Gambar 10. Tahapan Pengujian Microfluidics
Tahapan dalam pengujian microfluidics seperti yang terlihat pada Gambar 10 yaitu:
i. Persiapan Sampel a. Silanisasi
20 µl larutan silan dicampur dengan 20 ml HFE filtered 7500. Jika diletakkan silan yang lebih kecil akan berakibat error yang besar. Kemudian larutan campuran disuntikkan ke dalam saluran mikro. b. Blowing chip
Bertujuan untuk menghilangkan larutan silan. c. Mengisolasi chip
Isolasi digunakan untuk menghindari debu masuk ke dalam saluran mikro.
17 d. Meletakkan sampel aquaeous dan granular dengan dilusi tertentu ke dalam syringe.
e. Syringe diletakkan di pompa syringe dan pipa dihubungkan ke dalam chip.
ii. Pengaturan Kamera
Pengaturan kamera meliputi jenis cahaya, tipe cahaya, fokus, dan tingkat kecerahan.
iii. Pengaturan laju infuse
Laju infuse dari minyak harus lebih besar dari laju infuse dari material. iv. Recording
Video yang telah direkam akan dianalisa dengan menggunakan software. v. Analisis Video
Analisa gambar (image analysis) yang akan dilakukan pada video, dikembangkan dengan menggunakan Program MATLAB.
Gambar 11. Pengujian Microfluidic
Gambar 11 menunjukkan pengujian microfluidic. Pada pengujian akan dicampurkan material mentah dan air untuk menghasilkan droplet. Material mentah yang digunakan adalah dedak gandum dan rapeseed. Desain chip microfluidics yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) nilai kehitaman (gray scale) <15% dan tingkat okupansi > 85%.
18
Prosedur Analisis Data
Data dianalisis dengan menggunakan software yang telah didesain, kemudian untuk melihat derajat homogenitasnya menggunakan metode statistika standar deviasi. Ambang batas (threshold) digunakan untuk menentukan derajat atau nilai kehitaman suatu droplet seperti yang terlihat pada Gambar 12. Nilai tertinggi adalah 255 yang berarti putih, dan nilai terendah adalah 0 yang berarti hitam. Akan tetapi, dalam perhitungannya, nilai yang lebih tinggi dari 159 berarti droplet tersebut kosong.
19
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Dengan ukurannya yang kecil, fluida di saluran mikro menampilkan sifat yang berbeda dengan yang ditemukan pada skala yang lebih besar. Salah satu perbedaannya adalah tidak adanya aliran inersia pada skala mikro. Sebagai hasilnya, semua aliran fluida dalam saluran mikro selalu pada status non-chaotic, dan akhirnya menyebabkan aliran menjadi laminer, dan tidak adanya vortex seperti yang ditemukan pada skala yang lebih besar.
Tidak adanya vortex pada skala mikro membuat microfluidic memiliki masalah pencampuran yang unik. Sebagai contohnya, jika dua cairan di co-flowed satu sama lain di dalam saluran mikro, mereka akan cenderung mempertahankan kondisi antarmuka karena tidak adanya vortex (Koesdjojo et al. 2008).
Masalah pencampuran merupakan salah satu tantangan di dalam pengerjaan penelitian pada bidang microfluidic. Berbagai jenis desain telah dibuat untuk meningkatkan pencampuran di dalam skala mikro (Jessamine, et al. 2002) (Sudarsan dan Ugaz, 2006). Sebagai contohnya, Park et al (2009) telah menawarkan saluran mikro orifice yang dapat membantu bidang aliran granular pada larutan aqueous. Dalam penelitian ini, desain orifice akan menjadi desain standar.
Gambar 13. Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c)tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak
gandum
Dari Gambar 13, jumlah droplet yang dianalisa untuk rapeseed adalah 27,598 dan untuk dedak gandum 28,086. Gambar 13(a) dan (b) menunjukkan distribusi kehitaman suspensi rapeseed dan dedak gandum. Terlihat dari Gambar 13(a) bahwa desain standar dapat memproduksi droplet dengan dua konsentrasi
(b)
(c) (d)
20
besar, karena terdapat dua puncak histogram. Kemudian, desain standar tidak dapat memproduksi droplet dengan konsentrasi yang stabil seperti pada Gambar 13(c) dan (d). Garis yang terlalu ke bawah pada Gambar 13(c) dan (d) menunjukkan bahwa material granular yang terkandung di dalam droplet lebih besar.
Dari hasil tersebut, variasi yang terlalu besar dapat menyebabkan ketidakstabilan dalam percobaan biologi, dikarenakan material akan digunakan sebagai substrat pertumbuhan dari mikroorganisme. Untuk itu diperlukan desain baru untuk menyelesaikan permasalahan yang disebabkan oleh material granular basah dalam penelitian ini yaitu: dedak gandum dan rapeseed.
