berisi larutan elektrolit KMnO 4 0,2 M. Pengukuran arus dan  beda  potensial  dilakukan  setiap  4  jam  selama  36  jam.  Berdasarkan  hasil penelitian yang dilakukan didapatkan nilai arus, beda potensial  maksimum dan kerapatan daya masing-masing sebesar 1656 mV, 1582 µA dan 1794,37 mW/m 2 . Kata kunci: dua sel, microbial fuel cell , molase, Pseudomonas sp.

## 1. Pendahuluan
Teknologi Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan salah satu teknologi penyediaan sumber energi listrik alternatif [1]. MFC  memanfaatkan  bakteri  untuk  mengubah  energi  kimia  menjadi  energi  listrik  melalui  reaksi  katalitik  pada  kondisi anaerob [2]. Mekanisme kerja bakteri pada sistem MFC adalah mengubah substrat organik terlarut menjadi proton (H + ), CO 2 , dan elektron yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan bantuan bakteri sebagai akseptor elektron. Bakteri
melakukan metabolisme terhadap substrat dan mengubahnya menjadi bentuk energi berupa ion H + pada ruang anoda bersama CO 2 dan elektron. Elektron ini kemudian dialirkan menuju ruang katoda melewati sirkuit yang akan menghasilkan muatan listrik. Pada ruang katoda terjadi reduksi oksigen oleh ion H + dan elektron yang menghasilkan air. Reaksi sistem dapat  dilihat  pada Persamaan  (1) dan (2) [3].  Mikroba  yang  telah  menghasilkan  energi  dari  proses  metabolisme, selanjutnya  akan  mentransfer  elektron-elektron  yang  dihasilkan.  Transfer  elektron  menggunakan  mediator  yang  akan menerima elektron intraseluler meninggalkan sel kemudian mengeluarkan elektron ke permukaan elektroda dalam keadaan tereduksi [4].
Ruang Anoda  :   C 2 H 4 O 2 + 2H 2 O → 2CO 2 +  8H + +  8e - Ruang Katoda  :   2CO 2 +  8H + +  8e - → 4H 2 O
MFC  menggunakan  substrat dari  bahan  organik karena  kelimpahannya  di  alam.  Selain itu,  substrat  organik  juga bersifat ramah lingkungan karena mampu mengolah bahan organik yang berpotensi menjadi limbah menjadi sesuatu yang lebih  bermanfaat.  Substrat  organik  dapat  berasal  dari  glukosa,  lemak,  protein,  selulosa  dan  senyawa-senyawa  asam organik  sederhana  seperti  laktat,  asetat  dan  butirat  [5].  Limbah  produksi  tahu  oleh  mikroba  dan  mikroalga  ( Spirulina platensis ) [6] , pupuk kandang oleh Escherichia coli [7], limbah tanaman jagung oleh Shewanella odinensis [8] dan limbah dapur oleh beberapa spesies mikroalga [9] telah menunjukkan potensi listrik dengan nilai kerapatan daya sebesar 171,44; 93; 660 dan 6255 mW/m 2 , berturut-turut.
Molase merupakan produk samping pembuatan gula tebu diketahui masih banyak mengandung gula dan asam-asam organik. Molase menjadi tempat hidup yang baik bagi bakteri ataupun mikroba karena kandungan gulanya. Kandungan sukrosa, protein dan asam laktat dari molase tebu masing-masing sebesar 48,8; 6,7 dan 6,1% [10]. Dengan kandungan sukrosa yang cukup tinggi, molase dapat dijadikan sebagai substrat sumber karbon untuk kebutuhan nutrisi bakteri dalam proses  metabolismenya.  Bakteri Pseudomonas sp.  diketahui  memproduksi  150  µg/mL  mediator  redoks  fenazin  yang mampu mendukung proses degradasi glukosa dengan nilai arus sebesar 19 µA/cm 2 [11]. Penelitian lain menunjukkan bahwa Pseudomonas aeroginosa mampu mendegradasi glukosa dan fruktosa dengan nilai kerapatan daya masing-masing sebesar 136 dan 3,6 mW/m 2 [12].

## 2. Bahan dan Metode

## 2.1. Bahan
Sampel molase diperoleh dari industri pembuatan gula di Kabupaten Takalar, Sulawesi Selatan dan isolat bakteri Pseudomonas  sp .  diperoleh  dari  Laboratorium  Mikrobiologi  FMIPA,  Universitas  Negeri  Makassar.  Bahan  lain  yang digunakan adalah agar (swallow), akuades, kalium permanganat (KMnO 4 ) 0,2 M, bufer kalium fosfat pH 7, media Nutrient Agar (NA), media Nutrient Broth (NB), asam klorida (HCl) 1 M, kalium klorida (KCl) padatan dan kawat tembaga.

