PEMANFAATAN SUBSTRAT KULIT PISANG KEPOK (Musa acuminata balbisiana Colla) UNTUK MENGHASILKAN ENERGI LISTRIK
DENGAN MENGGUNAKAN BAKTERI Pseudomonas sp BERBASIS TEKNOLOGI MICROBIAL
FUEL CELL (MFC
)
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Meraih Gelar Sarjana Sains Jurusan Kimia pada Fakultas Sains dan Teknologi
UIN Alauddin Makassar Oleh :
ABDUL RAHMAN NIM: 60500115010
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UIN ALAUDDIN MAKASSAR
2022
ii
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Mahasiswa yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Abdul Rahman
NIM : 60500115010
Tempat/ Tgl Lahir : Jakarta, 14 Oktober 1997
Jurusan : Kimia Sains
Alamat : Jl. Krg Makkawari No. 13
Judul : Pemanfaatan Energi Listrik Substrat Kulit Pisang Kepok (Musa Acuminata Balbisiana Colla) dengan Bakteri Pseudomonas Sp Berbasis Teknologi Microbial Fuel Cell (MFC)
Menyatakan dengan sesungguhnya dan penuh kesadaran bahwa skripsi ini benar adalah hasil karya sendiri. Jika kemudian hari terbukti bahwa skripsi ini merupakan duplikat, tiruan, plagiat, atau dibuat oleh orang lain, sebagian atau seluruhnya, maka skripsi dan gelar yang diperoleh karenanya batal demi hukum.
Gowa, Februari 2022 Penyusun
Abdul Rahman NIM : 60500115010
iii
iv
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim
Alhamdulillah, Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah Swt karena dengan izin dan petunjuk-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pemanfaatan Energi Listrik Substrat Kulit Pisang Kepok (Musa Acuminata Balbisiana Colla) dengan Bakteri Pseudomonas Sp Berbasis Teknologi Microbial Fuel Cell (MFC)”. Salam serta salawat tetap tercurahkan kepada Rasulullah saw. beserta keluarga dan para sahabatnya. Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan studi dan mendapatkan gelar sarjana di Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar.
Penulis menyadari bahwa selama proses penyusunan skripsi ini tidak luput dari bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Dengan demikian penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada kedua orang tua tercinta (Bapak Idris Panangian dan Ibunda Aisyah) dan keluarga yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan baik secara moral maupun materi. Semoga Allah Swt. senantiasa meridhoi kita semua, melimpahkan rahmat-Nya dan senantiasa diberkahi, Aamiin ya robbal alaamiin. Pada kesempatan ini, penulis ingin pula menyampaikan banyak terima kasih kepada pihak-pihak di bawah ini yang banyak membantu penulis:
1. Bapak Prof. Drs. Hamdan Juhannis M.A, Ph.D, selaku Rektor UIN Alauddin Makassar beserta wakil dan sejajarannya.
2. Bapak Prof. Dr. Muhammad Halifah Mustami, M.Pd, selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar beserta wakil dan sejajarannya.
3. Bapak Dr. H. Asri Saleh, S.T., M.Si, selaku Ketua Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar.
4. Ibu Dr. Rismawaty Sikanna, S.Si., M.Si selaku Sekretaris Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar.
5. Ibu Dr. Maswati Baharuddin, M.Si dan Bapak Sappewali, S.Pd., M.Si, selaku Pembimbing I dan II atas segala bimbingan dan bantuan yang diberikan selama proses penelitian dan penulisan yang memberikan banyak ilmu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
6. Ibu Sjamsiah, S.Si., M.Si., Ph.D. dan Bapak Dr. H. Muhammad Sadik Sabry, M.Ag. selaku penguji I dan penguji II yang berkenan memberikan kritik dan saran bagi penulis.
7. Seluruh Dosen Jurusan Kimia dan staf serta karyawan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar.
8. Segenap laboran Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar yang telah banyak membantu dalam proses penelitian. Terkhusus untuk Kak Fitria Azis, S.Si., S.Pd., selaku Laboran di Laboratorium Biokimia yang telah sabar membimbing kami dalam proses penelitian kami.
9. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu, yang banyak membantu baik dalam proses penulisan skripsi ini maupun dalam proses penelitian
vi
Semoga Allah Swt menerima segala amal kebaikan sebagai amal jariah.
Dengan segala keterbatasan, penulis menyadari bahwa tulisan ini masih terdapat kesalahan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritikan dan saran yang membangun. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca.
Gowa, Februari 2022 Penyusun
Abdul Rahman NIM : 60500115010
vii DAFTAR ISI
JUDUL ... i
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ... ii
PENGESAHAN ... iii
KATA PENGANTAR ... ... iv
DAFTAR ISI ... ...vii
DAFTAR TABEL ... ...ix
DAFTAR GAMBAR ... ...x
DAFTAR LAMPIRAN... ... ...xi
ABSTRAK ... ...xii
ABSTRACT ... ...xiii
BAB I PENDAHULUAN ... ...1
A. Latar Belakang ... ...1
B. Rumusan Masalah... ...7
C. Tujuan Penelitian ... ...8
D. Manfaat Penelitian ... ...8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... ...9
A. Microbial Fuel Cell (MFC) ... ...9
B. Pisang Kepok (Musa acuminata balbisiana Colla) ... ……..13
C. Pseudomonas sp. ... ……..18
D. Larutan Elektrolit dan Larutan Buffer ... ……..20
BAB III METODE PENELITIAN ... ...22
A. Waktu dan Tempat ... ……..22
B. Alat dan bahan ... ……..22
viii
C. Prosedur penelitian ... ……..23
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... ……..27
A. Tabel Hasil Penelitian ... ……..27
B. Pembahasan ... ……..29
1. Beda Potensial dan Arus Substrat Kulit Pisang Tanpa Variasi Larutan Elektrolit Dan Bahan Bufer Fosfat ... ……..31
2. Pengaruh Penambahan Variasi Larutan Elektrolit KMnO4 dengan Bahan Buffer Natrium Fosfat dan Kalium Fosfat ... ……..32
3. Pengaruh Penambahan Variasi Larutan Elektrolit K3Fe(CN)6 dengan Bahan Buffer Kalium Fosfat dan Natrium Fosfat ... ……..36
4. Nilai Power Density (mW/m2) ... ……..38
BAB V PENUTUP ... ……..40
A. Kesimpulan ... ……..40
B. Saran ... ……..40
DAFTAR PUSTAKA ... ……..41
LAMPIRAN ... ……..44
RIWAYAT HIDUP ... .…….59
ix DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Pelaksanaan Percobaan ... ...26 Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Beda potensial dan arus
tanpa penambahan Elektrolit dan Buffer ... ...27 Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Beda potensial dan arus
penambahan KMnO4 dengan variasi Buffer
Na3PO4 dan K3PO4 ... ……..28 Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Beda potensial dan arus
penambahan K3Fe(CN)6 dengan variasi Buffer
Na3PO4 dan K3PO4 ... ...….28 Tabel 4.4 Data Hasil Power Density (mW/m2) pada setiap
penambahan larutan elektrolit dan buffer ... ...29
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sistem Kerja MFC ... ...11
Gambar 2.2 Pisang Kepok ... ...14
Gambar 2.3 Struktur selulosa ... ...17
Gambar 2.4 Pseudomonas sp ... ...20
Gambar 3.1 Desain MFC Double Chamber ... ...23
Gambar 4.1 Grafik Beda Potensial dan Nilai Arus substrat kulit pisang tanpa variasi larutan Elektrolit dan Buffer ... ...31
Gambar 4.2 Grafik Beda Potensial substrat kulit pisang dengan variasi larutan Elektrolit KMnO4 dan Buffer Na3PO4 dan K3PO4 ... ...33
Gambar 4.3 Grafik Nilai Arus substrat kulit pisang dengan variasi larutan Elektrolit KMnO4 dan Buffer Na3PO4 dan K3PO4 ... ...34