Gambar 1. Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer
Untuk mengetahui sifat suspensi dedak gandum dan rapeseed, serta hubungan viskositas dan derajat geser, dilakukan uji coba dengan menggunakan rheometer seperti yang terlihat pada Gambar 14. Seperti yang telah diketahui, fluida newtonian memiliki kurva linear konstan pada hubungan antara viskositas dan tegangan geser. Fluida yang memiliki hubungan tidak konstan dan tidak linear pada kurvanya disebut fluida non-newtonian (Chhabra dan Richardon, 2008). Suspensi dedak gandum dan rapeseed yang terlihat dari Gambar 14 menunjukkan bahwa suspensi ini memiliki sifat non-newtonian. Selain itu kurva non-linear ini juga menunjukkan bahwa terdapat kompleksitas di dalam aliran mikro.
Selain itu, pada Gambar 14 juga ditampilkan hasil perhitungan nilai koefisien determinasinya pada suhu 25oC, 30 oC, 35 oC, 40 oC, dan 45 oC. Pada dedak gandum koefisien determinasi (R2) terkecil adalah 0.985 yaitu pada suhu 30
o
C, sedangkan pada rapeseed adalah 0.917 pada suhu 25 oC. Berdasarkan statistik, apabila koefisien determinasi semakin mendekati angka satu, maka model yang digunakan semakin tepat. Baik dedak gandum maupun rapeseed pada Gambar 14 memiliki koefisien determinasi yang mendekati satu, dan hal ini menunjukkan bahwa kurva yang didapatkan memiliki model yang tepat untuk mewakili data percobaan.
Setelah melakukan pengukuran viskositas dengan menggunakan rheometer, selanjutnya dilakukan uji coba pada desain dean mixer yang telah dibuat oleh Sudarsan dan Ugaz (2006) seperti yang terlihat di Gambar 15. Konsep yang ditawarkan pada dean mixer adalah pencampuran melalui spiral yang kontinu.
Shear Rate (s-1) of Wheatbran Shear Rate (s-1
21 Kemudian gaya sentrifugal yang bekerja pada cairan mendorong cairan untuk melalui aliran utama. Sebagai hasilnya, dua cairan yang berbeda dapat tercampur pada desain ini. Akan tetapi, apabila diuji cobakan pada dedak gandum dan rapeseed (Gambar 15), terdapat ketidakstabilan di dalam droplet itu sendiri. Ketika dibandingkan antara droplet yang dihasilkan oleh dedak gandum dan rapeseed pada waktu t=0 detik hingga t=1.48 detik terlihat bahwa terjadi ketidakstabilan pada droplet. Pada Gambar 15(c), isi di dalam droplet suspensi dedak gandum lebih sedikit pada waktu t=1.48 detik dibandingkan pada waktu awal, namun ukuran diameternya homogen. Pada Gambar 15(d), suspensi rapeseed pada t=1.48 detik menunjukkan tingkat kepekatan yang lebih tinggi dan memiliki isi yang lebih banyak dibandingkan pada waktu t= 0 detik, serta diameter droplet juga lebih bervariasi dari waktu awal (tidak homogen). Akan tetapi, apabila dicampurkan cairan tinta dan air seperti terlihat pada Gambar 15(e) terlihat homogenisasi yang sempurna, karena air dan tinta bercampur dengan sempurna. Dari pengamatan ini dapat disimpulkan bahwa desain dean mixer tidak dapat digunakan untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed karena terdapat ketidakstabilan di dalam droplet.
Untuk melihat ketidakstabilan di dalam droplet, dilakukan uji coba dengan melewatkan suspensi dedak gandum dan rapeseed di dalam saluran lurus dengan kecepatan 5,000 µl/jam (Gambar 16). Dari Gambar 16 terlihat bahwa terdapat kondisi macet dalam rentang waktu 1.08 detik untuk dedak gandum dan 3.38 detik untuk rapeseed. Kondisi macet ini disebabkan oleh struktur partikel yang saling mengunci (Nagel dan Jaegar, 1992; Nori, 2006).
Gambar 2. (a) Dean Mixer (Sudarsan dan Ugaz, 2006). (b) saluran pada dean mixer; (c) droplet dedak gandum; (d) droplet rapeseed; (e) droplet hasil campuran
tinta dan air
(a)
(b)
22
Gambar 3. Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum dan (b) rapeseed
Dari hasil rekaman video pada Gambar 16 terlihat bahwa terdapat kondisi macet dalam selang waktu tertentu. Hal ini disebabkan oleh tabrakan inelastik dari dedak gandum (a) dan rapeseed (b) tersebut. Tabrakan inelastik adalah suatu kejadian dimana dua partikel bertabrakan satu sama lain akan tetapi tidak memantul atau menjauh setelah terjadi tabrakan, melainkan menempel antara satu dengan yang lain (Zohdi, 2003). Partikel-partikel yang menempel ini akan membentuk suatu partikel yang lebih besar dan dalam selang waktu tertentu akan menghambat aliran dan menyebabkan kemacetan di dalam aliran. Interaksi dari tabrakan inelastik ini juga membuktikan aliran dedak gandum bersifat fluida non-newtonian (Chhabra dan Richardon, 2008).
