HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN
DROPLET MICROFLUIDICS
FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi” adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing di Prancis dan komisi pembimbing di Institut Pertanian Bogor dan telah juga diajukan sebagai laporan internship di Ecole Nationale des Pont et Chaussées Paristech pada bulan September 2013. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
RINGKASAN
ANGGA PERIMA. Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfludics Frekuensi Tinggi. Dibimbing oleh YULI SUHARNOTO dan MEISKE WIDYARTI.
Masalah dalam pencampuran material mentah dalam saluran mikro merupakan masalah pencampuran klasik dalam microfludic, dan banyak solusi yang telah ditawarkan. Terdapat pada beberapa kasus masalah pencampuran dalam saluran mikro tidak terpecahkan dengan baik. Oleh sebab itu permasalahan ini akan dicoba untuk diselesaikan dalam penelitian ini.
Secara spesifik, masalah dalam pencampuran material granular basah dalam saluran mikro berbeda dengan pencampuran cairan pada umumnya yang dilakukan pada alat yang sama. Penelitian ini bertujuan untuk (1) Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut; (2) Menguji kinerja chip microfluidics. Kedua tujuan ini bermaksud untuk mendapatkan distribusi yang homogen dari material mentah di dalam droplet microfluidics. Desain yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) gray scale <15% dan tingkat okupansinya >85%. Untuk mencapai tujuan ini, dibuat beberapa desain microfluidic dan masing-masing dibandingkan satu sama lain dan juga dengan desain standar. Beberapa perlakuan awal juga dianalisis untuk mengurangi heterogenitas lebih jauh. Derajat homogenitas diperoleh dengan menganalisa distribusi kehitaman (gray scale) yang dideteksi pada frame 8-bit video yang direkam dengan kamera berkecepatan tinggi dan dianalisis pada MATLAB®.
Dua tipe material granular pertanian yang digunakan dalam penelitian ini adalah dedak gandum dan rapeseed. Dalam penelitian dibuat 10 rancangan desain dan perlakuan untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Hasil dari penelitian didapatkan bahwa :1) Terjadi peningkatan nilai terisi di dalam droplet dibandingkan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 65.59% menjadi 99.98%, dan untuk rapeseed dari 65.33% menjadi 97%; 2). Didapatkan peningkatan homogenitas dari material mentah di dalam droplet dibandingkan dengan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 15.78% menjadi 7.33%, dan untuk rapeseed dari 27.92% menjadi 12.1%; 3) Homogenitas ukuran diameter droplet juga berhasil ditingkatkan yaitu : untuk dedak gandum dari 10.99% menjadi 0.10%, dan rapeseed dari 16.09% menjadi 0.83%.
SUMMARY
ANGGA PERIMA. Homogenization of Agricultural Substrate Using High Frequency Droplet Microfluidics. Supervised by YULI SUHARNOTO and MEISKE WIDYARTI.
Mixing of raw materials in micro channel may appear to be a classical mixing problem in microfluidics and numerous solutions have been proposed. However, in several cases, mixing problem of wet granular material in micro channel have not been properly solved. This study tries to solve this problem.
In particular, the problem of mixing wet granular materials in microchannels turns out to be significantly different from that of mixing common liquid solution in the same device. This study aimed (1) To obtain the new structure design of chip based on theory calculation and make the microfluidics chip based on the new design; (2) To test the performance of microfluidics chip. Both of this aims, intended to obtain the homogeneous distribution of raw material within droplet microfluidics. The best design is the design which has a standard deviation of gray scale (σ) <15% and occupancy rate >85%. To achieve these objectives, ten microfluidic designs were employed and were compared against one another, and against a benchmark design. Furthermore, several pre-treatments were also analyzed to reduce the heterogeneity even further. The degree of homogeneity was obtained from analyzing grey scale distribution extracted from the videos recorded from an 8-bit high speed camera by using home-made video. Analysis routine were done in MATLAB ®.
Two types of granular materials of agricultural were investigated namely wheatbran and rapeseed. In this research, 10 chip designs and traitements were made to get the best result. The result of this research were : 1) The improvement of occupancy rate inside droplet comparing to standard design, for wheatbran from 65.59% to 99.98%, and for rapeseed from 65.33% to 97%; 2) The improvement of homogeneity of raw material inside droplet comparing to standard design, for wheatbran from 15.78% to 7.33%, and for rapeseed from 27.92% to 12.1%; 3) Homogeneity of droplet diameter also had been improved, for wheatbran, from 10.99% to 0.10%, and for rapeseed from 16.09% to 0.83%. Keywords: chip design, droplet microfluidics, granular material, homogeneity,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN
DROPLET MICROFLUIDICS
FREKUENSI TINGGI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2014
Judul Tesis : Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi
Nama : Angga Perima NIM : F451110031
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng Ketua
Dr. Ir. Meiske Widyarti, M. Eng Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Sipil dan Lingkungan
Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, M.Si
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
PRAKATA
Puji dan syukur dipanjatkan kepada Allah Bapa di Surga dan Putra-Nya terkasih Yesus Kristus sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih merupakan salah satu teknologi terkini di bidang keteknikan dan biologi.
Terima kasih diucapkan kepada :
1. Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng dan Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng selaku komisi pembimbing yang telah dengan sabar membimbing penyelesaian tesis ini.
2. I Putu Mahendra Wijaya, yang telah menjadi pembimbing selama di Prancis dan telah memberikan banyak sekali nasehat, arahan, bimbingan, motivasi untuk dapat terus menjadi lebih baik.
3. Mama, Papa, Terry, dan keponakan tercinta Tiffany atas segala doa dan cinta kasih yang telah diberikan.
4. Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA yang telah memberikan kesempatan untuk dapat mengambil beasiswa BU BPKLN DIKNAS DDIP (Double Degree Indonesia Prancis) serta atas kesabaran dan bimbingannya selama ini.
5. BPKLN DIKNAS yang telah memberikan beasiswa DDIP. 6. GROUPPE SOUFFLET yang telah mendanai penelitian ini.
7. Antoine Drevelle, yang telah memberikan kesempatan untuk dapat magang di laboratorium ESPCI Paristech.
8. Semua tim di laboratorium biokimia ESPCI Paristech yang telah memberikan banyak bantuan.
9. Teman-teman angkatan SIL yang telah memberi keceriaan selama kuliah S2 : Lisma, Avazbek, Farid, Latifah, Yasmin, Dwinata, Nasir, Puji, dan Helena. Terutama kepada kak Habib Krisna Wijaya yang telah membantu dalam tahap penyelesaian akhir tesis.
