BAB II LANDASAN TEORI

(1)

Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box 4

Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia BAB II

LANDASAN TEORI 2.1 Teori Dasar

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengkonversikan energi listrik menjadi dingin atau panas dan energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya.

2.2 Sejarah Singkat Termoelektrik

Pada tahun 1821 fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Prusia, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.

Setelah itu, perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas sampai kemudian dilanjutkan pada tahun 1913 oleh WW Coblenz yang menggunakan tembaga dan constantan (campuran nikel dan tembaga). Dengan efisiensi konversi sebesar 0,008 persen, sistem yang dibuatnya itu berhasil membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW.

AF Ioffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semikonduktor dari golongan II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup mengejutkan, di mana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Ioffe melakukan

(2)

Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia

satu lompatan besar di mana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan dengan material termoelektrik. Teori itu dibukukan tahun 1956 yang kemudian menjadi rujukan para peneliti hingga saat ini.

Pada tahun 1990-an penelitian termoelektrik muncul kembali setelah sempat menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak bertambah. Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut.

Pertama, pada awal tahun 1986 ada harapan besar ditemukannya material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi, yaitu sejak ditemukannya material superkonduktor dari bahan yang selama ini tidak diduga (ceramic material).

Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi material berkembang pesat dengan kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano.

Ketiga, pada awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif.

Referensi: http://www2.kompas.com/kompas-cetak/0408/07/ilpeng/1193270.htm. Melirik Teknologi Termoelektrik Sebagai Sumber Energi Alternatif. Edi Sukur, Post Doctoral Fellow

pada Tonen General Sekiyu KK, Jepang.

2.3 Prinsip Dasar Secara Umum

Prinsip dasar dari termoelektrik dapat ditentukan oleh beberapa efek seperti yang telah dibahas sedikit pada sejarah singkat termoelektrik, antara lain : efek Seebeck dan efek Peltier.

2.3.1 Efek Seebeck

Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Prusia, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

(3)

Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box

Namun Seebeck, pada saat itu tidak mengakui ada arus listrik yang terlibat, maka dia menyebut fenomena ini efek termomagnetik, berfikir bahwa dua logam yang dijadikan terpolarisasi secara magnetis oleh gradien suhu. Efeknya adalah berupa tegangan,

berbeda atau semikonduktor. Hal

jika logam-logam tersebut membentuk lingkaran lengkap (

Tegangan yang dibuat berdasarkan urutan yang memiliki perbedaan beberapa microvolts per Kelvin.

berfungsi sebagai termoelektrik

Gambar 2.1 Termoelektrik

Berikut ini persamaan dari efek Seebeck :

dimana :

E = Gaya gerak listrik

α = Daya termoelektrik (koefisien seebeck) T1 = hot junction

To = cold junction

TEORI

Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box

Namun Seebeck, pada saat itu tidak mengakui ada arus listrik yang aka dia menyebut fenomena ini efek termomagnetik, berfikir bahwa dua logam yang dijadikan terpolarisasi secara magnetis oleh gradien suhu. Efeknya pa tegangan, yang dihadapkan perbedaan suhu antara dua logam yang berbeda atau semikonduktor. Hal ini menyebabkan arus kontinu dalam konduktor

logam tersebut membentuk lingkaran lengkap (complete loop Tegangan yang dibuat berdasarkan urutan yang memiliki perbedaan beberapa

volts per Kelvin. Gambar 2.1 merupakan rangkaian termoelektrik berfungsi sebagai termoelektrik cooler dan termoelektrik generator

Termoelektrik Cooler dan Termoelektrik Generator

Berikut ini persamaan dari efek Seebeck :

= ( − )

= Gaya gerak listrik (V)

= Daya termoelektrik (koefisien seebeck) (V/K) ( K ) ( K )

6 Namun Seebeck, pada saat itu tidak mengakui ada arus listrik yang

aka dia menyebut fenomena ini efek termomagnetik, berfikir bahwa dua logam yang dijadikan terpolarisasi secara magnetis oleh gradien suhu. Efeknya yang dihadapkan perbedaan suhu antara dua logam yang ini menyebabkan arus kontinu dalam konduktor complete loop). Tegangan yang dibuat berdasarkan urutan yang memiliki perbedaan beberapa rangkaian termoelektrik yang

generator : Generator

(4)

Rancang Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box

Persamaan efek Seebeck dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2.

