HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi” adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing di Prancis dan komisi pembimbing di Institut Pertanian Bogor dan telah juga diajukan sebagai laporan internship di Ecole Nationale des Pont et Chaussées Paristech pada bulan September 2013. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Maret 2014 Angga Perima NIM F451110031
RINGKASAN ANGGA PERIMA. Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfludics Frekuensi Tinggi. Dibimbing oleh YULI SUHARNOTO dan MEISKE WIDYARTI. Masalah dalam pencampuran material mentah dalam saluran mikro merupakan masalah pencampuran klasik dalam microfludic, dan banyak solusi yang telah ditawarkan. Terdapat pada beberapa kasus masalah pencampuran dalam saluran mikro tidak terpecahkan dengan baik. Oleh sebab itu permasalahan ini akan dicoba untuk diselesaikan dalam penelitian ini. Secara spesifik, masalah dalam pencampuran material granular basah dalam saluran mikro berbeda dengan pencampuran cairan pada umumnya yang dilakukan pada alat yang sama. Penelitian ini bertujuan untuk (1) Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut; (2) Menguji kinerja chip microfluidics. Kedua tujuan ini bermaksud untuk mendapatkan distribusi yang homogen dari material mentah di dalam droplet microfluidics. Desain yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) gray scale <15% dan tingkat okupansinya >85%. Untuk mencapai tujuan ini, dibuat beberapa desain microfluidic dan masingmasing dibandingkan satu sama lain dan juga dengan desain standar. Beberapa perlakuan awal juga dianalisis untuk mengurangi heterogenitas lebih jauh. Derajat homogenitas diperoleh dengan menganalisa distribusi kehitaman (gray scale) yang dideteksi pada frame 8-bit video yang direkam dengan kamera berkecepatan tinggi dan dianalisis pada MATLAB®. Dua tipe material granular pertanian yang digunakan dalam penelitian ini adalah dedak gandum dan rapeseed. Dalam penelitian dibuat 10 rancangan desain dan perlakuan untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Hasil dari penelitian didapatkan bahwa :1) Terjadi peningkatan nilai terisi di dalam droplet dibandingkan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 65.59% menjadi 99.98%, dan untuk rapeseed dari 65.33% menjadi 97%; 2). Didapatkan peningkatan homogenitas dari material mentah di dalam droplet dibandingkan dengan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 15.78% menjadi 7.33%, dan untuk rapeseed dari 27.92% menjadi 12.1%; 3) Homogenitas ukuran diameter droplet juga berhasil ditingkatkan yaitu : untuk dedak gandum dari 10.99% menjadi 0.10%, dan rapeseed dari 16.09% menjadi 0.83%. Kata kunci: desain chip, droplet microfluidics, homogenitas, material granular, pencampuran
SUMMARY ANGGA PERIMA. Homogenization of Agricultural Substrate Using High Frequency Droplet Microfluidics. Supervised by YULI SUHARNOTO and MEISKE WIDYARTI. Mixing of raw materials in micro channel may appear to be a classical mixing problem in microfluidics and numerous solutions have been proposed. However, in several cases, mixing problem of wet granular material in micro channel have not been properly solved. This study tries to solve this problem. In particular, the problem of mixing wet granular materials in microchannels turns out to be significantly different from that of mixing common liquid solution in the same device. This study aimed (1) To obtain the new structure design of chip based on theory calculation and make the microfluidics chip based on the new design; (2) To test the performance of microfluidics chip. Both of this aims, intended to obtain the homogeneous distribution of raw material within droplet microfluidics. The best design is the design which has a standard deviation of gray scale (σ) <15% and occupancy rate >85%. To achieve these objectives, ten microfluidic designs were employed and were compared against one another, and against a benchmark design. Furthermore, several pre-treatments were also analyzed to reduce the heterogeneity even further. The degree of homogeneity was obtained from analyzing grey scale distribution extracted from the videos recorded from an 8-bit high speed camera by using home-made video. Analysis routine were done in MATLAB ®. Two types of granular materials of agricultural were investigated namely wheatbran and rapeseed. In this research, 10 chip designs and traitements were made to get the best result. The result of this research were : 1) The improvement of occupancy rate inside droplet comparing to standard design, for wheatbran from 65.59% to 99.98%, and for rapeseed from 65.33% to 97%; 2) The improvement of homogeneity of raw material inside droplet comparing to standard design, for wheatbran from 15.78% to 7.33%, and for rapeseed from 27.92% to 12.1%; 3) Homogeneity of droplet diameter also had been improved, for wheatbran, from 10.99% to 0.10%, and for rapeseed from 16.09% to 0.83%. Keywords: chip design, droplet microfluidics, granular material, homogeneity, mixing
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Penguji luar pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA
Judul Tesis : Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi Nama : Angga Perima NIM : F451110031 Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng Ketua
Dr. Ir. Meiske Widyarti, M. Eng Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, M.Si
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 26 Februari 2014
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur dipanjatkan kepada Allah Bapa di Surga dan Putra-Nya terkasih Yesus Kristus sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih merupakan salah satu teknologi terkini di bidang keteknikan dan biologi. Terima kasih diucapkan kepada : 1. Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng dan Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng selaku komisi pembimbing yang telah dengan sabar membimbing penyelesaian tesis ini. 2. I Putu Mahendra Wijaya, yang telah menjadi pembimbing selama di Prancis dan telah memberikan banyak sekali nasehat, arahan, bimbingan, motivasi untuk dapat terus menjadi lebih baik. 3. Mama, Papa, Terry, dan keponakan tercinta Tiffany atas segala doa dan cinta kasih yang telah diberikan. 4. Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA yang telah memberikan kesempatan untuk dapat mengambil beasiswa BU BPKLN DIKNAS DDIP (Double Degree Indonesia Prancis) serta atas kesabaran dan bimbingannya selama ini. 5. BPKLN DIKNAS yang telah memberikan beasiswa DDIP. 6. GROUPPE SOUFFLET yang telah mendanai penelitian ini. 7. Antoine Drevelle, yang telah memberikan kesempatan untuk dapat magang di laboratorium ESPCI Paristech. 8. Semua tim di laboratorium biokimia ESPCI Paristech yang telah memberikan banyak bantuan. 9. Teman-teman angkatan SIL yang telah memberi keceriaan selama kuliah S2 : Lisma, Avazbek, Farid, Latifah, Yasmin, Dwinata, Nasir, Puji, dan Helena. Terutama kepada kak Habib Krisna Wijaya yang telah membantu dalam tahap penyelesaian akhir tesis. 10. Sandra Le Thiec yang memberikan makna baru dalam hidup ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2014 Angga Perima
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian
1 1 1 1 2 2
2 TINJAUAN PUSTAKA Reologi di Microfluidics Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian Droplet Microfluidics
2 2 7 8
3 METODE Waktu dan Tempat Bahan dan Alat Tahapan Penelitian Prosedur Analisis Data
10 10 10 10 17
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
19
5 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran
27 27 27
DAFTAR PUSTAKA
28
LAMPIRAN
31
RIWAYAT HIDUP
40
DAFTAR TABEL 1
Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada setiap desain
23
DAFTAR GAMBAR 1 Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung, et. al., 2002) 2 Struktur kimia PDMS 3 Skema representasi dari aliran geser tak langsung (Chhabra dan Richardon, 2008) 4 Tiga cara terbentuknya droplet. (a) co-focusing; (b) T-junction; (c) flow-focusing 5 Kerangka Penelitian 6 Proses Fotolitografi 7 Sketsa Proses Fotolitografi 8 Hasil Wafer dari Proses Fotolitografi 9 Kerangka Pembuatan PDMS 2D 10 Tahapan Pengujian Microfluidics 11 Pengujian Microfluidic 12 Ambang batas Penentuan Derajat Kehitaman droplet 13 Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c) tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak gandum 14 Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer 15 (a) Dean Mixer (Sudarsan dan Ugaz, 2006); (b) saluran pada dean mixer; (c) droplet dedak gandum; (d) droplet rapeseed; (e) droplet hasil campuran tinta dan air 16 Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum dan (b) rapeseed 17 Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan terjadinya gumpalan 18 Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 19 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 20 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10) 21 Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi) untuk rapeseed dan dedak gandum 22 Desain 6
2 6 8 9 11 12 14 14 15 16 17 18 19 20 21 22 22 23 24 24 25 26
DAFTAR LAMPIRAN 1 Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum dan Rapeseed
33
1 PENDAHULUAN Latar Belakang Penemuan pada bidang mikroelektronik tentang bagaimana memproduksi benda dalam skala mikron telah melahirkan cabang penelitian baru yang dinamakan microfluidics. Microfluidics merupakan teknologi multidisiplin yang mencakup teknik sipil, teknik lingkungan, teknik material, teknik mesin, teknik elektro, nanoteknologi dan bioteknologi. Microfluidics banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang, yang salah satunya adalah pada bidang biologi. Microfluidics bertujuan untuk memanipulasi fluida dalam tingkat mikro, dan menyederhanakan kompleksitas dari sifat mekanika fluida dalam laboratorium tradisional menjadi satu chip. Keuntungan yang diperoleh yaitu : biaya ekperimen yang rendah, dan chip microfluidics itu mudah dibawa, sehingga banyak industri telah menerapkan penelitian ini, termasuk dalam bidang pertanian. Microfluidics memiliki cabang-cabang teknologi diantaranya microfluidics digital, microfluidics kontinyu, microfluidics tekanan katup, dan droplet microfluidics. Penelitian ini dikhususkan dalam konteks teknologi droplet microfluidics. Droplet microfluidics adalah teknologi yang memanipulasi fluida dalam bentuk droplet atau tetesan. Salah satu aplikasi dari droplet microfluidics diantaranya adalah memanipulasi lingkungan tempat tinggal mikro organisme untuk mendorong terjadinya evolusi langsung dari mikro organisme itu sendiri, sehingga pada akhirnya dapat ditemukan organisme baru hasil dari evolusi langsung tersebut. Lingkungan tempat tinggal mikro organisme itu adalah droplet. Dalam penelitian ini, droplet microfluidics digunakan untuk menangani sampel pertanian yang dialirkan dengan kecepatan tinggi (>300 droplet/detik) untuk dicampurkan dengan substrat pertanian (dedak gandum dan rapeseed) dan air yang diionisasi untuk memperoleh droplet-droplet dengan konsentrasi yang sama. Terdapat beberapa tantangan dalam aplikasi ini antara lain, pertama adalah penanganan agregasi dari sampel pertanian di dalam chip microfluidics. Kedua, tingkat keseragaman (homogenitas) antara droplet sangat rendah. Ketiga, metode untuk menganalisis droplet-droplet yang bisa berjumlah lebih dari 100 ribu untuk menjadi data kuantitatif dan dianalisis derajat keseragamannya. Perumusan Masalah Bagaimana mendesain microfluidics chip yang memungkinkan pencampuran substrat pertanian dengan air yang diionisasi dapat dilakukan pada kecepatan tinggi dan diperoleh homogenisasi yang tinggi. Tujuan Penelitian 1. Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut. 2. Menguji kinerja chip microfluidics.