10.Sandra Le Thiec yang memberikan makna baru dalam hidup ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vii
1 PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 1
Tujuan Penelitian 1
Manfaat Penelitian 2
Ruang Lingkup Penelitian 2
2 TINJAUAN PUSTAKA 2
Reologi di Microfluidics 2
Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian 7
Droplet Microfluidics 8
3 METODE 10
Waktu dan Tempat 10
Bahan dan Alat 10
Tahapan Penelitian 10
Prosedur Analisis Data 17
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 19
5 SIMPULAN DAN SARAN 27
Simpulan 27
Saran 27
DAFTAR PUSTAKA 28
LAMPIRAN 31
DAFTAR TABEL
1 Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada
setiap desain 23
DAFTAR GAMBAR
1 Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung, et. al., 2002) 2
2 Struktur kimia PDMS 6
7 Sketsa Proses Fotolitografi 14
8 Hasil Wafer dari Proses Fotolitografi 14
9 Kerangka Pembuatan PDMS 2D 15
10 Tahapan Pengujian Microfluidics 16
11 Pengujian Microfluidic 17
12 Ambang batas Penentuan Derajat Kehitaman droplet 18 13 Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c)
tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak
gandum 19
14 Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer 20 15 (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 21
16 Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum
dan (b) rapeseed 22
17 Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan
terjadinya gumpalan 22
18 Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 23 19 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 24 20 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 24 21 Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi)
untuk rapeseed dan dedak gandum 25
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum dan
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penemuan pada bidang mikroelektronik tentang bagaimana memproduksi benda dalam skala mikron telah melahirkan cabang penelitian baru yang dinamakan microfluidics. Microfluidics merupakan teknologi multidisiplin yang mencakup teknik sipil, teknik lingkungan, teknik material, teknik mesin, teknik elektro, nanoteknologi dan bioteknologi. Microfluidics banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang, yang salah satunya adalah pada bidang biologi.
Microfluidics bertujuan untuk memanipulasi fluida dalam tingkat mikro, dan menyederhanakan kompleksitas dari sifat mekanika fluida dalam laboratorium tradisional menjadi satu chip. Keuntungan yang diperoleh yaitu : biaya ekperimen yang rendah, dan chip microfluidics itu mudah dibawa, sehingga banyak industri telah menerapkan penelitian ini, termasuk dalam bidang pertanian. Microfluidics memiliki cabang-cabang teknologi diantaranya microfluidics digital, microfluidics kontinyu, microfluidics tekanan katup, dan droplet microfluidics. Penelitian ini dikhususkan dalam konteks teknologi droplet microfluidics. Droplet microfluidics adalah teknologi yang memanipulasi fluida dalam bentuk droplet atau tetesan. Salah satu aplikasi dari droplet microfluidics diantaranya adalah memanipulasi lingkungan tempat tinggal mikro organisme untuk mendorong terjadinya evolusi langsung dari mikro organisme itu sendiri, sehingga pada akhirnya dapat ditemukan organisme baru hasil dari evolusi langsung tersebut. Lingkungan tempat tinggal mikro organisme itu adalah droplet. Dalam penelitian ini, droplet microfluidics digunakan untuk menangani sampel pertanian yang dialirkan dengan kecepatan tinggi (>300 droplet/detik) untuk dicampurkan dengan substrat pertanian (dedak gandum dan rapeseed) dan air yang diionisasi untuk memperoleh droplet-droplet dengan konsentrasi yang sama. Terdapat beberapa tantangan dalam aplikasi ini antara lain, pertama adalah penanganan agregasi dari sampel pertanian di dalam chip microfluidics. Kedua, tingkat keseragaman (homogenitas) antara droplet sangat rendah. Ketiga, metode untuk menganalisis droplet-droplet yang bisa berjumlah lebih dari 100 ribu untuk menjadi data kuantitatif dan dianalisis derajat keseragamannya.
Perumusan Masalah
Bagaimana mendesain microfluidics chip yang memungkinkan pencampuran substrat pertanian dengan air yang diionisasi dapat dilakukan pada kecepatan tinggi dan diperoleh homogenisasi yang tinggi.
Tujuan Penelitian
1. Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut.
2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini akan bermanfaat sebagai blue print untuk penelitian lanjutan yaitu untuk menemukan organisme baru melalui evolusi langsung (direct evolution). Hal ini dilakukan dengan memasukkan (enkapsulasi) organisme tertentu ke dalam droplet microfluidics, dan hasil yang diharapkan adalah organisme baru yang dapat digunakan untuk pengembangan bio-etanol.b.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini pada bidang mikroteknologi.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Reologi di Microfluidics
Reologi merupakan cabang ilmu alam yang muncul lebih dari 70 tahun yang lalu. Cabang ilmu ini berasal dari pengamatan perilaku aneh dan tidak normal tentang material-material yang tidak dapat dipecahkan seperti : cat merupakan cairan karena ia dapat dituangkan dalam kontainer, akan tetapi kenapa mereka tetap pada posisi vertikal di dinding tanpa jatuh ke bawah seperti cairan lainnya? (Jakovlevich dan Isayev, 2006).
Reologi juga merupakan suatu studi mengenai aliran dan deformasi dari sebuah zat. Reologi biasa digunakan untuk mendeskripsikan aliran dan deformasi dari material kompleks seperti karet, plastik molten, larutan polimer, slurries dan pasta, fluida elektro-reologi, darah, otot, komposit, tanah, dan cat. Studi tentang material ilmu reologi sangat penting untuk dua alasan utama. Pertama, reologi dapat digunakan dalam penentuan proses untuk operasi-operasi tertentu seperti pencampuran, transportasi, dispensasi dan penyimpanan dalam proses produksi. Kedua, reologi dapat digunakan sebagai alat kontrol kualitas pada proses dan tahap produksi untuk mengidentifikasi variasi batch ke batch (Durairaj, et al, 2013).
3 korosif), mudah dibawa-bawa, dan merupakan suatu sistem yang terintegrasi dalam satu chip (Bruus, 2008).
Bruus (2008) telah mendefinisikan suatu persamaan skala (persamaan 1) dalam microfluidics yang menunjukkan variasi dari jumlah fisik dengan ukuran yang diberikan sistem atau objek, dan menjaga nilai lainnya seperti waktu, tekanan, dan suhu tetap konstan. Persamaan yang diberikan adalah sebagai berikut:
………. (1)
Dimana l menunjukkan panjang (L).
Gambar 1. Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung dan Werely, 2002)
Pada Gambar 1 dapat dilihat hubungan skala panjang dan skala volume dimana semakin besar panjang dari chip microfluidic akan membuat semakin besar volume yang bisa ditempati.
