Penentuan Kadar Sukrosa dalam Cairan Tebu Melalui Pengukuran Sudut Angular Dispersi

## Determination of Sucrose Content in Sugarcane Liquids Through Angular Dispersion Angle Measurement
Misto 1*) , Tri Mulyono 2 , Bowo Eko Cahyono 1 1 Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Jember 2 Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Jember
* E-mail: misto.fmipa@gmail.com

## ABSTRACT
In  the  sugar  industry,  it  is  important  to  measure  the  sucrose  content  of  sugar  cane  so that  an electronic system is needed for measurement. The system was employed an array photodiode as a sensor,  red  and  green  laser,  operational  amplifiers  (opamp),  an  analog  to  digital  converter  from Arduino, and a computer. The main operation of the measurement system was conducted by the sensor  and  controller  system  in  the  computer.  The  controller  was  programmed  with  Basic program, a program that suitable for the device. The signal from array photodiode sensor is send to signal processing unit (opamp) and converted to digital signal by ADC. Then the digital code is countered by controller and displayed by monitor computer.
Keywords: sugar content, array photodiode, Arduino.

## PENDAHULUAN
Kadar gula dalam cairan tebu merupakan salah satu  parameter  penting  yang  sering  dilakukan pengukuran  di  pabrik  gula.  Parameter  ini  bisa diukur  melalui  sifat  optis  dari  medium  cairan dengan mengukur indeks bias cairan gula yang bersangkutan.  Metode  standard  dalam pengukuran indeks bias yang paling sederhana yaitu  dengan  mengukur  sudut  pembelokan cahaya yang melewati wadah berbentuk prisma berisi  larutan.  Meskipun  metode  ini  akurat, namun  membutuhkan ruangan  yang  cukup besar (Aini et al ., 2013).
Alat  pengukur  kadar  gula  secara  optik menggunakan  prisma  terhubung  komputer dibutuhkan  untuk  sejumlah  aplikasi,  termasuk pada pengukuran kadar gula dalam cairan tebu. Pengukuran  kadar  gula  menggunakan  prisma yang  bekerja  pada  prinsip  pengukuran  sudut deviasi  suatu  sinar    bisa  dilakukan  dengan cepat.  Karena  dengan  cara  ini    mempunyai kelebihan  yaitu  murah  karena  tidak memerlukan  zat  kimia  dalam  proses pengukurannya,volume  cairan  sampel  yang digunakan  tidak  banyak,  dan  hasilnya pengukurannya sangat cepat (Artanto, 2012).
Sistem  pengukur kadar  gula  (glukosa) dalam  air  destilasi  menggunakan  serat  optik dan sensor  pergeseran  dengan  probe  bundel telah  dilakukan oleh  Nawi, et  al . (2012). Penelitian tersebut menunjukkan bahwa puncak tegangan  atau  intensitas  sinar  sebanding dengan  konsentrasi  glukosa.  Sejalan  dengan
penelitian  tersebut  Aini, dkk. (2013),  juga melakukan  pengujian  kadar  glukosa  dalam cairan destilasi menggunakan bahan yang mirip berbasis  sensor  pergeseran  dengan  fiber coupler.  Hasil  penelitian  tersebut  menunjukan bahwa  semakin  tinggi  konsentrasi  larutan glukosa  yang  digunakan,  semakin  tinggi  pula tegangan keluaran yang dihasilkan.
Akhir-akhir  ini  metode  yang  banyak digunakan  untuk  mengukur  kadar  gula  adalah dengan  metode  refractometric,  Near  Infrared Reflectance (NIR), polarimetric, dan kromatografi  (Mehrotra & Siesler, 2003). Beberapa metode tersebut memiliki keterbatasan untuk digunakan di lapang karena membutuhkan  waktu  yang  cukup  lama, ketergantungan  operator,  dan  membutuhkan reagen  yang  berbahaya  (Mehrotra & Siesler, 2003).  Beberapa  penelitian  di  laboratorium telah menunjukkan bahwa metode spektroskopi dapat  berhasil  digunakan  untuk  memprediksi kualitas  tebu  berdasarkan  sampel  cairan  tebu. Namun  penelitian  tersebut  tidak  mendapatkan cukup  sampel  cairan  yang  sesuai  di  lapang sehingga  mengurangi  tingkat  ketelitian  data yang telah didapatkan.
