Aplikasi Rheologi Pada Fluida : Pencampuran dan Pengurangan Ukuran Partikel Sistem Dispersi dengan Shear

Related Articles

Reologi dalam Aspek Pemrosesan Produk Farmasi

May 15, 2021

Aplikasi Reologi pada Sediaan Solida (Padatan)

May 4, 2021

Aplikasi Reologi Pada Wujud Quasi-solid (Semi Solid)

May 4, 2021

GudangIlmuFarmasi – Rheologi merupakan salah satu ilmu yang berperan penting dan diterapkan dalam berbagai bidang kehidupan. Rheologi adalah ilmu yang mempelajari perubahan bentuk dan aliran dari fluida serta bagaimana respon fluida tersebut terhadap penerimaan tekanan dan tegangan. Fluida merupakan zat yang dapat berubah bentuk secara terus-menerus jika terkena tegangan geser.

Mixing didefinisikan sebagai proses pencampuran dari satu atau lebih bahan dengan adanya penambahan suatu bahan ke bahan lainnya sehingga terjadi suatu bentuk yang homogen dari beberapa konstituen, bisa cair-padat, padat-cair maupun cair-gas. Proses mixing ini penting dilakukan dalam industri, bahkan mesin pencampur ditemukan di hampir semua industri pengolahan pangan maupun non pangan mulai dari pencampuran yang sederhana sampai pencampuran yang rumit seperti pada industri farmasi.

Penerapan rheologi dalam farmasi salah satunya yaitu pengurangan ukuran partikel dari sistem dispersi dengan shear, yang merupakan teknik untuk memperbaiki kelarutan dan laju disolusi senyawa obat yang sukar larut dalam air.

Pembahasan 

Rheologi berasal dari kata rheo yang artinya mengalir dan logos yang artinya ilmu. Rheologi juga dapat didefinisikan sebagai menggambarkan aliran zat cair dan perubahan bentuk (deformasi) zat padat. 

Rheologi adalah salah ilmu yang sangat penting dalam hampir seluruh bidang kehidupan. Prinsip dasar rheologi ini dapat diterapkan dalam banyak hal, seperti pada pembuatan cat, tinta, berbagai adonan, produk hasil peternakan, bahan pangan, kosmetik dan bagi bidang farmasi sendiri, dalam membuat sediaan obat (Sinila, 2016). 

Rheologi dalam pembuatan sediaan obat-obatan memiliki pengaruh yang sangat besar di segala aspek formulasi dari tahap awal hingga akhir. Scoot-Blair menerangkan pentingnya rheologi dalam farmasi dan menyarankan untuk melakukan penerapan ilmu ini dalam formulasi dan analisis dari produk farmasi seperti emulsi, pasta, suppositoria dan pada penyalutan tablet (Sinila, 2016). 

Ada beberapa istilah yang dikenal dalam rheologi, diantaranya adalah (Suhriani, et al, 2017):

– Shear rate atau gradien kecepatan (D) untuk menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara dua bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil (dr). – Shear stress atau tegangan geser (τ atau F ) yang menyatakan gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menyebabkan aliran. 

Salah satu bentuk sediaan yang menggunakan ilmu rheologi adalah fluida. Fluida didefinisikan sebagai zat yang dapat berubah bentuk secara terus–menerus jika terkena tegangan geser meskipun tegangan geser itu kecil. Tegangan geser adalah gaya geser dibagi dengan luas permukaan tempat adanya gaya geser tersebut. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan. Fluida mempunyai dua sifat fisik yaitu viskositas dan densitas. Dimana viskositas adalah sifat fluida yang diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Besar kecilnya viskositas fluida tergantung pada suhu fluida tersebut. Untuk fluida cair, makin tinggi suhunya, maka viskositasnya semakin kecil, sedang untuk fluida gas, makin tinggi suhunya, maka viskositasnya semakin besar. Sedangkan densitas atau kerapatan suatu fluida didefinisikan sebagai massa per satuan volume. Fluida diklasifikasikan sebagai fluida Newtonian dan non-Newtonian. Dalam fluida Newtonian hubungan antara tegangan geser dan laju regangan geser harus linier dengan kemiringan viskositas tersebut. Namun, apabila fluida yang tegangan gesernya tidak berhubungan secara linier terhadap laju regangan geser dinamakan Fluida non Newtonian. Gas dan cairan encer cenderung bersifat fluida Newtonian sedangkan hidrokarbon berantai panjang yang kental bersifat non-Newtonian (Pamuji, T.A, 2013) 