Menurut perspektif fluida, makna dari energi permukaan lebih menaikkan simplifikasi pada sifat fluida. Pada umumnya, persamaan Navier-Stokes mendeskripsikan perilaku fluida dalam saluran yang mereduksi pada persamaan diferensial parsial Stokes, yang tidak mencakup banyak gaya inersia dalam penjelasannya. Pada persamaan Navier-Stokes (persamaan 2), v merupakan kecepatan (LT-1), ρ merupakan densitas (ML-3), p merupakan tekanan (ML-1T-2), µ adalah viskositas (ML-1T-1), adalah operasi laplacian (tanpa dimensi), dan f adalah gaya yang bekerja pada fluida (MLT-2).
……….. (2)
Satu-satunya gaya inersia pada cairan yang masih berperan dalam skala mikro adalah gaya hambat viskositas, yang berhubungan dengan ketergantungan linear dari peluruhan bilangan Reynold. Gaya ini hanya berlaku pada saluran skala fluida yang direduksi pada skala mikro.
Bidang penelitian yang dapat menggunakan pengembangan teknologi microfluidics itu adalah diagnosa medis, pengurutan genetik, produksi kimia, penemuan obat baru, dan proteomik. Tentunya microfluidics diharapkan dapat
4
memiliki dampak yang signifikan terhadap perkembangan biologi, kimia, dan bidang lainnya, seperti dampak dari penemuan sirkuit yang terintegrasi pada komputer pada dekade lalu (Nam-Tung dan Werely, 2002).
Pada saat sekarang, ada beberapa tipe teknologi microfluidics yang secara aktif dikembangkan dan digunakan dalam komunitas ilmuwan yaitu microfluidics kontinyu (Nie et al., 2005), mikrofluidics tekanan katup (Vincent et al., 2004), microfluidics digital(Fair, 2007), dan droplet microfluidics (Teh et al., 2008). Setiap teknologi dikembangkan untuk diaplikasikan secara spesifik. Penelitian ini dibatasi terhadap aplikasi dari reologi dalam droplet microfluidics. Berlawanan dengan microfluidics aliran kontinu, fluida dalam microfluidics digital dan droplet dimanipulasi dalam bentuk droplet. Droplet yang diharapkan dalam penelitian ini adalah berbentuk lingkaran.
Droplet yang dibentuk dan dimanipulasi dalam microfluidics digital dan droplet berbeda dengan cara droplet yang diproduksi dan dimanipulasi di dalam chip microfluidics. Dalam kasus microfluidics digital, droplet diproduksi dengan mengendalikan sifat elektro-basah (electrowetting) cairan yang mengalir melalui susunan elektroda (Pollack et al., 2002). Secara singkat, electrowetting adalah sifat permukaan cairan di mana perilaku pembasahan cairan terhadap permukaan dimodulasi melalui penerapan medan listrik. Oleh karena itu, dalam kasus microfluidics digital, droplet cairan biasanya dihasilkan berdasarkan permintaan dengan menggunakan tegangan tertentu di droplet sehingga tegangan permukaan salah satu ujung droplet akan lebih besar dari yang lain. Droplet fluida akan selalu menuju area yang memiliki tegangan permukaan yang lebih tinggi - sebuah fenomena yang dikenal sebagai aliran Marangoni. Chip digital microfluidic biasanya memiliki geometri terbuka, sehingga tidak ada saluran mikro dalam produksi dan manipulasi droplet menggunakan microfluidics digital (Fair, 2007). Sebaliknya, chip microfluidic digital biasanya menggunakan arsitektur substrat kaca dihiasi dengan pola elektroda emas/krom yang dibuat dengan menggunakan litografi . Selain itu, volume kandungan microfluidic digital biasanya berkisar antara nanoliter yang tinggi sampai beberapa mikroliter (Fair, 2007).
5 droplet yang sama, serta memungkinkan studi respon sel tunggal dengan berbagai tekanan yang berbeda (Eun et al, 2010).
Dalam paragraf sebelumnya, telah dijelaskan bahwa microfluidics diuntungkan dari pengembangan proses fabrikasi yang ditemukan dalam bidang mikroelektronik. Secara spesifik, fabrikasi dari saluran mikro dalam alat microfluidics dilakukan melalui fotolitografi lunak. Fabrikasi dari litografi lunak dimulai dengan mendesain sirtkuit saluran mikro, biasa dikenal dengan sebutan mask dalam program CAD, seperti AutoCAD® dari Autodesk. Melalui penggambaran teknis ini, mask kemudian dikirimkan kepada penyedia jasa yang spesial yang dapat mencetak desain dengan printer resolusi tinggi (>10,000 dpi). Kemudian, desain dua-dimensi dalam mask dikonversi menjadi struktur tiga-dimensi melalui fotolitografi. Struktur-struktur tersebut kemudian digunakan sebagai bas-relief master untuk sirkuit saluran mikro. Akhirnya, sebuah cairan dari campuran poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agents dituangkan ke dalam bas-relief master untuk menghasilkan saluran akhir mikro. Saluran mikro kemudian yang dihilangkan oleh PDMS (Polydimethil siloxane) lalu dikunci secara permanen pada kaca dengan menggunakan ikatan plasma (Bruus, 2008).
Fotolitografi didefinisikan sebagai suatu proses yang mentransfer gambaran dua dimensi dalam sebuah medium ke yang lain melalui penggunaan cahaya. Secara analogi, proses fotolitografi merupakan ekstensi dari fotografi ruang gelap tradisional, yang memiliki kemampuan untuk menciptakan struktur tiga-dimensi, tidak hanya berupa gambar seperti yang ditemukan dalam fotografi tradisional (Bruus, 2008).
Lima komponen yang diperlukan untuk mentransfer pola dua dimensi dengan fotolitografi : mask, fotoresis, wafer silikon, spin coater, dan mask-aligner. Pola yang ditemukan dalam mask kemudian ditransfer dalam suatu substrat, sebuah wafer silikon yang telah dilapisi dengan lapisan dari fotoresis dengan ketebalan tertentu. Fotoresis adalah bagian kimia yang dapat melewati reaksi cross-linking melalui eksposur terhadap cahaya dari panjang gelombang tertentu pada energi yang spesifik dalam rentang waktu tertentu. Parameter-parameter (tipe fotoresis, laju perputaran, laju akselerasi, dan waktu putar) yang mempengaruhi proses pelapisan spin ditentukan oleh ketebalan saluran mikro yang diinginkan (Bruus, 2008).
Setelah dilapisi dengan fotoresis, substrat silikon kemudian disinari cahaya UV (panjang gelombang 436 nm) untuk beberapa waktu dalam photomask aligner. Photomask aligner adalah suatu alat untuk menyesuaikan tanda dalam mask dengan yang telah ada dalam substrat untuk memastikan ketepatan dari setiap layar pada desain dengan yang lain, yang diperlukan untuk mengekspos fotoresis melalui mask kepada cahaya UV. Meskipun photomask aligner dapat beroperasi dalam berbagai konfigurasi, hanya dua dari konfigurasi tersebut yang digunakan untuk penelitian ini, yaitu kontak lembut dan eksposur flood. Keuntungan utama dari fotolitografi kontak adalah mask aligners dan optik yang relatif tidak mahal untuk dipergunakan dalam memperoleh resolusi lateral (Banks, 2006), disebabkan minimalisasi dari masalah difraksi yang dapat terjadi dalam bidang eksposur yang lebih jauh dan konfigurasi yang lain (Bruus, 2008).
