Rachmad  Ramadhan  Yogaswara * ,  Ayu  Shafira  Farha,  Khairunnisa,  Memik  Dian  Pusfitasari,  Adrian Gunawan: studi penambahan mikroorganisme pada substrat limbah pome terhadap kinerja microbial fuel cell

## STUDI PENAMBAHAN MIKROORGANISME PADA SUBSTRAT LIMBAH POME TERHADAP KINERJA MICROBIAL FUEL CELL
Rachmad Ramadhan Yogaswara * , Ayu Shafira Farha, Khairunnisa, Memik Dian Pusfitasari, Adrian Gunawan
Program Studi Teknik Kimia, Jurusan Teknologi Industri dan Proses, Institut Teknologi Kalimantan Kampus ITK Karangjoang, Balikpapan, 76127 Telp : (0542)-8530800, Fax : (0542)-8530801 Email: r.yogaswara@itk.ac.id

## Abstrak
Sel bahan bakar (fuel cell) sebagai sumber energi listrik alternatif yang menggunakan prinsip reaksi  bioelektrokimia  dengan  memanfaatkan  mikroorganisme  disebut  Microbial  Fuel  Cell  (MFC). Substrat dan mikroorganisme merupakan hal yang sangat berpengaruh terhadap kinerja MFC dalam memproduksi  energi  listrik.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengkaji  pengaruh  penambahan mikroorganisme  ke  dalam  substrat  terhadap  kinerja  MFC.  Substrat  yang  digunakan  adalah  limbah cair pengolahan kelapa sawit yang sering disebut POME (palm oil mill effluent). Terdapat dua jenis mikroorganisme yang masing – masing ditambahkan ke dalam substrat POME, yakni Saccharomyces cerevisiae dan bakteri Escherichia coli. Proses bio-listrik ini dilakukan dengan dual-chamber reactor sebagai  anoda  dan  katoda  yang  dihubungkan  dengan  jembatan  garam  dan  terdapat  elektroda  di setiap  chamber  yang  dihubungkan  dengan  kabel  tembaga.  Hasil  yang  didapatkan  adalah penambahan  S.  cerevisiae  menurunkan  power  density  yang  dihasilkan  oleh  MFC  dibandingkan dengan  POME  murni.  Sebaliknya,  penambahan  bakteri  E.  coli  ke  dalam  substrat  POME  membuat listrik  yang  diproduksi  oleh  MFC  semakin  meningkat.  Power  density  tertinggi  yang  diperoleh  pada penambahan  S.  cerevisiae  sebesar  103,15  mW/m 2 ,  sebaliknya  pada  penambahan  E.  coli  diperoleh power density tertinggi sebesar 103,02 mW/m 2 .
Kata kunci : Escherichia coli, microbial fuel cell, limbah POME, Saccharomyces cerevisiae

## STUDY  OF  ADDITION  MICROORGANISMS  ON  POME  WASTE SUBSTRATE TO MICROBIAL FUEL CELL PERFORMANCE

## Abstract
Microbial  Fuel  Cell  (MFC)  as  an  alternative  energy  resources  is  being  investigated  at  this decade.  This  is  one  type  of  fuel  cell  using  bioelectrochemical  reactions  principle  and  utilizing microorganism.  Meanwhile,  substrates  and  microorganism  are  the  influencial  thing  for  MFC’s performance  to  producing  electricity.  The  objectives  of  this  research  is  to  study  the  effect  of microorganism  addition  into  substrates  toward  MFC’s  performance.  Palm  oil  refinery  plant wastewater that usually called palm oil mill effluent (POME) is utilized as substrates. There are two kind of microorganism which is added into substrates respectively, that is Saccharomyces cerevisiae and  Escherichia  coli.  This  bio-electricity  process  is  occured  in  dual  chamber  reactor  as  anode  and cathode  that  connected  with  salt  bridge.  There  are  also  carbon  electrode  in  each  chamber  that connected with copper-wire for electricity measurement. The result of this research is Saccharomyces cerevisiae  addition  decreasing  power  density  of  MFC  compared  to  pure  POME  as  substrates. Otherwise, Escherichia coli actually increase metabolism reaction within substrates resulting higher power  density.  The  highest  power  density  that  obtained  from  this  two  kind  of  treatment  is  103,15 mW/m 2 and 103,02 mW/m 2 respectively.
