2. DF, GAMBAR, GEJALA PUSAT, UKURAN PENYIMPANGAN

Bahan Ajar Teknik Separasi Bahan Pangan - Revisi 0 - Update 02 Februari 2010 1

TUJUAN INSTRUKSIONAL UMUM (TIU) Pemahaman tentang operasi-operasi pemisahan bahan pangan yang meliputi pemisahan kontak keseimbangan (absorpsi gas, adsorpsi padatan, ekstraksi dan leaching, distilasi, kristalisasi, dan pemisahan membran) pemisahan mekanis (filtrasi, sedimentasi dan sentrifugasi) dan kromatografi.


TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS :

Mahasiswa dapat mengetahui ruang lingkup teknik separasi bahan pangan.

BAB I

PENDAHULUAN

Pemisahan (ekstraksi) merupakan pengambilan satu atau lebih dari satu

komponen dari suatu bahan yang merupakan sumber komponen tersebut.

Pemisahan dibagi menjadi 2, yaitu :

1. Pemisahan Mekanis / Pemisahan Kelas I :

- Sifat fisik : ukuran, bentuk, berat jenis, sifat listrik, sifat magnet.

- Sedimentasi, sentrifugasi, filtrasi

2. Pemisahan Kimia / Pemisahan Kelas II / Pemisahan kontak keseimbangan

- Sifat kimia : kelarutan

- Ekstraksi kimia, destilasi, kristalisasi, ekstraksi gas / desorpsi

Pemisahan mekanis merupakan suatu cara pemisahan antar dua komponen

atau lebih yang dilakukan dengan cara mekanis. Dalam praktek pemisahan

tersebut dapat dilakukan dengan sedimentasi (pengendapan), sentrifugasi

(pemusingan), filtrasi (penyaringan) dan lain sebagainya. Pada sedimentasi antara

partikel dipisahkan berdasarkan perbedaan densitas, melalui suatu medium alir,

pada sentrifugasi pemisahan antar partikel terjadi karena perbedaan masa partikel,

sedang pada filtrasi pemisahan antar partikel padat dan cair terjadi karena

perbedaan ukuran partikel yang dilewatkan melalui medium berpori.

Ekstraksi merupakan salah satu cara pemisahan satu atau lebih komponen

dari suatu bahan yang merupakan sumber komponen tersebut. Sebagai contoh

adalah ekstraksi minyak dari kopra atau biji-bijian; ekstraksi nira dari batang tebu;

ekstraksi karoten dari buah-buahan; ekstraksi cairan buah dari buah-buahan dan

senbagainya. Komponen yang dipisahkan dengan ekstraksi dapat berupa padatan

dari suatu sistem campuran padat-cair, berupa cairan dari suatu sistem campuran

cair-cair atau berupa padatan dari suatu sistem padat-padat.

Pemisahan atau pengambilan komponen pada dasarnya dapat dilakukan

dengan penekanan atau pengempaan, pemanasan dan menggunakan pelarut.


Biasanya ekstraksi dengan pengempaan atau pemanasan dikenal dengan cara

mekanis. Ekstraksi cara mekanis hanya dapat dilakukan untuk pemisahan

komponen dalam sistem campuran padat-cair. Sebagai contoh adalah ekstraksi

minyak dari biji-bijian. Dalam hal ini minyak adalah cair dan ampasnya sebagai

padatan.

Pada ekstraksi dengan pengempaan, tekanan yang diberikan selama

pengempaan akan mendorong cairan terpisah dan keluar dari sistem campuran

padat-cair. Dengan kata lain, tekanan yang diberikan terhadap campuran padat-

cair akan menimbulkan beda tekanan antara cairan dalam bahan dan dalam

campuran dalam suatu wadah dengan tekanan di luar campuran atau di luar

wadah. Beda tekanan tersebut yang mengakibatkan cairan terekstrak. Apabila tak

ada beda tekanan cairan tidak akan dapat mengalir keluar atau tidak akan

berpindah tempat. Ekstraksi dengan pemanasan pada umumnya hanya dilakukan

untuk ekstraksi minyak dari bahan hewani, dikenal dengan rendering. Pemanasan

bahan hewani menyebabkan protein dalam jaringan tersebut menggumpal,

sehingga jaringan akan mengkerut. Pengkerutan tersebut mengakibatkan tekanan

dalam jaringan lebih besar daripada tekanan di luar jaringan, dengan demikian

minyak akan terperas keluar.

Prinsip ekstraksi dengan pelarut sangat berbeda dengan ekstraksi mekanis.

Apabila ekstraksi mekanis berdasarkan perbedaan tekanan, tetapi ekstraksi pelarut

berdasarkan pada kelarutan komponen terhadap komponen lain dalam campuran.

Pada ekstraksi tersebut, terjadi pemisahan antara komponen yang mempunyai

kelarutan lebih kecil dalam pelarut yang digunakan. Komponen yang larut dapat

berupa cair maupun padat, oleh karena itu ekstraksi dengan pelarut dapat

dilekukan untuk ekstraksi komponen cair dari sistem campuran cair-cair maupun

cair-padat dan ekstraksi komponen padat dari sistem campuran padat-padat

maupun padat-cair.

Sebagai produk utama dari ekstraksi pada umumnya adalah ekstraknya,

yaitu campuran pelarut dengan komponen yang larut. Apabila ekstraksi dengan

pengempaan, maka sebagai produk utama adalah cairan yang terekstrak. Dalam

hal demikian residu atau ampas atau padatan merupakan hasil samping. Akan

tetapi kadang-kadang justru ampas atau residu adalah sebagai produk utama.


Dalam hal ini walaupun prosesnya ekstraksi, tetapi lebih sesuai disebut pencucian,

yaitu penghilangan komponen yang larut dalam pelarut.



Mahasiswa dapat mengetahui mengenai pengertian sedimentasi, sentrifugasi,

filtrasi dan pengempaan, faktor-faktor yang berpengaruh, peralatan dan

perhitungan (neraca massa dan energi).

BAB II

PEMISAHAN MEKANIS

I. SEDIMENTASI

1.1. PENDAHULUAN

Sedimentasi adalah teknik pemisahan berdasarkan gaya gravitasi dimana

partikel-partikel padatan atau cairan yang mempunyai densitas relatif lebih tinggi

akan mengendap. Teknik pemisahan ini adalah teknik yang paling sering

digunakan dalam industri pangan karena operasinya sangat sederhana, tidak

memerlukan banyak energi dan murah biaya operasionalnya. Contoh-contoh

proses pengolahan pangan yang menggunakan prinsip sedimentasi antara lain :

proses pembuatan tepung tapioka dan pengolahan limbah industri pangan.

Sedimentasi merupakan salah satu pemisahan antara komponen atau

partikel berdasarkan perbedaan densitasnya melalui medium alir, oleh pengaruh

gaya gravitasi. Oleh karena itu, biasanya pemisahan tersebut berlangsung lama,

terutama bila perbedaan densitas antar komponen tersebut tidak berbeda jauh.

Secara visual, dapat juga dikatakan bahwa sedimentasi merupakan pemisahan

suspensi menjadi dua fraksi yaitu fraksi supernatan (fraksi yang jernih) dan fraksi

slurry (fraksi yang keruh), suatu pekatan yang berisi fraksi padat pada konsentrasi

yang lebih tinggi. Dalam praktek sedimentasi dapat dilakukan secara batch

(terputus-putus untuk setiap satuan volume atau berat bahan yang akan dipisahkan

per satuan waktu) atau secara kontinyu (terus-menerus)

Pemisahan partikel berdasar perbedaan densitas dapat dipercepat melalui

medium zat alir yang bergerak atau mengalir. Cara tersebut dikenal dengan istilah

“hydraulic water”. Perbedaannya dengan sedimentasi ialah medium alir pada

sedimentasi relatif diam, sedang pada hydraulic water bergerak atau mengalir.


Pemisahan dengan hydraulic water secara skematis adalah seperti pada gambar

berikut :

Gambar 1. Pemisahan dengan Hydraulic Water

Pemisahan partikel dengan hydraulic water, walaupun dapat terjadi relatif

lebih cepat, tetapi hasilnya kurang memuaskan. Hal tersebut disebabkan karena

pemisahan tidak hanya terjadi karena perbedaan densitas saja tetapi dipengaruhi

oleh faktor lain, yaitu kecepatan aliran dan bentuk partikel. Sedangkan kecepatan

aliran pada berbagai tempat adalah tidak sama.

Dalam sedimentasi, kecepatan partikel jatuh atau naik melalui medium alir

dapat diperkirakan dengan menggunakan pendekatan matematika, tergantung dari

kondisi partikel tersebut, apakah dalam keadaan jatuh bebas (free settling) atau

dalam keadaan “Hindered settling”.

1.2. DASAR-DASAR SEDIMENTASI

1.2.1. Partikel Jatuh Bebas

Partikel dikatakan jatuh bebas apabila jarak antara partikel, termasuk

partikel dan dinding adalah 10-20 partikel, sehingga dianggap tidak ada pengaruh

interaksi antar partikel dan partikel dengan dinsing wadah. Di samping itu agar

dapat menentukan kecepatan partikel jatuh digunakan beberapa anggapan lain,

yaitu: 1) partikel tersebut tidak bersifat parous dan tidak bersifat “compresible”


(tidak dapat dimampatkan), 2) partikel dianggap berbentuk bola, 3) gaya

percepatan terhadap partikel timbul dari medan gaya gravitasi yang seragam, 4)

fluida bersifat tidak dapat dimampatkan dan dapat menghilangkan pengaruh daya

tarik oleh dinding wadah.

Untuk memperkirakan kecepatan jatuhnya partikel melalui suatu medium

alir, maka dapat diambil suatu contoh berikut. Jika suatu partikel (misalnya

berbentuk bola) dengan densitas ρp ditempat dalam suatu fluida dengan densitas ρf

dimana ρp>ρf, maka partikel tersebut akan tenggelam. Terdapat tiga jenis gaya

yang bekerja pada partikel tersebut yaitu :

1. Gaya berat partikel (Fw)

Fw = m g

Fw = (Vρp ) g

Dimana m = massa partikel [kg],

V = volume partikel [m3], jika berbentuk bola V = ρ D3/6,

ρf = densitas partikel [kg m-3],

g = percepata gravitasi.

2. Gaya apung partikel (Fa)

Gaya apung partikel adalah gaya yang berlawanan dengan arah gerak partikel

yang besarnya sama dengan gaya massa fluida yang dipindahkan partikel

(Hukum Archimedes) :

Fa = (V ρf ) g

3. Gaya gesek fluida terhadap partikel (Fges)

Gaya gesek fluida terhadap partikel adalah gaya yang menghambat gerak

pengendapan partikel. Besar gaya gesek dalam suatu fluida alir, menurut

Hukum Stokes adalah :

F = Cρv2A/2g

Untuk aliran laminar nilai C = 24/Re dimana Re = bilangan Reynold (Aliran

laminar terjadi jika Re < 1000). Dengan demikian nilai C adalah :

1.1

1.2

1.3


C = 24µ/Dvρf

sehingga :

2

fges

f

ρ v A24 12 μ v AF =

D v 2 D

µ

ρ=

dimana A = luas permukaan partikel [m2], jika partikel

berbentuk bola A = ρ D2/4

Dalam keadaan setimbang resultante gaya-gaya

yang bekerja pada partikel adalah nol, seperti terlihat pada

Gambar 1.1. :

Fw - Fa - Fges = 0

Fw - Fa = Fges

(V ρp ) g - (V ρf ) g = 12 ρ v A / D

V g (ρp - ρf ) = 12 ρ v A / D

Untuk partikel bola :

(ρ D3/6) g (ρp - ρf ) = 12 ρ v (ρ D2/4)/ D

p f

t

D g( )v

ρ ρ

µ

−=

2

18

Kecepatan jatuh partikel v diganti dengan vt yaitu kecepatan terminal

karena kecepatan tersebut adalah kecepatan partikel jatuh maksimum yang

dialami partikel.

Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa :

1. Kecepatan mengendap suatu partikel bebas tergantung pada diameter partikel,

perbedaan densitas partikel dengan medium alir, dan viskositas medium

alirnya.

2. Jika selisih densitas partikel dengan fluida positif, maka partikel akan

bergerak ke bawah (mengendap). Jika selisih densitas partikel dengan fluida

negatif, maka partikel akan bergerak ke atas (mengapung).

Fw

Fges

Fa

Gambar 1.1. Gaya-gaya yang bekerja pada partikel yang tenggelam

1.4

1.5


3. Jika aliran laminar, maka kecepatan sedimentasi partikel bebas berbanding

lurus dengan kuadrat diameter partikel. Oleh karena itu ukuran partikel adalah

faktor yang berpengaruh paling kuat.

Jika partikel di atas bergerak cepat sehingga aliran dikatakan tidak laminar,

maka kecepatan sedimentasi partikel tersebut adalah :

/

p f

t

f

4 D g (ρ - ρ )v

3 C ρ

=

1 2

dimana C = koefisien gaya gesek yang besarnya 0,44 untuk bilangan Re = 1000-

200 000 dan 0,20 untuk Re>200 000

Jika partikel di atas bukan berbentuk bola, maka dilakukan pendekatan

terhadap nilai diameter partikel berdasarkan diameter bola pada volume yang

sama dengan volume partikel. Diameter bola tersebut adalah Ds. Ds = diameter

partikel yang sesuai bila bentuknya bola pada volume yang sama. Nilai D pada

persamaan di atas (Persamaan 1.5. dan 1.6.) dapat digantikan dengan nilai Ds

untuk partikel yang bukan bola (Suyitno dkk.,1989).

Nilai Ds untuk berbagai bentuk prtikel yang teratur dapat dilihat pada

Tabel 2.1. atau dapat dihitung dengan cara mencari volume partikel terlebih

dahulu kemudian volume tersebut dianggap volume bola kemudian dicari

diameter bolanya. Diameter bola tersebut adalah nilai Ds.

Ds = (6 V/ρ)1/3

1.6

1.7


Tabel 1.1. Nilai Ds untuk berbagai bentuk partikel yang teratur

Dimensi Bentuk partikel A b c

V Ds

Bola (a = diameter) 1 0,524 1,000

Kubus (a = rusuk) 1 1,000 1,241

1 1 0,5 0,500 0,985 1 0,5 0,5 0,250 0,782

Kotak (a = panjang; b = lebar; c = tinggi)

1 0,5 0,25 0,125 0,620

1 1 0,785 1,145 1 1,5 1,178 1,310

Silinder (a = diameter & b = tinggi)

1 5 3,927 1,957

Piringan (a = diameter & b = tebal) 1 0,5 0,393 0,909

1 0,5 0,1309 0,630

1 1 0,2618 0,794

Kerucut (a = diameter & b = tinggi)

1 2 0,5236 1,000

1 1 4,189 2,000 1 0,75 2,356 1,651

Prolate spheroid

1 0,5 1,047 1,260

1 1 4,189 2,000 1 0,75 3,142 1,817

Prolate oblate

1 0,5 2,094 1,587

1 0,5 3 5,498 2,190

1 0,5 5 9,163 2,596

Prustam right cone (a = r1; b = r2; c =

panjang) 1 0,5 10 18,326 3,271

Sedangkan untuk partikel yang tidak beraturan hal yang sama dapat

dilakukan yaitu dengan mencari volume partikel terlebih dahulu kemudian

dihitung nilai Ds dengan menganggap volume partikel tersebut adalah bola.

Namun untuk mencari volume benda yang tidak beraturan dapat dicari dengan

menggunakan gelas ukur. Tenggelamkan sejumlah n partikel yang akan dicari

volumenya dalam gelas ukur yang berisi toluen dengan volume tertentu.

Kenaikan volume pada gelas ukur tersebut merupakan volume n partikel. Volume

rata-rata partikel dapat dihitung dengan membagi selisih volume pada gelas ukur

dengan jumlah partikel n.


1.2.2. Kecepatan Sedimentasi dalam Keadaan Penggumpalan (Flockulasi)

Apabila partikel dalam jumlah banyak berada dalam satu tempat akan

cenderung mengumpul menjadi satu atau menggumpal hingga menjadi partikel

yang lebih besar. Gumpalan-gumpalan yang terjadi dari beberapa partikel kecil,

masing-masing dapat bertindak seperti partikel-partikel kecil penyusunnya tetapi

berukuran lebih besar dan mempunyai bentuk yang berbeda. Dalam keadaan

demikian maka gumpalan tersebut lebih cepat mengendap dibandingkan dengan

pengendapan masing-masing partikel kecil. Senyawa yang dapat membantu

terbentuknya gumpalan (flokulasi) sering ditambahkan untuk mempercepat

pengendapan, hingga diperoleh supernatan (beningan) yang lebih jernih. Sedang

senyawa yang bersifat deflokulasi, ditambahkan untuk mencegah agar tidak

terjadi penggumpalan.

1.2.3. Kecepatan Sedimentasi dalam Keadaan Hindered Settling

Hindered settling adalah pengendapan partikel padat pada konsentrasi

yang tinggi, sehingga antar partikel yang satu dengan yang lain sangat rapat dan

saling bertumbukan. Pada waktu mengendap atau jatuh, partikel yang lebih berat

akan membentur partikel yang lebih ringan. Dalam keadaan demikian untuk

menentukan kecepatan jatuhnya partikel, tidak dapat menggunakan persamaan

atau hukum stokes. Apabila digunakan hukum stokes, maka hasil yang diperoleh

akan lebih besar dari pada hasil pengamatan yang sesungguhnya terjadi. Hal

tersebut disebabkan karena tahanan yang dialami partikel padat adalah lebih besar

dibandingkan dengan tahanan yang dialami partikel padat dalam keadaan jatuh

bebas. Sifat cairan yang dilalui partikel yang terdispersi tidak lagi bersifat seperti

cairan sebelumnya, tetapi berubah sifatnya menjadi fluida sebagai sistem dispersi

antara cairan dan partikel padat yang lebih kental dan lebih tinggi densitasnya.

Oleh karena itu kekentalan dan densitas fluida tersebut adalah sebagai fungsi dari

konsentrasi partikel padat dalam suspensi.


Dalam keadaan hindered settling hubungan antara kecepatan pengendapan

suspensi dengan kecepatan pengendapan partikel padat dalam keadaan jatuh bebas

adalah seperti pada persamaan berikut :

v = vt Ψ (ε)

dimana

v = kecepatan pengendapan suspensi dalam keadaan hindered settling

vt = kecepatan terminal pengendapan partikel padat dalam keadaan jatuh bebas

pada suhu yang sama.

Ψ = fraksi volume kosong dalam suspensi

volume suspensi – volume partikel padat ε = volume suspensi

atau sama dengan fraksi volume kosong dalam suspensi

Ψ = fungsi dari fraksi volume kosong dalam suspensi untuk partikel padat

yang terdispersi dengan baik atau sempurna (tidak terbentuk

gumpalan)

Ψ (ε) = ε2 10-1,82(1-)

Biasanya ε nilai bervariasi antara 0,5-0,95 dan nilai konsentrasi padatan dalam

suspensi (volume/volume) (Suyitno dkk.,1989).

1.2.4. Kecepatan Sedimentasi (Sedimentation Rate)

Dalam praktek kecepatan sedimentasi diukur atau diamati secara visual

dengan mengukur kecepatan penurunan tinggi lapisan batas antara supernatant

dan slurry yang berisi partikel. Pengamatan tersebut dapat dilakukan dalam suatu

percobaan pengendapan dalam tabung gelas yang berskala atau dalam gelas ukur.

Suspensi yang akan diendapkan harus mempunyai suhu yang merata agar tidak

teladi gerakan fluida karena perbedaan densitas oleh karena perbedaan suhu. Hasil

pengamatan pengendapan suspensi tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

1.8

1.9


Gambar.1.2. Tahapan pengendapan partikel dalam sedimentasi

Mula-mula konsentrasi padatan dalam suspensi yang dimasukkan dalam

gelas ukur sama, tetapi begitu mulai terjadi pengendapan, semua partikel jatuh ke

bawah melalui fluida pada kecepatan Vt dalam kondisi hindered settling. Untuk

partikel padatan yang berukuran relatif sama atau seragam, partikel akan jatuh

pada kecepatan yang sama sehingga selama proses pengendapan berlangsung

dapat diamati garis batas yang jelas antara supernatant (beningan) (A) dan (B).

Apabila ukuran partikel padat berbeda yaitu meliputi partikel halus dan partikel

yang berukuran lebih besar, maka partikel besar akan jatuh lebih cepat. Akibatnya

garis pembatas antara A dan B menjadi tidak jelas. Hal tersebut disebabkan

karena beningan akan tampak keruh seperti air susu. Sementara itu di atas dasar

gelas ukur partikel besar akan tertimbun membentuk sludge D, walaupun kadang-

kadang garis batas antara sludge D dengan B tidak begitu jelas. Tahap selanjutnya

pada daerah B komposisinya akan relatif tetap sampai garis batas antara A dan B

mendekati garis batas antara B dan D. Akan tetapi begitu garis batas tersebut

mendekati daerah pembentukan sludge maka densitas dan viskositas suspensi di

sekeliling partikel jatuh akan naik, sehingga kecepatan pengendapan menurun.

