Sistem Proteksi Termal Pasif untuk Distribusi Produk Farmasi

Sistem proteksi termal pasif dirancang dan digunakan untuk menjaga suhu dalam rentang yang ditetapkan, misalnya suhu kulkas (2-8°C), untuk menjaga produk obat sensitif suhu tetap terjaga mutu, keamanan, dan efikasinya. Sistem ini ditujukan untuk menjaga suhu selama transportasi, dengan menggunakan wadah penutup yang efektif untuk mencegah perpindahan panas dari luar ke dalam wadah. Tanpa ada sistem yang aktif konstan mengatur suhu, ada batas waktu sistem proteksi pasif mampu menahan suhu tetap di bawah target.  

[Pada dasarnya, produk obat dengan kondisi penyimpanan suhu ruang terkendali dapat dikirim dengan kondisi suhu kulkas. Industri perlu menyiapkan justifikasi teknis atau data stabilitas untuk menunjang praktik tersebut (PDA, 2007)]

.

Transfer panas

Pemahaman dasar aliran atau perpindahan panas dalam desain kemasan dimulai dari definisi "panas" dan "dingin". Panas merupakan energi yang berpindah dari area bersuhu tinggi ke area bersuhu rendah. Ada tiga tipe mekanisme perpindahan panas, yakni konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi merupakan perpindahan panas dalam suatu badan benda, dari area dengan suhu tinggi ke area dengan suhu rendah, atau perpindahan antar-badan benda yang bersentuhan langsung yang memiliki perbedaan suhu. Sebagai contoh, saat jari kita menyentuh sendok panas, terjadi perpindahan panas secara konduksi dari sendok ke jari kita. Sebaliknya, jika jari kita sentuhkan pada es batu, terjadi perpindahan panas secara konduksi dari jari ke es batu.

Konveksi adalah transfer panas yang dimediasi aliran udara atau cairan. Semakin cepat pergerakan aliran, semakin cepat pula perpindahan panasnya. Perpindahan panas bisa terjadi pada permukaan benda padat ke atau dari aliran udara atau cairan sekitar. Misalnya, saat memanasikan air. Panas berpindah dari pemanas ke ketel, memanaskan air pada dinding bawah ketel. Air panas akan naik sedangkan air dingin, yang memiliki bobot jenis lebih rendah, akan turun karena gravitasi, menghasilkan aliran sirkuler air dalam ketel.

Radiasi merupakan perpindahan panas dengan emisi gelombang elektromagnetik, yang membawa energi panas menjauh dari obyek pemancar melewati ruang kosong. Tidak ada media dalam radiasi. Bahkan, radiasi dapat terjadi dalam kondisi hampa. Perpindahan panas dari matahari ke bumi, melalui ruang angkasa yang hampa, merupakan contoh radiasi.  

Model transfer panas ini perlu diperhitungkan dalam desain sistem proteksi termal pasif. Perpindahan panas secara konduksi terjadi melalui kontak antarkomponen dalam sistem penyimpanan. Konveksi terjadi karena pergerakan udara dingin, yang lebih berat dibandingkan udara panas, dengan dipengaruhi gaya gravitasi sehingga terbentuk pola aliran sirkuler. Penggunaan bahan insulasi memastikan lebih banyak panas radian yang dipantulkan kembali dan hanya sedikit yang terserap.

Hal lain yang perlu diperhatikan adalah hukum ke-nol termodinamika. Hukum ini menyatakan, jika dua sistem pada saat yang sama ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem tersebut ada dalam kesetimbangan termal satu dengan yang lain. Dalam konfigurasi yang terdiri dari sistem pendingin, wadah, dan produk selalu terjadi perpindahan panas untuk mencapai kesetimbangan antarsistem tersebut, sehingga pada akhirnya semua yang ada di dalam dan sekitar sistem memiliki suhu yang sama .

Perubahan fase

Perubahan fase atau transisi fase adalah transformasi dari satu kondisi termodinamik ke kondisi yang lain. Bahan berubah fase (PCM, phase change material) adalah bahan yang memiliki fusi panas atau panas laten yang tinggi, dapat melebur atau memadat pada suhu tertentu, sehingga memungkinkan untuk menyimpan dan melepas sejumlah besar energi termal. Panas diserap saat bahan berubah dari bentuk padat ke cair dan, sebailknya, panas dilepas saat bahan berubah dari bentuk cair ke padat.

Pada temperatur perubahan fase, misalnya pada suhu nol es mulai mencair, panas sensibel (panas suatu sistem termodinamik yang mengubah suhu) berubah menjadi panas laten. Dalam kondisi ini, temperatur relatif konstan hingga perubahan fase sempurna. Pada saat ini, PCM menyerap energi panasi. Setalh fase berubah sempurna, panas sensibel kembali muncul sehingga suhu mulai bergerak naik lagi. Kondisi sebaliknya terjadi saat air membeku.