Keywords : Escherichia coli, microbial fuel cell, limbah POME, Saccharomyces cerevisiae

## PENDAHULUAN
Konsumsi  listrik  Indonesia  setiap  tahunnya terus  meningkat  sejalan  dengan  meningkatnya pertumbuhan ekonomi nasional. Peningkatan kebutuhan listrik tersebut rata - rata adalah 6,5% per tahun hingga  tahun  2020  (Muchlis,  2003). Berdasarkan  rasio  elektrifikasi,  wilayah  Kalimantan memiliki nilai rasio yang terkecil. Laju pertumbuhan penduduk di Kalimantan  Timur  sebesar  17  persen per  tahun  juga  sangat  mempengaruhi  kebutuhan listrik,  dimana  pertumbuhan  pelanggan  potensial setiap tahun meningkat 14–15 persen. Sementara  itu, rasio  elektrifikasi  gabungan  Kalimantan  Timur  dan Utara  tahun  ini di angka 85,62 persen. Diperkirakan 10 tahun nanti, kebutuhan listrik Kalimantan Timur mencapai  1000  MW.  Sementara  itu  sampai  sejauh ini,  daftar  tunggu  permintaan  di  PLN  yang  ingin mendapat  sambungan  listrik  di  Kalimantan  Timur lebih  dari  101.169  pelanggan.  Berdasarkan  kondisi tersebut,  wilayah  Kalimantan  Timur  berpotensi mengalami  krisis  energi  listrik  di  masa  depan (ESDM, 2015).
Saat  ini  Indonesia  merupakan  produsen minyak  sawit  mentah  ( crude  palm  oil )  terbesar  di dunia.  Pada  2012,  luas  lahan  perkebunan  sawit diperkirakan  sebesar  9  juta  hektar  yang  tersebar  di pulau  Sumatera  dan  Kalimantan,  dengan  produksi CPO  24  juta  ton  per  tahun.  Di  sisi  lain,  produksi minyak  kelapa  sawit  yang  tinggi  di  Kalimanan Timur  berdampak pada  produksi  limbah  pengolahan sawit  yang tinggi pula. Limbah cair dari pengolahan sawit  atau  sering  disebut Palm  Oil  Mill  Effluent (POME)  yang  dihasilkan  dari  pengolahan  kelapa sawit  merupakan  limbah  cair  (55  –  67  %),  yang dapat  mencemari  air  karena  mengandung  20000  – 30000  mg/l biological  oxygen  demand (BOD). Pengolahan  limbah  POME  dapat  mengurangi sejumlah  besar  kandungan  BOD  serta  mengurangi dampak  negatif  dari  limbah  pabrik  kelapa  sawit terhadap ekosistem perairan (MCA-Indonesia, 2014).
Salah  satu  alternatif  dalam  memanfaatkan limbah  POME  yakni  dengan  menggunakannya sebagai  substrat  pada  sel  bahan  bakar  berbasis mikroba  ( microbial  fuel  cell ). Microbial  fuel  cell adalah  peralatan  yang  memanfaatkan  bakteri  atau mikroorganisme sebagai katalis untuk mengoksidasi senyawa organik dan anorganik sehingga menghasilkan  arus  listrik  (Logan,  2008).  Telah banyak  penelitian  yang  mempelajari  pemanfaatan limbah  organik  sebagai  bahan  baku  MFC  antara lain, pemanfaatan limbah industri tahu menggunakan sistem double chamber MFC (Hermawan,  dkk.,  2014),  pemanfaatan  limbah industri  tempe  melalui  MFC  untuk  produksi  energi listrik  (Kristin,  2012),  serta  limbah  cair  perikanan sebagai  penghasil  biolistrik  dengan  rangkaian  seri sistem  MFC  (Ibrahim,  dkk.,  2014).  Beragam  jenis mikroba  pun  telah  digunakan  dalam  MFC,  antara
lain Saccharomyces  cerevisiae (Zahara,  2011), Eschericia  coli (Scott,  dkk.,  2007), Lactococcus lactis (Masuda,  2010).  Pada  penelitian  ini,  limbah POME  dari  pengolahan  kelapa  sawit  dimanfaatkan untuk  sel  bahan  bakar  berbasis  mikroba  (MFC). Secara khusus, pengaruh penambahan mikroorganisme  ke  dalam  substrat  terhadap  kinerja MFC  juga  dikaji.  Penelitian  ini  diharapkan  dapat menjadi  alternatif  pemanfaatan  limbah  POME sehingga  dapat  mengurangi  pencemaran  lingkungan yang diakibatkan  oleh  limbah  industri.