Kecepatan partikel jatuh akan menurun terus selama periode transisi ini, sampai

slurry menjadi seragam sebagai sludge yang padat.

Titik kritis


Sebagai gambaran, dari basil pengamatan tentang kecepatan sedimentasi

yang dilakukan dengan menggunakan gelas ukur terhadap larutan CaCO3 pada

berbagai konsentrasi, disajikan dalam bentuk grafik hubungan antara penurunan

tinggi lapisan batas antara supernatan dan slurry dengan waktu adalah seperti

pada gambar berikut :

Gamber 1.3. Grafik kecepatan sedimentasi cara batch dari larutan CaCO3 pada berbagai konsentrasi

Pada gambar tersebut larutan CaCO3 pekat mengendap dengan sangat

lambat dihandingkan dengan larutan yang lain. Hal tersebut menunjukkan ada

interaksi antar partikel dalam hindered settling Larutan yang paling encer atau

larutan dengan konsentrasi paling rendah mengendap dengan kecepatan

maksimum seperti yang digambarkan oleh partikel jatuh bebas pada tahap awal,

tetapi kemudian menurun atau makin lambat mendekati saat pemadatan sludge.

Kecepatan pengendapan partikel dalam sedimentasi di atas dapat

diperkirakan dengan menggunakan persamaan seperti terdahulu, tetapi dalam

prakteknya ada beberapa variabel lain yang kadang-kadang berpengaruh cukup

besar. Dalam suspensi partikel yang berukuran kecil mungkin ada yang

terdispersi, tapi mungkin ada yang mengumpul membentuk partikel yang lebih

hesar. Ukuran efektif dan densitas partikel mungkin juga dipengaruhi oleh

adsorpsi dari atau oleh fluida. Hal tersebut akan merubah diameter (D) dan

densitas, hingga akan meruhah kecepatan sedimentasi. Seperti misalnya apabila

medium alir diberi senyawa pembasah partikel (wetting agent), maka akan


mempercepat pengendapan pada tahap awal, kemudian menghambat pada tahap

pemadatan sludge.

RINGKASAN

• Sedimentasi adalah teknik pemisahan berdasarkan gaya gravitasi dimana

partikel-partikel padatan atau cairan yang mempunyai densitas relatif lebih

tinggi akan mengendap.

• Pemisahan partikel berdasar perbedaan densitas dapat dipercepat melalui

medium zat alir yang bergerak atau mengalir.

• Dalam sedimentasi, kecepatan partikel jatuh atau naik melalui medium alir

dapat diperkirakan dengan menggunakan pendekatan matematika,

tergantung dari kondisi partikel tersebut, apakah dalam keadaan jatuh

bebas (free settling) atau dalam keadaan “Hindered settling”.

LATIHAN SOAL

Tentukan kecepatan pengendapan untuk hindered settling dari glass yang

berbentuk bola dalam air pada suhu 680F, apabila dalam 1140 cm3 suspensi berisi

1206 gram glass. Diameter rerata glass adalah 0,0061 inchi, densitas glass 154

lb/ft3.

PUSTAKA

Earle, R.L. 1983. Unit Operations in Food Processing. Pergamon Press, Oxford.

Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2.

Terjemahan Erlangga, Jakarta


II. SENTRIFUGASI

2.1. PENDAHULUAN

Dalam pengendapan atau sedimentasi, pemisahan dua komponen cair-cair

yang tidak saling melarutkan atau padatan yang terdispersi dalam cairan dapat

dilakukan berdasarkan perbedaan pengaruh gravitasi (densitas). Namun

pemisahan tersebut biasanya memerlukan waktu yang lama karena proses

pengendapannya terjadi sangat lambat. Hal tersebut terjadi terutama apabila

perbedaan densitas kedua komponen tersebut tidak banyak berbeda, viskositas

cairan yang tinggi, atau terjadi interaksi antara kedua komponen tersebut,

misalnya yang terjadi pada emulsi. Di samping itu pemisahan dengan

pengendapan seringkali tidak membentuk batas yang jelas antara dua komponen

yang terpisah, sehingga masih ada lapisan pembatas yang merupakan campuran

dari kedua komponen tersebut. Sebagai contoh santan atau air susu sapi apabila

dibiarkan dalam suatu wadah akan terpisah menjadi krim dibagian atas dan skim

di bagian bawah. Pemisahan krim dan skim dapat terjadi hingga terbentuk batas

yang jelas antara kedua komponen tersebut tetapi memerlukan waktu yang lama

(bisa mencapai satu hari).

Pemisahan antara dua komponen yaitu antara cairan dengan cairan yang

tidak saling melarutkan atau cairan dengan padatan yang terdispersi di dalamnya

dapat dilakukan dengan pengendapan atau sedimentasi, tergantung pada pengaruh

gravitasi terhadap kedua komponen tersebut. Akan tetapi seringkali pemisahan

dengan cara tersebut memerlukan waktu yang lama atau terjadi sangat lambat. Hal

tersebut terjadi terutama apabila spesifik gravitasi antara kedua komponen

tersebut tidak banyak berbeda atau disebabkan interaksi antara kedua komponen

tersebut, misalnya yang terjadi pada emulsi. Di samping hal tersebut, pemisahan

dengan pengendapan seringkali tidak membentuk batas yang jelas antara dua

komponen yang terpisah sehingga masih ada lapisan pembatas yang merupakan

campuran dari kedua komponen tersebut. Sebagai contoh santan atau air susu sapi

apabila dibiarkan dalam suatu wadah akan terpisah menjadi krim di bagian atas

dan skim yang ada di bagian bawah. Pemisahan krim dan skim dapat terjadi

hingga terbentuk batas yang jelas antara dua komponen tersebut, dalam waktu


yang lama hingga sampai satu hari. Untuk kepentingan rumah tangga atau industri

kecil, mungkin masih cocok, akan tetapi untuk ukuran industri besar atau pabrik,

waktu tersebut terlalu lama.

2.2. DASAR-DASAR SENTRIFUGASI

2.2.1. Gaya Sentrifugasi

Pemisahan antar dua komponen cair-cair yang tidak saling melarutkan

atau padatan yang terdispersi dalam cairan yang biasanya dilakukan dengan cara

sedimentasi dapat dipercepat dengan menggunakan gaya sentrifugal yang dikenal

dengan sentrifugasi atau pemusingan. Dalam sentrifugasi gaya gravitasi

digantikan dengan gaya sentrifugal yang besarnya bisa beberapa kalinya. Gaya

sentrifugal adalah gaya yang diakibatkan adanya gerak melingkar. Besarnya gaya

sentrifugal pada partikel yang bergerak melingkar adalah :

FC = m r w2/gc

FC = m v2/ r

dimana m = masa partikel;

r = jari-jari lintasan melingkar;

w = kecepatan sudut = v/r (kecepatan tangensial partikel)

gc = tetapan gravitasi

v = kecepatan tangensial partikel

Nilai w dapat dinyatakan juga dalam satuan putaran per menit (rpm) yaitu

w = (2π N)/60

dimana N = jumlah putaran per menit.

Dengan demikian persamaan di atas menjadi :

FC = m/gc r [(2π N)/60]2

FC = 0,011 m r N2/ gc


Jika dibandingkan dengan operasi sedimentasi yang dipengaruhi oleh gaya

gravitasi, Fg = m g, maka nilai 0,011 r N2 jauh lebih besar dari pada g sehingga

operasi sentrifugasi tentu akan lebih cepat dari pada operasi sedimentasi.

Sebagai contoh suatu sentrifugasi dengan jari-jari r = 10 cm dan jumlah

putaran = 1000 rpm, maka besarnya gaya sentrifugasi adalah :

FC = 0,011 (0,1) (10002) m = 1100 m

Sedangkan pada sedimentasi :

Fg = m g = 10 m

Dengan demikian FC = 110 g. Dengan kata lain gaya sentrifugasi tersebut lebih

besar 110 kali dari pada gaya gravitasi.

Dari contoh perbandingan di atas, maka pernyataan operasi sentrifugasi

lebih baik dinyatakan dengan kelipatan g (seperti contoh diatas 110 g ) dari pada

dinyatakan dengan satuan rpm. Pada Satuan rpm kita harus mencari jari-jari

efektif (r) dan masa partikel (m) untuk menyatakan besarnya gaya sentrifugal.

Sebagai gambaran pemisahan komponen tersebut adalah seperti pada

gambar berikut:

Gambar 2.1. Arah pemisahan partikel dalam sentrifuse

Jika di dalam suatu cairan terdispersi partikel-partikel padat dengan

berbagai nilai massanya (m), maka berdasarkan persamaan di atas semakin

besar m akan semakin besar pula gaya sentrifugalnya. Dengan dimikian

partikel yang paling berat (nilai m terbesar) akan terlempar paling jauh dari

pusat putaran sentrifuse, seperti terlihat pada sentrifuse tabung reaksi Gambar

2.2.


Komponen dengan terkecilm

Komponen dengan sedangm

Komponen dengan terbesarm

Gambar 2.2. Sentrifuse tabung reaksi, komponen dengan nilai m terbesar akan

terlempar paling jauh dari pusat putaran sentrifuse

Dalam alat pemisah cream De Laval, yang bekerja dengan cara kontinyu

pemisahan komponen tersebut tampak sebagai berikut:

2.2.2. Laju Pemisahan

Laju suatu partikel bergerak dalam suatu medium alir mengikuti hukum

Stokes :

p f

t

D g( )v

ρ ρ

µ

−=

2

18

dengan mengganti nilai g dengan 0,011 r N2 sehingga :

2 2p f

t

D r N (ρ - ρ )v =

1636,36 μ

Vt adalah kecepatan partikel melalui medium alir pada pemusingan.

Gambar 2.3. Arah pemisahan antar partikel dalam Cream De-Laval Separator


2.2.3. Pemisahan Bahan Cair secara Sentrifugasi Kontinyu

Dalam industri bahan pangan sering dijumpai pemisahan antar komponen

cair dari sistem campuran cair-cair. Campuran tersebut tidak saling melarutkan,

komponen cair yang satu terdispersi diantara komponen cair yang lain. Sebagai

contoh adalah dalam industri pengolahan air susu. Dalam industri tersebut, emulsi

dari air susu dirusak oleh pemusingan sehingga terpisah menjadi skim dan krim.

Selama proses pemusingan, air susu dimasukkan secara kontinyu dalam alat

pemusing yang biasanya berbentuk bowl (mangkok) yang berputar terhadap

sumbu vertikal, sehingga krim dan skim akan terpisah dan keluar melalui tempat

pengeluaran masing-masing. Dengan demikian pada beberapa titik/tempat dalam

mangkok (bowl) pada alat tersebut pasti terdapat permukaan terjadinya pemisahan

antara krim dan skim.

Untuk mengikuti hal tersebut di atas, dipandang kulit silinder tipis setebal

dr dan tinggi b, seperti pada gambar berikut :

Gambar 2.4. Perbedaan tekanan pada alat pemusing zat cair

Laju suatu partikel bergerak dalam suatu medium alir mengikuti hukum

Stokes :

CF r mω∂ = ∂2

dimana m ( V )

V hr

V hr r

m ( h )r r

ρ

π

π

π ρ

∂ = ∂

=

∂ = ∂

∂ = ∂

2

2

2

C

C

dan F PA

F r ( h )r rP

A rh

P r r

ω π ρ

π

ω ρ

∂ = ∂

∂ ∂∂ = =

∂ = ∂∫ ∫

2

2

2

2


Persamaan ini menunjukkan variasi perbedaan tekanan pada berbagai

tempat ke arah radial dalam mangkok alat pemusing.

Tempat tertentu pada jarak rn dr sumbu dimana terjadi pemisahan antara

komponen yang ringan dan komponen yang lebih berat dapat ditentukan

berdasarkan persamaan tersebut di atas. Gambar yang menunjukkan tempat

pemisahan tersebut adalah sebagai berikut :

Gambar 2.5. Daerah netral pada alat pemusing zat cair

Bahan yang akan dipisahkan dimasukkan dekat dengan sumbu putar.

Komponen yang lebih berat keluar melalui lubang pengeluaran 1 dan komponen

yang lebih ringan keluar melalui lubang pengeluaran 2. diambil r1 radius

pengeluaran untuk komponen yang lebih berat dan r2 radius untuk komponen

yang lebih ringan. Tempat yang menggambarkan terjadinya pemisahan adalah

pada radius rn. Tempat tersebut (rn) dapat ditentukan dengan anggapan bahwa

dalam sistem terjadi keseimbangan hidrostatik, tekanan dari tiap komponen pada

radius rn harus sama. Dengan demikian :

P P (r r )ρω− = −2 2 212 1 2 12

A n B n

A n B n

A n B n A B

(P P ) komponen A = (P P ) komponen B

( r r ) ( r r )

( r r ) ( r r )

r r r r

ρ ω ρ ω

ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

− −

− = −

− = −

− = −

2 1 2 1

2 2 2 2 2 21 11 22 2

2 2 2 2

1 2

2 2 2 21 2


Dari persamaan di atas tersebut, jika jari-jari pengeluaran untuk komponen

yang lebih berat (rn) juga menjadi lebih kecil. Apabila daerah netral mendekati

sumbu putar, maka gaya sentrifugal terhadap komponen yang ringan relatif sangat

kecil dibandingkan dengan gaya sentrifugal terhadap komponen yang lebih besar.

Akibatnya apabila yang dipusingkan adalah air susu maka diperoleh krim yang

sebanyak mungkin. Dengan kata lain, apabila rn dibuat kecil, maka lebih banyak

krim yang dihasilkan. Bahan yang dimasukkan dalam alat pemusing harus sedekat

mungkin dengan daerah netral sehingga dapat masuk tanpa mengalami gangguan

dalam sistem. Oleh karena itu, hubungan tersebut dapat digunakan untuk

menentukan tempat pemasukan bahan dan pengeluaran bahan dalam alat

pemusing untuk mendapatkan pemisahan yang sempurna.

Contoh

Jika suatu separator krim diset jari-jarinya 5 cm dan 7,5 cm untuk memisahkan

krim (ρB = 865 kg/m3) dan skim susu (ρA = 1032 kg/m3), hitunglah zona netral

separator krim tersebut.

Berdasarkan perhitungan di atas, nilai r1 harus diperbesar.

A Bn

A B

n

r rr

x , x ,

, m

r , m cm

ρ ρ

ρ ρ

−=

−

−=

−

=

= =

2 22 1 2

2 2

2

1032 0 075 865 0 05

1032 865

0 022

0 15 15

A Bn

A B

r rr

ρ ρ

ρ ρ

−=

−

2 22 1 2


RINGKASAN

• Pemisahan antar dua komponen cair-cair yang tidak saling melarutkan atau

padatan yang terdispersi dalam cairan yang biasanya dilakukan dengan cara

sedimentasi dapat dipercepat dengan menggunakan gaya sentrifugal yang

dikenal dengan sentrifugasi atau pemusingan.

• Dalam alat pemisah cream De Laval yang bekerja secara kontinyu meliputi :

laju pemisahan dan pemisahan bahan cair.

PUSTAKA

Earle, R.L. 1983. Unit Operations in Food Processing. Pergamon Press, Oxford.

Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2.



III. FILTRASI / PENYARINGAN

3.1. PENDAHULUAN

Penyaringan dan filtrasi adalah salah satu cara pemisahan partikel padat

dalam suatu suspensi cairan atau gas. Banyak sekali proses pengolahan pangan

yang memerlukan penyaringan dan filtrasi karena penyaringan dan filtrasi adalah

teknik pemisahan yang relatif sederhana dan murah. Contoh proses pengolahan

pangan yang menggunakan prinsip operasi ini antara lain dalam proses

penjernihan juice buah, dimana suspensi partikel-partikel padat seperti serat dapat

dipisahkan.

3.2. DASAR-DASAR FILTRASI

Penyaringan dan filtrasi adalah salah satu cara pemisahan partikel padat

dalam suatu suspensi cairan atau gas. Pada penyaringan, campuran yang terdiri

atas partikel padat yang terdispersi dalam fase cair atau gas dilewatkan melalui

medium berpori. Partikel padat yang tidak lolos pada pori-pori medium akan

tertahan, sedang cairan akan lolos melalui pori-pori medium tersebut. Cairan yang

lolos dari medium disebut filtrat dan partikel padatan yang tertahan dikenal

dengan cake.

Medium berpori terdiri alas medium penyaring (filter medium) dan

padatan yang tertimbun pada permukaannya yang disebut sebagai filter cake.

Sebagai medium penyaring dapat digunakan kain saring, anyaman kawat,

anyaman plastik. Medium penyaring tersebut lubangnya mungkin masih terlalu

besar dibandingkan dengan partikel zat padat yang akan dipisahkan, oleh karena

itu medium baru akan berfungsi dengan baik apabila telah ada lapisan yang

terbentuk dari zat padat pada awal penyaringan. Lapisan zat padat tersebut bersifat

porous, sehingga bersama-sama dengan medium penyaring membentuk medium

berpori.

Pada penyaringan, makin banyak campuran yang melewati filter medium,

makin banyak partikel zat padat yang tertahan pada permukaannya, sehingga

terbentuk lapisan yang makin tebal. Hal tersebut akan mempengaruhi kecepatan


penyaringan. Makin tebal lapisan cake terbentuk, makin besar tahanan terhadap

aliran cairan untuk dapat melewati filter medium. Oleh karena itu agar kecepatan

relatif sama, diperlukan tekanan atau beda tekanan yang makin besar.

Porositas filter medium dipengaruhi oleh besarnya beda tekanan dan sifat

partikel zat padat yang membentuk cake tersebut. Apabila pada awal penyaringan

beda tekanan terlalu besar, atau dengan kata lain campuran yang akan dipisahkan

partikel zat padatnya dilewatkan melalui filter medium dengan tekanan yang

besar, maka partikel zat padat yang tidak lolos akan membentuk lapisan yang

sangat kompak dan padat. Apabila beda tekanan terlalu kecil, maka lapisan dari

partikel zat padat yang tidak lolos filter medium sangat porous. Kedua keadaan

tersebut tidak dikehendaki dalam penyaringan. Medium yang kompak dan padat

menyebabkan cairan sulit melaluinya, hingga menghambat atau mempersulit

proses penyaringan. Pada medium yang sangat porous penyaringan terjadi sangat

cepat, tetapi ftltrat yang diperoleh masih kotor, karena partikel zat padat yang

berukuran kecil masih dapat lolos.

Filter medium dapat terbentuk dengan baik jika beda tekanan pada awal

penyaringan diatur sedang, kemudian berangsur-angsur dinaikkan sesuai dengan

kenaikan tahanan dari filter medium yang disebabkan oleh makin bertambah

tebalnya lapisan partikel zat padat pada permukaan filter medium. Besarnya

tekanan pada awal penyaringan dapat ditentukan pada percobaan, karena dipe-

ngaruhi oleh sifat partikel zat padat yang akan dipisahkan dan besarnya kandung-

an zat padat dalam campuran.

Kecepatan penyaringan atau jumlah filtrat yang dihasilkan dalam setiap

satuan waktu dapat diperkirakan secara teoritis berdasarkan persamaan berikut :

Driving force Kecepatan filtrasi =

Tahanan

Sebagai driving force dalam hal ini adalah beda tekanan sebelum dan

sesudah filter medium. Sedangkan tahanan yang dimaksud adalah meliputi

tahanan dalam dari cairan yang disaring, sesuai dengan kekentalannya dan

tahanan filter medium. Dengan demikian secara teoritis bila beda tekanan

diperbesar pada tahanan yang sama maka kecepatan penyaringan akan bertambah

3.1.


besar. Akan tetapi hal tersebut tidak selalu benar. Partikel zat padat dalam cairan

atau gas yang akan dipisahkan ada yang bersifat compressible atau dapat

dimampatkan oleh pengaruh tekanan. Pada partikel zat padat yang demikian bila

tekanan diperbesar maka lapisan zat padat yang berfungsi sebagai filter medium

justru menjadi lebih padat atau kompak sehingga tahanannya menjadi lebih besar.

