ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 19 (3) (2016) : 107 – 110
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pengaruh Buffer Kalium Fosfat dan Natrium Fosfat terhadap Produksi Listrik dalam Sistem Microbial Fuel Cell (MFC) dengan Lactobacillus bulgaricus pada Whey Tahu
Desvita Sari a , Linda Suyati a* , Didik Setiyo Widodo a
a 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:
Microbial Fuel Cell, Phosphate Buffer, pH, Tofu Whey, Potential Difference
Microbial fuel cell (MFC) is a bioelectrochemical system that converts chemical energy into  electrical  energy  via  redox  reaction  encompassing  electrons  release  and  electron capture process by utilizing microorganisms. This study aim to determine the potential difference generated in MFC system based on tofu whey substrate in feeding Lactobacillus bulgaricus in  phosphates  buffer  and  different  pH.  This  study  used  dual  chamber  MFC connecting  by  a  salt  bridge  to  conduct  from  anode  to  cathode  compartment.  Anode compartment contained a mixture of cultivated microbes and potassium phosphate buffer or  sodium  phosphate  buffer  in  various  pH  of  5.5,  6,  6.5  and  7.  Cathode  contained electrolytes  KMnO 4 0.2  M,  phosphate  buffer  and  pH  with  same  variations.  Potential measurements performed at room temperature for 30 hours. The results showed that MFC system using potassium phosphate buffer in 100 mL of system volume at four different pH of 7, 6.5, 6 and 5.5 produced potential difference of 42.2 mV; 32 mV; 30 mV; 29.3 mV respectively.  While  using  sodium  phosphate  buffer  in 100 mL of  system  volume  at  the same  pH  produced  highest  potential  difference  of  20  mV;  18.6  mV;  17  mV  and  4  mV. Potassium  phosphate  buffer-MFC  system  generated  potential  difference  higher  than sodium phosphate buffer.

## A b s t r a k
Kata Kunci:
Microbial Fuel Cell, Buffer Fosfat, pH, Whey tahu, Beda Potensial
Microbial  Fuel  Cell (MFC)  adalah  sistem  bioelektrokimia  yang  mengubah  energi  kimia menjadi energi listrik yang melibatkan reaksi reduksi dan oksidasi dengan memanfaatkan mikroba. Tujuan penelitian ini adalah menentukan beda potensial yang dihasilkan sistem MFC  pada  substrat whey tahu  menggunakan  mikroba Lactobacillus  bulgaricus dengan variasi bahan buffer fosfat dan pH. Penelitian ini menggunakan sistem MFC dual chamber dengan  jembatan  garam  sebagai  penghantar  proton  dari  kompartemen  anoda  ke kompartemen  katoda.  Kompartemen  anoda  berisi  campuran  mikroba  yang  sudah dikultivasi dan buffer kalium fosfat atau buffer natrium fosfat dengan variasi pH, yaitu 5,5; 6; 6,5;  7. Pada  katoda  berisi  elektrolit  KMnO 4 0,2  M,  buffer  fosfat, dan  pH dengan variasi yang sama. Pengukuran beda potensial dilakukan pada suhu ruang selama 30 jam. Pengukuran kelistrikan pada sistem MFC menggunakan buffer kalium fosfat pada empat pH  berbeda  yaitu  7  ;  6,5  ;  6  ;  5,5  dalam  100  mL  volume  sistem  masing-masing menghasilkan beda potensial yaitu sebesar 42,2 mV; 32 mV; 30 mV; 29,3 mV. Sedangkan dalam sistem buffer natrium fosfat dan 100 mL dengan variasi pH yang sama berturut- turut  adalah  20 mV  ; 18,6  mV  ; 17 mV  ;  4 mV.  Buffer  kalium fosfat  menghasilkan  beda potensial yang lebih besar dibandingkan dengan buffer natrium fosfat.