Gambar 4. Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan terjadinya gumpalan
t = 0.00 s t = 0.08 s t = 0.20 s t = 1.08 s
t = 0.00 s t = 1.74 s t = 2.44 s t = 3.38 s (a)
23 Pola tabrakan antara partikel dapat dilihat pada Gambar 17. Dari Gambar 17 telah dianalisa oleh (Zohdi, 2003), mengenai bagaimana reaksi untuk dua partikel ketika tabrakan, partikel a dan partikel b maupun partikel c dan gumpalan partikel d, dengan arah normal ke arah tabrakan, konservasi momentum sebelum tabrakan pada waktu (t) dan setelah tabrakan (t+δt), adalah pada persamaan (7), dan (Nagel dan Jaegar, 1992) menyatakan energi kinetik yang hilang akibat tabrakan antara suatu biji granular dengan diameter D, massa m, dan kecepatan relatif Dγ pada arah x menyebabkan terjadinya gaya gesek rata-rata pada persamaan (8). Dari hasil pengamatan, terlihat bahwa dedak gandum membentuk suatu bentuk yang baru ketika tabrakan, dan semakin lama semakin besar.
Untuk menangani masalah kemacetan dalam saluran mikro tersebut, dibuat 10 desain chip microfluidic seperti yang terlihat di Gambar 18. Gambar 18 (a) merupakan desain standar (Park, Song et al. 2009), gambar lainnya (Desain 1 – 10) merupakan desain yang dibuat untuk dapat meningkatkan homogenitas. Desain chip microfluidics yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) nilai kehitaman di bawah 15% dan tingkat okupansi di atas 85%.
Gambar 5. Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 – 10) Untuk melihat derajat homogenitas, digunakan software yang telah dirancang untuk mendapatkan hasil seperti pada Gambar 13. Distribusi derajat kehitaman untuk dedak gandum terlihat pada Gambar 19 dan untuk rapeseed pada Gambar 20.
Tabel 1. Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada setiap desain
Desain Jumlah Droplet Dedak Gandum Jumlah Droplet Rapeseed
Standar 27,598 28,806 Desain 1 Desain 2 Desain 3 Desain 4 Desain 5 Desain 6 Desain 7 Desain 8 Desain 9 Desain 10 14,106 15,610 16,096 19,284 30,880 51,133 32,802 43,090 52,371 37,917 9,568 14,123 16,197 15,530 35,108 30,062 20,239 22,135 9,001 24,372 (a) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
24
Gambar 6. Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1-10)
Gambar 7. Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1-10)
(a) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(a) 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
25 Distribusi jumlah droplet dapat dilihat pada Tabel 1. Dari distribusi dedak gandum, Desain 5,6, dan 8 menunjukkan hasil yang terbaik dimana tidak memiliki variasi yang tinggi. Distribusi pada dedak gandum menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan pada rapeseed. Dari Tabel 1, Desain 5, 6, dan 10 menunjukkan hasil distribusi yang terbaik untuk rapeseed.
Selanjutnya untuk mendapatkan perbandingan lebih dalam, dibuat grafik standar deviasi dengan tingkat droplet yang terisi oleh material seperti yang terlihat di Gambar 21. Dari Gambar 21 terlihat desain yang terbaik yang diperoleh untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed adalah Desain 6. Pada Desain 6 untuk suspensi dedak gandum diperoleh tingkat okupansi (droplet terisi) mencapai 99.98%, sedangkan pada desain standar hanya 69.59%. Standar deviasi (σ) nilai gray untuk dedak gandum pada Desain 6 sebesar 7.34%, lebih rendah dari nilai σ pada desain standar yang mencapai 15.78%. Untuk rapeseed, Desain 6 menunjukkan tingkat okupansi (droplet terisi) 97.07%, sedangkan pada desain standar hanya 65.33%. Standar deviasi (σ) nilai gray untuk rapeseed pada Desain 6 sebesar 12.10%, lebih kecil dari nilai σ pada desain standar yang mencapai 27.92%.
Gambar 8. Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi) untuk rapeseed dan dedak gandum.
Desain yang paling optimal adalah desain dengan standar deviasi yang kecil dan tingkat okupansi yang tinggi yaitu Desain 6. Gambar tiga dimensi dari Desain 6 dapat dilihat pada Gambar 22. Konsep yang digunakan adalah mendistribusikan aliran agar ketika terjadi kemacetan di salah satu saluran, fluida akan dapat mengalir melalui saluran yang lain.
26
27
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
1. Berdasarkan kalkulasi teori dibuat 10 desain yang baru yang kemudian digunakan untuk membuat chip microfluidics.
2. Berdasarkan uji kinerja chip didapatkan bahwa Desain 6 adalah desain yang terbaik dan diperoleh tingkat homogenitas raw material yang tinggi yaitu :
a. dedak gandum : tingkat okupansi 99.98% dan σ nilai gray 7.34 % b. rapeseed : tingkat okupansi 97.07% dan σ nilai gray 12.10 %
Saran
Perlu dilakukan analisa mekanika fluida lebih mendalam mengenai fluks dari aliran serta persamaan-persamaan baru yang dapat diperoleh dari perilaku aliran dari suspensi dedak gandum dan rapeseed yang dimikronisasi pada saluran mikro.
28