2 Manfaat Penelitian Penelitian ini akan bermanfaat sebagai blue print untuk penelitian lanjutan yaitu untuk menemukan organisme baru melalui evolusi langsung (direct evolution). Hal ini dilakukan dengan memasukkan (enkapsulasi) organisme tertentu ke dalam droplet microfluidics, dan hasil yang diharapkan adalah organisme baru yang dapat digunakan untuk pengembangan bio-etanol.b. Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini pada bidang mikroteknologi.
2 TINJAUAN PUSTAKA Reologi di Microfluidics Reologi merupakan cabang ilmu alam yang muncul lebih dari 70 tahun yang lalu. Cabang ilmu ini berasal dari pengamatan perilaku aneh dan tidak normal tentang material-material yang tidak dapat dipecahkan seperti : cat merupakan cairan karena ia dapat dituangkan dalam kontainer, akan tetapi kenapa mereka tetap pada posisi vertikal di dinding tanpa jatuh ke bawah seperti cairan lainnya? (Jakovlevich dan Isayev, 2006). Reologi juga merupakan suatu studi mengenai aliran dan deformasi dari sebuah zat. Reologi biasa digunakan untuk mendeskripsikan aliran dan deformasi dari material kompleks seperti karet, plastik molten, larutan polimer, slurries dan pasta, fluida elektro-reologi, darah, otot, komposit, tanah, dan cat. Studi tentang material ilmu reologi sangat penting untuk dua alasan utama. Pertama, reologi dapat digunakan dalam penentuan proses untuk operasi-operasi tertentu seperti pencampuran, transportasi, dispensasi dan penyimpanan dalam proses produksi. Kedua, reologi dapat digunakan sebagai alat kontrol kualitas pada proses dan tahap produksi untuk mengidentifikasi variasi batch ke batch (Durairaj, et al, 2013). Secara garis besar, wilayah studi microfluidics mencakup aliran cairan dalam skala mikro. Meskipun berasal dari hidrodinamik, microfluidics sendiri telah memperluas aplikas dari fisika fluida ke arah dunia mikro melalui aplikasi dari proses fabrikasi yang biasanya digunakan dalam wilayah mikroelektronik. Oleh sebab itu, konsep dari microfluidics dapat diterjemahkan sebagai usaha untuk meminiaturisasikan instrumentasi laboratorium yang menangani cairan hingga skala mikro. Dalam microfluidics, laboratorium yang telah diminiaturisasikan didefinisikan sebagai sistem Laboratory on Chip (LOC), untuk menerangkan integrasi alam dari alat yang ideal. Dalam konteks ini, LOC dapat dijelaskan sebagai ekstensi dari tren peminiaturan yang terjadi dalam wilayah mikroelektronik. Dapat disimpulkan bahwa LOC membawa keuntungan besar seperti : pengurangan ukuran sampel dan biaya eksperimen, meningkatkan keamanan (terutama ketika menangani bahan kimia yang mudah meledak atau
3 korosif), mudah dibawa-bawa, dan merupakan suatu sistem yang terintegrasi dalam satu chip (Bruus, 2008). Bruus (2008) telah mendefinisikan suatu persamaan skala (persamaan 1) dalam microfluidics yang menunjukkan variasi dari jumlah fisik dengan ukuran yang diberikan sistem atau objek, dan menjaga nilai lainnya seperti waktu, tekanan, dan suhu tetap konstan. Persamaan yang diberikan adalah sebagai berikut: ………………………….
(1)
Dimana l menunjukkan panjang (L).
Gambar 1. Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung dan Werely, 2002) Pada Gambar 1 dapat dilihat hubungan skala panjang dan skala volume dimana semakin besar panjang dari chip microfluidic akan membuat semakin besar volume yang bisa ditempati. Menurut perspektif fluida, makna dari energi permukaan lebih menaikkan simplifikasi pada sifat fluida. Pada umumnya, persamaan Navier-Stokes mendeskripsikan perilaku fluida dalam saluran yang mereduksi pada persamaan diferensial parsial Stokes, yang tidak mencakup banyak gaya inersia dalam penjelasannya. Pada persamaan Navier-Stokes (persamaan 2), v merupakan kecepatan (LT-1), ρ merupakan densitas (ML-3), p merupakan tekanan (ML-1T-2), µ adalah viskositas (ML-1T-1), adalah operasi laplacian (tanpa dimensi), dan f adalah gaya yang bekerja pada fluida (MLT-2).
!…………………………….. (2) Satu-satunya gaya inersia pada cairan yang masih berperan dalam skala mikro adalah gaya hambat viskositas, yang berhubungan dengan ketergantungan linear dari peluruhan bilangan Reynold. Gaya ini hanya berlaku pada saluran skala fluida yang direduksi pada skala mikro. Bidang penelitian yang dapat menggunakan pengembangan teknologi microfluidics itu adalah diagnosa medis, pengurutan genetik, produksi kimia, penemuan obat baru, dan proteomik. Tentunya microfluidics diharapkan dapat
4 memiliki dampak yang signifikan terhadap perkembangan biologi, kimia, dan bidang lainnya, seperti dampak dari penemuan sirkuit yang terintegrasi pada komputer pada dekade lalu (Nam-Tung dan Werely, 2002). Pada saat sekarang, ada beberapa tipe teknologi microfluidics yang secara aktif dikembangkan dan digunakan dalam komunitas ilmuwan yaitu microfluidics kontinyu (Nie et al., 2005), mikrofluidics tekanan katup (Vincent et al., 2004), microfluidics digital(Fair, 2007), dan droplet microfluidics (Teh et al., 2008). Setiap teknologi dikembangkan untuk diaplikasikan secara spesifik. Penelitian ini dibatasi terhadap aplikasi dari reologi dalam droplet microfluidics. Berlawanan dengan microfluidics aliran kontinu, fluida dalam microfluidics digital dan droplet dimanipulasi dalam bentuk droplet. Droplet yang diharapkan dalam penelitian ini adalah berbentuk lingkaran. Droplet yang dibentuk dan dimanipulasi dalam microfluidics digital dan droplet berbeda dengan cara droplet yang diproduksi dan dimanipulasi di dalam chip microfluidics. Dalam kasus microfluidics digital, droplet diproduksi dengan mengendalikan sifat elektro-basah (electrowetting) cairan yang mengalir melalui susunan elektroda (Pollack et al., 2002). Secara singkat, electrowetting adalah sifat permukaan cairan di mana perilaku pembasahan cairan terhadap permukaan dimodulasi melalui penerapan medan listrik. Oleh karena itu, dalam kasus microfluidics digital, droplet cairan biasanya dihasilkan berdasarkan permintaan dengan menggunakan tegangan tertentu di droplet sehingga tegangan permukaan salah satu ujung droplet akan lebih besar dari yang lain. Droplet fluida akan selalu menuju area yang memiliki tegangan permukaan yang lebih tinggi - sebuah fenomena yang dikenal sebagai aliran Marangoni. Chip digital microfluidic biasanya memiliki geometri terbuka, sehingga tidak ada saluran mikro dalam produksi dan manipulasi droplet menggunakan microfluidics digital (Fair, 2007). Sebaliknya, chip microfluidic digital biasanya menggunakan arsitektur substrat kaca dihiasi dengan pola elektroda emas/krom yang dibuat dengan menggunakan litografi . Selain itu, volume kandungan microfluidic digital biasanya berkisar antara nanoliter yang tinggi sampai beberapa mikroliter (Fair, 2007). Sebaliknya dalam chip microfluidic digital, droplet yang diproduksi dalam chip microfluidic droplet jauh lebih kecil (beberapa picoliter ke kisaran setengah nanoliter) (Fair, 2007). Selanjutnya, produksi droplet dalam chip droplet microfluidics dilakukan secara kontinyu pada kecepatan tinggi (umumnya beberapa ribu droplet per detik) (Teh et al., 2008). Mekanisme pinching yang mendorong pembentukan droplet dalam chip mikofluida droplet juga menjamin bahwa variasi volume droplet yang dihasilkan lebih kecil dari 5%. Semua karakteristik chip droplet microfluidics memberikan beberapa keunggulan dibandingkan teknologi microfluidics antara lain: (1) produksi yang tinggi dan tingkat penanganan tingkat chipdroplet microfluidics berarti bahwa teknologi dapat digunakan untuk menyaring berbagai parameter eksperimental dalam rentang waktu yang singkat (Whitesides, 2006), (2) Ukuran droplet yang kecil dan seragam berarti bahwa konsentrasi tinggi dapat dicapai bahkan apabila jumlah molekul kecil yang tersedia hanya sedikit (Xu et al., 2005), (3) Pembagian cairan yang menjamin bahwa konsentrasi molekul seragam di setiap droplet (Song et al., 2006), (4) enkapsulasi mikroorganisme dan biomolekul dalam droplet menyediakan hubungan mekanik antara genotipe dan ekspresi fenotipe dalam
5 droplet yang sama, serta memungkinkan studi respon sel tunggal dengan berbagai tekanan yang berbeda (Eun et al, 2010). Dalam paragraf sebelumnya, telah dijelaskan bahwa microfluidics diuntungkan dari pengembangan proses fabrikasi yang ditemukan dalam bidang mikroelektronik. Secara spesifik, fabrikasi dari saluran mikro dalam alat microfluidics dilakukan melalui fotolitografi lunak. Fabrikasi dari litografi lunak dimulai dengan mendesain sirtkuit saluran mikro, biasa dikenal dengan sebutan mask dalam program CAD, seperti AutoCAD® dari Autodesk. Melalui penggambaran teknis ini, mask kemudian dikirimkan kepada penyedia jasa yang spesial yang dapat mencetak desain dengan printer resolusi tinggi (>10,000 dpi). Kemudian, desain dua-dimensi dalam mask dikonversi menjadi struktur tigadimensi melalui fotolitografi. Struktur-struktur tersebut kemudian digunakan sebagai bas-relief master untuk sirkuit saluran mikro. Akhirnya, sebuah cairan dari campuran poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agents dituangkan ke dalam bas-relief master untuk menghasilkan saluran akhir mikro. Saluran mikro kemudian yang dihilangkan oleh PDMS (Polydimethil siloxane) lalu dikunci secara permanen pada kaca dengan menggunakan ikatan plasma (Bruus, 2008). Fotolitografi didefinisikan sebagai suatu proses yang mentransfer gambaran dua dimensi dalam sebuah medium ke yang lain melalui penggunaan cahaya. Secara analogi, proses fotolitografi merupakan ekstensi dari fotografi ruang gelap