Suatu gaya gerak listrik akan timbul

konduktor A dan B yang berbeda, dijaga pada temperatur yang berbeda 2.3).

Gambar 2.3 Diagram

Dengan timbulnya arus listrik akibat

dalam rangkaian tersebut, maka timbul panas yang disebut dengan efek Joule dengan sifat yang tidak dapat dibalik (

ditulis sebagai berikut:

dimana

Q = Kalor Joule I = Arus listrik R = Hambatan

TEORI

Bangun Sistem Refrigerasi Cooling Box

Persamaan efek Seebeck dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Ilustrasi Efek Seebeck

Suatu gaya gerak listrik akan timbul ketika dua sambungan bahan konduktor A dan B yang berbeda, dijaga pada temperatur yang berbeda

Diagram sirkuit dimana Seebeck menemukan efek Seebeck dan B adalah dua logam yang berbeda

Dengan timbulnya arus listrik akibat adanya efek seebeck pada konduktor dalam rangkaian tersebut, maka timbul panas yang disebut dengan efek Joule dengan sifat yang tidak dapat dibalik (irreversible). Persamaan efek Joule dapat ditulis sebagai berikut:

Q = I2. R

(W) (V/K) (Ω)

7 Persamaan efek Seebeck dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2.

ketika dua sambungan bahan konduktor A dan B yang berbeda, dijaga pada temperatur yang berbeda (Gambar

efek Seebeck. A

adanya efek seebeck pada konduktor dalam rangkaian tersebut, maka timbul panas yang disebut dengan efek Joule ). Persamaan efek Joule dapat

(5)

Kalor yang timbul akan merambat secara konduksi dari permukaan panas ke permukaan dingin. Proses perambatan ini bersifat tidak dapat dibalik (irreversible) yang disebut juga dengan efek konduksi dengan persamaan:

qc= U (T1-T0) dimana

qc= Laju aliran kalor konduksi (W)

U = Konduktansi thermal total keseluruhan (W/K)

T1 = Temperatur permukaan panas (K)

T0= Temperatur permukaan dingin (K)

2.3.2 Efek Peltier

Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik (Gambar 2.4). Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Panas Peltier {Q} diserap oleh junction yang lebih rendah per unit waktu sama dengan,

q = Φ . I dimana

q = Heat efek peltier (W) Φ = koefisien peltier (V)

I = Arus listrik (A)

Gambar 2.4 Ilustrasi Efek Peltier

(6)

Perhitungan nilai COP cascade (Gambar 2.5): (sumber: Thermoelektric Technical Reference)

Gambar 2.5 Cascade Stage

 Mula – mula hitung temperatur modul 1 dan 2 dengan persamaan,

T m 12 = (0.5 x I2) x (Rm2+ Rm1) + (Km1x Th) + (Km2 x Tc) I x (αm 1 – αm 2) + Km 1 + Km 2

 Setelah mendapatkan temperatur modul 1 dan 2, lanjutkan dengan menghitung kalor yang diserap oleh sisi dingin,

Qc = (α m2x Tc x I) - (0.5 x I2x Rm2) – (K m2 x (T m12- Tc))

 Untuk mendapatkan nilai daya input, sebelumnya harus diketahui nilai Vin dengan persamaan dibawah ini,

Vin= (α m2 x (T m12 - Tc)) + (I x Rm2) + (α m1 x (Th - T m12)) + (I x Rm1)  Nilai Vin yang telah diperoleh diolah sehingga mendapatkan nilai Pin,

