DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER DISERTASI. Oleh KERISTA TARIGAN

DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER

DISERTASI

Oleh

KERISTA TARIGAN 058103004

SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

Kerista Tarigan : Dampak Medan Elektrik Berpulsa Tegangan Tinggi Terhadap Membran Selluler, 2009

DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER

DISERTASI

Diajukansebagai salah satu syarat untuk memperoleh Gelar Doktor dalam Program Studi Kimia, Konsentrasi Fisikokimia pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

KERISTA TARIGAN 058103004

SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009


Judul Disertasi

Nama Mahasiswa Nomor Pokok Program Studi

: DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER : Kerista Tarigan : 058103004 : Doktor (S3) Kimia, Konsentrasi Fisikokimia

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Basuki Wirjosentono, MS., Ph.D) Ketua

(Prof. Dr. Timbangen Sembiring, MSc.) Anggota

(Prof. Dr. Herman Mawengkang) Anggota

Ketua Program Studi,

Direktur,

(Prof. Basuki Wirjosentono, MS., Ph.D)

(Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa, MSc.)

Tanggal Lulus: 14 Mei 2009.


PROMOTOR

Prof. Basuki Wirjosentono, MS., Ph.D Guru Besar Tetap Ilmu Kimia Polimer Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Co. PROMOTOR

Prof. Dr. Timbangen Sembiring, MSc. Guru Besar Tetap Ilmu Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Co. PROMOTOR

Prof. Dr. Herman Mawengkang Guru Besar Tetap Ilmu Matematika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara


TIM PNGUJI

Ketua

: Profesor Basuki Wirjosentono, MS., Ph.D

Anggota

: Profesor Dr. Timbangen Sembiring, MSc. : Profesor Dr. Herman Mawengkang : Profesor Dr. Ir. A. Rahim Matondang, MSIE : Profesor Dr. Yunazar Manjang


PERNYATAAN ORISINILITAS

Disertasi ini adalah hasil karya penulis sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah penulis nyatakan dengan benar.

Nama

: Kerista Tarigan

NIM

: 058103004

Tanda Tangan :


PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama

: Kerista Tarigan

NIM

: 058103004

Program Studi : Ilmu Kimia, Konsentrasi Fisikokimia Jenis Karya

: Disertasi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-eksklusif ( Non- exclusive Royalty Free Right) atas disertasi saya yang berjudul: DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media/formatkan,

mengelola

dalam

bentuk

database,

merawat

dan

mempublikasikan disertasi saya tanpa izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemilik hak cipta. Demikianlah pernyataan ini saya perbuat dengan sebenarnya.

Dibuat di

: Medan

Pada tanggal : Mei 2009 Yang menyatakan,

(Kerista Tarigan)


Abstrak

Penelitian ini menggunakan sphere gap, sebagai penyalur muatan elektrik, untuk menggantikan transistor yang mahal harganya dengan tujuan untuk membuat suatu pembangkit Medan Elektrik Berpulsa Tegangan Tinggi (MEBTT) dan untuk menyelidiki dampak MEBTT tersebut terhadap membran sel saraf Nematoda sebagai lipid bilayer. Berdasarkan hasil pengujian, tegangan operasional sphere gap pada kondisi frikuensi, f = 20 kHz, diameter elektroda bola standard, D = 5 cm dan jarak ke-dua elektroda bola, S = 0,5 cm, adalah rata-rata sebesar 18,50 kV, toleransi 5,95 %. Sedangkan efisiensi η pembangkit MEBTT adalah 81,70 %, toleransi 2,5 %. Kemudian, dampak dari penerapan metoda MEBTT terhadap lipid bilayer pada intensitas medan elektrik, E sebesar 37,33 kV/cm atau potensial transmembran 1,40 V. Pada kondisi tegangan elektroda Velek sebesar 6,70 kV (toleransi 8,06 %), sudut θ = 30°, dan d c = 0,5μ m telah terjadi kerusakan dan diperoleh penurunan kekuatan lipid bilayer, dielektrik membran, mencapai 10 kali dari nilai normalnya. Dengan demikian, molekul protein ( polar) telah terdepolarisasi sehingga menimbulkan kreasi pori hydrophilic (menimbulkan kebocoran) pada lipid bilayer. Namun tidak terjadi peningkatan suhu pada medianya, air, yang berarti yaitu hanya sebesar 32,31 μJoule. Bila hasil tersebut di atas dibandingkan dengan hasil penelitian yang ada kaitannya dengan efek medan elektrik terhadap membran sel adalah sebesar 20- 80 kV/cm (Pizzichemi, 2007); 35-40 kV/cm (Somolinos et al., 2008; Zhao et al., 2008; Hanafi et al., 2008). Kata kunci: sphere-gap, metode medan elektrik berpulsa, penonaktifan, lipid bilayer, Pori hidrophilic, non-thermal.


Absract

This research used sphere-gap as distributor of electric charge, to replace the expensive transistor to make a High Voltage Pulsed Electric Fields (HVPEF) generating and to observe the HVPEF effects on nerve cell membrane of Nematode as lipid bilayer. Based on the result testing, the operational voltage of sphere-gap in frequency condition, f = 20 kHz, standard ball electrode diameter, D = 5 cm and second spacing between of ball electrode, S = 0.5 cm, was averagelly 18.50 kV, with tolerance 2.5 %. While the efficiency of HVPEF generating was 81,70 %, tolerance 2.50 %. Futhermore, the effects of applying the HVPEF generating methode on lipid bilayer in electric field intensity, E is 37.33 kV/cm or transmembrane potential reached 1.40 V. In condition of electrode voltage Velec 6.70 kV (tolerance 8.06 %), angle θ = 30⁰ and d c = 0.5 µm, the destruction has occurred and there was a decrease in lipid bilayer strength, membrane dielectrict, achieving 10 folds of the normal value. Thus, protein molecule (polar) has been depolarized to result in pore hidrophilic (leakage) in lipid bilayer. However, there was no increase in medium temperature, water, it meant, it was just 32.31 µJ. If the result was compared to the result of existing research related to effect of electric field ob cell membrane, it was 20-80 kV/cm (Pizzichemi, 2007; 35-40 kV/cm (Somolinos et a., 2008; Zhao et al., 2008; Hanafi et al., 2008). Key words: sphere-gap, pulsed electric fields methode, inactivation, lipid bilayer, Pore hidrophilic, nematode, non-thermal.


KATA PENGANTAR

Pertama-tama penulis memanjatkan Puji dan syukur kepada Bapa di Sorga melalui Yesus Kristus, Yang Maha Pengasih dan Penyayang atas segala rahmat dan KaruniaNya sehingga disertasi ini dapat diselesaikan. Penulis mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada Pemerintah Republik Indonesia c.q. Menteri Pendidikan dan Kebudayaan melalui DIKTI yang telah memberikan kesempatan dan bantuan dana sehingga penulis dapat melaksanakan Program Sandwich di Universitas Auburn, USA. Dengan selesainya disertasi ini, perkenankanlah penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: Rektor Universitas Sumatera Utara, Prof. Chairuddin P.Lubis, DTM&H., Sp.A(K) atas kesempatan dan fasilitas serta bantuan dana yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan program Doktor. Direktris Program Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa, M.Sc atas kesempatan yang diberikan menjadi mahasiswa Program Doktor pada Program Pascasarjana Universitas Sumatera Utara. Terima kasih yang tak terhingga dan penghargaan yang setinggi-tingginya penulis ucapkan kepada Prof. Basuki Wirjosentono, MS., PhD, selaku pembimbing utama dan Ketua Program Studi Doktor Ilmu Kimia, yang penuh perhatian telah memeberikan dorongan, bimbingan dan saran yang sangat berharga selama menjalani pendidikan, penelitian dan penyelesaian disertasi ini. Terima kasih yang tak terhingga dan penghargaan yang setinggi-tingginya juga penulis ucapkan kepada, Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc., dan Prof. Dr. Herman Mawengkang sebagai anggota pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan hingga selesainya Disertasi ini. Selanjutnya, Perkenankan juga penulis menyampaikan rasa terimakasih yang setulus-tulusnya serta penghargaan yang tinggi kepada dewan penguji dan penilai Disertasi, Prof. Basuki Wirjosentono, MS, Ph.D., Prof. Dr. Timbangen


Sembiring, M.Sc., Prof. Dr. Herman Mawengkang, Prof. Dr. Harlem Marpaung, Prof. Dr. Ir. A.Rahim Matondang, MSIE dan Prof. Dr. Yunazar Manjang atas kesediaannya untuk menguji dan menilaipenulis. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada, Bapak Ir. Bonggas L. Tobing, yang telah memberikan fasilitas dan arahan dalam pemakaian peralatan di Laboratorium Tegangan Tinggi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara. Dan, Ibu Dr. Ir. T. Sabrina Djunita, MSc., yang telah memberikan fasilitas dan penyediaan Nematoda di Laboratorium Mikrobiologi, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara. Serta, Teman – teman serta kolega penulis angkatan tahun 2005, yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu mengingat keterbatasan ruang penyampaian terima kasih ini, yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam penyelesaian disertasi ini. Ucapan terimakasih juga penulis sampaikan kepada Orang tua saya “Ayahanda Nampe Tarigan (Alm) & Ibunda Naik Br Sitepu”, dan juga, kepada Bapak Ibu dan Mertua yang penulis kasihi yang telah mendukung dalam doa, kasih dan nasehat yang tak ternilai sehingga terselesaikan penelitian disertasi ini. Demikian juga penulis sampaikan secara khusus kepada Istri yang tercinta Juliana Br Barus, ST, dan anak pertamapenulis, Stefiana Karina Br Tarigan dan anak Kedua, David Inganta Tarigan”, yang telah mendukung secara penuh baik moril dan spiritual kepada penulis dalam menyelesaian penulisan disertasi ini. Dan, Tidak lupa juga penulis ucapkan terimakasih kepada semua keluarga yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persastu atas dorongan dan nasehatnya. Semoga seluruh daya upaya atas dukungan dan bantuan mereka yang tersebut diatas, mendapatkan berkat – berkat yang berlimpah dari Tuhanku Yesus Kristus, Amin. Medan, Mei 2009 Penulis

(Drs. Kerista Tarigan, M.Eng Sc.)


DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ABSTRACT KATA PENGANTAR DAFTAR ISI v DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR LAMBANG BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Permasalahan Masalah 1.3 Tujuan 1.4 Manfaat Penelitian 1.5 Model Rangkaian Penelitian 1.6 Kebaruan Penelitian

i ii iii vii viii x xi 1 1 3 4 4 4 5

BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Medan Elektrik dan Potensial 2.1.1 Intensitas Medan Elektrik 2.1.2 Potensial dan Medan Elektrik 2.1.3 Arus Konduksi 2.1.4 Potensial dan Momen Dipole 2.1.5 Dielektrik dan Polarisasi 2.2 Pembangkit Tegangan Tinggi 2.2.1 Sistem Pembangkit Tegangan Tinggi 2.2.2 Transformator Penaik Tegangan 2.2.3 Pembentuk Impulsa 2.2.4 Sphere Gap 2.2.5 Penyimpan Muatan 2.3 Potensial Nernst Pada Membran 2.3.1 Struktur Membran Sel dan Fungsi Sel 2.3.2 Tubuh Dan Membran Saraf Nematoda 2.3.3 Dielektrik Rupture 2.3.4 Elektro-Gravimetri dan Kapasitansi Membran Sel 2.3.5 Elektroporasi

6 6 7 7 7 8 10 12 12 13 15 17 18 21 22 25 26 28 29

BAB III BAHAN DAN METODE PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian 3.2 Komponen Dan Bahan 3.2.1 Komponen 3.2.2 Peralatan

30 30 30 30 31


3.2.3 Sampel 3.3 Modifikasi Pembangkit Medan Elektrik 3.4. Prosedur Penelitian 3.5. Metode Penelitian 3.5.1 Distribusi V dan E Dalam Ruang 3.5.2 Distribusi Potensial Dalam Ruang Sampel 3.5.3 Faktor Peningkatan Potensial Membran Sel 3.5.4 Variabel Pengamatan 3.5.4.1 Parameter θ 3.5.4.2 Parameter r

31 32 33 34 34 34 36 37 37 37

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengujian Sphere Gap 4.1.1 Analisa Tegangan Break down Sphere Gap 4.2 Data Pengujian Pembangkit Impulsa 4.2.1 Analisis Data Pengujian Pembangkit Impulsa 4.3 Penentuan Potensial, Sudut dan Impulsa 4.3.1 Penentuan Potensial Velek dan Vsel 4.3.2 Penentuan Vin Terhadap Velek 4.3.3 Penentuan Sudut θ Terhadap Vin, Velek Dan Es 4.3.4 Bentuk Impulsa Vi, Velek Terhadap Terhadap Waktu 4.3.5 Penentuan Kondisi Rupture 4.4 Data Hasil Penelitian Objek 4.4.1 Data Dampak Peningkatan Tegangan 4.4.2 Data Foto Dampak Peningkatan Tegangan 4.5. Analisis Data Penelitian Objek 4.5.1. Analisis Tegangan Pada Media Air 4.5.2. Analisa Intensitas E Pada Media Air 4.5.3. Analisis Rupture Pada Lipid Bilayer 4.6. Analisis Pengaruh Faktor Diameter 4.7. Analisis Kapasitansi Sel Saraf Terhadap waktu 4.8. Penentuan Daya Serap Energi Membran Sel 4.9. Penentuan Kapasitansi dan Energi Ruang Sampel 4.10 Simulasi Komputasi Tegangan Terhadap Media 4.10.1. Simulasi Tegangan Elektroda Media Tanah 4.10.2. Simulasi Tegangan Elektroda Media Udara 4.11. Simulasi Tegangan Elektroda Velek Media Terhadap Sudut

38 38 39 39 41 42 42 44 45 47 48 49 49 50 52 54 55 56 58 59 60 60 61 62 62 63

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 5.2 Saran

65 65 66

Daftar Pustaka

67

Daftar Riwaya Hidup

75


DAFTAR TABEL

Nomor

Judul

Halaman

2.1

Dielektrik Relatif Beberapa Material

24

4.1

Data Pengujian Tegangan Impulsa

58

4.2

Data Dampak Medan Elektrik berpulsa Pada Nematoda

68


DAFTAR GAMBAR Nomor

Judul

Halaman

1.1

Diagram Model Penelitian

5

2.1

Intensitas E Terhadap Muatan Titik

6

2.2

Kontour Garis Medan dan Momen Dipol

9

2.3

Polarisasi Pengaruh Medan Elektrik

10

2.4.

Polarisasi Pada Slab Kapasitor

11

2.5

Diagram Pembangkit Impulsa

12

2.6

Skematik Tranformator Penaik Tegangan Dua Tingkat

13

2.7

Rangkaian Pembangkit Tegangan Tinggi Searah

15

2.8

Rangkaian Pembentuk Impulsa Dengan Jaringan RC

16

2.9

Bentuk Gelombang Impulsa, U(t)

17

2.10

Gambar Sphere Gap

17

2.11

Skema Kapasitor Plat Sejajar

19

2.12

Gambar Arah Medan Elektrik pada Plat Kapasitor

20

2.13

Rangkaian Setara Transmisi Pada Saraf.

21

2.14

Membran Plasma Model Mosaic Cair

23

2.15

Sistem Sara Nematoda

24

2.16

Bagian Tubuh Nematoda

25

2.17

Irisan Tubuh Saraf Nematoda

26

2.18

Rangkaian Setara Membran

28

3.1

Model Rangkaian Lengkap Penelitian

32

3.2

Distribusi Garis Equipotensial V dan E Dalam Ruang Sampel

34


3.3

Model Ruang Sampel

35

3.4

Arah Medan Elektrik E Tarhadap θ

37

4.1

Peralatan Pembangkit Tegangan Impulsa RC

40

4.2

Hubungan Tegangan Input vs Output Impulsa

41

4.3

Bentuk Tegangan Impulsa U(t) Terhadap Waktu

41

4.4

Bentuk Gelombang Impulsa dari Osiloskop

42

4.5

Grafik Hubungan E Velek-vs-Δv dan Sudut θ

44

4.6

Grafik Hubungan Vin-vs-Velek

45

4.8

Grafik Hubungan Pengaruh Sudut Vin, Velek, Es.

47

4.9

Bentuk Tegangan Impulsa

47

4.10

Foto Mikroskop Dampak Pertubasi Medan

51

4.11

Reorient ion-ion

54

4.12

Grafik Tegangan Elektroda Wadah Air terhadap Sudut

56

4.13

Grafik Peningkatan Intensitas E Dielektrik

58

4.14

Grafik Tegangan Vsel Membran terhadap Impulsa t

59

4.15

Grafik Tegangan Wadah Tanah Terhadap Sudut dan

62

4.16

Tegangan Elektroda Wadah Udara Terhadap Sudut dan

63

4.17

Simulasi Tegangan Elek. Wadah Air, Tanah dan Udara

64


DAFTAR LAMPIRAN Nomor

Judul

Halaman

1

Tabel Sela Elektroda Bola

71

2

Diagram Alir Proses Peningkatan Tegangan Elektroda

72

3

Struktur lipid bilayer dalam keadaan normal dan rusak

73

4

Phospholipid dalam membran

74


DAFTAR LAMBANG

LAMBANG Cm

Kapasitansi Membran Sel

D

Densitas Fluksi, C/m^2

dc

Arus Rata, direct current

Dn

Densitas Fluksi Dalam Keadaan Normal

Dr

Densitas Fluksi Dalam KeadaanRupture, Pecah

dc

Diameter sel

E

Intensitas Medan Elektrik

Er

Medan Elektrik Dalam Keadaa Rupture

En

Medan Elektrik Dalam Keadaan Normal

Es

Medan Elektrik Membran Sel

Ei

Medan Elektrik Pada Isolator

ε r ,air

Konstanta Dielektrik Relatif Air

εr

Konstanta Dielektrik Relatif

ε ri

Dielektrik Membran Relatif Isolator

ε rk

Konstanta Dielektrik Relatif Kutikula

ε rs

Dielektrik Membran Relatif Sel

ε rt

Konstanta Dielektrik Relatif Tanah

ε rr

Konstanta Dielektrik Membran Dalam Keadaan Rupture

εo

Konstanta Dielektrik Udara


ε ro

Dielektrik Membran Relatif Otot

F

Pemicu, firing

J

Rapat Arus Konduksi

J

Satuan Energi dalam Joule

kV

Satuan Tegangan Dalam kilo Volt

k

Kutikula

L

Jarak Media Tanpa Sel

η

Efisiensi

P

Polarisasi

p

Daya Dissipasi Dalam Satuan Watt

RC

Jaringan Resistror-Capasitor

r

Radius Sel

σ

Konduktivitas, ukuran ketersediaan dan mobilitas elektron konduksi bahan

s

Sel

T

Konstanta Waktu

t

Waktu Dalam

ρ

DEnsitas Muatan

τ

Konstanta Waktu sel

o

Otot

U(t)

Tegangan Output Rangkaian Pembentuk Pulsa Pada Jaringan RC

V

Potensial Elektroda

Vi

Tegangan Input Sumber, Generator

Vin

Tegangan Input Sumber, Generator

Velek Tegangan Elektroda


W

Energi Yang Tersimpan Dlam Kapasitor, Joule

ΔVs

Potensial Membran Sel

θ

Sudut Antara Arah Medan Elektrik E Terhadap Membran Sel.


BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar belakang Banyak metode yang telah diterapkan untuk mempelajari dan menyelidiki sistem membran sel, lipid bilayer, dari suatu mikroorganisme dengan memanfaatkan perturbasi. Metode perturbasi tersebut terbagi dalam

metode

konvensianal dan modern. Metode konvensional adalah terdiri dari beberapa metode, antara lain yaitu: 1. Metode fisika: yang bersumber dari radiasi elektromagnetik seperti, sinar ultraviolet (UV), sinar laser nitrogen (N2) (Tarigan, 1989), pemanasan dengan uap panas dan uap kering serta pendinginan dan sebagainya (Halmann, et al., 1997). 2. Metode Kimia: misalnya dengan ozonisasi, fumigasi dan sebagainya. 3. Metode Biologi: misalnya dengan memberikan mikroorganisme penekan seperti nemathofagus dan sebagainya (Mustika, dkk., 2005 ; Westphal, 2005). Namun, ketiga metode tersebut belum memberikan hasil yang optimal terutama terjadinya peningkatan panas pada prosesnya, bersifat racun, tidak terkendali dan sebagainya. Akan tetapi, perturbasi dengan metode tersebut masih sering digunakan karena peralatan yang lebih baik belum tersedia. Sedangkan metode secara modern, yang mulai berkembang ahkir-akhir ini adalah dengan memanfaatkan gelombang elektromagnetik khususnya dari komponen medan elektrik yang dapat dikontrol sehingga memberikan hasil yang lebih efektif, efisien dan non-thermal bila dibandingkan dengan metoda konvensional. Telah diketahui bahwa, pengaruh medan elektrik pada suatu membran sel, lipid bilayer, dapat meningkatan gradient potensial bahkan dapat merusak molekul lipoprotein dan enzyme serta dapat mematikan mikroorganisme (Zhao, et al., 2008). Hal ini diperkuat dengan hasil penelitian seperti pada


elektroporasi, (Hamilton et al., 1967; Sale, et al., 1968; Fox, 2006), transmembran (Ho, et al., 1996) atau coulombic forces (MacInes, 2002 ; Fox, 2006). Umumnya, intensitas medan elektrik yang digunakan untuk sterilisasi misalnya, adalah berada pada kisaran 20 – 80 kV/cm ( Pizzichemi, 2007). Namun, penelitian yang telah dilakukan tersebut umumnya menggunakan peralatan yang sangat mahal dan masih menghasilkan pulsa tegangan tinggi yang bolak-balik. Umumnya penggunaan arus bolak-balik dapat menimbulkan efek panas pada media, hal ini dikenal sebagai efek Joule. Efek panas ini umumnya tidak di inginkan pada penelitian-penelitian sterilisasi seperti pada food product, biomedicical ( Fang, 2006; Zhao, et al., 2008; Somolinos, et al., 2008). Selanjutnya, mengingat perkembangan kualitas hasil dunia industri yang semakin inovatif pada ahir-ahir ini terutama pada bidang peralatan dan produk hasil proses suatu olahan adalah steril, bebas pencemaran dan tanpa zat kimia. Dari sisi peralatan, salah satu komponen yang sangat vital dalam penyaluran muatan elektrik pada tegangan tinggi dan dengan proses waktu yang cepat adalah menggunakan komponen transistor sebagai switching. Perkembangan transistor tegangan tinggi akhir-akhir ini telah menunjukkan suatu hasil yang memuaskan yaitu seperti thyristor type HTS 160-500SCR buatan Behlke (Somolinos,et al., 2007) dan TO 247 IGBT ( Gaudreau, et al.2006). Namun, komponen switching tersebut harganya sangat mahal, berkisar Rp. 200 juta, sebagai perbandingan, untuk satu set peralatan pembangkit Medan Elektrik Tegangan Tinggi Berpulsa (MEBTT) dapat mencapai $ 250,000., (Gaudreau, et al., 2006)

atau setara dengan Rp. 2,7 milliar dan tidak ada di Indonesia.

Kemudian, kegunaan peralatan pembangkit MEBTT sebagai penghasil muatan elektrik (Kermanshahi, et al., 2005), sangat dibutuhkan pada penelitian-penelitian di tingkat molekuler karena dapat mempengaruhi pada proses kimia-fisika terutama pada peningkatan konsentrasi re-orient ion-ion dan

porosity

pada

membran sel, lipid bilayer. Dari uraian singkat di atas, maka penggunaan medan elektrik sangat diperlukan dan

mengingat sistem peralatan tersebut belum kita miliki, maka

penulis telah melakukan suatu modifikasi dari peralatan tegangan tinggi yang


tersedia di Fak. Teknik USU dengan menggunakan Sphere gap sebagai pengganti komponen switching yang sederhana dan murah bila dibandingkan dengan menggunakan switching transistor tegangan tinggi dari bahan semikonduktor yang sangat mahal. Kemudian, sebagai objek pengujian performansi pembangkit medan elektrik berpulsa dengan Sphere gap pada penelitian ini adalah membran sel saraf nematoda. Pemilihan sampel ini dilakukan karena nematoda adalah salah satu mikroorganisma yang mempunyai membran sel saraf yang dapat dianggap sebagai lipid bilayer, yang sangat pathogen, penyebab penyakit, penyebar virus dan bakteri pada tanaman (Mustika dkk., 2005) dengan gejala umum pada tanaman seperti bertubuh kerdil, tangkai daun kurus dan kurang berbulu (Supriatin, 2005; Muliani, 2005). Dengan demikian nematoda yang pathogen adalah salah satu musuh alami tanaman yang sangat merugikan petani dan dapat berakibat fatal bila hasil tanaman tersebut dikonsumsi oleh manusia. Kerugian yang telah di laporkan akibat ganguan nematoda pada tanaman di seluruh dunia telah mencapai US$ 80 miliar/tahun (Price, 2000). Sedangkan tanaman yang umumnya terserang di Indonesia yang berdampak pada penurunan produksi panen (Setyo dkk., 2006) adalah sayuran tomat, sebesar 27 %, kentang 15 %, buncis 20 %, jahe 65 % ( Mustika, 2004; Puskara, 2000).

1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut diatas maka penulis merumuskan masalah sebagai berikut. 1. Bagaimana cara untuk memodifikasi peralatan tegangan tinggi yang tersedia dapat menghasilkan medan elektrik berpulsa dengan memanfaatkan komponen sphere gap untuk menggantikan switching transistor yang mahal dan bagaimana membuat rangkaian pembentuk pulsa yang singkat, mikro detik. 2. Bagaimana hubungan tegangan elektroda terhadap intensitas medan elektrik yang ditimbulkan pada suatu media dan hubungan intensitas


medan elektrik terhadap membran sel saraf nematode, lipid bilayer, yang terdiri dari molekul lipoprotein. 3. Bagaimana dampak perturbasi Medan Elektrik Berpulsa Tegangan Tinggi dengan variasi potensial elektroda terhadap membran sel saraf nematoda tersebut hingga mencapai tegangan kritisnya.

1.3.Tujuan Sebagai tujuan pada penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Untuk mempelajari penggunaan sphere gap sebagai penganti switching transistor yang mahal, penyalur muatan elektrik dalam bentuk impulsa. 2. Untuk membuat suatu sistem pembangkit medan elektrik tegangan tinggi berpulsa (MEBTT) sebagai sumber pembangkit medan elektrik yang kuat. 3. Untuk menggunakan MEBTT sebagai pemicu, stimulans pada peningkatan konsentrasi ion-ion, potensial pada membran sel saraf nematoda. 4. Untuk menyelidiki dampak peningkatan perubahan konsentrasi ionion, reorient, penyebab pore hydrophilic pada membran sel saraf nematode pada kondisi kritis.

1.4. Manfaat Manfaat dari penelitian ini adalah dapat dipergunakan sebagai informasi baru tentang performansi pembangkit medan elektrik berpulsa menggunakan sphere gap yang dapat menghasilkan intensitas medan elektrik yang kuat dan dengan proses yang efektif, non-thermal, singkat dan bebas zat kimia. Manfaat lain adalah, dapat diterapkan sebagai sumber energi pemicu, stimulans yang handal pada peningkatan perubahan potensial kimia pada membran sel dan pada proses sterilisasi mikroorganisma di berbagai bidang, misalnya pada proses akhir Food product ( Tarigan, 2008), peralatan kedokteran,


ekstraksi zat, rekayasa genetika, sistem pembangkit sinar laser, pelontar rudal dan sebagainya.

1.5. Model Rangkaian Penelitian Model rancangan pengendalian pembangkit medan elektrik berpulsa pada penelitian ini adalah seperti set-up diagram blok pada gambar 1 berikut ini.

PLN

Generator DC Tegangan Tinggi.

Penyimpan Muatan

Pemicu Pelepasan muatan , F

Pembentuk Pulsa, RC

Ruang Sampel

F Pengukuran

Kendali

Gambar 1.1. Model Rangkaian Penelitian

1.6. Kebaruan Penelitian Penelitian tentang dampak medan elektrik berpulsa dengan komponen peralatan Sphere gap, penyalur muatan elektrik terhadap membran sel saraf nematoda yang

terdiri dari lipid, protein, karbohidrat dan ion-ion, hingga

mematikannya (inactivation) belum pernah dilakukan.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Medan Elektrik dan Potensial

2.1.1. Intensitas Medan Elektrik r Intensitas medan elektrik E yang disebabkan oleh suatu muatan sumber Q1 seperti pada Gambar 2.1, didefenisikan sebagai gaya, F1 per satuan muatan uji Q2, yaitu:

E = F/Q1 â

Q1 + Q2

Gambar 2.1. Intensitas medan elektrik, E terhadap muatan titik. r F E= 1 Q1

2-1

Jika muatan elektrik, Q terdistribusi secara kontinu di sepanjang volum, permukaan, atau garis maka masing-masing elemen muatan berkontribusi terhadap E pada sebuah titik eksternal. Untuk sebuah permukaan, kerapatan muatan adalah ρ s (C / m 2 ) , sehingga

muatan elemental adalah dQ = ρ s d s dan diferensial E pada suatu titik p adalah, dE p =

ρsds aˆ r 4πε o r 2


2-2

Medan elektrik total pada titik pengamatan p, dapat diperoleh dengan mengintegrasikan sepanjang permukaan s, yaitu: E=∫ v

ρ s aˆ r ds 4πε o r 2

2-3

2.1.2. Potensial dan Medan Elektrik

Sebuah muatan Q akan mengalami gaya F pada medan elektrik E adalah F=QE. Sedangkan, kerja didefenisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu jarak tertentu, yaitu dW=F.dl=QE.dl Joule. Dimana untuk bidang Cartesian, berlaku: dl=dx+dy+dz. Hubungan medan elektrik dan potensial dapat diperoleh dari persamaan A

usaha dalam bentuk integral yaitu, V AB

W = = − ∫ Edl J/C atau Volt, atau secara Q B

umum, dapat ditulis: b

b

a

a

V = − ∫ E.dl = − ∫ E cos θ .dl

2-4

Tanda minus menyatakan bahwa gerakan muatan adalah melawan medan E yang menghasilkan kerja yang positif. Medan elektrik, E dapat juga diperoleh dari hubungan diferensial potensial yang diketahui (Krauss, 1999), yaitu dengan persamaan: E=-grad V. Sedangkan besaran E untuk bidang x,y adalah, ⎛∂ ∂ ⎞ E = −⎜⎜ + ⎟⎟V V/m. ⎝ ∂x dy ⎠

Atau, untuk bidang Cartesian berlaku: grad V=

2-5 dV dV dV az ay + ax + dz dy dx

2.1.3. Arus Konduksi


Kerapatan arus konduksi, J konduktor adalah material yang memiliki elektron-elektron yang dapat bergerak bebas dalam jumlah yang besar. Arus konduksi terjadi ketika suatu medan elektrik, E memberikan gaya pada elektronelektron yang dapat bergerak bebas sehingga mengakibatkan terjadinya aliran muatan yang teratur di sepanjang material konduktor. Sedangkan, konduktivitas, σ suatu material merupakan ukuran dari ketersediaan dan mobilitas elektron konduksi dari dalam material. Berdasarkan hubungan antara medan elektrik, E dan arus konduksi, σ diberikan melalui persamaan berikut ini. J=σE A/m²

2-6

Jika sebuah konduktor dengan luas area penampang melintang A dan panjang l dan memiliki beda potensial diantara kedua ujungnya adalah V maka persamaan (2-6) dapat dibuat menjadi persamaan berikut. J=σV/l

2-7

Dengan mengasumsikan bahwa, arus terdistribusi secara merata pada luasan A, maka arus total adalah: I=JA=σAV/l

2-8

Dengan demikian, sesuai dengan hukum Ohm maka resistansi suatu kawat dengan luas penampang A didefenisikan sebagai, R=l/σA

2-9

2.1.4. Potensial dan Momen Dipole

Bila kombinasi dua buah muatan Q yang berlainan tanda dipisahkan dengan suatu jarak L adalah merupkan suatu dipole elektrik, dan hasil kali antara muatan Q dan jarak L adalah merupakan suatu momen dipole elektrik, maka kontour

garis-garis medan yang ekuipotensial diperlihatkan pada Gambar 2.2 di halaman berikut ini.


(a)

(b)

Gambar 2.2. Gambar kontour garis medan elektrik (a), dan (b) Momen dipole. Potensial total akibat dari ke dua muatan pada suatu titik p adalah: V = V1 + V2 =

Q ⎛1 1 ⎜ − 4πεo ⎜⎝ r1 r2

⎞ ⎟⎟ ⎠

dimana, L cos θ , dan 2 L r2 = r + cos θ 2

r1 = r −

Sehingga, potensial p pada jarak r dari dipole elektrik adalah, V =

QLCosθ 4πεo.r 2

2-10

Dengan asumsi, r >>L maka L2 dapat diabaikan dibandingkan r 2 . Persamaan (2-10), bila difaktorisasi maka terdapat empat faktor dasar, yaitu medan dipole, sudut, jarak dan suatu konstanta, yaitu:

V = QL.Cosθ .

1 1 . Volt 2 r 4πεo

2-11


2.1.5. Dielektrik dan Polarisasi

Telah diketahui bahwa, bila suatu bahan dielektrik dikenai suatu medan elektrik E, maka elektron-elektron akan mengalami gaya yang arahnya berlawanan dengan arah medan E. Medan elektrik adalah merupakan suatu beban yang dapat menekan bahan dielektrik sehingga dapat merubah sifat dielektrik menjadi sifat konduktor. Hal ini dapat terjadi apabila medan elektrik E, melampaui batas kritis ketahanan suatu bahan dielektrik yang mengakibatkan muatan-muatan didalam bahan dielektrik terjadi proses ionisasi berantai yang akhirnya dapat mengakibatkan tembus listrik, breakdown. Meskipun tidak ada migrasi muatan ketika suatu bahan dielektrik (isolator) ditempatkan didalam medan elektrik, E namun umumnya terjadi sedikit pergeseran muatan positif dan muatan, awan, elektron (negatif) atau re-orient atau terpolarisasi

pada atom atau molekul. Akan tetapi, umumnya dengan

menghilangkan pengaruh medan elektrik maka atom atau molekul akan kembali ke keadaan normalnya, reversible. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 2.3 berikut.


Gambar 2.3. Polarisasi pengaruh medan elektrik, E. Sedangkan, pengaruh medan elektrik pada suatu bahan dielektrik seperti pada slab kapasitor diperlihatkan seperti pada gambar 2.4 berikut.

Gambar 2.4. Polarisasi pada slab kapasitor Bila bahan dielektrik di dalam suatu volum seperti pada slab kapasitor seperti pada gambar 2.4, dengan n adalah jumlah dipole dan Q = nq adalah muatan semua dipole, serta QL’ adalah net momen dipole dalam volum maka polarisasi, P atau momen dipole per unit volum adalah: P=

n QL' qL'= v v

2-12

Sedangkan, volum segi empat dengan volum permukaan adalah A dan tebal adalah L’ , sedangkan v =AL’, maka persamaan (2-12) menjadi: P=

QL' = Q / A = ρs AL'

Cm −2


2-13

Sehingga dimensi muatan persatuan luas adalah sama dengan densitas fluk elektrik D. Dengan demikian fluks elektrik, D pada bahagian

slab atas pada suatu

kapasitor seperti gambar 2.4, adalah: D0 = ε 0 E

2-14

Dimana : Do Ε E V

ρs

= = = = =

densitas fluk elektrik dalam ruang vakum (udara), Cm −2 permittivitas dalam ruang vakum = 8.85 pF/m. V/d = intensitas medan elektrik, V/m. tegangan elektroda = Velek adalah densitas muatan permukaan dari muatan polarisasi yang muncul pada permukaan slab.