Sedangkan  pada  pengukuran  kadar  gula yang lebih umum dilakukan menggunakan alat refractometer, yaitu dengan meneteskan cairan tebu ke  salah  satu  bagian  refractometer. Metode ini  memanfaatkan prinsip indeks bias. Makin tinggi kadar gula pada cairan tebu maka indeks  biasnya  akan  semakin  tinggi  sehingga
refractometer  akan  menunjukkan  skala  yang semakin  besar.  Suatu  kelemahan  dari  alat  ini adalah  adanya  pengaruh  sinar  matahari  ketika pengukuran  dilaksanakan  di  lapang.  Semakin tinggi  nilai  intensitas  sinar  matahari  maka semakin  tinggi  skala  refractometer  yang  akan didapatkan  (Misto  &  Mulyono,  2017; Milman & Halkias, 1985 ; Yasin et al ., 2010). Terdapat  beberapa  kelemahan  dari penelitian  sebelumnya  antara  lain  belum terintegrasinya penelitian menggunakan personal  computer  (PC)  untuk  pengendalian alat  ukur  dan  media  penyimpanan  data,  serta akurasi  rendah  yang  disebabkan  oleh keterbatasan  alat dan  sampel  yang  digunakan. Beberapa kelemahan dari penelitian sebelumnya mengindikasikan perlunya perbaikan dalam melakukan kegiatan pengukuran.  Sejalan  dengan  kondisi  tersebut, prinsip  optika  memberikan  peluang  untuk mengukur  cairan  tebu  melalui  pengamatan sudut  dispersi  menggunakan  prisma,  yang diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih baik. Dari  uraian  gagasan  di  atas,  maka diperlukan  sebuah  alat  ukur  berupa  prototype yang  digunakan  untuk  mengukur  kadar  gula pada  cairan  tebu.  Alat  yang  akan  dibuat memanfaatkan  sensor  pengukur  rentang intensitas  sinar  berupa  array  fotodioda,  sinar laser  merah  dan  laser  hijau  yang  digunakan sebagai  sumber  sinar.  Dua  sinar  laser  yang dilewatkan  dalam  prisma  berisi  cairan  gula menghasilkan  sudut  dispersi  angular  yang diukur  oleh  array  fotodioda.  Keluaran fotodioda  kemudian  diteruskan  ke  rangkaian elektronik  dan  modul  Arduino  Uno  untuk
diolah  oleh  mikrokontroller  dan  kemudian diteruskan ke PC (Halvorse, 2014).
Sinar  laser  merah  dan  hijau  dipilih  karena kedua  sinar  ini  memiliki  visibilitas  yang  lebih besar  yang  lebih  menguntungkan  karena memiliki  kemampuan  untuk  membentuk  garis kontinyu  dalam  kegelapan  sampel  (Misto  & Mulyono, 2017).

## METODE
Persiapan Sampel Tiga  puluh  sembilan  sampel  larutan  gula  dengan konsentrasi  0,  5%,  10%,  15%,  20%,  25%,  30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60% berat, digunakan dalam penelitian.  Masing-masing  sampel  dengan konsentrasi  yang  dibuat  tiga  buah.  Sampel ditempatkan  pada  wadah  prisma  berongga  yang dibentuk dari bahan kaca tipis, laser merah (λ = 633 nm)  dan  laser  hijau  (λ  =  455  nm)  sebagai  sumber sinar. Sampel dijaga pada suhu tetap 28°C. Sampel dibuat  dari  sukrosa  yang  dicampur  dengan  akuades untuk membentuk konsentrasi di atas.