## 2.2. Preparasi Mikroorganisme
Isolat bakteri Pseudomonas sp. digoreskan pada media NA yang telah dibuat dan inkubasi selama 1x24 jam pada suhu 37°C. Inokulum dibuat dengan mengambil isolat bakteri yang telah ditumbuhkan di media NA dan memasukan ke dalam erlenmeyer yang berisi media NB steril. Setelah itu, erlenmeyer yang berisi inokulum dikocok selama 24 jam dengan putaran 125 rpm pada suhu 37°C.

## 2.3. Pembuatan Bioreaktor MFC
Desain  kompartemen  ganda  dapat  dilihat  pada Gambar  1 .  Dua  buah  kompartemen  plastik  disatukan  dengan menggunakan pipa PVC. Pada bagian atas diberi celah sebagai tempat elektroda grafit dan kawat tembaga, kemudian semua komponen direkatkan dengan lem.
(1)
(2)
Preparasi elektroda dilakukan dengan merendam batang elektroda grafit dengan HCl 1 M selama 1x24 jam kemudian dibilas dengan akuades. Setelah itu, grafit kembali direndam dengan NaOH 1 M selama 1x24 jam, selanjutnya dibilas dengan akuades hingga elektroda siap untuk digunakan. Sebanyak 2,5 gram agar dilarutkan dengan 50 mL akuades, dipanaskan  dan  ditambahkan  1,5  gram  KCl  dan  dihomogenkan.  Larutan  agar  dimasukkan  ke  dalam  pipa  PVC  yang menghubungkan antara dua kompartemen, didiamkan hingga memadat dan jembatan garam siap untuk digunakan.

## 2.4. Pengukuran Arus dan Beda Potensial
Larutan elektrolit KMnO 4 0,2 M  sebanyak 250 mL  dimasukkan ke dalam ruang katoda. Adapun 235 mL substrat molase, 5 mL bufer kalium fosfat dan 10 mL inokulum Pseudomonas sp. dimasukkan ke dalam ruang anoda pada masing- masing kompartemen. Setelah itu, kompartemen dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan semua komponen alat ( Gambar  2 ).  Selanjutnya,  arus  dan  tegangan  diukur  setiap  4  jam  selama  36  jam.  Kerapatan  daya  dapat  ditentukan berdasarkan Persamaan (3) dimana; I adalah kuat arus, V adalah tegangan, A adalah luas permukaan elektroda.
Kerapatan daya (mW/m 2 )  = I ( mA ) x V (mV) A m 2
Gambar 2. Rangkaian alat untuk pengukur arus dan beda potensial

