Kotak Vaksin

KOTAK VACCINE UNTUK DAERAH PEDALAMAN

Nandy Putra
Laboratorium Perpindahan Kalor
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Kampus Baru UI Depok
E-mail : nandyputra@eng.ui.ac.id


Abstrak
Imunisasi sangat penting untuk masa depan anak-anak Indonesia, karena dapat mencegah penularan penyakit dan infeksi dengan cara meningkatkan kekebalan tubuh. Untuk mendukung Pekan Imunisasi Nasional (PIN) khususnya di daerah terpencil yang sulit dijangkau, Laboratorium Perpindahan Kalor DTM-FTUI telah mengembangkan vaccine carrier atau alat pembawa vaksin yang menggunakan peltier elemen ganda sebagai pompa kalor dan heatsink-fan sebagai pendingin sisi panas peltier untuk menjaga temperatur ruang vaksin pada kisaran temperatur hidup vaksin polio ( 2 – 8 oC ). Pengembangan yang dilakukan pada penelitian ini adalah merancang dan membuat vaccine carrier agar mudah dibawa, memiliki estetika, bobot yang ringan, dan hemat energi dengan tetap memiliki kemampuan pendinginan yang baik. Untuk memenuhi persyaratan tersebut maka tetap digunakan peltier ganda sebagai pompa kalor solid. Acrylic digunakan sebagai bahan casing dan polyurethane sebagai isolator ruang pendingin vaksin. Penelitian ini juga memiliki tujuan untuk mengetahui unjuk kerja vaccine carrier. Dari pengujian yang telah dilakukan, didapat hasil penting bahwa vaccine carrier dengan peltier ganda berpendingin udara mampu mendinginkan ruang vaksin hingga dibawah 8 oC dalam waktu 10 menit, dengan konsumsi energi 24 Watt.

1. Pendahuluan

Indonesia berupaya melakukan penghapusan penyakit dan infeksi menular pada generasi balita sejak tahun 1995 dengan melaksanakan Pekan Imunisasi Nasional. Pemberian imunisasi tersebut sangat penting untuk masa depan anak-anak Indonesia, karena dengan imunisasi pada usia balita, dapat mencegah penyakit dan infeksi yang menular dengan cara meningkatkan kekebalan tubuh [1]. Kendala dalam kegiatan imunisasi di Indonesia adalah menjaga rantai dingin dari pabrik pembuat vaksin sampai saat kegiatan imunisasi dilaksanakan. Rantai dingin atau cold chain adalah suatu prosedur dan perangkat yang digunakan dalam pengiriman atau penyimpanan vaksin mulai dari pabrik pembuatnya sampai saat vaksin diberikan kepada sasaran [2]. Manfaat rantai dingin adalah untuk memperkecil kesalahan penanganan vaksin dengan tujuan memastikan keadaan vaksin yang baik sampai saat digunakan dengan cara menjaga vaksin pada suhu dingin yang ditetapkan, misal vaksin polio harus disimpan pada kisaran temperatur 2 – 8 oC [2]. Kendala terberat muncul ketika harus membawa vaksin ke daerah-daerah terpencil yang belum memiliki infrastruktur utama seperti jalan masuk kendaraan bermotor dan jaringan listrik untuk menjalankan lemari pendingin. Untuk membantu mengatasi permasalahan ini, Laboratorium Perpindahan Kalor DTM-FTUI telah mengembangkan prototipe vaccine carrier dengan menggunakan elemen peltier.[3,4,5].
Penelitian ini merupakan lanjutan pengembangan dari penelitian sebelumnya yang menggunakan sistem pendingin air sebagai pendingin sisi panas peltier, sedangkan pada penelitian ini tetap digunakan elemen peltier yang disusun bertingkat sebagai pompa kalor dan mengganti sistem pendingin air dengan heatsink-fan sebagai pendingin sisi panas peltier. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja vaccine carrier dengan menggunakan heatsink-fan dan membandingkannya dengan unjuk kerja prototype vaccine carrier sebelumnya .