## Persiapan Sistem Pengukuran
Sistem  pengukur  yang  disiapkan  terdiri  wadah prisma terbuat dari bahan transparan tipis berukuran prisma sama sisi dengan panjang sisi masing-masing 10  cm.  Sumber  sinar  laser  jenis  warna  merah  dan warna  hijau  dengan  panjang  gelombang masing- masing  633  nm  dan  455  nm,  keduanya  berdaya  2 mW.  Sebagai  detektor  sinar  terdiri  dari  array  pin fotodioda  yang  mempunyai  daerah  rentangan pengukuran  lebar  di  daerah  sinar  tampak  dan  peak response  di  daerah  panjang  gelombang  550  nm. Hasil  pengukuran  sudut  kedua  sinar  diteruskan  ke komputer.
Pada  penelitian  ini  telah  dibuat  sistem pengukuran  kadar  gula  dalam  cairan  dengan menggunakan  sensor  fotodioda  dan  mikrokontroler dari  Arduino.  Diagram  blok  dari  rancangan perangkat  keras  penelitian  yang  telah  dibuat dalam Gambar 1.
Gambar  1. Desain rangkaian  penelitian (a) Diagram  blok  dari  rancangan  perangkat  keras,  (b)  perambatan berkas laser pada sampel
Sensor Kadar Gula dan Unit Pengolah Sinyal Pengukuran  kadar  gula  menggunakan  sensor  array fotodioda  yang  diletakkan  di  ujung  prisma  sampel larutan  gula.  Larutan  disiapkan  dalam  air  suling untuk  berbagai  kadar  (konsentrasi)  mulai  dari  5 gram hingga 60 gram per 100 mg air suling. Dengan bantuan sinar laser yang direfraksikan lewat prisma, berkas  sinar  merah  dan  berkas  sinar  membentuk sudut  anguler  dispersi.  Setelah  sampel  larutan  gula tebu  diisikan  ke  prisma  kemudian  sinar  diterima oleh  fotodetektor  melalui  array  fotodioda berikutnya. Intensitas  yang  dimiliki  sinar  yang keluar  dari  sampel  adalah  berhubungan  langsung dengan  konsentrasi  sampel  gula.  Dengan memanfaatkan  pengamatan  sudut  deviasi  maka dapat  diukur  sudut  deviasinya  pada  setiap konsentrasi  gula  dan  setiap  panjang  gelombang. Hubungan sudut dispersi anguler ( - ) terhadap selisih  indeks  bias  medium  cairan  gula  dapat dijelaskan.  Jika  A  =  sudut  prisma, n indeks  bahan, dan  yang memenuhi persamaan berikut;
= ( − 1) ..........................................(1)
− = ( − ) .............................(2) Dengan adalah sudut deviasi yang terjadi dari sinar  laser  yang  digunakan  pada  refraktometer prisma  ,  dan  n  adalah  indeks  bias  larutan  yang dilewati  sinar.  Kemudian dan masing-masing adalah  sudut  deviasi  untuk  sinar  merah  dan  sinar hijau, dan masing-masing adalah indeks bias untuk  sinar  merah  dan  sinar  hijau  dari  pengukuran cairan  yang  sedang  diamati.  Sudut  masing-masing sinar dideteksi menggunakan array photodiode yang kemudian diteruskan ke mikrokontroler Arduino dan komputer.
Sinyal  luaran  dari  array  fotodioda  sebelumnya dilewatkan ke rangkaian pengubah analog to digital (ADC) menggunakan modul Arduino UNO sebelum diteruskan  ke  komputer.  Unit pengolah  sinyal pada desain  rangkaian  tersebut  memiliki  dua  bagian utama  yaitu  penguat  operasional  dan  juga  modul Arduino UNO.