Persamaan (2-14), berlaku untuk bahan dielektrik linier, isotropic. Sedangkan, D pada bahagian bawah slab dengan bahan dielektrik, terjadi polarisasi di dalam medan elektrik yang menyebabkan densitas muatan permukaan

ρ s muncul pada kedua permukaan pada slab dielektrik. Jadi densitas fluk elektrik pada bahan elektrik menjadi: D0 = ε 0 E + ρ s

2-15

Sedangkan dari persamaan (2-13), ρ s = P , maka persamaan (2-15) berlaku untuk non isotropic (non homogen), dengan P adalah polarisasi (bahan dielektrik). Atau secara umum dapat ditulis: D = Dd = εE = ε o E + P

2-16

2.2. Pembangkit Tegangan Tinggi

2.2.1. Sistem Pembangkit Pulsa Tegangan Tinggi

Umumnya, sistem catu daya difungsikan sebagai sumber energi listrik pada setiap sistem peralatan elektronik dalam bentuk tegangan dan arus rata. Sedangkan sumber catu daya itu sendiri adalah bersumber dari jaringan listrik PLN.


Pembangkit tegangan impulsa pada dasarnya dapat dibuat dengan gabungan beberapa komponen yang terdiri dari suatu trafo penaik tegangan, dioda penyearah, kapasitor dan suatu jaringan pembentuk pulsa impulsa. Untuk simplifikasi pembangkit tegangan tinggi berpulsa ditunjukkan seperti Gambar 2.5 berikut ini.

PLN

Trafo Tegangan Tinggi.

Dioda Penyearah

Pembentuk Impuls

Gambar 2.5. Diagram Pembangkit Pulsa. 2.2.2. Transformator Penaik Teganagn

Transformator atau trafo, adalah suatu komponen elektronik passif yang pada dasarnya terdiri dari rangkaian empat ujung yaitu sepasang ujung disebut primer dan ujung yang lain disebut sekunder. Berdasarkan bahan pengisi teras inti, trafo dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu, inti udara, besi dan ferrit. Akan tetapi, untuk trafo daya digunakan teras dari bahan inti besi lunak yang berfungsi sebagai pengkonsentrasi fluk magnetik dari arus kumparan primer ke kumparan sekunder. Fungsi utama transformator adalah untuk mengubah tegangan bolak-balik pada primer menjadi tegangan bolak balik pada sekunder dengan konsep imbas fluks magnetik yang tegangannya dapat dinaikkan atau diturunkan. Berdasarkan hukum induksi Faraday, nilai fluksi magnetik yang berubah dengan waktu t maka akan timbul tegangan gerak listrik sebesar: V= N

∂φ ∂t

2-17

Skema umum suatu trafo penaik tegangan dua tingkat dengan teras besi adalah seperti pada Gambar 2.6 berikut ini.


Jala PLN

5 1 6 4 8

Ototrafo

Test Trafo

Gabar 2.6. Skematik transformator penaik tegangan dua tingkat. Berdasarkan persamaan (2-17), maka tegangan pada kumparan primer dengan jumlah lilitan N 1 adalah : V1 = N 1 adalah: V2 = N 2

∂φ dan untuk kumparan sekunder ∂t

∂φ . Dengan demikian, hubungan tegangan dan jumlah lilitan ∂t

dapat dinyatakan sebagai berikut. ∂φ V1 N 1 = = ∂ι V2 N 2

2-18

Untuk transformator penaik tegangan maka syarat yang harus dipenuhi adalah jumlah lilitan N2>N1. Dan jika didefenisikan, n =N1/N2, maka tegangan sekunder adalah: V1=nV2

2-19

Jika rugi-rugi daya transformator akibat daya joule yang lesap pada konduktor oleh arus primer dan sekunder ataupun arus pusar pada teras diabaikan, umumnya terdiri dari lempeng-lempeng besi yang diisolasi satu dengan yang lainnya, maka daya pada kumparan primer adalah P1=V1I1 yang sama besar dengan pada sekunder adalah: P2=V2I2

2-20

Sehingga, dari persamaan (2-19) dan (2-20) diperoleh besar arus pada I 2 adalah sebesar: I2 =

V1 I 1 = nI 1 V2


2-21

Namun, untuk tegangan tinggi searah, biasanya trafo uji disulang dari ototrafo dengan sumber tegangan bolak-balik 220V/50Hz seperti pada gambar (2.5) diatas. Dengan demikian, trafo uji tersebut dapat membangkitkan tegangan tinggi hingga mencapai ratusan kilovolt, namun tergantung kepada besar tegangan output dari ototrafonya (Arismunandar, et al., 1994; Kind, 1978). Bila tegangan output trafo uji adalah V2 dengan jumlah belitan N2 dan tegangan ototrafo atau pada sekunder trafo uji adalah V1 dengan jumlah belitan N1 maka besar tegangan V2 (Kind, 1978), adalah: V2 =

V1 n 1− k

2-22

dimana, k adalah konstanta kapasitansi belitan trafo uji. Akan tetapi, tegangan sekunder tersebut masih dalam bentuk gelombang sinusoidal sehingga harus dilewatkan melalui suatu dioda agar menjadi gelombang berpulsa. Dioda yang digunakan untuk tegangan tinggi umumnya adalah jenis penyearah Villard, Greinacher atau Cockroft-walton, Zimmermann-Wittka (Gallager,1983, Bonggas, 2003). Penyearah-penyearah tersebut merupakan pelipat tegangan, namun yang lebih searah tegangan outputnya dari ke-empat jenis tersebut adalah penyearah Greienacher. Disamping itu dioda tersebut diatas, dapat juga digunakan dioda semikonduktor seperti dari bahan selenium yang digunakan seperti pada tabung vakum tinggi. Bahan selenium digunakan karena sangat sesuai dengan

keberadaan

kapasitansi

lapisan

deplesi

yang

tinggi

sehingga

memungkinkan penyususnan dioda dengan banyak elemen untuk menahan tegangan balik puncak, peak inverse voltage, hingga 600kV (Kind, 1978). Namun tegangan output dari semua jenis dioda masih dalam keadaan setengah gelombang, sehingga dapat diratakan dengan suatu kapasitor yang juga bertegangan tinggi yang sekaligus berfungsi sebagai penyimpan energi elektrik. Hal ini dapat digambarkan seperti Gambar 2.7 berikut (Tarigan, 2007).


D

5

Rp

6

Cs

4

Uo (t=0)

1

8

Ototrafo

Test Trafo

Gambar 2.7. Rangkaian Pembangkit tegangan tinggi searah.

2.2.3. Pembentuk Impulsa

Jaringan pembentuk pulsa impuls umumnya dapat dibangun dengan berbagai jaringan, diantaranya adalah jaringan RC, RLC, LC dan sebagainya, yang berfungsi sebagai filter lolos rendah, low pass filter. Dalam penelitian ini, rangkaian pembentuk tegangan pulsa dibuat dengan menggunakan jaringan RC. Hal ini dipilih karena yang diinginkan hanya tegangan yang besar, arus yang kecil dan waktu pengisian dan pengosongan yang sangat singkat. Salah satu model jaringan RC pembangkit tegangan berpulsa adalah seperti Gambar 2.8, berikut ini.

Cs

Uo (t=0)

F

Rd

id ie

Re

Cb

U(t )

Gambar 2.8. Rangkaian pembentuk Pulsa dengan jaringan RC Dengan andaian bahwa, bila dalam keadaan awal u(t=o)=0, dan ketika F dipicu, maka tegangan pulsa U(t) akan muncul pada kapasitor beban Cb. Sehingga menurut hukum tegangan Kirchoff yang sesuai dengan rangkaian gambar 2.8, maka akan memenuhi persamaan berikut : Uo −

1 Cs

∫ (i

e

+ i d ) dt = i e R e = i d R d + U (t )


2-23

dimana, id = C b

du (t ) dt

Bila persamaan (2-23) diselesaikan dengan menerapkan transformasi Laplace dan dengan beberapa pendekatan maka U(t) diperoleh (Tarigan, 2007) sebesar:

U (t ) =

Uo T 1T 2 ( e − t / T1 − e − t / T 2 ) R d C b T1 − T 2

2-24

dimana, T1 = R e ( C s + C b ) T2 = R d

C sC b Cs + Cb

2-25

T1 dan T2 adalah konstanta waktu pengisian dan pengosongan, U o adalah

tegangan sumber. Bentuk gelombang impulsa dari rangkaian Gambar 2.8 ditunjukkan seperti pada Gambar 2.9, berikut ini. Sedangkan efisiensi medan generator dapat dihitung dengan pendekatan (Kind, 1978), adalah sebesar:

η≈

Cs C s + Cb

2-26

Gambar 2.9. Bentuk gelombang impulsa U(t).

2.2.4. Sphere Gap


Komponen yang sangat vital dalam pembangkit tegangan tinggi berpulsa yang sesuai dengan rangkaian pembentuk pulsa seperti pada Gambar 2.8 sebagai pelepas muatan elektrik adalah shere gap yang mempunyai sela picu, triggering device.

Alat ini terdiri atas dua elektroda, yaitu elektroda tegangan tinggi

berbentuk bola dan elektroda berbentuk setengah bola seperti ditinjukkan pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Gambar Shere gap dengan sela picu Elektroda setengah bola mempunyai lubang silinder yang didalamnya dimasukkan satu tabung gelas yang diselubungi logam. Di dalam tabung gelas terdapat satu jarum logam yang dihubungkan dengan alat picu. Jarum logam dengan elektroda tanah mempunyai sela anular yang jaraknya sekitar 1mm. Proses atau mekanisme operasi sela picu tersebut adalah sebagai berikut. Mula-mula kedua elektroda diberi tegangan V, akibatnya timbul medan elektrik E diantara kedua elektroda. Jarak antara kedua elektroda diatur sedemikian rupa sehingga kuat medan E mendekati kekuatan dielektrik udara, 3 MV/m (Krauss, 1999). Apabila alat picu dioperasikan, maka ia akan menghasilkan suatu tegangan pulsa 5-10 kV( Kind, 1978; Bonggas, 2003), yang diteruskan ke jarum logam. Akibatnya terjadi percikan di sela anular yang yang mengakibatkan jarak konduktif sela utama berkurang. Pengurangan jarak konduktif sela utama membuat kuat medan elektrik E bertambah melebihi kekuatan dielektrik udara, sehingga sela utama tembus elektrik, electric breakdown. Dalam tembus elektrik, kedua elektroda terhubung singkat seperti

suatu saklar yang menutup dengan kecepatan tinggi, µs.


Untuk menentukan besar tegangan pada sela picu, shere gap pada kedua elektroda dengan diameter dan jarak tertentu seperti pada Gambar 2.10 maka dapat dilakukan dengan berbagai cara, diantaranya adalah dengan cara melihat Tabel dan dengan cara praktek. Secara praktek, maka hubungan antara tegangan elektroda bola, U dan tegangan pemicu, Us adalah sebagai berikut, ( Kind, 1978; Tobing, 2003): U = 0.386

dimana,

p Us 273 + T

2-27

p adalah tekanan udara dalam mmHg dan T adalah temperatur udara dalam °C.

Diameter elektroda bola terdiri atas beberapa ukuran standar, dalam ukuran cm. Sedangkan dengan melihat table, maka dalamkondisi udara standar, yaitu temperature udara 20 °C, tekanan udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11 gr/m3, maka tegangan tembus sela bola standar untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap. Hal ini diberikan pada Tabel seperti pada Lampiran 1.

2.2.5. Penyimpan Muatan

Umumnya penyimpan muatan elektrik dapat dilakukan pada berbagai komponen, diantaranya adalah akkumulator, induktor dan kapasitor. Salah satu komponen penyimpan energi yang handal yang sekaligus mudah untuk melepaskan energinya adalah kapasitor. Kapasitor pada dasarnya terdiri dari dua buah plat konduktor sejajar, slab yang masing-masing bermuatan +Q dan -Q seperti pada Gambar 2.11 berikut ini.


Gambar 2.11. Skema kapasitor plat sejajar Kemampuan suatu bahan material untuk menyimpan sejumlah muatan elektrik dikenal sebagai kapasitansi. Untuk meningkatkan kapasitansi dari suatu kapasitor dapat dilakukan dengan beberapa metoda, salah satunya adalah dengan metoda penambahan material dielektrik diantara kedua plat kapasitor. Beberapa material dielektrik untuk peningkatan kapasitansi kapasitor adalah seperti pada Table 2.1 berikut ini. Tabel 2.1. Dielektrik dari beberapa jenis material No 1 2 3 4 5 6 7

Material Udara Membran Sel Tanah Tanah Liat (kering) Otot (hewan) Gelas Air

Dielektrik, εr 1,0 2.0 (Singh,2001) 2,8 3,4 10 (Kraus,1999) 7.5 80

Material dielektrik akan terpolarisasi bila berada pada suatu medan elektrik, E, dan akan menghasilkan kerapatan fluksi magnetik D yang lebih besar bila

dibandingkan dengan kondisi dalam ruang hampa. Efek polarisasi akan terjadi akibat pengaturan ikatan pasangan muatan positif dan negatif didalam bahan dielektrik adalah dikenal sebagai momen dipole. Meningkatnya kerapatan fluksi yang diakibatkan oleh polarisasi material isotropik, linier, muncul sebagai permittivitas bahan yang merelasikan: D=εE

2-28

dimana ε =εo εr. εr adalah dielektrik relatif dan εo permitivitas atau dielektrik dalam ruang hampa yang besarnya adalah 8,854. 10 −12 F/m. Dengan pemberian beda tegangan V diantara kedua bahan konduktif maka akan berakibat munculnya muatan +Q pada salah satu konduktor dan muatan –Q pada konduktor yang lain dengan besar kapasitansinya adalah: C=

Q DA εEA εA = = = F V Ed Ed d

Dimana,


2-29

Q = ρ s A = DA = εEA C

2-30

Dengan: A adalah luas plat, m²; ρs adalah densitas muatan permukaan, Cm −2 ; D adalah densitas flux elektrik, Cm −2 ; E, medan elektrik, V/m ; ε, permittivitas atau dielektrik medium, F/m. Hal ini dapat digambarkan seperti Gambar 2.12 berikut ini. D

Gambar 2.12. Gambar arah medan elektrik pada plat kapasitor. Pertambahan energy, W yang tersimpan didalam kapasitor akibat peningkatan potensial adalah perkalian antara besar potensial yang diberikan dan pertambahan muatan, sehingga : dW = Vdq =

1 qdq J C

2-31

atau total energi adalah : Q

W=

1 1 Q2 1 1 1 1 = ∫ qdq = = CV 2 = QV = εEAEh = εE 2 Ah Joule 2-32 C 0 2 C 2 2 2 2

Sedangkan energi densitasnya, w, adalah: W=½εE²

J/m³

2-33

2.3. Potensial Nernst Pada Membran sel

Zat kimia pada membran sel (selaput sel) atau disebut juga membran plasma, pada mahluk hidup seperti pada mikroorganisma umumnya, adalah terdiri dari


Lipoprotein ( Lipid/ lemak dan protein) dan karbohidrat yang bersifat semipermeabel sehingga memungkinkan ion-ion atau molekul dapat masuk atau

keluar dari membran tersebut. Adanya ion-ion positif di luar sel dan ion-ion negative didalam sel, yaitu Na + , K + , Ca + + , Cl¯, A¯ dan sebagainya (Gabi, et al.,2007) maka akan

menimbulkan suatu beda potensial. Beda potensial kimia akibat perbedaan konsentrasi ion-ion telah dirumuskan oleh Nernst yaitu : Gradien Potensial (mV ) = 61,1 log

( Konsentrasi ion di sisi dalam membrane ) mV ( Konsentrasi ion di sisi luar membrane )

Sedangkan, secara quantitatif persamaan potensial dalam keadaan normal, resting dalam sel menurut Goldman-Hodgkin-Katz adalah sesuai dengan potensial Nernst termasuk konsentrasi anion-anionnya (Gab,i et al.,2007). Kemudian, proses terjadinya reaksi kimia pada suatu membran saraf akan mengakibatkan timbulnya perbedaan potensial diantara lapisan membran digambarkan seperti Gambar 2.13 ( Kraus, 1999) di halaman berikut ini.

Gambar 2.13. Rangkaian setara Transmisi Pada Saraf. Dalam keadaan normal, istirahat, terjadi polarisasi muatan dengan suatu beda potensial tertentu. Beda potensial membran luar dan dalam pada keadaan istirahat, disebut dengan potensial istirahat atau resting, normal potential. Besar potensial istirahat berbagai sel berbeda-beda, misalnya untuk sel saraf adalah


sebesar -90 mV dan untuk sel cairan tubuh adalah sebesar -74 mV dan sebagainya, sedangkan potensial aksi, depolarisasi normal +40 mV.

2.3.1. Struktur Membran Dan Fungsi sel

Sel adalah unit fungsional dan struktural dalam dalam mahluk hidup. Sebagai unit fungsional, di dalam sel berlangsung semua reaksi kimia dan berbagai proses metabolisma dan sebagai unit struktural, sel merupakan bagian dari komponen penyusun jaringan makluk hidup. Para ahli biologi membedakan sel menjadi dua kelompok utama, yaitu sel prokariotik, sel yang tidak memiliki membran inti, dan sel eukariotik, sel yang memiliki membran inti. Umumnya ukuran diameter sel eukariotik adalah mikroskopis yaitu dengan rentangan 1 – 10 μm. Pada umumnya sebuah sel terdiri dari tiga bahagian utama, yaitu membran plasma, sitoplasma (berupa cairan, bahan kimia/ tempat berlangsungnya metabolisma didalam sel) dan organel. a. Struktur Membran Sellular Membran plasma atau sellular ( cellula = sel = kamar) adalah suatu lembaran tipis yang memisahkan sel dengan dunia luarnya. Model umum yang dapat menjelaskan tentang struktur membran plasma dikenal sebagai model mosaic cair, seperti Gambar 2.14 berikut ini.