Gambar 4.4 Grafik Beda Potensial substrat kulit pisang dengan variasi larutan Elektrolit K3Fe(CN)6 dan Buffer Na3PO4 dan K3PO4 ... ...36
Gambar 4.5 Grafik Nilai Arus substrat kulit pisang dengan variasi larutan Elektrolit K3Fe(CN)6 dan Buffer Na3PO4 dan K3PO4 ... ...37
xi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Skema Kerja ... 44
Lampiran 2. Kerja Penelitian... 45
Lampiran 3. Pembuatan Larutan ... 51
Lampiran 4. Perhitungan Kerapatan Daya (Power Density) ... 53
Lampiran 5. Dokumentasi ... 56
xii ABSTRAK
Nama : Abdul Rahman NIM : 60500115010
Judul : Pemanfaatan Energi Listrik Substrat Kulit Pisang Kepok (Musa Acuminata Balbisiana Colla) dengan Bakteri Pseudomonas Sp Berbasis Teknologi Microbial Fuel Cell (MFC)
Sumber energi saat ini masih berasal dari bahan fosil yang apabila digunakan secara berkelanjutan dapat menyebabkan kelangkaan energi di masa depan. Produksi energi listrik yang semakin meningkat memerlukan suatu langkah yang kongkrit dengan mencari sumber energi alternatif yaitu Microbial Fuel Cell. Microbial Fuel Cell termasuk salah satu contoh teknologi alternatif yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai energi substituen karena fuel cell ini mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik menggunakan mikroorganisme. Pada penelitian ini menggunakan substrat dari kulit pisang dan bakteri Pseudomonas sp.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi kulit pisang sebagai substrat dalam sistem MFC dan mengetahui pengaruh penambahan variasi antara larutan elektrolit dengan bahan buffer yang sesuai dalam menghasilkan arus dan beda potensial maksimum serta nilai power density. Hasil penelitian ini diperoleh bahwa arus dan beda potensial maksimum yang dihasilkan adalah 0,46 mA dan 0,36 V dengan nilai power density 91,369 mW/m2. Untuk pengaruh penambahan variasi larutan elektrolit dengan bahan buffer diperoleh variasi yang sesuai antara larutan elektrolit K3Fe(CN)6 dengan larutan buffer Kalium Fosfat menghasilkan beda potensial dan arus maksimum yang lebih tinggi yaitu sebesar 1,56 V dan 1,16 mA diperoleh nilai power density 397,714 mW/m2 Sedangkan variasi larutan elektrolit KMnO4 dengan larutan buffer Natrium Fosfat menghasilkan arus yang lebih tinggi dibandingkan dengan buffer Kalium Fosfat yaitu sebesar 0,86 mA dan diperoleh nilai power density yaitu sebesar 288,630 mW/m2.
Kata Kunci : Kulit Pisang, Buffer Fosfat, Power Density, Microbial Fuel Cells, Pseudomonas sp.
xiii ABSTRACT
Name : Abdul Rahman NIM : 60500115010
Title : Utilization of Electrical Energy on Kepok Banana Peel Substrate (Musa Acuminata Balbisiana Colla) With Pseudomonas Sp Bacteria Based on Microbial Fuel Cell (MFC) Technology
Current energy sources still come from fossil materials which, if used sustainably, can lead to energy scarcity in the future. The increasing production of electrical energy requires a concrete step by looking for alternative energy sources, namely Microbial Fuel Cells. Microbial Fuel Cell is an example of alternative technology that has the potential to be developed as an energy substituent because this fuel cell converts chemical energy into electrical energy through catalytic reactions using microorganisms. In this study using banana peel and Pseudomonas sp. The purpose of this study was to determine the potential of banana peel as a substrate in the MFC system and to determine the effect of adding variations between the electrolyte solution and the appropriate buffer material in producing the maximum current and potential difference and the value of power density. The results of this study showed that the maximum current and potential difference produced were 0.46 mA and 0.36 V with a power density value of 91.369 mW/m2. For the effect of adding variations in electrolyte solution with buffer material, a suitable variation between K3Fe(CN)6 electrolyte solution and Potassium Phosphate buffer solution produces a higher potential difference and maximum current of 1.56 V and 1.16 mA, the power density value is obtained. 397.714 mW/m2 While the variation of KMnO4 electrolyte solution with sodium phosphate buffer solution produces a higher current than the Potassium Phosphate buffer, which is 0.86 mA and the power density value is 288.630 mW/m2.
Keywords: Banana Peel, Phosphate Buffer, Power density, Microbial fuel cells, Pseudomonas sp.
1 BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Energi merupakan salah satu komponen terpenting yang digunakan dalam mencukupi berbagai aktivitas manusia sehari-hari. Sumber energi saat ini masih berasal dari bahan fosil yang apabila digunakan secara berkelanjutan dapat menyebabkan kelangkaan energi di masa depan. Karena sumber enegi fosil membutuhkan waktu ribuan hingga jutaan tahun untuk dapat diperbaharui. Energi fosil atau minyak bumi saat ini masih mengandung karbon monoksida (CO) yang dapat merusak habitat makhluk hidup karena proses pembakarannya. Selain itu, dampak penggunaan fosil yang berlebihan dapat merusak alam melalui pemanasan global. Sebagaimana yang tertuang dalam QS Al-Rum/30: 41 yang berbunyi:
Terjemahnya:
“Telah nampak kerusakan di darat dan di laut disebabkan karena perbuatan tangan manusia, supaya Allah merasakan kepada mereka sebahagian dari (akibat) perbuatan mereka, agar mereka kembali (ke jalan yang benar)”.
Menurut tafsir Al-Maraghi, bahwa orang-orang yang telah melakukan kerusakan baik di laut dan di bumi akan diperingatkan langsung oleh Allah, dunia dengan banjir, kekeringan, kekurangan pangan, kebakaran hutan. Agar mereka mau kembali kejalan yang benar dan bertaubat, tetapi setelah Allah memberikan
peringatan di dunia mereka tidak menghiraukannya, maka Allah memperingatkan mereka menunggu hari pembalasan.
Maksud dari ayat tersebut adalah penyebab utama semua kerusakan di darat maupun di lautan adalah perbuatan buruk yang dilakukan oleh ulah manusia. Ini menunjukan bahwa perbuatan buruk adalah inti kerusakan yang sebenarnya dan merupakan sumber utama kerusakan-kerusakan yang tampak di bumi. Beragam kerusakan dan penyimpangan menyebar luas di seluruh penjuru laut dan darat maka wajib bagi semua umat manusia menjaga lingkungan dari kerusakan baik pada tumbuhan dan makhluk hidupnya, salah satunya adalah kerusakan akibat penggunaan limbah, kerusakan lingkungan ini mengakibatkan terganggunya kelangsungan hidup di bumi dan makhluk hidup lainnya. Sebagaimana tertuang juga pada firman Allah QS Al-A’araf/7 : 56 mengenai pengrusakan di bumi yang berbunyi:
Terjemahnya :
“Dan janganlah kamu membuat kerusakan di muka bumi, sesudah (Allah) memperbaikinya dan berdoalah kepada-Nya dengan rasa takut (tidak akan diterima) dan harapan (akan dikabulkan). Sesungguhnya rahmat Allah amat dekat kepada orang-orang yang berbuat baik”
Menurut Tafsir Al-Mishbah disebutkan salah satu bentuk perbaikan yang dilakukan oleh Allah swt. adalah dengan mengutus para Nabi untuk meluruskan dan memperbaiki kehidupan di masyarakat. Maka merusak setelah diperbaiki jauh lebih buruk daripada sebelu diperbaiki. Karena ayat tersebut secara tegas menggaris bawahi larangan tersebut, walaupun memperparah kerusakan atau merusak sesuatu yang baik juga dilarang.