Perangkat Lunak ( Software ) Pemrograman LabVIEW  2012  64  bit  yang  digunakan  untuk membuat  program  perintah  kerja,  LabVIEW Interface  for  Arduino  yang  digunakan  untuk menjalankan perintah kerja, dan Arduino IDE 1.0.4 digunakan untuk memasukkan bahasa pemrograman pada modul Arduino UNO. Selanjutnya perancangan hardware  dan  instalasi  software  Arduino  IDE  serta LabVIEW sebagai proses awal pembuatan alat ukur. Agar perangkat keras tersambung dengan perangkat lunak  pada  laptop  maka  diperlukan  suatu  bahasa pemrograman  untuk  menerjemahkan  perintah- perintah  user (Bitter et  al ,. 2007). Jika  bahasa pemrograman  yang  dimasukkan  sudah  sesuai dengan hal-hal yang harus dieksekusi oleh perangkat keras,  maka  kegiatan  selanjutnya  adalah  pengujian alat.  Pengujian  dilakukan  pada  larutan  gula  dengan variasi  konsentrasi.  Pengujian  akan  dianggap
berhasil ketika tegangan keluaran yang ditampilkan pada  laptop  menunjukkan  nilai  tegangan  besar ketika  larutan  standar  gula  memiliki  konsentrasi rendah.  Jika  hasil  yang  didapatkan  belum  sesuai dengan  ketentuan  tersebut  maka  diperlukan pemrograman ulang. Pengujian alat ini dimaksudkan untuk mengetahui kinerja dan tingkat ketelitian alat. Selanjutnya  alat  digunakan  untuk  mengukur  kadar gula  pada  cairan  tebu  yang  belum  diketahui konsentrasinya.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran Sudut Dispersi
Perangkat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri  dari  2  sumber  laser  (merah  dan  hijau) dengan panjang gelombang masing-masing 633 nm dan 455 nm, prisma kaca, array fotodioda, penguat. Setelah perangkat keras dan perangkat lunaknya  terpasang  kemudian  diujicobakan pengukuran terhadap  larutan  gula  yang  telah dipersiapkan.
Kolom  tegangan  keluaran  akan  memiliki nilai sesuai dengan besarnya tegangan keluaran pada rangkaian transimpedansi. Tabe 1 adalah data  hasil  uji  pembacaan  sistem  foto detektor menggunakan software LabVIEW.
Tabel 1. Tegangan  keluaran  fotodioda  untuk setiap kadar gula No Kadar gula (% berat) Tegangan (mV) Laser merah Laser biru 1. 0 68,20 64,30 2. 5 67,42 63,92 3. 10 66,64 63,54 4. 15 65,86 63,16 5. 20 65,08 62,78 6. 25 64,30 62,40 7. 30 63,52 62,01 8. 35 62,74 61,63 9. 40 61,95 61,24 10. 45 61,19 60,85 11. 50 60,18 60,48 12. 55 59,40 60,10 13. 60 58,62 59,71 Peningkatan  kadar  gula  menunjukkan penurunan tegangan keluaran. Ini menunjukkan bahwa  makin  besar  kadar  gula  makin  besar serapan  intensitas  sinar  yang  mengenainya sehingga  intensitasnya  keluaran  sinar  lasernya makin  turun.  Hal  ini  diamati  bahwa  sampel larutan dengan kadar 5% (5 gram gula dan 95 ml  air  suling)  hingga  60  %(60  gram  gula  dan 40  ml  air  suling)  dengan  perubahan  5  %,
intersitas sinar merah (633 nm) dan sinar hijau (455  nm)  yang  diteruskan  melalui  sampel mengalami  penurunan  mendekati  linier. Penurunan  intensitas  ini  mengakibatkan penurunan  tegangan  yang  dihasilkan  oleh fotodioda  (hasil  konversi  intensitas  ke tegangan)  yang  diteruskan  pada  penguat transimpedansi.
Pemilihan  angka  kadar  gula  dalam  cairan tersebut  disesuaikan  keadaan  di  lapangan bahwa kandungan gula cairan tebu (rendemen) maksimum  berada  di  sekitar  harga  kadar (menggunakan  refraktometer)  yang  telah digunakan di atas.
Berdasarkan dari pembahasan di atas, dapat dimengerti  bahwa  sistem  pengukuran  kadar gula  suatu  larutan  menggunakan  spektroskopi dengan  sinar  laser  ini  dapat  digunakan  untuk mengetahui  kandungan  gula  pada  cairan  tebu, karena  selain  akurat  juga  tidak  merusak struktur  larutan  yang  diteliti.  Secara  umum, jika  semakin  tinggi  kadar  (kandungan)  gula pada  larutan  dipastikan  koefisien  serapan terhadap sinar yang digunakan semakin tinggi. Namun  untuk  diaplikasikan  secara  langsung pada  larutan  hasil  perasan  dari  tebu  yang digiling perlu kalibrasi ulang mengingat larutan perasan  tebu  tersebut  terdapat  bahan  terlarut selain  gula. Oleh  karena  itu, penelitian  perlu dilanjutkan dengan kalibrasi termasuk kalibrasi programnya.  Sedangkan  beberapa  kelebihan pengukuran  dengan  metode  ini  adalah  murah karena  tidak  dibutuhkan  keterlibatan  bahan kimia dan hasilnya cepat diperoleh.
