Rancang Bangun Sistem Ultrasound Assisted Extraction (UAE) dengan Otomasi Pengaturan

## Suhu dan Volume Pelarut
Humairoh Ratu Ayu 1* , Suryono Suryono 2 , dan Jatmiko Endro Suseno 2
1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lampung, Indonesia
2 Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro, Indonesia
* humairoh.ratu@fmipa.unila.ac.id

## ABSTRACT
In this research, a design of temperature and solvent volume has been completed. This system consists of pump, microcontroller, thermocouple, thermocontroller and LM35 temperature sensor which aims to avoid extracting dilution and increase mass transfer so that it gets better extraction results. The pump turns on in accordance with the instructions given to the microcontroller then the ADC value is read by the LM35 temperature sensor which is then converted to a temperature value. Based on the results of research conducted, the system is able to control the volume of the solvent with an error value of 2.38%, monitor the temperature  in the extraction  container using an  LM35 temperature sensor  with an  error value of 0.70% and control the temperature using a thermocontroler with a system stability of 96.16 %.
Keyword: setting temperature, solvent volume, sensor, microcontroller

## ABSTRAK
Pada penelitian ini telah dilakukan rancang  bangun sistem pengaturan suhu dan volume  pelarut pada ultrasound  assisted  extraction .  Sistem  ini  terdiri  dari  pompa,  mikrokontroler,  termocouple, termocontroller  dan  sensor  suhu  LM35  yang  bertujuan  untuk  menghindari  pengenceran  ekstrak  dan meningkatkan transfer massa sehingga mendapatkan hasil ekstraksi  yang lebih  baik. Pompa menyala sesuai dengan perintah yang diberikan ke mikrokontroler selanjutnya dilakukan pembacaan nilai ADC oleh  sensor  suhu  LM35  yang  kemudian  dikonversi  ke  dalam  nilai  temperatur. Berdasarkan  hasil penelitian yang telah dilakukan, sistem mampu mengontrol volume pelarut dengan nilai error sebesar 2,38%,  memantau  suhu  dalam  wadah  ekstraksi  menggunakan  sensor  suhu  LM35  dengan  nilai error sebesar  0,70%  dan  mengontrol  suhu  menggunakan  termokontroler  dengan  kestabilan  sistem  sebesar 96,16%.
Kata kunci: pengaturan suhu, volume pelarut, sensor, mikrokontroler

## PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi saat ini banyak dimanfaatkan dalam bidang industri makanan dan kesehatan, salah satu contohnya untuk membuat bahan baku ekstrak tumbuhan obat. Proses ekstraksi  yaitu  pemisahan  suatu  zat  dari  campurannya  dengan  menggunakan  sejumlah pelarut.  Metode  ekstraksi  yang  biasa  digunakan  beberapa  tahun  terakhir  yaitu  metode ekstraksi  konvensional  seperti maeserasi , soxhlet, dan  hidrodistilasi  yang  menggunakan volume pelarut dalam jumlah besar dan memerlukan waktu ekstraksi yang lama [1] . Untuk mengatasi kelemahan metode tersebut berbagai teknik ekstraksi baru telah diusulkan untuk ekstraksi  senyawa  bioaktif  dari  makanan,  salah  satunya  metode ultrasound  assisted extraction (UAE) [2] yang menggunakan lebih sedikit volume pelarut, memperpendek waktu ekstraksi, dan hemat energi [3] .
Dalam  tinjauan  literatur,  penggunaan  metode ultrasound semakin  banyak  diminati dibandingkan  metode  konvensional,  karena  memperpendek  waktu  ekstraksi.  Penggunaan ultrasound dapat  memperbaiki  komponen  bioaktif  yang  sensitif  terhadap  panas  dengan proses  pada  suhu  yang  lebih  rendah,  dan  efek  mekanis ultrasound memberikan  penetrasi pelarut yang lebih besar ke dalam bahan seluler, sehingga meningkatkan perpindahan massa sedangkan gangguan dinding sel biologis memudahkan pelepasan isinya [4] . Oleh karena itu, metode  ekstraksi  dengan bantuan  ultrasonik  lebih efektif  daripada  metode  konvensional [5] karena memiliki dua keunggulan utama yaitu mengurangi waktu ekstraksi dan penggunaan volume pelarut [6] .
Proses ekstraksi dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti suhu dan volume pelarut [7] . Pengaturan volume pelarut dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu sampel dimasukkan ke dalam extraction chamber yang dilengkapi dengan ultrasonic bath . Selanjutnya pelarut ekstraksi  dipompa  ke  dalam extraction  chamber yang  bertujuan  untuk  menghindari pengenceran ekstrak dan meningkatkan transfer massa sehingga mendapatkan hasil ekstraksi yang lebih baik [8] . Jumlah volume pelarut yang terlalu besar menyebabkan hasil ekstraksi menurun. Pada penelitian ini pelarut yang digunakan adalah etanol. Pelarut etanol memiliki dua sisi yang terdiri dari gugus OH yang bersifat polar dan gugus CH 2 CH 3 yang bersifat non polar. Sifat non polar inilah yang membuat etanol mampu mengekstrak kandungan senyawa fenolik di dalam daun jambu biji secara optimal [9] .
Selain itu, proses esktraksi pada suhu tinggi mampu memberikan hasil yang optimum dan mempercepat  proses  ekstraksi.  Hal  ini  karena  menurunnya  viskositas  pelarut  pada  suhu tinggi  memudahkan  pelarut  menembus  objek  yang  diekstraksi  dan  meningkatnya  transfer massa  selama  proses  ekstraksi [10] .  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membangun  sistem instrumentasi  menggunakan  gelombang  ultrasonik  untuk  ekstraksi  tumbuhan  obat  yang dilengkapi dengan pengaturan suhu, pemantau suhu dan pengaturan volume pelarut.