Gambar 2.14. Membran Plasma Model Mosaic Cair. Berdasarkan model ini, sebuah membran plasma terdiri dari lapisan ganda yang tersusun oleh fospoLipid ( fungsi: pengeluaran hormon) dan lemak. Lapisan tersebut dapat ditembus, semipermeabel, sehingga memungkinkan molekulmolekul tertentu seperti H 2 O, CO2 , O2 , gliserol dan hidrokarbon dapat masuk dan keluar dari sel. Sedangkan glukosa dan ion-ion tidak dapat menembus membran karena ukurannya atau ditolak oleh permukaan membran. Pada struktur model mosaic cair, kepala dari tiap-tiap molekul fosfoLipid ditarik air sehingga disebut hydrofilik (suka air). Sementara, ekor atau ujung yang lainnya ditolak air sehingga disebut hydrofobik (menolak air). Komponen membran plasma yang berupa protein mampu bergerak dari satu sisi ke sisi lain yang berperan sebagai katalis yang membantu aktivitas kimiawi protoplasma dan protein juga berperan sebagai pengangkutan molekul. Molekulmolekul yang lain yang telah ditemukan para pakar di dalam membran sel adalah berupa kolesterol dan karbohidrat. Kolesterol memainkan peran sebagai penstabil membran sedangkan karbohidrat memainkan peran dalam interaksi dari sel ke sel dan dalam pengaturan pengikatan terhadap molekul-molekul. b. Struktur Jaringan Saraf


Berdasarkan Histology, ilmu yang mempelajari tentang jaringan, seperti pada tumbuhan tingkat tinggi, manusia dan hewan tingkat tinggi (Vertebrata) tersusun dari berbagai macam jaringan, antara lain adalah jaringan epitel, penyokong, otot dan saraf. Jaringan saraf, seperti pada Gambar 2.15. berikut ini, tersusun dari sel saraf ( neuron).

Gambar 2.15. Sistem saraf nematoda Setiap sel saraf terdiri dari atas badan sel yang berisi inti sel ( nucleus, berisi DNA dan protein dengan struktur kromoson yang merupakan informasi genetika yang disebut gen) dan serabut saraf ( dendrid). Serabut saraf berfungsi sebagai penghubung sel saraf yang satu dengan sel saraf yang lainnya. Jaringan saraf umumnya berfungsi untuk menerima dan menyalurkan rangsangan. Sedangkan sel saraf (neuron) adalah sel pembentuk dan penghantar informasi dari satu bagian organ ke organ yang lain melalui impulsa saraf. Impulsa saraf terjadi akibat suatu perubahan secara kimiafisika di dalam dan di luar membran sel (lipid dan protein).


2.3.2. Tubuh Dan Membran Saraf Nematoda

Umumnya, tubuh pada hewan seperti nematoda, mempunyai sistem saraf pusat, ganglion, dan saraf tepi yang merupakan suatu membran sel. Bentuk tubuh nematode secara umum adalah seperti pada Gambar 2.16 berikut.

Gambar 2.16. Bagian tubuh Nematode. Sistem saraf pusat terdiri dari dua ganglion yang terdapat pada daerah anterior tubuh (kepala) dan dua tali saraf longitudinal yang membujur dari bagian arterior hingga posterior tubuh. Ganglion di kepala umumnya terkonsentrasi bersama reseptor sensorik yang membentuk sefalisasi. Dalam hal ini ganglion berfungsi sebagai otak primitif, suatu pusat koordinasi. Sedangkan, saraf tepi adalah berupa serabut, saraf transfersal, yang melintang pada bagian kedua sisi tubuh. Serabut saraf berfungsi untuk membawa informasi sensorik dari daerah tepi, feriper, menuju ganglion kepala dan membawa impuls saraf motorik dari ganglion kepala ke otot. Morfologi saraf pada irisan nematoda diperlihatkan pada Gambar 2.17, di halaman berikut ini.


Gambar 2.17. Irisan tubuh saraf nematoda Kutikula, lapisan tubuh nematoda, terdiri dari lapisan protein dan yang sama dengan keratin dengan ketebalan 0,5 µm dan panjang sekitar 1 mm (Cox et.al., 1981) dan juga lapisan enzym dan glycocalix. Secara spesifik, kutikula terdiri dari 5 lapisan atau zona yaitu : 1. Surface coat, SC, terdiri dari glyco protein (funsi: transport aktif) 2. Epiticule, EP, terdiri dari Lipid dan glycoLipid 3. Layer and Cortical, Co 4. Medial, Md dan 5. Basal, Bs, terdiri dari lapisan fibrid. Lapisan-lapisan tersebut dapat dianggap sebagai suatu lapisan luar, kutikula yang juga merupakan membran sel. Fisiologi saraf biasanya sama dengan pada binatang yang lain yaitu terdapat asetilkolin-kolinesterase

yang

merupakan

sistem

penyalur

pada

saraf,

neurotransmitter, ( Dropkin, 1989) yang berfungsi untuk mengkoordinasikan kontraksi otot-otot dan reaksi-reaksi kimia yang mengakibatkan suatu beda potensial.

2.3.3. Dielektrik Rupture


Hingga saat ini, para pakar belum dapat memastikan secara pasti bahwa efek apakah penyebab terjadinya pemecahan dinding membran dwilapis sel hingga terjadi penonaktifan suatu sel mikroorganisma. Namun ada beberapa teori yang sangat mendukung pada peningkatan potensial transmembran dengan perturbasi medan elektrik yang dapat mengakibatkan terjadinya efek merusak, dan dapat mereduksi ketebalan dinding sel (Fang, et al., 2006), diantaranya adalah teori dielektrik rupture ( Jayamkondan et. al., 1999), yaitu potensial membran sel melampaui potensial normal, yang disebut sebagai Potensial Transmembran, PTN. Hubungan antara kuat medan E dengan peningkatan PTN, secara empiris ( Lebovka, et al.2003) diberikan dengan persamaan sebagai berikut: ΔVs = 0.75.dc E cosθ

2-34

Dan menurut Zudans (Zudans, et. al., 2007 adalah:

[

ΔVm (t ) = f s E.r cos θ 1 − e − t / τ

]

2-35

Dimana: ΔV, adalah potensial transmembran sel. r adalah radius sel, mm E adalah medan elektrik, V/mm θ adalah sudut diantara sisi membran terhadap arah medan. fs adalah factor geometrik, f = 1, bila berbentuk lingkaran, dan τ adalah konstanta waktu induksi. Dari ke-dua formulasi tersebut diatas, telah memberikan nilai yang hampir sama, yaitu sekitar beberapa puluhan mV (PTN) hingga potensial kritis, 1V ( Fang, 2006), 1,5 V (Frid, et al., 2000). Akan tetapi, dari teori tersebut hanya melalui pendekatan empiris namun belum ada yang menjelaskan jastifikasi secara teoritis. Demikian juga, faktor (1 − e − t / τ ) oleh Imants Zudans (Zudans, et. al., 2007, mengabaikan dalam simulasinya. Hal ini dilakukan karena dia menganggap τ sebesar beberapa mikro detik dibandingkan dengan waktu induksi secara tipikal < 1µs. Bila peningkatan potensial mencapai ambang kritis diantara dinding membran maka dapat terjadi reduksi ketebalan sehingga memungkinkan terjadi


kerusakan, electric breakdown, (Fang, et al., 2006) hingga menimbulkan lobanglobang kecil( bocor) dan kontraksi dan cairan tubuh akan keluar, (Jacquelline, et a l., 2004).

2.3.4. Elektro-Gravimetri dan Kapasitansi Membran Sel

Umumnya, sebagai dasar penentuan suatu karakteristik membran sel dapat di lakukan dengan beberapa cara yaitu dengan cara kimia dan fisika. Secara kimia, salah satu cabang dari ilmu Elektro-Gravimetri khususnya pada bidang Elektrokimia, menyatakan bahwa suatu sel terdiri dari dua elektroda dan satu atau lebihlarutan dalam wadah yang sesuai. Sehingga suatu sel dapat dipandang sebagai suatu sel elektrolisis. Sedangkan secara fisika, suatu sel dapat dipandang sebagai suatu sel yang analogi seperti pada sel kapasitor. Dengan demikian, kapasitansi dwilapis membran sel saraf dapat diasumsikan sebagai kapasitor plat sejajar ( Jayamkondan, et al., 1999; Fang, 2000; Lebovka, et al., 2003; Zudans, et al., 2007). Rangkaian setara sebuah kapasitor dapat digambarkan seperti Gambar 2.18, berikut.

Csarafl Rsarafl

Gambar 2.18. Rangkaian setara membran sel saraf. Rangkaian setara kapasitor tersebut adalah merupakan suatu rangkaian seri antara Rsaraf dan Csaraf. Dimana, Rsaraf adalah merupakan suatu resistansi atau arus bocoran dan Csaraf adalah merupakan suatu kapasitansi atau penyimpan energi muatan dari sel.


Secara geometri umum dan dengan hukum-hukum elektrostatika, maka besar suatu resistansi, sesuai dengan persamaan 2.9, dan kapasitansi, sesuai dengan persamaan 2.29, adalah sebagai berikut.

ρl

R=

2-36

A

Dan, untuk sel membran diasumsikan berlaku hubungan berikut ini.

ρl

R=

A

= σ −1

d A

2-37

Dan, C = ε 0ε r

A l

2-38

Sehingga, bila persamaan (2-36) dan (2-37) disederhanakan, maka berlaku hubungan C dan R seperti persamaan (2-38), berikut. C = R −1

ε σ

2-39

Besaran ρ adalah resistivitas, σ adalah konduktivitas, l adalah satuan panjang dan A adalah satuan luas dan d adalah diameter sel. Sedangkan konstanta waktu adalah merupakan perkalian antara R dan C dalam detik atau : τ = RC

2-40

Bila persamaan (2.39) berlaku, maka persamaan (2.40) berikut ini juga akan berlaku, yaitu:

τ=

ε0 εr σ

2-41

Sehingga, sesuai dengan persamaan discharging pada Low pass filter RC seperti pada Gambar 2.15, maka dapat ditulis seperti persamaan 2.41, berikut. −t

v(t ) = v(o)[1 − e τ ]

2.3.5. Elektroporasi


2-42

Proses elektroporasi dapat dijelaskan sebagai suatu pengaruh medan elektrik terhadap dinding membran sel (lipoprotein) yang dapat mengakibatkan destabilisasi temporal, peningkatan potensial transmembran, pada sel membran Lipid Bilayer dan protein (Jayamkondan, et. al.,1999) atau akan mempengaruhi tegangan membran yang menyebabkan porositas ( Pizzichemi , et al., 2007). Pengaruh medan elektrik tersebut juga menyebabkan molekul Lipid reorient sehingga menghasilkan pori hydrophilic. Pada kondisi potensial transmembran meningkat maka dapat mengakibatkan kebocoran pada membran lipid bilayer.


BAB III BAHAN DAN METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian

Tempat penelitian ini dilaksanakan di beberapa tempat yaitu seperti: 1. Laboratorium Tegangan Tinggi Fakultas Teknik, USU. 2. Laboratorium Mikrobiologi Fakultas Pertanian, MIPA USU. 3. Laboratorium PTKI, Medan. 4. Studi banding di Laboratorium Particle Physic, Universitas Central Florida, USA dan Laboratorium Plasma Physics, Universitas Auburn, Auburn, yang khusus tentang bahagian pembangkit tegangan tinggi. Sedangkan untuk penyediaan peralatan dilakukan dengan beberapa tahap yaitu: 1. Penyediaan sumber tegangan tinggi 2. Penyediaan komponen tegangan tinggi 3. Penyediaan rangkaian pembentuk pulsa 4. Penyediaan Sphere gap, swiching dengan triggering device 5. Penyediaan Elektroda 6. Penyediaan ruang sampel dan 7. Penyediaan sampel

3.2. Komponen dan Bahan

Komponen atau bahan-bahan pendukung yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah seperti berikut.

3.2.1. Komponen

1. Oto Tranformator


2. Test Transformator 3. Kabel penyambung 4. Resistor 5. Capasitor 6. Dioda 7. Sphere gap 8. Pipet 9. Elektroda, stainless

Peralatan

Untuk penyediaan peralatan dilakukan dengan sinkronisasi di beberapa laboratorium yaitu laboratorium Mikrobiologi Fakultas Pertanian, MIPA, Teknik, PTKI. Peralatan yang digunakan adalah seperti yang terdapat di bawah ini. -

Generator tegangan tinggi type YHIG-100KV, 5KVA

-

Resistor, Rd = 416 Ω,140 kV; Re = 9500 Ω, 140 kV

-

Capasitor, Cs = 6000 pF, 140 kV; Cb = 1200 pF, 140 kV

-

Shpere gap

-

Pemicu

-

Alat ukur AVO meter

-

Oscilloscope dan X-Y Recorder YEW 3023

-

Mikroskop, 1000 x; mikroskop monookuler dan stereo

-

Ruang sampel: panjang 23 mm, tinggi 10 mm, lebar 10mm dan tebal 1mm yang terbuat dari fiber glass (dielectric strength, 30 MV/m).

3.2.3. Sampel

Sebagai sampel atau objek pada penelitian ini adalah suatu mikroorganisma yaitu nematode sebagai membran sel, yang diambil sedemikian rupa dari suatu


tanaman. Kemudian, dari tanaman tersebut, nematoda diekstrak sedemikain rupa dan dilakukan di Laboratorium Mikrobiologi Fakultas Pertanian USU.

3.3 Modifikasi Pembangkit Medan Elektrik

Mengingat mahalnya biaya peralatan suatu pembangkit medan elektrik maka hampir semua laboratorium khususnya di Indonesia tidak memilikinya. Sehingga pada penelitian ini telah di coba dengan memodifikasi peralatan yang tersedia. Untuk membangkitkan suatu tegangan tinggi berpulsa dapat dilakukan dengan berbagai metoda, diantaranya adalah dengan mengumpan rangkaian RC dari suatu sumber tegangan tinggi (Kerista, 2007). Untuk mendapatkan lebar pulsa yang sangat sempit dan dengan tegangan yang cukup tinggi, kV, maka dapat dilakukan dengan cara mengatur besaranbesaran komponen pendukung suatu rangkaian, diantaranya adalah: Ototrafo, Test Trafo, Dioda penyearah, Kapasitor Cs dan Cb, Resistor Rp, Rd dan Re serta pemicu Sphere gap F. Sehingga tegangan output pada U(t) pada gambar (2.7) adalah sama dengan pada persamaan (2-24). Model rancangan utama elektronik pembangkit medan elektrik secara keseluruhan yang di buat pada penelitian ini adalah seperti model rangkaian elektronik pada gambar 3.1 berikut ini.

Jala PLN

5

D

F

Rp

Rd

id

Elektroda 6

4

Cs

U o (t = 0 )

1

ie

Re

U(t) Cb

8

Ototrafo

Rg.Sampel Elektroda

Test Trafo Gambar 3.1. Model Hasil Rangkaian Penelitian.


Sedangkan sebagai objek pemanfaatan medan elektrik pada penelitian ini adalah suatu chamber, ruang sample, yang berfungsi sebagai komponen C, yang nantinya di isi dengan nematoda tunggal yang diperlakukan sebagai bahan dielektrik, membran saraf. Hal ini dilakukan, karena membran sel atau saraf dapat dianggap sebagai suatu kapasitor plat sejajar (Krauss, 1999; Jayamkondan et. al., 1999; Fang, 2000; Lebovka, et al.2003; Zudans, et. al., 2007). Untuk perhitungan unjuk kerja sistem secara teoritis dilakukan dengan suatu model dan disimulasi dengan menggunakan pemrograman Matlab Versi 7 R14.

3.4. Prosedur Penelitian

Penelitian eksperimental ini dilakukan dengan suatu prosedur kerja yaitu: 1. Mempersiapkan sumber pembangkit tegangan tinggi dan rangkaian pembentuk pulsa seperti pada rangkaian Gambar 3.1. 2. Membuat suatu chamber, wadah, sedemikian rupa sebagai ruang sample dan dilengkapi dengan elektroda yang terbuat dari steinless stell dengan ukuran sesuai dengan wadah 3. Mempersiapkan, menguji dan menganalisis generator tegangan tinggi, sphere gap dengan tegangan pemicu dan Rangkaian pemulsa, RC 4. Memprediksi dan menghitung seberapa besar tegangan elektroda dan medan elektrik, E serta fluksi densitas, D yang bekerja dalam ruang sampel yang isotropik (homogen, linier) 5. Memprediksi dan menentukan seberapa besar medan elektrik dapat mempengaruhi peningkatan potensial yang dialami oleh suatu bahan dielektrik yang diisikan ke dalam ruang sampel terhadap tegangan impuls dan waktu. 6. Sebagai aplikasi, sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah membran saraf.nematoda sebagai bahan dielektrik 7. Melakukan eksperimen untuk melihat dampak variasi tegangan elektroda U(t) terhadap besar medan elektrik E yang ditimbulkan sehingga terjadi


peningkatan potensial membran saraf dan menganalisis dampak tersebut dibawah mikroskop.