2. Prototipe Vaccine Carrier III dengan Heatsink-Fan sebagai Pendingin Sisi Panas Peltier

Pada Tabel 1 memperlihatkan tahapan pengembangan vaccine carrier yang telah dilakukan di laboratorium Perpindahan kalor DTM FTUI . Hasil pengembangan sampai dengan Prototipe II menunjukan bahwa Peltier Elemen dapat digunakan sebagai pompa kalor untuk aplikasi penyimpan vaksin. Akan tetapi desain yang dihasilkan dan perlatan pendukungnya belum cukup optimal untuk dijadikan produk jadi dan siap diapliaksikan di lapangan. Pada pengembangan Prototipe III dilakukan perubahan total terhadap desain yang meliputi material kotak vaksin, volume ruang vaksin, peletakan elemen peltier dan medium udara digunakan sebagai media pendingin bagian sisi panas peltier elemen.

Elemen peltier telah banyak digunakan sebagai aplikasi pendinginan [6,7]. Dari penelitian sebelumnya [3,4,5] bahwa pendingin termoelektrik sangat sesuai digunakan pada vaccine carrier karena merupakan alat pompa kalor yang berbentuk solid (solid-state heat pump). Berbentuk solid artinya alat ini tidak menggunakan refrigeran sebagai media perpindahan kalor, oleh karena itu termoelektrik memiliki bentuk yang ringkas dan ramah lingkungan. Prinsip kerja termoelektrik ini adalah berdasarkan pada efek Peltier. Pada efek ini disebutkan bahwa dari dua kawat material berbeda (kawat termokopel) di mana masing-masing ujung kawat material membentuk sambungan satu sama lainnya yang apabila diberi perbedaan tegangan, akan menghasilkan perbedaan temperatur. Perbedaan temperatur yang dihasilkan ini sebanding dengan jumlah arus searah yang dialirkan sehingga nantinya akan ada sambungan yang menyerap kalor dan ada sambungan yang melepaskan kalor [8].
Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok semikonduktor (thermocouple) berbahan Bismuth Telluride yang telah dikotori (doped). Semikonduktor Tipe-N telah dikotori oleh bahan-bahan yang memberikan elektron tambahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi berlebih.

Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P dikotori bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang (holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Ketika terjadi beda potensial, elektron-elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-P ke tipe-N akan menyerap energi kalor dari sisi dingin. Ketika elektron-elektron mengalir dari semikonduktor tipe-N ke tipe-P akan dilepaskan energi kalor ke sisi panas [8]. Sehingga daerah di sekitar sambungan dingin akan menjadi dingin dan daerah di sekitar sambungan panas harus diberikan alat penukar kalor agar modul tidak rusak akibat overheating.
Pengembangan yang dilakukan pada penelitian ini adalah merancang dan membuat vaccine carrier agar mudah dibawa, memiliki estetika, bobot yang ringan, dan hemat energi dengan tetap memiliki kemampuan pendinginan yang baik. Untuk memenuhi persyaratan tersebut maka tetap digunakan peltier ganda sebagai pompa kalor solid. Acrylic digunakan sebagai bahan casing dan polyurethane sebagai isolator ruang pendingin vaksin. Untuk mendinginkan sisi panas peltier digunakan heatsink alumunium dengan fan yang berfungsi meningkatkan laju perpindahan kalor karena adanya fenomena konveksi paksa.

Gambar 2 memperlihatkan desain vaccine carrier yang dikembangkan, sisi dingin peltier ganda dipasang pada bagian samping ruang pendingin vaksin dengan dihubungkan oleh bracket. Sementara sisi panasnya dihubungkan dengan heat sink dan fan untuk menjaga agar temperatur pada sisi panas peltier tetap pada temperatur yang ditetapkan. Kemudian di sisi samping peltier diberikan insulasi yang terbuat dari lembaran neoprene untuk mengurangi kondensasi dari udara yang terjebak di sela-sela alat. Volume ruang vaksin kurang lebih 0.27 liter yang diperkirakan mampu menampung 4 botol kecil/ampul vaksin.

3 Skema alat uji
Pada gambar 3 dapat dilihat skema alat uji yang digunakan untuk menguji kinerja prototipe vaccine carrier. Parameter utama pada pengujian ini adalah temperatur sehingga pada prototipe dipasang beberapa termokopel tipe K antara lain pada ruang pendingin vaksin, pada sisi panas dan dingin peltier elemen, temperatur udara pendingin pada lubang ventilasi masuk dan keluar. Untuk mempermudah pengukuran temperatur maka keseluruhan termokopel disambung ke data akusisi yang sudah terkoneksi dengan komputer. Dua unit power supply yang terpisah dari alat digunakan untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk ke elemen peltier dan fan.