## METODE

## Pembuatan Sistem Instrumentasi Menggunakan Gelombang Ultrasonik
Sistem instrumentasi penggunaan gelombang ultrasonik dirancang untuk melakukan proses ekstraksi  secara  otomatis.  Sistem  ini  terdiri  dari  pompa  dorong  yang  berfungsi  untuk mengalirkan  pelarut  ke  wadah  ekstraksi.  Pompa  dorong  dihubungkan  ke relay yang berfungsi  untuk  menyalakan  dan  mematikan  pompa  saat  volume  pelarut  yang  diinginkan tercapai.  Termokontroler  berfungsi  untuk  mempertahankan  suhu  yang  terukur  oleh termokopel  sesuai  dengan  nilai set  point suhu  yang  diberikan. Heater beroperasi  karena adanya relay yang  dikontrol  oleh  mikrokontroler.  Apabila  suhu  yang  terukur  oleh  sensor telah  mencapai  nilai set point suhu  yang  diberikan,  maka relay mematikan  fungsi heater . Relay bekerja  sesuai  dengan  perintah  program  yang  diberikan  ke  mikrokontroler. Selanjutnya  data  program  yang  telah  diproses  oleh  mikrokontroler  dikirim  ke  komputer ditampilkan pada aplikasi software Borland Delphi sebagai media interface . Diagram sistem UAE ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 . Diagram Sistem UAE

## Rangkaian Sistem Pompa
Pompa berfungsi untuk menyerap pelarut dalam suatu bejana dan mendorongnya ke dalam wadah  ekstraksi.  Pompa  dapat  mengalirkan  pelarut  hingga  1,5  –  2  L/menit.  Pengaturan volume pelarut  dirancang  agar pompa mampu  mengalirkan volume pelarut  sesuai  dengan nilai set point volume yang diberikan. Pompa beroperasi karena adanya relay yang dikontrol oleh  mikrokontroler.  Nilai set  point volume  yang  diberikan  kemudian  dikirim  ke mikrokontroler  untuk  menyalakan pompa  dan  mengalirkan pelarut  sesuai dengan  nilai set point volume yang diberikan. Rangkaian sistem pompa ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 . Rangkaian sistem pompa

## Rangkaian Sistem Sensor Suhu
Sensor suhu LM35 merupakan sensor yang berfungsi untuk mengukur suhu larutan di dalam wadah ekstraksi. Besaran suhu yang terdeteksi diubah menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor suhu LM35 memiliki 3 kaki di antaranya yaitu, kaki 1 merupakan sumber tegangan,  kaki  2  sebagai  sinyal output dan  kaki  3  adalah ground .  Rangkaian  sensor  suhu LM35 ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3 . Rangkaian sistem sensor suhu LM35