## 1. Pendahuluan
Microbial  Fuel  Cell (MFC)  adalah  suatu  sistem  yang mengubah  energi  kimia  menjadi  energi  listrik  dengan menggunakan mikroorganisme  [1]. Mikroba melakukan metabolisme  dalam  keadaan  anaerob  dengan  mengurai glukosa  menjadi  proton  (H + ),  elektron  (e - )  dan karbondioksida  (CO 2 ),  elektron  yang  dihasilkan  dapat dimanfaatkan sebagai sumber arus listrik. Elektron akan dialirkan menuju katoda melalui sirkuit luar, sedangkan proton berdifusi melalui jembatan garam menuju katoda [2].
Penggunaan bahan buffer dan pH yang tepat dapat meningkatkan  produksi  listrik  pada  sistem  MFC.  Pada anoda penambahan buffer dapat membantu mengurangi perubahan  pH,  sehingga  pH  berada  pada range yang cocok  untuk  pertumbuhan  bakteri  yang  digunakan  [3]. Bahan buffer dapat mempengaruhi pertumbuhan bakteri karena  buffer  mengandung  unsur  logam  nutrisi  yang dibutuhkan  bakteri  untuk  sintesa  komponen  sel  dan menghasilkan  energi,  seperti  kalium  dan  natrium, sedangkan  pada  katoda  penambahan  buffer  berfungsi untuk mempertahankan perubahan pH agar tidak terjadi kenaikan pH, karena pH yang tinggi akan menyebabkan OH - masuk  ke  anoda  [4]  dan  menghambat  transfer proton  dari  anoda  ke  katoda  sehingga  potensial  tidak terbaca oleh multimeter.
Air  limbah  industri  pembuatan  tahu  ( whey tahu) merupakan  salah  satu  air  limbah  yang  dapat menimbulkan masalah terhadap lingkungan sekitarnya. Whey tahu  merupakan  air  buangan  sisa  proses penggumpalan  tahu  yang  masih  terdapat  sisa-sisa protein,  lemak  maupun  karbohidrat,  sehingga  dapat dimanfaatkan sebagai substrat dalam MFC [5].
Mikroba yang digunakan pada penelitian ini adalah Lactobacillus  bulgaricus yang  merupakan  bakteri penghasil  asam  laktat  dan  dapat  dimanfaatkan  untuk microbial  fuel  cell , biasanya  hidup  pada  kisaran  suhu optimum 30 - 40 ⁰ C dengan pH optimal antara 5,5 – 6,2 [6]. Inayati dkk. [7] melakukan variasi substrat yaitu whey tahu,  glukosa,  dan  laktosa  dalam  menghasilkan  beda potensial  pada  sistem  MFC dual  chamber menggunakan buffer kalium fosfat pH 7 dalam 100 mL volume sistem dengan  bakteri Lactobacillus  bulgaricus menggunakan jembatan  garam  sebagai  penghantar  proton  dari kompartemen katoda ke kompartemen anoda, menghasilkan  beda  potensial  sebesar  25,5  mV  ( whey tahu) 24,3 mV (glukosa) dan 27,2 mV (laktosa).
Berdasarkan uraian di atas, maka pada penelitian ini dilakukan pengujian pengaruh bahan buffer fosfat, yaitu natrium fosfat dan kalium fosfat serta pH yang berbeda yaitu  5,5  ;  6  ;  6,5  ;  7  yang  didasarkan  pada range pH optimum bakteri, dalam menghasilkan potensial dengan menggunakan  mikroba Lactobacillus  bulgaricus pada sistem MFC dan penggunaan whey tahu sebagai substrat.

## 2. Metode Penelitian

## Alat dan Bahan
Reaktor  MFC  multimeter  digital  masda  DT830B, kabel  dan  jepit  buaya,  timbangan  digital,  inkubator, autoklaf, inkas, kertas pH, peralatan gelas, pipet mikro, aluminium  foil,  plastik  wrap.  Kultur  mikroba Lactobacillus  bulgaricus , whey tahu  susu  sapi,  susu kedelai, grafit, akuades, NaOH 1M p.a, HCl 1M p.a, 3,727 g padatan  KCl  p.a,  KMnO 4 0,2  M  p.a,  alkohol  70%  12,5  g agar, larutan buffer kalium fosfat dan natrium fosfat pH 5,5  ;  6  ;  6,5  dan  7  dibeli  dari  CV.Chem-Mix  Pratama (Kretek Kidul, Bantul, Yogyakarta).

