Senin, 21 September 2015

APLIKASI FLUIDA SUPERKRITIS PADA EKSTRAKSI MINYAK ATSIRI



EKSTRAKSI FLUIDA SUPERKRITIK

Kita pada umumnya mengenal dengan baik tiga wujud klasik materi, yaitu padat, cair dan gas. Materi dapat mengalami perubahan keadaan dari satu wujud ke wujud lainnya tergantung suhu dan tekanan yang dialaminya, dan ini biasanya digambarkan dengan suatu diagram yang biasa dikenal sebagai diagram fase. Pada diagram tersebut ada dua titik yang penting untuk diperhatikan, yaitu titik tripel (triple point) dan titik kritik (critical point). Titik tripel adalah suhu dan tekanan di mana fase padat, cair dan gas hadir bersamaan dalam suatu kesetimbangan yang dinamik. Sedangkan titik kritik adalah suhu dan tekanan tertinggi di mana suatu zat masih dapat mempertahankan kesetimbangan antara fase gas dan cairnya. Di atas titik ini materi berubah wujud menjadi sesuatu yang bukan gas dan bukan pula zat cair. Secara termodinamika materi tersebut sebetulnya dapat didefinisikan sebagai gas, atau lebih tepatnya gas yang dimampatkan, karena terdiri hanya atas satu fase dan memenuhi seluruh bagian ruang penyimpannya. Akan tetapi, sifat-sifatnya yang berbeda dari gas biasa memerlukan penyebutan yang berbeda dan spesifik, sehingga digunakan istilah fluida superkritik (supercritical fluids – SCF) yang dipandang lebih sesuai.
Tabel berikut di bawah ini memperlihatkan perbandingan sifat-sifat fisika zat cair, gas dan fluida superkritik. Bisa diamati bahwa fluida superkritik mempunyai gabungan sifat-sifat zat cair dan gas. Berat jenisnya sepadan dengan berat jenis zat cair, sementara viskositasnya setara dengan gas, dan tingkat difusinya berada di antara gas dan zat cair.
Dengan sifat-sifat tersebut ia dapat menembus materi padatan lebih cepat daripada pelarut dari zat cair dan mampu dengan cepat pula membawa zat terlarut dari dan ke dalam padatan. Keistimewaan fluida superkritik terutama ada pada sifat dan daya pelarutannya yang dapat diubah dan diatur menurut suhu dan tekanannya. Ini merupakan kunci bagi aplikasinya sebagai media pelarut dan media transpor di banyak proses industri.
Description: http://i531.photobucket.com/albums/dd357/mwidodo/blog/tabel1.jpg
Teknologi fluida superkritik sudah sejak lama dimanfaatkan untuk membantu proses industri seperti ekstraksi pada industri makanan dan pemurnian pada industri farmasi, dan juga sebagai teknik analisa, yaitu kromatografi fluida superkritik. Karbon dioksida (CO2) menjadi pilihan bagi banyak proses dengan teknologi fluida superkritik karena (1) tidak mudah terbakar, (2) tidak beracun, (3) murah, dan (4) titik kritiknya relatif rendah, yaitu 31,3°C dan 72,9 atm (lihat Tabel 1). Air memiliki suhu dan tekanan kritik jauh lebih tinggi, yaitu 374,2°C dan 217,6 atm, sedangkan propana (Tc = 96,8°C dan Pc = 42 atm) dan etana (Tc = 32,4°C dan Pc = 48,2 atm) jelas mempunyai tekanan kritik lebih rendah tapi mudah terbakar. Keuntungannya yang lain adalah ketersediaannya yang melimpah dari alam dan dari hasil produk-samping berbagai proses industri serta mudah pula didaur-ulang. Ini semua boleh dibilang memenuhi kriteria kimia hijau (green chemistry) yang mensyaratkan "carrying out chemical activities – including chemical design, manufacture, use, and disposal – such that hazardous substances will not be used and generated", yaitu agar segala kegiatan yang melibatkan zat-zat kimia – termasuk perancangan, pembuatan, pemakaian, maupun pembuangannya –dikerjakan sedemikian rupa hingga tidak memerlukan pemakaian ataupun menghasilkan zat-zat berbahaya.

