ISSN: 1410-8917 e-ISSN: 2597-9914
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018): 144 – 148

## Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi
Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Effect of Lactose Concentration as Lactobacillus bulgaricus Substrate on Potential Cells Produced in Microbial Fuel Cell Systems
Riska Anggri Kusuma a , W. H. Rahmanto a , Linda Suyati a*
a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang * Corresponding author: linda_suyati@live.undip.ac.id https://doi.org/10.14710/jksa.21.3.144-148
A r t i c l e   I n fo

## A b s t r a c t
Article history:
Received: 1 July 2018
Revised: 25 July 2018 Accepted: 26 July 2018 Online: 31 July 2018
Keywords:
Cell Potential, Lactobacillus bulgaricus , Lactose, MFC
The effect of laxose concentration as Lactobacillus bulgaricus bacterial substrate on the cell potential produced in Microbial Fuel Cell System has been done. This study aims to determine  the  effect  of  lactose  concentration  as  bacterial  substrate,  to  generate electricity, maximum electric potential and determine the potential value of standard lactose (E° Lactose ) Based on Nernst equation. The MFC system of two compartments and bridges of salt as a linkage is used in this study. Anode contains lactose with variation of concentration 3 - 7% and bacteria. The cathode contains a 1M KMO4. The electrodes used are  graphite.  MFC  operational  time  is  14  days.  The  results  showed  that  the  lactose concentration had an effect on the cell potential produced in the MFC system. Maximum cell potential yielded at 4% lactose concentration, that is 710 mV then based on Nerst equation theory obtained E° Lactose value in MFC system of + 0,236 V.

## A b s t r a k
Kata Kunci:
Lactobacillus bulgaricus , Laktosa, MFC, Potensial sel
Pengaruh konsentrasi laksosa sebagai substrat bakteri Lactobacillus bulgaricus terhadap potensial sel yang dihasilkan pada Sistem Microbial Fuel Cell telah dilakukan. Penelitian ini bertujuan menentukan pengaruh konsentrasi laktosa sebagai substrat bakteri,untuk menghasilkan  listrik,  potensial  listrik  maksimum  dan  menentukan  nilai  potensial standar  laktosa  (E° Laktosa )  berdasarkan  persamaan  Nernst.  System  MFC  dua kompartemen  dan  jembatan  garam  sebagai  penghubungnya.digunakan  dalam penelitian  ini.  Anoda  berisi  laktosa  dengan  variasi  konsentrasi  3  -  7%  dan  bakteri. Katoda berisi KMO 4 1M. Elektroda yang dipakai adalah grafit. Waktu operasional MFC adalah 14 hari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi laktosa berpengaruh terhadap potensial sel yang dihasilkan pada sistem MFC. Potensial sel maksimum yang dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%, yaitu sebesar 710 mV kemudian berdasarkan teori persamaan Nerst diperoleh nilai E° Laktosa pada sistem MFC sebesar + 0,236 V.

## 1. Introduction
Pada  era  teknologi  yang  serba  canggih  seperti  saat ini,  listrik  sudah  menjadi  kebutuhan  bagi  manusia. Banyak perangkat elektronik yang diciptakan semuanya membutuhkan energi listrik. Sumber energi listrik yang digunakan  untuk  perangkat-perangkat  elektronik tersebut,  ada  yang  berbahan  bakar  berasal  dari  alam seperti  minyak  bumi,  air,  panas  bumi  dan  ada  juga
sumber  energi  listrik  yang  berasal  dari  senyawa  kimia, seperti  baterai.  Namun  semua  bahan  bakar  listrik tersebut disamping menguntungkan bagi manusia, juga dapat merugikan, sebagai contoh berdampak pada polusi, dan keterbatasan bahan bakar itu sendiri. Maka dari itu, banyak  peneliti  melakukan  penelitian  untuk  mencari solusi  dalam  menciptakan  sumber  energi  listrik  yang ramah  lingkungan  seperti  biogas  dan fuel  cell . Fuel  cell merupakan  baterai  berbahan  bakar  hidrogen  yang
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018): 144 – 148
mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik. Salah satu  jenis fuel  cell yang  sedang  dikembangkan  saat  ini adalah Microbial Fuel Cell .
Microbial  Fuel  Cell (MFC)  merupakan  suatu sistem yang  mengubah  energi  kimia  dalam  bentuk  campuran organik menjadi energi listrik, dengan bantuan mikroba. Mikroba  tersebut  dapat  mendegradasi  medium  organik sehingga menghasilkan elektron dan proton dari proses reaksi  reduksi  dan  oksidasi.  Elektron  inilah  yang  dapat menghasilkan  energi  listrik  [1].  Energi  listrik  yang dihasilkan  dari  sistem Microbial  Fuel  Cell (MFC)  sangat dipengaruhi oleh banyak faktor seperti agitasi, rangkaian pada sistem MFC, konsentrasi substrat dan lain-lain.
Inayati dkk. [2]  menyatakan  bahwa  agitasi  pada kompartemen  anoda  dalam  sistem  MFC  dengan menggunakan  substrat  laktosa  dan  bakteri Lactobacillus bulgaricus ,  hasilnya  dapat  meningkatkan  potensial  sel. Hayati dkk. [3]  telah  meneliti  pengaruh  rangkaian  seri sistem MFC menggunakan bakteri Lactobacillus bulgaricus dengan  substrat  laktosa.  Hasil  yang  diperoleh  dengan adanya rangkaian seri dapat meningkatkan potensial sel. Selain itu,  Rohan dkk. [4] melakukan penelitian tentang variasi  konsentrasi  glukosa  4-6%  dengan  bakteri Escherichia coli. Hasil yang diperoleh adalah potensial sel maksimal dihasilkan pada konsentrasi glukosa 5%.
Berdasarkan  uraian  tersebut  di  atas,  maka  pada penelitian  ini  akan  mengkaji  lebih  dalam  dari  sisi konsentrasi  substrat  laktosa  3-7%  dengan  bakteri Lactobacillus  bulgaricus .  Selain  itu  pada  teori  persamaan Nernst menjelaskan bahwa potensial sel dipengaruhi oleh konsentrasi,  oleh  karena  itu  untuk  menentukan  nilai E° Laktosa digunakan teori persamaan Nerst.

