Ekstraksi Bertahap Disusun untuk memenuhi tugas Mata Kuliah : Kimia Pemisahan
Dosen Pengampu : Sri Nurhayati M.Pd Oleh :
Nama
: Any Septianti Zulfah Ukhti Syofuro
Prodi
: Pendidikan Kimia
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2013
1
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang Partisi zat-zat terlarut antara dua cairan yang tidak dapat campur (immiscible) memberikan banyak kemungkinan yang menarik dalam pemisahan analitis. Bahkan dimana tujuan primernya bukanlah analitis akan tetapi lebih kepada preparatif, ektraksi pelarut merupakan suatu langkah penting dalam suatu urutan untuk mendapatkan suatu produk murni baik untuk laboratoratorium organik, anorganik, atau biokimia. Meskipun terkadang digunakan peralatan yang rumit, namun seringkali hanya digunakan sebuah corong pemisah. Seringkali suatu pemisahan ekstraksi pelarut dapat diselesaikan hanya dalam waktu beberapa menit untuk pemisahan sederhana dengan jangkauan konsentrasi yang lebar. Ekstraksi merupakan proses pemisahan, penarikan atau pengeluaran suatu komponen cairan/campuran dari campurannya. Biasanya menggunakan pelarut yang sesuai dengan kompnen yang diinginkan seperti eter, kloroform, karbondisulfida atau benzene. Cairan dipisahkan dan kemudian diuapkan sampai pada kepekatan tertentu. Ekstraksi memanfaatkan pembagian suatu zat terlarut antar dua pelarut yang tidak saling tercampur untuk mengambil zat terlarut tersebut dari satu pelarut ke pelarut lain. (Oxtoby, 2001: 340)
Ekstraksi bertahap merupakan cara yang paling sederhana. Caranya cukup dengan menambahkan pelarut pengekstraksi yang tidak bercampur dengan pelarut semula kemudian dilakukan pengocokan sehingga terjadi kesetimbangan konsentrasi zat yang akan diekstraksi pada kedua lapisan, setelah ini tercapai lapisan didiamkan dan dipisahkan. Metode ini sering digunakan untuk pemisahan analitik. Kesempurnaan ekstraksi tergantung pada banyaknya ekstraksi yang dilakukan. Hasil yang baik diperoleh jika jumlah ekstraksi yang dilakukan berulang kali dengan jumlah pelarut sedikit-sedikit (Khopkar, 2008: 106). Aplikasi ekstraksi bertahap adalah ekstraksi Craig. Proses ekstraksi Craig ini merupakan fraksionasi secara bertahap dengan menggunakan peralatan khusus. Alat yang digunakan pada prinsipnya terdiri dan sejumlah besar (bisa 100 atau lebih) tabungtabung pengestrak yang identik, yang berfungsi sebagai corong pemisah. (Soebagio dkk, 2002:50)
2
Ekstraksi Craig dinamai menurut pengembangnya, Lyman C. Craig. Sering disebut distribusi atau ekstraksi arus lawan, namun bukan benar-benar proses arus lawan karena hanya satu fasa bergerak dan karena itu sering disebut arus lawan semu. Satu pelarut, umumnya yang ringan, bergerak menurut tahap-tahap melewati sederet bejana penyetimbangan, dimana fasa itu bertemu dengan porsi stationer dari fasa lain (yang lebih berat). Zat terlarut terpisah berdasarkan perbedaan dalam distribusinya antara kedua pelarut itu. Disamping sebagai teknik pemisahan, ekstraksi Craig juga digunakan sebagai model untuk proses Kromatografi.
I.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah dari makalah ini adalah sebagai berikut. 1. Apa yang dimaksud dengan Ektraksi Bertahap dan apa aplikasinya? 2. Bagaimana cara kerja ekstraksi Craig dalam pemisahan? 3. Bagaimana aplikasi penggunaan ektraksi Craig dalam pemisahan?
I.3 Tujuan Adapun tujuan yang hendak dicapai dalam pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut. 1. Pembaca lebih memahami mengenai ekstraksi bertahap serta memahami aplikasinya dalam pemisahan analitik. 2. Pembaca memahami alat ektraksi Craig dan cara kerjanya. 3. Pembaca memahami penggunaan ektraksi Craig dalam aplikasi penelitian.
