Risvan Kuswurj

T. Martoyo

PENDAHULUAN

Teknologi pemisahan dengan kromatografi masih relatip baru untuk industri gula namun telah berkembang lebih lama untuk pemisahan hidrokarbon (Paananen, 1997; Schoenrock, 1997). Teknik pemisahan ini didasarkan pada perbedaan koefisien distribusi (Kd) komponen terhadap 2 fase yaitu fase diam dam fase gerak (eluen). Komponen dengan Kd tinggi akan lebih tertahan oleh fase diam sehingga terelusi lebih lambat.
Mekanisme pemisahan komponen dalam kromatografi ada berbagai macam antara lain, partisi, difusi, penukaran ion, eksklusi. Kromatografi yang diaplikasikan untuk industri gula menggunakan ion exclussion chromatography (IEC). Pada pemisahan ini (untuk tetes beet) molekul yang besar seperti dextran, protein dan garam atau ion-ion terelusi paling awal, disusul dengan fraksi sukrose kemudian molekul yang lebih kecil (betain). Sebagai fase diam digunakan resin penukar kation khusus dengan crosslink tertentu sehingga bersifat porous, ion yang digunakan adalah Na atau K (Rearick and Kurney, 1995; Rearick et al, 1999; Paananen and Kuisma, 2000) . Sedangkan sebagai fase gerak (eluen) digunakan air.
Teknologi kromatografi di industri gula pertama kali diaplikasikan untuk pemisahan sukrose dalam tetes beet dan saat ini telah mencapai skala komersial (Paananen, 1997; Rearick et al, 1999). Sedangkan untuk tetes tebu masih pada tahap penelitian , karena menghadapi kendala pada pemurnian awal . Tetes tebu memiliki karakter berbeda dengan tetes beet karena komposisinya berbeda, lebih banyak mengandung partikel tersuspensi dengan rentang ukuran yang lebar, kadar gula reduksi yang lebih tinggi, sehingga harus disingkirkan sebelum dimasukkan dalam kolom kromatografi (Kearney and Kochergin, 2001; Fetcher et al, 2001).

TEKNIK PEMISAHAN DENGAN CARA KROMATOGRAFI

Teknik kromatografi adalah teknik pemisahan komponen berdasarkan koefisien distribusi (KD) masing-masing komponen pada 2 fasa yaitu fasa diam dan fasa gerak. Komponen yang memiliki nilai KD lebih besar akan terelusi lebih lambat. Teknik pemisahan ini pertama kali digunakan dan berkembang di bidang kimia analitik dengan berbagai sistem yang sekarang terkenal dengan sistem GLC (Gas Liquid Chromatography), HPLC (High Performance Liquid Chromatography), Exclusion Chromatography (EC) dan lain sebagainya. Teknik pemisahan ini memungkinkan analisis komponen gas atau larutan sangat efisien, mudah dilakukan dan lebih cepat dibandingkan dengan teknik yang sudah ada sebelumnya.

Kemudian teknik kromatografi juga diaplikasikan untuk pemisahan/pemurnian komponen pada skala industri seperti misalnya teknik IEC (Ion Exclusion Chromatography) yang saat ini telah diaplikasikan di industri gula. Sebagai fasa diam digunakan resin penukar kation asam kuat yang bersifat porous. Pemisahan dengan IEC pada dasarnya melalui mekanisme eksklusi ion dan eksklusi ukuran molekul (Rearick and Kearney, 1995) :

• Molekul kecil yang netral seperti mono dan disakarida ditahan oleh resin yang porous sehingga gerakannya lebih lambat. Sedangkan spesi ion ditolak oleh gaya elektrostatik ion yang ada pada resin sehingga tidak masuk ke dalam resin yang porous tetapi langsung terbawa oleh eluen keluar kolom.