## 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 kedalam pipa  U.  KCl  berfungsi  sebagai  tempat  berdifusi  proton dari  anoda  ke  katoda.  Elektroda  yang  digunakan  dalam sistem MFC ini adalah grafit. Sebelum digunakan, grafit harus  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.

## Preparasi Elekrolit KMnO
4 0,2 M
Pembuatan  larutan  elektrolit  KMnO 4 sebanyak  80 mL  dengan  konsentrasi  0,2  M.  Larutan  elektrolit kemudian  dimasukkan  ke  dalam  botol  kaca  dan  dijaga agar tidak terkena cahaya matahari dengan cara menutup larutan  menggunakan aluminium  foil karena  larutan mudah mengalami fotodekomposisi.

## Preparasi Mikroorganisme
Preparasi  mikroorganisme  dilakukan  dengan menginokulasikan 1 ml bibit Lactobacillus bulgaricus dari yoghurt dalam 99 ml susu sapi yang telah dipasteurisasi. Susu sapi yang telah diinokulasi bibit mikroba diinkubasi selama 24 jam pada suhu 40 ⁰ C. Proses inkubasi ini akan menghasilkan  2  bagian  yaitu  bagian  padat  dan  bagian cair.  Bagian  cair  digunakan  sebagai  starter  berikutnya. Tahap selanjutnya Lactobacillus bulgaricus diinokulasikan pada  media  susu  kedelai  yang  telah  dipasteurisasi  dan kemudian  diinkubasi  selama  24  jam  pada  suhu  40 ⁰ C, selanjutnya  dilakukan  hal  yang  sama  pada  media whey tahu. Starter mikroba dalam whey tahu inilah yang akan digunakan dalam kompartemen anoda pada sistem MFC.