Sistem Pengiriman Pasif Termal

Sistem Pengiriman Pasif Termal biasanya tersusun dari bahan insulasi yang dikombinasikan dengan penggunaan susunan bahan pendingin atau PCM sebagai pengendali suhu. Perlu atau tidaknya pemakaian bahan kemas terluar bisa tergantung jenis bahan insulasi yang digunakan. 

1. Bahan Kemas Terluar

Bahan kemas terluar berupa material berombak (corrugated), bisa dari bahan kertas atau plastik. Dus karton lebih sering digunakan karena murah, mudah diperoleh, bisa didaur-ulang, dan dapat dibiodegradasi. Kelemahan bahan kertas adalah memiliki kecenderungan menyerap air. Jika digunakan sebagai kemasan yang berhubungan langsung dengan PCM, saat dikeluarkan ke lingkungan yang lebih hangat dan lembap akan ada kecenderungan membuat dus kertas menjadi basah. Sebagai pelindung terluar, dus karton berisiko tinggi rusak karena air dan kotoran.

Plastik merupakan bahan alternatif kertas, terutama jika masalah kerusakan integritas fisik karena kotoran dan lembap menjadi perhatian. Permukaan plastik lebih mudah dibersihkan dan tidak menyerap kelembapan. Kotoran yang masuk bagian bergelombang tetap menjadi masalah. Harga yang lebih mahal menjadi kelemahan utama dibandingkan kertas.

2. Bahan Insulasi

Ada beberapa bahan insulasi yang tersedia untuk konstruksi sistem pengiriman pasif termal, antara lain poliuretan (PUR), poliisosianat (PIR), polistiren, dan panel insulasi-vakum (VIP).

Poliuretan tersusun dari rantai unit organik yang dihubungkan ikatan uretan. Bahan ini umumnya merupakan polimer termoseting, yang tidak dapat meleleh karena pemanasan. Pembentukan dilakukan dengan mereaksikan isosianat, seperti metilen difenil diisosianat (MDI), dengan alkohol (poliol). Berdasarkan indeks rasio MDI/Poliol, busa dengan indeks sekitar 100 disebut poliuretan (PUR) dan yang memiliki indeksi sekitar 180 disebut poliisosianat (PIR). Keduanya memiliki resistensi termal yang mirip, sekitar 1,2 dan 1,4 m²K/W, tetapi berbeda sifat mekanis.

Kemampuan insulasi poliuretan dinyatakan sebagai nilai R. Yang biasa digunakan industri adalah poliuretan antara R-6 dan R-7. Semakin tinggi nilai R, semakin tinggi resistensinya. Namun, nilai R ini menurun seiring waktu akibat pengaruh eksternal, seperti masuknya uap air.  

Polistiren merupakan polimer aromatik yang tersusun dari monomer stiren, senyawa hidrokarbon cair yang diproduksi dari minyak bumi. Bahan ini bersifat termoplastik, berupa padatan pada suhu ruang, mencair karena pemanasan di atas suhu transisi gelasnya (untuk pencetakan atau ekstrusi), dan memadat kembali saat didinginkan. Ada dua bentuk utama yang digunakan dalam pengiriman obat peka suhu, yakni Polistiren Diperluas (Expanded Polystrene, EPS) dan Polistiren Diekstrusi (Extruded Polystyrene, XPS).

EPS sering disebut sebagai Styrofoam. Penyebutan ini kurang tepat karena Styrofoam merupakan merek dagang XPS produksi Dow Chemicals untuk produk bangunan (Stevens, 2014). Busa EPS terbuat dari butiran polistiren, yang membentuk susunan yang rapat, kaku, dan kuat. Butiran tersebut dapat dicetak menjadi beragam bentuk, termasuk menjadi lembaran atau kotak yang dilengkapi penutup. Resistensi termal umumnya antara R-3 dan R-4 per inci EPS dengan kerapatan standar. Nilai R dapat ditingkatkan dengan menaikkan kerapatan dan penggunaan bahan tambahan yang memiliki sifat reflektif. Rentang kerapatan EPS antara 15-640 kg/m³ . Namun, di atas kerapatan tertentu, sifat termal EPS malah mulai menurun. Rentang kerapatan yang umum digunakan adalah 15-35 kg/m³.

EPS merupakan bahan insulasi yang murah dan baik. Sifat termalnya tetap bertahan selama pemakaian berulang, hingga mengalami kerusakan fisik selama penggunaan. Karena sangat tahan terhadap penyerapan air, EPS dapat digunakan dengan atau tanpa kemasan pelindung terluar seperti dus karton. 