Dengan kata lain makin besar beda tekanan akan mengakibatkan tahanan juga

makin besar, sehingga keceepatan penyaringan tidak bertambah besar sesuai

dengan besarnya beda tekanan yang diberikan. Dalam keadaan demikian perlu

ditentukan besarnya beda tekanan yang sesuai. ldealnya besar beda tekanan

tersebut tidak terlalu banyak memampatkan medium, sehingga masih dapat

menaikkan kecepatan penyaringan, Dengan kata lain besarnya beda tekanan yang

diberikan untuk mengimbangi kenaikan tahanan oleh bertambah tebalnya filter

medium masih dapat memberikan kecepatan penyaringan yang relatif tetap.

Untuk partikel padat yang bersifat tidak dapat dimampatkan oleh tekanan,

dapat dibuat analisis penyaringan seperti yang telah dikemukakan sebelumya

yaitu bahwa kecepatan penyaringan dapat ditentukan berdasar persamaan berikut :

Beda tekanan Kecepatan filtrasi =

Tahanan

Beda tekanan yang dimaksud adalah beda tekanan sebelum dan sesudah

filter medium (∆P). Kecepatan penyaringan adalah banyaknya filtrat pada setiap

satuan waktu (dV/dt). Tahanan dalam hal ini merupakan tahanan gabungan yang

ditimbulkan oleh tahanan dari kain saring atau anyaman logam dan sebagainya,

tahanan dari lapisan zat padat dan tahanan dalam dari cairan sesuai dengan

kekentalan cairan tersebut. Jadi tahanan total tersebut (R) besarnya sama dengan :

R = µ r (LC + L)

dimana

µ = kekentalan (viskositas) cairan

r = tahanan spesifik partikel zat padat

LC = tebal lapisan zat padat (tebal cake)

3.2.

3.3.


= (W V)/A

L = tebal kain saring (dalam imajinasi)

W = kandungan zat padat dalam cairan

V = volume cairan

A = luas efektif filter medium

Sehingga :

W VR = r ( + L)

Aµ

beda tekanan kecepatan penyaringan =

tahanan

V P A

W Vt r ( + L)

Aµ

∂ ∆=

∂

Pada tahap awal penyaringan, lapisan cake belum terbentuk atau kalau

terbentuk masih sangat tipis sehingga tahanan yang dominan adalah tahanan dari

kain saring atau sejenisnya. Dalam keadaan demikian tahanan relatif tetap,

sehingga kecepatan penyaringan dapat dianggap tetap. Besarnya kecepatan

penyaringan pada tahap kecepatan tetap yang biasanya terjadi pada awal

penyaringan dapat ditentukan sebagai berikut :

V ΔP A=

W Vtμ r ( + L)

A

ΔP A ΔP Apada V tetap V = t V= t

W V W Vμ r ( + L) μ r ( + L)

A A

∂

∂

∂ ⇒ ∂ ∂ ⇒∫ ∫

Besarnya ∆P awal dapat dicari :

Dari persamaan 3.7 tersebut, tekanan yang diperlukan tergantung pada filtrat

per satuan waktu yang dikehendaki.

3.6.

3.5.

3.4.

3.7. ΔP A V W V

V = t ΔP = μ r ( + L)W V A t A

μ r ( + L)A

⇒


Pada tahap penyaringan berikutnya, setelah terbentuk lapisan cake, maka

kecepatan penyaringan dipengaruhi oleh kenaikan tahanan yan disebabkan

bertambah tebalnya lapisan cake. Dalam tahap ini adalah ∆P tetap, sehingga

persamaan di atas menjadi :

V P A

W Vt r ( + L)

A

W V[ r ( + L)] V P A t

A

W V r V + r L V P A t

A

r WV r L V P A t

A

W r V ( V + L) P A t

A

µ

µ

µ µ

µµ

µ

∂ ∆=

∂

∂ = ∆ ∂

∂ ∂ = ∆ ∂

+ = ∆

= ∆

∫ ∫

∫ ∫ ∫

212

12

Dengan menggunakan persamaan regresi y = mx + b, dapat ditentukan nilai

tahanan spesifik cake (r ) dan L dimana

VA

t V μ r W μ r Ly ; x = ;m = ; dan b=

A 2ΔP ΔP=

μ r W 2 m ΔPm = r =

2ΔP μ W

μ r L b ΔP b = L =

ΔP μ r

⇒

⇒

Sedangkan viskositas cairan ditentukan dengan viscometer dan beda tekanan

dapat dibaca pada alat ukur tekanan seperti tampak pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Rangkaian pengukuran tahanan spesifik cake (r )

Trapsilika gel

Pengukurtekanan

Pompavakum

Kran

Filtrat

Kertassaring+ cake

VA

t μ r W V μ r L = +

2ΔP A ΔP

3.9.

3.8.


RINGKASAN

• Penyaringan adalah salah satu cara pemisahan antara partikel padat dengan

partikel cair termasuk gas.

• Pada penyaringan, campuran yang terdiri atas partikel padat yang

terdispersi dalam fase cair atau gas dilewatkan melalui medium berpori.

• Pada penyaringan, makin banyak campuran yang melewati filter medium,

makin banyak partikel zat padat yang tertahan pada permukaannya,

sehingga terbentuk lapisan yang makin tebal.

PUSTAKA

Earle, R.L. 1983. Unit Operations in Food Processing. Pergamon Press, Oxford. Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2.


Toledo, R.T. 1993. Fundamentals of Food Process Engineering. Chapman & Hall, New York


IV. PENGEMPAAN

4.1. Pendahuluan

Ekstraksi cara mekanis adalah cara pemisahan komponen dari suatu

campuran dengan menggunakan gaya mekanis. Dalam bahan pangan komponen

yang diekstrak biasanya berupa cairan oleh karena itu gaya mekanis (penekanan)

yang digunakan dalam ekstraksi adalah untuk mengeluarkan cairan sel dari

padatan sel atau dinding sel. Dengan adanya tekanan yang diberikan dalam

operasi pengempaan akan mendorong cairan sel terpisah dari matrik selnya.

Secara umum jumlah bahan yang terekstrak dipandang sebagai jumlah

cairan yang mengalir dari padatan sel bahan pangan yang dapat dinyatakan

dengan persamaan berikut :

Beda potensial Cairan ekstrak yang mengalir =

Tahanan

Beda potensial untuk ekstraksi mekanis adalah besarnya beda tekanan dan

lamanya penerapan tekanan maksimum, sedangkan untuk ekstraksi dengan pelarut

adalah beda konsentrasi. Tahanan dalam operasi ekstraksi mekanis dapat berupa

struktur atau sifat fisik sel-sel bahan pangan yang dipisahkan, besar kecilnya

bahan yang diekstrak, dan kekentalan cairan yang diekstrak. Bahan pangan yang

keras, ukurannya besar-besar dan cairan ekstraknya yang kental akan menyulitkan

proses ekstraksi sehingga jumlah ekstrak yang dihasilkannya sedikit. Sedangkan

bahan pangan yang porus, rapuh atau lunak, ukurannya kecil-kecil dan cairan

ekstraknya yang encer akan memudahkan proses ekstraksi sehingga banyak cairan

sel yang dapat diekstrak. Dengan demikian, jumlah ekstrak yang dihasilkan pada

operasi ekstraksi pengempaan/penekanan dipengaruhi oleh beberapa faktor

diantaranya :

1. besarnya tekanan

2. lamanya penerapan tekanan maksimum

3. besar kecilnya bahan yang diekstrak

4. karakteristik fisik komponen padatannya (keras, liat, rapuh, dan lunak)

5. kekentalan cairan yang diekstrak


Oleh karena itu untuk memaksimumkan jumlah cairan yang terekstrak,

dapat dilakukan dengan cara meningkatkan beda potensial (tekanan diperbesar

dan waktu penekanan diperlama) dan menurunkan besarnya tahanan yang dapat

dilakukan dengan pemanasan, pengecilan ukuran (penggilingan) dan penambahan

pelarut. Pemanasan mengakibatkan cairan yang diekstrak lebih encer. Pengecilan

ukuran (penggilingan) akan memperluas permukaan bahan yang akan diekstrak

juga akan memotong-motong sel sehingga cairan lebih mudah keluar dan jaraknya

ke bagian permukaan menjadi lebih pendek. Penambahan pelarut akan melarutkan

cairan ekstrak sehingga cairan menjadi lebih encer.

Produk ekstrak yang dihasilkan melalui ekstraksi mekanis biasanya berupa

campuran cairan. Sebagai contoh dalam mengekstrak minyak dari kacang tanah,

maka cairan yang diperoleh berupa emulsi minyak dalam air. Oleh karena itu jika

komponen yang akan diekstraknya itu adalah minyak, maka harus dilakukan suatu

operasi pemisahan lagi. Biasanya operasi pemisahan lanjutan tersebut adalah

dengan cara ekstraksi dengan pelarut organik, pengendapan/sentrifugasi,

gabungan keduanya.

Bahan yang berukuran makin kecil, maka luas permukaannya untuk setiap

satuan berat yang sama adalah makin besar. Dalam keadaan demikian, cairan

yang dapat diekstrak makin banyak. Akan tetapi pada bahan yang mengalami

pengecilan ukuran, makin kecil bahan tersebut, pada saat perlakuan, makin

banyak cairan yang keluar, sehingga diperlukan penampung tambahan agar tidak

banyak cairan yang hilang sebelum dikempa. Sebagai contoh adalah pada bahan

sumber minyak makan dan pada buah-buahan yang banyak berisi cairan. Pada

beberapa bahan tertentu, pengecilan ukuran akan mempercepat kerusakan, oleh

karena itu pada bahan yang demikian disarankan agar setelah diperkecil

ukurannya segera dilakukan ekstraksi. Pada bahan yang berukuran kecil, jarak

yang harus ditempuh cairan dari bagian dalam ke permukaan lebih pendek,

sehingga akan memperkecil tahanan.

Pengecilan ukuran bahan seringkali dilakukan sebanyak dua kali.

Pengecilan ukuran yang pertama dilakukan untuk memperbesar luas permukaan

sehingga lebih banyak ekstrak yang diperoleh, tetapi tidak sampai berukuran

sangat kecil mengingat pada ukuran yang sangat kecil banyak cairan yang keluar


sebelum ekstraksi seperti telah disebutkan di atas. Pada pengecilan ukuran yang

kedua dimaksudkan untuk menghancurkan gumpalan ampas hasil ekstraksi

pertama, sehingga dapat memperkecil atau mengurangi sebanyak mungkin sisa

cairan yang masih tertinggal dalam ampas pada ekstraksi kedua. Sebagai contoh

adalah pada ekstraksi minyak dari kopra. Pada pengempaan pertama, minyak yang

tersisa dalam ampas biasanya masih cukup banyak. Minyak tersebut belum

sempat mencapai permukaan, tetapi permukaan ampas sudah lebih dahulu

memadat dan kompak, sehingga sulit untuk ditembus oleh minyak. Dengan

demikian seolah-olah minyak terperangkap dalam ampas. Kejadian tersebut

disebabkan karena penekanan dilakukan dengan cepat pada tekanan yang cukup

besar. Dalam keadaan seperti tersebut maka ampas atau bongkahan kopra harus

dihancurkan atau diperkecil ukurannya lagi. Kemudian baru dilakukan

pengempaan yang kedua. Apabila tidak, walaupun ditekan dengan tekanan yang

besar, minyak tersebut tidak dapat dikeluarkan.

Secara teoritis, makin besar tekanan yang digunakan makin banyak ekstrak

yang dihasilkan. Akan tetapi tekanan tersebut harus diberikan secara bertahap.

Apabila tidak demikian, pada bahan tertentu akan terjadi pengerasan di

permukaan ampas yang akan mengakibatkan cairan terperangkap di dalamnya.

Hal tersebut seperti kejadian yang telah dikemukakan terdahulu. Penggunaan

tekanan secara bertahap, disesuaikan dengan laju difusi cairan dari bagian dalam

menuju permukaan bahan.

Selama penekanan bahanm diperlukan waktu yang cukup, terutama setelah

mencapai tekanan maksimum, untuk memberi kesempatan terhadap cairan dari

bagian dalam sampai ke permukaan bahan. Dalam praktek waktu yang dimaksud

dapat diketahui apabila sudah tidak ada cairan yang menetes keluar dari “rumah

press”. Rumah press yang dimaksud adalah tempat dimana bahan yang akan

dipres ditempatkan. Biasanya dinding rumah press tersebut dibuat berlubang,

dimaksudkan sekaligus sebagai penyaring. Dengan demikian cairan akan lolos

apabila waktu yang disediakan sedikit berlebihan. Apabila waktu yang disediakan

kurang, maka masih banyak cairan yang berada dalam bahan belum sempat dapat

dikeluarkan.


Kadang-kadang cara penekanan yang digunakan berpengaruh juga terhadap

jumlah ekstrak yang dihasilkan. Hal tersebut disebabkan oleh persyaratan yang

harus dipenuhi berbeda. Pengempaan menggunakan kempa hydraulic memerlukan

syarat kadar air bahan relatif besar dibandingkan dengan menggunakan kempa ulir

(screw press). Dengan demikian untuk ekstraksi minyak dan biji-bijian dengan

kadar air lebih rendah menggunakan kempa ulir mungkin dihasilkan minyak lebih

banyak dibanding dengan menggunakan kempa hydraulic, walaupun tekanannya

sama besar.

Kekentalan cairan atau ekstrak adalah merupakan tahanan dalam atau

internal resistance dari cairan tersebut yang akan menahannya untuk berpinsah

tempat atau mengalir. Dengan demikian apabila cairan tersebut berkurang

kekentalannya atau dengan kata lain lebih encer, maka cairan tersebut lebih

mudah mengalir. Sebagai contoh, pada ekstraksi minyak kelapa dari kopra.

Apabila pada saat dikempa hancuran kopra dalam keadaan panas biasanya sekitar

80-90°C, maka minyak yang dihasilkan lebih banyak, karena dalam keadaan

panas tersebut minyak lebih encer, hingga lebih mudah dialirkan.

Ekstraksi mekanis dengan pemanasan hanya umum digunakan untuk

ekstraksi minyak dari jaringan hewan. Proses tersebut dikenal dengan rendering.

Jumlah minyak yang dihasilkan dipengaruhi oleh jenis jaringan, suhu rendering

yang digunakan dan ukuran jaringan hewan yang akan diekstrak minyaknya.

Rendering suhu sekitar 90-100°C, protein yang merupakan penyusun utama

jaringan hewani akan terkoagulasi, akibatnya jaringan akan mengkerut.

Pengkerutan jaringan mengakibatkan tekanan dalam jaringan lebih besar daripada

tekanan di luar, sehingga minyak terperas keluar. Minyak yang telah terekstrak

akan terpisah dengan bahan lain, berada di bagian atas.

Dalam industri pengolahan hasil pertanian, ekstraksi mekanis dengan

pengempaan dilakukan untuk ekstraksi komponen alam bahan dengan kadar yang

relatif besar. Sebagai contoh adalah ekstraksi minyak dari kopra, ekstraksi nira

dari batang tebu; ekstraksi sari buah dari buah-buahan. Ekstraksi mekanis dengan

pemanasan, umumnya dilakukan untuk ekstraksi minyak dari jaringan hewan.

Ekstraksi dengan pelarut biasanya digunakan untuk ekstraksi komponen dalam

bahan yang berkadar relatif rendah, misalnya ekstraksi minyak dari lembaga


jagung, ekstraksi sisa minyak dari ampas setelah terlebih dahulu diekstrak dengan

ekstraksi mekanis. Pemilihan cara ekstraksi berdasarkan atas beberapa

pertimbangan diantaranya adalah kadar komponen dalam bahan, ekonomi dan

efisiensi proses.

Salah satu tipe alat ekstraksi mekanis minyak makan meliputi alat kempa

ulir (screw press) dan alat kempa hidraulik (hydraulic press) adalah seperti pada

Gambar 4.1. Alat ini bekerja berdasarkan tekanan yang diberikan oleh piston dan

stemple press, sehingga bahan akan tertekan diantara piston dan stemple press.

Ampas yang diperoleh berbentuk lempengan-lempengan yang ukuran dan

bentuknya tergantung pada ruang pengepres. Pada tekanan 2000 lb/inch2 →

minyak yang tersisa pada bungkil 4 – 6%.

Gambar 4.1. Alat Pengepres Bahan (Screw Press)


Cara kerja alat :

• Bahan dipanaskan dahulu (240°F / 115°C selama 5 – 10 menit) pada (1),

kemudian masuk pada ruang penekan, satu wadah satu wadah (2).

• Tiap satu wadah bahan di atasnya ditutup lempeng baja beserta press cloth.

• Stemple press (3) digeser ke atas dengan memutar roda penggeser (4).

• Masukkan wadah (2) yang sudah terisi dan kemudian ditekan dengan stemple

press (3) yang digeser ke bawah oleh Roda penggeser (4).

• Tekanan : 2000 lb/inch2 (140,6 kg/cm).

Gambar 4.2. Alat pengepres bahan (Hydraulic Press)

Continuous Pressing

1) Dilakukan dengan menggunakan “Screw Press”

2) Keuntungan cara ini :

Mengurangi tenaga kerja, mengurangi kebutuhan press cloth dan hasil yang

diperoleh lebih banyak.

3) Digunakan : kopra, inti kelapa sawit, kacang.

4) Bisa digunakan 1 atau 2-3 tingkat tekanan.


5) Screw press bekerja atas dasar dorongan bahan oleh ulir (worm) ke ruang yang

semakin sempit, sehingga tekanan dan gesekan yang dialami bahan semakin

besar.

6) Alat ini bekerja terus menerus, ampas yang diperoleh berupa gumpalan /

bongkahan.

7) Biji-bijian bila dipress dengan alat ini tidak perlu diperkecil ukurannya.

8) Cara kerja alat ini :

- Bahan diberi pemanasan pendahuluan (240°F selama 5-10 menit)

- Masuk ke ruang pengepres (3) melalui corong (2).

- Kemudian bahan ditekan dan digesek diantara dinding penyaring dengan

ulir yang berputar. Tekanan yang dialami bahan; makin ke kanan semakin

besar karena jarak antara dinding penyaring dengan ulir semakin sempit.

- Minyak yang keluar melalui (5) setelah melewati dinding penyaring (4).

- Ampas keluar melewati (6) dan masuk ke tempat penampungan.

- Tekanan : 15 – 20 ton/inch2

- Bungkil : 4 – 5% minyak.

RINGKASAN

• Dalam bahan pangan komponen yang diekstrak biasanya berupa cairan

oleh karena itu gaya mekanis (penekanan) yang digunakan dalam ekstraksi

adalah untuk mengeluarkan cairan sel dari padatan sel atau dinding sel.

• Dalam industri pengolahan hasil pertanian, ekstraksi mekanis dengan

pengempaan dilakukan untuk ekstraksi komponen alam bahan dengan

kadar yang relatif besar.

• Salah satu tipe alat ekstraksi mekanis minyak makan meliputi alat kempa

ulir (screw press) dan alat kempa hidraulik (hydraulic press).

PUSTAKA



Toledo, R.T. 1993. Fundamentals of Food Process Engineering. Chapman & Hall, New York



Mahasiswa dapat mengetahui mengenai prinsip pemisahan kontak keseimbangan

yang meliputi ekstraksi dengan pelarut, pencucian/leaching, absorpsi dan adsorpsi

distilasi, kristalisasi, pemisahan membran, serta kromatografi preparatif

perhitungan (neraca masa dan energi) serta peralatannya.

BAB III

PEMISAHAN KONTAK KESEIMBANGAN

I. EKSTRAKSI DENGAN PELARUT

1.1. PENDAHULUAN

Ekstraksi adalah salah satu cara pemisahan satu atau lebih komponen dari

suatu bahan. Produk dari operasi ekstraksi bisanya berupa ekstraknya (komponen

yang dipisahkan) dengan menyisakan sejumlah ampas. Komponen yang terekstrak

umumnya berupa cairan dari suatu bahan campuran padat-cair atau cair-cair.

Sebagai contoh ekstraksi minyak dari kopra atau biji-bijian, ekstraksi nira dari

batang tebu, ekstraksi sari buah dari buah-buahan, ekstraksi β-karoten dari

sayur/buah. Ekstraksi dapat dilakukan secara mekanis atau menggunakan pelarut

atau gabungan mekanis dan pelarut. Ekstraksi secara mekanis dilakukan dengan

cara penekanan agar cairan sel dapat keluar dari matrik sel. Untuk meningkatkan

efektivitasnya selain penekanan juga sering dibantu dengan pemanasan,

pengecilan ukuran dan penambahan pelarut.

Ekstraksi dengan pelarut dilakukan berdasarkan kelarutan komponen di

dalam pelarut yang digunakan. Komponen yang larut dapat berbentuk padat

maupun cair, dipisahkan dari benda padat atau benda cair.