tradisional, yang memiliki kemampuan untuk menciptakan struktur tiga-dimensi, tidak hanya berupa gambar seperti yang ditemukan dalam fotografi tradisional (Bruus, 2008). Lima komponen yang diperlukan untuk mentransfer pola dua dimensi dengan fotolitografi : mask, fotoresis, wafer silikon, spin coater, dan maskaligner. Pola yang ditemukan dalam mask kemudian ditransfer dalam suatu substrat, sebuah wafer silikon yang telah dilapisi dengan lapisan dari fotoresis dengan ketebalan tertentu. Fotoresis adalah bagian kimia yang dapat melewati reaksi cross-linking melalui eksposur terhadap cahaya dari panjang gelombang tertentu pada energi yang spesifik dalam rentang waktu tertentu. Parameterparameter (tipe fotoresis, laju perputaran, laju akselerasi, dan waktu putar) yang mempengaruhi proses pelapisan spin ditentukan oleh ketebalan saluran mikro yang diinginkan (Bruus, 2008). Setelah dilapisi dengan fotoresis, substrat silikon kemudian disinari cahaya UV (panjang gelombang 436 nm) untuk beberapa waktu dalam photomask aligner. Photomask aligner adalah suatu alat untuk menyesuaikan tanda dalam mask dengan yang telah ada dalam substrat untuk memastikan ketepatan dari setiap layar pada desain dengan yang lain, yang diperlukan untuk mengekspos fotoresis melalui mask kepada cahaya UV. Meskipun photomask aligner dapat beroperasi dalam berbagai konfigurasi, hanya dua dari konfigurasi tersebut yang digunakan untuk penelitian ini, yaitu kontak lembut dan eksposur flood. Keuntungan utama dari fotolitografi kontak adalah mask aligners dan optik yang relatif tidak mahal untuk dipergunakan dalam memperoleh resolusi lateral (Banks, 2006), disebabkan minimalisasi dari masalah difraksi yang dapat terjadi dalam bidang eksposur yang lebih jauh dan konfigurasi yang lain (Bruus, 2008). Setelah memperoleh struktur dasar dan substrat silikon sebagai cetakan master untuk fabrikasi saluran mikro, sebuah cairan yang terdiri dari campuran dari poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agent (10:1 (w/w)) dituangkan ke
6 master. Kemudian master diletakkan ke dalam oven pada suhu 90oC selama kirakira satu jam, untuk menciptakan reaksi cross-linking pada PDMS (Bruus, 2008). PDMS biasa digunakan dalam fabrikasi alat microfluidics untuk aplikasi biologi karena beberapa keuntungan yang ditawarkan oleh polimer termoset (Duffy et al., 1998). Dalam perspektif fabrikasi, PDMS menawarkan prototipe yang cepat dari saluran mikro. Adanya keringanan operasi dengan menggunakan litografi lunak, dan biaya yang relatif murah, maka dengan PDMS dapat dilakukan desain dan eksplorasi banyak konfigurasi saluran mikro yang berbeda secara cepat. PDMS cocok secara biologi dengan hampir semua sel, sehingga hal ini menjadi alasan utama banyaknya studi biologi dalam microfluidics menggunakan pilihan material PDMS. PDMS juga berbentuk transparan hingga rentang UV (<300 nm). Transparansi ini membuat PDMS atraktif untuk meminiaturisasikan banyak tes biologis yang bergantung pada pembacaan optikal pada alat microfluidics (Hsieh et al., 2009). Kelebihan lainnya adalah PDMS dapat membuat oksigen tingkat tinggi dapat ditransportasi ke dalam saluran mikro dan melarutkan karbondioksida dari saluran mikro secara cepat, berkat difusitas konstan yang tinggi dari gas di polimer. Sifat ini dapat berguna untuk aplikasi biologi, karena sel perlu berespirasi secara reguler. Selain keuntungan tersebut, PDMS masih memiliki kelemahan yang menonjol, yaitu sifat permukaan yang hidrofobik. Disebabkan oleh struktur kimia dari PDMS, permukaan PDMS padat oleh silikon serta grup metil dan keduanya dikenal sebagai hidrofobik. Dalam konteks aplikasi droplet microfluidics, kondisi ini merupakan suatu tantangan, karena keberhasilan dari produksi droplet dalam alat microfluidics tergantung, antara lain, pada sifat basah dari fluida dan dinding saluran.
Gambar 2. Struktur kimia PDMS Secara lebih mendetail, untuk memproduksi droplet air-dalam-minyak atau water-in-oil (w/o) dalam alat microfluidics, maka fase basah kontinyu dalam saluran mikro harus lebih siap daripada membasahi fase terdispersi. Apabila sifat basah ini dibalikkan, maka akan dihasilkan emulsi minyak-dalam-air atau oil in water (o/w). Dalam konteks ini, diharapkan energi permukaan dari PDMS dapat disesuaikan menurut kebutuhan peneliti. Oleh karena itu, silanisasi memainkan peran penting dalam modulasi energi permukaan PDMS untuk memproduksi droplet w/o dalam microfluidics. Disebabkan oleh konsentrasi oksigen terlarut yang tinggi dan solubilitas rendah dari material organic non-flour, minyak flourinisasi diadopsi sebagai fase kontinyu dalam droplet microfluidics. Untuk membuat permukaan PDMS
7 flourofilik diperlukan langkah silanisasi dari saluran mikro untuk menangani droplet dalam alat microfluidics. Proses silanisasi dilakukan dengan menginjeksi larutan campuran dari silan dan HFE ke saluran chip. Tujuan dari proses ini untuk membuat kaca menjadi hidrofobik. Deskripsi dari proses ini akan dijelaskan dalam bagian metodologi. Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian Tujuan dari penelitian ini adalah menciptakan suspensi yang homogen dari material mentah pertanian. Dengan diperolehnya suspensi yang homogen pada droplet, maka droplet dapat digunakan untuk mengkapsulasi mikroorganisme yang pada akhirnya bertujuan untuk mendapatkan mikroorganisme baru secara lebih baik, dibandingkan jika droplet yang didapat tidak homogen. Dedak gandum adalah penutup luar kasar yang melapisi gandum kernel yang dipisahkan dan dibersihkan dari proses miling komersial : IFN 4-05-190 wheatbran (Blair, 2008). Pada microfluidics sendiri, telah dilakukan penelitian mikrofluidiasi untuk mengolah dedak gandum dan efeknya pada karakteristik fisika kimia dedak. Mikrofluidisasi secara efektif dapat mengurangi ukuran partikel dan densitas kasar, dan secara substansial meningkatkan area spesifik permukaan, kapasitas ikat air, kapasitas swelling, kapasitas ikat minyak dan kapasitas penukar kation (Wang, 2012). Minyak rapeseed atau conola adalah tanaman komersial ketiga di dunia yang dimodifikasi genetiknya setelah kacang kedelai dan jagung (Walker, 2000). Rapeseed dapat tumbuh dan akan bertahan pada suhu rendah dan kelembaban tertentu. Oleh karena itu, dapat diproduksi dalam zona dimana kacang kedelai dan bunga matahari tidak dapat hidup (Shahidi, 1990). Dalam jangka waktu yang lama, rapeseed ditanam untuk memproduksi minyak lampu dan kemudian untuk industri lubrikasi (Elzebroek, 2008). Seperti yang telah diamati, karakteristik permukaan dari material mentah sangat kaya dengan bahan organik yang menampilkan derajat hidrofobisitas dan hidrofilisitas dalam waktu yang bersamaan. Material-material mentah tersebut dibuat untuk berinteraksi kuat satu dengan yang lainnya melalui disolusi dalam larutan aqueous. Sebagai hasil dari interaksi tersebut, suspensi dari material mentah, baik rapeseed maupun dedak gandum, menunjukkan viskositas yang nonlinear sebagai fungsi dari laju geser. Hal tersebut menunjukkan sifat dari fluida non-newtonian. Fluida non-newtonian memilik kurva (laju tekanan versus laju geser) tidak linear. Fluida non-linear memiliki viskositas apparent yang tidak konstan pada suhu dan temperatur yang diberikan, bergantung pada kondisi aliran, seperti : geometri aliran, laju geser (Chhabra dan Richardon, 2008).
8
Gambar 3. Skema representasi dari aliran geser tak langsung (Chhabra dan Richardon, 2008) Dengan melihat teori dari reologi, homogenisasi dari material mentah disebabkan oleh dua mekanisme fisik : (1) adveksi, dan (2) difusi (Chevoir, 2013). Adveksi dari material mentah di saluran mikro dapat disebabkan oleh pengontrolan dari aliran fluida yang menampilkan konveksi dalam banyak arah. Distribusi material mentah dapat juga dilakukan dari sumber dalam bentuk agitasi mekanik, seperti : ultrasonikasi atau perputaran magnet. Dari perspektif pencampuran, homogenisasi material mentah dalam droplet dapat diselesaikan dalam dua pendekatan yang berbeda : (1) agitasi mekanik untuk perlakuan awal dan (2) pencampuran di dalam saluran mikro melalui desain sirkuit itu sendiri. Homogenisasi dari suspensi material mentah yang kompleks dalam penelitian ini tidak hanya sebatas dari pencampuran. Stabilitas dari material mentah itu sendiri dalam larutan aqueous diharapkan dapat memainkan peranan penting dalam memunculkan homogenitas. Penelitian ini, lebih berkonsentrasi terhadap peningkatan homogenitas melalui pencampuran. Droplet Microfluidics Droplet microfluidics memanipulasi fluida menjadi bentuk droplet (tetesan) dalam skala mikro di dalam chip mikro (Jensen dan Lee, 2004). Sistem droplet microfluidics dapat bekerja dengan banyak jenis bahan kimia dan biologi dan dapat memberikan variasi fluida digital yang dapat diatur sedemikian rupa. Sistem ini juga memiliki keuntungan, yaitu dapat mencampur fluida dengan kecepatan tinggi sehingga sistem ini banyak digunakan juga untuk aplikasi medis. (Teh et al, 2007) Ada tiga cara terbentuknya droplet yaitu : co-flowing, T-junctions, dan flow focusing (Baroud et al, 2010) seperti yang terlihat di Gambar 4. Co-flowing menunjukkan pecahnya aliran cairan dapat menjadi droplet (Cramer dan Fischer, 2004). T-junctions pertama kali dibuat oleh Thorsen et al (2001), dimana tekanan digunakan untuk mengontrol aliran di dalam saluran mikro untuk membentuk droplet. Sedangkan flow-focusing, aliran kontinu memecah aliran terdispersi untuk dapat membentuk droplet (Anna et al, 2003).