3
BAB II PEMBAHASAN
II.1 Ekstraksi Bertahap Dalam suatu pemisahan yang ideal oleh suatu pelarut, semua zat yang diinginkan akan berpindah dalam suatu pelarut, dan semua zat yang tidak diinginkan akan berada dalam pelarut lain. Transfer semua zat yang diinginkan ke dalam pelarut adalah jarang terjadi dan adapula yang dijumpai zat yang memiliki kecenderungan kecil untuk berpindah dari satu zat ke pelarut lain. Sehingga satu proses transfer (satu kali ekstraksi) tidak menghasilkan pemisahan yang maksimal. Oleh sebab itu, harus dipertimbangkn cara terbaik untuk menggabungkan sejumlah pemisahan parsial yang berurutan sampai akhirnya dicapai derajat kemurnian yang tinggi. (R.A. Day, JR dan A.L Underwood. 2002: 470) Dalam mempertimbangkan bagaimana dua fase tersebut dapat dipertemukan secara berulang, dapat dibedakan menjadi empat tahap kekomplekasan. (R.A. Day, JR dan A.L Underwood. 2002: 470). Pertama adalah satu kontak pecobaan yang sederhana seperti yang telah disebutkan diatas. Kedua, satu fase secara berulang-ulang dikontakkan dengan porsi yang segar dari suatu fase kedua. Ini dapat diterapkan bila suatu zat secara kuantitatif tetap tinggal dalam suatu fase, sedangkan zat yang lain terbagi antara kedua fase tersebut. Ekstraktor soxhlet termasuk dalam kategori ini, atau dalam teknik pengendapan ulang dalam analisis gravimetri. Ketiga, satu fase dapat bergerak sementara bersentuhan dengan suatu fase kedua yang tetap stationer. Fase yang bergerak dapat bergerak terus secara berkesinambungan, seperti dalam berbagai teknik kromatografi, atau dalam sederetan tahap kesetimbangan, se perti dalam alat Craig. Beberapa teknik jenis ini telah dinamai dengan “arus-lawan” (countercurrent), namun sebenarnya tidak demikian karena hanya satu fase yang bergerak. Kadang-kadang digunakan istilah “ arus lawan semu” (pseudocountercurrent) untuk proses semacam ini. Keempat, yakni metode arus lawan sejati, di kedua fase bergerak, terus menerus kontak satu sama lain dengan arah gerak berlawanan. Destilasi fraksional merupakan suatu contoh proses arus lawan sejati. Suatu proses ekstraksi akan semakin efisien apabila dilakukan secara berulang kali dengan jumlah volum fasa organik yang sama. Pada ekstraksi bertahap (Batch 4
extraction), setiap kali ekstraksi selalu digunakan pelarut yang baru sampai proses ekstraksi selesai. Berbeda dengan Ekstraksi kontinyu (continues extractions) dimana pada ekstraksi kontinyu, pelarut yang sama digunakan secara berulang-ulang sampai proses ekstraksi selesai. (Yazid,. E,. 2005.)
II.2 Ekstraksi Arus Lawan Craig Konsep Dasar Ekstraksi arus lawan Craig merupakan ekstraksi pelarut dimana kedua zat yang tidak
dapat
campur
bergerak
dengan
arah
berlawanan
dalam
suatu
kontak
berkesinambungan satu sama lain sehingga zat-zat terlarut dapat terpisah. Disebut ekstraksi arus lawan namun bukan benar-benar proses arus lawan karena hanya satu fasa yang bergerak dan karena itu sering disebut arus lawan semu. Satu pelarut, umumnya yang ringan, bergerak menurut tahap-tahap melewati sederet bejana penyetimbangan, dimana fasa itu bertemu dengan porsi stationer dari fasa lain (yang lebih berat). Zat terlarut terpisah berdasarkan perbedaan dalam distribusinya antara kedua pelarut itu. Perhatikan suatu larutan berair yang mengandung 1000 mg suatu zat terlarut dalam sebuah corong pisah. Andaikan zat terlarut itu sederhana partisinya, tidak dirumitkan oleh pengionan, dimerisasi, dan sebagainya. Tambahkan ke dalam corong suatu pelarut organik yang tak bercampur dengan air, yang sama volumenya dan juga agar lebih sederhana, dianggap bahwa koefisien distribusi zat terlarut tersebut sama dengan satu. Setelah penyeimbangan terdapat 500 mg zat terlarut dalam fase berair dan 500 mg dalam fase organik. Kemudian diambil corong pisah kedua dan dipindahkan cairan yang lebih ringan (fase organiknya) dari corong pertama ke corong kedua. Kemudian ditambahkan pelarut berair segar (baru) kepada fase organik ini dalam corong kedua dan fase organik segar (baru) ke dalam corong pertama. Sekarang kedua corong tersebut dikocok sampai terjadi penyetimbangan. Maka akan terdapat 250 mg zat terlarut dalam masing-masing fase dalam masing-masing corong. Selanjutnya diambil corong ketiga dan memindahkan larutan organik dari corong kedua ke corong ketiga dan juga menambahkan larutan berair yang segar ke corong ketiga. Lapisan organik dari corong pertama dipindahkan ke corong kedua dan kemudian ditambahkan fase organik segar. Kemudian ketiga corong tersebut dikocok untuk memastikan kesetimbangan. Dan begitu pula seterusnya, pada setiap langkah selalu diisi 5
fasa pelarut organik segar dari corong sebelumnya. Untuk n < 50, fraksi total dapat dihitung dengan rumus f n,r =
( )
dimana : f n,r = fraksi solut yang terkandung dalam tabung ke r setelah n kali pemindahan D = angka banding distribusi
II.3 Peralatan untuk Ekstraksi Craig Untuk beberapa kali pemindahan (ekstraksi bertahap), anggaplah 50 kali pemindahan, operasi manual menggunakan corong pisah akan sangat tidak praktis. Craig yang menjelaskan baik teori maupun praktek tipe proses ekstraksi ini, mengembangkan alat untuk mempermudah pengerjaan. Alat Craig yang khas ini didasarkan pada satuansatuan kaca yang dibentuk seperti gambar dibawah ini.
Keterangan : Tabung O merupakan tabung tempat memasukkan solute dan solvent, dan juga tempat pembuangan (ditutup selama operasi). Tabung A disebut tabung penyeimbang Tabung B merupakan tabung tempat mengalirnya fase yang lebih ringan. Tabung C merupakan tabung untuk menampung sementara fasa atas ketika dalam posisi vertikal selama transfer. Tabung D merupakan tempak masuknya fasa atas dari tabung induk sel sebelumnya
6
Tabung E, fasa atas dari tabung induk memasuki sel berikutnya ketika transfer telah selesai dengan mengembalikan posisi horizontal.