## Kriteria Pengujian Sistem UAE
Pengujian  sistem  UAE  yang  dibangun  dilakukan  dengan  menghitung  nilai error yang diperoleh dari persamaan berikut [11] :
% 100 tan tan x T T T Error dar s alat dar s         − = (1) Pada persamaan tersebut
adalah nilai yang diperoleh dari alat ukur standar dan adalah nilai yang diperoleh dari sistem yang dibangun dengan toleransi nilai error sebesar ±5%.  Sistem  yang  dibangun  dikatakan  berhasil  jika  nilai error rata-rata  yang  diperoleh kurang dari 5% [12] .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Karakterisasi Sistem Pengaturan Volume Pelarut
Pada pengujian ini, pompa menyala karena perintah yang diberikan ke mikrokontroler dan pompa mati setelah volume pelarut yang mengalir sesuai dengan nilai set point volume yang diberikan.  Karakterisasi  dilakukan  untuk  mendapatkan  hubungan  antara  jumlah  volume yang mengalir terhadap waktu yang ditunjukkan dalam grafik karakterisasi pada Gambar 4.
Gambar 4 . Grafik karakterisasi volume terhadap waktu
Berdasarkan  grafik  tersebut,  nilai  koefisien  determinasi  (R 2 )  mendekati  1  artinya  terdapat hubungan  antara  volume  yang  mengalir  melalui  pompa  terhadap  waktu  dengan  nilai  R 2 sebesar 0,9986. Persamaan yang diperoleh dari Gambar 4 adalah:
82 , 0 03 , 0 + = x y (2)
y adalah  waktu  dan x adalah  volume.  Persamaan  2  digunakan  untuk  mengkonversi  nilai volume  ke  dalam  bentuk  waktu  pada  pembacaan  komputer  yang  ditampilkan  melalui program antarmuka komputer sebagai media interface . Pengujian sistem pengaturan volume pelarut  dilakukan  dengan  membandingkan  antara  nilai  volume  yang  dimasukkan  sebagai nilai set point volume dengan nilai volume yang keluar dari sistem. Hasil pengujian tersebut disajikan dalam grafik pada Gambar 5.
Gambar 5 . Grafik hubungan volume keluaran pompa dengan gelas ukur
Gambar  5  dapat  dilihat  bahwa  nilai error rata-rata  yang  dihasilkan  2,38%  nilai  tersebut menunjukkan sistem yang dirancang mampu untuk melakukan pengaturan volume pelarut. Tetapi,  dari  hasil  pengujian  masih  terdapat  perbedaan  nilai  ukur  yang  disebabkan  adanya faktor-faktor  yang  mempengaruhinya  yaitu,  adanya  getaran  dan  panas  yang  terjadi  pada pompa. Hal ini menyebabkan penurunan daya pada pompa sehingga mengakibatkan volume pelarut yang keluar kurang akurat.
y = 0,03x + 0,82 R 2 = 0,9986 0 5 10 15 20 25 30 35 0 500 1000 1500 W ak tu ( s) Volume pelarut (mL) Error = 2,38% 0 100 200 300 400 500 0 200 400 600 V o lu m e g el as u k u r (m L )
Volume keluaran pompa (mL)