## METODE PENELITIAN
Limbah  pengolahan  minyak  kelapa  sawit yang  digunakan  adalah  limbah  POME  yang diperoleh  dari  PTPN  XIII,  Kabupaten  Paser, Kalimantan  Timur.  Sedangkan  mikroorganisme yang  ditambahkan  ke  dalam  substrat  limbah  POME adalah  jamur Saccharomyces  cerevisiae dan  bakteri Escherichia  coli .  MFC  yang  didesain  adalah  MFC tipe dua kamar ( dual chamber ) dengan menggunakan  batang  karbon  sebagai  elektrodanya dan  larutan  KMnO 4 sebagai  mediator  elektronnya. Luas  permukaan  dari  elektroda  ini  sebesar  1,534  x 10 -3 m 2 dengan diameter sebesar 0,8 cm dan panjang 5,7 cm.
Desain MFC tipe dual chamber memiliki dua kamar  yang  terdiri  dari  kompartemen  anoda  dan kompartemen  katoda  seperti  yang  ditunjukkan  oleh gambar 1 di bawah. Masing – masing kompartemen terdapat elektroda karbon yang dihubungkan dengan kabel  listrik  untuk  pengukuran  kuat  arus  dan tegangan  listrik  yang  dihasilkan.  Anoda  dan  katoda tersebut  dipisahkan  oleh  sebuah  jembatan  garam sebagai membran penukar proton. Kedua kompartemen  ini  menampung  volume  masing- masing sebanyak 500 ml.
Gambar 1. Rangkaian Microbial Fuel Cell
Limbah  organik  POME (Palm  Oil  Mill Effluent) diisikan  pada  kompartemen  anoda  dengan variasi penambahan Escherichia coli dan Saccharomyces  cerevisiae (10  %  v/v).  Sedangkan pada kompartemen katoda berisi larutan KMnO 4 200 ppm  dan  dikondisikan  aerob  dengan  bantuan aerator. Instrumen pengukur kuat arus dan tegangan yang  digunakan  dalam  penelitian  MFC  ini  adalah Constant 89 Auto  Range  Digital  Multimeter .
Rachmad  Ramadhan  Yogaswara * ,  Ayu  Shafira  Farha,  Khairunnisa,  Memik  Dian  Pusfitasari,  Adrian Gunawan: studi penambahan mikroorganisme pada substrat limbah pome terhadap kinerja microbial fuel cell
Beberapa parameter yaitu tegangan listrik, kuat arus, serta  BOD  ( Biological  Oxygen  Demand )  dan  COD ( Chemical Oxygen Demand ) dianalisis pada penelitian ini.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  pengukuran  energi  listrik  didapatkan dengan  melakukan  pengukuran  tegangan  listrik  dan kuat  arus.  Tegangan  yang  diukur  dalam  penelitian MFC  ini  disebut Open  Circuit  Voltage (Tegangan Sirkuit  Terbuka)  karena  sirkuit  listrik  dalam penelitian  ini  merupakan  sistem  MFC,  tidak diberikan  beban  atau  hambatan  listrik  eksternal seperti  resistor  atau  lampu.    Eksperimen  MFC  ini menggunakan  limbah  POME  murni  +  bakteri Escherichia  coli dengan  konsentrasi  sebesar  10% (v/v).