9
Gambar 4. Tiga cara terbentuknya droplet. (a) co-focusing; (b) T-junction; (c) flow-focusing Setiap droplet yang dihasilkan terlapisi oleh lapisan film. Lapisan ini melindungi droplet agar ketika terjadi tabrakan antar droplet, droplet tidak menyatu. Bretherton (1961) telah menemukan persamaan hukum non linear untuk menentukan ketebalan lapisan film pada droplet. Pada persamaan hukum non linear tersebut (persamaan4), Cad adalah bilangan kapiler (tak berdimensi), e adalah ketebalan (L), Vd adalah kecepatan droplet (LT-1), γ adalah tegangan permukaan (MT-2), µ adalah viskositas dinamik (ML-1T-1), dan H adalah diameter dari tubing (L).
Cad = µVd/γ
…………………………………………………………. …………………………………………………………
(4) (5)
…………………..
(6)
Adapun persamaan tekanan yang disebabkan oleh droplet di dalam saluran mikro dapat dilihat pada Persamaan 6 (Baroud et al, 2010). Pada persamaan 6, ∆Pdroplets + caps adalah jumlah tekanan pada droplet dan kapiler (ML-1T-2), b dan Cλ parameter tak berdimensi yang bergantung pada geometri, µin adalah viskositas (ML-1T-1), Ldroplet adalah panjang droplet (L), Vd kecepatan droplet (LT-1), γ adalah tegangan permukaan (MT-2), Cad adalah bilangan kapiler dari droplet (tak berdimensi), W adalah lebar saluran (L), H adalah diameter tubing (L), dan nd adalah jumlah gelembung dalam saluran.
10
3 METODE Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Biokimia, Ecole Superieure de Physiques et Chimie Industrielles de la ville Paris (ESPCI) di Paris, Prancis dan Laboratorium Soufflet di Nogent-sur-Seine, Prancis. Kegiatan pengambilan dan pengolahan data dilakukan dari bulan Maret - Agustus 2013. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan yaitu : 1. Rapeseed dan dedak gandum yang dimikronisasi dalam larutan aquoues (dengan ukuran maksimum 20µm) disediakan oleh Soufflet Grouppe; 2. Silane 1H 1H 2H 2H-Perfluorodecyltrichlorosilane, 97% distabilisasi oleh tembaga dari ABCR GmbH & Co KG; 3. Minyak flourinisasi HFE 7500 dari 3M Company (4) Air terdionisasi 18.2 MΩ.cm dari Millipore; 4. Surfaktan-paten Jeffamine 900 (5% (w/w) dalam HFE 7500); 5. Poly (dimethyl siloxane) (Sylgard) dari Dow Corning; 6. SU8 2002 dan 2150 fotoresis negatif dari Microchem. Alat yang digunakan yaitu : 1. Pompa syringe dari Harvard Pump PHP 2000; 2. Kamera kecepatan tinggi Phantom® v6.3 dari Vision Research; 3. AutoCAD 2008 dari Autodesk untuk mendesain mask, kemudian mask dicetak oleh Selba S.A di Swiss; 4. Software MATLAB dengan lisensi dari ESPCI; 5. Syringe (plastik, polypropilen) dibeli dari B. Braun Melsungen AG. 6. Poly (tetra fluoro ethylene) (PTFE) (Teflon®) tubing dari Adtech Polymer Eng LTD; 7. Spin coater dari SUSS Microtec; 8. UV photo mask aligner dari by Susstec MJB4 9. Software Dektak® mechanical profilometer; 10. Mesin sentrifugal EBH-21 Hettich Zentrifugen; 11. Vacuum suction KNF Lab Laboport. Tahapan Penelitian Metodologi dan langkah-langkah penelitian yang akan dilakukan seperti terlihat di Gambar 5 adalah :
11
Gambar 5. Kerangka Penelitian
1. Video Analisis Rutin Software akan dibuat dengan menggunakan MATLAB (lisensi original oleh ESPCI Paristech). Tujuannya adalah menjalankan analisis video dari homogeneitas dalam droplet. Secara spesifik, program ini didesain untuk menghitung distribusi dari intensitas (nilai gray) di dalam droplet dalam periode tertentu. Homogeneitas kemudian didefinisikan sebagai waktu dan profil intensitas distribusi yang ditampilkan pada hasil analisa. Derajat homogeneitas diukur dengan menggunakan standar deviasi di dalam droplet tersebut. 2. Identifikasi Masalah Hasil dari video analisis rutin membantu mengidentifikasi masalahmasalah, dan kemudian memformulasikan hipotesis penyebab masalah tersebut. Hipotesis digunakan sebagai landasan untuk mendesain eksperimen menggunakan teori fisika seperti reologi untuk menyelesaikan masalah.
12 3. Desain Mask Desain dibuat menggunakan software AUTOCAD 2008 student edition dan dicetak di Swiss oleh Selba S.A. 4. Fotolitografi Proses fotolitografi dengan tahapan seperti pada Gambar 6 adalah :
Gambar 6. Proses Fotolitografi
i.
Pembersihan substrat wafer silikon Wafer silikon dibersihkan oleh nitrogen dan udara. Tujuan dari pembersihan ini untuk menghilangkan debu dalam wafer.
ii.
Pemanasan substrat wafer Setelah dikeringkan, wafer kemudian dipanaskan di atas lempengan panas pada suhu 200 °C selama 10 menit untuk menghilangkan kelembaban yang tersisa karena kelembaban dapat menyebabkan adesi dari fotoresis.
13 iii.
Pembuatan lapisan pertama dalam substrat silikon kosong 1. Wafer diletakkan dalam spin coater. 2. SU-8 2002 dituangkan dalam permukaan. 3. Spin coater diaktifkan dan berotasi pada 3000 rpm selama 30 detik dengan akselerasi 500 rpm/detik selama 10 detik, dan laju perputaran awal 500 rpm selama 10 detik. Tujuan utama dari laju perputaran pertama adalah untuk mendistribusikan SU8 merata ke permukaan wafer, semakin besar laju perputaran akan menyebabkan semakin tipis hasil akhir ketebalan yang didapat. 4. Wafer yang telah dilapisi dengan lapisan pertama dipanaskan dalam lempengan panas pada suhu 95oC selama satu menit untuk menghilangkan semua larutan di dalam cairan fotoresis. 5. Wafer dieksposur ke radiasi UV dalam mode flood exposure pada sistem aligner. 6. Lapisan yang telah tereksposur dipanaskan dalam lempengan panas lagi pada suhu 95oC selama satu menit untuk menyelesaikan proses cross-lingking yang diinisiasikan selama langkah eksposur. Tujuan dari pelapisan pertama untuk mengurangi adesi dari PDMS.
iv.
Pembuatan lapisan kedua di atas lapisan pertama pada substrat wafer 1. Untuk membuat lapisan kedua, wafer yang telah dilapisi dengan lapisan pertama diletakkan di spin coater. 2. SU8 2150 fotoresis negatif dituangkan ke atas lapisan pertama. 3. Spin coater diputar dengan kecepatan yang sama dengan sebelumnya untuk memperoleh ketebalan 250µm. Lalu, dipanaskan pada suhu 65oC selama lima menit dan 95oC selama 30 menit. 4. Mask yang telah dicetak diletakkan di kaca quartz dan kemudian dilakukan photomask aligner. 5. Fotoresis dieksposur ke UV dalam sistem photomask aligner selama 70 detik. 6. Kemudian yang terakhir memanaskan dalam lempengan panas pada suhu 65oC (dua menit) dan 95oC (12 menit).
v.
Develop fotoresis yang telah tereksposur 1. SU8 yang tidak tereksposur tidak akan mengalami reaksi crosslinking, lalu dapat secara selektif dilepaskan dari yang mengalami eksposur pada larutan developer. 2. Wafer ditaruh di dalam laurutan developer hingga SU8 yang tidak tereksposur terlepas semua. 3. Wafer diletakkan lagi di dalam larutan developer apabila masih terdapat cloudy (belum terdevelop sempurna).
vi.
Mengecek ketebalan wafer Untuk mengecek ketebalan ceakan wafer, digunakan software DEKTAK. Hasil wafer dapat dilihat di Gambar 8.
14
Gambar 7. Sketsa Proses Fotolitografi
Gambar 8. Hasil Wafer dari Proses Fotolitografi
15 5. Persiapan Polydimethilsiloxane (PDMS) PDMS dapat dibuat dalam 3D atau 2D tergantung pada desain yang akan dibuat. Dalam penelitian ini hanya digunakan 2D seperti yang terlihat pada Gambar .
Gambar 9. Kerangka Pembuatan PDMS 2D i.
Pembersihan mask Udara dihembuskan pada mask untuk menghilangkan debu di permukaan. Kemudian dilapisi dengan kertas alumunium. ii. Pembuatan PDMS a. Desain 3D Rasio pencampuran dari curing agent dan base agent untuk layar pertama adalah 1:8 dan untuk layar kedua adalah 1: 12. b. Desain 2D Rasio pencampuran dari curing agent danbase agent adalah 1:10. iii. Proses Pencampuran dan Sentrifugasi Pencampuran bertujuan untuk membuat homogenitas antara curing agent dan base agent. Kemudian sentrifugasi untuk menghilangkan udara dalam larutan campuran. Selanjutnya larutan dituangkan dalam mask.
16 iv.
Vakum dan Pemanasan Kemudian, divakumkan hingga tidak ada udara lagi di dalam PDMS, kemudian diletakkan di oven dengan suhu 90oC selama 30 menit. v. Pembuatan lubang Lubang dibuat di PDMS untuk dapat dilewati oleh pipa. vi. Proses pengikatan Untuk desain 2D, digunakan plasma untuk mengikat PDMS dan kaca sedangkan untuk desain 3D, PDMS hanya ditempelkan satu dengan yang lain hingga terjadi ikatan. 6. Pengujian Microfluidics
Gambar 10. Tahapan Pengujian Microfluidics Tahapan dalam pengujian microfluidics seperti yang terlihat pada Gambar 10 yaitu: i. Persiapan Sampel a. Silanisasi 20 µl larutan silan dicampur dengan 20 ml HFE filtered 7500. Jika diletakkan silan yang lebih kecil akan berakibat error yang besar. Kemudian larutan campuran disuntikkan ke dalam saluran mikro. b. Blowing chip Bertujuan untuk menghilangkan larutan silan. c. Mengisolasi chip Isolasi digunakan untuk menghindari debu masuk ke dalam saluran mikro.
17 d. Meletakkan sampel aquaeous dan granular dengan dilusi tertentu ke dalam syringe. e. Syringe diletakkan di pompa syringe dan pipa dihubungkan ke dalam chip. ii. Pengaturan Kamera Pengaturan kamera meliputi jenis cahaya, tipe cahaya, fokus, dan tingkat kecerahan. iii. Pengaturan laju infuse Laju infuse dari minyak harus lebih besar dari laju infuse dari material. iv. Recording Video yang telah direkam akan dianalisa dengan menggunakan software. v. Analisis Video Analisa gambar (image analysis) yang akan dilakukan pada video, dikembangkan dengan menggunakan Program MATLAB.