A.    Ekstraksi Fluida Superkritik
Ekstraksi fluida superkritik (SFE) merupakan teknologi pemisahan (separasi) yang menggunakan fluida superkritik sebagai pelarut. Setiap fluida memiliki karakteristik tertentu berdasarkan definisi titik superkritik, yaitu kondisi ketika terjadinya suhu kritis dan tekanan kritis. Fluida tidak dapat berada dalam bentuk cair di atas titik kritis walaupun diberikan tekanan, tetapi dapat terjadi peningkatan densitas mendekati titik cairnya.
Teknik ekstraksi dengan fluida superkritik adalah teknik pemisahan yang memanfaatkan daya larut dari fluida superkritik pada suhu dan tekanan di sekitar titik kritis. Tekanan dan suhu yang digunakan dalam ekstraksi merupakan parameter utama dalam menentukan besarnya daya larut. Suhu kritis adalah suhu maksimum yang dapat mencairkan gas. Tekanan kritis adalah tekanan yang diperlukan untuk menyebabkan pencairan pada suhu kritis.
Ekstraksi dengan fluida superkritik merupakan suatu metode operasi yang memanfaatkan sifat-sifat unik dari pelarut yang berada di atas titik kritiknya untuk mengekstrak komponen-komponen dari suatu campuran, sebab kondisi tersebut mempunyai daya melarutkan yang lebih tinggi dan lebih selektif daripada bentuk cair atau bentuk gas.
Metode ini merupakan perpaduan proses ekstraksi, deodorasi dan fraksinasi yang menggunakan karbondioksida sebagai pelarut yang ramah terhadap lingkungan, tidak berbahaya, tidak mudah terbakar, relatif murah dan memiliki daya larut yang lebih baik dibandingkan dengan pelarut organik konvensional lainnya.
Fluida superkritik menunjukkan karakteristik fisika kimia antara sifat cairan dan gas yang meningkatkan perannya sebagai pelarut. Relatif tingginya densitas fluida superkritik memberikan kekuatan melarutkan yang baik, rendahnya nilai viskositas dan difusivisitas menyebabkan kekuatan penetrasi ke dalam matriks solute dapat diandalkan.
Proses ekstraksi fluida superkritik dapat bekerja untuk berbagai operasi, yang tergantung pada sifat alami bahan alam, kondisi operasi dan pelarut yang digunakan. Prinsip ekstraksi superkritik ini adalah sama dengan proses ekstraksi biasa, tahap-tahapnya meliputi ekstraksi dengan pelarut, pemisahan pelarut dan recovery dari pelarut itu sendiri. Pengaturan kembali tekanan dan suhu operasi maksimum yang disesuaikan dengan kelarutan komponen dalam pelarut mempengaruhi kesempurnaan suatu proses ekstraksi.
Komponen terpenting dalam fluida superkritik adalah densitas, viskositas, daya difusi, kapasitas kalor dan konduktivitas panas. Densitas yang tinggi pada fluida superkritik berkontribusi pada peningkatan kelarutan komponen, walaupun viskositas yang rendah menyebabkan penetrasi ke bentuk padat dan memungkinkan terjadinya aliran dengan fraksi yang rendah. Manipulasi suhu dan tekanan di atas titik kritis mempengaruhi komponen fluida superkritik dan meningkatkan kemampuan fluida superkritik berpenetrasi dan mengekstraksi molekul target yang berasal dari material yang diinginkan.