3.5. Metode Penelitian

3.5.1. Distribusi V dan E Dalam Ruang

Ruang sampel dua dimensi berikut ini dimodelkan sebagai sebuah kapasitor pelat sejajar. Sehingga, distribusi potensial, V dan medan elektrik, E di dalam ruang sampel yang homogen dapat dianggap serbasama asalkan efek fringging pada tepi kedua elektroda diabaikan. Dengan demikian, distribusi potensial, V adalah sesuai dengan persamaan (2-4) dan distribusi medan elektrik, E sesuai dengan persamaan ( 2-5). Distribusi dari kedua besaran V dan E dalam model ruang sampel yang berisi bahan dielektrik homogen dapat digambarkan seperti matrik pada Gambar 3. 2 sebagai berikut.

Gambar 3.2. Distribusi garis equipotensial V dan medan E dalam ruang sampel.


3.5.2. Distribusi Potensial Dalam Ruang Sampel

Bila salah satu elemen matrik pada ruang sampel dalam garis ekuipotensial V dan

garis medan E seperti pada Gambar 3.2, diasumsikan sebagai suatu

kapasitor dengan suatu bahan dielektrik, dalam hal ini campuran air, homogen, dengan mikroorganisma, suatu ‘zat pengotor’, membran sel saraf di dalam suatu media dielektrik, maka akan terjadi peningkatan potensial pada ‘zat pengotor’, tersebut. Situasi ini diperlihatkan yang dialami dibawah medan seperti gambar 3.3 berikut.

Gambar 3.3. Model Ruang Sampel. Dari Gambar 3.3, kuat medan elektrik, E dan densitas fluksi, D di dalam ruang sampel akibat perbedaan potensial elektroda, Velek maka peningkatan potensial pada membran sel, sebanding dengan lapisan kutikula dan otot atau membran pada nematoda maka dapat ditentukan dengan persamaan (2-4) dan (214), yang sesuai dengan hukum medan elektrostatika dan elektrik maka berlaku juga suatu hubungan tegangan elektroda, Velek seperti berikut ini, (Tarigan, 2008) Velek = 2 Ei d i + 2 El d l + 2 E k d k + 2 E o d o + 2 E s d s

3.1

Dan, D = ε o ε r i Ei = ε o ε rl El = ε o ε rk E k = ε o ε rk E k = ε o ε ro E o = ε o ε rs E s

3.2

Dimana: i adalah isolator, l adalah larutan, s adalah sel sara, o adalah otot, k adalah kutikula dan d adalah jarak.


Umumnya, setiap mikroorganisme mempunyai karakteristik yang spesifik, baik ukuran, jari-jari, potensial membran normal dan dielektrik relatif sel yang berbeda-beda. Untuk spesifikasi model ruang sampel seperti gambar 3.3 dimana, panjang 23 mm, tinggi 10 mm, lebar 10mm dan tebal 1mm yang terbuat dari fiber glass (dielectric strength, 30 MV/m), serta konstanta dielektrik relatif: εri =3,4; εrt = 3; εrs = 2; εair = 80; εrk= 4;εro =10, serta dengan masing-masing jarak yang bersesuaian maka hubungan Velek terhadap Es dalam wadah dapat ditentukan. Untuk memperoleh hubungan tersebut yaitu besar tegangan elektroda terhadap medan elektrik tersebut adalah dengan mensubstitusi persamaan (3.2) ke (3.1) dengan terlebih dahulu memasukkan semua nilai konstanta dan jarak yang sesuai, sehingga persamaan umum hubungan antara tegangan elektroda wadah dengan medan elektrik yang timbul pada membran sel saraf, sampel nematoda, diperoleh seperti berikut ini. Velek = 1439,4 Es

3.3

Sedangkan, potensial Velek adalah tegangan yang dibangkitkan dari tegangan tinggi impulsa adalah sebanding dengan tegangan input dc, Uo = Ui, yang sesuai dengan persamaan (2-24). Kemudian, apabila nilai-nilai komponen disubstitusi ke persamaan (2-24) maka secara teori diperoleh seperti berikut ini, (Tarigan, 2007): U(t) = 0,8387 Ui ( e − t / T1 − e − t / T 2 )

3.4

Dan, efisiensi generator pembangkit teghangan tinggi sesuai dengan pada persamaan (2-26), (Kind, 1978), yaitu:

η≈

Cs C s + Cb

Dengan, T1 = R e ( C s + C b ) T2 = R d

C sC b Cs + Cb


3.5.3. Faktor Peningkatan Potensial Membran Sel

Akibat perbedaan potensial, V diantara kedua elektroda maka akan timbul medan elektrik, E pada membran sel, sehingga akan mengakibatkan peningkatan potensial pada membran sel itu sendiri. Peningkatan potensial membran sel, dalam hal ini, diasumsikan sesuai dengan formulasi empiris pada persamaan (2-34), Lebovka et al., 2004) atau (235), Zudans et. al., 2007). Dengan demikian, berdasarkan persamaan (2-34) bahwa, besar peningkatan potensial membran sel adalah tergantung kepada factor bentuk fs, jari-jari r dan sudut θ. Dalam hal ini, fs adalah faktor bentuk, yaitu untuk bentuk sel yang bulat, maka fs = 1. Selanjutnya, pengaruh yang sangat dominan dalam penentuan besar tegangan elektroda, Velek dan medan elektrik, Es adalah factor parameter jari-jari r dan sudut θ. 3.5.4. Variabel Pengamatan

Untuk mendapatkan pengaruh besar tegangan elektroda terhadap parametr jari-jari dan sudut yang lebih spesifik maka dilakukan perhitungan dengan memvariasikan parameter jari-jari membran sel, r, sudut θ dan medianya.

3.5.4.1. Parameter θ

Parameter θ adalah sudut yang dibentuk medan elektrik, E terhadap arah membran saraf pada sel. Secara acak, faktor cos θ dari persamaan (2-34) dapat diasumsikan dengan nilai interval -1 sampai dengan +1 seperti Gambar model 3.4 berikut ini. Akan tetapi, faktor sudut yang paling berpengaruh terhadap arah permukaan membran saraf dengan medan E di asumsikan dengan sudut 60˚.


Gambar 3.4. Arah medan elektrik, E terhadap sudut θ .

3.5.4.2. Parameter r

Jarak r adalah merupakan jarak vector jari-jari pada membran seperti pada Gambar 3.4. Hal ini dapat didekati dengan mengasumsikan mengikuti fungsi distribusi hukum Gauss, yaitu: F (d c ) =

2

(d − d ) exp(− c 2 c ) 2Δ 2π Δ 1

3.5

Dimana, d c adalah diameter rata-rata dan Δ adalah standard deviasi sel. Persamaan (3-5) dapat didekati dengan distribusi

Δ . dc


BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil penenelitian medan elektrik akibat peningkatan beda tegangan pada membran sel saraf nematoda yang dilakukan adalah berdasarkan metoda medan elektrik, peralatan modifikasi, dan sesuai dengan rangkaian desain utama seperti pada Gambar 3.1. Sedangkan permodelan untuk ruang sampel adalah seperti pada Gambar 3.3 dan dengan prosedur penelitian seperti pada bahagian 3.4, maka dapat ditentukan suatu hubungan peningkatan potensial tegangan tinggi impulsa pada ruang sampel Velektroda, Velek, dan dampaknya pada membran saraf akan analisis. Sebagai perbandingan, akan dilakukan terlebih dahulu suatu perhitungan secara teoritis, yaitu perhitungan secara komputasi untuk masing-masing bagian dengan pemrograman Matlab 7 R14. dan membandingkannya dengan hasil yang diperoleh secara eksperimen, penyelidikan di bawah mikroskop. Akhirnya, pembahasan tentang dampak medan elektrik terhadap membran sel saraf nematode dapat disimpulkan. Namun untuk hal tersebut, terlebih dahulu dilakukan pengujian dan analisis sistem untuk masing-masing bagian pada peralatan, seperti berikut ini.

4.1. Data Pengujian Shere Gap

Untuk menentukan tegangan puncak terjadinya tegangan tembus pada sphere gap adalah dilakukan pengukuran seperti pada Gambar 2.9, maka diperoleh data pengujian Tegangan tembus elektroda bola, break down, pada sphere gap adalah seperti Data I berikut ini. Data I. Data Pengujian Tegangan Tembus Udara Diameter elektroda bola standard, D = 5 cm Jarak ke-dua elektroda, S = 0,5 cm


T = 23 °C P = 760 mm Hg Kelembaman udara mutlak = 11 gr/m³ N = 10 kali ( jumlah picuan)

4.1.1 Analisa Tegangan Break Down Sphere Gap

Berdasarkan persamaan (2-27) dan hasil pengujian seperti pada Data I, maka tegangan tembus elektroda bola, break down terjadi pada keadaan tegangan rata-rata sebesar 18,5 kV. Sedangkan, tegangan tembus bola sesui dengan Tabel Standard Elektroda Bola (Lampiran I) dengan kondisi yang sama diperoleh sebesar 17,4 kV. Sehingga, bila dibandinggkan dari kedua nilai besar tegangan tembus bola tersebut maka diperoleh toleransi sebesar: Toleransi =

17,5 − 18,5 % = 5,71 %, atau sebesar 1 kV. Nilai toleransi ini 17,5

terjadi mungkin diakibatkan oleh peralatan yang juga mempunyai batas toleransi, namun hasil tersebut menunjukkan performansi shere gap masih normal.

4.2. Data Pengujian Pembangkit Impulsa

Rangkaian pembangkit tegangan impulsa dengan model RC yang dilakukan pada penelitian ini adalah sesuai dengan Gambar 2.7. Namun, untuk pengujian performansi pembangkit tegangan impulsa tersebut dilakukan sesuai dengan rangkaian elektronik seperti pada Gambar 3.1 dan dengan data peralatan secara fisik adalah Gambar 4.1, di halaman berikut ini.


1

F

Gambar 4.1. Peralatan Pembangkit Tegangan Impulsa RC Data I. Data peralatan pembangkit tegangan Impulsa 1.Generator YHIG-100KV, 5KVA dengan pemicu F. 2. Rd = 416 Ω,140 kV; Re = 9500 Ω, 140 kV. 3. Cs = 6000 pF, 140 kV; Cb = 1200 pF, 140 kV. 4. Alat ukur AVO meter. 5. Oscilloscope dan X-Y Recorder YEW 3023 Berdasrkan rangkaian Gambar 4.1, maka diperoleh satu set data pengukuran pada pengujian tegangan impulsa adalah seperti pada Tabel 4.1, berikut ini. Tabel 4.1. Data Pegujian Tegangan Impulsa T= 23 ْC; P= 760 mm Hg. t impuls (50 %) = 50 µs. N = 10 kali ( jumlah picuan) No 1 2 3 4 5 6 7 8

Tegangan Input, (Ui), DC, (kV) 5 6 7 8 9 10 12 14

Tegangan Impulsa rata-rata, (Ut), (kV) 4,1 4,9 5,7 6,6 7,4 8,2 9,6 11,5


4.2.1. Analisis Data Pengujian Pembangkit Impulsa

Berdasarkan data pengukuran pada Tabel 4.1, maka hubungan tegangan antara tegangan input, Ui dan tegangan output, impulsa, Ut untuk beberapa kondisi tegangan input dapat dianalisis dengan metoda pendekatan Least Square. Dengan demikian, bila data tegangan seperti pada tabel 4.1 digrafikkan maka akan diperoleh suatu grafik antara tegangan input dan output seperti pada Gambar 4.2 berikut ini,

adalah linier, dan bentuk persamaannya adalah seperti pada

persamaan 4.1. Grafik Tegangan Input vs Output Impulsa 12

10

Ut, kV

8

6

4

2

0

0

2

4

6

8

10

12

14

Ui, kV

Gambar 4.2. Hubungan Tegangan input vs output impulsa

U (t ) = 0.817Ui − 0.014 Volt 4.1 Sedangkan, bentuk gelombang tegangan output yang berbentuk impulsa adalah seperti pada Gambar 4.3.berikut ini.


Grafik U(t) vs t 0.9 0.8 0.7

U(t), kV

0.6

U(t)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

10

20

30

40

50 t, us

60

70

80

90

100

Gambar 4.3. Bentuk tegangan Impulsa, U(t) terhadap waktu. Berdasarkan persamaan garis seperti pada persamaan ( 4-1) diatas, maka diperoleh efisiensi pembangkit tegangan impulsa adalah sebesar 81,7 % pada harga puncak seperti pada gambar 4.3 diatas, sedangkan sesuai dengan persamaan efisiensi, η pembangkit pada persamaan (2.26) diperoleh:

η≈

Cs = 83,30 %. C s + Cb

Perbedaan efisiensi dari kedua hasil tersebut disebabkan oleh penurunan unjuk kerja sistem peralatan secara keseluruhan akibat usia peralatan namun sangat memuaskan dan layak diaplikasikan karena perbedaanya hanya sebesar 1,6 % atau untuk tegangan input sebesar 10 kV hanya sebesar 160 V. Sedangkan bentuk impulsa melalui monitor osiloskop diperoleh bentuk tegangan output impulsa seperti Gambar 4.4 berikut.


Gambar 4.4. Bentuk Gelombang Impulsa, U(t) dari Osiloskop

4.3. Penentuan Potensial, Sudut dan Impulsa

4.3.1. Penentuan Potensial Velek dan Vsel

Untuk menentukan hubungan besar potensial atau tegangan elektroda berbentuk impulsa Velek, terhadap peningkatan potensial yang diterima oleh membran sel saraf nematoda di dalam model ruang sampel yang telah ditentukan sebelumnya, maka persamaan (3.3), berlaku, yaitu:

Velek. = 1.439,4 Es

4.2

Sedangkan, E atau Es, secara teori adalah besar medan elektrik E dalam keadaan normal, yang besarannya dapat dihitung berdasarkan persamaan (2-34)

(Lebovka et al., 2003), dan bila diameter sel saraf rata-rata dc = 1µm di substitusi ke persamaan (2-34) tersebut maka Es akan diperoleh sebesar: Es =

ΔVs = 1,333.ΔVs SecθVolt / μm 0,75.d c .Cosθ

4.3

Selanjutnya, hubungan besar tegangan impulsa pada elektroda Velek dengan

Es diperoleh dengan cara mensubstitusi persamaan (4-3) ke dalam persamaan (42) maka diperoleh hubungan tersebut adalah sebagai berikut.


Velek. = 1439,4 1,333.ΔVs Secθ .Volt Velek = 1,9187.

ΔVs Secθ .kVolt dc

4.4

Persamaan (4.4) tersebut adalah merupakan persamaan Umum untuk hubungan besar tegangan impulsa pada elektroda Velek dengan Es. Dengan demikian, untuk melukiskan hubungan Velek dan beda potensial pada membran saraf, ΔVs secara perhitungan dan bila dihubungkan dengan tegangan sumber pembangkit, tegangan input, Vin dapat ditentukan melalui persamaan (4.4) dan dengan merubah letak Vin pada persamaan (4-1), diperoleh,

Vin = 1,223 U(t)+0,0171 ;dimana U(t) = Velek. Dengan asumsi gradient tegangan ΔVs dalam keadaan kritis, yaitu ΔVs diantara 1-1,4 volt ( Junlong Fang, 2006; Frida R. et al., 2000) serta dengan sudut

θ diantara 0˚ - 60˚, maka tegangan elektroda Velek terhadap ΔVs untuk berbagai sudut dapat diperoleh yaitu, untuk kondisi gradient tegangan ΔVs = 0,14-1,4 volt,

θ = 0˚ maka Velek dapat digrafikkan seperti pada Gambar 4.5, berikut. Dari hasil grafik yang diperoleh seperti pada Gambar 4.5, maka tegangan elektroda Velek

untuk kondisi

ΔVs = 0,14, 1 dan 1,4 volt, pada sudut θ = 0˚

adalah sebesar 0,328, 2,346, 3,285 kV. Grafik Velek-vs-dv,sudut

7

dv=1V dv=1,4V dv=0.14V

6 5 Velek,kV4 3 2 1 0

0

10

20

30 Sudut,derajat

40

50

60


Gambar 4.5. Grafik hubungan Velek-vs-Δv dan Sudut θ.

4.3.2. Penentuan Vin Terhadap Velek

Untuk menentuan hubungan tegangan input (sumber), Vin atau Ui (Vin =

Ui) terhadap tegangan output U(t) atau Velek

(U(t) = Velek)

maka dapat

ditentukan dari persamaan (4-1). Dengan mensubstitusi persamaan umum (4-4) ke persamaan (4-1) maka diperoleh suatu hubungan Velek terhadap tegangan input

Vin. Kemudian, bila disubstitusi besaran diameter sel rata-rata sel adalah sebesar dc = 1µm, maka diperoleh suatu hubungan seperti berikut. Vin = 1,223 U(t)+0,0171 Vin = 2,346. ΔVs Secθ . + 0,0171 kVolt

4.5

Dengan demikian, maka gradien potensial pada membran sel saraf sangat tergantung kepada Vin, Velek, sudut θ dan diameter sel membran saraf, dc. Kemudian, bila hubungan Vin digrafikkan terhadap Velek maka berdasarkan persamaan (4-5) secara perhitungan akan diperoleh kurva yang sama seperti pada Gambar 4.5 namun berbeda dari besar tegangannya. Selanjutnya, berdasarkan hasil perhitungan secara teoritis seperti pada persamaan (4-5) dan mengingat efisiensi dari generator pembangkit impulsa diambil sebesar 81,7 %, persamaan (4.1), maka dapat diperoleh suatu hubungan Vin terhadap

Velek. Bila kondisi dengan nilai ΔVs serta untuk berbagai sudut arah θ terhadap medan elektrik E maka dapat digrafikkan

suatu hubungan Velek terhadap

tegangan input Vin seperti yang sesuai dengan persamaan (4-5) adalah sebagai berikut. Untuk kondisi pada ΔV = 1 -1,4 Volt dan sudut θ = 0°, maka dari grafik dapat diperoleh besar tegangan Vin yaitu masing-masing sebesar 2,346 – 3,285 kV. Gambar grafik hasil simulasi dari hubungan Vin-vs-Velek seperti pada persamaan (4-5) adalah seperti pada Gambar 4.6 berikut ini.