## Pengukuran Beda Potensial pada Sistem MFC
Buffer  fosfat  yang  digunakan  adalah  buffer  kalium fosfat  dan  natrium  fosfat.  Buffer  ini  diletakkan  dalam kompartemen  katoda  dan  anoda  dengan  2  rangkaian yang berbeda. Rangkaian pertama kompartemen katoda diisi  dengan  larutan  KMnO 4 dan  buffer  kalium  fosfat dengan  variasi  pH  5,5;  6;  6,5;  7,  sedangkan  pada
kompartemen  anoda  diisi  dengan  substrat whey tahu yang  ditambahkan  dengan  inokulum Lactobacillus bulgaricus dan  buffer  kalium  fosfat  dengan  variasi  pH yang sama. Rangkaian kedua memiliki sistem yang sama dengan  rangkaian  pertama  hanya  berbeda  pada  buffer yang  digunakan,  yaitu  buffer  natrium  fosfat.  Kedua rangkaian  pada  kompartemen  katoda  dan  anoda  diisi dengan elektroda grafit, kemudian elektroda grafit pada masing-masing  kompartemen  dihubungkan  dengan rangkaian  kabel  pada  multimeter  digital.  Langkah selanjutnya pengamatan beda potensial yang dihasilkan setiap jam selama 30 jam dan dilakukan pada suhu ruang. Berdasarkan data beda potensial yang diperoleh ini dapat dilihatpengaruh  bahan  buffer  fosfat  terhadap  produksi listrik.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Beda Potensial Menggunakan Buffer Kalium Fosfat
Hasil  pengukuran  beda  potensial  menggunakan buffer  kalium  fosfat  dengan  4  variasi  pH  ditunjukkan pada gambar 1
Gambar 1. Grafik hasil beda potensial menggunakan buffer Kalium fosfat dalam 100 mL volume sistem
Berdasarkan  gambar  1  terlihat  perbedaan  beda potensial pada sistem MFC menggunakan buffer kalium fosfat  dengan  4  variasi  pH.  Beda  potensial  maksimum ditunjukkan pada pH 7 dengan beda potensial maksimum sebesar 42,2mV dalam 100 mL volume sistem.
Pada  pH  5,5;6  dan  6,5  tidak  memiliki  perbedaan potensial  yang  signifikan  dan  memiliki  pola  kenaikan dan penurunan yang hampir sama. ketika menggunakan pH  yang  berbeda  dengan  pKa  dengan  kata  lain perbandingan antara asam dan garam tidak sama dengan satu maka  kapasitas buffer  untuk  mempertahankan  pH menjadi  kecil  dan  tidak  optimal  sehingga  bakteri bermetabolisme tidak optimal pula.
Untuk pH 7 menunjukkan beda potensial maksimum yang dihasilkan. Jenis buffer dan nilai pKa buffer relatif penting untuk menggunakan pH yang diinginkan karena kapasitas  buffer  maksimum  dicapai  bila  pH  larutan hampir sama dengan nilai pKa buffer. Keefektifan suatu larutan  penyangga  dalam  menahan  perubahan  pH persatuan asam atau basa kuat ditambahkan, mencapai nilai maksimum ketika rasio asam penyangga terhadap garam adalah satu [8]. Dengan demikian, kinerja sistem MFC  yang  optimal  didapat  ketika  pH  larutan  dan  pKa
buffer  yang  digunakan  sama,  sehingga  jika  terdapat perubahan  pH  dalam  larutan  dapat  dinetralisir  dengan baik  dan  tidak  mempengaruhi  metabolisme  bakteri. Dengan demikian pada pH 7 bakteri akan tumbuh dengan optimal,  sehingga  dapat  melakukan  metabolisme  dan mengurai substrat dengan baik dan dapat menghasilkan proton, elektron serta CO 2 dengan maksimal pula. Selain itu,  potensial  yang  dihasilkan  pada  katoda  memiliki potensial reduksi yang tinggi yaitu 1,70 V, sehingga dapat menghasilkan beda potensial yang lebih tinggi pula.

## Beda Potensial Menggunakan Buffer Natrium Fosfat
Buffer  fosfat  yang  dapat  digunakan  selain  buffer kalium fosfat adalah buffer natrium fosfat. Natrium juga merupakan logam yang dibutuhkan oleh mikroba untuk pertumbuhannya.
Hasil  pengukuran  beda  potensial  menggunakan buffer natrium fosfat pada 4 variasi pH ditunjukkan pada gambar 2
Gambar 2. Grafik Hasil Beda potensial menggunakan buffer Natrium fosfat dalam 100 mL volume sistem
Berdasarkan  gambar  2  terlihat  beda  potensial maksimum yang ditunjukkan pada pH 7 dihasilkan beda potensial  maksimum  sebesar  20  mVdalam  100  mL volume sistem.
Berdasarkan  hasil  penelitian  ini  dapat  diketahui bahwa  bahan  buffer  dan  variasi  pH  pada  kedua  buffer yang  digunakan  dalam  sistem  MFC  berpengaruh terhadap beda potensial yang dihasilkan. Hasil penelitian ini  menunjukkan  bahwa  buffer  kalium  fosfat menghasilkan beda potensial yang lebih tinggi dibanding menggunakan  buffer  natrium  fosfat.  Perbedaan  beda potensial  yang  dihasilkan  disebabkan  oleh  perbedaan daya  hantar  jenis  K + dan  Na + .  Daya  hantar  jenis bergantung  pada  jumlah  ion  yang  ada,  yang  biasanya dikenal dengan daya hantar molar. Daya hantar molar ion untuk K + dan Na + masing-masing sebesar 73,5 Scm 2 mol - 1 dan  50,1  Scm 2 mol -1 .  Perbedaan  daya  hantar  molar  ini berkaitan dengan mobilitas ion. Hal ini dapat dijelaskan berdasarkan persamaan:
 = 𝑧𝜇𝐹
dengan  adalah daya hantar molar (Scm 2 mol -1 ),  adalah mobilitas  ion  dan  F  adalah  konstanta  Faraday  [9]. Semakin besar mobilitas ionik suatu ion maka semakin aktif ion tersebut di dalam larutan, sehingga kontribusi pada daya hantar makin besar.
Menurut Tempest dan Wouters [10], K + merupakan nutrisi  yang  utama  atau  diperlukan  bagi  pertumbuhan mikroba  dan  berperan  lebih  baik  pada  mikroba  gram
positif  daripada  mikroba  gram  negatif, Lactobacillus bulgaricus merupakan  mikroba  gram  positif  [6]  dengan adanya ion  K + mikroba dapat tumbuh atau berkembang menjadi lebih banyak, sehingga semakin banyak elektron yang akan dihasilkan pada metabolisme bakteri tersebut yang  akan  ditransfer  dari  anoda  ke  katoda  sehingga semakin besar beda potensial yang dihasilkan.