Dalam ekstraksi padat-cair, komponen yang akan dipisahkan berasal dari

benda padat. Proses yang demikian dapat disebut juga sebagai leaching. Sebagai

contoh dari sistem ekstraksi padat-cair adalah a) ekstrak gula dari bahan dasar

beets, dalam hal ini bahan yang diekstrak merupakan campuran padatan dan

larutan, b) ekstraksi minyak dari biji-bijian, tulang, hati dan sebagainya, dalam hal

ini bahan yang diekstraksi beberapa komponen seperti protein, pektin, vitamin,


minyak atsiri, zat warna dan sebagainya yang berasal dari beberapa bahan yang

berbeda. Pada umumnya ekstraksi sistem padat-cair digunakan untuk bahan yang

berupa padatan kering.

Dalam ekstraksi dikehendaki untuk mengambil komponen yang larut

dalam pelarut. Oleh karena itu, perlu dilakukan pemilihan pelarut yang selektif,

yaitu pelarut yang hanya dapat melarutkan komponen yang akan diambil atau

dipisahkan. Akan tetapi pelarut yang demikian sulit dicari atau ditemukan. Pelarut

yang mendekati sifat tersebut hanya dapat ditemui pada ekstraksi minyak. Pada

sebagian besar reaksi ekstraksi terutama yang menggunakan pelarut air,

komponen lain yang ikut terekstrak tidak dapat dihindarkan, akibatnya ekstrak

yang diperoleh bukan merupakan komponen yang murni. Pelarut yang dipilih

harus mempunyai viskositas yang cukup rendah (encer) sehingga mudah

disirkulasikan. Dalam praktek pelarut yang murni digunakan pada awal ekstraksi,

sehingga setelah proses berlangsung makin lama konsentrasi komponen yang

terlarut dalam pelarut makin besar, akibatnya kecepata ekstraksi makin menurun.

Dalam beberapa pabrik, ekstraksi dilakukan secara kontinyu dengan arah

pelarut dan bahan yang akan diekstrak adalah berlawanan. Untuk mengekstrak

minyak dari biji kedelai dengan ekstraksi mekanis adalah tidak efisien, karena

kadar minyak dari biji kedelai hanya sekitar 15%, oleh karena itu, lebih baik

diekstrak dengan menggunakan pelarut. Apabila bahan yang diekstrak basah,

dapat digunakan pelarut aseton atau ether. Pelarut trikloroetiline biasanya

digunakan sebagai pelarut karena tidak mudah terbakar.

Salah satu contoh ekstraksi minyak dari biji-bijian secara batch adalah

dilakukan seperti pada gambar berikut :


Gambar 1. Ekstraksi untuk minyak dari biji-bijian secara batch

Pada gambar tersebut, bagian atas diisi dengan biji-bijian yang akan

diekstrak. Biji tersebut kemudian disemprot dengan pelarut melalui alat

penyemprot (distributor), sehingga terjadi perkolasi, pelarut melalui biji kemudian

melalui bed masuk ke bagian bawah, bersama dengan sejumlah minyak dan air

yang ikut terekstrak. Pelarut di bagian bawah ini kemudian dididihkan oleh

kumparan pemanas atau oleh steam coil hingga jadi uap, uap tersebut dilewatkan

melalui kondensor sehingga mengembun menjadi cair dan dimasukkan lagi ke

bagian atas melalui distributor. Hal tersebut terjadi terus menerus sampai minyak

yang terkandung dalam biji terekstrak sebanyak-banyaknya.

Bentuk ekstraktor yang lain adalah dikemukakan oleh Bollman, yang

bekerja secara kontinyu, yaitu seperti pada gambar berikut :

Gambar 2. Ekstraktor Bollman


Ekstraktor tersebut terdiri atas beberapa bucket berlubang yang disusun

seperti bucket elevator ditempatkan dalam tangki yang kedap uap. Alat ini dapat

digunakan juga untuk biji-bijian yang tidak mengalami pengecilan ukuran.

Padatan atau bahan yang akan diekstrak dimasukkan ke dalam bucket yang

teratas, pada bagian atau sisi yang bergerak ke bawah. Ampas atau residu

dikeluarkan dari bucket yang paling atas pada bagian atau sisi yang bergerak ke

atas. Pelarut dipancarkan di atas bahan yang dikeluarkan dan pelarut ini bergerak

ke bawah hingga terjadi aliran yang berlawanan arah.

Bucket dalam ekstraktor bergerak dengan kecepatan satu putaran per jam,

dengan masing-masing bucket berisi kira-kira 800 lb biji-bijian. Biasanya pelarut

yang digunakan berbanding 1 bagian untuk pelarut dan 1 bagian biji atau dengan

kata lain seberat biji yang akan diekstraksi. Larutan akhir atau ekstrak disebut

sebagai micella, berisi minyak kira-kira 25%.

Sistem ekstraksi yang lain adalah fixed bed atau Robert diffusion battery.

Cara atau sistem ini terutama digunakan pada industri gula beet, meskipun dapat

juga digunakan untuk ekstraksi komponen tertentu dari kulit batang atau biji-

bijian. Gambar dari sistem ini secara skematis adalah seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Diagram diffusion battery

Pada ekstraktor yang digambarkan seperti tersebut di atas, terdiri dari

deretan tangki yang diisi dengan bahan yang akan diekstrak. Air sebagai pelarut

mengalir secara berurutan dan diatur dengan sistem pemipaan yang baik hingga


air segar (fresh water) kontak dengan bahan yang hampir selesai diekstrak,

sedangkan larutan yang pekat kontak dengan bahan segar (fresh material)

sebelum keluar dari ekstraktor. Dalam sistem ini dikehendaki pada suatu saat

masing-masing tangki dapat diisi dan dapat pula dikosongkan. Dengan demikian,

pada masing-masing tangki dalam rangkaian dapat berubah posisinya. Oleh

karena itu, sistem pemipaan perlu diperhatikan dan diatur sehingga air

dimasukkan dalam setiap tangki dan larutan pekat dapat dikeluarkan dari setiap

tangki. Pada setiap tangki dilengkapi dengan pemanas (heater), karena pada suhu

tinggi proses diffusi terjadi lebih cepat.

Pada gambar 3a, tangki 1 hampir dikeluarkan isinya, tangki 3 baru saja

diisi, oleh karena itu, dalam tangki 3, ruang antara lempengan-lempengan bed

masih terisi oleh udara. Air dimasukkan ke dalam tangki 1, kemudian mengalir

ke bawah melalui tangki tersebut, naik melalui pemanas dan masuk ke dalam

tangki 2. Dari tangki 2, cairan naik ke atas melalui pemanas, akan tetapi tidak

langsung dimasukkan ke dalam tangki 3. Cairan tersebut melalui pipa larutan

turun ke bawah melalui pemanas, baru kemudian masuk ke dalam tangki 3. Hal

tersebut dilakukan karena bahan baru dalam tangki 3 masih dingin sehingga

diperlukan pemanasan tambahan bagi cairan yang akan melaluinya. Di samping

itu, udara dalam tangki 3 cenderung mengembang naik ke atas sehingga

menghambat masuknya cairan dari atas (dari pemanas pada tangki 2) ke dalam

tangki. Dengan memasukkan air melalui pemanas pada tangki 3 dari bagian

bawah tangki, udara akan diusir keluar melalui katup di bagian atas tangki (tidak

digambar). Setelah cairan mendekati katup, katu ditutup dan kran diubah

posisinya sehingga menjadi seperti pada gambar 3b. Pada gambar tersebut, cairan

mengalir ke bawah melalui tangki 3, kemudian ke atas melalui pemanas dan

meninggalkan proses. Operasi seperti pada gambar tersebut berlangsung sampai

bahan dalam tangki 1 dapat terekstraksebanyak mungkin. Sementara pada tangki

yang lain yang ada di sebelah kanan gambar tersebut diisi, tangki tersebut

dikosongkan. Air dimasukkan ke dalam tangki 2, kemudian proses dilanjutkan

lagi. Dalam rangkaian sistem ini untuk ekstraksi gula dari batang beet berbentuk

lempengan diperlukan sekitar 10-15 buah tangki.


Untuk penyelesaian masalah dalam ekstraksi menggunakan pelarut yang

melibatkan perhitungan-perhitungan, dapat dilakukan menurut beberapa cara

diantaranya adalah dengan cara grafik dan menggunakan persamaan neraca bahan.

RINGKASAN

• Ekstraksi dengan pelarut dilakukan berdasarkan kelarutan komponen di

dalam pelarut yang digunakan. Komponen yang larut dapat berbentuk

padat maupun cair, dipisahkan dari benda padat atau benda cair.

• Dalam ekstraksi dikehendaki untuk mengambil komponen yang larut

dalam pelarut.

• Dalam beberapa pabrik, ekstraksi dilakukan secara kontinyu dengan arah

pelarut dan bahan yang akan diekstrak adalah berlawanan.

PUSTAKA




II. PENCUCIAN / LEACHING

2.1. PENDAHULUAN

Istilah pencucian dalam kehidupan sehari-hari adalah membersihkan

sesuatu dari kotoran. Kotoran tersebut harus diambil dan dibuang. Demikian juga

istilah pencucian sebagai suatu operasi pemisahan komponen pangan yang dikenal

juga dengan istilah leaching adalah suatu operasi pemisahan komponen tertentu

dari bahan induknya dimanan bahan induknya tersebut diharapkan terbebas dari

komponen yang dipisahkan tadi. Pencucian merupakan analogi operasi ekstraksi

tetapi perbedaannya adalah bahwa komponen yang terpisahkan (ekstrak) bukanlah

produk yang diinginkan melainkan untuk dibuang. Sebaliknya sisa atau padatan

yang tidak terekstrak adalah sebagai produk yang diharapkan karena tujuan dari

pencucian adalah membebaskan bahan dari komponen yang tidak diinginkan

misalnya kotoran, senyawa toksik, dan senyawa-senyawa penganggu lainnya.

2.2. LANDASAN TEORI

Pencucian dapat dipandang sebagai ekstraksi sistem padat-cair, disebut

juga sebagai leaching. Pada pencucian produk utama yang dikehendaki adalah

bahan inert atau bahan padat yang tidak larut, sedangkan bahan yang terlarut

dianggap sebagai bahan asing yang tidak dikehendaki atau sebagai kotoran.

Pencucian merupakan analogi operasi ekstraksi dimana perbedaannya

adalah bahwa ekstrak atau komponen yang terpisahkan bukanlah produk yang

diinginkan melainkan untuk dibuang. Sebaliknya sisa atau padatan yang tidak

terekstrak adalah sebagai produk yang diharapkan karena tujuan dari pencucian

adalah membebaskan bahan dari komponen yang tidak diinginkan misalnya

kotoran, senyawa toksik, dan senyawa-senyawa penganggu lainnya.


2.3. Operasi Pencucian Satu Tahap

Dalam prakteknya pencucian biasanya dilakukan dengan air atau pelarut

pembersih lainnya. Jika pencucian tersebut dilakukan satu tahap, maka diagram

aliran bahan pada operasi pencucian adalah sebagai berikut :

2.3.1. Kondisi awal sebelum operasi pencucian :

Ø Jika kotoran awal bahan tersebut berjumlah X0 dan jumlah cairan bahan (air +

kotoran) dapat dimisalkan dengan xw, maka Konsentrasi awal komponen

dalam cairan bahan = X0/xw (Asumsi kotoran tersebut dapat larut dalam air)

Ø Dalam pencucian kita biasanya mencuci dengan sejumlah air tertentu, jika y

adalah perbandingan antara jumlah pelarut (air) terhadap jumlah cairan bahan

xw, maka jumlah air yang digunakan untuk operasi pencucian tersebut adalah

sebanyak yxw.

= =w

w

jumlah air jumlah airy

jumlah cairan bahan x

jumlah air = yx

Dengan demikian neraca massa kotoran dalam operasi pencucian di atas adalah :

Dimana Y0 adalah jumlah kotoran awal dalam fase pelarut, Y0 = 0.

Operasi Pencucian

n = 1 tahap

Air bersih

Air + kotoran

Bahan + kotoran

Bahan tanpa kotoran

Keseimbangan

X1 = Y1

Y0 yxw

Y1 yxw

X0 xw

X1 xw


Sedangkan Y1 adalah jumlah kotoran dalam fase pelarut pada saat keseimbangan

terjadi.

2.3.2. Kondisi setelah terjadi keseimbangan operasi pencucian :

Ø Pada keseimbangan terjadi pencampuran cairan yaitu xw + yxw

Ø Dengan demikian konsentrasi kotoran adalah menjadi X0/(xw + yxw)

2.3.3. Kondisi setelah operasi pencucian :

Ø Jika jumlah cairan dalam bahan dipertahankan tetap sebesar xw, dan setelah

melewati operasi pencucian jumlah kotoran tersisa diberi notasi X1, maka

konsentrasi kotoran tersebut sekarang adalah X1/xw

Ø Konsentrasi kotoran X1/xw tentunya sama dengan konsentrasi pada

keseimbangan operasi yaitu X0/(xw + yxw)

Ø Dengan demikian jumlah sisa kotoran pada operasi 1 tahap adalah :

=+

=+

w w w

w

w w

XX

x x yx

xX X

x yx

01

1 0

2.4. Operasi Pencucian Multi Tahap

Pada prakteknya operasi pencucian multitahap sedikit berbeda dengan

ekstraksi multi tahap. Pada ekstraksi multi tahap aliran pelarut yang digunakan

bersifat counter current, sedangkan pada pencucian untuk setiap tahap operasinya

selalu menggunakan pelarut (air) yang baru.

Jika n = urutan tahap operasi pencucian dan xn = jumlah komponen dalam bahan

yang diekstrak oleh pelarut (air), maka :

Tahap 1

Tahap 2

Tahap 3

Y0 ; yxw

X0 xw

X1 xw

X2 xw

X3 xw

Y3 ; yxw Y0 ; yxw Y2 ; yxw Y0 ; yxw Y1 ; yxw


Pencucian tahap 1:

♣ Terjadi penambahan pelarut sebanyak yxw, sehingga konsentrasi

komponen dalam larutan pada tahap 1 :

=+

=+

w w w

w

w w

xx

x x yx

xx x

x yx

01

1 0

x1 = jumlah komponen yang tersisa dalam bahan setelah tahap 1

Pencucian tahap 2:

♣ x1 = jumlah komponen awal dalam bahan yang terkandung dalam cairan

sebanyak xw sehingga konsentrasi komponen dalam bahan adalah x1/xw

♣ Kemudian pada tahap 2, terjadi penambahan pelarut sebanyak yxw,

sehingga konsentrasi komponen dalam larutan pada tahap 2 : x2/xw =

x1/(xw+ yxw)

=+

= =

+ +

w w w

w w

w w w w

x x

x x yx

x xx x x

x yx x yx

2 1

2

2 1 0

x2 = jumlah komponen yang tersisa dalam bahan setelah tahap 2

Pencucian tahap n :

=

+

n

wn

w w

xx x

x yx0

xn = jumlah komponen yang tersisa dalam bahan setelah tahap n

Jumlah komponen yang terekstrak adalah x0 - xn


Contoh :

Kelapa parut 500 g akan diekstrak krimnya dengan cara pencucian 3 tahap dengan

air sebanyak 500 g. Jika kandungan komponen krim tersebut berada dalam cairan

santan dimana kandungan santan dalam kelapa tersebut adalah 80% dan

kandungan krim dalam santan tersebut adalah 12,5%, berapakah sanatan yang

terekstrak ?

Diketahui :

Kelapa parut T 500 g terdiri dari

padatan kering 20% S 100 g cairan 80% xw 400 g terdiri dari :

air w 350 g krim xo 50 g

Jumlah pelarut yxw 500 g y air/xw 1,25 Jumlah tahap pencucian n 3 tahap

Jumlah krim yang tersisa dalam kelapa parut adalah :

=

+

= =

+

w

w w

xx x

x yx

, g

3

3 0

3400

50 0 39400 500

Jumlah krim yang terekstrak dari kelapa parut adalah 50 – 0,39 = 49,61 gram

(hampir terekstrak semua)

Jika untuk mengekstrak 49,61 gram krim dengan satu tahap, maka diperlukan air

sebanyak :

= +

= −

=

∑∑

,air

air ( / , )( )

51499 g

4000 39 50

400

50 0 39 1 400

Air yang diperlukan tersebut 34,33 kali lebih banyak dari pada pencucian tiga

tahap yang hanya memerlukan air sebanyak 3 x 500 g = 1500 g


RINGKASAN

• Istilah pencucian sebagai suatu operasi pemisahan komponen pangan yang

dikenal juga dengan istilah leaching adalah suatu operasi pemisahan

komponen tertentu dari bahan induknya dimanan bahan induknya tersebut

diharapkan terbebas dari komponen yang dipisahkan tadi.

• Pencucian merupakan analogi operasi ekstraksi tetapi perbedaannya adalah

bahwa komponen yang terpisahkan (ekstrak) bukanlah produk yang

diinginkan melainkan untuk dibuang.

• Sisa atau padatan yang tidak terekstrak adalah sebagai produk yang

diharapkan karena tujuan dari pencucian adalah membebaskan bahan dari

komponen yang tidak diinginkan misalnya kotoran, senyawa toksik, dan

senyawa-senyawa penganggu lainnya.

PUSTAKA

Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2. Terjemahan Erlangga, Jakarta

Suyitno, M., M. Haryadi, Supriyatno, B. Sukmadji, H Adi, D. Guritno dan S.Wahyu. 1990. Petunjuk Laboratorium Rekayasa Pangan. PAU Pangan dan Gizi UGM.


III. ABSORPSI DAN ADSORPSI

3.1. Pendahuluan

Absorpsi merupakan salah satu proses separasi bahan pangan dengan cara

mengkontakan gas dan cairan sehingga terjadi perpindahan komponen. Adsorbsi

adalah proses pemisahan komponen tertentu (adsorbat) dari suatu fase fluida ke

permukaan zat padat yang berfungsi sebagai penyerap (adsorben). Proses adsorbsi

dapat terjadi antara padatan dengan padatan, gas dengan padatan, gas dengan

cairan, cairan dengan cairan, dan cairan dengan padatan.

3.2. Absorpsi

Absorpsi atau desorpsi gas adalah suatu operasi pengontakan antara gas

dan cairan sehingga terjadi perpindahan komponen. Pada absorpsi terjadi kontak

antara komponen gas ke dalam cairan. Sedangkan pada desorpsi terjadi kontak

antara komponen cairan ke dalam gas. Komponen dapat berpindah karena

kelarutannya, reaksi atau penguapan.

Contoh operasi absorpsi :

1. Hidrogenasi Minyak

Gas H2 dikontakkan dengan minyak sehingga terjadi reaksi hidrogensi. Gas H2

diabsorp oleh minyak karena ikatan ganda dari minyak dijenuhkan menjadi

ikatan tunggal.

-CH=CH- + H2 menjadi –CH2-CH2-, reaksi ini biasanya dikatalisis dengan

logam nikel.

2. Karbonasi Minuman

CO2 dibawah tekanan tinggi dilarutkan ke dalam cairan minuman

“effervescence”.

Contoh operasi desorpsi stripping dan deodorisasi minyak atau lemak. Steam

dikontakkan dengan minyak atau lemak sehingga komponen-komponen yang

tidak didinginkan terbawa oleh aliran steam. Pada proses stripping kotoran


merupakan komponen yang larut, pada deodorisasi, flavor merupakan komponen

volatil.

Teknik Pengontakan

§ Pembentukkan gelembung-gelembung gas dalam cairan sehingga terjadi luas

permukaan kontak yang sangat besar.

§ Pengkabutan cairan (spray) ke dalam aliran gas menghasilkan luas permukaan

yang sangat besar.

§ Cairan dibuat lapisan sangat tipis (film) yang dikontakkan dengan aliran gas.

§ Salah satu dibuat fase diam dan yang lain fase bergerak.

3.2.1.Neraca Bahan

Bahan Total : La + V = L + Va

Komponen A : Laxa + Vy = Lx + Vaya

Dimana V adalah laju mol total fase gas dan L laju mol total fase gas dan L laju mol total fase cair pada titik yang sama di dalam menara

Persamaan neraca bahan menyeluruh :

Bahan Total : La + Vb = Lb + Va

Komponen A : Laxa + Vbyb = Lbxb + Vaya

Gambar 3.1 Neraca bahan pada proses absorpsi

3.2.2. Laju Absorpsi Gas

Absorpsi/desorpsi memerlukan waktu kontak yang cukup sehingga pindah

massa komponen maksimum. Laju pindah massa ditentukanoleh perbedaan

konsentrasi komponen antara aliran gas dengan aliran cairan sampai terjadi

keseimbangan konsentrasi. Di samping itu terdapat resistensi yang menghambat

laju pindah massa.