3
Ayat di atas menjelaskan tentang melarang berbuat kerusakan di bumi, yang mana berbuat kerusakan merupakan salah bentuk pelampauan batas. Alam raya diciptakan Allah swt. dalam keadaan yang harmonis, serasi, dan memenuhi kebutuhan makhluk. Allah swt. telah menjadikannya dalam keadaan baik, serta memerintahkan hamba-hambaya untuk memperbaikinya. Pencegahan yang dapat dilakukan dari dampaknya kerusaan lingkungan tersebut yaitu diperlukan pengembangan energi yang dapat menggantikan atau memperbaharui energi fosil tersebut. Oleh karena itu diperlukan suatu inovasi pengembangan teknologi berbasis energi, dan Microbial Fuel Cell (MFC) sebagai salah satu langkah kongkrit untuk mengatasi kelangkaan energi tersebut.
Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan inovasi yang dapat menghasilkan suatu energi listrik yang memanfaatkan bahan organik dengan menggunakan bantuan dari mikroorganisme. Energi listrik yang dihasilkan oleh mikroba berupa elektron dan proton yang dilepaskan ke ruang anoda untuk ditransfer ke ruang katoda.
Elektron berpindah melalui sirkuit eksternal dan proton berdifusi melalui sirkuit internal MFC. Elektron dan proton yang berpindah ke ruang katoda digunakan untuk bereaksi dengan oksigen membentuk air. Elektron yang mengalir dari anoda ke katoda yang dikonversikan menjadi listrik oleh sistem MFC (Sitorus, 2010: 11).
Penggunaan mikroorganisme dalam biofuel cell dapat menghilangkan isolasi enzim individu sehingga memberikan substrat yang lebih murah untuk bahan bakar sel.
Salah satu bagian dari tumbuhan yang berpotensi untuk dijadikan sebagai sumber nutrisi mikroorganisme dalam sistem MFC yaitu selulosa pada kulit pisang kepok.
Pisang kepok merupakan bahan makanan pokok keempat terpenting di negara berkembang. Indonesia merupakan salah satu negara penghasil pisang, dan banyak terdapat kultivar pisang yang potensial dikembangkan dalam rangka mencukupi kebutuhan buah bagi masyarakat. Buah pisang juga memiliki banyak manfaat kesehatan dan digemari oleh masyarakat (Prayogi, dkk, 2016: 97).
Menurut badan pusat statistik dan direktorat jendral hortikultura 2019, produksi pisang pada tahun 2016 sampai tahun 2019 mengalami peningkatan sekitar 0,22%, oleh karena itu tanaman pisang memiliki limbah yang sangat melimpah, sehingga limbahnya dapat menjadi alternatif pembuatan energi. Pada umumnya pisang kepok hanya dimanfaatkan pada bagian dagingnya, sedangkan kulitnya hanya dibuang dan belum ada alternatif pemanfaatannya. Jumlah kulit pisang dari buah pisang kira-kira sepertiga dari berat keseluruhan. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Novianti, dkk (2016: 460), kandungan kulit pisang kepok memiliki kandungan selulosa yang tinggi sebesar 60-65%, lignin 5-10% dan hemiselulosa 6-8%.
Kandungan tersebut membuat kulit pisang dapat dijadikan sebagai bahan nutrisi untuk membantu pertumbuhan mikroba Pseudomonas sp.
Mikroba Pseudomonas sp merupakan mikroba sel gram negatif dan aerob yang bergerak dengan menggunakan flagel di ujung sel. Mikroba Pseudomonas sp pada umumnya bersumber dari tanah dan biasanya juga tinggal di dalam tubuh manusia sebagai saprofit pada usus dan pada kulit manusia. Bakteri ini dapat mengurai bahan organik yang ada di alam. Senyawa hidrokarbon yang ada di bahan organik dapat dijadikan sebagai bahan nutrisi untuk mikroba, sehingga dapat menghasilkan suatu bentuk energi. Bakteri genus ini memproduksi beberapa enzim
5
seperti protease, amilase, dan lipase. Selain itu bakteri Pseudomonas juga dapat menguraikan protein, karbohidrat dan senyawa organik lain menjadi CO2, gas amoniak, dan senyawa-senyawa lain yang lebih sederhana. Beberapa spesies Pseudomonas seperti Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas sp, Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas syringae, Pseudomonas stutzeri dan lain-lain. (Suyono dan Salahuddin, 2011: 8).
Berdasarkan penelitian Prayogo dkk (2017: 17-18), melakukan penelitian MFC pada substrat limbah septic tank dengan Bacillus subtilis dalam sistem MFC.
Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengukur nilai tegangan, arus, dan power density serta perubahan kualitas air limbah septic tank. Hasil pengukuran energi yang didapatkan oleh inokulum B. subtilis dengan 4 konsentrasi berbeda, yaitu 0%, 1%, 2%, dan 3% (v/v). Pada konsentrasi 3% (v/v) menghasilkan voltase paling besar, yaitu 299,70 mV pada jam ke-4 dengan kuat arus 0,2997 mA dan power density 8,98 mW/cm2.
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Utami dkk (2018: 62-67) melakukan penelitian MFC dengan menggunakan substrat kulit pisang dangan Escherichia Coli dan penambahan larutan elektrolit KMnO4 0,1 M dengan pengukuran arus listrik selama 17 hari. Kuat arus listrik pada hari pertama operasi MFC adalah 0,027 mA. Kuat arus meningkat pada hari ke-2 menjadi 0,03 mA kemudian turun pada hari ke-3 menjadi 0,028 mA. Pada hari ke-4 kuat arus naik menjadi 0,0315 mA dan mencapai puncaknya pada hari ke-7, yaitu 0,032 mA dan kuat arus cendrung stabil hingga hari ke-9. Hari ke-10 kuat arus listrik turun menjadi 0,03 mA dan naik pada hari ke-11 menjadi 0,031 mA dan turun pada hari ke-12
menjadi 0,028 mA. Pada hari ke-14 kuat arus naik menjadi 0,03 mA dan cendrung turun hingga hari ke-17 menjadi 0,0285 mA. Kemudian menghasilkan power density maksimum 31,9 mW/m2. pH awal operasi MFC adalah 3,86 menunjukkan bahwa limbah memiliki pH yang sangat asam dan setelah 17 hari operasi MFC pH limbah naik menjadi 5,02. Limbah kulit pisang tidak mampu untuk menghilangkan ion sulfat.
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Kumar (2017: 72) menggunakan substrat limbah lumpur dengan bakteri Pseudomonas sp menunjukkan bahwa bakteri Pseudomonas sp menghasilkan energi sebesar 2890 mV setelah 80 jam pada temperatur 25 OC dengan power density sebesar 1108,29 mW/m2. Penelitian yang sama juga dilakukan oleh (Kurniawati, dkk., 2013: 20-21) menggunakan substrat feses sapi dengan bakteri Pseudomonas sp dari hasil penelitian menunjukkan bahwa bakteri Pseudomonas sp menghasilkan energi sebesar 750 mV. Akan tetapi, menurut Sari, dkk (2016: 108) bahwa potensial listrik dalam sistem MFC akan meningkat jika ditambahkan larutan elektrolit dan larutan buffer pada konsentrasi yang tepat.
Penggunaan jenis mikroorganisme yang berbeda pada sistem MFC ternyata juga dapat mempengaruhi produksi efisiensi energi yang dihasilkan. Sehingga banyak penelitian MFC yang menambahkan larutan elektrolit dan larutan buffer dalam sistem MFC dengan tujuan dapat meningkatkan efisiensi energi yang dihasilkan. Seperti yang dilakukan oleh Muftiana dkk, (2018), yang menggunakan substrat limbah air tahu dengan Lactobaccillus bulgarius. Pada penelitian yang dilakukan yaitu untuk menentukan pengaruh dari penambahan konsentrasi larutan elektrolit KMnO4 dan K3Fe(CN)6. Hasil percobaan menunjukkan bahwa larutan
7
KMnO4 0,2 M mengahasilkan potensial listrik lebih tinggi yaitu 99,2 mV dibandingkan dengan larutan elektrolit K3Fe(CN)6 0,2 M dengan nilai potensial yaitu 48,6 mV.