## 2. Metode Penelitian

## Bahan
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  bakteri Lactobacillus  bulgaricus, laktosa,  KMnO 4 , MRS ( Media deMan Rogosa and Sharpe ) broth, Media NA, agar-agar, alkohol, HCl, KCl, buffer fosfat pH = 7, NaOH, dan reagen Benedict.

## Alat
Peralatan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini meliputi autoklaf, anoda dan katoda karbon, erlenmeyer, gelas  beker,  gelas  ukur, hotplate dan stirrer, inkubator, labu  ukur,  lampu  LED,  multimeter  SANWA  CD800a, mikro  pipet,  neraca analitik KERN  ALS 220-4N,  pipa U, reaktor MFC, resistor 1,1 Ω, spektrofotometer UV -Vis PG Instruments  Limited  Model  T60U,  termometer,  tabung reaksi, kabel dan jarum ose.
Preparasi bakteri Lactobacillus bulgaricus
Bibit bakteri Lactobacillus bulgaricus murni dimasukkan ke dalam medium MRS broth dalam kondisi steril  dan  diinkubasi  selama  48  jam  pada  suhu  37  °C. Selanjutnya bakteri ini sebagai starter untuk dimasukkan dalam laktosa dengan konsentrasi konsentrasi 3, 4, 5, 6 dan 7% dan diinkubasi pula selama 48 jam pada suhu 37 °C.

## Kontruksi MFC
Rangkaian  MFC  terdiri  dari  dua  kompartemen (anoda  dan  katoda)  yang  mempunyai  volume 100mL.Kedua  kompartemen  dihubungkan  jembatan garam  yang  terbuat  dari  5  gram  agar-agar  dan  larutan KCL 1M. Pada kompartemen anoda diisi bakteri yang telah dibiakkan  sebanyak  20  mL,  ditambahkan  laktosa sebanyak 60 mL dan larutan buffer fosfat 20 mL

## Pengukuran potensial sel dan arus
Pengukuran  potensial  sel  dan  arus  dilakukan menggunakan alat ukur yang disebut multimeter. Untuk mengetahui arus listrik pada MFC, maka pada salah satu kutub  dipasang  hambatan  (resistor),  sedangkan  untuk mengetahui potensial sel, cukup dengan mengukur kutub anoda  dan  katoda  pada  MFC  tanpa  menggunakan hambatan.  Pengukuran  potensial  dan  arus  dilakukan pada  semua  konsentrasi  laktosa  sampai  mengalami penurunan.

## Uji Karbohidrat Laktosa
Laktosa  konsentrasi  3-7%  dilakukan  dengan  uji benedict. Lima tabung pereaksi yang berisi 5 mL laktosa konsentrasi 3, 4, 5, 6 dan 7%, dan ditambahkan larutan benedict sebanyak 5 mL kemudian dipanaskan selama 5 menit.  Pengujian  larutan  hasil  uji  benedict  dilakukan pengukuran absorbansi dengan spektrofometer uv-vis.