Grafik Vin-vs-dv,sudut 7 dv=1V dv=1,4V

6.5 6 5.5

Vin,kV

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2

0

10

20

30 Sudut,derajat

40

50

60

Gambar 4.6. Grafik hubungan Vin-vs-Velek.

4.3.3. Pengaruh Sudut θ Terhadap Vin, Velek dan Es

Untuk menentukan besar pengaruh faktor sudut θ terhadap tegangan input

Vin, tegangan elektroda Velek dan pengaruhnya terhadap membran sel Es dapat diperoleh

dari masing-masing persamaan yaitu, persamaan (4-1) untuk Vin,

dan persamaan (4-2) untuk Velek serta persamaan (2-34), (Lebovka et al., 2003) untuk Es. Berdasarkan persamaan-persamaan tersebut diatas, maka untuk beberapa variasi sudut θ dapat ditentukan. Dengan demikian, bila digambarkan dengan hubungan tersebut maka untuk beberapa variasi sudut adalah sebagai berikut. Dengan mengasumsikan Es dalam keadaan normal, ΔVs = 0,14V, maka dapat diperlihatkan secara grafik yaitu seperti pada Gambar 4.7 berikut ini.


Grafik Es, Velek, Vin -vs-Teta 7 Es/dv = 0,14 Velek/dv = 0,14 Vin/dv = 0,14

Tegangan:Es, Velek, Vin, kV

6

5

4

3

2

1

0

10

20

30 Sec(teta)

40

50

60

Gambar 4.7. Grafik Hubungan Pengaruh Sudut θ terhadap Vin, Velek, Es. Selanjutnya, untuk berbagai kondisi gradien tegangan ∆Vs yaitu diantara 0,14 sampai dengan 1,4 V, maka hubungan sudut θ terhadap tegangan, dapat ditentukan dan hal ini secara grafis diperlihatkan seperti pada Gambar 4.8 berikut ini. Berdasarkan hasil dari grafik seperti pada Gambar 4.8, maka dapat dilihat secara jelas bahwa, pengaruh sudut sangatlah mempengaruhi semua besaran yang lain. Hal ini disebabkan oleh factor sudut terjadi peningkatan sebesar 2 kali lipat untuk sudut Sec θ = 60 °.


Grafik Es, Velek, Vin -vs-Teta 70 Es/dv = 0,14 V Es/dv = 1,4 V Velek/dv = 0,14 V Velek/dv = 1,4 V Vin/dv = 0,14 V Vin/dv = 1,4 V

Tegangan:Es, Velek, Vin, kV

60

50

40

30

20

10

0

0

10

20

30 Sec(teta)

40

50

60

Gambar 4.8. Grafik Hubungan Pengaruh Sudut θ terhadap Vin, Velek, Es.

4.3.4. Bentuk Impulsa Vi, Velek Terhadap Waktu

Bentuk gelombang tegangan impulsa, Velek dan Vi terhadap waktu, t dapat digambarkan berdasarkan persamaan (4-1) dan (4-5). Untuk sudut tertentu, yaitu pada sudut θ = 0ْ , dapat diperoleh seperti pada Gambar 4.9, berikut ini. Vi, Velek-vs-t 4.5 4 3.5 Vi Velek, Vi, kV

3 Velek 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0

10

20

30

40

50 t, us

60

70

80

90

100

Gambar 4.9. Bentuk Tegangan Impulsa Velek (kV) -vs- t(µs).


Dari betuk grafik seperti pada Gambar (4.10) di atas menunjukkan bahwa, bentuk tegangan impulsa yang di hasilkan dari switching shere gap adalah sesuai dengan bentuk pelepasan energi yang tersimpan dari kapasitor storage ke elektroda, Velek. Demikian juga, dari Gambar (4.9), terlihat selisih diantara ke-dua impulsa akibat efisiensi dari generator tegangan, Vin.

4.3.5. Penentuan Kondisi Rupture

Membran sel, seperti telah dijelaskan pada bahagian 2.3, adalah terdiri dari Lipoprotein ( Lipid/ lemak dan protein) dan karbohidrat yang bersifat

semipermeabel sehingga memungkinkan molekul-molekul atau ion-ion dapat masuk atau keluar dari membran tersebut. Adanya ion-ion positif di luar sel dan ion-ion negative didalam sel, yaitu

Na + , K + , Ca + + , Cl¯, A¯ dan sebagainya (Gabi, et al.,2007) maka akan menimbulkan suatu beda potensial yang juga memenuhi hukum Nernst. Secara quantitatif, persamaan potensial dalam keadaan normal, resting potential, dalam sel menurut Goldman-Hodgkin-Katz adalah sesuai dengan

potensial Nernst

termasuk konsentrasi anion-anionnya (Gabi et al.,2007). Kemudian, berdasarkan analogi elektronik telah dibuat seperti pada Gambar 2.13 ( Kraus, 1999). Beda potensial Nernst akibat perbedaan konsentrasi ion-ion dalam keadaan normal adalah sekitar 140 mV. Sedangkan proses terjadinya kondisi rusak, break down atau rupture, adalah ketika membran sel dibawah pengaruh medan elektrik E maka akan terjadi perpindahan ion-ion positif kedalam membran dan ion-ion negative keluar dari membran. Bila keadaan ini terus berlangsung dan dengan intensitas medan elektrik E yang kuat yang dipresentasikan oleh potensial Nernst maka dapat mengakibatkan sifat membran sel menjadi irreversible akibat terjadinya ionisasi yang berantai. Hal ini sejalan dengan Potensial Transmembran, PTN

(Jayamkondan et al., 1999; Lebovka et al., 2003; Fang et al., 2006).


Disisi lain, membran sel dapat dianalogikan sebagai suatu bahan dielektrik pada sebuah kapasitor atau pada elektroporasi, yang mengandung muatan positif dan negatif seperti dijelaskan pada bahagian 2.2.5. Proses terjadinya keadaan

breakdown pada kapasitor adalah

apabila potensial diantara kedua elektroda

melampaui batas medan elektrik yang terjadi pada bahan dielektrik maka akan terjadi kerusakan permanen atau terjadi kebocoran. Sedangkan secara matematis, penentuan kondisi rusak rupture, dapat ditentukan dengan persamaan (2-28) atau persamaan (3-2), dimana terjadi penurunan kekuatan dielektrik membran suatu sel ketingkat irreversible yang diperoleh dari hubungan antara tegangan elektroda yang dipresentasikan oleh perbandingan fluks dielektrik sesudah perlakuan terhadap kondisi normalnya, yaitu: untuk kondisi normal, kekuatan dielektrik membran adalah sebagai berikut.

Dn = εo εr En (dalam keadaan normal) dan, Dr = εo εrr Er (dalam keadaan rupture). Dan, bila perbandingan medan elektrik E*= Er/ En

maka, dalam keseimbangan densitas berlaku hubungan

sebagai berikut.

Dn = Dr , dan bila disubstitusikan nilai dielektrik membran sel saraf pada keadaan normal sebesar, εr = 2 ( Singh, 2001), maka diperoleh:

εrr=2En/Er

4-6

4.4. Data Hasil Penelitian Objek

Data hasil penelitian terhadap objek membran sel saraf ini diperoleh adalah berdasarkan rangkaian eksperimen seperti pada Gambar 3.1. Pengukuran tegangan elektroda Velek dilakukan dengan mengendalikan tegangan pembangkit Vin. Untuk setiap kenaikan tegangan pembangkit Vin dicatat, sedangkan tegangan elektroda Velek diukur dengan Voltmeter. Untuk setiap kenaikan tegangan, proporsional terhadap peningkatan intensitas medan elektrik pada membran sel, dilakukan pemeriksaan dibawah mikroskop untuk melihat dampak yang terjadi. Dengan demikian, telah diperoleh suatu set data seperti berikut ini.


4.4.1. Data Dampak Peningkatan Tegangan

Berdasarkan rangkaian penelitian seperti pada Gambar 3.1, maka diperoleh suatu data yaitu seperti pada Tabel 4.2. Tabel 4.2. Data Pengendalian Tegangan Vin terhadap Velek dan Dampak Medan Elektrik Berpulsa Pada Nematoda. No Vin, kV 1 4,0 2 4,5 3 5,0 4 5,5 5 6,0 6 6,5 7 7,0 8 7,5 9 8,0 10 8,5 Dimana,

Velek, kV 3,36 3,75 4,20 4,60 5,00 5,45 5,85 6,30 6,70 7,15

Dampak (dielektrik) Aktif Aktif Kurang aktif Kurang aktif Tidak Aktif Tidak Aktif Tidak aktif Tidak aktif Rusak, Rupture Rusak, Rupture

T= 23 C ْ ; P= 760 mm Hg. n = 10 - 20 kali (Jumlah Picuan) t = 50 µs (Waktu Impulsa) Jumlah Nematoda dalam Sampel = 10 ekor, Panjang rata-rata = 0,8 mm; lebar rata-rata = 0,03mm; dc = 0,5 μm. Media: Air Pembesaran Mikroskop ~ 1000 x. Lama pemeriksaan = 5 ~ 20 menit.

4.4.2. Data Foto Dampak Peningkatan Tegangan

Data hasil pengamatan peningkatan medan elektrik E yang proporsional dengan peningkatan tegangan, Velek pada elektroda seperti pada Tabel 2, adalah seperti foto pada Gambar 4.10, pembesaran mikroskop (400 – 1000 kali) , berikut ini.


a

b

Gambar 4.10. Foto Dampak Peningkatan Intensitas Medan E, (a), Kondisi normal (kontrol), dan (b), Kondisi kurang aktif.


c, x 400

d, x 800

Gambar 4.10. Foto Dampak Peningkatan Intensitas Medan E, (c), Kondisi tidak aktif, dan (d), Kondisi rusak, rupture,mati.

4.5. Analisis Data Penelitian Objek

Sebelum dilakukan suatu perlakuan terhadap objek nematoda, maka terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan melalui mikroskop dan terlihat kondisi gerakannya sangat aktif sehingga keadaan ini dibuat sebagai kontrol, yaitu seperti

pada

Gambar 4.10(a). Selanjutnya, objek, nematode di masukkan kedalam ruang sampel, chamber, lalu dilakukan perlakuan dengan menaikkan tegangan secara bertahap, sesuai pada Gambar 3.1, dan setiap kenaikan tegangan elektroda Velek,


dilakukan pemeriksaan di bawah mikroskop sehingga diperoleh suatu data penelitian untuk peningkatan tegangan yaitu seperti pada Tabel 4.2 dan hasil foto mikroskop seperti pada Gambar 4.10. Secara umum, sesuai dengan data pada Tabel 4.2 dan dampaknya seperti foto pada Gambar 4.10, maka terlihat suatu dampak yang sangat positif, artinya untuk setiap

peningkatan potensial elektroda adalah proporsional dengan

peningkatan intensitas medan elektrik E di dalam wadah, dan sekaligus berdampak tidak saja terjadi peningkatan potensial transmembran pada protein tetapi juga terjadi reduksi ketebalan pada membran sel yang mengindikasikan terjadinya proses ionisasi sehingga terjadi depolarisasi,. peningkatan konsentrasi ion-ion positif di dalam dan ion-ion negatif keluar dari membran sel. Kemudian, peningkatan tegangan/ potensial elektroda Velek, proporsional dengan peningkatan intensitas medan elektrik E, maka dampaknya meningkat dan mulai terlihat pada tegangan 4,20 kV hingga tegangan 4,60 kV, sesuai dengan hasil foto 4.10(b), gerakan nematode menjadi kurang aktif, kondisi ini menunjukkan bahwa, proses ionisasi berlanjut dan peningkatan konsentrasi ionion pada membran sel juga meningkat, sesuai dengan potensial Nernst. Namun, pada kondisi ini belum mencapai kondisi kritis, membran masih dalam keadaan

reversible atau kekuatan dielektrik membran sel masih berfungsi secara minimal. Selanjutnya, pada tegangan elektroda Velek sebesar 5,00 kV sampai dengan 6,30 kV, sesuai dengan foto Gambar 4.10(c), kondisi tidak aktif, kondisi ini menunjukkan bahwa, proses ionisasi lebih tinggi dibanding dengan pada kondisi sebelumnya dan peningkatan konsentrasi ion-ion pada membran kemungkinan telah mendekati nilai ambang beda potensial kritis sebesar 1,0 V( Fang, 2006) atau 1,50 V (Frida et al., 2000), sehingga terjadi awal kerusakan sel, yang berisi Lipoprotein dan karbohidrat, bahan dielektrik, yang juga menunjukkan dampak

irreversible. Akhirnya, pada kondisi tegangan elektroda Velek sebesar 6,70 kV sampai dengan 7,15 kV, dan sesuai dengan foto Gambar 4.10(d), terjadi kerusakan permanent. Hal ini diakibatkan oleh dampak intensitas medan elektrik E yang kuat sehingga secara kimia, muatan atau ion-ion negative di dalam membran keluar


dari membran dan sebaliknya, reorient, terjadi kreasi pore hydrophylic sehingga dapat menghantarkan arus listrik yang menyebabkan membran irreversible. Perubahan muatan ion-ion tersebut secara skematik diperlihatkan seperti pada Gambar 4.11. Dengan kata lain, kekuatan dielektrik yang berisi bahan Lipoprotein dan karborbohidrat telah rusak atau terjadi suatu pemaksaan sifat dari bahan dielektrik (isolator) menjadi konduktor, akibatnya metabolisma dan potensial tubuh sebagai energi aktivasi pada saraf menjadi terhenti, mati.

Gambar 4.11. Reorient ion-ion, (a) normal, (b) ionisasi, (c) reorient

4.5.1. Analisis Tegangan Pada Media Air

Analisis tegangan pada ruang sampel dengan wadah air secara perhitungan dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan (4-2). Untuk diameter membran sel saraf, dc = 0,5 μm (Tabel 4.2) dan dengan asumsi beda potensial membran sel saraf, ΔVs = 1,40 V (kondisi kritis) serta pada sudut θ = 30°, maka diperoleh tegangan elektroda, Velek = 6,20 kV, dan untuk beberapa besar sudut ditunjukkan seperti grafik pada Gambar 4.12(a) berikut. Sedangkan, berdasarkan data hasil penelitian seperti pada Tabel 4.2 pada kondisi yang tegangan Velek sebesar 6,70 kV menghasilkan dampak yang sama, hal ini diperlihatkan pada hasil foto pada Gambar 4.10(d).


4.5.2. Analisis Intensitas E Pada Media Air

Untuk menganalisis besar intensitas medan elektrik Es pada ruang sampel dengan media air secara teoritis dapat ditentukan melalui perhitungan dari persamaan (4-2) untuk tegangan elektroda Velek, dan persamaan (4-3) untuk intensitas medan elektrik Es. Untuk menentukan besar intensitas medan elektrik tersebut dengan asumsi, diameter membran sel saraf, dc = 0,5 μm dan beda potensial membran sel saraf,

ΔVs = 1,40 V (kondisi kritis) serta sudut θ = 30°, maka diperoleh tegangan elektroda, Velek = 6,20 kV. Sedangkan sesuai dengan data hasil penelitian seperti pada Tabel 4.2 pada kondisi tegangan Velek sebesar 6,70 kV telah terjadi dampak kerusakan, rupture pada membran. Selanjutnya, sesuai dengan data pengendalian tegangan seperti pada Tabel 4.2, maka dapat diperkirakan bahwa pada kondisi tegangan minimal Vi =7,50 kVolt atau Velek = 6,30 kV, telah terjadi efek awal breakdown, rupture, hal ini diperkuat dengan hasil foto seperti pada Gambar 4.11(c), kondisi tidak aktif. Kemudian, sebagai lanjutan proses seperti pada bahagian 4.5.1 diatas, dimana pada kondisi tegangan elektroda secara perhitungan sebesar Velek = 6,20 kV dan data penelitian, tegangan elektroda Velek sebesar 6,70 kV telah terjadi dampak kerusakan, rupture pada membran dengan toleransi sebesar 8.06 %. Dengan demikian, maka bila dibandingkan dari kedua nilai perhitungan dan data penelitian serta dukungan foto seperti pada Gambar 4.11(d), maka besar intensitas medan elektrik pada kondisi tersebut dan dengan

persamaan (4-3)

diperoleh sebesar Es = 37,33 kV/cm, atau setara dengan kelipatan 10 kali terhadap keadaan normalnya. Selanjutnya, akibat peningkatan intensitas medan elektrik sebesar 10 kali dari nilai normalnya maka pada kondisi ini telah terjadi suatu penurunan kekuatan dielektrik hingga 10 kali, atau turun menjadi 0,2 kali terhadap nilai normalnya,


sesuai dengan persamaan (4-6). Dalam kondisi yang demikian, membran yang terdiri dari Lipoprotein dan karbohidrat telah rusak akibat gerakan ion-ion. Jadi, pada kondisi tegangan elektroda tersebut, Es = 37,33 kV/cm dan kekuatan dielektriknya turun menjadi

0,2 kali terhadap nilai normalnya,

diperlihatkan seperti pada Gambar 4.12b berikut ini.

T e g a n g a n E le k t ro d a , k V

Tegangan Elektroda Wadah Air -vs- Sudut 12000 10000 8000 6000 4000

0

10

20

30 40 Sudut, Derajat Dielektrik Membran Sel,ers -vs- Er/Eo

50

60

2

e rs

1.5 1 0.5 0

0

1

2

3

4

5 6 n =Er/Eo

7

8

9

10

Gambar 4.12. Grafik Tegangan Elektroda Wadah Air terhadap Sudut (a), dan (b) Penurunan nilai dielektrik pada kondisi Velek, 5,372 kV.