Gambar 11. Pengujian Microfluidic Gambar 11 menunjukkan pengujian microfluidic. Pada pengujian akan dicampurkan material mentah dan air untuk menghasilkan droplet. Material mentah yang digunakan adalah dedak gandum dan rapeseed. Desain chip microfluidics yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) nilai kehitaman (gray scale) <15% dan tingkat okupansi > 85%.
18 Prosedur Analisis Data Data dianalisis dengan menggunakan software yang telah didesain, kemudian untuk melihat derajat homogenitasnya menggunakan metode statistika standar deviasi. Ambang batas (threshold) digunakan untuk menentukan derajat atau nilai kehitaman suatu droplet seperti yang terlihat pada Gambar 12. Nilai tertinggi adalah 255 yang berarti putih, dan nilai terendah adalah 0 yang berarti hitam. Akan tetapi, dalam perhitungannya, nilai yang lebih tinggi dari 159 berarti droplet tersebut kosong.
Gambar 12. Ambang batas Penentuan Derajat Kehitaman droplet
19
4 HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan ukurannya yang kecil, fluida di saluran mikro menampilkan sifat yang berbeda dengan yang ditemukan pada skala yang lebih besar. Salah satu perbedaannya adalah tidak adanya aliran inersia pada skala mikro. Sebagai hasilnya, semua aliran fluida dalam saluran mikro selalu pada status non-chaotic, dan akhirnya menyebabkan aliran menjadi laminer, dan tidak adanya vortex seperti yang ditemukan pada skala yang lebih besar. Tidak adanya vortex pada skala mikro membuat microfluidic memiliki masalah pencampuran yang unik. Sebagai contohnya, jika dua cairan di co-flowed satu sama lain di dalam saluran mikro, mereka akan cenderung mempertahankan kondisi antarmuka karena tidak adanya vortex (Koesdjojo et al. 2008). Masalah pencampuran merupakan salah satu tantangan di dalam pengerjaan penelitian pada bidang microfluidic. Berbagai jenis desain telah dibuat untuk meningkatkan pencampuran di dalam skala mikro (Jessamine, et al. 2002) (Sudarsan dan Ugaz, 2006). Sebagai contohnya, Park et al (2009) telah menawarkan saluran mikro orifice yang dapat membantu bidang aliran granular pada larutan aqueous. Dalam penelitian ini, desain orifice akan menjadi desain standar.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 13. Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c)tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak gandum Dari Gambar 13, jumlah droplet yang dianalisa untuk rapeseed adalah 27,598 dan untuk dedak gandum 28,086. Gambar 13(a) dan (b) menunjukkan distribusi kehitaman suspensi rapeseed dan dedak gandum. Terlihat dari Gambar 13(a) bahwa desain standar dapat memproduksi droplet dengan dua konsentrasi
20 besar, karena terdapat dua puncak histogram. Kemudian, desain standar tidak dapat memproduksi droplet dengan konsentrasi yang stabil seperti pada Gambar 13(c) dan (d). Garis yang terlalu ke bawah pada Gambar 13(c) dan (d) menunjukkan bahwa material granular yang terkandung di dalam droplet lebih besar. Dari hasil tersebut, variasi yang terlalu besar dapat menyebabkan ketidakstabilan dalam percobaan biologi, dikarenakan material akan digunakan sebagai substrat pertumbuhan dari mikroorganisme. Untuk itu diperlukan desain baru untuk menyelesaikan permasalahan yang disebabkan oleh material granular basah dalam penelitian ini yaitu: dedak gandum dan rapeseed.
-1
Shear Rate (s ) of Wheatbran
-1
Shear Rate (s ) of Rapeseed
Gambar 1. Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer Untuk mengetahui sifat suspensi dedak gandum dan rapeseed, serta hubungan viskositas dan derajat geser, dilakukan uji coba dengan menggunakan rheometer seperti yang terlihat pada Gambar 14. Seperti yang telah diketahui, fluida newtonian memiliki kurva linear konstan pada hubungan antara viskositas dan tegangan geser. Fluida yang memiliki hubungan tidak konstan dan tidak linear pada kurvanya disebut fluida non-newtonian (Chhabra dan Richardon, 2008). Suspensi dedak gandum dan rapeseed yang terlihat dari Gambar 14 menunjukkan bahwa suspensi ini memiliki sifat non-newtonian. Selain itu kurva non-linear ini juga menunjukkan bahwa terdapat kompleksitas di dalam aliran mikro. Selain itu, pada Gambar 14 juga ditampilkan hasil perhitungan nilai koefisien determinasinya pada suhu 25oC, 30 oC, 35 oC, 40 oC, dan 45 oC. Pada dedak gandum koefisien determinasi (R2) terkecil adalah 0.985 yaitu pada suhu 30 o C, sedangkan pada rapeseed adalah 0.917 pada suhu 25 oC. Berdasarkan statistik, apabila koefisien determinasi semakin mendekati angka satu, maka model yang digunakan semakin tepat. Baik dedak gandum maupun rapeseed pada Gambar 14 memiliki koefisien determinasi yang mendekati satu, dan hal ini menunjukkan bahwa kurva yang didapatkan memiliki model yang tepat untuk mewakili data percobaan. Setelah melakukan pengukuran viskositas dengan menggunakan rheometer, selanjutnya dilakukan uji coba pada desain dean mixer yang telah dibuat oleh Sudarsan dan Ugaz (2006) seperti yang terlihat di Gambar 15. Konsep yang ditawarkan pada dean mixer adalah pencampuran melalui spiral yang kontinu.
21 Kemudian gaya sentrifugal yang bekerja pada cairan mendorong cairan untuk melalui aliran utama. Sebagai hasilnya, dua cairan yang berbeda dapat tercampur pada desain ini. Akan tetapi, apabila diuji cobakan pada dedak gandum dan rapeseed (Gambar 15), terdapat ketidakstabilan di dalam droplet itu sendiri. Ketika dibandingkan antara droplet yang dihasilkan oleh dedak gandum dan rapeseed pada waktu t=0 detik hingga t=1.48 detik terlihat bahwa terjadi ketidakstabilan pada droplet. Pada Gambar 15(c), isi di dalam droplet suspensi dedak gandum lebih sedikit pada waktu t=1.48 detik dibandingkan pada waktu awal, namun ukuran diameternya homogen. Pada Gambar 15(d), suspensi rapeseed pada t=1.48 detik menunjukkan tingkat kepekatan yang lebih tinggi dan memiliki isi yang lebih banyak dibandingkan pada waktu t= 0 detik, serta diameter droplet juga lebih bervariasi dari waktu awal (tidak homogen). Akan tetapi, apabila dicampurkan cairan tinta dan air seperti terlihat pada Gambar 15(e) terlihat homogenisasi yang sempurna, karena air dan tinta bercampur dengan sempurna. Dari pengamatan ini dapat disimpulkan bahwa desain dean mixer tidak dapat digunakan untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed karena terdapat ketidakstabilan di dalam droplet. Untuk melihat ketidakstabilan di dalam droplet, dilakukan uji coba dengan melewatkan suspensi dedak gandum dan rapeseed di dalam saluran lurus dengan kecepatan 5,000 µl/jam (Gambar 16). Dari Gambar 16 terlihat bahwa terdapat kondisi macet dalam rentang waktu 1.08 detik untuk dedak gandum dan 3.38 detik untuk rapeseed. Kondisi macet ini disebabkan oleh struktur partikel yang saling mengunci (Nagel dan Jaegar, 1992; Nori, 2006).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 2. (a) Dean Mixer (Sudarsan dan Ugaz, 2006). (b) saluran pada dean mixer; (c) droplet dedak gandum; (d) droplet rapeseed; (e) droplet hasil campuran tinta dan air
22
t = 0.00 s
t = 0.08 s
t = 0.00 s
t = 1.74 s
t = 0.20 s
(a)
t = 2.44 s
t = 1.08 s
t = 3.38 s
(b) Gambar 3. Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum dan (b) rapeseed Dari hasil rekaman video pada Gambar 16 terlihat bahwa terdapat kondisi macet dalam selang waktu tertentu. Hal ini disebabkan oleh tabrakan inelastik dari dedak gandum (a) dan rapeseed (b) tersebut. Tabrakan inelastik adalah suatu kejadian dimana dua partikel bertabrakan satu sama lain akan tetapi tidak memantul atau menjauh setelah terjadi tabrakan, melainkan menempel antara satu dengan yang lain (Zohdi, 2003). Partikel-partikel yang menempel ini akan membentuk suatu partikel yang lebih besar dan dalam selang waktu tertentu akan menghambat aliran dan menyebabkan kemacetan di dalam aliran. Interaksi dari tabrakan inelastik ini juga membuktikan aliran dedak gandum bersifat fluida nonnewtonian (Chhabra dan Richardon, 2008).
Gambar 4. Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan terjadinya gumpalan
23 Pola tabrakan antara partikel dapat dilihat pada Gambar 17. Dari Gambar 17 telah dianalisa oleh (Zohdi, 2003), mengenai bagaimana reaksi untuk dua partikel ketika tabrakan, partikel a dan partikel b maupun partikel c dan gumpalan partikel d, dengan arah normal ke arah tabrakan, konservasi momentum sebelum tabrakan pada waktu (t) dan setelah tabrakan (t+δt), adalah pada persamaan (7), dan (Nagel dan Jaegar, 1992) menyatakan energi kinetik yang hilang akibat tabrakan antara suatu biji granular dengan diameter D, massa m, dan kecepatan relatif Dγ pada arah x menyebabkan terjadinya gaya gesek rata-rata pada persamaan (8). Dari hasil pengamatan, terlihat bahwa dedak gandum membentuk suatu bentuk yang baru ketika tabrakan, dan semakin lama semakin besar.
Untuk menangani masalah kemacetan dalam saluran mikro tersebut, dibuat 10 desain chip microfluidic seperti yang terlihat di Gambar 18. Gambar 18 (a) merupakan desain standar (Park, Song et al. 2009), gambar lainnya (Desain 1 – 10) merupakan desain yang dibuat untuk dapat meningkatkan homogenitas. Desain chip microfluidics yang baik adalah yang memiliki standar deviasi (σ) nilai kehitaman di bawah 15% dan tingkat okupansi di atas 85%.