Kebanyakan
orang
membayangkan
pengocokan
yang
kuat
untuk
menyeimbangkan kedua fasa cair, Craig menunjukka bhwa mempertemukan dengan lembut kedua fase cairan tersebut lebih efektif. Sehingga tidak perlu meniru bentuk corong pisah yang biasa ketika merancang suatu alat yang terotomasi. Dalam satuan yang ditunjukkan dalam gambar, kedua cairan tersebut disetimbangkan dengan menggoyang-goyangkan secara lembut alat tersebt sekitar 20 kali, dan fase-fase dibiarka memisah . Kemudian alat itu diputar sepertidinyatakan dalam gambar sehingga sel berada dalam posisi vertikal, pada posisi dimana fasa atas keluar dari tabung kesetimbangan menuju ke tabung induk sementara. Jelas bahwa volume fase bawah haruslah sedemikian rupa sehingga antarmuka pelarut rata dengan lengan samping untuk pengeluaaran cairan. Bila sel tersebut dikembalikan ke posisi horisontal, fase yang lebih ringan ke luar dari tabung induk dan mengalir masuk ke dalam tabung penyetimbangan dasi sel berikutnya dalam deret itu. (Cairan dicegah agar tidak kembali ke tabung penetimbangan dari mana cai ran itu berasal oleh desain sel itu dalam daerah B atas yang ditandai dengan “segel cincin”). Sederetan sel dijepit dengan kokoh pada suatu kerangka logam agar semuanya dapat bersama-sama digoyangka dan dimiringkan. Dalam praktek, fase bawah dimasukkan kedalam semua sel pada awal eksperimen. Campuran zat terlarut yang akan dipisahkan ditaruh dalam sel pertama (nomor 0) dalam salah satu fase. Reservoar pelarut dan piranti ukur memasukkan fase ringan dengan volume yang tepat ke dalam sel pertama setelah tiap transfer.
7
Setelah distribusi berlangsung sempurna, bangku sel-sel itu dimiringkan sehingga cairan dalam sel-sel itu dapat dikumpulkan lewat pipa pembuangan. Jika eksperimen merupakan preparatif, pelarut yang sudah mengandung zat terlarut yang diinginkan, dapat diuapkan untuk memperoleh bahan yang diinginkan. Dalam eksperimen analitis larutan dari dalam sel sel individu dapat dianalisis dengan cara yang tepat, misalnya spektofotometri, titrimetri, atau pengukuran indeks bias.
II.4 Aplikasi Ekstraksi Craig –
Kurva Kesetimbangan Minyak Biji Teh
Normal Heksana dan Aplikasinya pada
Ekstraksi Padat-Cair Multitahap. Pada makalah ini akan dibahas pengaplikasian pengolahan biji teh dengan metode current counter yang diambil dari jurnal penelitian. Komponen yang dipindahkan dari zat padat ke dalam pelarut disebut
“solute”
sedangkan padatan yang tidak terlarut dalam
pelarut sdisebut “inert ”. Dalam penelitian ini yang berperan sebagai solute adalah minyak biji teh dan ampas hasil ekstraksi yang tersis a merupakan inert. Teh telah dikenal oleh masyarakat sebagai salah satu tanaman yang sangat berguna. Salah satu kegunaan yang telah dikenal secara luas adalah sebagai minuman. Tidak hanya di Indonesia, teh juga dikonsumsi di berbagai negara dengan ciri khas mereka masing-masing. Di Indonesia-pun banyak sekali kita temui minuman-minuman teh instan dengan berbagai rasa yang menarik. Produksi tanaman teh di Indonesia memang berkembang setiap tahunnya, namun sebagian besar produsen di Indonesia hanya memproduksi pucuk-pucuk daun teh muda saja untuk dimanfaatkan sedangkan hasil samping tanaman teh belum dimanfaatkan dengan baik. Selain daun, semua bagian tanaman teh memiliki potensi untuk dimanfaatkan. Salah satunya yaitu buah teh, khususnya bagian inti biji merupakan sumber minyak nabati non kolesterol. Menurut survey, setiap kg buah teh dapat menghasilkan 40 – 120 gram minyak. Maka dari itu biji teh juga bisa dimanfaatkan sebagai minyak biji teh. Biji teh terdapat di dalam buah teh. Hanya sekitar 2% dari keseluruhan bunga pada sebuah pohon berhasil membentuk biji. Buah teh berbentuk bundar. Dinding biji teh tebal dan keras disebut tempurung. Buah yang masih muda berwarna hijau dan beruang tiga semakin tua warnanya semakin gelap, suram dan kasar. Bijinya berbentuk setengah bola sedangkan keping bijinya berbentuk bundar di salah satu sisinya dan datar pada sisi lainnya, berbelah dua dengan 8
kotiledon besar [Adisewodjo, 1964; Wickremasinghe,1976; Setyamidjaja, 2000; Kuntz, 2002]. Minyak biji teh di peroleh dengan menggunakan ekstaksi padat-cair dengan pelarut n heksana, baik dengan operasi tahap tunggal maupun multi tahap untuk mengetahui berapa banyaknya solut yang dapat dipisahkan dari umpan berkadar tertentu, khususnya untuk keperluan perancangan lebih lanjut. Keunggulan miyak biji teh dibandingkan minyak nabati lainnya adalah minyak biji teh merupakan minyak goreng bermutu tinggi non kolesterol dengan kandungan asam lemak tidak jenuh yang lebih tinggi dibandingkan dengan minyak nabati lainnya dan dapat disimpan dengan baik pada temperatur ruang tanpa membeku. Keunggulan lainnya, minyak