P in= V inx I

 Maka COP cascade dapat diperoleh dari persamaan, COP cascade= Qc/Pin

dimana

Tm12 = temperatur modul antara temperatur modul 1 dan 2 (K)

I = arus (A)

Rm1 = hambatan pada modul 1 (Ω)

Rm2 = hambatan pada modul 2 (Ω)

Km1 = konduktivitas termal modul 1 (W/m.K)

(7)

Km2 = konduktivitas termal modul 2 (W/m.K)

Th = temperatur sisi panas (K)

Tc = temperatur sisi dingin (K)

αm 1 = koefisien Seebeck modul 1 (V/K)

αm 2 = koefisien Seebeck modul 2 (V/K)

Qc = kalor yang diserap (watt)

Pin = daya input (watt)

2.4 Pendinginan Termoelektrik

Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok semikonduktor (thermocouple) berbahan Bismuth Telluride yang telah diberi impurities (doped). Semikonduktor Tipe-N telah diberi impurities oleh bahan-bahan yang memberikan elektron tambahan-bahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi berlebih. Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P yang telah diberi impurities bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang (holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Pada Gambar 2.6 dijelaskan ketika terjadi beda potensial, elektron-elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-P ke tipe-N akan menyerap energi kalor dari sisi dingin. Ketika elektron-elektron mengalir dari semikonduktor tipe-N ke tipe-P akan dilepaskan energi kalor ke sisi panas. Sehingga daerah di sekitar sambungan dingin akan menjadi dingin dan daerah di sekitar sambungan panas harus diberikan alat penukar kalor agar modul tidak rusak akibat overheating.

(8)

Gambar 2.6 Sistem Pendingin Termoelektrik

Berdasarkan teori yang telah dijelaskan, maka pendingin termoelektrik sangat sesuai digunakan pada alat cool box sebagai tempat penyimpanan darah sementara yang mudah dibawa kemana-mana karena merupakan alat pompa kalor yang berbentuk solid (solid-state heat pump). Berbentuk solid artinya alat ini tidak menggunakan refrigeran sebagai media perpindahan kalor, oleh karena itu termoelektrik memiliki bentuk yang ringkas dan ramah lingkungan. Prinsip kerja termoelektrik ini adalah berdasarkan pada efek Peltier. Pada efek ini disebutkan bahwa dari dua kawat material berbeda (kawat termokopel) di mana masing-masing ujung kawat material membentuk sambungan satu sama lainnya yang apabila diberi perbedaan tegangan, akan menghasilkan perbedaan temperatur. Perbedaan temperatur yang dihasilkan ini sebanding dengan jumlah arus searah yang dialirkan sehingga nantinya akan ada sambungan yang menyerap kalor dan ada sambungan yang melepaskan kalor.

Dalam memilih spesifikasi modul termoelektrik didasarkan pada beban kalor, beda suhu dan parameter listrik yang digunakan. Karena kelebihan sistem pendingin termoelektrik adalah tidak berisik, mudah perawatan, ramah lingkungan dan tidak memerlukan banyak komponen tambahan.

Selain itu manfaat lain dari termoelektrik sebagai mesin pendingin adalah dapat mengurangi polusi udara. Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) dan chlorofluorocarbons (CFC) dikenal sebagai ozone depleting substances (ODSs), yaitu substansi yang meyebabkan penipisan lapisan ozon merupakan zat yang

(9)

sudah lama dipakai dalam mesin pendingin. Namun, baru-baru ini telah diterbitkan regulasi mengenai penggunaan zat-zat tersebut dalam mesin pendingin, sehingga mesin pendingin berteknologi termoelektrik menjadi solusi cerdas dalam masalah ini. (Tellurex, 2008).

2.5 Pemasangan Rangkaian Termoelektrik

Dalam pemasangan termoelektrik, terdapat dua cara pemasangan. Yang pertama dengan cara single (Gambar 2.7) yaitu pemasangan secara terpisah dan yang kedua yaitu dengan cara cascade (Gambar 2.8) yaitu pemasangan dengan cara menumpuk.