Berdasarkan Fitriani, dkk (2017: 76), bahwa penggunaan larutan elektrolit dengan konsentrasi yang tepat terhadap mikroba, dapat meningkatkan potensial listrik yang dihasilkan. Sari, dkk (2016: 108), juga menambahkan bahwa selain penambahan larutan elektrolit penggunaan bahan buffer dengan pH yang sesuai dapat meningkatkan potensial listrik yang dihasilkan. Selain itu juga dapat membantu memberikan nutrisi bagi pertumbuhan mikroorganisme. Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dilakukan penelitian Potensi Energi Listrik Kulit Pisang Kepok (Musa Acuminata Balbisiana Colla) Dengan menggunakan bakteri Pseudomonas Sp Berbasis Teknologi Microbial Fuel Cell (MFC).
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana penambahan variasi antara larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dan K3Fe(CN)6 0,2 M dengan larutan buffer kalium pH 7 dan natrium fosfat pH 7 terhadap nilai arus listrik yang dihasilkan?
2. Bagaimana penambahan variasi antara larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dan K3Fe(CN)6 0,2 M dengan larutan buffer kalium pH 7 dan natrium fosfat pH 7 terhadap nilai daya yang dihasilkan ?
C. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukan penelitian ini adalah:
1. Mengetahui penambahan variasi antara larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dan K3Fe(CN)6 0,2 M dengan larutan buffer kalium pH 7 dan natrium fosfat pH 7 terhadap nilaiarus listrik yang dihasilkan.
2. Mengetahui pengaruh penambahan variasi antara larutan elektrolit KMnO4
0,2 M dan K3Fe(CN)6 0,2 M dengan larutan buffer kalium pH 7 dan natrium fosfat pH 7 terhadap nilai daya yang dihasilkan.
D. Manfaat Penelitian
Manfaat pada penelitian ini yaitu sebagai bahan informasi untuk melakukan kajian lebih lanjut dalam mengembangkan material organik utamanya yang berpotensi menjadi limbah agar diolah sebagai energi terbarukan (Renewable Energy) dan bersifat ramah lingkungan
9 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. Microbial Fuel Cell (MFC)
Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan teknologi yang dapat dikembangkan untuk menyelesaikan permasalahan pencemaran lingkungan sekaligus krisis energi di masa depan. Kemampuan MFC mendegradasi limbah dan menghasilkan listrik secara simultan menjadikan teknologi ini sangat berbeda dengan teknik pengolahan limbah lainnya (Rinaldi, dkk, 2014: 92). Microbial Fuel Cell (MFC) atau sel elektrokimia berbasis mikroba termasuk salah satu contoh teknologi alternatif yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai energi substituen karena fuel cell ini mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi katalitik menggunakan mikroorganisme. Sistem ini memanfaatkan air buangan sebagai substrat sehingga dapat dijadikan alat yang ideal untuk mengolah mikroorganisme. Mikroorganisme dapat mengubah energi kimia yang tersimpan di dalam komponen organik menjadi energi listrik selama diinkubasi dalam Microbial Fuel Cell (MFC), sehingga bakteri di dalam MFC bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan daya listrik selama mengonsumsi limbah. Proses degradasi kandungan organik pada limbah cair agar menghasilkan biolistrik ini tentunya membutuhkan mikroba pengurai (Ibrahim, dkk, 2017: 297)
Salah satu sistem bioelekrokimia yang mampu membangkitkan energi listrik dari oksidasi substrat organik dan anorganik dengan bantuan katalis mikroorganisme yaitu MFC. Berbagai macam bentuk bahan organik dapat digunakan sebagai substrat dalam MFC, seperti asam lemak, pati, glukosa, protein dan asam amino, serta air
limbah dari hewan dan manusia. Kinerja MFC dapat dipengaruhi oleh beberapa hal, faktor-faktor yang mempengaruhi antara lain kecepatan degradasi substrat oleh bakteri, transfer proton dalam larutan dan kecepatan transfer elektron dari bakteri ke anoda. Selain itu, kinerja MFC juga dapat dipengaruhi oleh aktivitas mikroba dan substrat yang digunakan. Kinerja MFC dapat juga dipengaruhi oleh temperatur karena berkaitan langsung dengan kinetik bakteri, kecepatan reaksi oksigen yang dikatalis oleh katoda dan kecepatan transfer proton melalui larutan. Faktor lainnya adalah komponen penyusun MFC, seperti elektroda (anoda dan katoda) dan memberan penukar proton, serta kelengkapan alat pada membran(Irpan, 2018: 2).
Menurut Rinaldi, dkk (2014: 93), proton yang dilepaskan oleh mikroba berdifusi melalui medium cair menuju katoda dan selanjutnya bereaksi dengan oksigen terlarut pada katoda dan elektron yang mengalir dari anoda membentuk air dengan persamaan reaksi berikut:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O
Reaksi tersebut sangat dipengaruhi oleh pH larutan. Potensial listrik yang dihasilkan juga sangat dipengaruhi oleh jumlah oksigen yang tersedia pada katoda untuk melangsungkan reaksi sehingga biasanya pada katoda dilakukan aerasi.
Menurut Widodo dan Ali (2019: 31), sebuah sistem yang mengkonversi energi kimia yang terdapat pada substrat menjadi energi listrik secara langsung dapat diperoleh dari sistem MFC. Yang mana, Microbial Fuel Cell memanfaatkan peranan bakteri sebagai katalis. Microbial Fuel Cell sama seperti fuel cell biasa yaitu tersusun dari katoda, anoda, dan larutan elektrolit. Anoda merupakan tempat terjadinya reaksi oksidasi, sedangkan katoda merupakan tempat terjadinya reaksi reduksi. Pada Microbial Fuel Cell digunakan kultur mikroba dalam kompartemen anoda. Mikroba
11
akan melakukan metabolisme dalam keadaan anaerob dengan menguraikan glukosa menjadi proton, elektron (e) dan karbon dioksida (CO2). Proton mengalir ke katoda melalui jembatan garam, sedangkan elektron yang menempel di anoda kemudian mengalir melalui sirkuit eksternal menuju ke katoda. Pertemuan antara elektron dan proton inilah yang menyebabkan adanya perbedaan potensial antara kedua ujung elektroda (katoda dan anoda) sehingga menghasilkan daya listrik.
Menurut Irpan (2018: 2), prinsip kerja dari MFC secara umum mekanisme prosesnya adalah substrat dioksidasi oleh bakteri menghasilkan elektron dan proton pada anoda. Elektron ditransfer melalui sirkuit eksternal sedangkan proton didisfusikan melalui separator membran menuju katoda. Pada katoda, reaksi elektron dan proton terhadap oksigen akan menghasilkan air. Berikut merupakan skema prinsip kerja MFC dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Sistem Kerja
Ada beberapa mekanisme yang melibatkan transfer elektron dari bakteri ke anoda, sebagai berikut:
a. Transfer elektron langsung melalui protein membran luar sel dalam hal ini diperlukan kontak langsung sitokrom dengan elektroda untuk mekanisme transfer elektron.
b. Transfer elektron dengan mediator transfer elektron yang efisien dapat dicapai dengan menambahkan mediator yang mampu melewati membran sel, menerima elektron dari pembawa elektron intraseluler, meninggalkan sel dalam bentuk tereduksi dan kemudian mengeluarkan elektron ke permukaan elektroda. Namun untuk limbah, mekanisme ini tidak sesuai karena akan memakan biaya dan kemungkinan adanya racun dari beberapa mediator.
c. Transfer elektron melalui bacteria nanowires struktur seperti pili yang disebut nanowires yang tumbuh pada membran sel bakteria bisa terlibat langsung dalam transfer elektron ekstraseluler dan memungkinkan reduksi langsung dari sebuah aseptor elektron yang jauh.