6
master. Kemudian master diletakkan ke dalam oven pada suhu 90oC selama kira-kira satu jam, untuk menciptakan reaksi cross-linking pada PDMS (Bruus, 2008).
PDMS biasa digunakan dalam fabrikasi alat microfluidics untuk aplikasi biologi karena beberapa keuntungan yang ditawarkan oleh polimer termoset (Duffy et al., 1998). Dalam perspektif fabrikasi, PDMS menawarkan prototipe yang cepat dari saluran mikro. Adanya keringanan operasi dengan menggunakan litografi lunak, dan biaya yang relatif murah, maka dengan PDMS dapat dilakukan desain dan eksplorasi banyak konfigurasi saluran mikro yang berbeda secara cepat. PDMS cocok secara biologi dengan hampir semua sel, sehingga hal ini menjadi alasan utama banyaknya studi biologi dalam microfluidics menggunakan pilihan material PDMS. PDMS juga berbentuk transparan hingga rentang UV (<300 nm). Transparansi ini membuat PDMS atraktif untuk meminiaturisasikan banyak tes biologis yang bergantung pada pembacaan optikal pada alat microfluidics (Hsieh et al., 2009). Kelebihan lainnya adalah PDMS dapat membuat oksigen tingkat tinggi dapat ditransportasi ke dalam saluran mikro dan melarutkan karbondioksida dari saluran mikro secara cepat, berkat difusitas konstan yang tinggi dari gas di polimer. Sifat ini dapat berguna untuk aplikasi biologi, karena sel perlu berespirasi secara reguler.
Selain keuntungan tersebut, PDMS masih memiliki kelemahan yang menonjol, yaitu sifat permukaan yang hidrofobik. Disebabkan oleh struktur kimia dari PDMS, permukaan PDMS padat oleh silikon serta grup metil dan keduanya dikenal sebagai hidrofobik. Dalam konteks aplikasi droplet microfluidics, kondisi ini merupakan suatu tantangan, karena keberhasilan dari produksi droplet dalam alat microfluidics tergantung, antara lain, pada sifat basah dari fluida dan dinding saluran.
Gambar 2. Struktur kimia PDMS
Secara lebih mendetail, untuk memproduksi droplet air-dalam-minyak atau water-in-oil (w/o) dalam alat microfluidics, maka fase basah kontinyu dalam saluran mikro harus lebih siap daripada membasahi fase terdispersi. Apabila sifat basah ini dibalikkan, maka akan dihasilkan emulsi minyak-dalam-air atau oil in water (o/w). Dalam konteks ini, diharapkan energi permukaan dari PDMS dapat disesuaikan menurut kebutuhan peneliti.
7 flourofilik diperlukan langkah silanisasi dari saluran mikro untuk menangani droplet dalam alat microfluidics.
Proses silanisasi dilakukan dengan menginjeksi larutan campuran dari silan dan HFE ke saluran chip. Tujuan dari proses ini untuk membuat kaca menjadi hidrofobik. Deskripsi dari proses ini akan dijelaskan dalam bagian metodologi.
Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian
Tujuan dari penelitian ini adalah menciptakan suspensi yang homogen dari material mentah pertanian. Dengan diperolehnya suspensi yang homogen pada droplet, maka droplet dapat digunakan untuk mengkapsulasi mikroorganisme yang pada akhirnya bertujuan untuk mendapatkan mikroorganisme baru secara lebih baik, dibandingkan jika droplet yang didapat tidak homogen.
Dedak gandum adalah penutup luar kasar yang melapisi gandum kernel yang dipisahkan dan dibersihkan dari proses miling komersial : IFN 4-05-190 wheatbran (Blair, 2008). Pada microfluidics sendiri, telah dilakukan penelitian mikrofluidiasi untuk mengolah dedak gandum dan efeknya pada karakteristik fisika kimia dedak. Mikrofluidisasi secara efektif dapat mengurangi ukuran partikel dan densitas kasar, dan secara substansial meningkatkan area spesifik permukaan, kapasitas ikat air, kapasitas swelling, kapasitas ikat minyak dan kapasitas penukar kation (Wang, 2012).
Minyak rapeseed atau conola adalah tanaman komersial ketiga di dunia yang dimodifikasi genetiknya setelah kacang kedelai dan jagung (Walker, 2000). Rapeseed dapat tumbuh dan akan bertahan pada suhu rendah dan kelembaban tertentu. Oleh karena itu, dapat diproduksi dalam zona dimana kacang kedelai dan bunga matahari tidak dapat hidup (Shahidi, 1990). Dalam jangka waktu yang lama, rapeseed ditanam untuk memproduksi minyak lampu dan kemudian untuk industri lubrikasi (Elzebroek, 2008).
Seperti yang telah diamati, karakteristik permukaan dari material mentah sangat kaya dengan bahan organik yang menampilkan derajat hidrofobisitas dan hidrofilisitas dalam waktu yang bersamaan. Material-material mentah tersebut dibuat untuk berinteraksi kuat satu dengan yang lainnya melalui disolusi dalam larutan aqueous. Sebagai hasil dari interaksi tersebut, suspensi dari material mentah, baik rapeseed maupun dedak gandum, menunjukkan viskositas yang non-linear sebagai fungsi dari laju geser. Hal tersebut menunjukkan sifat dari fluida non-newtonian.
8
Gambar 3. Skema representasi dari aliran geser tak langsung (Chhabra dan Richardon, 2008)
Dengan melihat teori dari reologi, homogenisasi dari material mentah disebabkan oleh dua mekanisme fisik : (1) adveksi, dan (2) difusi (Chevoir, 2013). Adveksi dari material mentah di saluran mikro dapat disebabkan oleh pengontrolan dari aliran fluida yang menampilkan konveksi dalam banyak arah. Distribusi material mentah dapat juga dilakukan dari sumber dalam bentuk agitasi mekanik, seperti : ultrasonikasi atau perputaran magnet. Dari perspektif pencampuran, homogenisasi material mentah dalam droplet dapat diselesaikan dalam dua pendekatan yang berbeda : (1) agitasi mekanik untuk perlakuan awal dan (2) pencampuran di dalam saluran mikro melalui desain sirkuit itu sendiri.