Gambar 2.7 Pemasangan secara single

Gambar 2.8 Pemasangan secara cascade

Dalam pemakaian termoelektrik secara cascade rangkaian yang dapat digunakan, yaitu rangkaian pararel (Gambar 2.9).

Modul 1 Modul 2

+

-Gambar 2.10 Rangkaian pararel termoelektrik

(10)

Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia 2.6 Dasar Teori Mengenai Darah

2.6.1 Pengertian Darah

Darah adalah cairan yang terdapat pada semua makhluk hidup (kecuali tumbuhan) tingkat tinggi yang berfungsi mengirimkan zat-zat dan oksigen yang dibutuhkan oleh jaringan tubuh, mengangkut bahan-bahan kimia hasil metabolisme, dan juga sebagai pertahanan tubuh terhadap virus atau bakteri. Istilah medis yang berkaitan dengan darah diawali dengan kata hemo- atau hemato- yang berasal dari bahasa Yunani haima yang berarti darah.

Gambar 2.10 Darah

Darah manusia adalah cairan jaringan tubuh (Gambar 2.10). Fungsi utamanya adalah mengangkut oksigen yang diperlukan oleh sel-sel di seluruh tubuh. Darah juga menyuplai jaringan tubuh dengan nutrisi, mengangkut zat-zat sisa metabolisme, dan mengandung berbagai bahan penyusun sistem imun yang bertujuan mempertahankan tubuh dari berbagai penyakit. Hormon-hormon dari sistem endokrin juga diedarkan melalui darah.

Trombosit Pekat (Plattelets Consentrate) isi utamanya adalah trombosit, meskipun pada proses pembuatannya mungkin masih tertinggal beberapa leukosit, eritrosit dan sedikit sekali plasma. Tetapi hal ini tidaklah dalam jumlah yang bermakna. Sediaan produk ini bisa sebanyak 150 – 400 ml jika diambil dengan cara trombaferesis (menggunakan mesin pemisah komponen), namun jika diambil dari pemrosesan darah lengkap maka paling banyak volume yang didapat hanya 50 ml saja.

(11)

Trombosit pekat yang diproses dari darah lengkap kisaran konsentrasi trombositnya adalah sebanyak 5 X 1010 trombosit. Jika diproses dari trombaferesis kisaran konsentrasinya adalah sebanyak 3 X 1011.

2.6.2 Kegiatan Unit Transfusi Darah

Kegiatan transfusi darah tidak dilakukan dengan sembarangan, ada alur – alur yang harus dilalui meliputi Seleksi Donor, Pengambilan Darah, Pemeriksaan Serologi, Pengolahan Komponen Darah, Penyimpanan Darah dan Pendistribusian Darah.

1. Seleksi Donor

Seleksi donor darah bertujuan untuk menjamin kesehatan dan keselamatan donor (pemberi), resipen (penerima) dan petugas.

Untuk pendonor harus memenuhi persyaratan berupa beberapa kriteria kondisi fisik yang disebutkan dibawah ini:

 Keadaan umum : pendonor tidak dalam keadaan sakit, minum alkohol dan tidak menderita penyakit seperti: penyakit jantung, paru – paru, hati, ginjal, kencing manis dan penyakit darah.

 Umur donor : berumur antara 17-60 tahun  Suhu tubuh : suhu tubuh tidak melebihi 37 ᵒC

 Nadi : denyut nadi berkisar antara 60-100 kali per menit.  Tekanan darah : tekanan darah antara 100-160 mmHg

 Haid, kehamilan dan menyusui : setelah selesai haid, 6 bulan melahirkan dan 3 bulan setelah tidak menyusui diperkenankan menyumbangkan darahnya.