Microbial fuel cell (MFC) pada prinsipnya merupakan suatu proses pengolahan anaerobik limbah pada elektroda yang dilakukan oleh bakteri. Bakteri mengoksidasi senyawa organik dan melepaskan elektron ke anoda sedangkan proton (H+) berpindah ke katoda. Di katoda proton mengalami reduksi membentuk air (H2O) dengan mengikat molekul oksigen (O2). MFC membutuhkan dua kondisi yang berbeda pada bagian anoda dan katodanya. Pada bagian anoda dibutuhkan kondisi anaerobik, sedangkan pada bagian katoda dibutuhkan kondisi aerobik. Untuk menciptakan dua lingkungan yang berbeda tersebut biasanya bagian katoda diaerasi dan digunakan proton exchange membrane (PEM) untuk memisahkan anoda dengan
13
katoda. PEM yang digunakan memungkinkan perpindahan proton namun menghambat perpindahan oksigen dari katoda ke anoda yang dapat mengakibatkan turunnya potensial reduksi anoda karena limbah akan diurai dalam suasana aerobik dan menghasilkan gas metana. Sistem dengan membran pemisah ini dikenal dengan two-chambered MFC. walaupun PEM merupakan penghantar proton yang lebih baik dibandingkan air, tetap menimbulkan tahanan internal terhadap sistem. Selain itu secara keseluruhan performa MFC dibatasi oleh difusi proton di dalam air. Pada beberapa penelitian penggunaan PEM dihilangkan untuk meningkatkan output-power MFC (Rinaldi, dkk, 2014: 93).
B. Pisang Kepok
Pisang merupakan komoditi yang cukup menarik untuk dikembangkan dan ditingkatkan produksinya, jika ditinjau dari aspek perdagangan internasional.
Namun, Indonesia yang tercatat sebagai negara produsen ranking keenam dunia, belum tercatat sebagai eksportir buah pisang. Sedangkan beberapa negara importir justru tercatat juga sebagai negara eksportir, contohnya yang menonjol dari negara- negara importir buah pisang yang juga menjadi eksportir adalah Belgia, Amerika Serikat, Jerman, dan Francis (Ambarita, dkk, 2015: 1912). Menurut data (Badan Pusat Statistik dan Direktorat Jenderal Hortikultura, 2019: 1) produksi pisang di Indonesia pada tahun 2019 sebesar 7.280.658 ton atau mengalami peningkatan sebesar 16.279 ton dibandingkan tahun 2018. Di provinsi Sulawesi selatan sendiri produksi pisang pada tahun 2019 sebesar 142.492 ton atau mengalami peningkatan sebesar 6.393 ton disbanding tahun 2018. Dari jenis-jenis pisang tersebut salah satunya adalah pisang kepok. Pisang kepok dapat dilihat pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Pisang Kepok (Saragih, 2016).
Pisang kepok (Musa paradisiaca Linn) adalah tanaman buah yang berasal dari kawasan Asia Tenggara (termasuk Indonesia). Pisang kepok merupakan jenis buah yang paling umum ditemui tidak hanya di perkotaan tetapi sampai ke pelosok desa. Buah pisang kepok merupakan buah yang sangat bermanfaat bagi kehidupan manusia, yang dapat dikonsumsi kapan saja dan pada segala tingkatan usia. Pisang kepok dapat digunakan sebagai alternatif pangan pokok karena mengandung karbohidrat yang tinggi, sehingga dapat menggantikan sebagian konsumsi beras dan terigu. Pisang kepok merupakan pisang berbentuk agak gepeng, bersegi dan kulit buahnya sangat tebal dengan warna kuning kehijauan dan kadang bernoda coklat.
(Julfan, dkk, 2016: 2). Sebagaimana yang tertuang pada QS. Al-Syu’ara/26: 7 yang berbunyi :
Terjemahnya:
“Dan apakah mereka tidak memperhatikan bumi, berapakah banyaknya Kami tumbuhkan di bumi itu pelbagai macam tumbuh-tumbuhan yang baik?”
Menurut Tafsir Al-Mishbah disebutkan bahwa adakah mereka akan terus mempertahankan kekufuran dan pendustaan serta tidak merenungi dan mengamati sebagian ciptaan Allah di bumi ini? Sebenarnya jika mereka bersedia merenungi dan mengamati hal itu, niscaya mereka akan mendapatkan petunjuk. Kamilah yang
15
mengeluarkan dari bumi ni beraneka ragam tumbuh-tumbuhan yang mendatangkan manfaat. Dan itu semua hanya dapat dilakukan oleh Tuhan yang Maha esa dan Maha kuasa. Ayat di atas menjelaskan tentang kuasa Allah swt. dalam menumbuhkan beraneka ragam tumbuhan yang masing masing memiliki kandungan dan manfaat yang besar bagi manusia, diantaranya sebagai bahan makanan, pengobatan dan teknologi. Sebagai khalifah di bumi kita semua berkewajiban untuk melestarikan tumbuhan yang telah diciptakan oleh Allah Swt.
Taksonomi Pisang Kepok Pisang kepok termasuk ke dalam famili Musaceae yang berasal dari India Selatan. Klasifikasi taksonomi pisang kepok adalah sebagai berikut (Simpson, 2006; Ongelina, 2013) :
Kingdom : Plantae (Tumbuhan)
Division : Magnoliophyta (Tumbuhan Berbunga) Classis : Liliopsida (Berkeping Satu/Monokotil) Order : Zingiberales
Family : Musaceae (Suku Pisang-pisangan) Genus : Musa
Species : Musa paradisiaca
Kulit buah pisang kepok juga mengandung komponen biokimia berupa selulosa, hemiselulosa, pigmen klorofil serta zat pektin yang mengandung asam galacturonic, arabinosa, galaktosa. Kandungan komponen biokimia kulit buah pisang kepok ini diketahui dapat digunakan untuk menyerap logam-logam berat. Kulit buah pisang kepok juga mengandung senyawa metabolit sekunder jenis flavonoid 5, 6, 7, 4’-tetrahidroksi-3-4-flavan-diol (Jayanti, 2016: 8).
Menurut penelitian dari Novianti, dkk (2016: 460), limbah kulit pisang kepok mengandung serat yang sangat halus dibandingkan serat dari kayu dengan kandungan selulosa yang tinggi (60-65%), hemiselulosa 6-8%, dan lignin 5-10%.
Sementara itu kayu lunak yang sering digunakan sebagai bahan baku kertas konvensional hanya mengandung selulosa 41%, hemiselulosa 24%, dan lignin 27,8%. Melihat perbandingan persentase komposisi serat tersebut, kandungan selulosa kulit pisang jauh lebih tinggi daripada kandungan selulosa kayu lunak sehingga sangat memungkinkan untuk dijadikan sebagai bahan baku dalam pembuatan kertas karena kayu lunak pun yang selama ini menjadi bahan baku dalam pembuatan kertas konvensional hanya mengandung 41% selulosa. Sementara itu, kandungan lignin pada kulit pisang hanya 5-10% sehingga dalam proses pemisahan selulosa dari lignin tidak sulit dibandingkan dengan sumber serat lain. Jadi, dimungkinkan bahwa kulit pisang dapat dijadikan sebagai bahan baku dalam pembuatan kertas. Kandungan selulosa yang tinggi pada kulit pisang dapat digunakan sebagai bahan baku utama dalam pembuatan kertas. Akan tetapi, kulit pisang tidak hanya terdiri dari selulosa saja melainkan ada juga senyawa-senyawa lain yang terkandung di dalamnya sehingga kulit pisang tidak dapat diolah langsung menjadi bahan baku kertas. Untuk dapat menghasilkan bubur kertas, kandungan lignin yang terkandung dalam kulit pisang perlu dihidrolisis dan dipisahkan dari selulosa melalui proses delignifikasi, salah satunya dapat dilakukan dengan metode basa (alkalisasi).
Selulosa merupakan homopolisakarida dengan glukosa sebagai monomernya. Molekul selulosa berbentuk linier dan tak bercabang yang terdiri dari 10.000 sampai 15.000 unit D-glukosa. Ada dua tipe dasar selulosa yang terdapat di
17
alam, yaitu pektoselulosa dan lignoselulosa. Contoh pektoselulosa seperti rami yang mengandung 80% selulosa dan contoh lignoselulosa adalah kenaf yang terdiri dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Sebagai senyawa utama penyusun dinding sel tanaman, selulosa mencakup sekitar 30% dari keseluruhan material tumbuhan.