biji teh memiliki karakteristik yang menyerupai minyak zaitun (olive oil) sehingga dapat digunakan sebagai substituen minyak zaitun. Hal ini merupakan peluang yang menarik bagi negara yang tidak memiliki sumber daya buah zaitun sebagai salah satu sumber minyak nabati bermutu. Biji Camellia sinensis dan Camelia oleifera dapat di-press menghasilkan tea seed oil yang biasa dimanfaatkan sebagai minyak masak (cooking oil) non kolesterol, penyedap (sweetish seasoning) serta consumer product. Di Cina, lebih dari 14 % penduduknya menggunakan minyak masak sehat ini untuk kebutuhan sehari-hari. Bahkan di provinsi Cina Selatan, khususnya di Hunan, tercatat bahwa lebih dari 50% minyak makan yang digunakan berasal dari Camellia. Sabun mandi, minyak rambut, minyak tahan karat, cat, lipstik, krim antikerut dan pupuk dapat dibuat dari hasil ekstraksi biji teh. Selain itu, minyak biji teh juga biasa digunakan sebagai substituen cocoa butter. Minyak biji teh dapat digunakan sebagai pembasmi hama udang (ikan kecil dan kepiting) dan agen pengemulsi dalam pestisida serta antiseptik. [www.georgiafaces.caes.uga.edu; www.hort.purdue. edu]. Pengambilan minyak biji teh dapat dilakukan secara mekanik menggunakan alat press, secara kimia menggunakan pelarut ataupun secara biologis dengan bantuan enzimatis. Secara kimia menggunakan ekstraksi pelarut memiliki kelemahan, khususnya dalam hal tingkat racun dari pelarut yang digunakan. Penggunaan pelarut yang relatif paling aman, seperti etanol seeringkali memberikan hasil yang kurang memuaskan akibat selektivitasnya yang rendah terhadap produk yang diinginkan. Kelarutan minyak di dalam pelarut etanol sangat kecil dibandingkan n-heksana. Alternatif
penggunaan
heksana menjadi dominan, walaupun tingkat racunnya lebih tinggi dibandingkan pelarut alkhohol. Namun,dalam beberapa literatur yang ditemui, penggunaan heksana sebagai pelarut sangat populer dan hampir semua ekstraksi vegetable oil menggunakan pelarut 9
heksana. Alasannya, pelarut heksana sangat selektif terhadap minyak khususnya terhadap asam oleat (merupakan komponen asam lemak terbesar dalam biji teh). Jadi, faktor keamanan dinomorduakan untuk keperluan peningkatan kuantitas dan kualitas produk. Seiring perkembangan teknologi, tuntutan akan faktor keaamanan menjadi dominan sehingga saat ini penggunaan n-heksana sebagai pelarut berangsur-angsur mulai ditinggalkan. Namun pada makalah ini akan dibahas ekstraksi minyak biji teh menggunakan pelarut n-heksana.
II.4.1 Ekstraksi Padat-cair Adapun mekanisme yang terjadi dalam proses ekstraksi padat-cair seb agai berikut : [Geankoplis, 1993] 1. Padatan dikontakkan dengan pelarut sehingga pelarut akan bergerak dari bulk solvent solution menuju permukaan padatan. Kontak padatan dengan pelarut dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : perkolasi (padatan disusun menyerupai unggun tetap dan solvent dialirkan melewati unggun tersebut) atau dispersi (padatan didispersikan ke dalam pelarut hingga seluruh permukaan padatan diselimuti oleh pelarut, dispersi dapat dibantu dengan pengadukan). Pada penelitian ini, kontak dilakukan secara dispersi menggunakan magnetic strirrer . 2. Pelarut berdifusi ke dalam padatan. Pada proses difusi, suatu zat akan berpindah melewati membran dari daerah berkonsentrasi tinggi menuju ke konsentrasi rendah. Peristiwa difusi dapat terjadi karena adanya driving force berupa perbedaan konsentrasi. [Bailey, 1983] 3. Solute yang terkandung dalam padatan akan larut dalam pelarut yang telah masuk ke dalam padatan. Solute dapat larut dalam solvent karena adanya gaya antaraksi diantara molekul-molekulnya, yaitu gaya dipol-dipol dimana zat yang bersifat polar-polar atau non polar-non polar akan saling berikatan. Selain itu juga terdapat gaya London yang terjadi antara dipol-dipol yang lemah sehingga memungkinkan pelarut polar melarutkan senyawa non polar. 4. Solute akan menuju permukaan padatan dan berdifusi kembali keluar padatan. Difusi ini terjadi karena konsentrasi pelarut yang mengandung solute lebih besar dibandingkan konsentrasi pelarut di luar padatan yang tidak mengandung solute. 5. Solute berpindah ke dalam bulk solution. Ekstraksi dilakukan hingga tercapainya waktu kesetimbangan, dimana driving force bernilai nol (atau mendekati nol). 10
Selama terjadi kontak antara padatan dengan pelarut, sebagian solute akan berpindah ke dalam pelarut secara difusi dan berlangsung hingga kesetimbangan tercapai. Laju difusi ini sebanding dengan luas permukaan partikel padatan dan berbanding terbalik dengan ketebalan padatan sehingga umumnya bahan dibuat menjadi serbuk terlebih dahulu. Beberapa hal yang perlu dilakukan untuk mencapai unjuk kerja ekstraksi yang baik, antara lain: 1.