4.5.3. Analisis Rupture Pada Lipid Bilayer


Sesuai dengan data pengendalian tegangan seperti pada Tabel 4.2, maka dapat diperkirakan bahwa pada kondisi tegangan minimal Vi =7,5 kVolt atau

Velek = 6,3 kVolt, telah terjadi efek awal breakdown, rupture, kerusakan bahan dielektrik membran sel saraf tersebut. Dapat dijelaskan bahwa, terjadinya kondisi rupture adalah apabila terjadi peningkatan intensitas medan elektrik yang sangat kuat, melebihi potensial kritis transmembran maka akan mengakibatkan reduksi ketebabalan, mengecil, pada membran dan menyebabkan terjadinya peningkatan kreasi pore hydrophylic pada

Lipid Bilayer sehingga terjadi kebocoran, rusak, rupture sehingga arus listrik mengalir dan ahirnya membran menjadi irreversible. Hal ini diperlihatkan seperti pada Lampiran III. Akibat terjadinya kebocoran maka zat-zat kimia di dalam membran keluar sehingga nematode mati. Hal ini diprediksi beda potensial telah mencapai antara 1 – 1,4 V ( Fang, 2006; Frida et al., 2000 ) dan sebesar 0,2 – 1,5 V pada membran sel mamalia (Frida et. al., 2000) dan 1 V ( Zimmermann, 1982; Pizzichemi,

2007). Dalam kondisi ini dan sesuai dengan persamaan (4-3), maka dalam keadaan normal (ΔVs = 0,14 V) untuk diameter sel 0,5 μm, diperoleh 3,733 kV/cm, dan dalam keadaan (ΔVs = 1,4 0V) diperoleh Ers = 37,33 kV/cm maka proses elektroporasi telah terjadi sehingga membran pada saluran protein maupun Lipid telah rusak, rupture, seperti pada Lampiran IV. Kemudian, bila besar medan elektrik yang di alami oleh membran sel yang diwakili oleh Ers

dibandingkan dengan hasil yang diperoleh oleh peneliti

terdahulu yaitu membran sel bakteri Ecoli adalah sebesar 5 – 20 kV/cm, model Peleg ( Zong et al., 2005), model simulasi Peleg sebesar 5 – 20 kV/cm (Zhong et

al., 2005), 20 – 80 kV/cm (Pizzichemi, 2007), 35 kV/cm (Somolinos et al., 2008; Zhao et al., 2008) ), pada biological effects sebesar 40 kV/cm (Hanafi et al., 2008) sedangkan untuk bakteri pada umumnya adalah sekitar 25 kV( Zhang et al. 1995) dan untuk pasteurisasi mikroorganisma adalah sebesar 20 – 50 kV/cm ( Ngadi et

al., 2003).


Dari besaran Es tersebut di atas, perbandingan densitas D antara medan elektrik dalam keadaan rupture Ers, terhadap pada keadaan normal Es dapat dihitung melalui persamaan (4-6). Dengan demikian, peningkatan kekuatan dielectric strength mencapai 10 kali adalah suatu indikasi bahwa membran sel saraf telah ‘pecah’, rupture. Hal ini dapat dibuktikan melalui persamaan (4-6), yaitu:

εrr= 2En/Er Kemudian, bila:

Er = p En. dimana p adalah peningkatan tegangan

elektroda atau sebagai nilai perbandingan dalam bilangan bulat, maka hubungan

En/Er terhadap p ( nilai p = 1 – 10) dapat digambarkan seperti pada Gambar 4.13, berikut ini. err -vs- n 2 1.8 1.6 1.4

err

1.2 1 0.8 Efek rupture

0.6 0.4 0.2

0

1

2

3

4

5 n=Er/En

6

7

8

9

10

Gambar 4.13. Grafik Peningkatan Intensitas Medan E Terhadap Penurunan kekuatan Dielektrik Membran. Berdasarkan analisis diatas maka akibat peningkatan potensial melampaui batas ambang maksimal di antara membran maka sifat membran yang semula berupa isolator berubah menjadi konduktor. Hal ini akan mengakibatkan zat-zat dan ion-ion di dalam membran akan keluar dari jaringan.

4.6. Analisis Pengaruh Faktor Diameter


Untuk penentuan pengaruh dari faktor jari-jari terhadap peningkatan potensial membran saraf maka dapat ditentukan melalui persamaan (3.5). Namun persamaan tersebut dapat dihampiri dengan besaran:

Δ . Dalam hal ini, nilai dc

besaran tersebut diasumsikan sebesar: 0 – 0.3. Dengan memperhitungkan faktor kesalahan pengukuran jari-jari membran sel saraf maka dapat diperoleh dengan mensubstitusikan nilai asumsi maksimum besaran

Δ = 0,3, maka dari hubungan persamaan-persamaan (4-3), (4-4) dan (4dc

5), sehingga untuk kondisi: ΔVs =1,4 volt, θ = 0˚, dapat diperoleh, Vin = 10,953 kV. Untuk kondisi yang lain maka dapat ditentukan secara analogi.

4.7. Analisis Kapasitansi Sel Saraf Terhadap Waktu

Penentuan besar kapasitansi membran sel saraf dapat ditentukan berdasarkan persamaan (2-38). Dengan mensubstitusi persamaan (2-36) ke persamaan (2-38), maka diperoleh:

Cm =

τσA l

F / m2

4-7

Bila nilai besaran-besaran seperti pada persamaan (4-7) disubstitusi yaitu,

σ = 10 −6 Ω −1m −1 , luas nematode A yaitu, panjang 0.8 mm dan lebar 0,03mm, maka diperoleh C m = 0,84 pF . Sedangkan nilai yang diperoleh Lebovka adalah C m = 3,5 *10 −3 F / m 2 (Lebovka et al.,2003)

atau, untuk ukuran luas membran yang sama maka

diperoleh besar C m yang sama, yaitu sebesar C m = 0,84 pF . Kemudian, konstanta waktu induksi, relaksasi, τ (63 % dari muatan, tegangan pada kapasitor maksimum) dapat dihitung dari persamaan 2.40, yaitu 17,7 µs, dan 5τ (99 %) adalah 88,5µs. Hal ini sesuai dengan persamaan low pass filter RC, seperti pada persamaan (2-41), yaitu:


−t

v(t ) = v(o)[1 − e τ ] Bila persamaan (2-41) digambarkan maka akan diperoleh seperti Gambar 4.14 di halaman berikut ini. Respon Tegangan RC-vs-t 1 0.9 0.8

Vsel,repture

Vmembran, Volt

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

Vsel, normal

0.1 0

0

10

20

30

40 50 t = us

60

70

80

90

Gambar 4.14. Grafik Tegangan Vsel membran terhadap waktu induksi t.

4.8. Penentuan Daya Serap Energi Membran Sel

Besar Energi elektrik yang tersedia pada kapasitor Cb dari pembangkit impulsa seperti pada gambar (2-7) adalah sesuai dengan persamaan (2-32). Untuk kondisi membran breakdown, atau rupture, adalah Velek = 6,3 kVolt dan kapasitansi Cb pada rangkaian impulsa sebesar 0,25 µF maka diperoleh: Q

W=

1 1 Q2 1 = ∫ qdq = = CV 2 = 1 / 2.0,25.10 −6 F .(6,3kV ) 2 = 4,9 Joule 2 C 2 C 0

Sedangkan, daya yang tersedia selama waktu terjadinya impulsa selama 50 µs seperti pada gambar 4.10 adalah sebesar:

p=

W 4,96 J = = 99,225 kWatt t 50μs

Dengan demikian, energi yang diterima oleh sell membran pada kondisi potensial rupture adalah sebesar 1,4 Volt (grafiik pada Gambar 4.12 ) dan nilai


kapasitansi membran sel saraf Cm yang sesuai dengan persamaan ( 4-7) yaitu sebesar 0,84 pF maka diperoleh energi yang tersimpan adalah sebesar: Q

W=

1 1 Q2 1 = ∫ qdq = = CV 2 = 1 / 2.0,84 pF .(1,4V ) 2 = 0,823 pJoule 2 C 2 C 0

Sehingga, daya dissipasi, diserap oleh membran sel dalam suatu impulsa dihitung adalah sangat kecil, yaitu sebesar:

p=

W 0,823 pJ = = 16,464μWatt. t 50μs

4.9. Penetuan Kapasitansi dan Energi Ruang Sampel

Berdasarkan spesifikasi model ruang sampel seperti pada gambar 3.3, maka ruang sampel tersebut diasumsikan sebagai

suatu analogi dari kapasitor plat

sejajar. Dengan demikian, spesifikasi wadah/ruang sampel, yaitu: Panjang =23 mm, lebar dan tinggi masing-masing 10 mm dan di isi dengan media air (εr = 80) maka besar C sesuai dengan persamaan (2-29) adalah sebesar: Cwadah = 1,628 pF. Dengan demikian, energi yang tersimpan pada saat picuan impulsa adalah sesuai dengan persamaan (2-32) yaitu: Q

1 1 Q2 1 W = = ∫ qdq = = CV 2 = 1 / 2.1,62810 −12 F .(6,3kV ) 2 = 32,31μJoule 2 C 2 C 0 Dan, bila dikonversikan

ke kalori, dimana 1Joule = 0,24 kalori maka

diperoleh 7,754 µkalori. Dengan nilai kalor yang didissipasi tersebut ke dalam ruang sampel maka tidak akan menimbulkan kenaikan suhu di dalam wadah air, sehingga disebut

non-thermal. Dalam keadaan ini, suhu dalam wadah masih dibawah nilai ambang kenaikan suhu air sebesar 1 ˚C. Dan, bila di hitung daya dissipasi didalam ruang sampel maka akan diperoleh sebesar:

p=

W 32,31μJ = = 0,646 Watt. t 50 μs


4.10. Simulasi Komputasi Tegangan Terhadap Media

Untuk memudahkan analisis hubungan antara tegangan elektroda dengan arah sudut θ objek di dalam ruang sampel secara grafis, maka terlebih dahulu dibuat persamaan umumnya. Sesuai dengan persamaan tegangan elektroda, Velek. pada persamaan (4-2) dan persamaan medan elektrik sel, Es pada persamaan (4-3) serta hubungannya dengan tegangan input, Vin maka untuk berbagai media dari model yang telah dibangun, Gambar 3.3, berlaku seperti pada persamaan 4.5, yaitu:

Vin = 2,346. ΔVs Secθ . + 0,0171 kVolt Berdasrkan persamaan 4.5 tersebut maka dapat ditentukan Grafik hubungan antara satu besaran dengan besaran yang lainya. Mekanisme proses perhitungan dilakukan dengan suatu diagram alir seperti pada lampiran 2. Untuk spesifikasi model ruang sampel seperti gambar 3.3 yaitu, panjang 23 mm, tinggi 10 mm, lebar 10mm dan tebal 1mm yang terbuat dari fiber glass (dielectric strength, 30 MV/m), serta konstanta dielektrik relative masing-masing media yaitu: εri =3,4; εrt = 3; εrs = 2; εair = 80; εru = 1; εrk = 4;εro =10, dan diameter sel = 0.5 μm, maka diperoleh tegangan elektroda hasil simulasi pada wadah air, tanah dan udara adalah sebagai berikut. 4.10.1. Simulasi Tegangan Elektroda Media Tanah

Untuk perhitungan tegangan elektroda dengan media tanah dapat dilakukan melalui persamaan-persamaan (3-1), (3-2), dan (2-34) maka diperoleh tegangan elektroda sebesar 30,98 kV pada sudut θ = 0 °, dan untuk sudut yang lain diperlihatkan seperti pada Gambar 4.15(a). Sedangkan untuk

peningkatan

intensitas medan elektrik sebesar 10 kali dari normalnya terjadi penurunan kekuatan dielektrik membran menurun hingga 0,2 . Hal ini membuktikan bahwa membran telah pecah, rupture, dan diperlihatkan seperti pada Gambar 4.15(b).


T egangan E lek troda, k V

4

7

Tegangan Elektroda Wadah Tanah -vs- Sudut

x 10

6 5 4 3

0

10

20


50

60

2

ers

1.5 1 0.5 0

0

1

2

3

4

5 6 n =Er/Eo

7

8

9

10

Gambar 4.15. Grafik Tegangan Elektroda wadah tanah terhadap Sudut (a), dan (b)Penurunan nilai dielektrik membran.

4.10.2. Simulasi Tegangan Elektroda Media Udara

Untuk perhitungan tegangan elektroda dengan media udara dapat dilakukan melalui persamaan-persamaan (3-1), (3-2), dan (2-34) maka diperoleh tegangan elektroda sebesar 89,33 kV pada sudut θ = 0 °,dan meningkat secara tajam untuk sudut yang lebih besar, hal ini diperlihatkan seperti pada Gambar 4.16(a). Sedangkan untuk

peningkatan intensitas medan elektrik sebesar 10 kali dari

normalnya terjadi penurunan kekuatan dielektrik membran menurun hingga 0,2 . Hal ini membuktikan bahwa membran diasumsikan telah pecah, rupture, dan diperlihatkan seperti pada Gambar 4.16(b).


Tegangan E lek troda, k V

4

7

Tegangan Elektroda Wadah Udara -vs- Sudut

x 10

6 5 4 3

0

10

20


50

60

2 1.5 ers

1 0.5 0

0

1

2

3

4

5 6 n =Er/Eo

7

8

9

10

Gambar 4.16. Grafik (a) Tegangan Elektroda Wadah Udara Terhadap Sudut, dan (b) Penurunan nilai Dielektrik Membran

4.11. Simulasi Tegangan Elektroda, Velek Media Terhadap Sudut

Hasil perhitungan secara simulasi terhadap besar tegangan elektroda dari beberapa kondisi media air, tanah dan udara dan terhadap sudut datang θ akibat intensitas medan elektrik E terhadap objek dapat di tentukan. Demikian juga untuk terhadap keadaan rupture untuk masing-masing media diperoleh seperti berikut ini. Untuk perhitungan tegangan elektroda dengan media air, tanah dan udara secara simultan dapat dilakukan melalui persamaan-persamaan (3-1), (3-2), dan (2-34). Selanjutnya, untuk kondisi sudut θ = 0°, diameter sel dc = 0,5 μm dan ΔV = 1,4 V maka diperoleh tegangan elektroda masing-masing media diperoleh sebesar 5,373 , 30,98 dan 89,34 kV. Kemudian, bila digrafikkan secara simultan,


yaitu antara tegangan dengan media air, tanah dan udara maka diperoleh suatu tegangan elektroda yang paling besar peningkatan tegangan elektroda terjadi pada media udara, yaitu sebesar 89,34 kV seperti pada Gambar 4.17(a). Dan, penurunan terhadap kekuatan dielektrik menjadi 0,2 untuk berbagai kondisi peningkatan

Velek diperlihatkan seperti pada Gambar 4.17(b), seperti berikut ini.

Simulasi Tegangan Elektroda Media Air -vs- Sudut V e le k , k V

7000 6000 5000

0

15 20 25 Sudut, Derajat Simulasi Tegangan Elektroda Media Tanah -vs- Sudut

4

V e le k , k V

0

V e le k , k V

x 10

0

4 3.5 3

120 100 80

5

10

30

5

10

30

5

10

30

15 20 25 Sudut, Derajat Simulasi Tegangan Elektroda Media Udara -vs- Sudut

15 20 25 Sudut, Derajat Penurunan Dielektrik Membran Sel,ers -vs- Er/Eo

2 e rs

1 0

0

1

2

3

4

5 6 n =Er/Eo

7

8

9

10

Gambar 4.17. Grafik Tegangan Elektroda pada kondisi (θ = 0°, dc = 0,5 μm), untuk wadah Air (a), Tanah (b) dan Udara (c) terhadap Sudut, dan (d) penurunan nilai dielektrik membran sel saraf.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan data dan hasil analisis pada penelitian ini maka dapat disimpulkan sebagai berikut.

5.1. Kesimpulan

1. Sistem pelepas muatan elektrik berpulsa menggunakan sphere gap telah dapat digunakan pada tegangan sebesar 18,5 kV, dengan toleransi sebesar 5,945 % dari harga Tabel Standar Elektroda Bola, 17,4 kV. 2. Metoda MEBTT dengan komponen sphere gap sebagai pengganti

switching transistor dapat dipergunakan, dan dengan bentuk persamaan matematis, Velek = 1,9187 .

ΔVs Secθ .kVolt . dc

3. Dampak MEBTT pada membran selluler, Lipid Bilayer, Lipoprotein, terbukti dapat merusak, rupture. Hal ini disebabkan oleh pengaruh medan elektrik yang kuat sehingga berdampak pada peningkatan potensial transmembran oleh protein, ion-ion reorient maka ketebalan membran sel megecil, tercipta kreasi pore hydrophilic, saluran protein dan Lipid terjadi kebocoran akibat membran rusak, rupture. Dengan perkataan lain, dampak medan elektrik menyebabkan potensial transmembran meningkat sehingga terjadi kebocoran pada Lipid Bilayer atau terjadi pemaksaan pada lipoprotein, bahan dielektrik(isolator), berubah menjadi bahan konduktor,

elektromechanical. Dan, tidak terjadi efek panas pada wadah,

32,31

μJoule. 4. Dampak merusak terjadi pada kondisi tegangan elektroda minimal sebesar 6,70 kV, dengan perhitungan diperoleh 6,20 kV pada sudut θ = 30°, dengan toleransi sebesar 8,06 % atau setara dengan intensitas medan


elektrik yang dirasakan membran sebesar 37,33 kV/ cm pada kondisi

gradient potensial ΔV = 1,40 V, θ = 0°, diameter sel dc = 0,5 μm. 5. Hasil ini cukup dekat dengan penelitian yang berhubungan dengan membran yaitu, model simulasi Peleg, membran E. Coli adalah sebesar 5 – 20 kV/cm (Zhong et al., 2005), 20 – 80 kV/cm (Pizzichemi, 2007), 35 kV/cm (Somolinos et al., 2008; Zhao et al., 2008) ), biological effects 40 kV/cm (Hanafi et al., 2008) untuk bakteri sebesar 25 kV/cm (Zhang et al.,

1995), pasteurisasi mikroorganisma sebesar 20 – 50 kV/cm (Ngadi et al., 2003).