Penambahan bakteri Escherichia coli bertujuan untuk menambah  jumlah bakteri yang ada pada  limbah  POME.  Sebelum  dicampurkan  ke dalam  limbah  POME,  bakteri Escherichia  coli dimasukkan  ke  dalam nutrient  broth cair  sebagai media  untuk  pertumbuhan  bakteri.  Kemudian dilakukan  pengamatan  terhadap  kuat  arus  dan tegangan listrik selama 12 jam.
Gambar 2. Hubungan antara waktu operasi Microbial Fuel Cell terhadap power density yang dihasilkan oleh MFC untuk POME murni dan POME + Bakteri
Berdasarkan data  – data kuat arus  listrik dan tegangan  listrik  maka  dapat  dilakukan  perhitungan power  density yang  dihasilkan  oleh  sistem  MFC tersebut (Gambar 2.  dan Gambar 3.). Power density adalah  daya  listrik  yang  dihasilkan  per  luas permukaan  elektroda. Power  density dapat  dihitung menggunakan persamaan berikut
P = (1)
Berdasarkan  Gambar  2, power  density yang dihasilkan  secara  rata  –  rata    mengalami  penurunan seiring dengan bertambahnya waktu operasi. Hal ini
dapat  terjadi  karena  mikroorganisme  yang  terdapat di  dalam  limbah  POME  belum  berada  pada  fase eksponensial.
Fase  ini,  sel  melakukan  metabolisme  secara aktif  yang  disertai  oleh  pembelahan  dan  sintesis bahan sel yang berlangsung cepat (Sumarsih, 2007). Selain  itu,  belum  maksimalnya  proses  konversi glukosa  sebagai  sumber  karbon  belum  dapat menunjang  terjadinya  peningkatan  energi  listrik (Rabaey,  2003).  Hal  tersebut  berakibat  pada  belum maksimalnya  transfer  elektron  dari  metabolisme mikroorganisme sehingga mengakibatkan penurunan produksi listrik.
Gambar 3. Hubungan waktu operasi Microbial Fuel Cell terhadap power density yang dihasilkan untuk POME murni dan POME + Ragi
Sebaliknya,  penambahan  bakteri Escherichia coli ke  dalam  substrat  POME  mengakibatkan naiknya power  density yang  dihasilkan. Power density tertinggi yang dihasilkan dengan penambahan E.  coli sebesar  103,02  mW/m 2 . Efisiensi  transfer  elektron  dari  bakteri  ke  elektroda sebanding  dengan  jumlah  bakteri  yang  melakukan kontak  dengan  elektroda tersebut  (Lee,  dkk.,  2010). Bertambahnya jumlah sel bakteri ini memungkinkan semakin  banyaknya  proton  dan  elektron  yang  dapat dihasilkan  dari  proses  metabolisme  sehingga  kuat arus  yang  dihasilkan  semakin  besar  (Novitasari, 2011). Akan tetapi,  jumlah glukosa sebagai substrat di anoda bernilai tetap. Akibatnya, terjadi perebutan nutrisi di antara sel bakteri sehingga tidak semua sel bakteri dapat melakukan metabolisme (Utari, 2012).
Selain itu, pada Gambar 3. terlihat penurunan power density yang signifikan saat ragi ditambahkan ke dalam substrat POME. Hal ini terjadi karena ragi yang  digunakan  mengandung  sebagian  besar mikroba Saccharomyces  cerevisiae .  Mikroba  ini tidak  mampu  bertahan  dalam  limbah  POME  karena tidak  memiliki  enzim  lipase  untuk  memecah kandungan  lemak  pada  limbah  POME.  Penurunan power  density terjadi  sehubungan  dengan  aktivitas ragi  di  dalam  anoda  yang  lama  kelamaan  dapat membentuk biofilm pada  permukaan  elektroda (Nevin,  dkk,  2008).  Terbentuknya biofilm ini  dapat
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 P o w e r D e n si ty ( m W /m 2 ) Waktu (jam) POME + Bakteri POME 0 50 100 150 200 250 300 350 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 POME+ RAGI POME MURNI Waktu (jam) P o w e r D e n si ty (m W /m 2 )
mengakibatkan  peningkatan  hambatan  dalam  di anoda  (Zahara,  2011)  dan  dapat  menyebabkan penurunan  nilai power  density . Power  density tertinggi  yang  dihasilkan  dengan  penambahan mikroba S. cerevisiae sebesar 103,15 mW/m 2 .