Memperkecil ukuran padatan sehingga lintasan kapiler yang harus dilewati (secara difusi) menjadi lebih pendek
dan tahanan
akan berkurang.
Solute seringkali
terkurung di dalam sel sehingga perlu dilakukan kontak langsung dengan pelarut melalui pemecahan dinding sel. Pemecahan dapat dilakukan dengan penekanan atau penggerusan, namun ukuran partikel tidak bolehterlalu kecil; 2.
Temperatur yang lebih tinggi (viskositas pelarut lebih rendah, kelarutan solute lebih besar) pada umumnya menguntungkan unjuk kerja ekstraksi. Namun, temperatur ekstraksi tidak boleh melebihi titik didih pelarut karena akan menyebabkan pelarut menguap. Biasanya temperatur ekstraksi yang paling baik adalah sedikit di bawah titik didih pelarut;
3.
Semakin banyak pelarut yang digunakan akan meningkatkan unjuk kerja ekstraksi, namun akan meningkatkan biaya operasi sehingga pemilihan perbandingan pelarut yang optimal perlu diperhatikan; serta
4.
Semakin lama waktu ekstraksi akan meningkatkan unjuk kerja ekstraksi, namun jika terlalu lama peningkatan perolehan ekstrak terhadap waktu menjadi tidak sebanding dan tidak efisien.
II.4.1 Operasi Ekstraksi Padat-Cair Pada umumnya proses ekstraksi dilakukan dengan beberapa metode, yaitu: 1. Operasi tahap tunggal ( single stage) Operasi tahap tunggal ini terjadi karena adanya kontak antara umpan dengan pelarut (solvent) yang hanya dilakukan satu kali. 2. Operasi bertahap banyak (multi stage) dengan aliran silang (cross-current ) Pada operasi ekstraksi ini terjadi kontak antara padatan dan pelarut (solvent) yang dilakukan dalam beberapa tahap dimana rafinat yang diperoleh dari tahap yang satu dikontakkan dengan pelarut baru pada tahap berikutnya. Operasi ini dapat menggunakan pelarut baru (solvent) dalam jumlah yang bervariasi. 11
3. Operasi bertahap banyak (multi stage) dengan aliran counter-current Operasi multi stage dengan aliran lawan arah (counter-current ) merupakan proses ekstraksi dimana kontak antara padatan dan pelarut ( solvent ) dilakukan lebih dari satu kali. Prinsip ekstraksi multi stage counter-current adalah padatan “baru” dikontakkan dengan pelarut yang telah banyak m engandung solut yaitu ekstrak sebagai hasil kontak pada tahap-tahap berikutnya, sedangkan padatan yang solutnya telah menipis dikontakkan dengan pelarut segar pada tahap berikutnya.
Operasi Ekstraksi multi tahap counter-current F = Feed (Umpan/padatan yang hendak diekstraksi) R = Rafinat (Residu/Bahan ekstraksi setelah diambil ekstraknya) E = Ekstrak S = Solvent (Pelarut)
Perhitungan
operasi
multi
tahap
dengan
aliran
counter-current
berdasarkan pada prinsip neraca massa sebagai berikut : a) Neraca massa total : F + S = E1 + Rn atau Ro + En+1 = E1 + Rn b) Neraca massa zat terlarut : F . XF + S . Ys = E1 . Y1 + Rn . Xn atau Ro . Xo + E n+1 . Yn+1 = E1 . Y1 + Rn . Xn 4. Operasi bertahap banyak (multi stage) dengan aliran searah (co-current ) Operasi multi tahap dengan aliran co-current ini merupakan proses ekstraksi dimana kontak antara padatan dan pelarut (solvent) dilakukan lebih dari satu kali dalam aliran searah. Operasi secara co-current sebenarnya mirip dengan ekstraksi tahap tunggal tetapi ekstrak dan rafinat yang diperoleh dari satu tahap diaduk lagi sampai waktu kesetimbangan pada tahap berikutnya sehingga yield yang dihasilkan lebih besar daripada yield yang dihasilkan pada ekstraksi tahap tunggal. 12
II.4.3 Metodologi Penelitian Penelitian dibagi menjadi 4 (empat) tahapan besar, yaitu : 1. Persiapan bahan baku Berikut ini akan disajikan diagram persiapan bahan baku : Pembersihan buah teh dari kotor an yang menempel (tanah dan debu), selanjutnya buah teh dikeringkan untuk memudahkanpengupasan daging buah
Pengupasan daging buah teh secara manual
Pengeringan (di bawah sinar matahari/kering angin)
Pengupasan tempurung biji secara mekanik dan kulit ari biji secara manual
Pengeringan dalam oven hingga kadar air 10%
Pengecilan ukuran menggunakan blender
Biji teh siap untuk diekstraksi
2. Pembuatan kurva standar minyak biji teh n-heksana Berikut merupkan prosedur lengkap pembuatan kurva standar minyak biji teh:
13
Pembuatan larutan minyak biji teh dalam pelarut tertentu (sesuai variasi) pada berbagai konsentrasi massa
Pengukuran indeks bias masing-masing larutan tersebut
Pengaluran konsentrasi minyak biji teh terhadap indeks bias
Didapatkan persamaan yang menghubungkan konsentrasi minyak biji teh terhadap indeks bias