Laju pindah massa = beda konsentrasi/resistensi

dw/dt = Kc A (x*-x)

= Kg A (y-y*)

dw/dt = jumlah gas(komponen gas) yang berpindah melewati interface A per satuan waktu

Kc = Koefisien pindah massa cairan

Kg = koefisien pindah massa gas

A = Luas permukaan antar fasa

X,y = konsentrasi gas yang berpindah

X*,y* = konsentrasi gas dalam keseimbangan

3.2.3. Persamaan kontak keseimbangan

Setelah kontak mencapai keseimbangan konsentrasi, maka penyelesaian

persoalan operasi absorpsi gas dapat menggunakan neraca massa operasi

pemisahan kontak kesimbangan

Contoh :

Suatu sistem deodorasi 1 tahap digunakan untuk memisahkan komponen yang

tidak dikehendaki (taint) dalam krim. Jika taint dalam krim = 80 ppm dan steam

dikontakkan dengan dengan krim sebanyak 0.75kg/kg krim, hitunglah konsentrasi

taint yang tersisa dalam krim. Diasumsikan: konsentrasi mencapai keseimbangan

terjadi rasio (taint) dalam krim dan steam adalah 1:10.

X0 L + Y2V = X1L + Y1L

X1 = X0 + Y2 (V/L) – Y1(V/L)

X1 = 1 Y1 10

Y1

Xo = 80 ppm L = 1kg

V = 0,75 kg Y2 = 0

X1


= X0 + 0 – 10 X1 (0,75)

= 80/8,5 = 9,41 ppm

Y1 = 10 x1

V/L=0,75/1 = 0,75

Untuk operasi multi tahap secara counter current dapat menggunakan grafik Mc

Cabe-Thiele terutama untuk mengetahui jumlah tahap yang diperlukan.

3.2.4. Grafik Mc Cabe-Thiele

Gambar 3.2 Grafik Mc Cabe-Thiele

Terdiri dari 2 garis yaitu garis keseimbangan dan garis operasional. Jika dari

contoh 1 diatas diinginkan konsentrasi akhir taint dalam krim sebanyak 0,3 ppm,

berapa jumlah tahap yang diperlukan.

Garis keseimbangan : Yn=10xn

Garis operasional = X0L + Yn+1V=XnL +Y1V

Yn+1= Xn(L/V) – x0(L/V) + Y1

Perlu dicari terlebih dahulu Y1

80 (1) + 0 = 0,3(1)-Y1(0,75)

Y1= (80-0,3/0,75) = 106,267 ppm


Yn+1 =(1/0,75)xn-(80/0,75)+ 106,267

Yn+1 = 1,33 xn – 0,399

Tetapi cukup sulit dibuat grafik dengan range 80 >>0,3 ppm untuk itu diperlukan model penyelesaian sebagai berikut :

Tahap 1 : x0=80>> garis operasional garis keseimbangan

Y = 1,33(80)-0,39

= 106 x =(1/10)Y=10,6

Tahap 2 : Y = 1,33(10,6)-0,399

= 13,699 x = 1,3699

Tahap 3 : Y = 1,33 (1,37)-0,399

= 1,423 x = 0,142

3.2.5. Tower packing

§ Packing dapat berupa suatu massa padat yang inert

§ Cairan yang masuk adalah suatu pelarut atau cairan yang tidak / sedikit mengandung bahan yang akan diabsorb disebut dengan weak liquor

§ Gas yang masuk Mengandung zat terlarut yang akan diabsorb “rich gas”

§ Sebaliknya air yang keluar sudah mengandung zat terlarut hasil kontak dengan gas selama berada dalam packing “strong liquor”

§ Gas yang keluar, sudah terambil sebagian besar zat terlarutnya “ lean gas”

Gambar 3.3 Tower packing

3.2.6. Packing

§ Isian tabung (packing) berdimensi ¼-3 in untuk keperluan skala lab/pilot plan

Ф <1 in.


§ Syarat-syaratnya :

- inert

- kuat tetapi tidak berat

- cukup banyak rongga, tetapi tidak mengakibatkan zat cair terperangkap (hold

up)

- head turun sedikit

- tidak mahal

§ Bahan-bahan yang biasa digunakan: lempung, porselen, keramik, plastic inert.

§ Bentuk tidak beraturan, bolong-bolong, (agar rongga-rongga tinggi dan

memudahkan fluida mengalir).

§ Bentuk-bentuk khusus

a. pelana berl

b. cincin rasching

c. cincin pull

d. pelana intalox

Gambar 3.4 Bentuk packing

§ Sistem kontak :

a. idealnya cairan membentuk lapisan tipis pada permukaan packing

sehingga luas permukaan kontak tinggi.

b. Namun ketebalan lapisan sering tidak merata dan terjadi pengkanalan

(chanelling) sehingga laju aliran stagnan karena mongering/mengerak.


c. Untuk menghindarinya, Ф kolom dan Ф isian = 8 : 1., zat cair cenderung

mengalir ke dinding kolom.

§ Aliran zat cair harus diatur :

Jika terlalu rendah, packing banyak yang tidak terbasahi.

Jika terlalu tinggi, terjadi kebanjiran (flooding velocity)

3.3. Adsorpsi

Adsorbsi adalah proses pemisahan komponen tertentu (adsorbat) dari suatu

fase fluida ke permukaan zat padat yang berfungsi sebagai penyerap (adsorben).

Adsorben adalah padatan atau cairan yang mengadsorb, sedangkan adsorbat

adalah padatan, cairan atau gas yang diserap sebagai molekul, atom atau ion.

Proses adsorbsi biasanya dilakukan dengan menempatkan partikel-partikel kecil

bahan penyerap di dalarn suatu hampam tetap, kemudian fluida dialirkan melalui

hamparan tersebut sampai bahan penyerap mendekati jenuh. suatu zat dapat

digunakan sebagai adsorben bila memiliki pori-pori dalam jumlah yang sangat

banyak. Ukuran pori-pori yang sangat kecil menyebabkan luas permukaan dalam

adsorben menjadi lebih besar daripada permukaan luamya. Semakin besar luas

permukaan adsorben maka akan semakin banyak adsorbat yang dapat diserap.

Ukuran pori-pori adsorben dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu:

1. Mikropori (diameter < 2 mn)

2. Mesopori (diameter 2-50 nm)

3. Makropori ( diameter >50 nm)

Proses adsorbsi dapat dibagi menjadi dua yaitu adsorbsi secara fisik

(physiosorption) dan adsorbsi secara kimia (chernisorption). Adsorbsi secara fisik

adalah adsorbsi yang bersifat reversibel dengan energi interaksi lemah. Adsorbsi

secara kimia adalah adsorbsi dengan energi interaksi lebih besar. Perbedaan

energi interaksi ini dikarenakan di dalarn proses adsorbsi secara kimia tedadi

reaksi kimiawi antara adsorben dan adsorbatnya.

Beberapa faktor yang mempengaruhi proses adsorbsi, yaitu:


1. Karakteristik adsorben

a. Luas permukaan

Luas permukaan berpengaruh terhadap luas, bidang kontak antara adsorben

dengan adsorbat, dimana semakin besar luas permukaan suatu adsorben maka

akan semakin banyak adsorbat yang dapat diserap.

b. Ukuran pori-pori

Ukuran pori-pori dari adsorben berpengaruh terhadap luas pennukaan dalam

adsorben, sehingga menjadi lebih besar daripada permukaan luamya semakin

besar luas permukaan dalam adsorben maka akan semakin banyak adsorbat yang

dapat diserap.

c. Komposisi kimia adsorben

Komposisi kimia adsorben dapat mempengaruhi proses penangkapan terhadap

adsorbat, dimana didalam proses penangkapan tersebut terbentuk adanya ikatan

kimia antara adsorben dengan adsorbat yang ditangicap.

2. Karakteristik adsorbat

a. Ukuran molekul adsorbat

Ukuran molekul adsorbat akan mempengaruhi daya serap oleh adsorben dirnana

apabila adsorbat memiliki ukuran molekul yang lebih kecil daripada ukuran pori-

pori adsorben maka akan semakin banyak adsorbat yang dapat diserap oleh

adsorben.

b. Polaritas Molekul

Adsorbat yang memiliki sifat polaritas yang tinggi akan terikat kuat pada

adsorben yang memiliki sifat polaritas tinggi, sehingga sifat polaritas dapat

dijadikan pertimbangan didalam memilih adsorben yang tepat dalam suatu proses

adsorbsi.

c.Komposisi kimia adsorbat

Komposisi kimia adsorbat dapat mempengaruhi kuat tidaknya adsorbat tertangkap

pada adsorben dikarenakan ikatan kimia yang terbentuk oleh kedua zat tersebut.


3. Konsentrasi adsorbat dalam fase cair.

4. Sifat fase cair

Viskositas dapat memperpanjang waktu kontak antara adsorben dengan adsorbat

yang terdapat pada fase bergerak, dimana semakin besar nilai viskositas suatu fase

bergerak maka sifatnya akan semakin kental dan memperpanjang waktu kontak

sehingga adsorbat yang ditangkap akan semakin banyak.

5. Lamanya proses adsorbsi. 3.3.1. Isoterm adsorpsi

Isoterm adsorpsi (adsorption isotherm) adalah hubungan keseimbangan

antara konsentrasi dalam fase fluida dan konsentrasi di dalam partikel adsorben

pada suhu tertentu.

Untuk gas, konsentrasi itu biasanya dinyatakan dalam persen mol. Untuk zat cair,

konsentrasi itu biasanya dinyatakan dalam satuan massa, seperti ppm. Konsentrasi

adsorbat pada zat padat dinyatakan sebagai massa yang teradsorpsi per satuan

massa adsorben semula.

Isoterm adsorpsi à [adsorbat] dalam fluida vs [adsorbat] dalam adsorben

1. Isoterm linear à mengikuti garis lurus melalui surnbu koordinat (kuantitas.

yang diadsorpsi sebanding dengan konsentrasi di dalarn fluida)

2. Isoterm yang cernbung (favorable)

3. Cekung

Persarnaan empirik Freundlich

W = bcm

Dimana : W : adsorbat yang dapat dimuat

b : konstanta

c : konsentrasi didalam fuida

m < 1 biasanya cembung

Meskipun adsorber pada umumnya dirancang berdasarkan data laboratorium,

namun estimasi melalui persamaan perpindahan massa juga diperlukan


Gambar 3.5 Perpindahan massa pada proses adsorpsi Perubahan konsentrasi c dalam adsorber = perubahan konsentrasi fluida

ε ialah fraksi kosong luar (eksternal) di dalarn hamparan

a = luas permukaan kontak

Untuk bola a = 6(1- ε)/Dp

c* = konsentrasi keseimbangan

Dp = diameter bola

3.3.2. Penerapan Adsorpsi

Salah satu proses adsorpsi adalah pemucatan (bleaching) pada minyak.

Tujuan proses ini adalah untuk menghilangkan zat warna yang tidak disukai

dalam minyak. Pemucatan ini dilakukan dengan mencampur minyak dengan

sejumlah kecil adsorben, seperti tanah serap (filter earth), lempung aktif (activated

clay) dan arang aktif atau dapat juga menggunakan bahan kimia. Adsorben yang

telah bercampur dengan minyak dapat dipisahkan dengan cara penyaringan

menggunakan filter press dengan tekanan kurang lebih 3,0-3,5 kg/cm2.


Ringkasan

• Absorpsi merupakan salah satu proses separasi bahan pangan dengan cara

mengkontakan gas dan cairan sehingga terjadi perpindahan komponen.

Sedangkan adsorbsi adalah proses pemisahan komponen tertentu (adsorbat)

dari suatu fase fluida ke permukaan zat padat yang berfungsi sebagai penyerap

(adsorben)

• Contoh operasi absorpsi adalah hidrogenasi minyak dan karbonasi minuman,

sedangkan contoh operasi desorpsi adalah deodorisasi minyak atau lemak.

• Beberapa faktor yang mempengaruhi proses adsorbsi, yaitu: karakteristik

adsorben (luas permukaan, ukuran pori-pori, komposisi kimia adsorben),

karakteristik adsorbat (ukuran molekul adsorbat, polaritas molekul, komposisi

kimia adsorbat), konsentrasi adsorbat dalam fase cair, sifat fase cair, dan

lamanya proses adsorbsi.

• Isoterm adsorpsi terdiri dari isoterm linear, isoterm yang cernbung (favorable),

dan cekung

Contoh Soal

1. Pengolahan industri jus jeruk yang mengandung 110 ppm limonene

menghasilkan rasa pahit. Untuk mengurangi rasa pahit tersebut, jus dialirkan

dengan kecepatan 100 kg/jam juice pada kolom silinder (0.15 m2 ) yang

didalamnya terdapat bahan sintetik/adsorben yang dapat mengadsorb

limonene. Adsorben tersebut mempunyai densitas 950 kg/m3, koefisien

transfer volumetrik 1.5 x 102/jam, dan kapasitas retensi maksimum limonene

10 mg per kg adsorben. Densitas dari jus diasumsikan 1000 kg/m3. Isoterm

adsorpsi pada kolom operasi tersebut digambarkan dengan persamaan m =

0.12 C, dimana C adalah kandungan limonene pada jus (mg/kg), sedangkan m

adalah konsentrasi limonene pada padatan yang dinyatakan dalam mg/kg

adsorben. Tentukan : (a) tinggi kolom operasi yang diperlukan; dan (b) jika

waktu yang diperlukan limonene pada aliran jus untuk meninggalkan kolom

25 menit, tentukan tinggi kolom adsorben yang diperlukan!


Daftar Pustaka Ibarz, A and G. V. Barbosa. 2008. Unit Operations in Food Engineering. CRC

Press. New York Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2.



IV. KRISTALISASI

4.1. Pendahuluan

Kristalisasi merupakan peristiwa pembentukan partikel-partikel zat padat

di dalam suatu fase homogen. Kristalisasi merupakan proses yang

penggunaannya sangat luas, karena banyak produk-produk industri yang

dipasarkan dalam bentuk kristal termasuk industri pangan misalnya garam dapur,

gula, dan lain sebagainya. Proses ini dipilih karena produk yang terbentuk selalu

murni (kecuali jika terbentuk kristal campuran) dan prosesnya relatif sederhana

serta mudah dalam penyimpanan dan pengemasan.

4.2. Proses pembentukan kristal

Kristalisasi adalah operasi pemisahan suatu sistem padat – cair melalui alih

massa dari fase cair ke fase kristal (padat) dengan cara :

§ Pendinginan

§ Penguapan

Suatu larutan misalnya gula – air akan membentuk kristal gula jika terjadi

kondisi “supersaturation” atau kondisi lewat jenuh yang dapat terjadi melalui

pendinginan dan penguapan. Pada keadaan lewat jenuh terjadi pembentukan

kristal –kristal melalui 2 tahap :

- pembentukan inti kristal

- pertumbuhan kristal

Driving Force pembentukan kristal adalah seberapa jauh kondisi lewat

jenuh terjadi. Untuk itu pada prosesnya perlu diamati suatu kondisi larutan apakah

dalam kondisi “undersaturated”, “saturated” dan “supersaturated” secara

kuantitatif.

4.3. Geometri kristal

Kristal adalah suatu benda mati yang sangat teratur. Partikel – partikel

pembentuknya (atom – atom, molekul – molekul atau ion – ion) tersusun secara

teratur dalam 3 dimensi disebut kisi (lattice).


Bila dalam pembentukan kristal tidak terganggu oleh kristal lain atau

benda lain. Bentuk kristal berupa polihedron yang mempunyai sudut – sudut tajam

dan permukaan sisi yang rata.

Meskipun ukurannya berbeda – beda namun sudut dan permukaan suatu

zat yang mengkristal adalah sebanding ini dapat dijadikan karakteristik zat

tersebut.

Dalam sistem kristalografi (7 kelas)

1. Kubus

2. Heksagonal

3. Trigonal

4. Tetragonal

5. Ortorombik

6. Monoklin

7. Triklin

Gambar 4.1 Contoh bentuk kristal

Meskipun demikian suatu senyawa dapat mempunyai bentuk kristal lebih satu.

Mis : CaCO3 : Heksagonal (sebagai kalsit) dan Ortorombik (sebagai aragonik)

Kristal Invarian

Ketika terjadi pertumbuhan kristal, laju pertumbuhan ternyata dapat

mempertahankan bentuk geometri yang serupa (invarian). Pada gambar tampak

sudut – sudut kristal membentuk pusat yang sama (diduga sebagai lokasi inti).


Gambar 4.2 Kristal invariant

4.4. Ukuran dan Faktor bentuk

Kristal murni mempunyai faktor bentuk yang seragam, jadi :

- Panjang Kristal (L) = фs Dp

Ф = Faktor bentuk ;untuk bola,kubus dan silinder pendek .Ф = 1,L

=Dp

Dp = diameter

- L = Ф Dp = 6 vp sp

sp = luas permukaan total kristal

vp = volume kristal

Pada kenyataannya, mungkin kondisi ideal tidak terpenuhi yaitu kristal invarian

tidak terjadi, namun konsep ini penting dalam analisis.

4.5. Koefisien Lampau Jenuh

Ialah perbandingan kandungan padatan misalnya sakarosa dalam suatu larutan

dengan kandungan padatan dalam larutan – larutan jenuh pada suhu yang sama.

KLJ = [ padatan ] dengan kemurnian R pada tOC [ padatan ] larutan jenuh kemurnian R tOC

KLJ = Kemampuan suatu larutan untuk mengkristalkan padatannya

KLJ < 1 = Kondisi tidak jenuh (undersaturated)

KLJ = 1 = Kondisi jenuh (saturated)

KLJ < 1 = Kondisi lewat jenuh (supersaturated)


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

50 60 70 80 90

suhu 0 C

Hubungan [sakarosa], suhu dan KLJ :

Kondisi larutan :

1. Daerah tidak jenuh

KLJ < 1, dimana larutan masih dapat melarutkan padatan (sakarosa)

2. Daerah larutan jenuh

KLJ = 1, larutandalam keadaan keseimbangan antara jumlah gula yang

larut dengan jumlah gula yang mengkristal

3. Daerah larutan Metastabil

KLJ = 1 – 1,2 ;molekul sakarosa dapat menempel pada kristal yang ada

sehingga terjadi pertumbuhan (perlu bibit kristal) kristal.

4. Daerah antara

KLJ = 1,2 – 1,3 ;larutan berada dalam kondisi mampu membentuk inti

kristal sendiri . Jika penambahan inti kristal dri luar (inti baru terbentuk

serentak)

5. Daerah Labil

Pada daerah ini kondisi larutan mampu serentak mengkristalkan

padatannya secara serentak

4.6. Penambahan Bibit Kristal

Dalam praktek, ke dalam larutan (misal : gula) sering ditambahkan ke dalam bibit

kristal (yaitu penambahan kristal – kristal gula kedalam larutan) agar dapat

membantu pembentukan kristal yang baru.

KLJ =1

KLJ =1.2

KLJ =1.3 Daerah labil

Daerah antara

metastabil

Under saturated


Teknik penambahan bibit :

- Shock seeding

Adalah penambahan bibit kristal pada daerah KLJ = 1,2 – 1,3 ; sehingga

seolah – olah larutan mendapat “kejutan” dan dari inti setiap inti kristal yang

ditambahkan akan terbentuk 17 butir kristal yang baru

- Full seeding

Adalah pertambahan ini tidak terjadi pembentukan kristal baru, namun terjadi

inti kristal yang ditambahkan akan bertambah besar

4.7. Jumlah padatan yang mengkristal

Tergantung seberapa jauh kondisi lewat jenuh dapat dicapai suatu larutan.

Semakin tinggi KLJ semakin banyak kristal yang diperoleh

Contoh : kelarutan didefinisikan sebagai jumlah solut antara solut anhidrous

maximum yang dapat larut dalam 100g pelarut [solut] jenuh.

Dik : Kons 50% = 50 g NaCl / 100g larutan

= 50 g NaCl / (100 – 50) g air

Larutan = 1000 gr terkandung NaCl

(50/100) x 1000 = 500 g NaCl

Kelarutan (jenuh) : 36,6 g/ 100 g air

Jumlah air dalam 1000 g larutan – 500g air

Jumlah NaCl = (36,6 /100) X 500 = 183 gr

Dengan demikian :

jumlah solut yang dapat dikristalkan adalah : 500 – 183 = 317gr

Untuk meningkatkan jumlah solut NaCl yang dapat dikristalkan dapat dilakukan

dengan pendinginan, sehingga kelarutan NaCl dalam menurun

4.8. Panas kristalisasi

Ketika larutan didinginkan maka kondisi lewat jenuh tercapai maka

kristalisasi terjadi dan sejumlah panas yang dilepaskan. Panas yang dilepaskan

ialah panas sensibel pendinginan dan panas kristalisasi. Sebaliknya untuk


mencapau kondisi lewat jenuhdiperlukan proses pemanasan dan penguapandan

memerlukan panas ialah panas sensibel, panaspenguapan, panas pelarutan. Namun

panas pelarutan biasanya sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

Contoh : Sirup laktosa dikonsentrasikan menjadi 8g/10g air dan kemudian

dikristalisaikan dalam suatu wadah kristalisasi yang mengandung 2500 kg sirup.