## Hasil Pengujian Pembacaan Sensor Suhu LM35
Sinyal  tegangan keluaran  sensor  LM35 masih  berupa  sinyal analog, keluaran  sensor  yang terbaca oleh mikrokontroler diubah terlebih dahulu menjadi sinyal digital, kemudian sinyal tersebut  dikirim  ke  komputer  dan  ditampilkan  dalam  aplikasi  program Borland  Delphi . Untuk  mengkonversi  pembacaan  ADC  dari  sensor  ke  dalam  derajat  Celcius  diperlukan karakterisasi  antara  pembacaan  ADC  dengan  termometer  digital  sebagai  suhu  standar. Grafik karakterisasi ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6 menunujukkan bahwa terdapat hubungan antara pembacaan ADC dari sensor suhu terhadap suhu yang diukur dengan alat ukur standar dengan nilai R 2 sebesar  0,9996. Persamaaan yang diperoleh adalah:
37 , 0 03 , 0 + = x y (3)
y adalah  nilai  suhu  standar  dan x adalah  nilai  pembacaan  ADC  dari  sensor.  Persamaan tersebut dimasukkan ke dalam program Borland Delphi sehingga didapatkan nilai suhu dari pembacaan sensor yang sesuai dengan suhu pada alat ukur standar. Selanjutnya dilakukan pengujian  dengan  membandingkan  data  hasil  pembacaan  sensor  suhu  yang  telah dikarakterisasi dengan pembacaan termometer digital sebagai suhu standar. Hasil pengujian tersebut ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 6 . Grafik karakterisasi antara pembacaan ADC terhadap suhu standar
y = 0,03x + 0.37 R 2 = 0.9996 0 5 10 15 20 25 30 0 500 1000 1500 S u h u s ta n d ar ( o C ) Pembacaan ADC (bit)
Gambar 7 . Grafik hasil kalibrasi sensor suhu
Berdasarkan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 7 dapat dilihat bahwa nilai error rata- rata  diperoleh  0,70%  nilai  tersebut  menunjukkan  bahwa  sistem  yang  dirancang  mampu untuk  melakukan  pengukuran  suhu  dengan  nilai error yang  sangat  rendah.  Dari  hasil pengujian masih terdapat perbedaan nilai ukut yang disebabkan beberapa faktor diantaranya yaitu karena adanya perbedaan sensitifitas antara sensor dengan termometer digital. Selain itu  sensor  suhu  LM35  beroperasi  dengan  membutuhkan  sumber  tegangan  4V  –  30V  dan memiliki  karakteristik self-heating yang  akan  terjadi  apabila  arus  yang  melewatinya melebihi 1 mA. Hal itu menyebabkan hasil pengukuran sensor suhu tidak sesuai dengan nilai yang sebenarnya .

## Hasil Pengujian Pengontrol Suhu
Pada  proses  ekstraksi  parameter  suhu  dikontrol  menggunakan  termokontroler  yang menerima data perubahan suhu dari termokopel. Pada pengujian ini ditentukan nilai set point pembacaan  suhu  35 o C . Saat  termokopel  mendeteksi  suhu  dalam  wadah  ekstraksi,  hasil pembacaan suhu ditampilkan pada monitor termokontroler. Melalui pembacaan temperatur inilah yang akan menjadi indikasi melakukan pengontrolan terhadap aktuator berupa element heater . Berikut data hasil pengujian sistem kontrol suhu beserta kondisi heater ditunjukkan pada Tabel 1.
Berdasarkan Tabel 1 kondisi heater menyala saat suhu yang terukur dalam wadah ekstraksi < 35℃ atau dibawah suhu set point , dan heater mati saat suhu yang terukur oleh termokopel ≥ 35℃ .  Setelah  dilakukan  pengujian  sistem  kontrol  suhu,  selanjutnya  dibuat  grafik pengujian sistem kontrol suhu  terhadap waktu berdasarkan nilai set point yang diberikan. Dari grafik tersebut dapat diketahui waktu respon sistem kontrol suhu untuk mencapai nilai set point . Grafik pengujian sistem kontrol suhu terhadap waktu disajikan pada Gambar 8.
Error = 0,70%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 S u h u d ar i ala t u k u r sta n d ar ( o C ) Suhu dari sistem yang dibangun ( o C)
Tabel 1. Data hasil pengujian sistem kontrol suhu
Waktu (s) Suhu ( o C) Kondisi Heater 10 27 ON 80 30 ON 150 35 OFF 240 39 OFF 360 40 OFF 440 39 OFF 510 39 OFF 590 38 OFF 660 37 OFF 740 37 OFF 800 36 OFF 880 36 OFF 940 36 OFF 990 36 OFF 1010 35 OFF 1100 35 OFF
Gambar 8 . Grafik pengujian sistem kontrol suhu terhadap waktu
Dari grafik tersebut dapat diketahui sistem mencapai nilai set point pada waktu ke-150 detik. Setelah itu suhu terus naik hingga mencapai 40 o C pada waktu ke-260 detik, kemudian suhu turun dengan perlahan sampai suhu yang terdeteksi oleh termokopel sesuai dengan nilai set point yang  diberikan.  Untuk mencapai kestabilan sistem dengan  nilai set  point suhu  35 o C dibutuhkan  waktu  1010  detik  atau  sekitar  16,8  menit  dengan  nilai error yang  diperoleh 3,84% sehingga kestabilan sistem yang telah dibuat sebesar 96,16%.