Pembuatan kurva standar minyak bertujuan untuk memperoleh hubungan konsentrasi minyak biji teh dalam ekstrak sebagai fungsi dari indeks bias. 3. Pembuatan kurva kesetimbangan ekstraksi Berikut merupakan prosedur lengkap pembuatan kurva kesetimbangan ekstraksi: 100 gram biji teh ditambahkan pelarut n-heksana (variasi F:S dan kecepatan pengadukan)
Ekstraksi pada P,T tertentu
Ambil sampel setiap 1 menit dan ukur indeks biasnya
Indeks bias konstan
Indeks bias belum konstan
Hitung yield yang didapat
Rafinat ditimbang
Hitung NX, NY, X dan Y
Buat kurva kesetimbangan dengan cara mengalurkan NX, NY terhadap X,Y
Kurva kesetimbangan digunakan untuk menggambarkan hubungan konsentrasi solut dalam fasa ekstrak dan rafinat sebagai data yang harus diperhatikan dalam perancangan unit ekstraksi. Selain itu, kurva kesetimbangan digunakan untuk 14
menentukan jumlah tahap teoritik dan efisiensi tahap pada ekstraksi multi tahap. Kurva kesetimbangan terdiri dari garis-garis kesetimbangan konsentrasi ekstrak dan rafinat (tie-line) yang menghubungkan titik-titik distribusi konsentrasi
solut
dan
padatan inert dalam ekstrak dan rafinat. Solut terlarut dalam solvent sehingga nilai fraksi solut di ekstrak dan rafinat (Yminyak,E dan Xminyak,R) berada pada rentang 0-1. Begitu pula dengan nilai f raksi inert di ekstrak sama dengan 0 karena diasumsikan ekstrak hanya mengandung solut dan solvent. Sedangkan nilai fraksi inert di rafinat berada pada rentang 0-1 pula dan diasumsikan rafinat mengandung inert yang tidak terlarut, solut, dan solvent. Dengan demikian tie-line pada kurva kesetimbangan harus memiliki gradien positif dan berada di kuadran 1 karena nilai-nilai fraksi solut dan inert berada pada rentang 0-1 dan tidak lebih dari 1 [Geankoplis,1993]. Pada kondisi awal leaching, konsentrasi solut di padatan umpan tinggi sedangkan konsentrasi solut di solvent rendah. Perbedaan konsentrasi merupakan driving force yang menyebabkan laju difusi solut melalui rafinat ke interface lalu ke ekstrak cepat dan kelarutan solut dalam solvent besar [Treyball,1980]. Semakin lama waktu kontak maka konsentrasi solut di rafinat akan semakin berkurang dan konsentrasi solut di ekstrak akan semakin meningkat hingga dicapai kondisi setimbang, dimana konsentrasi solut di rafinat (underflow) sama dengan konsentrasi solut di ekstrak (overflow) dan diharapkan semua solut dapat terlarut dalam solvent. Pada saat setimbang, laju difusi solut dari padatan umpan ke solvent sama dengan laju difusi solut dari solvent ke padatan sehingga dimungkinkan terjadi difusivitas solut dari solvent ke padatan untuk menjaga kondisi setimbang antara konsentrasi solut di rafinat (underflow) agar selalu sama dengan konsentrasi solut di ekstrak (overflow) sehingga seharusnya tie-line equilibrium merupakan garis tegak lurus [www.cheresources.com]. 4. Ekstraksi multitahap counter – current Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui yield minyak minyakdan efisiensi pada ekstraksi multi tahap. Prinsip ekstraksi multi tahap counter-current adalah serbuk biji teh baru dikontakkan dengan pelarut n heksana yang telah mengekstrak minyak pada tahap sebelumnya, sedangkan serbuk biji teh yang solutnya telah menipis dikontakkan dengan pelarut n heksana yang lebih baru. Berikut ini adalah sistem ekstraksi multi tahap counter-current dengan 3 tahap :
15
Sistem ekstraksi multitahap tahap counter-current
Prosedur penentuan jumlah tahap teoritik dan efisiensi tahap sebagai berikut : 1. Penentuan tahap teoritik a. Titik F (YF,NF) digambar pada kurva kesetimbangan yang telah didapat. Nilai Y F (didapat dari hubungan n bias ekstrak terhadap konsentrasi minyak kacang tanah), sedangkan dan N F (fraksi inert di dalam umpan dengan basis bebas inert) sehingga dapat dituliskan bahwa :
NF (feed) = Y minyak,F =
b. Titik S (XS,NS) digambar pada kurva kesetimbangan. Nilai X S dan NS dapat dicari melalui peneracaan massa, dimana digunakan asumsi bahwa pelarut nheksana adalah pelarut murni sehingga dapat dituliskan bahwa:
Ns (solvent) = X minyak,s =
c. Titik E1 (YE1,NE1) dan Rn (X R ,NRn) digambar pada kurva kesetimbangan. Nilai YE, NE1, XR , dan NRn dapat dicari melalui persamaan berikut :
16
Ns (solvent) = X minyak,E1 = N Rn = Y minyak,E1 =
d. Titik F dihubungkan dengan titik E1 dan titik Rn dihubungkan dengan titik S. Perpotongan garis F-E1 dan garis S-Rn disebut titik ∆R. e. Dari titik E1 ditarik tie line sedangkan titik R1 dihubungkan dengan titik ∆R sehingga diperoleh perpotongan pada sampai ke garis kurva N R vs X (fasa rafinat) untuk memperoleh titik R1 (tahap ke-1).garis kurva N E vs Y (fasa ekstrak) yaitu titik E2. f. Langkah e dan f terus diulangi sampai melewati titik S (tahap ke-n) dan penentuan tahap teoritik selesai. 2. Penentuan efisiensi tahap Efisiensi tahap dapat ditentukan menggunakan persamaan berkut : Efisiensi tahap =