B.     Proses Ekstraksi Fluida Superkritik
Proses Ekstraksi Fluida superkritik terdiri atas dua tahap, yaitu ekstraksi dan pemisahan, selama tahap ekstraksi didalam tabung ekstraktor, material terlarut (solut) diekstrak dalam kondisi tekanan tinggi dari material padatannya (feed) dan selanjutnya dalam keadaan tersolvasi (solut + SC solvent) dialirkan ke dalam tabung separator untuk mengalami tahap pemisahan. Selama tahap pemisahan, pelarut superkritik dipisahkan dari ekstraknya (regenerasi pelarut SC atau recovery solut) yang dapat dilakukan dengan menurunkan densitas pelarut SC atau daya solvasinya yg dilakukan dengan menurunkan tekanan (dekompresi) atau memperbesar temperatur atau kombinasi keduanya. Oleh karena itu, kedua tahap di dalam proses Ektraksi
dengan fluida superkiritik ini biasanya terpisah (tidak memungkinkan dilakukan dalam satu langkah dalam satu tabung ekstarktor/separator)- tergantung target material yang diekstrak.
Proses Ekstraksi dengan fluida superkritik dapat dioperasikan dengan cara Batch, Semikontinyu, atau kontinyu. Batch processing involves contacting a batch of solid feed material with a continuous solvent stream.
Jadi menurut saya, teknik loading and discharging feed material/residual kedalam tabung ekstraktor yang masih dalam keadaan bertekanan tinggi menjadi salah satu hal yang menyulitkan proses ektsaksi superkritik dengan cara kontinyu. Saya lebih menyukai teknik countercurrent kontinyu untuk efisiensi yang lebih baik pada ekstraksi dengan fluida superkritik.
Proses ekstraksi dengan fluida superkritik dapat dilihat pada Gambar berikut.
Empat komponen utama yang terdapat pada unit peralatan ekstraksi fluida superkritik (SFE) adalah :
1.      Kompresor (pompa) untuk membawa pelarut sampai mencapai tekanan yang diperlukan.
2.      Ekstraktor yang dilengkapi dengan sistem pemanas, misalnya selubung pemanas (heat mantle).
3.      Separator atau absorben yang juga dilengkapi dengan selubung pengatur suhu.
4.      Peralatan pengatur tekanan, pengatur suhu, termocopel serta peralatan kontrol lain seperti flowmeter, heat exchanger.
Suhu dan tekanan sangat mempengaruhi karakteristik fluida superkritik. Pemilihan parameter-parameter ini berperan pada perubahan densitas, disfusivitas dan viskositas. Kelarutan zat bervariasi dengan molekul zat yang dilarutkan dan struktur zat yang berlainan.
Proses ekstraksi dengan fluida karbondioksida superkritik biasanya menggunakan suhu di atas 31 oC dan umumnya tidak kurang dari 40 oC. Suhu normal yang digunakan untuk proses ekstraksi adalah 50 oC sampai 60 oC dan tidak menutup kemungkinan pada suhu 80 oC (King dan Bott, 1993). Tekanan ekstraktor untuk proses ekstraksi fluida karbondioksida superkritik adalah 1100 sampai 5000 psi. Kondisi proses yang konstan selain laju alir adalah tekanan dan suhu pada bejana separator yaitu 500 psi dan 25 oC. Tekanan minimal pada kondisi separasi adalah 500 psi (Rizvi 1999).
Keunikan fluida superkritik untuk proses ekstraksi didukung dengan tingginya densitas yang menyerupai zat cair, viskositasnya seperti gas. Suhu kritis dan tekanan kritis karbondioksida adalah 304 K (31 oC) dan 7,38 MPa (1070,4 psi). Suhu dan tekanan kritis CO2 berada di atas suhu 31 °C dan 7,38 MPa yang menjadikannya sebagai pelarut yang ideal untuk proses ekstraksi pada bahan yang bersifat sensitif terhadap panas. Fluida superkritik merupakan teknik yang menguntungkan dan memungkinkan untuk digunakan dalam proses ekstraksi.
Pelarut yang digunakan dalam metode superkritik adalah pelarut yang inert baik terhadap bahan mentah, tubuh manusia maupun terhadap pelarut itu sendiri pada kondisi ekstraksi. Berbagai studi yang telah dilakukan mengenai ekstraksi dengan pelarut superkritik, hanya karbondioksida, etana, etilena, dan beberapa senyawa dengan fluor, layak digunakan untuk industri. Faktor pertimbangan lain dalam menentukan pelarut adalah tekanan kritis yang moderat, densitas yang relatif tinggi, rendahnya suhu kritis, tidak mudah terbakar, tidak korosif, tidak toksik, mudah didapatkan, murah, aman, viskositas yang rendah dan difusivitas yang tinggi.
Salah satu pelarut superkritik yang sesuai dengan pertimbangan di atas adalah karbondioksida. Karbondioksida superkritik sangat potensial untuk memisahkan komponen tertentu yang tidak dapat dilakukan dengan cara lain. Karbondioksida merupakan pelarut yang tidak menimbulkan pencemaran (cleaning fluid), tepat diaplikasikan sebagai substitusi pelarut organik yang seringkali merusak lingkungan sehingga terwujud teknologi yang bersih. Karbondioksida dapat berada dalam tiga fasa, yaitu gas, cair dan padat. Karbondioksida dalam keadaan suhu normal berupa gas yang tidak berwarna. Karbondioksida superkritik berada dalam keadaan di atas suhu dan tekanan kritisnya.
Kabondioksida sangat cocok untuk digunakan sebagai pengekstrak dalam proses ekstraksi superkritik. Keuntungan dari pelarut karbondioksida adalah sebagai berikut :
1.      Tidak meninggalkan residu pelarut yang berbahaya
2.      Tidak menghilangkan komponen utama dalam bahan
3.      Tidak menyebabkan komponen terdegradasi akibat panas
4.      Ideal untuk mengekstrak komponen yang labil terhadap panas
5.      Energi yang digunakan relatif efisien
6.      Lebih mudah untuk memanipulasi selektifitas atau pemisahan dengan kemurnian tinggi dari suatu produk
7.      Tidak mudah terbakar sehingga tidak merusak lingkungan
8.      Ekstraksi dilakukan lebih cepat
9.      Karakter hasil ekstraksi lebih unggul dibandingkan dengan bahan baku