## 4. Kesimpulan
Sistem  MFC  yang  menggunakan Lactobacillus bulgaricus dan substrat whey tahu dengan menggunakan buffer  kalium  fosfat  menghasilkan  beda  potensial  yang lebih tinggi dibanding dengan sistem MFC mengggunakan  buffer  natrium  fosfat  berturut-turut, yaitu 42,2 mV dan 20 mV dalam 100 mL volume sistem dan  beda  potensial  maksimum  diperoleh  untuk  kedua buffer yaitu pada pH 7.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  C  Lavanya,  R  Dhankar,  S  Chhikara,  Microbial  fuel cells  as  an  alternative  energy  source:  A comprehensive  review,  J.  of  Int, Academic  Res.  for Multidisciplinary , 2, 4, (2014) 707-722
[2]  D  Singh,  D  Pratap,  Y  Baranwal,  B  Kumar,  RK Chaudhary, Microbial fuel cells: a green technology for power generation, Annals of biological research , 1,
3, (2010) 128-138
[3]  Geun-Cheol  Gil,  In-Seop  Chang,  Byung  Hong  Kim, Mia  Kim,  Jae-Kyung  Jang,  Hyung  Soo  Park,  Hyung Joo  Kim,  Operational  parameters  affecting  the performannce of a mediator-less microbial fuel cell, Biosensors  and  Bioelectronics ,  18,  4,  (2003)  327-334 http://dx.doi.org/10.1016/S0956-5663(02)00110-0
[4]  Yongtae  Ahn,  Bruce  E.  Logan,  Saline  catholytes  as alternatives  to  phosphate  buffers  in  microbial  fuel cells, Bioresource  Technology ,  132,  (2013)  436-439 http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2013.01.113
[5]  David  Hamonangan  Sinaga,  Linda  Suyati,  Agustina LN  Aminin,  Studi  Pendahuluan  Pemanfaatan  Whey Tahu  sebagai  Substrat  dan  Efek  Luas  Permukaan Elektroda  dalam  Sistem  Microbial  Fuel  Cell, Jurnal
Sains dan Matematika , 22, 2, (2015) 30-35
[6]  Peter  HA  Sneath,  Nicholas  S  Mair,  M  Elisabeth Sharpe, John G Holt, Bergey's manual of systematic bacteriology. Volume 2, Williams & Wilkins, 1986.
[7]  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)
[8]  Arthur  Israel  Vogel,  G.  Svehla,  Textbook  of  Macro and  Semimicro  Qualitative  Inorganic  Analysis, Longman Scientific & Technical, 1987.
[9]  PW Atkins, Kimia Fisika jilid II. Kartohadiprodjo II, penerjemah; Rohhadyan T, editor, in, Oxford: Oxford University  Press.  Terjemahan  dari:  Physical Chemistry, 1999.
[10] D.  W.  Tempest,  J.  T.  M.  Wouters,  Properties  and performance  of  microorganisms  in  chemostat culture, Enzyme and Microbial Technology , 3, 4, (1981)
283-290 http://dx.doi.org/10.1016/0141- 0229(81)90001-6