5.2. Saran

1.

Untuk menggunakan peralatan sphere gap sebagai pemicu yang kuat harus sangat hati-hati karena tegangan operasionalnya sangat tinggi sehingga perlu di discharged sebelum dioperasikan karena apabila tersengat maka dalam hitungan detik dapat melumpuhkan saraf yang dapat mematikan nyawa!

2.

Dapat digunakan sebagai sterilisator mikroorganisma pada proses akhir pada food product, water treatment, juga pada alat –alat kimia, kedokteran dan pada rekayasa genetika, sinar Laser daya besar, pemantik rudal dan sebagainya yang ramah lingkungan.


DAFTAR PUSTAKA

1.

Andreas Westphal, Detection and Description of Soils With Specific Nematode Suppressiveness, Journal of Nematology 37(1), 2005;121-130.

2.

Anpilov, A.M., Barkhudarov, E.M., Christofi N., Kovev, V.A., Kossyi, I.A., Taktakishvili, M.I.and Zadiraka Y., Pulsed high Voltage Electric Discharge Disinfection of Microbially Contaminated Liquids, Letters in Applied Microbiology, Volume 35 Issue 1, 2002; 90-94.

3.

Arismunandar, Prof., dan DR. Artono, Teknik Tegangan Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta, 1994.

4.

Atungulu, G.G., Drying Agriculture products Using High Electric Field, An International Journal for Reviews in in Postharvest Biology and Tecnology, 2006.

5.

Edminister, J.A., Electromagnetics, Schaum’s Easy Outlines, The McGrawHill Companies, 2002.

6.

Fajar, A., dan Orihara, H., Dielectric Properties of Smectic-C*Phase of MHPOBC Liquid Crystal Under DC Electric Field, Indonesian Journal of Material Science, Vol. 7, No. 2, Batan, Indonesia 2006; 17.

7.

Fang J., Piao Z. and Zhang X., Study on High-Voltage Pulsed Electric Fields Sterilization Mechanism Experiment, The Journal of American Science, 2(2), 2006; 39-43.

8.

Fox, M.B., Pulsed Electric Field Inactivation in a Microreactor, PhD. Thesis Wagenigen University, The Netherland, 2006.

9.

Gaudreau, M., T. Hawkey, J. Petry, M. Kempkes, Solid State Power Systems For Pulsed Electric Field Processing, Diversified Tecnologies, Inc.,35 Wiggins Avenue, Bedford, MA 01730 USA, 2006.

10.

Gabi Nidndl Waite, Lee R. Waite, Applied Cell and Molecular Biologi for Enggineers, McGraw Hill, NY, 2007: 40, 268-274.

11.

Hanafii, M.S., Mohamed, H.A., El-Hadi, E.A., Effect of Frequency Electric Field on Growth Characteristic and Protein Moleculer Structure of Wheat Plant, Romanian J.Biophys., Vol. 16, No. 4, 2006; 253-271.


12.

Halmann, G.J., and Zhang, Q.H., Inhibition of Fruit Fly (Diptera:Tephritidae) Develompment By Pulsed Electric Field, USDAARS, Weslaco, Texas, 1997:239-240.

13.

Hee-Kyu Lee, Electrical Sterilization of Juice By Discharged HVI Waveform, American Journal of Applied Sciences 2(10), 2006: 2076-2078

14.

Hendry, M. Eppich, Russell Foxall, Dombkowski, K.G., Miura, N., Cheng, T., Silva-Arietta, Evans, R.H., Preffer, F.I. and Scadden D.T., Pulsed Electric Fields for Selected Hematopoietic Cells and Depletion of Tumor cells Contaminants, Nature Biotechnology, 18, 2000;882-887.

15.

Jacquelli, P., et. al., Early Response of Resistant and Succeptible Potato Roots during Invasion By the Potato Cyst Nematode G, Journal of Experimental Botany, Vo. 55, No. 397, 2004; 751-760.

16.

Kermanshahi, R.K., Mohammad Reza Sailani, Effect of Static Field Treatment on Multiple Antibiotic-Resistant Phathogenic Strain of Escherichia Coli and Staphylococcus Aureus, J. Microbiol Immonol Infect, 38, 2005; 394-398.

17.

Kind, D., High Voltage Test Techniques, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft, Braunschweig, 1978..

18.

Kraus, J.D., Fleisch, D.A., Russ, S.H., Electromagnetics with Applications, 5th ed.,WCB, McGraw-Hill, Toronto, 1999.

19.

Lebovka, N.I., Vorobiev, E., On the Origin of the Deviation from the first order kinetics in inactivation of Microbial Cell by Pulsed Electric Fields, Physics /0306118 V1, 2003.

20.

Lee, H.K., Electrical Sterelization of Juice by Discharged HV Impulse Waveform, American Journal of Applied Sciences 2(10), 2006; 2076-2078.

21.

Manson, C., Pulsed Power Technology and Application-Scandinavia, EPRI, Palo Alto, CA, 1999.

22.

Meiners, S.E., An Impulse Generator Simulation Circuit,Thesis of Master of Science of Electrical Engineering, University of Pittsburgh, 2002.

23.

Mustika, I., dan Zainuddin, R., Pemanfaatan Jamur Nematofagus untuk Mengendalikan Nematoda Parasit Pada Tanaman Dan Ternak, Balai Penelitian Tanaman Rempah dan Obat, Bogor, 2004.

24.

Ngadi, M., Bazhal, M., Pulsed Electric Field Assisted Juice Extraction, An International Journal for Reviews in in Postharvest Biology and Tecnology, 2006.


25.

Ngadi, M.O., Bazhal, M.I. and Raghavan, G.S.V., Engineering Aspects of Pulsed Electroplasmolysis of Vegetable Tissues, Agricultural Engineering International: The CIGR Journal of Scientific Research and Depelopment, Vol. V., Canada, 2003

26.

Pizzichemi, M.G.O, Application of Pulse Electric Fields to food treatment, Nuclear Physic B 172, 2007; 314-316.

27.

Pol, I.E., Pulsed-Electric Field Treatment Enhances the Bactericidal Actio of Nissin Against Bacillus cereus, Applied and Environmental Microbiology, 200; 428-430.

28.

Puskara, Daftar Organisme Penggangu Tumbuhan Potensial yang Dilaporkan Telah Terdapat di Wilayah Indonesia, Jakarta, 2000.

29.

Price, T.V., Plant-Parasitic Nematodes, Prosiding Pelatihan Nematologi, Pusat Karantina Pertanian, Jakarta, 2000; 27-34.

30.

Rowan, N.J., Scott J., MacGregor, John, G.A., Cameron D and Farish O., Inactivation of Mycobacterium Paratuberculosis by Pulsed Electric Fields, Applied and Environmental Microbiology, Vol. 67, No. 6, 2001;2833-2836.

31.

Scannell, E.P., Progress In Directed Energy Weapons, Part III: Pulsed power DEW, WSTIAC News Letter, Vol. 4 No.4, 2004.

32.

Schoenbach, K.H., Alden, R.W. and Fox, T.J., Effects of Pulsed Electric Field on Aquatic Nuisance Species, In Zebra Mussels and Aquatic Nuisance Species ed. D’Itri, F.M. Chelsea, MI, USA, 1997;399-406

33.

Setiabudi, R., Santoso, A., Analysis Karakteristik Tegangan Potong Gas Discharged Tube dan Metal Oxide Varistor, Jurnal Teknologi, No. 3, Tahun XVII, 2003;140-142.

34.

Singh, P.R., Technical Element of New and Emerging Non-Thermal Food Technologies, Part I, FAO, 2001.

35.

Sirait K.T, Prof.., Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi, Penerbit ITB, Bandung 1993; 34-39.

36.

Somolinos, M., Garcia, D., S. Condon, R. Pagan, Effect of Environmental Factor and Cell Physiological State on Pulsed Electric Field Resistance and Repair capacity of Various Strain of E. Coli, Int’l Journal of Food Microbiology 124, 2008; 260-267

37.

Tarigan, K., Model Matematik Efek Pulsa Medan Elektrik Terhadap Peningkatan Potensial Membrane Saraf Sebagai Pengendali Nematoda


Parasit, Dunia Pertanian Sebagai Pengaman Ketahanan Pangan Sekaligus Penyelamat Lingkungan, Prosiding, Fak. Pertanian USU Medan, 2008. 38.

Tarigan, K., The effect of Impulse Electric Field on Dielectric Nervous Membrane of Parasitic Nematode, Int’l Seminar On Chemistry 2008, Book of Abstract Seminar Programme, Medan, 2008.

39.

Tarigan, K., Analysis and Measurement of Impulse High Voltage Efficiency From High Voltage DC Generator by RC Model, 1st International Post Graduate and Under Graduate Chemistry Conference, Proceeding, Himp. Mhs. Magister Ilmu KImia, SPS-USU Medan, 2007.

40.

Tarigan, K., Nitrogen Laser Fluorescence Spectrometer with Programmable Time Delay, Thesis Magister, Fak. Pascasarjana Program Studi Optoelektronika dan Aplikasi Laser, Jakarta, 1989.

41.

Tarigan, K., Rangkaian Pembangkit Pulsa Sangat Sempit untuk PMT, Seminar Penelitian Reguler Ke VII FMIPA USU- HEDS Project, 1997.

42.

Timoshkin, I.V., et al., Transient Electrical Field Across Cellular Membranes: Pulsed Electric Field Treatment of Microbiol Cells, Journal Physics. D: Appl. Phys., 39, 2006; 596-603.

43.

Tobing, B.L., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2003; 64-68

44.

Wijetunga, P, Xianyue Gu, Vernier, P.T., Kuthi A., Behrend M. and Gunderson M.A., Electrical Modelling of Pulsed Power System for Biomedical Applications, Department of Electrical EngineeringElectrophysics, Univ. of Souther California, Los Angeles, CA, 2004.

45.

Zhao, W., Ruijin Yang, The Effect of Pulsed Electric Field on Inactivation and Structure of Lysozyme, Food Chemistry 110, 2008; 334-343

46.

Zhong, K., Fan Chen, Jihong Wu, Zhengfu Wang, Xiaojun Liau, Xiaosong Hu and Zhenhua Zhang, Kinetics of Inantivation of E. Coli in Carrot Juice by Pulsed Electric Field, Journal of Food Process Engineering, Vol. 28 Issue 6, 2005: 595.


LAMPIRAN Lampiran I. Tabel Sela bola


Lampiran II. Diagram Alir Proses Dampak Medan Elektrik, E

Mulai

Parameter Wadah

Set Tegangan In

Baca, Velek

Velek ~ ΔV=1,4 ?

20 x

Mikroskop

Rusak ?

Selesai


Lampiran III

(a) Struktur Lipid Bilayer dalam keadaan normal


(b) Lipid Bilayer sebelum dan sesudah perlakuan medan elektrik.

Lampiran IV

Molekul Membran


DAFTAR RIWAYAT HIDUP


I. Data Pribadi Nama

: Drs. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc.

Nip

: 131 569 411

Tempat /Tanggal Lahir : Munte,Kab. Karo, 3 Feberuari 1960 Status Perkawinan

: Kawin

Agama

: Kristen Protestan

Jenis Kelamin

: Laki-laki

Pekerjaan

: Staf Pengajar Departemen Fisika, FMIPA USU

Alamat Rumah

: Jl. Jamin Ginting Gg. Purba No. 10 Pd. Bulan Medan Telp. (+61) 836 5669; hp: 0813 7594 1531 E-mail: [email protected]

Alamat Kantor

: Jl. Bioteknologi No. 1 kampus USU, Medan

Keluarga:

Istri

: Juliana Br Barus, ST.

Anak Pertama

: Stefiana Karina Br Tarigan

Anak Kedua

: David Inganta Pulung Tarigan

Ayah

: Nampe Tarigan (+)

Ibu

: Naik Br Sitepu


II. Riwayat Pendidikan 1. Lulus Sekolah Dasar (SD) Negeri 10 Kabanjahe, Tahun 1972. 2. Lulus Sekolah Menengah Pertama (SMP) Negeri Kabanjahe, Tahun 1975 3. Lulus Sekolah Menengah Atas (SMA) Negeri 109 Kabanjahe, Tahun 1979 4. Lulus Sarjana Fisika (S-1) FMIPA, USU Medan, Tahun 1984 5. Lulus Sekolah Pascasarjana (S-2) Univ. Indonesia, Jakarta, Tahun 1989 6. Lulus Sekolah Pascasarjana (S-3) USU Medan, 14 Mei 2009

III. Anggota Organisasi Profesi

1. Angota Himpunan Fisika Indonesia (HFI) Cabang Medan, 2003sekarang. 2. Angota Ikatan Fisika Laser Indonesia, 1989 – Sekarang. 3. Anggota, Indonesian Medical Physics and Biophysics Association (HFMBI).

IV. Kursus/ Pelatihan/ Pendidikan Tambahan

1. Reunable Tecnology Course (40 h’s), LFN Bandung, 1984. 2. Opto Electronics and Laser Application, Univ., of Indonesia, Jakarta,1989. 3. Intensive English Course, HEDS Project, UNSRI Palembang, 1991. 4. Intensive English Course, HEDS Project, UNSRI Palembang, 1992. 5. Control System Course, HEDS Project, Medan, 1995. 6. Training of Basics Skill, Medan, 2000. 7. Information and Tecnology Course, Medan, 2005. 8. Peserta Pelatihan penyusunan Pembuatan Proposal Penelitian DP2MDIKTI, Lembaga Penelitian USU, 2006. 9. Peserta Penyempurnaan/ Revisi Kurikulum dan Manajemen Laboratorium serta Penelitian, FMIPA USU, 2006.


10. Peserta Pelatihan Penyusunan Proposal Penelitian Program Intensif Riset & Teknologi KNRT, HPTP dan RAPID, Lembaga Penelitian USU, 2007. 11.Seminar and Workshop, Physics Contribution to Human and Biosystem, The 2006 Biophysics Seminar and 4th Southeast Asian Congress of Medical Physics (SEACOMP), UI Depok, 2006. 12.Sandwich Program, Completion of the Overseas Research Visit Program, at: 1. Plasma Physics, Auburn University, Alabama, USA, 2008. 2. Particle and Laser, University of Central Florida, Florida, USA, 2008. 3. Particle Physics, South Alabama University, Mobile USA, 2009.

V. Riwayat Pangkat

1. Capeg

: 1-1-1986

2. Penata Muda

III/a

: 1-1-1988

3. Penata Muda Tkt. I

III/b

: 1-1-1993

4. Penata

III/c

: 1-10-1995

5. Penata Tkt. I

III/d

: 1-10-1997

6. Pembina

IV/a

: 1-4-2004

VI. Pengalaman Jabatan

1. Asisten Ahli Madya

: 1-1- 1988

2. Asisten Ahli

: 1-4- 1993

3. Lektor

: 1-1- 2001 (Impassing)

4. Lektor Kepala

: 1-12-2003

VII. Riwayat Pekerjaan

1. Staf Ahli Laboratorium Elektronika 1995 – Sekarang. 2. Staf Ahli Laboratorium Spektroskopi 1990 – 2000.


2. Kepala Laboratorium Elektronika 1995 – 2000.

VIII. Publikasi/ Karya Ilmiah

1. Model Matematik Efek Pulsa Medan Elektrik Terhadap Peningkatan

Potensial Membrane Saraf Sebagai Pengendali Nematoda Parasit, Dunia Pertanian Sebagai Pengaman Ketahanan Pangan Sekaligus Penyelamat Lingkungan, Simposium Pertanian, Dies Natalis ke-51, Prosiding, USU Medan, 2008. 2. The Effect of Impulse Electric Fields on Dielectric Nervous Membrane of

Parasitic Nematode, International Seminar on Chemistry, Medan Indonesia, 2008. 3. Analysis and measurement of High Voltage Impulse Efficiency From

HVDC Generator by RC Model, 1st International Post Graduate and Under Graduate Chemistry Conference, University of North Sumatera, Medan, 2007. 4. Modifikasi Laser Pointer Sebagai Sumber Cahaya Pada Interferometer

OS-8501, Jurnal Komunikasi Penelitian LP-USU, Vol. 14 No. 5. 5. Trouble Shooting Pada Penguat Transistor Dengan metode Pengikut

Tegangan DC, Jurnal Komunikasi Penelitian LP-USU, Vol. 13 No.2, 2001.

6. Pengukuran Koefisien Thermal Al Dengan Laser Interferometer, Jurnal Komunikasi Penelitian LP-USU, Vol. 11 No. 1, 2000.

7. Penentuan Impuritas Si Dengan Metode Fotoluminisensi, Jurnal Komunikasi Penelitian LP-USU, Vol. 4, 1996.


8. Modifikasi Interferometer OS-8501 Untuk Pengukuran Koefisien Thermal Kuningan, Laporan Penelitian PPD HEDS-JICA, Dikti, 1996. 9. Rangkaian pembangkit Pulsa Sangat Sempit Untuk Pemicu PMT, 7th Regional Seminar, HEDS-JICA Project, Dikti, 1995.

10. Metode Praktis Pengukuran Panjang Gelombang Laser He-Ne Dengan IM OS-8501, Laporan Penelitian OPF, LP USU, 1995. 11. Metode Praktis Mengidentifikasi Kina Bisulfat dengan Spektrometer Fluorisensi, , Jurnal Komunikasi Penelitian LP-USU, Vol. 4, 1992. 12. Time Resolved Measurement of Flourescence Lifetime by Double Gating Boxcar, Prociding 2nd Regional Symposium on Optoelectronics, UI Jakarta, 1989.


DAMPAK MEDAN ELEKTRIK BERPULSA TEGANGAN TINGGI TERHADAP MEMBRAN SELLULER DISERTASI. Oleh KERISTA TARIGAN

Recommend Documents