Tabel 2. Hubungan  antara  kadar  gula  dan indeks bias No Kadar Gula (% berat) n r n g − = ( − )
1 1,3318 1,3322 0,0240 2 5 1,3375 1,3379 0,0260 3 10 1,3419 1,3424 0,0290 4 15 1,3512 1,3521 0,0320 5 20 1,3576 1,3583 0,0360 6 25 1,3639 1,3645 0,0381 7 30 1,3709 1,3715 0,0412 8 35 1,3745 1,3752 0,0420 9 40 1,3838 1,3849 0,0660 10 45 1,4078 1,4086 0,0502 11 50 1,4204 1,4211 0,0452 12 55 1,4289 1,4296 0,0441 13 60 1,4418 1,4425 0,0426 Gambar 2. Grafik  hubungan  antara  sudut dispersi dan kadar gula Dispersi  sinar  dari  suatu  medium  bahan transparan  menentukan  perubahan  indeks  bias dengan  panjang  gelombang  yang  digunakan. Berdasarkan  teori  gelombang  elektromagnetk, hubungan ini menyangkut interaksi gelombang elektromagnetik  terhadap  struktur  molekul bahan.  Dari  data  grafik  diketahui  bahwa  pada konsentrasi  gula  40%  terdapat  pengaruh maksimum  panjang  gelombang  sinar  yang bersangkutan  terhadap  perubahan  indeks  bias. Jika  gelombang  elektromagnetik  mengenai atom  atau  molekul  bermuatan  maka  akan bergetar  pada  frekuensi  gelombang  yang bersangkutan.  Gugus  atom  atau  molekul  dari bahan  medium  akan  beresonansi  pada frekuensi  sesuai  dengan  sinar  yang mengenainya. Tabel  2 menunjukkan  indeks bias pada panjang gelombang sinar merah (λ = 633 nm) dan  sinar hijau (λ = 455 nm) larutan gula  (0-60%)  pada  suhu  ruang.  Dari Tabel tersebut  tampak  bahwa  perubahan  indeks  bias larutan pada konsentrasi 40 %  adalah tertinggi untuk panjang gelombang sinar hijau. Pengamatan  sudut  dispersi  ini  dapat membantu untuk mendeteksi perubahan indeks bias  terhadap  panjang  gelombang  sinar  yang digunakan  dalam  eksperimen.  Di  atas  wilayah panjang  gelombang  yang  terlihat,  perubahan tersebut  mengecil  dan  sesuai  dengan eksperimental  yang  diukur.  Dua  parameter panjang gelombang yang digunakan memberikan  nilai  korelasi  koefisien  (R 2 = 0,98).
Penentuan Kadar Gula dalam Cairan Tebu Grafik  gambar 2 menunjukkan  hubungan antara  konsentrasi  larutan  gula dan sudut dispersi menggunakan dua sinar laser. Dengan menggunakan grafik tersebut kadar gula dalam
y = 0,0004x + 0,027 0,0200 0,0250 0,0300 0,0350 0,0400 0,0450 0,0500 0,0550 0,0600 0,0650 0,0700 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Su du t d isp er si Kadar Gula (% berat)
larutan gula dari batang tebu dapat ditentukan. Tabel 3  merupakan  hasil  pengujian  sistem pengukuran  metode  sudut  dispersi  pada  5 sampel  cairan  tebu.  Kolomketiga  pda  Tabel  3 menunjukkan  sudut  dispersi  rata-rata pada sampel  cairan  tebu yang diukur  dengan menggunakan  laser  merah  (λ  =  633nm)  dan laser  hijau  (λ  =  455  nm).  Nilai  kadar  gula dalam 5  sampel cairan  tebu ditentukan berdasarkan kurva pada gambar 2 dan hasilnya berada dalam kisaran (5–15)%. Hasil ini cukup mirip  dengan hasil  pengukuran sebelumnya menggunakan brixmeter. Hasil ini juga  sesuai dengan kandungan  gula  cairan  tebu  menurut data pengukuran lapangan di Indonesia berada di kisaran 6-13 (Aini, et al ., 2013).