• Eksklusi spesi netral tergantung pada perbedaan kecepatan difusi ke dalam porous resin. Molekul yang besar yang tidak mudah terdifusi kedalam resin akan terelusi lebih cepat dari pada molekul netral yang berukuran lebih kecil

Proses pemisahan cara batch tidak menguntungkan karena :
• Selama bahan yang dipisahkan bergerak sepanjang kolom, sebagian besar resin dalam kolom hanya mengandung eluen (air) sehingga resin tidak termanfaatkan secara efisien.
• Hasil pemisahan masih berupa campuran komponen sehingga harus direcycle untuk memperoleh pemisahan komponen yang maksimal.

Untuk memperbaiki efisiensi dikembangkan sistem moving bed (MB) di mana eluen mengalir ke bawah dan resin bed bergerak keatas secara kontinu. Karena sukrose ditarik oleh resin lebih kuat maka cenderung untuk bergerak ke atas searah dengan gerakan resin bed, sedangkan komponen bukan sukrose (BS) yang tereksklusi bergerak ke bawah searah dengan aliran eluen. Apabila kondisi aliran resin dan eluen setimbang maka profil pemisahan tetap pada lokasinya. Tetes dapat diumpan pada bagian tengah kolom secara kontinu, larutan sukrose ditampung dibagian atas kolom dan BS di bagian bawah kolom. Dengan sistem MB resin dapat dimanfaatkan seefisien mungkin, sistem berjalan kontinu dan pemisahan komponen jelas tidak tercampur komponen lain. Namun demikian sistem ini menyebabkan tingkat atrisi resin yang tinggi.

Alternatip untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan menggunakan sistem SMB (simulated moving bed) yang dapat mencapai hasil seperti pada sistem MB, tetapi resin bed tetap diam, profil pemisahan yang bergerak dan diikuti dengan inlets (feeding tetes) dan outlets (sukrose dan rafinate). Hal ini dapat dilakukan dengan sistem multiple column, dengan inlet dan oulet berselang-seling dan aliran recycle antara ujung bawah kolom terakhir dengan bagian atas kolom pertama. Dalam pengoperasiannya multiple column bekerja seperti single bed yang terbagi menjadi 8 zone.

Proses SMB telah ada sejak lebih dari 100 tahun yang lalu, teknologi ini pertama kali diaplikasikan untuk pemisahan senyawa hidrokarbon kemudian untuk pemisahan glukose-fruktose dalam industri high fructose corn syrup. Studi aplikasi kromatografi sistem SMB untuk pemisahan sukrose dari tetes beet dimulai tahun 1981, kemudian diikuti dengan pendirian pabrik pertama di Hokkaido Sugar Co. tahun 1985 dan yang kedua di Amalgamated’s Twin Falls factory tahun 1988 (Chertudi, 1991; Kearney, 1990).

Teknologi IEC belum diaplikasikan secara luas di industri gula tebu walaupun pengujian skala pilot telah dilaporkan. Kendala utama adalah karena komposisi antara tetes beet dengan tetes tebu yang sangat berbeda. Tetes tebu mengandung gula reduksi, partikel koloid yang jauh lebih tinggi dari tetes beet sehingga memerlukan perlakuan awal yang lebih intensip. Metode perlakuan awal tetes tebu yang efisien inilah yang sedang diteliti akhir-akhir ini.

Aplikasi Teknologi kromatografi
Aplikasi teknologi IEC di industri gula beet telah berkembang pada skala komersial terutama untuk pemisahan sukrose dari tetes. Sebelum diumpankan kedalam unit IEC tetes harus mengalami perlakuan awal untuk menyingkirkan komponen tertentu yang mengganggu unit IEC. Pada tetes beet teknologi perlakuan awal cukup dengan filtrasi (pressed)) dengan media diatomeous earth untuk menghilangkan partikel tersuspensi yang memang kadarnya lebih sedikit dibandingkan dengan tetes tebu. Oleh karena itu pemisahan sukrose dari tetes beet sudah mencapai skala komersial. Salah satu contoh pabrik pemisahan sukrose terbesar (Kochergin et al, 2000) memiliki dimensi pemisahan sebagai berikut :

Dari data tersebut dapat dihitung jumlah gula (sukrose) yang diperoleh setiap hari yaitu sekitar 320-340 ton. Perolehan ini hampir sama dengan yang diperoleh pabrik gula di Indonesia berkapsitas 5000 TCD dengan rendemen sekitar 7%.