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada penelitian ini dilakukan pengukuran arus dan beda potensial dari limbah samping produksi pembuatan gula yaitu molase sebagai substrat dalam sistem MFC. Desain sistem MFC yang digunakan adalah kompartemen ganda sebanyak dua sistem yang dirangkai secara seri, dimana ruang anoda dan katoda dihubungkan oleh jembatan garam. Jembatan garam terbuat dari campuran antara agar dan KCl, dimana jari-jari ion K + lebih besar daripada jari-jari ion H + sehingga proton (H + ) akan dapat terdifusi menuju ruang katoda [13].
Setiap  sistem  MFC  pada  rangkaian  seri  akan  bekerja  masing-masing  sehingga  arus  dan  beda  potensial  yang dihasilkan lebih tinggi. Nilai arus dan beda potensial dapat dilihat pada Tabel 1 . Pengukuran arus dan beda potensial dilakukan setiap 4 jam selama 36 jam. Nilai arus dan beda potensial tertinggi ditunjukkan pada jam ke 20.00 hingga 24.00 berturut-turut sebesar 1582 μ A dan 1656 mV.
Tabel 1. Nilai Arus dan Beda Potensial Sistem MFC Pukul Tegangan (mV) Arus (µA) 08.00 1556 884 12.00 1584 1400 16.00 1588 1480 20.00 1600 1582 24.00 1656 1400 04.00 1607 529
Pada jam pertama nilai arus dan tegangan tercatat sebesar 884 μ A dan 1556 mV. Nilai ini menunjukkan bahwa bakteri sudah mulai menyesuaikan diri dengan lingkungan dan sumber nutrisi yang ada. Nilai arus dan tegangan tertinggi diperoleh pada jam 20.00 dan 24.00. Pada saaat ini, bakteri sudah melakukan adaptasi dan penyesuaian yang optimal dengan nutrisi sehingga proses pembelahan sel semakin banyak dan energi yang dihasilkan juga semakin tinggi. Akan tetapi, pada 4 jam
(3)
berikutnya energi yang dihasilkan sudah mulai menurun karena sumber nutrisi yang diperlukan oleh bakteri sudah mulai berkurang.
Penelitian  terdahulu  menggunakan  substrat  glukosa  pada  sistem  kompartemen  ganda  menghasilkan  arus  dan tegangan berturut-turut sebesar 561,83 mV dan 105,33 mA [14]. Hal ini menunjukkan bahwa substrat molase menghasilkan arus dan beda potensial yang lebih tinggi. Molase masih banyak mengandung komponen gula seperti sukrosa yang cukup tinggi untuk dijadikan sebagai sumber karbon bagi bakteri dalam proses metabolismenya.
Gambar 3. Pola pertumbuhan bakteri Pseudomonas sp. berdasarkan nilai arus listrik dari sistem MFC dengan substrat molase.
Gambar 3 menunjukkan pola kenaikan dan penurunan nilai arus listrik sesuai dengan pola pertumbuhan bakteri. Nilai arus diawal pengukuran sampai pada pukul 16.00 menunjukkan fase pertumbuhan bakteri yaitu fase lag dan pukul 20.00 bakteri berada pada fase puncak pembelahan sel atau berada pada fase stasioner. Pada pukul 24.00 sampai dengan 20.00 menunjukkan pola penurunan yang menjelaskan bahwa pada keadaan ini bakteri sudah berada pada fase kematian. Arus maksimum  yang  diperoleh  dari  substrat  molase  yaitu  1582 μ A.  Nilai  arus  maksimum  yang  diperoleh  ini  lebih  tinggi dibandingkan penelitian terdahulu yang menggunakan substrat kitin yaitu sebesar 4,24 μ A [15] dan substrat molase dengan bakteri pendegradasi Brevibacillus borstelensis STRI1 sebesar 630 μ A [16]. Tingginya nilai arus ini diduga karena adanya penambahan larutan bufer kalium fosfat pH 7 pada ruang anoda. Ion K + dapat berfungsi sebagai nutrisi tambahan yang diperlukan bakteri agar dapat tumbuh dan berkembang dengan baik sehingga jumlah elektron yang dihasilkan cukup tinggi [17].