Dalam wadah tersebut larutan didinginkan dari dari 570C sampai 100C

§ Panas spesifik larutan laktosa = 3470 J/kg 0C

§ Panas pelarutan laktosa monohidrat = 15500 J/mol

§ BM laktosa pada 100C = 1,5 g/10g air

§ Jika diasumsikan sebanyak 1 % air mengusap dan sebagai loss panas

melalui dinding wadah adalah 4x104 KJ, hitunglah panas yang dilepaskan

selama proses pendinginan.

Panas sensibel 570C - 100C

Q1 = m C ΔT

Q 1 = (2500). (3470) (57-10)

= 40,8 x 104 KJ

Panas Kristalisasi = panas pelarutan

Q2 = (15500 Kl / kmol) x (1 k mol/ 360 kg) = 43,1 KJ/kg

Kelarutan laktosa 100C

= 1, 5 g/10g air

Jumlah laktosa anhidrous yang dapat mengkristal

= (8-1,5)/10 g air = 6,5 g/10 g air

Hidrasi Kristal (monohidrat)

6,5 g Anhidrous x BM monohidrat BM anhidrous = 6,5 x 360 = 6,8 g (360-18)

Dengan demikian jumlah kristal monohidrat = 6.8 g/10g air


Jumlah air dlm 2500 kg larutan laktosa =

10 x 2500 = 1390 kg (10 air + 8 solut) Jumlah kristal monohidrat yang dapat dikeluarkan dari kritalizer =

6.8 kg x 1390 kg air = 944.4 kg 10 kg air Panas kristalisasi

Q2 = 43.1 kj x 944.4 kg kristal = 4.07 x 104 KJ Kg kristal Panas yang lolos karena penguapan 1% air =

Q3 = (1390 kg) x (1%) x (2258kj/kg) = 3,14 x 104 KJ

2258 KJ/kg = panas laten dari tabel steam

4.9. Peralatan kristalisasi

Peralatan komersial : Kontinyu dan Bacth (kemampuannya untuk membuat

kondisi lewat jenuh). Pada kondisi lewat jenuh :

1. Melalui pendinginan

Misalnya KN03 dan Na Sulfit, tidak mudah larjut dalam suhu rendah daripada

suhu tinggi karena pendinginan lebih efektif untuk mengkristalkannya.

2. Melalui evaporasi

Misalnya NaCl, tidak terpengaruh pada suhu kelarutannya dalam air karena

penguapan lebih efektif

3. Melalui evaporasi dan pendinginan

Misalnya sukrosa, sangat terpengaruh oleh suhu, kelarutannya dalam air, maka

larutan nira diuap terlebih dulu kemudian didinginkan.

Berdasarkan cara kontak antara kristal dan cairan jenuh tipe kristalisator terdiri

dari Circulating – liquid method dan Circulating – magma method


4.10. Alat kristalisasi

Berdasarkan prosesnya seperti diatas, terdiri dari :

1. Melalui proses pendinginan saja

Tangki kristalisasi batch yang dapat dilengkapi dengan pengaduk , Air dingin

disirkulasikan melalui kumparan pendinginan dan sambil diaduk oleh baling –

baling larutan akan mendingin dan kelarutan padatan berkurang maka

terbentuk kristal dan terendapkan pada bagian bawah larutan. Kristal yang

terbentuk halus dan seragam akibat adanya pengadukan

2. Kristalisasi Swenso – Walker

Merupakan kristalisasi dengan pendinginan kontinyu. Cairan dimasukan

secara kontinyu dalam suatu palung yang memanjang. Palung dilapisi suatu

mantel tempat mengalirkan air dingin secara “ counter current” dengan

pengadukan spiral 7 rpm yang berfungsi selain untuk mengaduk juga

mendorong kristal yang terbentuk. Pada ujung cairan induk dan kristal

dipisahkan dalam suatu kotak penirisan sehingga kristal basah maka

disentrifuse.

3. Kristalisasi dengan penguapan dan pendinginan (adiabatik)

Contoh Kristalitator vakum. Jika larutan jenuh dimasukkan ke dalam

kristalitator, kemudian divakum, terjadi penguapan cepat (flash). Alat dapat

dilakukan secara bacth ataupun kontinyu. Pada kristalitaor vakum dengan

sirkulasi berulang. Umpan ditambah magma yang disirkulasikan dipompa

ketubuh kristalitor.


Gambar 4.3 Contoh peralatan kristalisasi

4.11. Ringkasan

• Kristalisasi merupakan peristiwa pembentukan partikel-partikel zat padat di

dalam suatu fase homogen.

• Kristalisasi adalah operasi pemisahan suatu sistem padat – cair melalui alih

massa dari fase cair ke fase kristal (padat) dengan cara : pendinginan dan

penguapan.

• Koefisien Lampau Jenuh adalah perbandingan kandungan padatan misalnya

sakarosa dalam suatu larutan dengan kandungan padatan dalam larutan-larutan

jenuh pada suhu yang sama.

Latihan Soal

1. Suatu proses 2 effect evaporator seperti tampak pada gambar digunakan untuk

mengkristalkan larutan gula dengan laju umpan F kg/j pada suhu 20oC. Effect

kedua diberikan tekanan vakum pada 70oC. Steam yang disuplai pada effect

pertama adalah 198,5 kPa (120oC). Kondensat dari effect pertama tersebut

adalah bersuhu 95oC dan effect kedua 70oC. Koefisien pindah panas effect

pertama k1 W/( m2 oC) dan effect kedua k2 W/(m2 oC). Kelarutan gula pada

suhu 95 oC adalah G1 dan 70oC adalah G1.


Tuliskan persamaan neraca massa dan neraca energinya untuk menentukan

jumlah gula yang dihasilkan dan rendemen masing-masing tahap. Notasi yang

lain silahkan buat sendiri.

Daftar Pustaka

Ibarz, A and G. V. Barbosa. 2008. Unit Operations in Food Engineering. CRC Press. New York

Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2. Terjemahan Erlangga, Jakarta.


V. DISTILASI 5.1. Pendahuluan

Distilasi merupakan salah satu proses operasi pemisahan yang sangat

penting dalam Industri pangan khususnya yang berkaitan dengan bahan pangan

lemak dan minyak, minuman ringan, flavor dan komponen bioaktif banyak

menggunakan operasi pemisahan distilasi. Distilasi adalah operasi pemisahan dua

atau lebih campuran cairan berdasarkan perbedaan titik didihnya atau

volatilitasnya. Komponen yang relatif volatil (titik didihnya relatif lebih kecil)

akan mudah menguap menjadi fase uap dan terpisahkan dari komponen yang

lainnya (fase cair). Fase uap tersebut kemudian dikondensasikan sehingga kembali

diperoleh cairan.

Setelah mengikuti perkuliahan ini mahasiswa akan dapat menentukan

performan suatu operasi distilasi dan dapat mendisain proses yang berkaitan

dengan operasi distilasi.

5.2. Prinsip Kerja Distilasi

Distilasi adalah operasi pemisahan dua atau lebih campuran cairan

berdasarkan perbedaan titik didihnya atau volatilitasnya. Komponen yang relatif

volatil (titik didihnya relatif rendah) lebih mudah menjadi fase uap ketika

dididihkan sehingga fase uap tersebut akan terpisahkan dari komponen lainnya

(fase cair).

Fase uap tersebut dikondensasikan sehingga diperoleh dua produk cairan :

1. Cairan yang kaya dengan komponen volatil (dari fase uap),

2. Cairan yang kaya dengan komponen relatif tidak volatil (dari fase cair).

Distilasi digunakan untuk memisahkan antara fase yang mudah menguap

(volatil) dengan fase yang relatif tidak menguap dengan tingkat kemurnian

tertentu.


Peralatan distilasi sederhana adalah rotavapor seperti tampak pada gambar.

Gambar 5.1 Skema rotavapor Proses tersebut menghasilkan : • Produk yang tetap pada fase cair (residu) • Produk yang teruapkan dan dikondensasikan (distilat atau kondensat)

Perbedaan volatilitas merupakan prinsip pemisahan dalam distilasi.

Volatilitas adalah ukuran mudah-tidaknya molekul-molekul lepas dari permukaan

cairan murni atau padatan murni. Fase uap akan lebih kaya komponen yang relatif

volatil dan fase cair akan lebih kaya komponen yang relatif tidak volatil. Dengan

adanya pemakuman, tekanan udara sekitar cairan menjadi lebih rendah dan setiap

cairan cenderung lebih mudah menguap seperti tampak pada gambar di bawah ini.

Gambar 5.2 Pengaruh tekanan terhadap titik didih


Senyawa A pada 760 mmHg mempunyai titik didih sekitar 60oC, tetapi

jika tekanan udaranya diturunkan menjadi 500 mmHg maka titik didihnya

menjadi 40oC.

5.3. Tipe distilasi

Berdasarkan tipe alirannya dibagi menjadi 2 yaitu Batch dan Kontinyu.

Pada aliran batch umpan diberikan pada suatu flask, kemudian operasi dijalankan.

Setelah selesai dimana fase kondesat dan fase residu sudah diperoleh sesuai

rencana maka peralatan dibongkar. Sedangkan pada aliran kontinyu umpan

dialirkan secara kontinyu pada kolom atau flask. Dengan ketentuan sebagai

berikut :

o Umpan diberikan di bagian bawah kolom atau pada flask disebut dengan

distilasi “ekstraktif”.

o Umpan diberikan di bagian atas kolom disebut dengan distilasi “azeotropik”.

o Umumnya umpan diberikan di bagian tengah kolom seperti pada gambar

berikut.

Gambar 5.3 Skema pemberian umpan pada proses distilasi


Suatu substansi dikatakan volatil jika tekanan uapnya pada suhu kamar relatif

tinggi. Makin tinggi tekanan uap maka titik didihnya akan semakin rendah. Pada

distilasi sederhana yang biasa digunakan dalam analisi Laboratorium flask

sebaiknya berukuran dua kali volume cairan yang didistilasi. Untuk mengukur

suhu didih, bola termometer harus dipasang tepat di bawah mulut flask. Jika

terlalu bawah maka suhu “super heated”. Jika terlalu atas bola tidak terpanaskan

oleh uap. Agar tidak terjadi letupan ditambahkan sedikit batu didih.

5.4. Distilasi dua komponen

Distilasi sederhana tidak akan langsung memperoleh dua cairan murni,

meskipun hanya terdiri dari 2 komponen. Sehingga harus dilakukan beberapa

tahap seperti yang terlihat pada grafik.

Contoh : Suatu campuran A dan B dengan perbandingan mol 40 : 60. Jika

ingin dilakukan pemurnian komponen B sekitas 95% perlu dilakukan 3 tahap

(A→ F).

Gambar 5. 4Tahapan distilasi pada berbagai suhu

Tahap 1 distilasi pada 90oC A→B, kemudian fase distilat, didistilasi lagi

(tahap 2) pada suhu 85oC (C→D), tahap 3 fase distilat didistilasi 82oC (E→F).


5.5. Distilasi fraksional Pemisahan dan pemurnian dua atau lebih cairan akan lebih baik hasilnya

jika dilakukan dengan distilasi fraksional dibandingkan dengan distilasi

sederhana.

Secara ideal pemisahan dua komponen A dan B dapat dilihat seperti

gambar berikut :

Gambar 5.5 Proses pemisahan komponen A dan B

Pada kenyataannya tdA dan tdB berdekatan, sehingga distilasi harus

dilakukan beberapa tahap. Dalam distilasi fraksional prinsipnya sama dengan

distilasi sederhana dengan beberapa tahap redistilasi destilat.

Redistilasi destilat adalah modifikasi kolom dengan potongan gelas, cincin

gelas, saringan logam, gelas helix dll. Sehingga seolah-olah kolom terdiri dari

tahap-tahap distilasi.

Gambar 5.6 Packing pada kolom distilasi


Grafik pemisahan hampir mendekati grafik ideal :

Gambar 5.7 Grafik pemisahan

Jenis- jenis packing kolom yang biasa digunakan ada beberapa yaitu :

kelereng gelas, berl saddles, dan rasching ring.

Kelereng Gelas

Berl Saddles

Rasching Rings

Gambar 5.8 Jenis packing

5.6. Distilasi Kilat (Flash Distilation)

Adalah penguapan salah satu komponen dari campuran cairan, sehingga

uap akan terpisah dari cairan.


Gambar 5.9 Proses distilasi kilat

Umpan diberikan melalui pompa “a” ke pemanas “b” maka akan timbul

tekanan. Katup “c” dibuka, maka keluarlah pada kolom pemisah “d” antara fase

uap dan fase cair, fase uap selanjutnya dikondensasikan dan dihasilkan sejumlah

kondensat “D”. Sedangkan fase cair dikeluarkan di “L”.

Jika F = 1 mol umpan campuran 2 komponen dangan fraksi yang mudah

menguap = xF serta y0 = fraksi mol yang keluar sebagi distilat.

Gambar 5.10 Neraca massa distilasi kilat

F = D + L ⇒ L = F – D Komponen A ⇒ F XF = DYD + L XL

Jika F = 1 mol ⇒ XF = DYD + (1 - D) XL YD dan XL ⇒ diperoleh dari kurva keseimbangan Garis operasi : YD = - 1 – D XL + XF

D D atau Y =- 1 – D X + XF

D D Ketika X = XF ⇒ Y = XF


Garis operasional memotong garis Y = X

Gambar 5.11 Garis operasi proses distilasi

5.7. Distilasi kontinyu

Distilasi sederhana dan “flash distilation” digunakan untuk memisahkan

komponen-komponen dengan titik didih yang sangat berbeda, tidak efektif untuk

komponen-komponen dengan titik didih yang tidak terlalu berbeda, kondensat dan

residu sulit mencapai kemurnian tinggi.

Distilasi bertahap (Redistilasi distilat) memerlukan bongkar pasang, tidak

efisien untuk diterapkan dalam industri. Dalam industri, menggunakan distilasi

kontinyu dengan kolom yang didisain dengan bersekat-sekat berupa kaskade

piring atau packing serta alirannya terdapat refluks (rektifikasi).

5.8. Rectification column

Umpan biasanya diberikan pada bagian tengah kolom, sehingga kolom

terbagi dua yaitu :

Seksi rektifikasi,

Seksi desorpsi (pelucutan).

Setelah dikondensasi distilat dibagi dua menjadi D dab R ⇒ D = produk

distilat yang keluar dan R = refluks (distilat yang dikembalikan). Jika F Diberikan


pada piring ke- n seperti terlihat pada diagram kolom, maka terdapat dua aliran

yaitu : L = aliran cair dan V = aliran uap.

Gambar 5.12 Proses distilasi kontinyu

Pada piring ke-n cairannya masuk Ln-1 mol/jam dari piring n-1 dan arus uap

masuk Vn+1 mol/jam dari piring n+1.

Sedangkan arus yang keluar dari piring ke-n adalah fase cair Ln dan fase uap Vn.

Antara V dan L terjadi kontak keseimbangan dengan konsentrasi komponen yang

berpindah xn untuk fase cair Ln dan Yn untuk fase uap Vn. Xn dan Yn merupakan

konstanta keseimbangan pada piring n.

Keseimbangan pada piring ke n-1 adalah Xn-1 dan Yn-1. Sedangkan Pada piring

ke n+1 adalah X n+1 dan Y n+1. Piring ke n-1, n-2 dan seterusnya merupakan

bagian rektifikasi (absorpsi), karena fase gas yang kontak dengan fase cair

sebagian akan ikut ke dalam fase cair. Piring ke n+1, n+2 dan seterusnya

merupakan bagian desorpsi karena sebagian cairan yang kontak dengan fase gas

ikut menguap ikut menjadi fase gas.


5.9. Neraca Massa

Gambar 5.13 Neraca massa total Total : F = D +B Komponen A : F XF = DYD + B XB

1→2 ⇒ D = XF – XB F XD - XB

Atau B = XD – XF F XD - XB

Gambar 5.14 Neraca massa bagian atas Necara bagian Atas : D = Va – La

D = selisih fase uap dengan fase cair → sama untuk semua piring Untuk piring – n D = Vn+1 – Ln+1


Neraca Komponen A : D XD = VaYa – LaXa = Vn+1 Yn+1– LnXn Dimana D XD = Laju aliran netto A pada bagian atas (konstan untuk semua piring).

Gambar 5.15 Neraca massa bagian bawah Neraca bagian Bawah Kolom :

B ∼ D tetapi arahnya ke bawah B = Lb – V b = Lm – V m+1 Neraca Komponen A BXb = LbXb – VbYb = LmXm – Vm+1 Ym+1 Subskrip m digunakan sebagai pengganti n pada seksi desorpsi Garis Operasi Kolom terdapat 2 yaitu rektifikasi (absorpsi) dan pelucutan (desorpsi). Garis Operasi rektifikasi : Yn+1 = Ln Xn + VaYa – LaXa Vn+1 Vn+1 VaYa – LaXa disubstitusi sebab DXD Yn+1 = Ln Xn + DXD Vn+1 Vn+1

Vn+1 → disubstitusi dengan D + Ln Yn+1 = Ln Xn + DXD Ln+D Ln+D


Garis Operasi Desorpi : Dari pers 10 : Vm+1 Y m+1 = Lm Xm – B XB Ym+1 = Lm Xm - BXB Vm+1 Vm+1 Eliminasi Vm+1 dengan Lm-B Ym+1 = Lm Xm - BXB Lm-B Lm-B Rasio Refluks (RD atau RV) Terdiri dari dua jenis yaitu : 1. Rasio refluks terhadap hasil atas RD = L = V- D D D 2. Rasio refluks terhadap uap RV = L = L- D V V Garis operasi bagian atas menjadi : Y n+1 = RD Xn + XD RD+1 RD+1 Keterangan : RD = variabel operasi yang dikendalikan oleh kita

XD = konsentrasi akhir yang diinginkan tergantung pada kondisi rancangan.

Pada piring paling atas : “Xn = XD” sehingga Yn+1 = RD XD + XD = XD ( RD +1) RD+1 RD+1 (RD+1) Yn+1 =XD

Gambar 5.16 Diagram neraca bahan untuk piring teratas dan kondensor


Gambar 5.17 Konstruksi grafik untuk piring teratas Jika piring paling atas adalah piring ke-1 : Xa = XD

RD = La D Ujung garis operasi adalah titik (XD;Y1) segitiga “a b c” adalah piring paling atas. Piring paling bawah adalah piring b.

Gambar 5.18 Diagram neraca bahan untuk piring terbawah dan pendidih ulang


Piring terbawah = (Xb ;Yr)

Ym+1 = L Xm - BXB

L - B L – B

Jika Xm = XB ⇒ Ym+1 = XB

Meskipun pada piring terbawah “b” ⇒ (Xb;Yb), “boiler parsial” seolah-olah

sebagai piring di bawah piring “b” dengan titik (XB ; Ym+1)

Gambar 5.19 Konstruksi grafik untuk piring terbawah dan pendidih ulang Dengan demikian permulaan garis operasional titik (XB ;Ym+1) Segitida “cde” = piring boiler Segitiga ”abc” = piring terbawah “b” Piring Umpan Piring dimana umpan diberikan terdapat lima kemungkinan:

(a) (b) (c) (d) (e)

Gambar 5.20 Aliran melalui piring umpan untuk berbagai kondisi umpan

a. Umpan dalam keadaan dingin sehingga merambah zat cair ke bawah kolom,

sebagian V dikondensasikan.