⅀ ⅀ X 100%
Adapun diagram alir ekstraksi multi tahap counter current adalah sebagai berikut :
17
100 gram biji teh ditambahkan pelarut n-heksana (F:S dan kecepatan pengadukan terbaik yang didapat dari ekstraksi 1tahap )
Ekstraksi pada P,T tertentu sesuai sistem ekstraksi pada Gambar sistem ekstraksi multitahap (3 tahap) diatas hingga setimbang
Pemisahan ekstrak dan rafinat dengan filtrasi
Ekstrak
Rafinat
Pengukuran indeks bias
ditimbang
Didapatkan n dan massa rafinat yang tidak berubah lagi
Ekstraksi multitahap selesai
Hitung jumlah tahap teoritik dan efisiensi tahap
II.4.4 Hasil dan Pembahasan II.4.4.1 Kurva Kesetimbangan Kurva kesetimbangan digunakan untuk menggambarkan hubungan konsentrasi solut dalam fasa ekstrak dan rafinat sebagai data yang harus diperhatikan dalam perancangan unit ekstraksi. Selain itu, kurva kesetimbangan digunakan untuk menentukan jumlah tahap teoritik dan efisiensi tahap pada ekstraksi multi tahap. Kurva kesetimbangan terdiri dari garis-garis kesetimbangan konsentrasi ekstrak dan rafinat (tie-line) yang menghubungkan titik-titik distribusi konsentrasi solut dan padatan inert dalam ekstrak dan rafinat.
18
Kurva kesetimbangan minyak biji teh – n heksana
Solut terlarut dalam solvent sehingga nilai fraksi solut di ekstrak dan rafinat (Yminyak,E dan Xminyak,R) berada pada rentang 0-1. Begitu pula dengan nilai fraksi inert di ekstrak sama dengan 0 karena diasumsikan ekstrak hanya mengandung solut dan solvent. Sedangkan nilai fraksi inert di rafinat berada pada rentang 0-1 pula dan diasumsikan rafinat mengandung inert yang tidak terlarut, solut, dan solvent. Dengan demikian tie-line pada kurva kesetimbangan harus memiliki gradien positif dan berada di kuadran 1 karena nilai-nilai fraksi solut dan inert berada pada rentang 0-1 dan tidak lebih dari 1 [Geankoplis,1993]. Pada kondisi awal leaching, konsentrasi solut di padatan umpan tinggi sedangkan konsentrasi solut di solvent rendah. Perbedaan konsentrasi merupakan driving force yang menyebabkan laju difusi solut melalui rafinat ke interface lalu ke ekstrak cepat dan kelarutan solut dalam solvent besar [Treyball,1980]. Semakin lama waktu kontak maka konsentrasi solut di rafinat akan semakin berkurang dan konsentrasi solut di ekstrak akan semakin meningkat hingga dicapai kondisi setimbang, dimana konsentrasi solut
di rafinat (underflow) sama dengan
konsentrasi solut di ekstrak (overflow) dan diharapkan semua solut dapat terlarut dalam solvent. Pada saat setimbang, laju difusi solvent
sama dengan laju difusi
solut
dari
solut dari padatan umpan ke solvent
ke padatan sehingga
dimungkinkan terjadi difusivitas solut dari solvent ke padatan untuk menjaga kondisi setimbang antara konsentrasi solut di rafinat (underflow) agar selalu sama 19
dengan konsentrasi solut di ekstrak (overflow) sehingga seharusnya tie-line equilibrium merupakan garis tegak lurus [www.cheresources.com].
II.4.4.2 Ekstraksi multi tahap counter – current Prinsip ekstraksi multi tahap counter-current adalah serbuk biji teh baru dikontakkan dengan pelarut n heksana yang telah mengekstrak minyak pada tahap sebelumnya, sedangkan serbuk biji teh yang solutnya telah menipis dikontakkan dengan pelarut n heksana yang lebih baru. Ekstraksi multi tahap dilakukan pada beberapa kondisi rasio umpan terhadap pelarut (F : S) yang divariasikan. Operasi ekstraksi multi tahap counter-current banyak diterapkan dalam industri karena dapat memaksimalkan dan mengefisienkan penggunaan solvent , dimana untuk F : S yang sama, ekstraksi multi tahap menghasilkan yield lebih besar dibandingkan dengan ekstraksi tahap tunggal. Yield yang semakin besar dapat diperoleh dengan mengoperasikan ekstraksi tahap tunggal pada rasio F : S tinggi. Namun penggunaan solvent yang semakin banyak biasanya membutuhkan biaya operasi besar karena biaya recovery solvent cukup mahal. Recovery solvent dilakukan dalam kolom distilasi. Biaya operasi untuk memperoleh jumlah tahap yang lebih banyak dan menambah ekstraktor umumnya lebih rendah dibandingkan dengan biaya operasi untuk me-recovery
solvent dalam kolom distilasi
[Perry,1984]. Pada penelitian ini hanya dibatasi pada ekstraksi 3 tahap counter current Perbandingan yield minyak yang dihasilkan pada setiap tahapan ekstraksinya disajikan pada Tabel.