Aplikasi rheologi pada fluida salah satunya terdapat pada proses pencampuran atau mixing. Mixing didefinisikan sebagai suatu proses pencampuran dari satu atau lebih bahan dengan adanya penambahan suatu bahan ke bahan lainnya sehingga terjadi suatu bentuk yang homogen dari beberapa konstituen, bisa cair-padat, padat-cair maupun cair-gas. Biasanya, jika komponen yang jumlahnya lebih banyak disebut dengan fase kontinyu, sedangkan yang jumlahnya lebih sedikit disebut fase disperse. (Fellows, 1988). 

Pencampuran dapat dibagi menjadi dua jenis jika dilihat dari jenis fluidanya, yaitu pencampuran single phase dan pencampuran multi-phase. Pencampuran single phase meliputi fasa cair-cair, padat-padat atau gas-gas, sedangkan pencampuran

multi-phase meliputi cair-padat, cair-gas, cair gas-solid, ataupun cair-gas-gas. Proses ini sering digunakan karena dapat mempercepat terjadinya perpindahan massa dan panas. Biasanya proses ini menggunakan tangki pengaduk. Tangki pengaduk terdiri dari impeller yang dihubungkan dengan shaft sebagai penggerak yang dilengkapi dengan baffle. Pada proses pencampuran, bentuk geometri dari tangki sangat berpengaruh agar pencampuran mencapai tujuan yang diinginkan. Terdapat beberapa tujuan dari proses pengadukan yaitu : 

1. Mendistribusikan partikel secara merata 

2. Membentuk suspense antara padat dan cair 

3. Menghindari terjadinya proses sedimentasi partikel 

4. Mempercepat proses pencampuran fluida karena dapat mempercepat terjadinya proses sedimentasi partikel 

5. Mempercepat proses pencampuran fluida karena dapat mempercepat terjadinya perpindahan massa dan energi yang berupa panas. 

Terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi pencampuran, salah satunya yaitu adanya aliran yang turbulen dan laju alir bahan yang tinggi, hal ini dapat menguntungkan proses pencampuran. Sedangkan aliran 6 yang laminer dapat menggagalkan pencampuran. Selain itu, faktor lain yang dapat mempengaruhi pencampuran adalah ukuran partikel atau luas permukaan. Semakin luas permukaan kontak bahan-bahan yang dicampur, maka semakin kecil partikel dan semakin mudah pula gerakannya dalam campuran, sehingga proses pencampuran semakin baik. Faktor berikutnya adalah kelarutan, semakin besar kelarutan bahan maka semakin baik pencampurannya. 

Terdapat tiga tingkatan pencampuran yaitu: 

1. Mekanisme konvektif : Aliran cairan secara keseluruhan atau bulk flow yang menyebabkan terjadinya pencampuran. 

2. Eddy Diffusion yaitu pencampuran ketika terbentuk suatu gumpalan fluida yang terbentuk di media aliran. 

3. Diffusion terjadi karena adanya gerakan molekuler. Terdapat tiga mekanisme yang terjadi bersama-sama, tetapi eddy diffusion yang paling menentukan.

Dengan mekanisme ini dapat membedakan pencampuran dalam keadaan turbulen dengan pencampuran dalam medan aliran laminer. 