Homogenisasi dari suspensi material mentah yang kompleks dalam penelitian ini tidak hanya sebatas dari pencampuran. Stabilitas dari material mentah itu sendiri dalam larutan aqueous diharapkan dapat memainkan peranan penting dalam memunculkan homogenitas. Penelitian ini, lebih berkonsentrasi terhadap peningkatan homogenitas melalui pencampuran.
Droplet Microfluidics
Droplet microfluidics memanipulasi fluida menjadi bentuk droplet (tetesan) dalam skala mikro di dalam chip mikro (Jensen dan Lee, 2004). Sistem droplet microfluidics dapat bekerja dengan banyak jenis bahan kimia dan biologi dan dapat memberikan variasi fluida digital yang dapat diatur sedemikian rupa. Sistem ini juga memiliki keuntungan, yaitu dapat mencampur fluida dengan kecepatan tinggi sehingga sistem ini banyak digunakan juga untuk aplikasi medis. (Teh et al, 2007)
9
Gambar 4. Tiga cara terbentuknya droplet. (a) co-focusing; (b) T-junction; (c) flow-focusing
Setiap droplet yang dihasilkan terlapisi oleh lapisan film. Lapisan ini melindungi droplet agar ketika terjadi tabrakan antar droplet, droplet tidak menyatu. Bretherton (1961) telah menemukan persamaan hukum non linear untuk menentukan ketebalan lapisan film pada droplet. Pada persamaan hukum non linear tersebut (persamaan4), Cad adalah bilangan kapiler (tak berdimensi), e
adalah ketebalan (L), Vd adalah kecepatan droplet (LT-1), γ adalah tegangan
permukaan (MT-2), µ adalah viskositas dinamik (ML-1T-1), dan H adalah diameter dari tubing (L).
………. (4)
Cad = µVd/γ ……… (5)
……….. (6)
Adapun persamaan tekanan yang disebabkan oleh droplet di dalam saluran mikro dapat dilihat pada Persamaan 6 (Baroud et al, 2010). Pada persamaan 6, ∆Pdroplets + capsadalah jumlah tekanan pada droplet dan kapiler (ML-1T-2), b dan Cλ
parameter tak berdimensi yang bergantung pada geometri, µin adalah viskositas
(ML-1T-1), Ldroplet adalah panjang droplet (L), Vd kecepatan droplet (LT-1), γ
adalah tegangan permukaan (MT-2), Cad adalah bilangan kapiler dari droplet (tak
berdimensi), W adalah lebar saluran (L), H adalah diameter tubing (L), dan nd
10
3
METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Biokimia, Ecole Superieure de Physiques et Chimie Industrielles de la ville Paris (ESPCI) di Paris, Prancis dan Laboratorium Soufflet di Nogent-sur-Seine, Prancis. Kegiatan pengambilan dan pengolahan data dilakukan dari bulan Maret - Agustus 2013.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan yaitu :
1. Rapeseed dan dedak gandum yang dimikronisasi dalam larutan aquoues (dengan ukuran maksimum 20µm) disediakan oleh Soufflet Grouppe;
2. Silane 1H 1H 2H 2H-Perfluorodecyltrichlorosilane, 97% distabilisasi oleh tembaga dari ABCR GmbH & Co KG;
3. Minyak flourinisasi HFE 7500 dari 3M Company (4) Air terdionisasi 18.2 MΩ.cm dari Millipore;
4. Surfaktan-paten Jeffamine 900 (5% (w/w) dalam HFE 7500); 5. Poly (dimethyl siloxane) (Sylgard) dari Dow Corning;
6. SU8 2002 dan 2150 fotoresis negatif dari Microchem. Alat yang digunakan yaitu :
1. Pompa syringe dari Harvard Pump PHP 2000;
2. Kamera kecepatan tinggi Phantom® v6.3 dari Vision Research;
3. AutoCAD 2008 dari Autodesk untuk mendesain mask, kemudian mask dicetak oleh Selba S.A di Swiss;
4. Software MATLAB dengan lisensi dari ESPCI;
5. Syringe (plastik, polypropilen) dibeli dari B. Braun Melsungen AG.
6. Poly (tetra fluoro ethylene) (PTFE) (Teflon®) tubing dari Adtech Polymer Eng LTD;
7. Spin coater dari SUSS Microtec;
8. UV photo mask aligner dari by Susstec MJB4 9. Software Dektak® mechanical profilometer; 10.Mesin sentrifugal EBH-21 Hettich Zentrifugen; 11.Vacuum suction KNF Lab Laboport.
Tahapan Penelitian
11
Gambar 5. Kerangka Penelitian
1. Video Analisis Rutin
Software akan dibuat dengan menggunakan MATLAB (lisensi original oleh ESPCI Paristech). Tujuannya adalah menjalankan analisis video dari homogeneitas dalam droplet. Secara spesifik, program ini didesain untuk menghitung distribusi dari intensitas (nilai gray) di dalam droplet dalam periode tertentu. Homogeneitas kemudian didefinisikan sebagai waktu dan profil intensitas distribusi yang ditampilkan pada hasil analisa. Derajat homogeneitas diukur dengan menggunakan standar deviasi di dalam droplet tersebut.
2. Identifikasi Masalah
12
3. Desain Mask
Desain dibuat menggunakan software AUTOCAD 2008 student edition dan dicetak di Swiss oleh Selba S.A.
4. Fotolitografi
Proses fotolitografi dengan tahapan seperti pada Gambar 6 adalah :
Gambar 6. Proses Fotolitografi
i. Pembersihan substrat wafer silikon
Wafer silikon dibersihkan oleh nitrogen dan udara. Tujuan dari pembersihan ini untuk menghilangkan debu dalam wafer.
ii. Pemanasan substrat wafer
13 iii. Pembuatan lapisan pertama dalam substrat silikon kosong
1. Wafer diletakkan dalam spin coater. 2. SU-8 2002 dituangkan dalam permukaan.
3. Spin coater diaktifkan dan berotasi pada 3000 rpm selama 30 detik dengan akselerasi 500 rpm/detik selama 10 detik, dan laju perputaran awal 500 rpm selama 10 detik. Tujuan utama dari laju perputaran pertama adalah untuk mendistribusikan SU8 merata ke permukaan wafer, semakin besar laju perputaran akan menyebabkan semakin tipis hasil akhir ketebalan yang didapat.
4. Wafer yang telah dilapisi dengan lapisan pertama dipanaskan dalam lempengan panas pada suhu 95oC selama satu menit untuk menghilangkan semua larutan di dalam cairan fotoresis. 5. Wafer dieksposur ke radiasi UV dalam mode flood exposure
pada sistem aligner.
6. Lapisan yang telah tereksposur dipanaskan dalam lempengan panas lagi pada suhu 95oC selama satu menit untuk menyelesaikan proses cross-lingking yang diinisiasikan selama langkah eksposur. Tujuan dari pelapisan pertama untuk mengurangi adesi dari PDMS.
iv. Pembuatan lapisan kedua di atas lapisan pertama pada substrat wafer 1. Untuk membuat lapisan kedua, wafer yang telah dilapisi dengan
lapisan pertama diletakkan di spin coater.