Rantai selulosa terdiri dari satuan glukosa anhidrida yang saling berkaitan melalui atom karbon pertama dan keempat. Ikatan yang terjadi adalah ikatan 1,4- glikosidik. Selulosa merupakan jenis polisakarida yang paling melimpah pada hampir setiap struktur tanaman. Kandungan selulosa pada kayu rata-rata 48- 50%
sedangkan pada bagas berkisar antara 50-55% dan pada kapas mencapai 85- 90%.
Molekul selulosa merupakan mikrofibril dari glukosa yang terikat satu dengan lainya membentuk rantai polimer yang sangat panjang. Hidrolisis sempurna selulosa akan menghasilkan monomer selulosa yaitu glukosa, dan hidrolisis tak sempurna akan menghasilkan disakarida dari selulosa yang disebut selobiosa.
Secara singkat struktur selulosa dapat dilihat pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Struktur selulosa (Shofiyanto, 2008)
Selulosa merupakan bagian dari karbohidrat yang terbentuk dari ikatan linear yang dihubungkan melalui ikatan β-1,4 glikosidik. Selulosa tidak mudah larut karena memiliki struktur yang linear. Selulosa selalu bersosiasi dengan polisakarida berupa pektin, hemiselulosa, xilan dan lignin. Tetapi kebanyakan selulosa bersosiasi dengan lignin sehingga membentuk lignoselulosa. Kebanyakan komponen selulosa sulit
H O
H H
H OH OH CH2OH
H
O H
H
CH2OH H
OH H
OH H
H O
H H
OH H
OH CH2OH
H
O H
H
CH2OH H
OH H
H
O O
O
O
diurai oleh mikroorganisme karena tersusun dalam bentuk fibril yang dihubungkan melalui ikatan glikosidik. Untuk dapat mengurai komponen selulosa, diperlukan mikroorganisme yang mampu mendegradasi komponen selulosa secara enzimatik.
Selulotik merupakan sebutan bagi mikroorganisme yang mampu mengurai komponen selulosa (Novia, 2019).
Kulit pisang sebagai sumber selulosa juga dapat dijadikan pilihan sumber bahan baku alternatif, hal ini dikarenakan ketersediannya yang tidak mengenal musim. kulit pisang dapat dikumpulkan dari limbah tukang jajanan gorengan diberbagai tempat atau juga dapat dikumpulkan dari industri kecil pengolahan panganan pisang. Akumulasi limbah kulit pisang yang dihasilkan per harinya sangat banyak, maka kesempatan ini dapat dimanfaatkan dengan baik untuk menjadikannya sebagai bahan alternatif energi dengan bantuan mikroba (Fitriyano dan Abdullah, 2016: 2). Salah satu mikroorganisme yang mengurai molekul selulosa dalam kulit pisang yaitu bakteri Pseudomononas sp.
C. Pseudomonas sp
Pseudomonas sp. merupakan bakteri hidrokarbon noklastik yang mampu mendegradasi hidrokarbon alifatik secara aerob. Oksigen ini berperan dalam metabolisme seluler yaitu sebagai reaktan pada proses anabolisme dan katabolisme.
Enzim yang berperan dalam proses degradasi hidrokarbon adalah enzim oksigenase.
Hidrokarbon alifatik dimanfaatkan sebagai donor elektronnya untuk aktivitas oksidasi hidrokarbon menjadi gas karbon dioksida (CO2) dan bioproduk seperti asam lemak, gas, surfaktan, dan biopolimer. Degradasi awal hidrokarbon alifatik dan sikloalifatik membutuhkan unsur molekul oksigen atau degradasi secara aerobik.
Pada proses tersebut terdapat dua jenis reaksi enzimatik yang terlibat pada
19
pendegradasian Hidrokarbon alifatik dan aromatik, yaitu 73 monooxygendase dan dioxygenase reaction. Enzim dalam kelompok ini mengkatalisis pemindahan oksigen ke dalam molekul substrat meliputi monooksigenase dan dioksigenase (Suyono dan Salahudin, 2011).
Bakteri Pseudomonas sp memiliki karakteristik seperti Gram negatif, berbentuk batang (rods) atau kokus (coccus), aerob obligat, motil mempunyai flagel polar. Bakteri ini oksidase positif, katalase positif, nonfermenter dan tumbuh dengan baik pada suhu 4 oC atau dibawah 43 oC. Bakteri genus ini memproduksi beberapa enzim seperti protease, amilase, dan lipase. Selain itu bakteri Pseudomonas juga dapat menguraikan protein, karbohidrat dan senyawa organik lain menjadi CO2, gas amoniak, dan senyawa-senyawa lain yang lebih sederhana. Bakteri Pseudomonas sp senang hidup di lingkungan yang bersuhu antara 15-30 oC . Bakteri Pseudomonas sp mempunyai batas-batas pH tertentu untuk pertumbuhannya. Bakteri Pseudomonas sp pH 5,3-9,7 umumnya berkembang dengan baik pada pH antara 5,5-9,0 (Rahmadian, dkk, 2018: 494).
Gambar 2.4 Pseudomonas sp
Menurut Apriani (2018: 14), klasifikasi Pseudomonas sp yaitu:
Kingdom : Bacteria Phylum : Proteobacteria
Kelas : Gamma Proteobacteria Ordo : Pseudomonadales Famili : Pseudomonadaceae Genus : Pseudomonas
Spesies : Pseudomonas aeruginosa.
Pseudomonas sp merupakan bakteri oportunistik berbentuk batang gram negatif yang patogen menimbulkan penyakit infeksi nosokomial pada manusia.
Pasien diabetes mellitus yang mempunyai luka terbuka akan lebih mudah mengalami infeksi bakteri aerob dan anerob karena mempunyai daya tahan tubuh yang lemah dan adanya gula darah yang tinggi menjadi tempat yang strategis untuk pertumbuhan bakteri (Apriani, 2018: 14).
D. Larutan Elektrolit dan Larutan Buffer
Upaya meningkatkan produksi energi listrik dalam sistem MFC salah satunya dengan menggunakan larutan elektrolit yang tepat dengan konsentrasi yang tepat.
Menurut Jia, dkk., jenis larutan elektrolit yang digunakan pada kompartemen katoda dapat mempengaruhi produksi listrik yang dihasilkan oleh sistem MFC karena MFC merupakan sistem bioelektrokimia dimana terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dengan melibatkan reaksi reduksi dan oksidasi dengan menggunakan peran mikroba pada kompartemen katoda diperlukan suatu oksidator yang berperan sebagai akseptor elektron dari kompartemen anoda. Beberapa jenis elektrolit yang digunakan dalam kompartemen katoda dalam sistem MFC antara lain KMnO4, K2Cr2O7 dan K3Fe(CN)6 (Ardi, 2020: 15).
Penggunaan bahan buffer dan pH yang tepat dapat meningkatkan produksi listrik pada sistem MFC. Pada anoda penambahan buffer dapat membantu
21
mengurangi perubahan pH, sehingga pH berada pada range yang cocok untuk pertumbuhan bakteri yang digunakan. 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 dan menghambat transfer proton dari anoda ke katoda sehingga potensial tidak terbaca oleh multimeter (Sari, dkk, 2016:
108).
22 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan April hingga Juni 2021 di Laboratorium Biokimia dan Laboratorium Genetika Jurusan Biologi Fakultas Sains dan Teknologi UIN Alauddin Makassar.
B. Alat dan Bahan 1. Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah Spektrofotometer UV-Vis, incubator Heracus Thermo Scientific TYP B6120, shaker incubator Thermo Scientific Max Q4000, autoklav YX 28OD, oven Memmert, laminar air flow (LAF) ESCO, neraca analitik Kern ABJ, digital multimeter Masda DT830B, blender Maspion, pemanas listrik Maspion, bio reaktor MFC double chamber, gelas kimia 1000 mL; 500 mL; 250 mL; 100 mL; 50 mL, Erlenmeyer 250 mL, pipet skala 25 mL; 10 mL, cawan petri, tabung reaksi, bulb, corong, pipet tetes, kabel, capit buaya, kawatose, spatula dan rak tabung.