L = F +L + V- V

b. Umpan dalam keadaan mendidih(pada titik didih) sehingga tidak ada V yang dikondensasikan

V= V dan L = F + L c. Umpan terdiri dari sebagian zat cair dan sebagian barupa uap sehingga ada

yang ikut ke fase L dan ada yang ikut ke fase V. d. Keseluruhan umpan ikut ke fase V sehingga L= L dan V= F+ V e. Sebagian l ikut ke afse V di bagian rektifikasi V= V+F+L-L Kondisi “a,b,c,d, dan e” tergantung pada kalor umpan (q) a. q untuk umpan zat cair dingin : q = 1 + CPL(Tb –TF) λ b. q untuk umpan berupa uap lewat jenuh : q = - CPV(TF –Td) λ Keterangan : CPL & CPV = panas spesifik zat cair dan uap TF = suhu umpan Tb = titik didih Td = titik kondensasi

λ = kalor penguapan Dimana q merupakan fraksi zat cair , sumbangan terhadap aliran zat cair ialah q F sumbangan terhadap aliran uap ialah (1-q) F, sehingga laju aliran total refluks didalam desorpsi adalah : L - L = qF L = L + F Sumbangan terhadap aliran uap : V = V + ( 1-q) F → V – V = ( 1-q) F Titik potong antara garis operasi rektifikasi dan desorpsi adalah : VYn = LX n+1 + DXD VYm = L X m+1 – BXB Dimana Yn=Ym=Y dan Xn+1 =Xm+1 =X

Y(V-V) = (L-L) X +DXD +BXB

FXF = DXD +BXB

L-L =qF

V-V =(1-q) F

Y(1-q) F =FXF-qFX

Y = XF - q X

1-q 1-q


Garis umpan :

a. ra b. rb c. rc d. rd e. re

Gambar 5.21 Pengaruh kondisi umpan terhadap garis umpan

Penentuan letak piring umpan dan jumlah piring dilakukan dengan cara membuat garis-garis : • Y = X • Keseimbangan (garis melengkung) • Operasi rektifikasi : Yn+1 = RD XD + XD

RD+1 RD+1 dengan titik awal Y1 =XD dan intercept XD/(RD+1) dan gradien RD/(RD+1) • Operasi desorpsi dengan titik awal Ym+1 = XB dan gradien = L/(L –B) • Garis umpan dengan XF ke titik potong kedua garis operasi seperti pada

gambar di bawah ini.

Gambar 5.22 Grafik cara penentuan piring umpan


Ringkasan • Distilasi adalah operasi pemisahan dua atau lebih campuran cairan

berdasarkan perbedaan titik didihnya atau volatilitasnya • Berdasarkan tipe alirannya dibagi menjadi 2 yaitu Batch dan Kontinyu • Pemisahan dan pemurnian dua atau lebih cairan akan lebih baik hasilnya jika

dilakukan dengan distilasi fraksional dibandingkan dengan distilasi sederhana Latihan Soal Suatu zat cair mengandung etanol 30% akan di distilasi sehingga menghasilkan zat cair baru yang mengandung etanol 80%. Tentukan komposisi residu dari prosesw tersebut. Diketahui BM air 18 kg/kmol dan etanol 46 kg/kmol.

Pustaka Earle, R.L. 1983. Unit Operations in Food Processing. Pergamon Press, Oxford. Heldman, DR. dan DB. Lund. 2001. Handbook of Food Engineering. Academic Press. London Mc Cabe, W.L., J.C. Smith, P.Harriot. 1999. Operasi Teknik Kimia Jilid I dan 2.

Terjemahan Erlangga, Jakarta Tham, M.T. 2001. Distillation : an Introduction. http://www. Acs.org/


VI. PEMISAHAN MEMBRAN

6.1. Pendahuluan

Pemisahan membran telah berkembang secara intensif dalam industri

kimia dan dalam industri pangan mulai banyak digunakan terutama unuk prifikasi

air, pengkonsentrasian dan klarifikasi jus buah, produk susu, minuman ringan dan

pengolahan limbah cair.

Dibandingkan dengan evaporasi, pegkonsentrasian suatu larutan dengan

membran tidak banyak mengkonsumsi energi. Dalam evaporasi dibutuhkan

energi yang cukup besar untuk membawa larutan ke fase transisi penguapan.

Dalam separasi membran, larutan tidak perlu di bawa ke fase transisi tetapi

langsung dilewatkan ke dalam membran.

Dalam pokok bahan ini mahasiswa akan memplajari prinsip dari

pemisahan membran seperti ultrafiltrasi, reverse osmosis, elektrodialisis,

polarisasi, kemudian dipelajari juga mengenai cara-cara menilai performance

membran dan contoh-contoh soal.

6.2. Prinsip Pemisahan Membran

Membran merupakan lapisan tipis semi permeabel yang terletak diantara

dua fase dan mampu melewatkan salah satu komponen atau komponen tertentu

lebih cepat dari komponen lainnya.

Gambar 6.1 Prinsip pemisahan membran


Cairan yang mengandung dua atau lebih komponen dikontakkan dengan

membran sehingga secara selektif membran akan meloloskan permeat suatu

komponen. Fenomena ini terjadi karena adanya driving force pada pemisahan

membran berupa perbedaan konsentrasi pada dialisis, sedangkan pada rever

osmosis, ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi disebabkan adanya perbedaan tekanan

hidrostatik.

6.3. Tingkat selektifitas membran

Selektivitas Membran berdasarkan pada sifat fisik dan kimia membran :

a. Ukuran pori-pori

b. Distribusi pori-pori

c. Gugus aktif dan sifat ionik membran

Gambar 6.2. Tingkat selektifitas membran

1. Reverse osmosis (RO)

Merupakan membran yang hanya melewatkan molekul air dengan menahan

hampir semua senyawa lain karena merupakan membran selulosa asetat, hanya

menyisakan celah berupa gugus ikatan hidrogen sehingga hanya air saja yang

lewat. Membran ini mempunyai ukuran pori < 2 nm

Suspensi Partikel

Makromolekul

Garam, Gula

Air


2. Ultrafiltrasi (UF)

Ultrafiltrasi merupakan membran yang mampu melewatkan molekul-molekul

yang kecil, sedangkan makromolekul seperti karbohidrat, protein, lemak dapat

ditahan. Ukuran pori dari membran ini antara 1 sampai 100 nm

3. Mikrofiltrasi (μF)

Membran ini dapat melewatkan partikel yang berukuran lebih kecil dari 10 μm,

karena ukuran pori dari membran ini adalah 0.05 – 10 μm, sehingga yang dapat

tertahan oleh μF adalah berupa suspensi partikel.

6.4. Selektifitas berdasarkan Muatan ion

Dalam elektrodialisis, listrik dialirkan pada membran sehingga membran

mempunyai muatan ion sehingga larutan yang terdiri dari muatan-muatan ion

akan terpisah karena berinteraksi ionik dengan membran.

Membran yang bermuatan “+” (kation) akan mengikat ion-ion larutan muatan “-“.

sebaliknya Membran yang bermuatan “-” (anion) akan mengikat ion-ion larutan

muatan “+“.

Elektrodialisis

Sistem elektrodialisis menggunakan arus listrik untuk mentrasfer ion-ion

pada membran sehingga membran menjadi bermuatan. Berdasarkan sistem ini

membran dibagi menjadi :

1. Anion selektivitas membran (ASM), terbuat dari polistiren yang diCross-

Lingking dengan gugus amonia kuartener (NH4+)

2. Cation selektivitas membran (CSM), terbuat dari polistiren yang diCross-

Lingking dengan gugus Sulfonat (SO42-)

Gugus NH4+ dan SO4

2- menyediakan tegangan elektro positif dan elektronegatif.

Contoh alat yang digunakan dengan system ini dapat dilihat pada gambar di

bawah ini.


SO4 + + + + + - - - - - - - - -

NO3

- Cl- Anion Flow Na + Kation flow

SO4 + + + + + - - - - -

Gambar 6.3. Tingkat selektifitas membran

Ion-ion akan berikatan berlawanan dengan muatan membran dan

bermigrasi menuju kutub arus listrik. Tetapi proses eletrodialisis tidak dapat

memisahkan material koloidal, bakteri, atau bahan-bahan yang tak bermuatan.

Gambar 6.4 Alat Elektrodialisis untuk menetralkan air

Jarak antar membran atau kompertamen sangat kecil 0,5-1,0 mm.

Membran A dapat dilalui oleh anion (ion -) = membran yang permeable anion

sehingga ion + ditolak (membran Polistiren-amonia). Membran C dapat dilalui

oleh Kation (ion +) = membran yang permeable Kation sehingga ion - ditolak

(membran Polistiren-Sulfonat).

Salah satu aplikasi dari elektrodialisis adalah proses desalinasi. Umpan air

NaCl terbagi kedalam sel 1,2,3,4 dan 5


Pada Sel 2 larutan air-NaCl berinteraksi dengan :

- Membran A sebelah kiri sehingga anion Cl- akan menembus membran

tersebut.

- Pada sebelah kanan terdapat membran C yang dapat berinteraksi dan

melewatkan kation Na+.

- Dengan demikian air terpisah dari anion dan kation dan diteruskan pada aliran

netral. Desalinasi juga terjadi pada sel 4.

Pada Sel 3

- Larutan air-NaCl mendapatkan kiriman kation dari membran C sebelah kiri

dan anion dari membran A sebelah kanan.

- Terjadi pemekatan Kation Na+ dan anion Cl- selanjutnya diteruskan ke aliran

air-garam terkonsentrasi.

- Pemekatan Kation Na+ dan anion Cl- juga terjadi pada sel 1 dan sel 5

6.5. Konsumsi Energi

- E = I2 nRT ...................................(1)

E = konsumsi energi (J)

I = arus listrik pada stack (A)

n = jumlah sel dalam stack

R = Resistensi sel (Ω)

t = Waktu

- I = Z Fm∆C…………………….(2)

U

Z = valensi elektrokimia

F = konstanta Faraday 96500

m = flow rate (L/s)

∆C= beda konsentrasi antara umpan dan produk

- Substitusi (1) dan (2)

E = nRT(Z Fm∆C/U)2 ...................................(3)


- Kebutuhan E ~ ∆C2, namun jika ∆C terlalu rendah maka nilai U meningkat

sehingga secara ekonomis, ∆C atau total desolved solid (TDS) adalah sekitar

1000-5000 mg/L untuk memperoleh prodak sekitar 500mg/L

- US public Healt Service Drinking Water Standar : air minum max 500 mg/L

meskipun 1000 mg/L masih dapat diterima. Sedangkan untuk air laut sekitar

35000 mg/L, diperlukan pengenceran dulu sampai ± 5000 mg/L

6.6. Reverse osmosis

Merupakan membran yang digunakan untuk memperoleh air murni karena

membran hanya melewatkan molekul air. Sel tanaman, sel hewan, padatan terlarut

lainnya dapat ditahan.

Seperti terjadi pada bulu akar tanaman yang dapat menyerap air dari dalam tanah

kedalam sel-sel tanaman. Konsentrasi air yang tinggi akan melewat membran

sehingga konsentrasi air menurun. Hal tersebut terjadi sampai keseimbangan

konsentrasi air antara permukaan membran satu dengan yang lainnya.

Gambar 6.5 Prinsip kerja membran RO tahap awal

Molekul air berpindah dari A ke B. Konsentrasi air A yang tinggi Air memiliki

sifat sebagai pelarut, sehingga jika terdapat solute, maka air akan segera

melarutkannya. Setelah molekul air bergerak dari A ke B cukup banyak, maka

konsentrasi air kini sama sehingga tidak terjadi lagi penambahan air dibagian B.

Pada keseimbangan, terjadi perbedaan tinggi (Head) atara bagian A dengan bagian

B. Beda tinggi head inilah yang disebut dengan tekanan Osmotik (π).

A B


Gambar 6.6 Prinsip kerja membran RO setelah adanya tekanan osmotik

π = cRT………………………….(4) M π = Tekanan osmotik (Pa) R = Konstanta Gas

C = Konsentasi Solut (kg/m3) M = BM air

T = Suhu Absolut (K)

Jika terdapat tekanan eksternal yang berlawanan dengan tekanan osmosis,

maka molekul air kembali melewati membran tapi arahnya berlawanan dari B ke

A.

Pada tahun 1950-an ditemukan suatu polimer selulosa asetat dimana

susunan molekulnya rapi dan mempunyai gugus yang dapat membuat ikatan

hidrogen dengan air, alcohol dan ammonia.

Air dapat lolos melalui ikatan hidrogen, sementara imprity tidak dapat

lolos karena tidak ada mekanisme untuk berinteraksi dengan membran. Untuk

memperoleh flux yang tinggi ketebalan membran harus tipis.Loeb dan Sourirajan

pada akhir 1950-an menemukan metode pembuatan film selulosa asetat

anisotropic yang diikatkan pada sebuah matrik support dengan struktur terbuka.

Air yang lolos membran disebut dengan “permeat” dan larutan terkonsentrasi

disebut dengan “retentat”

Tekanan yang digunakan harus lebih tinggi dari tekanan osmosis. (π)

π = cRT………………………….(4) M Contoh 1 Perkirakan tekanan Osmosis suatu jus orange (BM 180) dengan 11% total solid

pada suhu 200C.

[solid] = 11% = 0,11 kg solid/kg produk.

p (produk) = diestimasi pada densitas karbohidrat =1593 kg/m3.

p = 0,11 (1593) + 0,89 (998,2) p air= 1063,6 kg/m3.

C = 0,11 kg solid/kg produk x 1063,6 kg/m3. =117 kg/m3. Solid/ produk

A B


π = cRT M = 117 x 8,314 x 293/ 180 = 1583,5 kPa Gibb‘s relationship :

- Persamaan Van’t Hoff hanya cocok untuk [solut] rendah

- Untuk [solut] dengan range yang cukup besar lebih cocok menggunakan

Gibb‘s relationship

π = -RtlnXa .........................................(5) Vm

Vm = volume molar cairan murni Xa = fraksi mol cairan murni

- Bahan pangan dengan BM rendah, punya nilai π tinggi Contoh 2

Soal pada contoh 1 dihitung dengan persamaan (5)

Xa = (0.89/18) / [(0.89/18)+ (0.11/180)] = 0,09878

1/Vm = 0,89 x 1063,6 / 18 = 0,019 m3/mol

π = - 8,314x293xln0,9878 / 0,019 = 1572,6 K

Persamaan yang menghubungkan antara fluks yang melewati membran dengan

tekanan differensialnya.

N = Kp (∆P-∆π)

N = fluks pelarut yang lewat

∆P = perbedaan tekanan hidrostatik trans membran (kPa)

∆π = perbedaan tekanan osmotik diantara larutan umpan dan

permeat (kPa)

Kp= konstanta permeabilitas membran (kgm2kPaS)

Fluks air yang melalui RO membran

N = Kp (∆P-πXc2 + πXc3 )

Xc = fraksi berat karbon dalam larutan yang dipisahkan.

Xc2 = disekitar permukaan membran

Xc3 = C yang melewati membran bersamaan dengan air

Kp = konstanta permeabilitas membran (kgm2kPaS)

Kp = Nw/(3600Ac∆P)


Nw = Laju permeasi air pada luas permukaan membran aktip

Ac = Luas permukaan efektif membran

Kp = f (porositas, distribusi pori, tebal membran)

Matsuura et.al,1973 mengusulkan persamaan alternatif untuk fluks air dalam RO :

N = Sp [(1- Xc3)/ Xc3 ] (C2 Xc2 – C3 Xc3)

N = Km C1 (1- Xc3) ln [(Xc2 - πXc3) / (Xc1 - πXc3)]

Sp = parameter transport solute sebagai fungsi karakteristik

solute dan membran

C1 C2 C3 = konsentrasi berat dalam umpan boundary‘ membran dan

yang melewati membran

Km = koefisien pindah massa sebagai fungsi dari aliran

produk pada permukaan membran

Nsh = Kmφ/D

Nsh = 0,023 NRe 0,8 NSe

0,33

NRe = ρVφ/ µ

NSe = µ/ρD

6.7. Sistem membran ultrafiltrasi

Membram UF mempunyai pori-pori lebih besar daripada membran RO. UF

digunakan untuk memisahkan solut dengan BM tinggi atau untuk fraksinasi solut.

∆P (tekanan hidrofilik) yang diperlukan lebih kecil daripada RO yaitu 70-700 kPa.

Ukuran pori UF 0,001-0,02 m dengan BM sekitar 1000 sampai 80000

Fluks membran :

N = KA ∆P

∆P = perbedaan tekanan yang melalui membran

K = konstanta permeabilitas membran (kgm2kPaS)

A = luas membran (m2)


Contoh :

[whey] untuk memisahkan airnya digunakan membran UF. Sebanyak 10 kg/menit

diumpankan (6% total padatan) dan total padatan ditingkatkan konsentrasi 20%. φ

tabung membran 5 cm dan ∆P= 2000kPa. N? dan L membran? Dimana K= 4 x 10

-5 kg air/m2

Konsentrasi umpan = 6% TS = 0,06 kg solid/ kg umpan

Konsentrasi produk = 20% TS = 0,2 kg solid/kg produk

Membran = φ = 5 cm = 0,05 m ∆P = 2000 kPa dan k = 4 x 10 -5 kg air/m2kPaS

Neraca total membran

10 = N + NP

Neraca padatan : 10 (0,06) = N(0) + NP(0,2)

NP = 0,6/0,2 = 3 kg/menit N = 10-3 = 7 kg/menit

Luas permukaan membran N = KA ∆P, A = N/(K∆P)

= 7/(0,00004x60x2000) = 1,46 m2

Panjang tabung

A = keliling O x L

L = A/πD = 1,46/ (3,14x0,05) = 9,28 m

Bentuk RO dan UF

1. plate and frame

2. tubular

3. spiral-wound

4. hollow fiber


1. plate and frame (seperti plate heat exchanger) - seperti lapisan sandwich - spacer menyediakan ruangan untuk aliran. - membran (biasanya 50-5000 µm tebal) diikatkan pada suatu matriks yang

poros, inert, resistensinya kecil terhadap aliran fluida.

2. tubular - Merupakan bentuk yang pertama kali dikomersilkan - Terdiri dari tabung porous yang dicoating dengan material membran ( misal

selulosa asetat) - Retentat keluar pada ujung pipa sebagai konsentrat sedangkan air tembus

melalui membran dan dialirkan melalui tabung luar. - RO tipe ini biasanya relatif mahal untuk laju volumetrik yang tinggi karena

luas permukaan membran kecil.

3. spiral-wound Prinsip kerja membran tipe ini adalah meningkatkan luas permukaan membran

per unit volume. 4. hollow fiber

- Diperkenalkan Du Pont 1970 - fiber lebih halus dari rambut φin = 40µm φout = 85µm - Sejumlah fiber (serabut) dibundel dalam suatu tabung distribusi berpori.


Gambar 6.7 Bentuk membran

6.8. Peformance membran Aliran air yang melalui membran dapat dijelaskan dengan persamaan :

mw = kwA (∆P-∆π) t

mw = aliran air (kg/s)

∆P = perbedaan tekanan hidrolitik diantara dua permukaan membran (kPa) ∆π = perbedaan tekanan osmotik diantara dua permukaan membran (kPa) A = luas permukaan membran yang dilalui fluida (m2) kw = koefisien permeabilitas membran terhadap air (kg/m2kPa)

(1) (2)

(3)

(4)


Laju alir solut melalui membran : ms = ksA (∆C) t ms = laju aliran solut (kg/s)

∆C = perbedaan konsentrasi solut diantara dua permukaan membran (kg/m3) Ks = koefisien permeabilitas membran terhadap solut (L/m)

Performans suatu membran biasanya dinyatakan sebagai factor retensi, Rf : Rf = Cf –Cp

Cf

Cf = konsentrasi solut dalam aliran umpan (kg/m3) CP = konsentrasi solut dalam aliran permeat (kg/m3)

Penyataan Performans membran yang lain dinyatakan sebagai factor rejeksi, Rf : Rj = Cf –Cp Cp

Performans membran dapat pula dinyatakan dengan % konversi, Z = Z = mp x 100% mf

mp = Flow rate produk mf = Flow rate feed

persentase konversi 70% artinya dari umpan 100kg/jam akan dihasilkan produk

(permeat) 70 kg/jam dan 30% tertahan.

Ringkasan

1. Konsumsi energi teknologi membran untuk pengkonsentrasian suatu larutan

lebih rendah dibandingkan dengan evaporasi

2. Berdasarkan tingkat selektifitasnya membran dapat dibagi menjadi reverse

osmosis, ultrafiltrasi, dan mikrofiltrasi

3. Bentuk membran reverse osmosis dan ultrafiltrasi adalah plate and frame,

tubular, spiral-wound, dan hollow fiber

Latihan Soal :

1. Suatu Sistem RO digunakan untuk mengkonsentrasikan jus apel pada T 200C

dengan TS awal 19,7. Sistem terdiri dari 10 tabung φ1,5 cm dan laju umpan

150 kg/menit. ρ aliran umpan = 1050 kg/m3 dan µ=10-3PaS. Hitunglah fluks

melewati membran RO, dimana D = 8.10-8 m2/s dan ∆P = 6895 kPa.


2. Tentukan fluks dalam suatu Sistem UF tubular yang digunakan untuk

memekatkan susu. Diketahui ρsusu= 1,03 g/cm3, µ=0,8 Cp, D= 7.10-7, Cb=

3,1% berat per volume, φtube =1,1 cm, serta kecepatan alir fluida = 1,5 m/s

Daftar Pustaka Matsuura, T., Baxter, A. G., and Sourirajan, S. 1973. Concentration of Juice by

Reverse Osmosis Using Porous Cellulose Acetate Membrane. Acta Aliment. 2, 109-150

Prudich, E.M., et.al. 2008. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th Edition.