Tabel 3. Hubungan antara kadar gula dan sudut dispersi pada 5 sampel No Sampel Sudut dispersi ( ⁰ ) Kadar Gula (%) Metode Sudut Dispersi Metode Brixmeter 1 Sampel 1 0,0250 6,2 (6,0 ± 0,01) 2 Sampel 2 0,0260 7,3 (7,0 ± 0,02) 3 Sampel 3 0,0270 8,1 (8,0 ± 0,01) 4 Sampel 4 0,0280 9,2 (9,0 ± 0,02) 5 Sampel 5 0,0290 10,1 (10,0 ±0,01)

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  maka  dapat disimpulkan bahwa sudut  dispersi  sukrosa (gula)  dalam  cairan  dipengaruhi  oleh  panjang gelombang  sinar  yang  digunakan,  dari pengamatan  ini  pada  konsentrasi  40  %  dan panjang gelombang sinar merah (λ = 633 nm) dan  sinar  hijau  (λ  =  455  nm)  memiliki  nilai terbesar. Dari  pengamatan  juga  terungkap bahwa  nilai  indeks  bias  bahan  larutan dipengaruhi  oleh  panjang  gelombang  sinar yang digunakan. Dengan perangkat refraktometer prisma dapat dilakukan pengukuran kadar gula dan perubahannya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih ditujukan kepada Direktur DRPM  Dikti  Kemenristekdikti  sebagai
penyandang  dana  penelitian  ini  melalui  hibah DRM Dikti 2018.

## DAFTAR PUSTAKA
Aini,  F.N.,  Samian, & Yasin,  M..  2013.
Deteksi Kadar Glukosa dalam Air Destilasi Berbasis  Sensor  Pergeseran  Menggunakan Fiber  Coupler. Jurnal  Fisika  dan Terapannya 1(1): 1-7. Artanto,  D.  2012. Interaksi  Arduino  dan LabVIEW .  Jakarta:  PT  Elex  Media Komputindo.
Bitter,  R.,  T.  Mohiuddin,  &  M.  Nawrocki. 2007. LabVIEW TM Advanced  Programing Techniques  Second  Edition .  New  York: Taylor & Francis Group, LLC. Halvorse, H.P. 2014. Introduction to LabVIEW .
Norwegia: Telemark University College Mehrotra,  R. & Siesler,  H.  W.  2003. Application  of Mid Infrared/near Infrared Spectroscopy  in Sugar Industry.  New Delhi  National  Physical  Laboratory. Appl. Spectroscopy Reviews . 38: 307–354. Misto, & Mulyono,  T.  2017.  Desain Refraktometer  Prisma  Untuk  Pengukuran Kadar  Gula  Berdasarkan  Perubahan  Sudut Puncak  Secara  Terkomputerisasi – Prosiding  SENSEI  Seminar  Nasinal Universitas  Muhammadiyah  Jember  2017 , No. 8 (203-206). Milman, J. & Halkias, C. C. 1985. Elektronika Terpadu:  Rangkaian  dan  Sistem  Analog dan Digital . Jakarta: Erlangga.
Nawi,  N.M.,  Troy  J., & Guangnan  C.  2012.
The Application of Spectroscopic Methods to  Predict  Sugarcane  Quality  Based  on Stalk  Cross-sectional  Scanning. Journal American  Society  of  Sugar  Cane
Technologists , Vol.  32, 2012.
Yasin M., Harun S. W., Yang H. Z. & Ahmad H.  2010.  Fiber  Optic  Displacement  Sensor for Measurement of Glucose Concentration in  Distilled  Water, Optoelectronics  and Advanced Materials – Rapid Communications , 4(8): 1063-1065.