## KESIMPULAN
Telah  berhasil  dibangun  sistem  instrumentasi  menggunakan  gelombang  ultrasonik  untuk proses  ekstraksi.  Sistem  dilengkapi  dengan  pengaturan  volume  pelarut,  pengaturan  suhu, pemantau suhu dan pewaktu ekstraksi otomatis. Sistem ini dapat bekerja dengan baik yang dibuktikan dengan nilai error yang rendah yaitu sebesar 2,38% dalam mengontrol volume pelarut,  0,70%  dalam  memantau  suhu  pada  wadah  ekstraksi  menggunakan  sensor  suhu LM35 dan memiliki tingkat kestabilan sistem sebesar 96,16%.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 500 1000 1500
2000
S u h u ( o C ) Waktu (s) Set point

## DAFTAR PUSTAKA
1 Bonfigli, M., Godoy, E., Reinheimer, M. A., & Scenna, N. J. 2017. Comparison between conventional  and  ultrasound-assisted  techniques  for  extraction  of  anthocyanins  from grape pomace. Experimental results and mathematical modeling. J. Food Eng. Vol. 207, 56–72.
2 Jovanović, A. A., Đorđević, V. B., Zdunić, G. M., Pljevljakušić, D. S., Šavikin, K. P., Gođevac,  D.  M.,  &  Bugarski,  B.  M.  2017.  Optimization  of  the  extraction  process  of polyphenols from Thymus serpyllum L. herb using maceration, heat- and ultrasound- assisted techniques. Sep. Purif. Technol. Vol. 179, 369–380.
3 Chemat,  F.,  Vian,  M.  A.,  & Cravotto,  G.  2012. Green extraction  of  natural  products: Concept and principles. Int. J. Mol. Sci. Vol. 13, 8615–8627.
4 Tao,  Y.,  Zhang,  Z.,  & Sun,  D.  2014.  Ultrasonics  Sonochemistry  Kinetic modeling of ultrasound-assisted  extraction  of  phenolic  compounds  from  grape  marc :  Influence  of acoustic  energy  density  and  temperature. Ultrason.  -  Sonochemistry. Vol.  21,  1461– 1469.
5 He, B., Zhang, L. L., Yue, X. Y., Liang, J., Jiang, J., Gao, X. L., & Yue, P. X. 2016. Optimization  of  Ultrasound-Assisted  Extraction  of  phenolic  compounds  and anthocyanins from blueberry (Vaccinium ashei) wine pomace. Food Chem. Vol. 204, 70-76.
6 Veličković, D. T., Milenović, D. M., Ristić, M. S., & Veljković, V. B. 2006. Kinetics of ultrasonic extraction of extractive substances from garden (Salvia officinalis L.) and glutinous (Salvia glutinosa L.) sage. Ultrason. Sonochem. Vol. 13, 150-156.
7 Ratu Ayu, H., Suryono, S., Endro Suseno, J., & Kurniawati, R. 2018. Determination of the ultrasound power effects on flavonoid compounds from Psidium guajava L. using ANFIS. J. Phys. Conf. Ser. 1025.
8 Tadeo,  J.  L.,  Sánchez-Brunete,  C.,  Albero,  B.,  &  García-Valcárcel,  A.  I.  2010. Application  of  ultrasound-assisted  extraction  to  the  determination  of  contaminants  in food and soil samples. Journal of Chromatography A. Vol. 1217, No. 16, 2415-2440.
9 Azis, T., Febrizky, S., & Mario, A. D. 2014. Pengaruh Jenis Pelarut Terhadap Persen Yieldalkaloiddari Daun Salam India (Murraya Koenigii). Tek. Kim. Vol. 20, No. 2, 1-6. 10 Jovanović, A. A., Đorđević, V. B., Zdunić, G. M., Pljevljakušić, D. S., Šavikin, K. P., Gođevac,  D.  M.,  &  Bugarski,  B.  M.  2017.  Optimization  of  the  extraction  process  of polyphenols from Thymus serpyllum L. herb using maceration, heat- and ultrasound- assisted techniques. Sep. Purif. Technol. Vol. 179, 369-380.
11 Gorovoy,  K.,  Tung,  J.,  &  Poupart,  P.  2010.  Automatic  speech  feature  extraction  for cognitive load classification. Proc. Conf. Can. Med. Biol. Eng. Soc. Vol 33. No. 1. 12 Euramet.  2011. Guidelines  on  The  Calibration  of  Temperature  Indicators  and Simulators  by  Electrical  Simulation  and  Measurement .  European  Association  of National Metrology Institutes. German.