(a)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Gambar 5. Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 – 10) Untuk melihat derajat homogenitas, digunakan software yang telah dirancang untuk mendapatkan hasil seperti pada Gambar 13. Distribusi derajat kehitaman untuk dedak gandum terlihat pada Gambar 19 dan untuk rapeseed pada Gambar 20. Tabel 1. Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada setiap desain Desain Standar Desain 1 Desain 2 Desain 3 Desain 4 Desain 5 Desain 6 Desain 7 Desain 8 Desain 9 Desain 10
Jumlah Droplet Dedak Gandum 27,598 14,106 15,610 16,096 19,284 30,880 51,133 32,802 43,090 52,371 37,917
Jumlah Droplet Rapeseed 28,806 9,568 14,123 16,197 15,530 35,108 30,062 20,239 22,135 9,001 24,372
24
(a)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Gambar 6. Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1-10)
(a)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Gambar 7. Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1-10)
25 Distribusi jumlah droplet dapat dilihat pada Tabel 1. Dari distribusi dedak gandum, Desain 5,6, dan 8 menunjukkan hasil yang terbaik dimana tidak memiliki variasi yang tinggi. Distribusi pada dedak gandum menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan pada rapeseed. Dari Tabel 1, Desain 5, 6, dan 10 menunjukkan hasil distribusi yang terbaik untuk rapeseed. Selanjutnya untuk mendapatkan perbandingan lebih dalam, dibuat grafik standar deviasi dengan tingkat droplet yang terisi oleh material seperti yang terlihat di Gambar 21. Dari Gambar 21 terlihat desain yang terbaik yang diperoleh untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed adalah Desain 6. Pada Desain 6 untuk suspensi dedak gandum diperoleh tingkat okupansi (droplet terisi) mencapai 99.98%, sedangkan pada desain standar hanya 69.59%. Standar deviasi (σ) nilai gray untuk dedak gandum pada Desain 6 sebesar 7.34%, lebih rendah dari nilai σ pada desain standar yang mencapai 15.78%. Untuk rapeseed, Desain 6 menunjukkan tingkat okupansi (droplet terisi) 97.07%, sedangkan pada desain standar hanya 65.33%. Standar deviasi (σ) nilai gray untuk rapeseed pada Desain 6 sebesar 12.10%, lebih kecil dari nilai σ pada desain standar yang mencapai 27.92%.
Gambar 8. Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi) untuk rapeseed dan dedak gandum. Desain yang paling optimal adalah desain dengan standar deviasi yang kecil dan tingkat okupansi yang tinggi yaitu Desain 6. Gambar tiga dimensi dari Desain 6 dapat dilihat pada Gambar 22. Konsep yang digunakan adalah mendistribusikan aliran agar ketika terjadi kemacetan di salah satu saluran, fluida akan dapat mengalir melalui saluran yang lain.
26
Gambar 22. Desain 6
27
5 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan 1. Berdasarkan kalkulasi teori dibuat 10 desain yang baru yang kemudian digunakan untuk membuat chip microfluidics. 2. Berdasarkan uji kinerja chip didapatkan bahwa Desain 6 adalah desain yang terbaik dan diperoleh tingkat homogenitas raw material yang tinggi yaitu : a. dedak gandum : tingkat okupansi 99.98% dan σ nilai gray 7.34 % b. rapeseed : tingkat okupansi 97.07% dan σ nilai gray 12.10 % Saran Perlu dilakukan analisa mekanika fluida lebih mendalam mengenai fluks dari aliran serta persamaan-persamaan baru yang dapat diperoleh dari perilaku aliran dari suspensi dedak gandum dan rapeseed yang dimikronisasi pada saluran mikro.
28
DAFTAR PUSTAKA Anna SL, Bontoux N, Stone HA. 2003. Formation of dispersions using flowfocusing in microchannels. Appl. Phys. Letter 82 (3) : 364 - 366. Banks D. 2006. Microengineering, MEMS, and Interfacing, A Practical Guide. New York. Taylor & Francis Group, CRC Press. Baroud CN, Francois G, Remi D. 2010. Dynamics of microfluidics droplets. Lab on Chip. 10 : 2032 - 2045. Blair R. 2008. Nutrition and Feeding of Organic Poultry. Trowbridge. Cromwell Press. Bretherton FP. 1961. "The motion of long bubbles in tubes. J. Fluid :161-188. Bruus H. 2008. Theoretical Microfluidics. New York, Oxford University Press. Chevoir F, Gouillart E. 2013. Mixing and Segregation in fluid and granular flows. Champs-sur-Marne. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. Chhabra PR, Richardon FP. 2008. Non-Newtonian Flow and Applied Rheology 2nd edition. Budapest. Elsevier. Cramer C, Fischer P, Windhab EJ. 2004. Drop formation in a co flowing ambient fluid. Chem. Eng. Sci. 59 (15) : 3045 - 3058. Duffy DC, McDonald JC, Schueller OJA, Whitesides GM. 1998. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry 70(23): 4974-4984. Durairaj R, El-Hassan A, Williams M, Talero, Trofimov, Rameshwaram KJ. 2013. Rheology-New Concepts, Applications and Methods. Rijeka. Intech. Elzebroek ATG, Wind K. 2008. Guide to Cultivated Plants. Singapore, CAB International. Eun YJ, Utada AS, Copeland MF, Takeuchi S, Weibel DB. 2010. Encapsulating Bacteria in Agarose Microparticles Using Microfluidics for HighThroughput Cell Analysis and Isolation. ACS Chemical Biology 6(3): 260-266. Fair RB. 2007. Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible? Microfluidics and Nanofluidics 3(3): 245-281.
29 Hsieh HY, Wang PC, Wu CL, Huang CW, Chieng CC, Tseng FG. 2009. "Effective Enhancement of Fluorescence Detection Efficiency in Protein Microarray Assays: Application of a Highly Fluorinated Organosilane as the Blocking Agent on the Background Surface by a Facile Vapor-Phase Deposition Process." Analytical Chemistry 81(19): 7908-7916. Huang KY, Fu KS, Sheen TH, Cheng SW. 1985. Image processing of seismograms: (a) Hough transformation for the detection of seismic patterns; (b) thinning processing in the seismogram. Pattern Recognition 18(6): 429-440. Jakovlevich A and Isayev AI. 2006. Rheology : Concepts, Methods, and Applications. Toronto, ChemTec Publishing. Jensen and Lee AP. 2004. "Ferrofluid-in-oil two-phase flow patterns in a flow focusing microchannel. Lab on Chip : 31N-32N. Jessamine MKNg, Abraham IG, Stroock D, Whitesides GM. 2002. Components for integrated poly (dimethylsiloxane) microfluidic systems." Electrophoresis 23: 3461-3473. Koesdjojo MT, Tennico YH, Rundel JT, Remcho V. 2008. Two-stage polymer embossing of co-planar microfluidic features for microfluidic devices. Sensors and Actuators B: Chemical 131(2): 692-697. Lucas FJB, Griffiths AD, Baret JC. 2008. Microfluidic Production of Droplet Pairs." Langmuir 24: 12703-12076. Mayot E, Gérardin-Charbonnier C, Selve C. 2005. Highly fluoroalkylated amphiphilic triazoles: Regioselective synthesis and evaluation of physicochemical properties. Journal of Fluorine Chemistry 126(5): 715720. Nagel SR and Jaegar HM. 1992. Physics of the Granular State. Science 255: 1523-1531. Nam-Tung N dan Werely Steven T. 2002. Fundamentals and applications of microfludics. Norwood. Artech House. Nie Z, Xu S, Seo M, Lewis PC, Kumacheva E. 2005. Polymer Particles with Various Shapes and Morphologies Produced in Continuous Microfluidic Reactors. Journal of the American Chemical Society 127(22): 8058-8063. Nori NM. 2006. Wet granular materials. Advances in Physics 55(1): 1-45. Park JS, Song SH, Jung HI. 2009. Continuous focusing of microparticles using inertial lift force and vorticity via multi-orifice microfluidic channels. Lab on a Chip 9(7): 939-948.
30 Pollack MG, Shenderov AD, Fair RB. 2002. Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics. Lab on a Chip 2(2): 96-101. Qi DH, Bae C, Feng YM, Jia CC, Bian YZ. 2013. Combustion and emission characteristics of a direct injection compression ignition engine using rapeseed oil based micro-emulsions. Fuel 107: 570–577. Shahidi F. 1990. Canola and Rapeseed, Production, Chemistry, Nutrition, and Processing Technology. New York, Van Nostrand Reinhold. Song H, Chen DL, Ismagilov RF. 2006. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angewandte Chemie International Edition 45(44): 7336-7356. Sudarsan AP and Ugaz VM. 2006. Fluid mixing in planar spiral microchannels. Lab on a Chip 6(1): 74-82. Teh SY, Lin R, Hung LH, Lee AP. 2008. Droplet microfluidics. Lab on a Chip 8(2): 198-220. Thoresen T, Roberts RW, Arnold FH, Quake SR. 2001. Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device. Phys. Rev. Letter 86 (18) : 4163- 4166. Vincent S, Giao H, Anna P, Michael O, Anderson WF, Stephen RQ. 2004. "Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve." Journal of Applied Physics 95(1): 393-398. Walker R L, Walker KC, Booth EJ. 2000. What does the future hold for GM crops? Aspects of Applied Biology 62: 173-180. Wang T, Sun X, Zhou Z, Chen G. 2012. Effects of microfluidization process on physicochemical properties of wheat bran. Food Research International 48: 742–747. Whitesides GM. 2006. The origins and the future of microfluidics. Nature Publishing Group 442(7101). Xu S, Nie Z, Seo M, Lewis P,Kumacheva E, Stone HA. 2005. Generation of Monodisperse Particles by Using Microfluidics: Control over Size, Shape, and Composition. Angewandte Chemie 117(5): 734-738. Zohdi,TI. 2003. On the compaction of cohesive hyperelastic granules. Proceeding of Royal Society. London. 459.