Aplikasi teknologi IEC untuk tetes tebu masih belum berkembang (Rearick et al, 1999) karena menghadapi kendala antara lain :
• Secara relatip kemurnian tetes tebu lebih rendah berkisar 35-45 % sedangkan tetes beet sekitar 60%. Artinya untuk memperoleh jumlah sukrose yang sama, tetes tebu memerlukan jumlah resin yang lebih banyak, jumlah buangan non sukrose yang lebih banyak dan kesulitan memperoleh fraksi sukrose yang berwarna rendah.
• Perlakuan awal yang lebih sulit. Tetes tebu mengandung pengotor lebih banyak seperti dekstran, wax dan tingginya kadar partikel tersuspensi dalam tetes tebu. Partikel tersuspensi dengan distribusi ukuran partikel yang luas mulai ukuran kurang dari satu mikron sampai dengan beberapa ratus mikron, menyebabkan partikel lembut lolos dalam penapisan. Lolosnya partikel halus tersebut mengganggu proses IEC sehingga tidak efisien, merusak resin, menyumbat kolom (pressure drop).
• Mengandung gula invert yang lebih banyak sehingga menyulitkan pemisahan sukrose dengan kromatografi sistem SMB.

Sementara aplikasi IEC untuk tetes tebu masih mengalami hambatan pada perlakuan awal, maka perlu dicarikan alternatip aplikasi teknologi IEC di industri gula tebu. Salah satu alternatip yang telah dicoba pada skala pilot adalah dari nira jernih yang telah dilewatkan dalam kolom softener kemudian unit UF membran dan diuapkan sampai mencapai 70 brix sebelum dikirim ke unit IEC dengan sistem SMB. Data hasil pemisahan dengan IEC disajikan pada Tabel 1. Nira kental yang diumpan ke unit IEC dengan brix sekitar 66, kemurnian 87 dengan warna sekitar 11 000 IU menghasilkan luaran berupa invert dengan brix sekitar 5-7, kemurnian negatip 62-81 dan warna sekitar 7 000-10 000 IU. Sedangkan luaran ekstrak (fraksi sukrose) dengan brix sekitar 41, kemurnian 97-98 dan warna sekitar 800-1300 IU, dengan recovery lebih besar dari 99%. . Dari perhitungan neraca bahan dapat diketahui recovery proses dapat meningkat 6-7 poin, sebagai contoh untuk sistem masak double magma, overall recovery 86 % dengan proses kromatografi diharapkan dapat mencapai 93%.

Tabel 1. Hasil pemisahan nira kental dengan IEC

Kombinasi UF membran dan IEC
Teknologi UF membran dan IEC memiliki prinsip yang berbeda namun tujuannya sama yaitu memurnikan/memisahkan sukrose dari sutu bahan. Dari uraian yang telah dikemukakan tampak bahwa teknologi tersebut apabila digabungkan dalam sistem pemurnian di pabrik gula akan bersinergi meningkatkan efisiensi pengolahan.