Tabel 1. Hasil Analisa BOD dan COD
Variabel Sebelum Operasi MFC Setelah Operasi MFC BOD (mg/L)  COD (mg/L)  BOD (mg/L)  COD (mg/L) POME 7141,6495  62126,0142  7184,4041  63860,5782 POME + E.coli 7568,092 73409,2275 7155,364 62964,1564
Setelah mendapatkan nilai energi listrik yang dihasilkan  dari  setiap  variasi  substrat,  selanjutnya dilakukan  analisa  pengukuran  BOD  ( Biological Oxygen  Demand )  dan  COD  ( Chemical  Oxygen Demand )  limbah  POME  pada  saat  sebelum  dan sesudah proses MFC. Substrat sangat penting dalam berbagai proses pengolahan  biologi karena menjadi sumber  karbon  (nutrien).  Untuk  dapat  mengetahui banyaknya substrat limbah POME yang terdegradasi  dalam  sistem  MFC  dapat  dilihat  dari nilai  konsentrasi  BOD  dan  COD  limbah  POME tersebut.  Hasil  analisa  BOD  dan  COD  terhadap POME terdapat pada Tabel 1.
Pada  Tabel  1  menunjukkan  bahwa  terjadi penurunan nilai BOD dan COD pada setiap variabel substrat, kecuali pada variabel limbah POME. Pada variabel  limbah  POME  terjadi  peningkatan  nilai BOD dan COD. Penurunan efisiensi nilai BOD dan COD pada limbah POME + bakteri Escherichia coli 10% (v/v) berturut - turut adalah 5,45 % dan 14,23 %.  Semakin  banyaknya  jumlah  bakteri  dalam limbah,  maka  semakin  banyak  pula  jumlah kebutuhan oksigen yang diperlukan, sehingga kadar BOD  dan  COD  semakin  menurun  seiring  proses metabolisme  dalam  MFC  yang  terjadi  (Wijaya, 2008).  Pada  penelitian  lain  disebutkan  tingkat efisiensi  penurunan  COD  terjadi  bila  kandungan organik  di  dalam  kompartemen  anoda  meningkat (Aslan, 2008).

## SIMPULAN
Terdapat  berbagai  kesimpulan  yang  dapat diambil  dari  penelitian  ini.  Bahwa,  penambahan Saccharomyces  cerevisiae pada  substrat  POME menurunkan  kinerja  MFC  dilihat  dari  penurunan nilai  kuat  arus  listrik,  tegangan  listrik,  sehingga berakibat  pada  menurunnya power  density yang dihasilkan. Sebaliknya, penambahan bakteri Escherichia coli justru meningkatkan performa dari MFC.  Hal  itu  terlihat  dari  naiknya  nilai  kuat  arus listrik,  tegangan  listrik,  dan power  density .  Selain itu, proses MFC yang dilakukan secara umum tidak signifikan dalam menurunkan kadar BOD dan COD dari limbah POME yang dipakai.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  yang sebesar  –  besarnya  kepada  Kementerian  Riset Teknologi  dan  Pendidikan  Tinggi  yang  telah mendanai  riset  ini  melalui  skema  Penelitian  Dosen Pemula (PDP) Tahun Pendanaan 2017.

## DAFTAR NOTASI
A  =  Luas permukaan elektroda (m 2 ) I  =  Kuat arus listrik (mA) P  = Power density (mW/m 2 ) V  =  Tegangan listrik (Volt)

## DAFTAR PUSTAKA
Aslan,  Sibel.  dan  Nusret,  S.  (2008), The Performance  of  UASB  Reactors  Treating High-Strength Wastewaters , Journal of Environmental Health, National Environmental Health Association.