C.    Faktor-faktor yang Mempengaruhi Ekstraksi Fluida Superkritik
Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi ekstraksi, diantaranya:
1.      Suhu
Kelarutan bahan yang diekstraksi dan difusivitas biasanya akan meningkat dengan meningkatnya suhu, sehingga diperoleh laju ekstraksi yang tinggi. Pada beberapa kasus, batas atas untuk suhu operasi ditentukan oleh beberapa faktor, salah satunya adalah perlunya menghindari reaksi samping yang tidak diinginkan.
2.      Ukuran partikel
Semakin kecil ukuran partikel, semakin besar luas bidang kontak antara padatan dan solven, serta semakin pendek jalur difusinya, yang menjadikan laju transfer massa semakin tinggi.
3.      Faktor solven
Zat kimia biasanya diisolasi dengan ekstraksi menggunakan solven organik, dan kondisi ekstraksi (solven, suhu, waktu, pH, dan rasio komposisi solven dengan bahan) dapat mempengaruhi efisiensi ekstraksi. Solven harus memenuhi criteria sebagai berikut:
·         Daya larut terhadap solute cukup besar
·         Dapat diregenerasi
·         Memiliki koefisien distribusi solute yang tinggi
·         Dapat memuat solute dalam jumlah yang besar
·         Sama sekali tidak melarutkan diluen atau hanya sedikit melarutkan diluen
·         Memiliki kecocokan dengan solute yang akan diekstraksi
·         Viskositas rendah
·         Antara solven dengan diluen harus mempunyai perbedaan densitas yang cukup besar
·         Memiliki tegangan antarmuka yang cukup
·         Dapat mengurangi potensi terbentuknya fase ketiga
·         Tidak korosif
·         Tidak mudah terbakar
·         Tidak beracun
·         Tidak berbahaya bagi lingkungan
·         Murah dan mudah didapat

DAFTAR PUSTAKA

Brown G.G., 1950, “Unit Operation”, Webster School and Office Supplier,

Kirk, R. E., and R. F. Othmer. 1998. Encyclopedia of Chemical Technology 4th Ed. John Willey and Sons Ltd, Canada. 10:88

Treyball, R.E., 1980, “Mass-Transfer Operations”, 4th ed., McGraw-Hill Book Company, Singapore.

Tidak ada komentar:

Posting Komentar