## Penentuan E° Laktosa
Pada  teori  persamaan  Nernst  menjelaskan  bahwa potensial  listrik  dipengaruhi  oleh  konsentrasi.  Dari persamaan  Nernst  tersebut  dapat  digunakan  untuk menentukan nilai E° Laktosa .

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Desain Alat Microbial Fuel Cell (MFC)
Alat  MFC  pada  penelitian  ini  menggunakan  sebuah kotak (inkubator) dengan panjang 60 cm, lebar 25 cm dan tinggi 25 cm. Bagian dalam inkubator terdapat 5 pasang kompartemen anoda dan katoda dengan volume masing- masing  kompartemen  100  mL.  Inkubator  didesain anaerob  agar  tidak  ada  oksigen  yang  masuk.  Dalam inkubator tersebut dipasang sebuah kipas, lampu 5 watt dan termometer. Hal ini bertujuan untuk mengatur suhu optimal  pertumbuhan  bakteri Lactobacillus  bulgaricus pada suhu 37°C [5].
Masing-masing  kompartemen  dipasang  resistor terkecil yang ada dipasaran dengan hambatan sebesar 1,1 Ω  yang  dihubungkan  ke  anoda. dengan  harapan  bisa menghasilkan  pembacaan  potensial  dan  arus  yang sebesar  besarnya.  Bagian  bawah  penutup  inkubator dipasang  kabel  sepanjang  20  cm  yang  akan disambungkan  ke  elektroda  pada  masing-masing kompartemen.  Berikut  merupakam  alat  MFC  yang digunakan dalam penelitian (Gambar.1).
Gambar 1. Alat MFC
Elektroda yang digunakan pada setiap kompartemen adalah jenis elektroda grafit. Luas permukaan elektroda ini sebesar 14,6 cm 2 dengan diameter 0,8 cm dan panjang 5,7 cm. Elektroda direndam terlebih dahulu dalam HCl 1 M dan NaOH 1 M sebelum digunakan dalam sistem MFC, dengan  tujuan  untuk  menghilangkan  pengotor.  Untuk menghubungkan  anoda  dan  katoda  dipasang  jembatan garam  yang  berisi  larutan  KCl  1  M  dan  agar-agar. Jembatan  garam  berfungsi  sebagai  tempat  proton berdifusi dari anoda ke katoda.