2. SU8 2150 fotoresis negatif dituangkan ke atas lapisan pertama. 3. Spin coater diputar dengan kecepatan yang sama dengan
sebelumnya untuk memperoleh ketebalan 250µm. Lalu, dipanaskan pada suhu 65oC selama lima menit dan 95oC selama 30 menit.
4. Mask yang telah dicetak diletakkan di kaca quartz dan kemudian dilakukan photomask aligner.
5. Fotoresis dieksposur ke UV dalam sistem photomask aligner selama 70 detik.
6. Kemudian yang terakhir memanaskan dalam lempengan panas pada suhu 65oC (dua menit) dan 95oC (12 menit).
v. Develop fotoresis yang telah tereksposur
1. SU8 yang tidak tereksposur tidak akan mengalami reaksi cross-linking, lalu dapat secara selektif dilepaskan dari yang mengalami eksposur pada larutan developer.
2. Wafer ditaruh di dalam laurutan developer hingga SU8 yang tidak tereksposur terlepas semua.
3. Wafer diletakkan lagi di dalam larutan developer apabila masih terdapat cloudy (belum terdevelop sempurna).
vi. Mengecek ketebalan wafer
14
Gambar 7. Sketsa Proses Fotolitografi
15 5. Persiapan Polydimethilsiloxane (PDMS)
PDMS dapat dibuat dalam 3D atau 2D tergantung pada desain yang akan dibuat. Dalam penelitian ini hanya digunakan 2D seperti yang terlihat pada Gambar .
Gambar 9. Kerangka Pembuatan PDMS 2D i. Pembersihan mask
Udara dihembuskan pada mask untuk menghilangkan debu di permukaan. Kemudian dilapisi dengan kertas alumunium.
ii. Pembuatan PDMS a. Desain 3D
Rasio pencampuran dari curing agent dan base agent untuk layar pertama adalah 1:8 dan untuk layar kedua adalah 1: 12.
b. Desain 2D
Rasio pencampuran dari curing agent danbase agent adalah 1:10. iii. Proses Pencampuran dan Sentrifugasi
16
iv. Vakum dan Pemanasan
Kemudian, divakumkan hingga tidak ada udara lagi di dalam PDMS, kemudian diletakkan di oven dengan suhu 90oC selama 30 menit.
v. Pembuatan lubang
Lubang dibuat di PDMS untuk dapat dilewati oleh pipa. vi. Proses pengikatan
Untuk desain 2D, digunakan plasma untuk mengikat PDMS dan kaca sedangkan untuk desain 3D, PDMS hanya ditempelkan satu dengan yang lain hingga terjadi ikatan.
6. Pengujian Microfluidics
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
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
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
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
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.
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
28
DAFTAR PUSTAKA
Anna SL, Bontoux N, Stone HA. 2003. Formation of dispersions using flow-focusing in microchannels. Appl. Phys. Letter 82 (3) : 364 - 366.
Banks D. 2006. Microengineering, MEMS, and Interfacing, A Practical Guide. New York. Taylor & Francis Group, CRC Press.
Baroud CN, Francois G, Remi D. 2010. Dynamics of microfluidics droplets. Lab on Chip. 10 : 2032 - 2045.
Blair R. 2008. Nutrition and Feeding of Organic Poultry. Trowbridge. Cromwell Press.
Bretherton FP. 1961. "The motion of long bubbles in tubes. J. Fluid :161-188. Bruus H. 2008. Theoretical Microfluidics. New York, Oxford University Press. Chevoir F, Gouillart E. 2013. Mixing and Segregation in fluid and granular flows.
Champs-sur-Marne. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.
Chhabra PR, Richardon FP. 2008. Non-Newtonian Flow and Applied Rheology 2nd edition. Budapest. Elsevier.
Cramer C, Fischer P, Windhab EJ. 2004. Drop formation in a co flowing ambient fluid. Chem. Eng. Sci. 59 (15) : 3045 - 3058.
Duffy DC, McDonald JC, Schueller OJA, Whitesides GM. 1998. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry 70(23): 4974-4984.
Durairaj R, El-Hassan A, Williams M, Talero, Trofimov, Rameshwaram KJ. 2013. Rheology-New Concepts, Applications and Methods. Rijeka. Intech. Elzebroek ATG, Wind K. 2008. Guide to Cultivated Plants. Singapore, CAB
International.
Eun YJ, Utada AS, Copeland MF, Takeuchi S, Weibel DB. 2010. Encapsulating Bacteria in Agarose Microparticles Using Microfluidics for High-Throughput Cell Analysis and Isolation. ACS Chemical Biology 6(3): 260-266.
29 Hsieh HY, Wang PC, Wu CL, Huang CW, Chieng CC, Tseng FG. 2009. "Effective Enhancement of Fluorescence Detection Efficiency in Protein Microarray Assays: Application of a Highly Fluorinated Organosilane as the Blocking Agent on the Background Surface by a Facile Vapor-Phase Deposition Process." Analytical Chemistry 81(19): 7908-7916.
Huang KY, Fu KS, Sheen TH, Cheng SW. 1985. Image processing of seismograms: (a) Hough transformation for the detection of seismic patterns; (b) thinning processing in the seismogram. Pattern Recognition 18(6): 429-440.
Jakovlevich A and Isayev AI. 2006. Rheology : Concepts, Methods, and Applications. Toronto, ChemTec Publishing.
Jensen and Lee AP. 2004. "Ferrofluid-in-oil two-phase flow patterns in a flow focusing microchannel. Lab on Chip : 31N-32N.
Jessamine MKNg, Abraham IG, Stroock D, Whitesides GM. 2002. Components for integrated poly (dimethylsiloxane) microfluidic systems." Electrophoresis 23: 3461-3473.
Koesdjojo MT, Tennico YH, Rundel JT, Remcho V. 2008. Two-stage polymer embossing of co-planar microfluidic features for microfluidic devices. Sensors and Actuators B: Chemical 131(2): 692-697.
Lucas FJB, Griffiths AD, Baret JC. 2008. Microfluidic Production of Droplet Pairs." Langmuir 24: 12703-12076.
Mayot E, Gérardin-Charbonnier C, Selve C. 2005. Highly fluoroalkylated amphiphilic triazoles: Regioselective synthesis and evaluation of physicochemical properties. Journal of Fluorine Chemistry 126(5): 715-720. Various Shapes and Morphologies Produced in Continuous Microfluidic Reactors. Journal of the American Chemical Society 127(22): 8058-8063. Nori NM. 2006. Wet granular materials. Advances in Physics 55(1): 1-45.