XPS lebih kaku dan memiliki resistensi termal lebih tinggi dibandingkan EPS. Resistensi termal XPS umumnya sekitar R-5 per inci. XPS juga mempunyai kekuatan tekan dan rigiditas yang jauh lebih besar, dengan nilai absorpsi air yang jauh lebih lebih rendah. Karena sifat ini, XPS dapat digunakan tanpa kemasan pelindung terluar. Namun, karena dibuat dengan proses ekstrusi, XPS hanya ada dalam bentuk lembaran.

Karena sifat termal yang sangat stabil hingga dapat digunakan bertahun-tahun, XPS menjadi bahan insulasi yang sangat murah dibandingkan bahan lainnya. XPS dapat dibuang karena kerusakan fisik sebelum terjadi masalah karena penurunan sifat resistensi termalnya. 

Panel Insulasi-Vakum terdiri dari pembatas yang hampir-kedap udara, yang mengelilingi inti kaku yang telah dihampa-udarakan. Tanpa ada udara dalam bahan inti, VIP memberikan resistensi termal yang sangat tinggi dibandingkan bahan insulasi lain. Nilai R umumnya R-30 per inci, tetapi VIP hingga R-50 per inci dapat ditemukan di pasaran.

Sesuai namanya, VIP diproduksi dalam bentuk panel kaku. Titik temu antarpanel menjadi kritis. Ketidaksesuaian pemasangan dapat membentuk jembatan termal pada titik-titik temu tersebut.

Meskipun menawarkan kemampuan insulasi yang tinggi, VIP tidak terlalu banyak digunakan karena alasan harga tinggi. Masa pakai VIP berkisar pada rentang 2 hingga 15 tahun. Dinding panel yang mengalami kebocoran tidak bisa digunakan lagi.

3. Bahan Pengubah Fase

Beberapa bahan digunakan sebagai PCM. Yang umum digunakan antara lain paket-gel berbasis-air, alternatif, dan es kering.

Air umum digunakan dalam paket-gel karena mudah diperoleh, murah, dan mudah dibuang. Air memiliki fusi panas tinggi, sekitar 333 kJ/kg, yang berarti mampu menyerap sejumlah besar energi panas selama siklus pengubahan-fase. Karena perubahan fase air dari padat dan cair terjadi pada 0°C, kapasitas panas tinggi tersebut menyebabkan bahan yang lebih dikenal dengan nama icepack ini mampu menjaga suhu 0°C dalam jangka waktu relatif lama. Jika suhu yang diinginkan di luar itu, misalnya 2-8°C, paket-gel perlu dikondisikan dulu untuk mendekati suhu produk, untuk menghindari produk terpapar suhu di luar rentang yang ditetapkan. Jumlah paket-gel tergantung pada durasi yang diharapkan. Semakin lama durasi transportasi, memerlukan jumlah paket-gel semakin banyak, yang berimbas pada peningkatan bobot total. 

Penggunaan air dalam kemasan pengiriman memerlukan kehati-hatian untuk melindungi produk dari kemungkinan kebocoran. Untuk menurunkan potensi masalah ini, langkah pendekatan yang umum digunakan adalah menambahkan bahan pembentuk gel atau peningkat viskositas air. Isi paket pendingin yang kental menyebabkan bentuk dapat bertahan lebih lama dan tidak mudah bocor.

Paket-gel berbasis air dapat digunakan berulang selama ditangani dengan hati-hati. Pemeriksaan visual dan bobot paket-gel direkomendasikan untuk memastikan tidak terjadi perubahan, terutama kebocoran.

Ada tiga tipe PCM alternatif yang tersedia di pasaran, yakni organik (parafin dan asam lemak), anorganik (hidrat garam), dan eutektik. Banyak, atau bahkan semua, PCM memiliki kapasitas penyimpan panas lebih rendah dari air. Namun, kelemahan ini bisa tertebus dengan suhu perubahan fase yang tidak terbatas hanya 0°C. Dari aspek lingkungan, beberapa bahan yang digunakan dalam PCM alternatif ini masuk kategori berbahaya. Larutan berbasis garam dapat mengalami penurunan kinerja setelah pembekuan dan pencairan berulang.

Es kering merupakan bentuk padat dari karbon dioksida.Bahan ini menyublim pada -78,5°C pada tekanan atmosfer. Es kering sesuai untuk mempertahankan suhu di bawah -20°C.

Pustaka

PDA (2007) Guidance for Temperature-Controlled Medicinal Products: Maintaining the Quality of Temperature-Sensitive Medicinal Products through the Transportation Environment. Technical Report No. 39 Revised 2007

Stevens L (2014) There's No Such Thing as a Styrofoam Cup. The Wall Street Journal https://www.wsj.com/articles/theres-no-such-thing-as-a-styrofoam-cup-1397175263