McGraw-Hill Companies, Inc. USA.

Singh, RP dan DR Heldman. 2001. Introduction to Food Engineering. Academic Press. London


VII. KROMATOGRAFI PREPARATIF

7.1. Pendahuluan

Teknik kromatografi bermanfaat sebagai cara untuk menguraikan suatu

campuran. Dalam kromatografi, komponen terdistribusi dalam dua fase. Salah

satu fase adalah fase diam. Transfer massa antar fase bergerak dan fase diam

terjadi bila molekul-molekul campuran terserap pada permukaan partikel atau

terserap didalam pori-pori partikel atau terbagi ke dalam sejumlah cairan yang

terikat pada permukaan atau di dalam pori. Laju perpindahan suatu molekul zat

terlarut tertentu didalam kolom atau lapisan tipis zat penyerap secara langsung

berhubungan dengan bagian bagian molekul-molekul tersebut diantara fase

bergerak dan fase diam. Jika ada penahanan secara selektif, masing-masing

komponen akan bergerak sepanjang kolom dengan laju laju yang dipengaruhi oleh

karakteristik masing-masing penyerapan.. Pada saat pemisahan terjadi, masing-

masing komponen keluar dari kolom pada interval waktu yang berbeda.

Dalam pokok bahan ini mahasiswa akan mempelajari klasifikasi

kromatografi, kromatografi preparatif dan beberapa faktor yang

mempengaruhinya serta contoh-contoh soal.

7.2. Klasifikasi Kromatografi

Campuran komponen dipisahkan dengan cara melewatkan sampel dengan

menggunakan fase bergerak pada fase diam yang dipak sedemikian rupa. Masing-

masing komponen campuran bergerak dengan kecepatan berbeda-beda tergantung

dari derajat pemisahan. Komponen terdistribusi diantara fase diam dan bergerak.

Ringkasan kromatografi berdasarkan proses dan tekniknya dapat dilihat pada

Gambar 1.


Sampel : GC : dalam bentuk gas atau komponen y

Gambar 7.1. Klasifikasi kromatografi berdasarkan proses dan teknik 1. Klasifikasi Berdasarkan Metoda Pengembangan

Pengembangan menggambarkan bagaimana suatu sampel dibawa atau dielusi

dari dalam kolom, berdasarkan pengembangannya kromatografi dapat dibagi

menjadi :

a. Pengembangan elusi

Sampel dielusi oleh fase bergerak yang mempunyai afinitas < dari sampel

(pemisahan berdasarkan perbedaan afinitas terhadap fase diam).

a. Isokratik

b. Bertahap (multistep)

c. Gradien

b. Analisis frontal

Sampel dilewatkan secara terus menerus ke dalam kolom sampai jenuh, yang

paling tidak ditahan keluar terlebih dahulu.

Sifat Fase Bergerak

Sifat Fase diam

Mekanisme Pemisahan

Teknik Nama

Cair

→

Partisi

→

Kolom à GLC K. Gas

Padat → Adsorpsi →

Kolom à GSC

Kolom à LLC Cair

→ Partisi →

Planar à TLC

Kolom à HPLC Ciar Ter- ikat →

Partisi Ter-modifikasi → Planar à HPTL

C

LSC Kolom à

HPLC

TLC

Adsorpsi →

Planar à PC

Pertukaran ion → Kolom à IEC

K. Cair

Padat →

Eksklusi →

Kolom à EC/GPC

Cair

Kroma

tografi

K. Fluida Super Kritis Padat


c. Displacement development

Sama seperti elusi (1) tetapi fase bergeraknya mempunyai afinitas lebih besar

dari sampel.

2. Klasifikasi Berdasarkan Metode Pemisahan

Mekanisme interaksi antara komponen dalam sampel dengan fase diam

sangat bervariasi. Mode pemisahan antara lain terdiri dari : Adsorpsi, partisi,

pertukaran ion. Permasalahan yang timbul adalah mekanismenya kompleks

sehingga biasanya tidak hanya satu mode yang digunakan. Fase diam untuk

memisahkan komponen yang satu dengan komponen lainnya pada kromatografi

dapat berbentuk :

§ Lapisan tipis merata yang melekat pada gelas, plastik atau alumunium : TLC,

KLT

§ Lembaran selulosa : PC, KK

§ Kolom, dipak dalam kolom gelas atau metal : CC, KK

A. Kromatografi Adsorpsi

Merupakan teknik yang paling tua. Pada proses adsorpsi molekul solut

dan solven berkompetisi memperebutkan sisi aktif (site) dari adsorben (fase diam)

sehingga teradsorpsi. Gaya penarikan dapat terjadi secara : dipole-dipole, dipole

– induced dipole, gaya London, kombinasi. Pada kromatografi adsorpsi adsorben

bisa bersifat polar maupun non polar tergantung dari komponen yang akan

dipisahkan. Sifat dari adsorben Polar (contoh : silika/alumina) : akan menahan

komponen polar, molekul yang mempunyai gugus fungsional polar akan

mempunyai afinitas kuat, molekul polarisable (seperti aromatik) menyebabkan

interaksi dipole/induced dipole sehingga tertahan. Sedangkan untuk adsorben

nonpolar (contoh : arang aktif) terjadi gaya London (dispersi) dan tentu saja

senyawa nonpolar akan tertahan lebih banyak.

Pada permukaan adsorben terdapat site adsorpsi

Untuk silika à gugus hidroksinya (OH) à -Si-OH (gugu silanol)

2 ( ≡Si-OH) → ≡Si-O-Si≡ + H2O


Faktor yang mempengaruhi adsorpsi :

♣ Polaritas solut

Urutan elusi suatu molekul polar pada fase diam dapat diduga :

-CH=CH- < -OCH3 < -CO2R < -C=O < -CHO < -SH < -NH2 < -OH < -CO2H

pada fase diam non polar sebaliknya

♣ jumlah molekul air yang teradsorpsi pada site menjadi lebih lemah sehingga

menurunkan waktu retensi molekul air.

♣ Luas permukaan dan diameter pori-pori permukaan yang tinggi menyebabkan

adsorpsi lebih tinggi

Kromatografi adsorpsi baik untuk memisahkan suatu campuran menjadi

kelas-kelasnya seperti alkohol, ester, keton, aldehid, dll, akan tetapi tidak baik

untuk memisahkan suatu seri homolog seperti campuran hidrokarbon

B. Kromatografi Partisi

Adsorben padat digantikan dengan fase diam cair, fase diam dilapiskan

pada pendukung (biasanya padatan bersilika). Banyak digunakan pada GLC.

Kelarutan solut dipengaruhi : Gaya-gaya dipersi, dipole/dipole, dipole/induced

dipole dan ikatan H.

Kromatografi partisi cocok untuk memisahkan komponen dalam satu seri

homolog dengan catatan :

♣ Tidak dipengaruhi oleh kadar air fase bergerak seperti pada kromatografi

adsorpsi

♣ Pilihan fase diam banyak

o Pada GLC harus involatil pada suhu kolom

o Pada HPLC (LLC) pilihannya lebih sedikit karena pemisahan lebih

ditentukan oleh selektivitas fase bergerak


C. Kromatografi Fase Terikat

Fase diam cair diikat secara kimia pada pendukung silika . Beberapa hal penting

dari metode pemisahan ini :

♣ Ikatan kimia yang stabil terhadap hidrolisis

♣ Digunakan pada kolom kapiler (pada GLC) untuk mencegah terelusinya fase

diam oleh pelarut solut dan meningkatkan stabilitas termal

♣ Fase terikat dibuat dengan mereaksikan gugus silanol dengan klorosilan

(mono functional dan bifunctional silanol)

Gambar 7.2 Silika R : biasanya gugus metil

R’ : bervairasi - nonpolar : C2, C8, C18

- polar : terminal CH3 disubtitusi salah satunya dengan

gugus nitril (-C≡N) dan amino (-NH2)

D. Kromatografi Pertukaran Ion

MR+Y- + X- ℜ MR+X- + Y-

MR-Y+ + X+ ℜ MR-X+ + Y+

M = matrik yang rigid yang memiliki gugus bermuatan positif (R+) atau negatif

(R-)

Y+ Y- = counter-ions pada fase bergerak

X+ X- = ion sampel

Retensi bergantung pada kekuatan gugus fungsional fase diam dan sampel

♣ Cation-exchanger (penukar ion) : R-COO- à lemah

R-SO3- à kuat

R R Si -OH + Cl – Si – R’ → Si -O – Si –R’ R R Si - OH Cl R’ Si - O R’ + Si → Si Si - OH Cl R Si - O R


♣ Penukar anion : R-NH2 à lemah

R-NR3- à kuat

Semakin besar muatan semakin ditahan, kondisi ini dipengaruhi pH, kekuatan ion

dan adanya pengkompleks

3. Klasifikasi Berdasarkan Teknik

Secara umum terdiri dari kromatografi kolom dan kromatografi lapis tipis.

Berdasarkan sifat dan dimensinya kolom kromatografi dibedakan menjadi :

a. Kolom jejal (packed column), Fase diam dipak dalam kolom

b. Kolom kapiler atau Open Tubular Column

Fase dilapiskan secara tipis pada dinding dalam kolom yang sangat kecil

(narrow base tubing)

♣ WCOT (Wall-coated Open Tubular), jika dinding kolom (tanpa

penambahan pendukung padat) dijadikan sebagai fase diam à dilapisi

dengan fase diam cairan

♣ SCOT (Support-coated Open Tubular), dinding kolom mula-mula dilapisi

dengan pendukung padat yang halus, kemudian dilapisi dengan fase diam

(cairan)

♣ PLOT (Porous-layer Open Tubular), jika dinding kolom dilapisi dengan

lapisan porous seperti fused silika atau bubuk gelas

♣ FSOT (Fused Silica Open Tubular), terbuat dari fused silika dilapisi

poliimda à fleksibel

Diameter Kolom : ♣ Kapiler : i.d. < 0,5 mm

♣ Microbore : 0,5 - 1,0 mm

♣ Konvensional : > 1,0 mm


Gambar 7.3 Diameter kolom A. Kromatografi Preparatif

Kromatografi merupakan teknik pemisahan komponen bahan dengan

kemurnian yang tinggi dan biasanya digunakan pada analisis seperti kromatografi

lapis tipis (Thin Layer Chromatography, TLC), kromatografi cair kinerja tinggi

(High Performance Liquid Chromatography, HPLC), dan kromatografi gas (Gas

Chromatography, GC). Namun biasanya kapasitas bahan yang dapat

dipisahkannya sangat sedikit dan hanya untuk keperluan analisis. Dalam industri

pangan metode ini jarang digunakan. Namun dengan berkembangnya pangan

fungsional dewasa ini dimana di dalam pangan fungsional terkandung komponen-

komponen bioaktif, maka diperlukan suatu metode untuk mendapatkan

komponen-komponen bioaktif dengan tingkat kemurnian yang tinggi. Salah satu

metode pemurnian yang digunakan adalah dengan mengembangkan teknik

kromatografi pada skala yang lebih besar yang disebut dengan kromatografi

preparatif. Kromatografi kolom adalah metode yang paling sering dipakai untuk

tujuan ini. Sedangkan TLC preparatif dilakukan pada lapisan adsorben yang lebih

tebal sampai 1 cm. TLC mempunyai keuntungan yaitu sederhana dan murah.

Untuk mempercepat dan memperbesar kapasitas kromatografi kolom, maka ke

dalam kolom diterapkan suatu tekanan alir fase gerak. Kromatografi cair

preparatif yang menerapkan tekanan alir yang paling sering digunakan adalah

flash chromatografi dan Medium Pressure Liquid Chromatography atau disingkat

MPLC.

Tabung

pengepak id kolom > 1 mm

Konvensional

id kolom < 0,5 mm

Kapiler

id kolom < 0,5-1 mm Microbore packed

PLOT atau SCOT


Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam kromatografi preparatif :

1. Penjerap

Sifat, derajat atau tingkat keaktifan penjerap, dan ukuran partikelnya betul-betul

penting dalam pengembangan sistem kromatografi. Ukuran partikel penjerap

untuk kolom biasanya lebih besar dari pada untuk KLT. Kemasan kolom biasanya

63-250 m untuk kolom yang dijalankan dengan gaya tarik bumi. Kolom yang

dijalankan memakai tekanan, apakah memakai udara atau pompa, biasanya

mengandung partikel 40-63 m atau lebih halus. Penjerap KLT biasanya dapat

melewati ayakan 250 mesh dan mempunyai ukuran partikel lebih kecil dari

63m. Penjerap KLT dapat dipakai di dalam kolom yang dijalankan dengan

tekanan.

Sifat penjerap terutama bergantung pada pH dan tingkat keaktifannya.

Permukaan polar seperti alumina dan silika gel berfungsi melalui titik-titik

permukaan teroksigenasi, terutama gugus hidroksi. Gugus ini menarik molekul

linarut akibat campuran yang rumit dari antaraksi dipol-dipol dan ikatan

hidrogen. Jika semua titik telah diduduki oleh air atau pelarut berproton seperti

alkohol atau amina, permukaan tak dapat berfungsi sebagai penjerap dan

dikatakan penjerap itu dinonaktifkan. Permukaan dibersihkan atau diaktifkan

dengan pemanasan untuk menghilangkan air, suhu serta jangka waktu pemanasan

menentukan derajat keaktifan. Beberapa penjerap yang sering digunakan :

a. Alumina (Al203), adalah salah satu penjerap yang paling banyak dipakai dan

terdapat dalam beberapa bentuk modifikasi

Gambar 7.4 Alumina


b. Silika gel (Si02) atau asam silikat, seperti alumina, merupakan penjerap yang

paling banyak dipakai dan dapat dianggap sebagai penjerap yang paling

serbaguna. Walau pun istilah silika gel dan asam silikat dipakai sebagai

sinonim, pada kenyataannya keduanya merupakan hasil modifikasi dari bahan

yang sama. Silika gel bertingkat keaktifan I biasanya dapat dibuat dengan

pemanasan pada 150-160°C selama 3-4 jam sambil diaduk sekali-sekali. Walau

pun silika gel yang sangat aktif dibuat selama bertahun-tahun dengan

pemanasan pada 300°C atau lebih tinggi, terdapat bukti bahwa terjadi

penguraian tak bolak-balik jika silika gel dipanaskan di atas 170°C. Silika gel

tingkat I merupakan produk anhidrat; tingkat II-V dibuat dengan

menambahkan air 10, 12,15, dan 20%.

2. Pelarut pengelusi

Pemilihan penjerap tidak begitu penting karena sebagian besar senyawa dapat

dipisahkan memakai alumina atau silika gel, tetapi pemilihan pelarut

pengelusi sungguh merupakan hal yang penting. Kromatogram kolom

memerlukan waktu lama dan bahan yang cukup banyak, dan kita perlu

memastikan (sebelum mulai) pelarut atau campuran pelarut mana yang dapat

menghasilkan pemisahan yang diinginkan. Ada tiga pendekatan untuk

memecahkan masalah ini. Pendekatan pertama ialah penelusuran pustaka.

Pendekatan kedua ialah mencoba menerapkan data KLT pada pemisahan

dengan kolom. Pendekatan ketiga ialah pemakaian elusi mulai dari pelarut

yang tidak menggerakkan linarut sampai pelarut yang lebih polar yang

menggerakkan linarut.

3. Kesetimbangan distribusi

Molekul-molekul sampel akan menempatkan diri pada fase stasioner maupun

fase mobil. Fase mobil merupakan penggerak bagi molekul-molekul sampel,

sedangka fase stasioner merupakan penghambat. Distribusi molekul-molekul

sampel diantara kedua fase akan mengikuti suatu konstanta kesetimbangan

yang disebut dengan koefisien distribusi, k, atau disebut juga koefisien partisi.


Kesetimbangan merupakan proses dinamik dimana molekul bergerak bolak-

balik dengan cepat dari satu fase ke fase lain.

dimana : [S] = konsentrasi solut dalam fase stasioner

[M] = konsentrasi solute dalam fase mobil

Bila nilai K besar, kandungan sampel dalam fase stasioner akan lebih besar

daripada dalam fase mobil. Untuk keadaan setimbang akan berlaku bagian dari

waktu dimana molekul berada dalam fase mobil merupakan perbandingan dari

jumlah molekul tetap.

=

=

=

K’ = K VS/VM = faktor kapasitas Nilai K’ sama besarnya dengan perbandingan mol komponen sampel dalam fase

stasioner dengan mol komponen sampel dalam fase mobil

4. Laju pergerakan komponen

Faktor kapasitas akan menentukan laju pergerakan rata-rata molekul sampel.

Bila kecapatan linear fase pembawa adalah μ, maka laju pergerakan komponen

adalah μ/1+K’

Jadi laju pergerakan rata-rata molekul sampel ditentukan oleh :

a. Kecepatan fase pembawa

b. Perbandingan voleme fase stasioner dengan volume fase mobil

c. Koefisien distribusi


5. Waktu Retensi

Waktu yang diperlukan bagi suatu komponen untuk bergerak sepanjang kolom

L disebut dengan waktu retensi, tR

tR = panjang kolom/laju = (1+K’) = tM ((1+K’), tM merupakan waktu yang

diperlukan bagi munculnya fase mobil 6. Volume Retensi

Volume dari fase mobil yang dibutuhkan untuk mengeluarkan komponen

sampel dari kolom dengan sempurna (elusi). VR = tR F, dimana F merupakan

laju pergerakan volume.

7. Panjang kolom

Untuk mendapatkan resolusi yang lebih baik digunakan kolom yang lebih

panjang. Pemisahan dua puncak, tR2 - tR1 berbanding langsung dengan jarak

perpindahan kedua solute, sedangka lebar pita elusi bertambah dengan akar

dari jarak. Dengan demikian, bila kolom diperpanjang, dua pita akan lebih

cepat terpisah disbanding dengan kecepatan melebarnya pita, sehingga resolusi

menjadi lebih baik. Akan tetapi jika kolom terlalu panjang, diperlukan tekanan

yang semakin besar dan waktu retensi akan lebih lama.

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan untuk memperbaiki resolusi :

1. Δ tR = tR2 - tR1, diperbesar dengan jalan :

a. Memperpanjang kolom

b. Menambah jumlah fase stasioner, VS

c. Mencari factor pemisah yang lebih baik

2. Mempersempit lebar pita, dengan cara :

a. Packing yang lebih seragam

b. Luas permukan antar fase diperbesar

c. Laju aliran fase mobil dioptimumkan

d. Jumlah sampel dikurangi

e. Diameter kolom diperkecil


7.3. RINGKASAN

• Teknik kromatografi bermanfaat sebagai cara untuk menguraikan suatu

campuran. Dalam kromatografi, komponen terdistribusi dalam dua fase yaitu

fase diam dan fase gerak

• Berdasarkan proses dan tekniknya kromatografi terdiri dari : GLC, GSC, LLC,

TLC, HPLC, HPTLC, dan LSC.

• Berdasarkan metode pengembangannya kromatografi dapat dibedakan

menjadi : pengembangan elusi, analisis frontal, dan displacement development

• Mode pemisahan pada kromatografi terdiri dari : Adsorpsi, partisi, pertukaran

ion.

• Salah satu metode pemurnian untuk skala yang lebih besar adalah

kromatografi preparatif. Kromatografi preparative yang sering digunakan

adalah kromatografi kolom.

• Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam kromatografi preparatif :

penjerap, pelarut pengelusi, kesetimbangan distribusi, dll.

7.4. LATIHAN SOAL

1. Apa saja yang harus diperhatikan jika kita akan memisahkan suatu komponen

dengan menggunakan kromatografi ?

2. Tahapan apa saja yang harus dilakukan jika kita akan memisahkan karoten

dari suatu bahan ?

DAFTAR PUSTAKA

Claeson P. 1992. Practical aspects on flash chromatography and preparative liquid chromatography (MPLC). Buchi Laboratoriums-technik AG 9230 Flawil, Switzerland

Gritter, R.J. J.M. Bobit, and A.E. Schwarting. 1991. Pengantar Kromatografi. (Terjemahan). ITB, Bandung.


Houghton, P.J. and A. Raman. 1998. Laboratory Handbook for The Fractionation of Natural Extracts. Chapman & Hall, London

Khopkar, SM. 2003. Konsep Dasar Kimia Analitik. UI-Press. Jakarta

Anwar, N.M. dan H. Adijuwana. 1987. Teknik Separasi Dalam Analisis Pangan. PAU Pangan dan Gizi IPB. Bogor

2. DF, GAMBAR, GEJALA PUSAT, UKURAN PENYIMPANGAN

Documents

Transcript of 2. DF, GAMBAR, GEJALA PUSAT, UKURAN PENYIMPANGAN