Direktorat  Ketenagalistrikan  Kementrian  ESDM. 2015. Statistik Ketenagalistrikan 2015 . Jakarta Hermawan,  dkk.  2015. Penggunaan  Teknologi Reaktor  Microbial  Fuel  Cell  (MFCs) dalam Pengolahan  Limbah  Cair  Industri  Tahu untuk  Menghasilkan  Energi  Listrik. Ilmu Lingkungan, Universitas Diponegoro. Ibrahim,  dkk.  (2014), Kinerja  Rangkaian  Seri  Sistem Microbial  Fuel  Cell  Sebagai  Penghasil Biolistrik  dari  Limbah  Cair  Perikanan , Teknologi  Hasil  Perairan,  Institut  Pertanian Bogor.
Kristin,  Ester.  2012, Produksi  Energi  Listrik Melalui  Microbial  Fuel  Cell  Menggunakan Limbah Industri Tempe . Teknologi Bioproses,
Universitas Indonesia.
Lee, Seung  Won Jeon., Bo, Young Park., Doo Hyun. (2010), Effect  of  Bacteria  Cell  Size  on Electricity Generation in a Single-
Compartmend Microbial Fuel Cell , Biotechnol
Lett, No. 32, hal. 483-487.
Logan, B. E. 2008. Microbial Fuel Cell . New Jersey
: John Wiley & Sons, Ltd
Masuda,  Masaki.  2010. Flavins  Contained  in Yeast  Extract  are  Exploited  for  Anodic Electron  Transfer  by  Lactococcus  Lactis. Division  of  Applied  Life  Sciences,  Kyoto University.
MCA – Indonesia. 2014. Pembangkit Listrik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit.
Muchlis,  M.  dan  Permana,  A.  D.  2003. Proyeksi Kebutuhan  Listrik  PLN  Tahun  2003  s.d. 2020 . Makalah Pengembangan Sistem Kelistrikan  dalam  Menunjang  Pembangunan Nasional Jangka Panjang.
Rachmad  Ramadhan  Yogaswara * ,  Ayu  Shafira  Farha,  Khairunnisa,  Memik  Dian  Pusfitasari,  Adrian Gunawan: studi penambahan mikroorganisme pada substrat limbah pome terhadap kinerja microbial fuel cell
Nevin. K. P., Richter, H., Covalla, S. F., Johnson, J. P.,  Woodard,  T.  L.,  Orloff,  A.  L.  (2008), Power  Output  and  Columbic  Efficiencies from  Biofilms  of  Geobacter  Sulfurreducens Comparable to  Mixed  Community Microbial Fuel  Cells ,  Journal  Compilation  Society  for Applied Microbiology and Blackwell
Publishing  Ltd.,  Environmental  Microbio- logy.
Novitasari, Deni. (2011), Optimasi Kinerja Microbial  Fuel  Cell  untuk  Produksi  Energi Listrik  Menggunakan  Bakteri  Lactobacillus bulgaricus , Skripsi, Universitas Indonesia. Rabaey,    Korneel.  2003. A  Microbial    Fuel    Cell Capable    of    Converting    Glucose    to
Electricity  at  High  Rate  and  Efficiency. Kluwer Academic Publisher. Ghent
University, Belgium.
Scott,  K.,  Murano  dan  Cassandro.  (2007), Microbial Fuel  Cell  Utilising  Carbohydrates ,  Journal  of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 89, hal. 92-100.
Sumarsih. (2007), Pertumbuhan Bakteri , Hal. 90-96. Utari,  Nareswati  Dwi.  (2012), Pemanfaatan  Limbah Buah  –  Buahan  Sebagai  Penghasil  Energi Listrik dengan Teknologi Microbial  Fuel  Cell , Universitas Diponegoro, Semarang. Wijaya,  Christina  Natalia.  (2008), Pemanfaatan
Limbah Rumah Potong Hewan (RPH) sebagai Media  Kultur  Mikroba  Penghasil  Listrik melalui Microbial Fuel Cell (MFC) ,
Universitas Indonesia, Depok.
Zahara,  N.  C.  2011. Pemanfaatan  Saccharomyces Cerevisiae dalam Sistem Microbial Fuel Cell untuk  Produksi  Energi  Listrik .  Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.