31
LAMPIRAN
32
33 Lampiran 1. Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum dan Rapeseed Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
1
Waktu (detik) 0.00000
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 48.54235
Waktu (detik) 0.00000
Diameter (µm) 365.96182
Nilai Kehitaman 45.44628
2
0.00000
264.15094
48.51568
0.00000
358.49320
46.58850
3
0.00000
264.15094
50.22103
0.00000
373.43042
46.62929
4
0.00000
264.15094
44.96190
0.00000
261.40131
47.66817
5
0.00000
264.15094
46.86341
0.00000
261.40131
48.27729
6
0.00000
264.15094
47.61424
0.00000
261.40131
48.40729
7
0.00000
264.15094
45.96861
0.00000
358.49320
48.52166
8
0.00000
264.15094
49.41125
0.00000
253.93269
48.96271
9
0.00000
264.15094
47.03583
0.25007
283.80713
49.00247
10
0.00000
264.15094
49.20308
0.25007
261.40131
49.12940
11
0.00000
264.15094
46.05117
0.25007
253.93269
49.26911
12
0.00000
264.15094
45.60974
0.25007
253.93269
49.59031
13
0.00000
264.15094
40.50771
0.25007
328.61877
49.81153
14
0.00000
264.15094
41.73272
0.25007
291.27573
50.45070
15
0.00000
264.15094
42.31414
0.50014
365.96182
50.45648
16
0.25007
264.15094
46.75780
0.50014
373.43042
50.48312
17
0.25007
264.15094
44.45811
0.50014
373.43042
50.64084
18
0.25007
264.15094
48.92366
0.50014
380.89905
50.65965
19
0.25007
264.15094
44.28321
0.50014
388.36764
50.91318
20
0.25007
264.15094
49.93814
0.50014
373.43042
50.93333
21
0.25007
264.15094
46.16353
0.50014
373.43042
50.96555
22
0.25007
264.15094
44.92870
0.75021
268.86990
51.33180
23
0.25007
264.15094
50.74557
0.75021
373.43042
51.38368
24
0.25007
264.15094
44.49621
0.75021
253.93269
51.58665
25
0.25007
264.15094
46.03973
0.75021
395.83624
52.09508
26
0.25007
264.15094
38.83081
0.75021
261.40131
52.21896
27
0.25007
264.15094
44.68306
0.75021
253.93269
52.43613
28
0.25007
264.15094
37.40078
0.75021
253.93269
52.47515
29
0.25007
264.15094
37.49948
1.00028
268.86990
52.84596
30
0.50014
264.15094
47.92193
1.00028
306.21295
53.09387
31
0.50014
264.15094
41.55785
1.00028
276.33850
53.44803
32
0.50014
264.15094
48.21511
1.00028
261.40131
53.59099
33
0.50014
264.15094
48.30371
1.00028
261.40131
53.60052
34
0.50014
264.15094
45.78359
1.25035
253.93269
53.69939
35
0.50014
264.15094
48.93321
1.25035
261.40131
53.71165
36
0.50014
264.15094
50.12742
1.25035
261.40131
53.72971
37
0.50014
264.15094
46.38165
1.25035
343.55600
53.76602
34 Sambungan Lampiran 1. Droplet
Dedak Gandum
Rapeseed
38
Waktu (detik) 0.50014
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 51.23190
Waktu (detik) 1.25035
Diameter (µm) 291.27573
Nilai Kehitaman 53.77877
39
0.50014
264.15094
47.48400
1.25035
246.46408
53.85212
40
0.50014
264.15094
45.01855
1.50042
253.93269
53.8860
41
0.50014
264.15094
45.82116
1.50042
380.89905
53.98619
42
0.50014
264.15094
49.58468
1.50042
380.89905
54.04764
43
0.50014
264.15094
45.21227
1.50042
373.43042
54.08017
44
0.75021
264.15094
48.48438
1.50042
365.96182
54.35822
45
0.75021
264.15094
50.04133
1.50042
380.89905
54.46060
46
0.75021
264.15094
44.73701
1.75049
395.83624
54.95133
47
0.75021
264.15094
47.18265
1.75049
380.89905
54.98181
48
0.75021
264.15094
47.25621
1.75049
328.61877
54.99606
49
0.75021
264.15094
47.58347
1.75049
283.80713
55.04223
50
0.75021
264.15094
49.92876
1.75049
373.43042
55.06514
51
0.75021
264.15094
52.50196
1.75049
283.80713
55.08213
52
0.75021
264.15094
47.80586
1.75049
358.49320
55.11135
53
0.75021
264.15094
41.28777
2.00056
276.33850
55.22225
54
0.75021
264.15094
43.86592
2.00056
253.93269
55.25454
55
0.75021
264.15094
46.95115
2.00056
253.93269
55.27361
56
0.75021
264.15094
39.67283
2.00056
253.93269
55.57647
57
1.00028
264.15094
41.28453
2.00056
276.33850
55.59258
58
1.00028
264.15094
47.60005
2.00056
261.40131
55.62320
59
1.00028
264.15094
44.85426
2.25062
261.40131
55.65739
60
1.00028
264.15094
42.56284
2.25062
268.86990
55.69384
61
1.00028
264.15094
49.88406
2.25062
276.33850
55.79118
62
1.00028
264.15094
47.80897
2.25062
351.02460
55.84832
63
1.00028
264.15094
53.67645
2.25062
261.40131
55.86304
64
1.00028
264.15094
44.39026
2.25062
365.96182
55.96703
65
1.00028
264.15094
47.52781
2.25062
268.86990
55.97203
66
1.00028
264.15094
45.82806
2.50069
276.33850
56.06995
67
1.00028
264.15094
47.66901
2.50069
261.40131
56.08614
68
1.00028
264.15094
49.05557
2.50069
261.40131
56.12688
69
1.00028
264.15094
45.70908
2.50069
283.80713
56.22660
70
1.00028
264.15094
43.29068
2.50069
298.74435
56.31209
71
1.00028
264.15094
43.87313
2.50069
253.93269
56.35774
72
1.00028
264.15094
38.32009
2.50069
283.80713
56.37582
73
1.25035
264.15094
48.74184
2.75076
276.33850
56.40015
74
1.25035
264.15094
51.60754
2.75076
395.83624
56.74260
35 Sambungan Lampiran 1. Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
75
Waktu (detik) 1.25035
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 48.06494
Waktu (detik) 2.75076
Diameter (µm) 253.93269
Nilai Kehitaman 56.76053
76
1.25035
264.15094
49.56484
2.75076
283.80713
56.76594
77
1.25035
264.15094
45.68290
2.75076
336.08737
56.79289
78
1.25035
264.15094
54.03634
2.75076
253.93269
56.86383
79
1.25035
264.15094
47.11912
3.00083
261.40131
56.92654
80
1.25035
264.15094
47.29927
3.00083
261.40131
56.93450
81
1.25035
264.15094
44.02530
3.00083
276.33850
56.94594
82
1.25035
264.15094
47.76523
3.00083
253.93269
56.95178
83
1.25035
264.15094
44.22963
3.00083
276.33850
57.01195
84
1.25035
264.15094
46.69379
3.00083
261.40131
57.05132
85
1.25035
264.15094
47.63613
3.00083
253.93269
57.08956
86
1.50042
264.15094
46.75451
3.00083
261.40131
57.22890
87
1.50042
264.15094
48.66606
3.25090
261.40131
57.29724
88
1.50042
264.15094
48.22167
3.25090
395.83624
57.32976
89
1.50042
264.15094
46.78703
3.25090
268.86990
57.43112
90
1.50042
264.15094
44.53360
3.25090
276.33850
57.45052
91
1.50042
264.15094
47.56476
3.25090
373.43042
57.51473
92
1.50042
264.15094
47.10199
3.25090
268.86990
57.57377
93
1.50042
264.15094
51.60506
3.25090
261.40131
57.59150
94
1.50042
264.15094
48.02249
3.50097
283.80713
57.62494
95
1.50042
264.15094
47.58377
3.50097
336.08737
57.64410
96
1.50042
264.15094
45.67250
3.50097
276.33850
57.66204
97
1.50042
264.15094
45.52211
3.50097
395.83624
57.71200
98
1.50042
264.15094
44.00865
3.50097
253.93269
57.76417
99
1.75049
264.15094
48.83147
3.50097
261.40131
57.79522
100
1.75049
264.15094
41.44153
3.50097
261.40131
57.79891
101
1.75049
264.15094
46.28231
3.75104
373.43042
57.80887
102
1.75049
264.15094
45.86850
3.75104
380.89905
57.81050
103
1.75049
264.15094
44.05180
3.75104
380.89905
57.97957
104
1.75049
264.15094
48.42872
3.75104
365.96182
58.01232
105
1.75049
264.15094
42.05833
3.75104
388.36764
58.03632
106
1.75049
264.15094
44.38137
3.75104
268.86990
58.04577
107
1.75049
264.15094
42.06791
3.75104
321.15018
58.05907
108
1.75049
264.15094
44.05180
4.00111
343.55600
58.13152
109
1.75049
264.15094
48.42872
4.00111
276.33850
58.15066
110
2.00056
264.15094
45.67749
4.00111
253.93269
58.22058
111
2.00056
264.15094
42.66902
4.00111
343.55600
58.26569
36 Sambungan Lampiran 1. Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
112
Waktu (detik) 2.00056
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Waktu Diameter Kehitaman (detik) (µm) 45.52669 4.00111 261.40131
Nilai Kehitaman 58.26613
113
2.00056
264.15094
42.34544
4.00111
276.33850
58.30096
114
2.00056
264.15094
45.62611
4.00111
276.33850
58.31793
115
2.00056
264.15094
45.28388
4.00111
276.33850
58.31892
116
2.00056
264.15094
49.27605
4.00111
268.86990
58.41186
117
2.00056
264.15094
43.71473
4.00111
306.21295
58.42818
118
2.00056
264.15094
51.00705
4.00111
253.93269
58.47541
119
2.00056
264.15094
49.74804
4.25118
261.40131
58.47855
120
2.00056
264.15094
46.18438
4.25118
380.89905
58.49882
121
2.00056
264.15094
47.44808
4.25118
276.33850
58.58495
122
2.00056
264.15094
42.99712
4.25118
261.40131
58.59395
123
2.00056
264.15094
48.06375
4.25118
261.40131
58.60768
124
2.25062
264.15094
43.42114
4.25118
253.93269
58.65785
125
2.25062
264.15094
43.77313
4.25118
261.40131
58.73475
126
2.25062
264.15094
41.68254
4.50125
268.86990
58.80890
127
2.25062
264.15094
45.58793
4.50125
253.93269
58.87019
128
2.25062
264.15094
41.99450
4.50125
343.55600
58.87629
129
2.25062
264.15094
47.88102
4.50125
388.36764
58.99390
130
2.25062
264.15094
44.41298
4.50125
351.02460
58.99692
131
2.25062
264.15094
45.79599
4.50125
380.89905
58.99803
132
2.25062
264.15094
46.36015
4.75132
365.96182
59.01239
133
2.25062
264.15094
48.17054
4.75132
395.83624
59.03358
134
2.25062
264.15094
48.55439
4.75132
388.36764
59.05526
135
2.25062
264.15094
42.79201
4.75132
380.89905
59.06756
136
2.25062
264.15094
45.94399
4.75132
276.33850
59.08187
137
2.25062
264.15094
48.10366
4.75132
268.86990
59.08389
138
2.25062
264.15094
43.01362
4.75132
268.86990
59.16459
139
2.50069
264.15094
42.35037
4.75132
351.02460
59.30229
140
2.50069
264.15094
44.82193
5.00139
388.36764
59.35439
141