## Potensial dan Arus pada Sistem MFC
Untuk  mengetahui  potensial  dan  arus  yang dihasilkan pada sistem MFC, maka dilakukan pengukuran potensial  sel  dan  arus  listrik  pada  masing-masing konsentrasi  laktosa.  Pengukuran  potensial  sel  dan  arus listrik  dilakukan  selama  14  hari  pada  sistem  MFC,  hasil yang  diperoleh  pada  konsentrasi  laktosa  3-7%  seperti pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Berdasarkan  grafik  pada  Gambar  2,  hasil  potensial tertinggi  pada  konsentrasi  laktosa 3-7% berturut-turut adalah  652  mV,  710  mV,  453  mV,  599  mV  dan  558  mV. Grafik pada Gambar IV.3 menunjukan hasil arus tertinggi pada  konsentrasi  laktosa  3-7%  berturut-turut  adalah 203,8 µA, 221,9 µA, 144,6 µA, 191,5 µA dan 174,4 µA.
Gambar 2. Grafik pengukuran potensial sel selama 14 hari
Gambar 3. Grafik pengukuran arus selama 14 hari
Pengukuran  potensial  dan  arus  dilakukan  secara kontinyu  selama  14  hari.  Pada  hari  ke-2  potensial  dan arus  menunjukkan  adanya  kenaikan  yang  cukup signifikan.  Artinya pada hari kedua  bakteri  sudah  dapat beradaptasi  dan  mengalami  pertumbuhan  yang maksimum.
Sesuai  dengan  persamaan  hukum  omh  :  V  =  I.R, dimana  V  (potensial)yang  berbanding  lurus  dengan  I (arus)  dan  berbanding  terbalik  dengan  R  (tegangan), maka pada grafik 2 dan 3 bisa dijelaskan bahwa pada hari ke-3  sampai  hari  ke-14,  potensial  dan  arus  yang dihasilkan dari konsentrasi 3-4% mengalami penurunan secara  drastis.  Hal  ini  dikarenakan  jumlah  laktosa  pada konsentrasi  3-4%  tersisa  0,01  dan  0,02%  sehingga makanan  bakteri  sedikit,  arus  dan  potensial  yang dihasilkan  juga  lebih  sedikit.  Jumlah  laktosa  pada konsentrasi 5-7% masih tersedia sampai hari ke-14 yaitu 0,37; 0,62 dan 1,66%., sehingga jumlah makanan bakteri cukup  untuk  degradasi  sampai  pada  hari  ke-  14  dan potensial serta arus yang dihasilkan juga akan bertahan lebih lama . Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.
Anoda:
C 12 H 22 O 11 + 13 H 2 O → 12 CO 2 + 48 H + + 48 e —
Katoda:
12 O 2 + 48 H + + 48 e − → 24 H 2 O E° = 1,23 V
Reaksi secara keseluruhan
C 12 H 22 O 11 + 12 O 2 → 12 CO 2 + 11 H 2 O
Dari  reaksi  tersebut  dapat  ditinjau  hubungan konsentrasi  dengan  potensial  sel  yang  dihasilkan  pada sistem  MFC  dengan  menggunakan  persamaan  Nernst sebagai berikut:
E  =  E°  − RT nF ln Q E  =  E°  − RT nF ln a p a r E  =  E°  − RT nF ln [f CO2 ] 12 ×   [a H 2 O ] 11 [a C 12 H 22 O 11 ] 1 × [ f O2 ] 12 E  =  E°  − RT nF ln [1] 12 × [1] 11 (γ C 12 H 22 O 11 ∙   C C 12 H 22 O 11 ) × [1] 12 E  =  E°  − RT nF ln 1 γ C 12 H 22 O 11 ∙ [C 12 H 22 O 11 ]
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018): 144 – 148
E  =  E°  − RT 48 F ln 1 γ C 12 H 22 O 11 ∙ [C 12 H 22 O 11 ]
E  =  E°  − RT 48 F ln 1 [C 12 H 22 O 11 ]
Di mana: f = fugasitas, a = aktifitas, γ = koefisien aktifitas
Dari persamaan Nernst tersebut menunjukan bahwa semakin  tinggi  konsentrasi  maka  akan  semakin  tinggi potensial sel yang akan dihasilkan. Akan tetapi potensial sel tertinggi dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%. Hal ini dikarenakan potensial sel yang dihasilkan dari sistem MFC  juga  dipengaruhi  oleh  jumlah  dan  metabolisme bakteri [6].  Jumlah dan metabolisme  bakteri mempengaruhi  nilai  dari a C 12 H 22 O 11 (aktifitas  laktosa). Aktifitas laktosa sebanding dengan aktifitas bakteri yang ada pada sistem MFC. Aktifitas bakteri pada konsentrasi laktosa 4% dalam keadaan maksimal sehingga potensial maksimum dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%.
Selain itu, dalam volume reaktor yang sama, semakin banyak  jumlah  bakteri  dapat  menyebabkan  kerapatan bakteri  meningkat  [7].  Kerapatan  yang  tinggi  akan mengakibatkan  elektron  hasil  metabolisme  bakteri semakin  sulit  untuk  mendekati  elektroda,  sehingga potensial  sel  yang  dihasilkan  juga  akan  lebih  kecil. Hubungan antara jumlah bakteri, konsentrasi laktosa dan potensial sel ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hubungan jumlah bakteri, konsentrasi laktosa dan potensial sel setelah 14 hari
Konsentrasi
Laktosa sebelum proses MFC% Jumlah Bakteri (Koloni/ mL) Konsentrasi setelah proses MFC Laktosa (%) Potensial sel (mV) 3 100 x 10 15 0.01 652 4 102 x 10 15 0.02 710 5 124 x 10 15 0.37 453 6 128 x 10 15 0.62 499 7 154 x 10 15 1.66 558
Dari hasil tersebut menunjukan bahwa potensial sel maksimum dihasilkan pada konsentrasi laktosa 4%, hal ini dimungkinkan jumlah bakteri dalam keadaan optimal, sehingga  elektron  yang  dihasilkan  akan  lebih  mudah melakukan kontak dengan elektroda. Pada konsentrasi 5, 6  dan  7%,  jumlah  bakteri  yang  ada  lebih  banyak dibandingkan  dengan  jumlah  bakteri  pada  konsentrasi laktosa  4%  (Tabel  1),  sehingga  kerapatan  bakteri  pada konsentrasi  laktosa  5,  6  dan  7%  lebih  tinggi dibandingkan dengan pada konsentrasi 4% dan potensial yang dihasilkan lebih kecil. Jumlah bakteri yang ada pada konsentrasi  laktosa  3%  lebih  sedikit  dibandingkan dengan konsentrasi laktosa 4%, sehingga elektron hasil metabolisme  bakteri  juga  lebih  sedikit  yang  melakukan kontak  dengan  elektroda.  Semakin  sedikit  jumlah elektron yang melakukan kontak dengan elektroda maka akan semakin kecil potensial yang dihasilkan.
Penentuan E° Laktosa pada sistem MFC
Secara  teoritis,  nilai  potensial  sel  dari  sistem  MFC dapat  ditentukan  dengan  menggunakan  persamaan
Nernst. Nilai potensial sel tersebut bergantung pada nilai E° katoda dan  E° anoda ,  di  mana  E° katoda merupakan  nilai  dari potensial sel standar pada reaksi pada reaksi katoda dan E° anoda merupakan nilai dari potensial sel standar laktosa (E° Laktosa ).  Oleh  karena  nilai  E° Laktosa belum  diketahui, sehingga  perlu  ditentukan  nilai  E° Laktosa menggunakan persamaan  Nerst,  dengan  cara  mengukur  potensial  sel MFC  yang  dihasilkan  sebagai  E sel dan  mengukur konsentrasi laktosa untuk menentukan nilai Q.
Q  = 1 [C 12 H 22 O 11 ]
Dari nilai Q tersebut dapat ditentukan nilai potensial sel  laktosa  dengan  menggunakan  persamaan  Nernst sebagai berikut:
E  =  E°  − RT nF ln Q E  =  E°  − RT nF ln 1 [C 12 H 22 O 11 ]
Hubungan  nilai  potensial  sel  (hasil  pengukuran) dengan  konsentrasi  laktosa  dapat  menghasilkan persamaan  garis,  sehingga  dapat  ditentukan  nilai potensial sel standar laktosa.
Gambar 5. Grafik hubungan potensial (E) dan ln Q
Dari grafik tersebut, persamaan garis yang diperoleh diubah  ke  dalam  persamaan  Nerst  sehingga  dapat diprediksikan  nilai  dari  E° Laktosa. Nilai  E° Laktosa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Reaksi pada MFC:
C 12 H 22 O 11 + 12 O 2 → 12 CO 2 + 11 H 2 O
E 0 =   E O 2 |H 2 O 0 − E C 12 H 22 O 11 |CO 2 0
Dari  persamaan  tersebut  diperoleh  nilai  E° Laktosa sebesar + 0,236 V.