Teknologi IEC akan bekerja efisien dengan syarat bahan yang akan dimurnikan mengandung zat tersuspensi, zat warna dan kation (divalen) yang minimal. Zat tersuspensi akan menyebabkan kolom IEC buntu, zat warna mengurangi kapasitas kolom IEC dan kation divalen akan mengusir kation monovalen (Na, K) yang terikat dalam resin IEC sehingga mengurangi efektifitas pemisahan. Untuk mencapai tujuan itu diperlukan teknologi UF membran dan penukar ion (softener) sebelum bahan masuk dalam proses IEC. Teknologi UF membran telah diuraikan di bab sebelumnya ,sedangkan teknik pelunakan nira dengan penukar ion telah lazim digunakan. Dengan melalui UF membran sebelum masuk ke dalam kolom penukar kation efektifitas kolom meningkat dan umur kolom (jumlah cycle) semakin meningkat. Kolom penukar kation (dalam bentuk K/Na) akan mengganti kation divalen (Ca dan Mg) dalam nira dengan ion monovalen (K/Na). Selain untuk maksud perlakuan awal sebelum proses pemisahan dengan IEC, pelunakan nira sangat bermanfaat untuk mengatasi problem pengerakan di pan penguapan. Pembentukan kerak di pan penguapan minimal apabila kadar CaO dalam nira jernih rendah.

Menurut Kearny and Kochergin (2001) ada beberapa kemungkinan pemanfaatan teknologi IEC untuk industri gula tebu antara lain, pengambilan sukrose dari tetes, pemurnian sirup pada pabrik rafinasi , recovery senyawa tertentu dari derivat tetes (fermentasi alkohol) dan pemurnian nira kental sebelum kristalisasi. Proses terakhir ini telah diuji secara intensip menggunakan nira yang telah mengalami filtrasi dan pelunakan (Kearney, 1997). Hasilnya sukrose dapat dipisahkan dari nongula dan zat warna sehingga kemurniannya mencapai 98 sebelum nira kental dikristalkan. Dengan kemurnian bahan yang tinggi sudah tentu recovery akan meningkat demikian pula kapasitas peralatannya. Hal lain yang menarik adalah bahwa dengan teknologi UF membran, pelunakan nira dan IEC bepeluang untuk memproduksi gula putih setingkat rafinasi langsung dari tebu.

DAFTAR PUSTAKA
Galt, S., McReynolds, K. B. and Moonchild, J. P. (1994). The beet sugar plant of the future. Proc. SPRI workshop on product of sugar beet and sugar cane. New Orleans, USA, 179-188.
Herve, D., Lancrenon, X and Rousset, F. (1995). Sugar Y Azucar , 90 (5), 40-45.

Kearney, M (1997). The amalgamated beet/cane raw juice chromatographic separator.
Sugar y Azucar, 92 : 38-43.
Kearney, M. and Kochergin, V. (2001). Chromatographic application in the cane sugar
industry. Proc. Int. Soc. Sugar Cane Technol., 24: 11-15.
Kochergin, V. , Kearney, M. ,Jacob, W. , Velasquez, L. , Alvarez, J. , and Smith, B.
(2000). Chromatographic desugarization of syrups in cane mills. Int. Sugar Jnl.
vol. 102, no. 1223, 568-578.
Paananen, H. A. (1997). Trends in the chromatographic separation of molasses.
Zuckerindustrie, 122, no. 1, 28-33.
Paananen, H. and Kuisma, J. (2000). Chromatographic separation of molasses
components.Zuckerindustrie 125, no 12, 978-981.
Rearick, D. E. and Kearney, M (1995). Removal of nonsugars from cane molasses by
ion-exclusion chromatography. Proc. Int. Soc. Sugar Cane Technol., 22: 167-
171.
Rearick, D. E. , Costesso, D. D. and Kearney, M. M. (1999). Chromatography in
sucrose recovery and purification. Int. Sugar Jnl. vol. 101, no. 1208, 423-427.
Rushton, A; Ward, A.S. and Holdich, R.G. (1996). Solid-liquid filtration and separation technology, VCH Publishers Inc. New York, NY (USA).
Saska, M. (1997). Sugarcane Research : Annual Progress Reports, Agriculture Centre, Louisiana State University
Schoenrock, K. (1997). Performance limits in industrial chromatographic separation
processes. Zuckerindustrie, 122, no. 1, 22-17

6 Responses to “APLIKASI TEKNOLOGI KROMATOGRAFI UNTUK INDUSTRI GULA”