2. Bahan
Bahan yang digunakan dalam percobaan ini yaitu kulit Pisang (diperoleh dari Kelurahan Samata, Kabupaten Gowa, Sulawesi Selatan) aluminium foil, asam klorida (HCl) 1 M, alkohol 70%, aquades (H2O), agar Swallow, buffer kalium fosfat (K2PO4) pH 7, buffer natrium fosfat (Na2PO4) pH 7, elektroda grafit baterai ABC AA,garam KCl, isolat Pseudomonas Sp, kawat tembaga, kalium ferisianida (K3Fe(CN)6) 0,2 M, kalium permanganat (KMnO4) 0,2 M, media nutrient agar (NA), media nutrient broth, natrium hidroksida (NaOH) 1 M.
23
C. Prosedur Penelitian 1. Konstruksi MFC
Sistem MFC dalam penelitian terdiri dari anoda dan katoda dengan volume masing-masing 500 mL kompartemen anoda dan katoda dihubungkan dengan jembatan garam. Pembuatan jembatan garam terbuat dari KCl 1M dan 5% agar yang kemudian dimasukkan dalam pipa PVC. Elektroda yang digunakan bersumber dari baterai bekas. Elektroda direndam dengan larutan NaOH 1M dan HCl 1M masing-masing selama 1 hari. Elektroda direndam dengan aquades hingga saat digunakan.
Pembuatan bioreaktor MFC yaitu dengan cara menghubungkan dua buah wadah plastik yang dihubungkan dengan jembatan garam dan dibagian permukaan wadah ditempatkan batang elektroda yang ditempelkan dengan kawat penghantar.
Desain sistem MFC seperti Gambar 3.1 :
Gambar 3.1 Desain kompartemen ganda (Sumber: Logan et al, 2006)
2. Preparasi Bakteri Pseudomonas Sp
Isolat Pseudomonas sp digoreskan pada media Nutrien Agar (NA) yang telah dibuat lalu disimpan selama 24 jam. Setelah itu, membuat media inokulum dengan
Jembatan Garam Kompartemen Kawat
Tembaga
Elektroda grafit
menimbang 2,4 gram Nutrien Broth (NB) dalam 300 mL aquades. Diinkubasi selama 30 menit lalu diletakkan ke dalam Laminar Air Flow. Bakteri yang telah dibiakkan diambil dengan menggunakan kawatose lalu masukkan kedalam Erlenmeyer yang telah berisi media Nutrien Agar (NA). Inokulum di shaker selama 24 jam pada suhu 37oC dengan kecepatan putaran 125 rpm.
3. Preparasi Substrat Kulit Pisang
Kulit Pisang diambil di sekitaran Kelurahan Samata, Kabupaten Gowa, Sulawesi Selatan. Sampel kulit pisang diambil kemudian dipotong dengan ukuran 3 cm, setelah itu dihaluskan menggunakan blender lalu ditimbang sebanyak 300 gram dan ditambahkan air secukupnya lalu dimasukkan ke dalam bioreaktor MFC.
4. Pembuatan larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dan K3Fe(CN)6 0,2 M a. Pembuatan larutan elektrolit KMnO4 0,2 M
Padatan KMnO4 ditimbang sebanyak 31,6 gr kemudian dilarutkan dalam 1000 mL aquades di dalam labu takar 1000 mL, setelah itu disimpan ke dalam botol berwarna coklat.
b. Pembuatan Larutan elektrolit K3Fe(CN)6 0,2 M
Padatan K3Fe(CN)6 ditimbang sebanyak 33 gr kemudian dilarutkan ke dalam 500 mL aquades lalu disimpan ke dalam wadah.
5. Preparasi Jembatan Garam
Ditimbang sebanyak 5 gr agar dilarutkan dengan 100 ml aquades kemudian dipanaskan. Selanjutnya ditambahkan 3 gr KCl dihomogenkan, larutan dimasukkan ke dalam pipa PVC tunggu hingga memadat dan siap untuk digunakan (Farida, dkk., 2017).
25
6. Pengujian MFC
a. Tanpa menggunakan larutan elektrolit dan larutan buffer
Substrat kulit pisang yang telah dibuat dimasukkan ke dalam ruang anoda sebanyak 300 ml kemudian ditambahkan 10 ml bakteri Pseudomonas Sp. Untuk ruang katoda dimasukkan 300 ml aquades setelah itu pasang penutup chamber dan hubungkan dengan voltmeter menggunakan capit buaya. Mengukur arus listrik dan tegangan yang dihasilkan setiap jam selama 36 jam.
b. Penentuan arus listrik dan tegangan arus terhadap penambahan larutan elektrolit KMnO4 0,2 M, larutan buffer Natrium Fosfat pH 7 dan Kalium Fosfat pH 7.
Substrat kulit pisang yang telah dibuat dimasukkan ke dalam ruang anoda sebanyak 300 ml dan ditambahkan 10 ml bakteri Pseudomonas Sp kemudian ditambahkan lagi 5 mL larutan buffer Natrium fosfat pH 7. Pada ruang katoda dimasukkan 300 ml KMnO4 0,2 M. Setelah itu pasang penutup chumber dan hubungkan dengan voltmeter menggunakan capit buaya. Mengukur arus listrik dan tegangan yang dihasilkan setiap jam selama 36 jam. Mengulangi percobaan dengan menggunakan larutan buffer Kalium fosfat pH 7.
c. Penentuan arus listrik dan tegangan arus terhadap penambahan larutan elektrolit K3Fe(CN)6 0,2 M, larutan buffer Natrium fosfat dan larutan buffer Kalium Fosfat pH 7
Substrat kulit pisang yang telah dibuat dimasukkan ke dalam ruang anoda sebanyak 300 ml dan ditambahkan 10 ml bakteri Pseudomonas sp kemudian ditambahkan lagi 5 mL larutan buffer Natrium fosfat pH 7. Pada ruang katoda dimasukkan 300 ml K3Fe(CN)6. Memasang penutup chamber dan hubungkan dengan
voltmeter menggunakan capit buaya. Mengukur arus listrik dan tegangan yang dihasilkan setiap jam selama 36 jam. Mengulangi percobaan dengan menggunakan larutan buffer Kalium fosfat pH 7.