Gambar 4. Pola pertumbuhan bakteri Pseudomonas sp. berdasarkan nilai tegangan listrik dari sistem MFC dengan substrat molase.
Selain nilai arus, nilai beda potensial juga diperoleh pada pengukuran ( Gambar 4 ). Terlihat bahwa nilai beda potensial maksimum  ditunjukkan  pada  jam  24.00  yaitu  sebesar  1656  mV.  Nilai  beda  potensial  yang  diperoleh  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  penelitian  terdahulu  yang  menggunakan  substrat  yang  sama  yaitu  sebesar  375,4  mV  [18].  Hal tersebut dikarenakan penggunaan jenis dan konsentrasi larutan elektrolit KMnO 4 0,2 M dengan potensial reduksi sebesar
0 400 800 1200 1600 2000 08,00 12,00 16,00 20,00 24,00 04,00 08,00 12,00 16,00 20,00 Ar us List rik (µA) Waktu (Pukul) 08.00 12.00 16.00 20.00 24.00 04.00 08.00 12.00 16.00 20.00 1200 1300 1400 1500 1600 1700 08,00 12,00 16,00 20,00 24,00 04,00 08,00 12,00 16,00 20,00 Teg an gan (m V) Waktu (Pukul) 12.00 16.00 20.00 24.00 04.00 08.00 12.00 16.00 20.00 04.00
1,70 V. Penggunaan jenis larutan elektrolit yang sesuai pada ruang katoda dapat mempengaruhi beda potensial yang dihasilkan [13]. Hal ini disebabkan karena MFC merupakan sistem bioelektrokimia yang melibatkan reaksi redoks maka dibutuhkan suatu oksidator yang cukup kuat untuk menangkap elektron dari ruang anoda. Selain itu, penggunaan jenis sistem MFC kompartemen ganda yang dibuat seri juga mempengaruhi beda potensial yang dihasilkan.
Berdasarkan  data  kuat  arus  dan  beda  potensial  maksimum,  kerapatan  daya  diperoleh  sebesar  1794,37  mW/m 2 . Kerapatan daya ini lebih tinggi dibandingkan penelitian terdahulu dengan sampel substrat yang sama dari  mikroorganisme campuran  yang  berasal  dari  lumpur  danau  yaitu  31,37  mW/m 2 [19].  Substrat  yang  sama  dengan  bakteri Shewanella oneidensis MR-1 menghasilkan kerapatan daya 690,9 mW/m 2 [20]. Substrat lain dari golongan sakarida seperti selulosa dengan pendegradasi Bacteroidetes menghasilkan nilai kerapatan daya kurang dari 200 mW/m 2 [21]. Perbedaan yang cukup besar ini dapat disebabkan karena energi yang dihasilkan sebagian digunakan oleh bakteri untuk memutuskan rantai panjang selulosa (polisakarida). Berbeda dengan substrat dari molase (disakarida), energi yang digunakan oleh bakteri untuk mengurai molase tidak terlalu besar karena rantai yang relatif pendek dibandingkan dengan rantai selulosa.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan didapatkan nilai maksimum arus dan beda potensial berturut-turut adalah  1656  mV  dan  1582 μ A  dengan  kerapatan  daya  sebesar  1794,37  mW/m 2 .  Pengembangan  lebih  lanjut  untuk mengetahui kondisi optimum metabolisme bakteri Pseudomonas sp. dan molase perlu dilakukan sehingga mendapatkan kerapatan daya yang maksimal dan stabil. Selain itu, diperlukan  dilakukan penelitian terkait penyimpanan energi yang dihasilkan.