4. Hasil dan Analisa Pengujian

Pengujian pada prototipe vaccine carrier dilakukan dengan beberapa macam variasi. Adapun pengujian-pengujian dan variasi-variasi pengujian yang dilakukan antara lain
- Pengujian dengan variasi daya input yang diberikan pada elemen peltier.
- Pengujian variasi material ruang vaksin yang digunakan.
- Pengujian daya tahan alat dengan penambahan icepack dan vaksin.

4.1 Pengujian dengan Variasi Daya Input yang Diberikan Pada Elemen Peltier

Variasi daya dilakukan untuk mendapatkan daya yang optimal untuk mendinginkan ruang vaksin dengan beban kosong. Adapun variasi daya yang dilakukan adalah sebagai berikut :
a) Sekitar 24 Watt, dengan nilai tegangan 12 V dan arus 2 A
b) Sekitar 28 Watt, dengan nilai tegangan 13,7 V dan arus 2,1 A
c) Sekitar 32 Watt, dengan nilai tegangan 14,5 V dan arus 2,2 A

4.2.Pengujian dengan Variasi Material Ruang Vaksin

Variasi material yang diuji adalah Stainless Steel dengan Alumunium. Variasi material ini dilakukan karena sulitnya mencari bahan alumunium eceran di pasar, sehingga ingin diketahui bahan alternatif yang memberikan kinerja pendinginan yang baik dan mudah dicari di pasar, yaitu stainless steel. Pengujian dilakukan dengan kondisi tanpa beban memperlihatkan perbedaan waktu pendinginan ruang vaksin antara kedua variasi material ruang vaksin yang digunakan.
Hasil yang ditunjukkan memperlihatkan bahwa alumunium dapat mencapai temperatur sekitar 7.5 oC dengan waktu 10 menit, sedangkan pada stainless steel dapat mencapai temperatur sekitar 7.5 oC dalam waktu 25 menit, dengan kata lain waktu pendinginan alumunium 150% lebih cepat dibanding stainless steel. Ini menunjukkan bahwa alumunium memberikan laju perpindahan kalor yang sangat baik pada kinerja vaccine carrier walaupun materialnya sulit dibeli dalam eceran, namun itu tidak menjadi masalah apabila alat ini jadi diproduksi massal.

Hal penting yang perlu diketahui adalah nilai konduktivitas termal aluminum jauh lebih besar dibanding stainless steel. Aluminium Alloy 195 memiliki k sebesar 168 W/m.K sementara stainless steel AISI 347 memiliki k hanya sebesar 14,2 W/m.K [9] atau bisa dikatakan konduktivitas termal alumunium sekitar 12 kali lebih besar dibanding stainless steel dan ini memiliki pengaruh yang sangat signifikan pada kinerja pendinginan alat.

4.3 Efek penggunaan Icepack di dalam Vaccine Box
Ide penggunaan produk icepack adalah untuk membantu mempercepat proses pendinginan di dalam ruang vaksin, karena icepack dapat menyerap kalor di dalam ruang vaksin. [5]. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui daya tahan elemen peltier dan pengaruh icepack jika dalam suatu perjalanan power supply tiba-tiba berhenti karena kehabisan daya atau kerusakan power supply system.
Pengujian memperlihatkan bahwa uji daya tahan alat dengan penambahan icepack dan dengan beban mendinginkan 4 ampul vaksin yang telah didinginkan hingga temperatur 3 oC. icepack dan vaksin bertemperatur 3 oC dimasukkan setelah ruang pendingin vaksin mencapai suhu 5 oC pada menit ke-13. Setelah itu temperatur ruang vaksin dan icepack turun bersama-sama hingga temperatur ruang vaksin mencapai dibawah 0 oC kira-kira pada menit ke-75. Trend penurunan temperatur icepack disini menunjukkan bahwa pada temperatur ruang 5 oC icepack telah melepaskan kalor ke ruang vaksin dan temperaturnya ikut turun bersamaan dengan turunnya temperatur ruang vaksin.
Setelah mencapai temperatur terendah dari menit ke-75 hingga menit ke-85, temperatur ruang vaksin stabil pada kisaran 2-3 oC sampai pada menit ke-195 saat daya dimatikan. Hal ini menunjukkan bahwa laju perpindahan kalor ( q ) dari ruang vaksin ke sisi dingin peltier dan dari sisi panas peltier ke heatsink saat itu berada dalam keadaan steady, dimana perbedaan temperatur terhadap waktu sangat kecil.
Ketika daya input dihentikan pada menit ke-195, icepack hanya mampu mempertahankan temperatur ruang vaksin dibawah 8 oC selama 10 menit. Dari data tersebut maka diperkirakan sistem isolasi pada vaccine carrier belum cukup mampu menahan aliran kalor yang masuk ke dalam ruang vaksin dari luar vaccine box karena perbedaan temperatur yang cukup tinggi. Berat Icepack yang hanya 50 gram tidak sebanding dengan jumlah kalor yang harus diserap ole icepack.