(Mauldy dan Abie, 2017) 

Dalam proses mixing, diperlukan pengaduk. Di dalam tangki, terdapat pengaduk yang berfungsi sebagai pompa yang menunjukkan laju volumetrik pada kecepatan putaran dan input daya tertentu. Geometri peralatan dan fluida yang digunakan oleh Walas pada tahun 1988 adalah yang mempengaruhi input daya. Kualitas pencampuran dipengaruhi oleh beberapa aspek penting, yaitu profil aliran dan derajat turbulensi. Sedangkan, rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran, laminar, atau turbulen. 

Aliran laminar pada umumnya membutuhkan pengaduk yang memiliki ukuran sebesar tangki yang digunakan. Hal ini dikarenakan momentum pada aliran ini tidak dipindahkan sebaik aliran turbulen. Pencampuran yang ada dalam tangki terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak darr pengadukan akan memotong ikatan fluida dan menyebabkan aliran bergerak pada keseluruhan fluida. Maka dari itu, pengaduk merupakan bagian terpenting pada pencampuran fase cair dengan tangki pengaduk. Akan diperoleh pencampuran yang baik jika bentuk dan dimensi pengaduk diperhatikan karena hal itu dapat mempengaruhi efisiensi pencampuran dan daya yang diperlukan. Pengaduk dapat menghasilkan aliran terbagi menjadi tiga golongan (Geankoplis, 2003) : 

1. Pengaduk Aliran Aksial: aliran yang sejajar dengan sumbu putaran 2. Pengaduk Aliran Radial: aliran yang berarah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk 

3. Pengaduk Aliran Campuran: gabungan dari kedua jenis pengaduk di atas 

Berdasarkan bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1. Propeller 

Jenis ini umumnya dipakai pada kecepatan tinggi dengan arah aliran aksial dan digunakan pula pada cairan dengan kekentalan rendah, serta tidak bergantung pada ukuran tangki. Jenis pengaduk ini memiliki kapasitas sirkulasi

yang besar dan sensitif pada kepala beban. Pada nilai bilangan Reynold yang sama, nilai power consumption dari pengaduk ini akan lebih rendah daripada pengaduk lain dikarenakan geometri dari pengaduk ini (Cheremisinoff, 2002). Secara biaya, propeller membutuhkan biaya yang lebih sedikit dan penggunaan yang lebih efektif karena tidak ada mechanical loss. Aliran aksial yang dihasilkan memiliki efek pemompaan yang baik. 

2. Turbine 

Jenis ini digunakan pada fluida dengan kekentalan rendah seperti propeller. Pengaduk turbine menghasilkan aliran arah radial dan tangensial. Salah satu jenis pengaduk ini yaitu pitched blade. Pada daerah turbin akan ditimbulkan turbulensi, arus, serta geseran yang kuat antar fluida. 

3. Paddle/Hydrofoil Impeller 

Jenis ini sering digunakan pada proses pencampuran dalam industri. Sudut yang dihasilkan minimal ada horizontal dan/atau vertikal dengan nilai D/T yang tinggi. Paddle digunakan pada aliran fluida laminar, transisi dan turbulen tanpa baffle. Jenis pengaduk ini dapat menghasilkan aliran arah radial dan tangensial namun pada gerak vertikal tidak ada gerak sama sekali. 

Selain pencampuran, pengukuran rheologi juga digunakan untuk mengkarakterisasi (Sinila, 2016): 

1. Proses penuangan sediaan cair dari botol. Contohnya saat melakukan penuangan sirup obat dari botolnya. 

2. Penekanan atau pemencetan sediaan dari suatu tube atau wadah lain yang dapat mengalami perubahan bentuk. Contohnya pada proses pengeluaran salep dari kemasan tube. 

3. Penggosokan dan pengolesan bentuk produk di atas permukaan kulit atau ke dalam kulit. Contohnya pada proses pengolesan krim di wajah. 