Yield min
ak ada ekstraksi
counter-current multi taha
Pada Tabel diatas dapat dilihat bahwa pada penambahan jumlah tahap ekstraksi dari 1 tahap menjadi 2 tahap memberikan peningkatan yield yang lebih berarti dibandingkan pada penambahan jumlah tahap menjadi 3 tahap. Untuk aplikasi lebih lanjut diperlukan perhitungan ekonomis di dalam penambahan 20
jumlah tahap ekstraksi walaupun yield dapat meningkat. Secara umum peningkatan rasio F : S akan meningkatkan jumlah yield minyak. Perpindahan massa dapat terjadi karena adanya difusivitas. Difusivitas dalam ekstraksi merupakan pergerakan solut dalam campuran padatan umpan dan solvent di bawah pengaruh dorongan fisik yaitu konsentrasi dari solut yang berdifusi. Konsentrasi solut dalam padatan umpan tinggi sedangkan konsentrasi solut dalam solvent rendah sehingga solut akan berdifusi dari padatan umpan menuju pelarut [McCabe, 1993]. Banyaknya solvent merupakan media proses difusi solut dari padatan umpan menuju solvent . Semakin banyak solvent yang digunakan maka solut yang dapat terekstrak semakin banyak sehingga yield minyak semakin besar. Hal ini dapat dijelaskan bahwa rasio F : S besar akan membuat molekul pelarut semakin banyak sehingga kemungkinan molekul pelarut yang bertumbukan dengan molekul solut juga semakin besar. Oleh sebab itu semakin banyak minyak yang larut dalam solvent dan akan meningkatkan yield .
II.4.4.3 Efisiensi tahap ekstraksi Hasil perhitungan efisiensi tahap ekstraksi disajikan pada Tabel dibawah. Efisiensi tahap terbesar didapatkan pada rasio umpan terhadap pelarut sebesar 1:5 dan 1:6. Hal ini menunjukkan bahwa pada kondisi tersebut, ekstraksi minyak dapat berlangsung dengan lebih optimal sehingga dapat disimpulkan bahwa sebaiknya ekstraksi sebaiknya dilakukan menggunakan rasio umpan terhadap pelarut sebesar 1:5 dengan memperhitungkan faktor ekonomis lainnya. Efisiensi tahap ekstraksi counter-current multi tahap
21
BAB III PENUTUP
III. 1 Kesimpulan Berdasarkan
pemaparan
mengenai
ekstraksi
bertahap
diatas,
didapatkan
kesimpulan sebagai berikut 1.
Ekstraksi bertahap merupakan cara yang paling sederhana. Kesempurnaan ekstraksi tergantung pada banyaknya ekstraksi yang dilakukan. Hasil yang baik diperoleh jika jumlah ekstraksi yang dilakukan berulang kali dengan jumlah pelarut sedikit-sedikit.
2.
Aplikasi penggunaan ekstraksi bertahap adalah ekstraksi Craig dimana satu pelarut, umumnya yang ringan, bergerak menurut tahap-tahap melewati sederet bejana penyetimbangan, dimana fasa itu bertemu dengan porsi stationer dari fasa lain (yang lebih berat). Zat terlarut terpisah berdasarkan perbedaan dalam distribusinya antara kedua pelarut itu.
3.
Contoh aplikasi penggunaan ekstraksi Craig diambil dalam jurnal penelitian berjudul “ Kurva Kesetimbangan Minyak Biji Teh
–
Normal Heksana dan
Aplikasinya pada Ekstraksi Padat-Cair Multitahap”. Dari jurnal penelitian tersebut telah dibuktikan bahwa a. Peningkatan jumlah pelarut akan meningkatkan yield minyak yang didapat dan efisiensi tahap ekstraksi. b. Peningkatan jumlah tahap eksraksi hingga 3 tahap masih dapat meningkatkan yield minyak yang didapat.
III. 2 Saran Saran yang dapat disampaikan penulis
22
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2012. Chemical Separations ( http://people.rit.edu/lprsch/scha312ext_a.html) Diunduh 7 Mei 2014 Anonim. Countercurrent Extraction - Craig Apparatus. (http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletCraig/Appl_Craig2.html). Diunduh 7 Mei 2014 Day, Jr, R.A., dan A.L. Underwood. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga Edy nuryani. 2013. Ekstraksi (http://bokbokcong.blogspot.com/2013/02/ekstraksi.html). Diunduh 10 Mei 2014 Erwanto. 2013. Makalah Ekstraksi (http://erwantoindonesia.wordpress.com/2012/06/29/makalah-ekstraksi/). Diunduh 10 Mei 2014 Khopkar, S.M. 1990. Konsep Dasar Kimia Analitik. Jakarta: UI Press. Oxtoby , David. 2001. Kimia Modern Edisi Keempat Jilid I. Jakarta: Erlangga Prasetyo S, Susiana, dan A. Prima K. 2009. Kurva Kesetimbangan Minyak Biji Teh – Normal Heksana dan Aplikasinya pada Ekstraksi Padat-Cair Multitahap. Lembaga
Penelitian
dan
Pengabdian
Masyarakat
Universitas
Katolik
Parahyangan Bandung Trifany, AW. 2012. Ekstraksi Pelarut Cair-Cair. (http://awjee.blog.com/2012/11/24/ekstraksi-pelarut-cair-cair/). Diunduh 10 Mei 2014
23