30
Pollack MG, Shenderov AD, Fair RB. 2002. Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics. Lab on a Chip 2(2): 96-101.
Qi DH, Bae C, Feng YM, Jia CC, Bian YZ. 2013. Combustion and emission characteristics of a direct injection compression ignition engine using rapeseed oil based micro-emulsions. Fuel 107: 570–577.
Shahidi F. 1990. Canola and Rapeseed, Production, Chemistry, Nutrition, and Processing Technology. New York, Van Nostrand Reinhold.
Song H, Chen DL, Ismagilov RF. 2006. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angewandte Chemie International Edition 45(44): 7336-7356. Sudarsan AP and Ugaz VM. 2006. Fluid mixing in planar spiral microchannels.
Lab on a Chip 6(1): 74-82.
Teh SY, Lin R, Hung LH, Lee AP. 2008. Droplet microfluidics. Lab on a Chip 8(2): 198-220.
Thoresen T, Roberts RW, Arnold FH, Quake SR. 2001. Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device. Phys. Rev. Letter 86 (18) : 4163- 4166.
Vincent S, Giao H, Anna P, Michael O, Anderson WF, Stephen RQ. 2004. "Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve." Journal of Applied Physics 95(1): 393-398.
Walker R L, Walker KC, Booth EJ. 2000. What does the future hold for GM crops? Aspects of Applied Biology 62: 173-180.
Wang T, Sun X, Zhou Z, Chen G. 2012. Effects of microfluidization process on physicochemical properties of wheat bran. Food Research International 48: 742–747.
Whitesides GM. 2006. The origins and the future of microfluidics. Nature Publishing Group 442(7101).
Xu S, Nie Z, Seo M, Lewis P,Kumacheva E, Stone HA. 2005. Generation of Monodisperse Particles by Using Microfluidics: Control over Size, Shape, and Composition. Angewandte Chemie 117(5): 734-738.
31
33 Lampiran 1. Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum
dan Rapeseed
1 0.00000 264.15094 48.54235 0.00000 365.96182 45.44628
2 0.00000 264.15094 48.51568 0.00000 358.49320 46.58850
3 0.00000 264.15094 50.22103 0.00000 373.43042 46.62929
4 0.00000 264.15094 44.96190 0.00000 261.40131 47.66817
5 0.00000 264.15094 46.86341 0.00000 261.40131 48.27729
6 0.00000 264.15094 47.61424 0.00000 261.40131 48.40729
7 0.00000 264.15094 45.96861 0.00000 358.49320 48.52166
8 0.00000 264.15094 49.41125 0.00000 253.93269 48.96271
9 0.00000 264.15094 47.03583 0.25007 283.80713 49.00247
10 0.00000 264.15094 49.20308 0.25007 261.40131 49.12940
11 0.00000 264.15094 46.05117 0.25007 253.93269 49.26911
12 0.00000 264.15094 45.60974 0.25007 253.93269 49.59031
13 0.00000 264.15094 40.50771 0.25007 328.61877 49.81153
14 0.00000 264.15094 41.73272 0.25007 291.27573 50.45070
15 0.00000 264.15094 42.31414 0.50014 365.96182 50.45648
16 0.25007 264.15094 46.75780 0.50014 373.43042 50.48312
17 0.25007 264.15094 44.45811 0.50014 373.43042 50.64084
18 0.25007 264.15094 48.92366 0.50014 380.89905 50.65965
19 0.25007 264.15094 44.28321 0.50014 388.36764 50.91318
20 0.25007 264.15094 49.93814 0.50014 373.43042 50.93333
21 0.25007 264.15094 46.16353 0.50014 373.43042 50.96555
22 0.25007 264.15094 44.92870 0.75021 268.86990 51.33180
23 0.25007 264.15094 50.74557 0.75021 373.43042 51.38368
24 0.25007 264.15094 44.49621 0.75021 253.93269 51.58665
25 0.25007 264.15094 46.03973 0.75021 395.83624 52.09508
26 0.25007 264.15094 38.83081 0.75021 261.40131 52.21896
27 0.25007 264.15094 44.68306 0.75021 253.93269 52.43613
28 0.25007 264.15094 37.40078 0.75021 253.93269 52.47515
29 0.25007 264.15094 37.49948 1.00028 268.86990 52.84596
30 0.50014 264.15094 47.92193 1.00028 306.21295 53.09387
31 0.50014 264.15094 41.55785 1.00028 276.33850 53.44803
32 0.50014 264.15094 48.21511 1.00028 261.40131 53.59099
33 0.50014 264.15094 48.30371 1.00028 261.40131 53.60052
34 0.50014 264.15094 45.78359 1.25035 253.93269 53.69939
35 0.50014 264.15094 48.93321 1.25035 261.40131 53.71165
36 0.50014 264.15094 50.12742 1.25035 261.40131 53.72971
34
Sambungan Lampiran 1.