## 4. Kesimpulan
Konsentrasi  laktosa  sebagai  substrat Lactobacillus bulgaricus pada  sistem  MFC  dapat  berpengaruh  pada potensial  sel  yang  dihasilkan.  Potensial  sel  maksimum yang dihasilkan dari sistem MFC adalah pada konsentrasi laktosa 4% sebesar 710 mV. Nilai E° Laktosa yang diperoleh pada sistem MFC sebesar + 0,236 V.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (3) (2018): 144 – 148

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Enas  Taha  Sayed,  Takuya  Tsujiguchi,  Nobuyoshi Nakagawa,  Catalytic  activity  of  baker's  yeast  in  a mediatorless microbial fuel cell, Bioelectrochemistry , 86, (2012) 97-101 https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2012.02.001
[2]  Nor Sri Inayati, Agustina L. N. Aminin, Linda Suyati, The Bioelectricity of Tofu Whey in Microbial Fuel Cell System with Lactobacillus bulgaricus , Jurnal Sains dan Matematika , 23, 1, (2015) 32-38
[3]  Dini  Noor  Hayati,  Rahmad  Nuryanto,  Linda  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
[4] D’souza  Rohan,  Verma  De epa,  Gavankar  Rohan,
Bhalerao  Satish,  Bioelectricity  Production  from Microbial  Fuel  using  Escherichia  Coli  (Glucose  and Brewery  Waste), International  Research  Journal  of Biological Sciences , 2, 7, (2013) 50-54
[5]  P.  Teixeira,  H.  Castro,  C.  Mohácsi-Farkas,  R.  Kirby, Identification  of  sites  of  injury  in Lactobacillus bulgaricus during  heat  stress, Journal  of  Applied Microbiology , 83, 2, (1997) 219-226 http://dx.doi.org/doi:10.1046/j.1365- 2672.1997.00221.x
[6]  C. Siu, M. Chiao, A Microfabricated PDMS Microbial Fuel  Cell, Journal  of  Microelectromechanical  Systems , 17, 6, (2008) 1329-1341 10.1109/JMEMS.2008.2006816
[7]  Seung  Won  Lee,  Bo  Young  Jeon,  Doo  Hyun  Park, Effect of bacterial cell size on electricity generation in a  single-compartmented  microbial  fuel  cell, Biotechnology  Letters ,  32,  4,  (2010)  483-487 http://dx.doi.org/10.1007/s10529-009-0184-1