 Pendonor harus terhindar dari penyakit kulit dan penyakit infeksi. 2. Pengambilan Darah

Pengambilan darah dilakukan pada donor yang telah lolos seleksi. Penyadapan (pengambilan) darah harus menggunakan alat – alat yang steril. Segera setelah penyadapan, darah harus disimpan pada lemari pendingin dengan suhu 1-6 ᵒC, kecuali darah yang akan diolah menjadi trombosit pekat harus disimpan dengan suhu antara 20-24 ᵒC.

(12)

Untuk pengamanan darah, pemeriksaan serologi harus dilakukan terhadap semua darah sebelum ditranfusikan. Pemeriksaan serologi meliputi uji saring darah, uji konfirmasi golongan darah dan uji saring alloantibodi.

3. Pengolahan Komponen Darah

Pengolahan komponen darah adalah tindakan memisahkan komponen darah donor dengan prosedur tertentu menjadi komponen darah yang siap dipakai (Gambar 2.11). Dalam proses tersebut aspek kualitas dan keamanan harus terjamin untuk mendapatkan produk akhir yang diharapkan.

Gambar 2.11 Trombosit

Ketentuan umum pengolahan darah:

 Sterilitas harus diperhatikan sewaktu menyimpan komponen darah.

 Darah untuk pembuatan komponen darah disimnpan pada suhu yang sesuai kemudian diolah menjadi komponen maksimal dalam waktu 8 jam sesudah pengambilan darah.

 Unit datah yang akan diolah nmenjadi trombosit harus disimpan pada suhu 20-24 ᵒC.

4. Penyimpanan Darah

Darah terbagi menjadi 4 jenis komponen yaitu wole blood (darah campuran), PRC (sel darah merah murni), sel darah putih dan trombosit yang masing – masing memiliki temperatur penyimpanan

(13)

yang berbeda – beda. Untuk menyimpan darah berupa wole blood dan sel darah merah dipakai blood refrigerator yang bersuhu 1-6 ᵒC. Sedangkan untuk menyimpan trombosit pekat dibutuhkan suhu antara 20-24 ᵒC.

Lama penyimpanan trombosit pekat tergantung pada beberapa hal : a. jumlah trombosit : semakin banyak jumlah trombositnya maka antar trombosit semakin cepat terjadinya agregasi sehingga mudah rusak. b. volume plasma : Plasma berguna sebagai media hidup trombosit sehingga proporsi yang tepat akan memperlama usia trombositnya. c. suhu simpan : dulu penyimpanan trombosit mengikuti suhu simpan darah lengkap saat ini diketahui bahwa suhu ideal untuk penyimpanan trombosit pekat adalah berkisar antara 20 – 24ᵒC. Sehingga ketepatan kisaran suhu simpan bisa memperlambat kerusakan trombosit.

d. goyangan : berbeda dengan komponen lainnya, maka trombosit yang tersimpan dalam kantong darah perlu selalu bergerak untuk menghindari agregasi.

e. permeabilitas kantong darah : trombosit adalah bagian darah yang memerlukan asupan oksigen yang adekuat sehingga permeabilitas kantong darah yang baik akan mem-pengaruhi sirkulasi oksigen ke dalamnya.

Bila faktor-faktor tersebut dapat diatur dengan baik, maka trombosit pekat dapat disimpan selama 5 hari jika menggunakan lemari khusus ber”agitator” pada suhu kisaran 22 derajat celcius dan menjadi hanya 3 hari jika disimpan pada lemari pendingin biasa bersuhu kisaran 4 derajat celcius tanpa goyangan.

Darah tidak boleh beku, karena darah beku dapat menyebablan hemolisis dan menimbulkan reaksi transfusi hebat.

(14)

Berbasis Termoelektrik Pada Penyimpanan Darah Manusia 5. Pendistribusian Darah

Pendistribusian darah adalah penyampaian darah dari UTD ke Rumah Sakit melalui Bank Darah Rumah Sakit atau institut kesehatan yang berwenang.

Proses pendistribusian juga sangat penting dalam menjaga kualitas suatu darah. Alat yang digunakan harus mampu menjaga temperatur darah sesuai temperatur yang diijinkan.