4. Pemompaan sediaan dan penyimpanan ke alat pengisian. 

5. Tingkat kemudahan pelewatan cairan dari suatu jarum suntik yang diproduksi di industri

Kesimpulan 

Rheologi didefinisikan sebagai gambaran aliran zat cair dan perubahan bentuk (deformasi) zat padat. Dalam bidang farmasi, rheologi dapat diterapkan dalam formulasi dan analisis dari produk farmasi seperti emulsi, pasta, suppositoria dan pada penyalutan tablet. Adapun istilah yang ada di rheologi yaitu Shear rate atau gradien kecepatan (D) dan Shear stress atau tegangan geser (τ atau F ). 

Fluida merupakan zat yang dapat berubah bentuk secara terus – menerus jika terkena tegangan geser meskipun tegangan geser itu kecil. Fluida mempunyai dua sifat fisik yaitu viskositas dan densitas. Selain itu juga, fluida diklasifikasikan sebagai fluida Newtonian dan non-Newtonian. Pada fluida Newtonian hubungan antara tegangan geser dan laju regangan geser harus linier dengan kemiringan viskositas tersebut. Jika fluida yang tegangan gesernya tidak berhubungan secara linier terhadap laju regangan geser dinamakan Fluida non Newtonian. 

Mixing merupakan suatu proses pencampuran dari satu atau lebih bahan hingga terjadi suatu bentuk yang homogen. Berdasarkan jenis fluidanya, mixing dibedakan menjadi pencampuran single phase dan multi phase. Pencampuran dipengaruhi oleh adanya aliran yang turbulen dan laju alir bahan yang tinggi. Pencampuran dibagi ke dalam tiga tingkatan, yaitu mekanisme konvektif, eddy diffusion, dan diffusion karena adanya gerakan molekuler. Jenis pengaduk yang digunakan dalam proses pencampuran digolongkan berdasarkan aliran yang dihasilkan dan berdasarkan bentuknya. 

Aplikasi pengukuran rheologi pada bidang farmasi di antaranya adalah penuangan sirup obat dari botolnya, proses pengolesan krim di wajah, dan tingkat kemudahan pelewatan cairan dari suatu jarum suntik.

DAFTAR PUSTAKA 

Cheremisinoff, N. 2002. Handbook of Water and Wastewater Treatment Technologies . Boston: Butterworth – Heinemann. 

Fellows, P. J. 1988. Food Processing Technology Principles and Practice. New York: Ellis Horwood Limited. 

Geankoplis, C., 2003. Transport Processes and Separation Process Principles 4 ed. New Jersey: Upper Saddle Rider. 

Mauldy, E. M. dan Abie, N. 2017. Studi Pengaruh Kecepatan Impeller Terhadap Aliran Fluida Dalam Fermentor Bioetanol Secara Visualisasi. Skripsi. Departemen Teknik Kimia. Fakultas Teknologi Industri. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. 

Pamuji, Agung, T., dan Sudargana. 2013. Perancangan Sistem Pipeline Minyak Premium Jalur Pekanbaru – Batam. Undergraduate thesis. Mechanical Engineering Department. Faculty Engineering of Diponegoro University. Semarang. 

Sinila, S. 2016. Farmasi Fisik Komprehensif. Jakarta: Kementerian Kesehatan Republik Indonesia Suhriani, Salengke, dan Suhardi. 2017. Rheology Cokelat Dari Formulasi Bubuk Kakao dan Margarin. Jurnal AgriTechno. Vol 10(1).

Penulis

Cleopatra Diva S.⁰⁰², Nazwa Nuraizza M.⁰⁰⁴, Fanny Lestari⁰⁰⁶, Arina Ghaida F.R.⁰⁰⁸, Syifa Zakia⁰¹⁰, Callista Najla R⁰¹²., Raisya Rahmahº¹⁴, Putri Nur A.⁰¹⁶, Tarisa Dzakwan N.A.⁰¹⁸, Toga Bonor⁰²⁰, Dinda Firanitha T.⁰²² 

Program Studi Farmasi, Fakultas Farmasi, Universitas Padjadjaran, Jatinangor, Jawa Barat, Indonesia