4.4 Perbandingan hasil pengujian antara Prototipe II dan Prototipe III
Untuk membandingkan kinerja kedua prototipe, digunakan data yang merupakan kondisi optimal untuk masing-masing alat. Tabel 2 dan 3 menunjukkan kondisi pengujian pada masing-masing prototype. Dengan kondisi tersebut, dapat dilihat pada gambar 8, kinerja pendinginan tanpa beban terhadap waktu yang dibutuhkan untuk mendinginkan ruang vaksin hingga dibawah 8 oC. Fenomena yang terjadi adalah prototype III dengan berpendingin udara pada sisi panas elemen peltier dapat mencapai temperatur ruang vaksin 7.5 oC selama 9 menit (540 detik), sementara prototype II baru mencapai temperatur sekitar 10 oC selama 9 menit.


6. KESIMPULAN
Dari serangkaian pengujian dengan menggunakan elemen peltier bertingkat dua dan heatsink-fan sebagai pendingin sisi panas peltier dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut.
1. Vaccine carrier dengan peltier ganda sebagai pompa kalor (solid-state heat pump) dan heatsink-fan sebagai pendingin sisi panas peltier sangat efektif mendinginkan ruang vaksin hingga dibawah temperatur 8 oC.
2. Elemen peltier bertingkat dua pada vaccine carrier berpendingin udara ini bekerja optimal pada daya input 24 Watt dan penggunaan alumunium sebagai material ruang pendingin vaksin memberikan kinerja pendinginan yang sangat baik.
3. Pemakaian icepack sebesar 50 gram hanya dapat menjaga temperatur ruang vaksin dibawah 8 oC selama 10 menit sejak suplai daya dihentikan.

7. Ucapan Terima Kasih

Penelitian ini dibiayai oleh “Program Penelitian Hibah Bersaing, DIKTI 2006”, untuk itu penulis sangat berterima kasih atas dukungan dana yang diberikan.

8. Daftar Acuan

[1] ”Program Imunisasi dan Pengembangan Vaksin”, Jakarta : World Health Organization – Indonesia, 2002
[2] “Modul Pelatihan Petugas Imunisasi”, Jakarta : Departemen Kesehatan R.I., 1997
[3] Nandy Putra, Pattas P. Siregar, RA Koestoer, Pengembangan “VACCINE CARRIER” dengan memanfaatkan efek Peltier, Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin III, 6-7 Desember 2004, ISBN 979-97158-0-6, Universitas Hasannudin Makasar Indonesia
[4] Nandy Putra, Haryo Tedjo, RA Koestoer, Pemanfaatan Elemen Peltier Bertingkat dua pada aplikasi Kotak Vaksin, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin IV, 21-22 November 2005, ISBN 979-97158-0-6, Universitas Udayana, Bali, Indonesia
[5] Nandy Putra, Uji Unjuk Kerja Kotak Vaksin berbasis Elemen Peltier Ganda, Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri Universitas Gajah Mada Yogyakarta, 27 Juni 2006. ISBN 979-99266-1-
[6] Martin, Yose, “Kajian Eksperimental Penggunaan Elemen Peltier untuk Pendingin Ruangan”, Depok : Fakultas Teknik Universitas Indonesia, 2002.
[7] RA Koestoer, M Faradhy, Analisa kerja Pendinginan dan Pemanasan Delta Box Berbasis Elemen Peltier sebagai Pompa Kalor, Jurnal Poros 2005
[8] Goodfrey, Sara, ”An Introduction to Thermoelectric Coolers”, Trenton : Melcor Corporation, 2000
[9] Incopera, Frank P., Dewitt, David P., “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, New York, Fifth Edition: John Wiley and Sons, 2002.