d. Perhitungan Energi Listrik dan Power Density (mW/m2)
Tabel 3.1. Pelaksanaan Percobaan
No Parameter Waktu
Pengukuran Alat Lama
Pengukuran
1. Arus
Listrik Setiap jam Multimeter 36 jam
2. Tegangan Setiap jam Multimeter 36 jam
Perhitungan Nilai Power Density (mW/m2):
Dari data kuat arus dan tegangan, dapat diperoleh nilai daya per satuan luas permukaan elektroda
Nilai Power Density (mW/m2) = mA x V volt A m2 Dimana:
I = kuat arus (mili amper) V = tegangan (volt)
A = luas permukaan elektroda (m2)
(Kristin, 2012)
27 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Tabel Hasil Penelitian
1. Hasil penelitian dengan menggunakan substrat kulit pisang tanpa perlakuan dalam sistem MFC dapat dilihat dalam tabel 4.1 sebagai berikut:
Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Beda Potensial dan Arus Substrat Kulit Pisang Tanpa Penambahan larutan Elektrolit dan larutan Buffer
Jam Tegangan (Volt) Arus (mA)
0 0,6 0,8
4 0,4 0,12
8 0,7 0,4
12 0,31 0,22
16 0,33 0,7
20 0,36 0,18
24 0,29 0,46
28 0,19 0,15
32 0,5 0,8
36 0,3 0,5
2. Hasil penelitian dengan menggunakan substrat kulit pisang dengan penambahan larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dengan variasi buffer natrium fosfat dan kalium fosfat pH 7 bertujuan untuk meningkatkan produksi listrik pada sistem MFC. Menurut (Geun-Cheol Gil dkk., 2003), pada anoda penambahan Buffer dapat membantu mengurangi perubahan pH, sehingga pH berada pada range yang cocok untuk pertumbuhan bakteri yang digunakan pada sistem MFC dan hasilnya dapat dilihat dalam Tabel 4.2 sebagai berikut:
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Beda potensial dan Arus larutan elektrolit KMnO4 0,2 M dengan Variasi Buffer Na3PO4 dan K3PO4
Jam Substrat + KMnO4 0,2 M
Buffer Na3PO4 Buffer K3PO4
Tegangan (Volt) Arus (mA) Tegangan (Volt) Arus (mA)
0 0,12 0,4 0,1 0,03
4 0,60 0,15 0,5 0,20
8 0,40 0,35 0,10 0,15
12 0,49 0,86 0,65 0,18
16 0,22 0,55 0,50 0,32
20 0,84 0,71 0,43 0,39
24 0,92 0,32 0,82 0,19
28 0,88 0,40 0,57 0,19
32 0,65 0,36 0,29 0,15
36 0,7 0,4 0,9 0,11
3. Perbandingan dilakukan menggunakan larutan elektrolit K3Fe(CN)6, agar diketahui pengaruh penggunaan larutan elektrolit dan buffer fosfat. Hasil penelitian dengan menggunakan substrat kulit pisang dengan penambahan larutan elektrolit K3Fe(CN)6 dengan variasi buffer natrium fosfat dan kalium fosfat dapat dilihat pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Beda Potensial dan Arus larutan elektrolit K3Fe(CN)6 0,2 M denganVariasi Buffer Na3PO4 dan K3PO4
Substrat + K3Fe(CN)6 0,2 M
Jam Buffer Na3PO4 Buffer K3PO4
Tegangan (volt) Arus (mA) Tegangan (volt) Arus (mA)
0 0,4 0,17 0,1 0,4
4 0,20 0,9 0,19 0.5
8 0,11 0,34 0,25 0,17
12 0,20 0,23 0,48 1,16
16 0,58 0,62 0,21 0,17
29
20 0,32 0,41 0,45 0,36
24 0,13 0,30 1,56 0,49
28 0,23 0,68 0,94 0,72
32 0,68 0,35 0,88 0,29
36 0,12 0,27 0,53 0,18
4. Hasil penelitian dengan menggunakan substrat kulit pisang dengan penambahan larutan elektrolit KMnO4 dan K3Fe(CN)6 dengan variasi buffer natrium fosfat dan kalium fosfat diperoleh data hasil tegangan dan arus, maka dilakukan perhitungan nilai Power Density (mW/m2) untuk mengetahui kerapatan daya yang dihasilkan. Nilai kerapatan daya yang dihasilkan dapat dilihat pada Tabel 4.4 sebagai berikut
Tabel 4.4 Data Hasil Power Density (mW/m2) pada Setiap penambahan Larutan Elektrolit dengan Buffer
Variasi Elektrolit dan Bahan Buffer Kerapatan daya (mW/m2)
Tanpa Penambahan 91,369 mW/m2
KMnO4 0,2 M dan Buffer Natrium Fosfat 288,630 mW/m2 KMnO4 0,2 M dan Buffer Kalium Fosfat 114,863 mW/m2 K3Fe(CN)6 0,2 M dan Buffer Natrium Fosfat 107,123 mW/m2 K3Fe(CN)6 0,2 M dan Buffer Kalium Fosfat 397,714 mW/m2 B. Pembahasan
Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan alat yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik dengan mikroorganisme sebagai pengurai dan terjadi reaksi reduksi dan oksidasi. Pada penelitian ini menggunakan bakteri Pseudomonas sp dan substrat kulit pisang. Preparasi mikroorganisme dilakukan dengan membuat inokulum bakteri Pseudomonas sp dalam media nutrient broth. Media nutrient broth berfungsi sebagai media pertumbuhan bakteri Pseudomonas sp. Nutrisi pada nutrien broth dapat membuat bakteri berkembang biak. Kemudian bakteri Pseudomonas sp
dimasukkan ke dalam substrat kulit pisang yang mengandung antara lain selulosa 60- 65%, hemiselulosa 6-8%, dan lignin 5-10% (Novianti, dkk., 2016). Lignin merupakan salah satu komponen lignoselulosa yang strukturnya sangat kompleks sedangkan Hemiselulosa juga polimer yang umumnya dibentuk oleh unit-unit gula.
Berbeda dengan selulosa, dimana selulosa hanya terdiri dari polimer glukosa, hemiselulosa adalah polimer dengan 5 gula berbeda yaitu glukosa, manosa, galaktosa, xylosa, dan arabinosa. Selanjutnya lignin, selulosa dan hemiselulosa akan diurai menjadi molekul yang lebih sederhana yaitu glukosa dan fruktosa dengan bantuan bakteri. Gula sederhana akan digunakan bakteri untuk proses metabolisme dan menghasilkan energi berupa proton (H+) , elektron dan CO2 (Ahn dan Bruce, 2013).
Elektron dari proses metabolisme akan ditransfer elektroda grafit melalui membran plasma luar bakteri. Sedangkan proton akan terdifusi dari anoda ke katoda melalui jembatan garam yang terbuat dari agar dan KCl. Penggunaan KCl sebagai jembatan garam karena K+ memiliki jari jari lebih besar dibandingkan dengan H+ sehingga proton akan terdifusi. Selanjutnya elektron akan mengalir dari anoda ke katoda melalui kawat eksternal akibat beda potensial yang terjadi antara ruang anoda dan ruang katoda. Proton dan elektron pada ruang katoda digunakan untuk mereduksi Mn7+ menjadi Mn4+ jika menggunakan larutan elektrolit KMnO4 atau mereduksi Fe3+
menjadi Fe2+ jika menggunakan larutan elektrolit K3Fe(CN)6. Ruang katoda terdapat oksigen, maka ion H+ cenderung berikatan dengan oksigen membentuk H2O tetapi proses pembentukan H2O dibutuhkan elektron, maka elektron yang berada diruang anoda akan ditransfer ke ruang katoda melalui kawat eksternal. Aliran elektron dari anoda ke katoda tersebut dikonversikan menjadi energi listrik pada sistem MFC
31
(Muftiana, dkk., 2018).
1. Beda Potensial dan Arus Substrat kulit pisang Tanpa Variasi Larutan Elektrolit dan Buffer Fosfat
Hasil pengukuran beda potensial dari sistem MFC menggunakan bakteri Pseudomonas sp dengan substrat kulit pisang tanpa menggunakan variasi larutan elektrolit dan bahan buffer menunjukkan peningkatan jumlah beda potensial, mulai dari jam ke-4 sampai dengan jam ke-20 terus meningkat, Sehingga diperoleh beda potensial maksimum yaitu sebesar 0,36 Volt. Setelah itu terjadi penurunan kembali mulai dari jam ke- 24 sampai jam ke- 36. Hal ini terjadi karena tidak adanya penambahan larutan elektrolit dan buffer sehingga mempengaruhi pertumbuhan bakteri, karena keduanya mengandung unsur logam nutrisi yang dibutuhkan bakteri untuk sintesis komponen sel dan menghasilkan energi seperti kalium dan natrium (Geun-Cheol Gil dkk., 2003).
Gambar 4.1 Nilai arus dan beda potensial substrat kulit pisang tanpa variasi larutan elektrolit dan buffer
Berdasarkan penelitian Kurniawati, dkk., (2013) yang menggunakan substrat dari feses sapi dengan penambahan bakteri Pseudomonas sp, Cellulomonas sp dan Cell vibrio sp menghasilkan beda potensial yaitu sebesar 750 mV. Hasil tersebut lebih besar dibandingkan penelitian yang dilakukan, karena menjaga suhu dalam
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
0 10 20 30 40
Tegangan (volt) dan Arus (mA)
Waktu (jam)
Tegangan (Volt) Arus (mA)