2.50069
264.15094
40.88593
5.00139
365.96182
59.40847
142
2.50069
264.15094
45.13380
5.00139
365.96182
59.45509
143
2.50069
264.15094
45.05540
5.00139
395.83624
59.62145
144
2.50069
264.15094
48.57483
5.00139
380.89905
59.63951
145
2.50069
264.15094
49.21109
5.00139
351.02460
59.65427
146
2.50069
264.15094
48.22411
5.00139
276.33850
59.68834
147
2.50069
264.15094
44.44804
5.00139
268.86990
59.76367
148
2.50069
264.15094
44.10078
5.00139
276.33850
59.77847
37 Sambungan Lampiran 1. Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
149
Waktu (detik) 2.50069
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 45.85180
Waktu (detik) 5.00139
Diameter (µm) 276.33850
Nilai Kehitaman 59.82361
150
2.50069
264.15094
46.05598
5.00139
261.40131
59.83480
151
2.50069
264.15094
39.24777
5.00139
268.86990
59.87719
152
2.75076
264.15094
48.28329
5.00139
261.40131
59.90681
153
2.75076
264.15094
48.95001
5.00139
276.33850
59.93365
154
2.75076
264.15094
46.69730
5.25146
261.40131
59.95769
155
2.75076
264.15094
44.62533
5.25146
261.40131
59.97387
156
2.75076
264.15094
46.03394
5.25146
261.40131
60.15377
157
2.75076
264.15094
50.78361
5.25146
253.93269
60.15614
158
2.75076
264.15094
44.22074
5.25146
283.80713
60.21621
159
2.75076
264.15094
47.66553
5.25146
276.3385
60.22442
160
2.75076
264.15094
45.87778
5.25146
253.93269
60.22881
161
2.75076
264.15094
45.23380
5.25146
261.40131
60.26774
162
2.75076
264.15094
46.49268
5.25146
261.40131
60.26966
163
2.75076
264.15094
44.20068
5.25146
373.43042
60.31092
164
2.75076
264.15094
44.46527
5.25146
365.96182
60.31314
165
2.75076
264.15094
40.31015
5.25146
365.96182
60.32146
166
2.75076
264.15094
46.88396
5.50153
373.43042
60.34036
167
3.00083
264.15094
45.54055
5.50153
380.89905
60.34325
168
3.00083
264.15094
47.06698
5.50153
373.43042
60.35143
169
3.00083
264.15094
49.36033
5.50153
365.96182
60.37754
170
3.00083
264.15094
44.80550
5.50153
373.43042
60.40100
171
3.00083
264.15094
39.17472
5.50153
388.36764
60.45392
172
3.00083
264.15094
51.23291
5.50153
358.49320
60.49169
173
3.00083
264.15094
52.33386
5.50153
395.83624
60.49407
174
3.00083
264.15094
47.26857
5.50153
268.86990
60.50040
175
3.00083
264.15094
47.06176
5.50153
283.80713
60.50419
176
3.00083
264.15094
44.63267
5.50153
283.80713
60.60751
177
3.00083
264.15094
40.26611
5.50153
276.33850
60.64714
178
3.00083
264.15094
50.57471
5.50153
253.93269
60.66923
179
3.00083
264.15094
42.89652
5.50153
268.86990
60.73282
180
3.00083
264.15094
47.54948
5.75160
388.36764
60.76332
181
3.25090
264.15094
41.55518
5.75160
336.08737
60.77416
182
3.25090
264.15094
43.19272
5.75160
261.40131
60.79939
183
3.25090
264.15094
45.02646
5.75160
253.93269
60.84076
184
3.25090
264.15094
44.56176
5.75160
276.33850
60.86762
185
3.25090
264.15094
41.67730
5.75160
268.86990
60.93333
186
3.25090
264.15094
45.87902
5.75160
268.86990
60.96904
38 Sambungan Lampiran 1. Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
187
Waktu (detik) 3.25090
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 44.84539
Waktu (detik) 5.75160
Diameter (µm) 268.86990
Nilai Kehitaman 60.98311
188
3.25090
264.15094
47.36440
5.75160
358.49320
60.98338
189
3.25090
264.15094
47.11795
5.75160
380.89905
60.99258
190
3.25090
264.15094
42.38914
5.75160
351.02460
61.00397
191
3.25090
264.15094
48.40576
5.75160
388.36764
61.04199
192
3.25090
264.15094
43.72711
6.00167
395.83624
61.04669
193
3.25090
264.15094
46.97781
6.00167
291.27573
61.04870
194
3.25090
264.15094
43.69334
6.00167
328.61877
61.07253
195
3.50097
264.15094
49.26232
6.00167
388.36764
61.12006
196
3.50097
264.15094
46.63444
6.00167
365.96182
61.18364
197
3.50097
264.15094
50.01781
6.00167
380.89905
61.19058
198
3.50097
264.15094
51.74287
6.00167
351.02460
61.20914
199
3.50097
264.15094
49.69514
6.00167
380.89905
61.21971
200
3.50097
264.15094
50.42925
6.00167
373.43042
61.31146
201
3.50097
264.15094
48.45621
6.00167
351.02460
61.33635
202
3.50097
264.15094
48.8356-
6.00167
373.43042
61.35250
203
3.50097
264.15094
42.46084
6.00167
276.33850
61.36738
204
3.50097
264.15094
48.01648
6.00167
380.89905
61.41852
205
3.50097
264.15094
44.16140
6.00167
395.83624
61.43569
206
3.50097
264.15094
47.44296
6.25174
388.36764
61.43897
207
3.50097
264.15094
40.66475
6.25174
373.43042
61.44343
208
3.50097
264.15094
42.72407
6.25174
365.96182
61.48490
209
3.50097
264.15094
44.58896
6.25174
380.89905
61.52932
210
3.75104
264.15094
50.63235
6.25174
395.83624
61.64528
211
3.75104
264.15094
47.47148
6.25174
351.02460
61.64965
212
3.75104
264.15094
56.35729
6.25174
253.93269
61.70366
213
3.75104
264.15094
46.71776
6.25174
298.74435
61.71144
214
3.75104
264.15094
47.60445
6.25174
365.96182
61.71308
215
3.75104
264.15094
52.22231
6.25174
365.96182
61.76996
216
3.75104
264.15094
49.25092
6.25174
395.83624
61.77489
217
3.75104
264.15094
50.07835
6.50181
380.89905
61.81275
218
3.75104
264.15094
47.30039
6.50181
388.36764
61.81641
219
3.75104
264.15094
46.43543
6.50181
395.83624
61.82520
220
3.75104
264.15094
45.88306
6.50181
395.83624
61.83200
221
3.75104
264.15094
46.34731
6.50181
328.61877
61.83364
222
3.75104
264.15094
42.23204
6.50181
276.33850
61.89829
39 Sambungan Lampiran 1. Dedak Gandum Droplet
Rapeseed
223
Waktu (detik) 4.00111
Diameter (µm) 264.15094
Nilai Kehitaman 44.24874
Waktu (detik) 6.50181
Diameter (µm) 388.36764
Nilai Kehitaman 61.90252
224
4.00111
264.15094
52.35060
6.50181
388.36764
61.91422
225
4.00111
264.15094
46.07501
6.50181
380.89905
61.91718
226
4.00111
264.15094
43.26482
6.50181
365.96182
61.91910
227
4.00111
264.15094
49.40334
6.75188
388.36764
61.93365
228
4.00111
264.15094
51.30423
6.75188
373.43042
61.95000
229
4.00111
264.15094
52.14804
6.75188
380.89905
61.99625
230
4.00111
264.15094
48.42193
6.75188
373.43042
61.99909
231
4.00111
264.15094
47.67016
6.75188
261.40131
62.02743
232
4.00111
264.15094
45.65900
6.75188
365.96182
62.04755
233
4.00111
264.15094
44.30159
6.75188
380.89905
62.09591
234
4.00111
264.15094
40.82844
7.00195
276.33850
62.11858
235
4.00111
264.15094
44.40418
7.00195
395.83624
62.13895
236
4.00111
264.15094
38.53943
7.00195
365.96182
62.14992
237
4.25118
264.15094
44.91980
7.00195
388.36764
62.20818
238
4.25118
264.15094
49.19498
7.00195
395.83624
62.22501
239
4.25118
264.15094
44.18032
7.00195
373.43042
62.22780
240
4.25118
264.15094
52.41776
7.00195
321.15018
62.25025
241
4.25118
264.15094
50.50667
7.25202
343.55600
62.27425
242
4.25118
264.15094
45.29718
7.25202
261.40131
62.30197
243
4.25118
264.15094
40.42127
7.25202
388.36764
62.31718
244
4.25118
264.15094
43.55078
7.25202
380.89905
62.32005
245
4.25118
264.15094
46.68662
7.25202
380.89905
62.35173
246
4.25118
264.15094
44.33996
7.25202
395.83624
62.38818
247
4.25118
264.15094
42.06144
7.25202
388.36764
62.39698
248
4.25118
264.15094
48.81423
7.25202
373.43042
62.41986
249
4.25118
264.15094
46.44442
7.50208
373.43042
62.43311
250
4.25118
264.15094
42.40786
7.50208
395.83624
62.44699
40
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Curup, 25 Oktober 1988 dan putra ke-2 dari Wirayanto dan Elfiana Hariani. Penulis menyelesaikan pendidikan dari TK, SD, SLTP, dan SMA di Yayasan Xaverius Lubuklinggau. Kemudian pada tahun 2006 diterima sebagai mahasiswa IPB dan tahun 2007 masuk sebagai mahasiswa Departemen Teknik Pertanian IPB, dan tahun 2010 lulus menjadi Sarjana di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Atjeng Mukhlis Syarif, MSAE. Tahun 2011 menjadi penerima Beasiswa Unggulan BPKLN DIKNAS Program Double Degree Indonesia Prancis. Di tahun yang sama, penulis masuk Sekolah Pascasarjana S2 di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB. Tahun 2012 melanjutkan Master M2 Research di jurusan Material Science for the Sustainable Construction yang merupakan kerjasama antara Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Paristech dan Ecole Polytechnique Paristech di Prancis. Pada bulan September tahun 2013 lulus dan mendapatkan gelar MSc. Tahun 2014, penulis menyelesaikan studi S2 nya di IPB dan mendapatkan gelar Msi dengan bimbingan Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng dan Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng. Penulis aktif di kegiatan kemahasiswaan sejak di S1, seperti KEMAKI (Keluarga Mahasiswa Katolik IPB), IKAMUSI (Ikatan Keluarga Mahasiswa Sumatera Selatan), Pencak Silat Merpati Putih IPB, Pencak Silat Merpati Putih cabang Bogor. Selain itu, di Prancis penulis aktif sebagai pengurus PPI Paris dan PPI Prancis. Penulis juga merupakan pelatih silat di Asosiasi Pencak Silat KBRI Paris, dan guru angklung untuk pertunjukan kebudayaan PPI di Paris. Di kepanitiaan, penulis juga aktif sebagai Divisi Dana Usaha untuk berbagai acara seperti SAPA, TETRANOLOGI, Makrab MP Ja-Bar. Kemudian pernah menjabat sebagai Ketua Panitia Natal FATETA, dan Wakil Ketua Acara Kebudayaan PPI Sourire d’Indonésie di Paris Prancis.