## Ucapan Terima Kasih
Terima kasih yang sebesar-besarnya kami ucapkan kepada pimpinan Universitas dan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar atas dukungan dana untuk berlangsungnya penelitian dan publikasi naskah ini.

## Daftar Pustaka
[1]  Y.-Y. Yu, Y.-Z. Wang, Z. Fang, Y.-T. Shi, Q.-W. Cheng, Y.-X. Chen, W. Shi, & Y.-C. Yong , “Single Cell Electron Collectors for Highly Efficient Wiring-up Electronic Abiotic/Biotic Interfaces ,” Nature Communications , vol. 11, no. 4087,
2020.
[2] B. Kanani, “Microbial Fuel Cell, New Technologies in the Field of Green Energy and Wastewater Treatment,” Anatomy Physiology & Biochemistry International Journal , vol. 2, no. 5, pp. 87 – 89, 2017.
[3]  H. L. Song, Y. Zhu, & J. Li, “Electron Transfer Mechanisms, Characteristics and Applications of Biological Cathode Microbial Fuel Cells – A Mini Review ,” Arabian Journal of Chemistry , vol. 12, no. 8. pp. 2236 – 2243, 2019.
[4]  C. Santoro, C. Arbizzani, B. Erable, & I. Ieropoulos, “Microbial Fuel Cells: From Fundamentals to Applications. A Review ,” Journal of Power Sources , vol. 356, pp. 225 – 244, 2017.
[5]  Y.-G. Zhao, Y. Zhang, Z. She, Y. Shi, M. Wang, M. Gao, & L. Guo , “Effect of Substrate Conversion on Performance of Microbial Fuel Cells and Anodic Microbial Communities,” Environmental Engineering Science , vol. 34, no. 9, pp. 666 – 674, 2017.
[6]  A.  B.  Sahaq  &  Hadiyanto ,  “Bioelectricity Production  from  Tofu  Wastewater  using  Microbial-Microalgae  Fuel  Cell Technology (MMFC),” in AIP Conference Proceedings, vol. 2202, no. 020071, 2019.
[7]  X. Zheng & N. Nirmalakhandan, “Cattle Wastes as Substrates for Bioelectricity Production via Microbial Fuel Cells ,” Biotechnology Letters , vol. 32, no. 12, pp. 1809 – 1814, 2010.
[8]  Y.-Z. Wang, Y. Shen, L. Gao, Z.-H. Liao, J.-Z. Sun, & Y.- C. Yong, “Improving the Extracellular Electron Transfer of Shewanella oneidensis MR-1 for Enhanced Bioelectricity Production from Biomass Hydrolysate ,” RSC Advances , vol. 7, pp. 30488-30494, 2017.
[9]  Q. Hou, C. Nie, H. Pei, W. Hu, L. Jiang, & Z. Yang, “The Effect of Algae Species on the Bioelectricity and Biodiesel Generation through Open-Air Cathode Microbial Fuel Cell with Kitchen Waste Anaerobically Digested Effluent  as Substrate ,” Bioresource Technology , vol. 218, pp. 902 – 908, 2016.
[10]  A. Palmonari, D. Cavallini, C. J. Sniffen, L. Fernandes, P. Holder, L. Fagioli, I. Fusaro, G. Biagi, A. Formigoni, & L. Mammi, “Short Communication: Characterization of Molasses Chemical Composition ,” Journal of Dairy Science , vol. 103, no. 7, pp. 6244 – 6249, 2020. [11]  E. M. Bosire, L. M. Blank, & M. A. Rosenbaum, “Strain - and Substrate-Dependent Redox Mediator and Electricity Production by Pseudomonas aeruginosa ,” Applied and Environmental Microbiology , vol. 82, no. 16, pp. 5026-5038, 2016.
[12]  N. Ali, M. Anam, S. Yousaf, S. Maleeha, & Z. Bangash, “Characterization of the Electric Current Generati on Potential of the Pseudomonas aeruginosa Using Glucose, Fructose, and Sucrose in Double Chamber Microbial Fuel Cell,” Iranian Journal of Biotechnology , vol. 15, no. 4, pp. 216 – 223, 2017. [13]  I. Muftiana, L. Suyati, & D. S. Widodo, “The Effect of KMnO 4 and K 3 [Fe(CN) 6 ] Concentrations on Electrical Production in Fuel Cell Microbial System with Lactobacillus bulgaricus Bacteria in a Tofu Whey Substrate," Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi , vol. 21, no. 1, pp. 49-53, 2018.
[14]  M. A. Nurhakim, E. Kusdiyantini, & B. Raharjo , “Penggunaan Substrat Glukosa Berbagai Konsentrasi Sebagai Sumber Karbon  Microbial  Fuel  Cell Saccharomyces cerevisiae untuk  Menghasilkan  Energi  Listrik," Bioma:  Berkala Ilmiah Biologi , vol. 18, no. 2, pp. 131 – 136, 2016.
[15]  S.-W. Li, H. He, R. J. Zeng, & G.- P. Sheng, “Chitin Degradation and Electricity Generation by Aeromonas hydrophila in Microbial Fuel Cells ,” Chemosphere , vol. 168, pp. 293 – 299, 2017.
[16]  S. H. A. Hassan, A. E. A. Zohri, & R. M. F. Kassim, “Electricity Generation from Sugarcane Molasses Using Microbial Fuel Cell Technologies ,” Energy , vol. 178, pp. 538 – 543, 2019. [17]  D. Sari, L. Suyati, & D. S. Widodo, “Pengaruh Bufer Kalium Fosfat dan Natrium Fosfat terhadap Produksi List rik dalam Sistem Microbial Fuel Cell (MFC) dengan Lactobacillus bulgaricus pada Whey Tahu,” Journal Kimia Sains dan Aplikasi , vol. 19, no. 3, pp. 107 – 110, 2016.
[18]  M.  Öztürk  &  T.  A. Onat,  “The  Usage  of  Molasses and  Mediators  in  Microbial  Fuel  Cells,” Journal  of  the  Turkish Chemical Society B , vol. 5, no. 1, pp. 77 – 84, 2017.
[19]  L.  Fan,  D.-D.  Xu,  C.  Li,  & S.  Xue,  “Molasses Wastewater  Treatment  by  Microbial  Fuel  Cell  with  MnO 2 -Modified Cathode ,” Polish Journal of Environmental Studies , vol. 25, no. 6, pp. 2349 – 2356, 2016.
[20]  I. F. Nuryana, R. Puspitasari,  & S. R. Juliastuti, “Study of Electrode Modification  and Microbial Concentration  for Microbial Fuel Cell Effectivity from Molasses Waste and Reduction of Heavy Metal Cr(VI) by Continue Dual Chamber Reactor ,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 823, no. 012016 , 2020.
[21] R.  Toczyłowska -Mamínska,  K.  Szymona,  P.  Król,  K. Gliniewicz,  K.  Pielech-Przybylska, M.  Kloch,  &  B.  E.  Logan, “Evolving Microbial Communities in Cellulose - Fed Microbial Fuel Cell,” Energies , vol. 11, no. 124, 2018.