Droplet Dedak Gandum Rapeseed
Waktu
38 0.50014 264.15094 51.23190 1.25035 291.27573 53.77877
39 0.50014 264.15094 47.48400 1.25035 246.46408 53.85212
40 0.50014 264.15094 45.01855 1.50042 253.93269 53.8860
41 0.50014 264.15094 45.82116 1.50042 380.89905 53.98619
42 0.50014 264.15094 49.58468 1.50042 380.89905 54.04764
43 0.50014 264.15094 45.21227 1.50042 373.43042 54.08017
44 0.75021 264.15094 48.48438 1.50042 365.96182 54.35822
45 0.75021 264.15094 50.04133 1.50042 380.89905 54.46060
46 0.75021 264.15094 44.73701 1.75049 395.83624 54.95133
47 0.75021 264.15094 47.18265 1.75049 380.89905 54.98181
48 0.75021 264.15094 47.25621 1.75049 328.61877 54.99606
49 0.75021 264.15094 47.58347 1.75049 283.80713 55.04223
50 0.75021 264.15094 49.92876 1.75049 373.43042 55.06514
51 0.75021 264.15094 52.50196 1.75049 283.80713 55.08213
52 0.75021 264.15094 47.80586 1.75049 358.49320 55.11135
53 0.75021 264.15094 41.28777 2.00056 276.33850 55.22225
54 0.75021 264.15094 43.86592 2.00056 253.93269 55.25454
55 0.75021 264.15094 46.95115 2.00056 253.93269 55.27361
56 0.75021 264.15094 39.67283 2.00056 253.93269 55.57647
57 1.00028 264.15094 41.28453 2.00056 276.33850 55.59258
58 1.00028 264.15094 47.60005 2.00056 261.40131 55.62320
59 1.00028 264.15094 44.85426 2.25062 261.40131 55.65739
60 1.00028 264.15094 42.56284 2.25062 268.86990 55.69384
61 1.00028 264.15094 49.88406 2.25062 276.33850 55.79118
62 1.00028 264.15094 47.80897 2.25062 351.02460 55.84832
63 1.00028 264.15094 53.67645 2.25062 261.40131 55.86304
64 1.00028 264.15094 44.39026 2.25062 365.96182 55.96703
65 1.00028 264.15094 47.52781 2.25062 268.86990 55.97203
66 1.00028 264.15094 45.82806 2.50069 276.33850 56.06995
67 1.00028 264.15094 47.66901 2.50069 261.40131 56.08614
68 1.00028 264.15094 49.05557 2.50069 261.40131 56.12688
69 1.00028 264.15094 45.70908 2.50069 283.80713 56.22660
70 1.00028 264.15094 43.29068 2.50069 298.74435 56.31209
71 1.00028 264.15094 43.87313 2.50069 253.93269 56.35774
72 1.00028 264.15094 38.32009 2.50069 283.80713 56.37582
73 1.25035 264.15094 48.74184 2.75076 276.33850 56.40015
35
75 1.25035 264.15094 48.06494 2.75076 253.93269 56.76053
76 1.25035 264.15094 49.56484 2.75076 283.80713 56.76594
77 1.25035 264.15094 45.68290 2.75076 336.08737 56.79289
78 1.25035 264.15094 54.03634 2.75076 253.93269 56.86383
79 1.25035 264.15094 47.11912 3.00083 261.40131 56.92654
80 1.25035 264.15094 47.29927 3.00083 261.40131 56.93450
81 1.25035 264.15094 44.02530 3.00083 276.33850 56.94594
82 1.25035 264.15094 47.76523 3.00083 253.93269 56.95178
83 1.25035 264.15094 44.22963 3.00083 276.33850 57.01195
84 1.25035 264.15094 46.69379 3.00083 261.40131 57.05132
85 1.25035 264.15094 47.63613 3.00083 253.93269 57.08956
86 1.50042 264.15094 46.75451 3.00083 261.40131 57.22890
87 1.50042 264.15094 48.66606 3.25090 261.40131 57.29724
88 1.50042 264.15094 48.22167 3.25090 395.83624 57.32976
89 1.50042 264.15094 46.78703 3.25090 268.86990 57.43112
90 1.50042 264.15094 44.53360 3.25090 276.33850 57.45052
91 1.50042 264.15094 47.56476 3.25090 373.43042 57.51473
92 1.50042 264.15094 47.10199 3.25090 268.86990 57.57377
93 1.50042 264.15094 51.60506 3.25090 261.40131 57.59150
94 1.50042 264.15094 48.02249 3.50097 283.80713 57.62494
95 1.50042 264.15094 47.58377 3.50097 336.08737 57.64410
96 1.50042 264.15094 45.67250 3.50097 276.33850 57.66204
97 1.50042 264.15094 45.52211 3.50097 395.83624 57.71200
98 1.50042 264.15094 44.00865 3.50097 253.93269 57.76417
99 1.75049 264.15094 48.83147 3.50097 261.40131 57.79522
100 1.75049 264.15094 41.44153 3.50097 261.40131 57.79891
101 1.75049 264.15094 46.28231 3.75104 373.43042 57.80887
102 1.75049 264.15094 45.86850 3.75104 380.89905 57.81050
103 1.75049 264.15094 44.05180 3.75104 380.89905 57.97957
104 1.75049 264.15094 48.42872 3.75104 365.96182 58.01232
105 1.75049 264.15094 42.05833 3.75104 388.36764 58.03632
106 1.75049 264.15094 44.38137 3.75104 268.86990 58.04577
107 1.75049 264.15094 42.06791 3.75104 321.15018 58.05907
108 1.75049 264.15094 44.05180 4.00111 343.55600 58.13152
109 1.75049 264.15094 48.42872 4.00111 276.33850 58.15066
110 2.00056 264.15094 45.67749 4.00111 253.93269 58.22058
36
112 2.00056 264.15094 45.52669 4.00111 261.40131 58.26613
113 2.00056 264.15094 42.34544 4.00111 276.33850 58.30096
114 2.00056 264.15094 45.62611 4.00111 276.33850 58.31793
115 2.00056 264.15094 45.28388 4.00111 276.33850 58.31892
116 2.00056 264.15094 49.27605 4.00111 268.86990 58.41186
117 2.00056 264.15094 43.71473 4.00111 306.21295 58.42818
118 2.00056 264.15094 51.00705 4.00111 253.93269 58.47541
119 2.00056 264.15094 49.74804 4.25118 261.40131 58.47855
120 2.00056 264.15094 46.18438 4.25118 380.89905 58.49882
121 2.00056 264.15094 47.44808 4.25118 276.33850 58.58495
122 2.00056 264.15094 42.99712 4.25118 261.40131 58.59395
123 2.00056 264.15094 48.06375 4.25118 261.40131 58.60768
124 2.25062 264.15094 43.42114 4.25118 253.93269 58.65785
125 2.25062 264.15094 43.77313 4.25118 261.40131 58.73475
126 2.25062 264.15094 41.68254 4.50125 268.86990 58.80890
127 2.25062 264.15094 45.58793 4.50125 253.93269 58.87019
128 2.25062 264.15094 41.99450 4.50125 343.55600 58.87629
129 2.25062 264.15094 47.88102 4.50125 388.36764 58.99390
130 2.25062 264.15094 44.41298 4.50125 351.02460 58.99692
131 2.25062 264.15094 45.79599 4.50125 380.89905 58.99803
132 2.25062 264.15094 46.36015 4.75132 365.96182 59.01239
133 2.25062 264.15094 48.17054 4.75132 395.83624 59.03358
134 2.25062 264.15094 48.55439 4.75132 388.36764 59.05526
135 2.25062 264.15094 42.79201 4.75132 380.89905 59.06756
136 2.25062 264.15094 45.94399 4.75132 276.33850 59.08187
137 2.25062 264.15094 48.10366 4.75132 268.86990 59.08389
138 2.25062 264.15094 43.01362 4.75132 268.86990 59.16459
139 2.50069 264.15094 42.35037 4.75132 351.02460 59.30229
140 2.50069 264.15094 44.82193 5.00139 388.36764 59.35439
141 2.50069 264.15094 40.88593 5.00139 365.96182 59.40847
142 2.50069 264.15094 45.13380 5.00139 365.96182 59.45509
143 2.50069 264.15094 45.05540 5.00139 395.83624 59.62145
144 2.50069 264.15094 48.57483 5.00139 380.89905 59.63951
145 2.50069 264.15094 49.21109 5.00139 351.02460 59.65427
146 2.50069 264.15094 48.22411 5.00139 276.33850 59.68834
147 2.50069 264.15094 44.44804 5.00139 268.86990 59.76367
