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.
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.
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
Tidak ada komentar:
Posting Komentar