Pengaruh Teknik Seeding terhadap Yield Kristal pada Kristalisasi Patchouli Alcohol dari Minyak Nilam

Transkripsi

1 Pengaruh Teknik Seeding terhadap Yield Kristal pada Kristalisasi Patchouli Alcohol dari Minyak Nilam Bangkit Gotama 1, Mahfud 1* 1 Jurusan Teknik Kimia, Fak. Teknologi Industri (FTI), Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya *) mahfud@chem-eng.its.ac.id ABSTRAK Minyak nilam merupakan salah satu komoditas minyak atsiri yang sangat penting di Indonesia. Namun ada beberapa kendala dalam industri ini sehingga menyebabkan harga produk minyak nilam yang fluktuatif dan menurunkan daya saing industri minyak nilam nasional. Salah satu inovasi yang dapat dilakukan untuk meningkatkan daya saing adalah dengan membuat produk isolat dari minyak nilam yang memiliki nilai jual tinggi, yaitu patchouli alcohol (PA). Isolasi PA dari minyak nilam dapat dilakukan dengan kombinasi distilasi fraksinasi dan kristalisasi dengan pendinginan (cooling crystallization). Pada proses kristalisasi PA, perlu dilakukan optimalisasi agar diperoleh PA dengan propertis kristal berkualitas serta kemurnian yang tinggi. Salah satunya adalah dengan mengaplikasikan teknik seeding dalam proses kristalisasi PA. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh teknik seeding yang meliputi ratio massa seed (1% dan 2% dari massa minyak nilam), ukuran seed (80 dan 70 mesh) dan suhu seeding (10 dan 20 o C) terhadap yield kristal PA yang dihasilkan. Penelitian ini diawali dengan proses distilasi fraksinasi vakum minyak nilam untuk meningkatkan kadar PA dalam distilat. Kemudian dilanjutkan dengan kristalisasi terhadap distilat tersebut. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan bertambahnya ratio massa seed, berkurangnya ukuran seed (luas permukaan seed semakin meningkat) dan meningkatnya suhu seeding akan mengakibatkan peningkatan yield kristal yang diperoleh. Yield kristal terbesar yaitu 26,43% diperoleh pada ratio massa seed 2%, ukuran seed 70 mesh dan suhu seeding 20 o C. Kata kunci: minyak nilam, patchouli alcohol, kristalisasi, teknik seeding, yield kristal. ABSTRACT Patchouli oil is one of the essential oil commodities are very important in Indonesia. But there are some constraints in this industry causing patchouli oil prices are fluctuated and reduce the competitiveness of Indonesian patchouli oil s industry. One innovation that can be done to improve competitiveness is to create a product isolates of patchouli oil that has a high value, namely patchouli alcohol (PA). Isolation PA from patchouli oil can be done with a combination of fractional distillation and cooling crystallization. In the process of crystallization PA, optimization needs to be done in order to obtain PA with high quality crystal properties and high purity. One of them is to apply the seeding technique in crystallization PA. This study aims to determine the effect of seeding techniques which include seed mass ratio (1% and 2% of the mass of patchouli oil), seed size (80 and 70 mesh) and the seeding temperature (10 and 20 C) to yield crystals PA. This study begins with the process of

2 patchouli oil vacuum distillation fractionation to increase levels of PA in the distillate. Then proceed with the crystallization of the distillate. The results showed that with increasing seed mass ratio, reduced the size of the seed (increased surface area of seed) and the increase in temperature will result in an increased yield seeding crystals obtained. Yield largest crystal is 26.43% was obtained at a mass ratio of 2% seed, seed size 70 mesh and a temperature of 20 oc seeding. Keywords: patchouli oil, patchouli alcohol, crystallization, seeding technique, crystal yield. Pendahuluan Minyak nilam merupakan salah satu komoditas ekspor minyak atsiri yang sangat penting di Indonesia. Hal tersebut dikarenakan, minyak nilam banyak digunakan dalam berbagai jenis industri, seperti industri parfum, kosmetik, sabun, deodoran, farmasi dan sebagainya. Dalam industri parfum, minyak nilam memiliki peranan penting dalam produk parfum yang dihasilkan. Hal tersebut dikarenakan minyak nilam berfungsi sebagai bahan fiksatif (zat pengikat) terhadap bahan pewangi. Fungsi fiksatif mampu menahan laju penguapan zat pewangi agar wanginya lebih tahan lama. Pada industri parfum, fungsi minyak nilam tidak dapat digantikan oleh senyawa sintetik karena sangat berperan dalam menentukan kekuatan, sifat dan ketahanan wangi parfum tersebut [2]. Parameter mutu dari minyak nilam adalah kadar patchouli alcohol (PA), dimana senyawa oxygenated sesquiterpene tersebut harus memiliki kadar minimum PA sebesar 30% dalam perdagangan internasional. Minyak nilam memiliki prospek yang cerah, tetapi juga memiliki banyak kendala dalam industri ini. Antara lain adalah kuantitas perolehan minyak (rendemen) yang rendah, kualitas minyak yang tidak konsisten, produksi yang tidak kontinyu sehingga mengakibatkan harga yang fluktuatif dan menurunkan daya saing industri minyak nilam nasional. Langkah konkret yang diperlukan untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah memperbaiki kualitas produk serta melakukan inovasi dalam peningkatan nilai tambah dari produk minyak nilam. Salah satu inovasi yang dapat dilakukan adalah dengan membuat produk isolat, komponen turunan atau derivat dari minyak nilam yang memiliki nilai jual tinggi. Metode yang umum digunakan adalah ekstraksi dan fraksinasi. Beberapa peneliti sebelumnya telah mengembangkan metode kristalisasi sebagai metode isolasi senyawa PA dari minyak nilam. PA sendiri merupakan senyawa yang memiliki nilai komersil tinggi karena memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai sumber obat obatan baru seperti anti inflammatory [11] dan anti influenza [5]. Beberapa metode purifikasi PA yaitu metode distilasi molekuler [6] dan distilasi fraksinasi [4]. Selain itu, kombinasi metode distilasi fraksinasi dengan kristalisasi mampu menghasilkan kristal PA dengan kemurnian tinggi [8]. Pada proses kristalisasi, supersaturasi atau kondisi lewat jenuh sangat besar perannya, karena menginisiasi terbentuknya inti kristal (nukleasi) dan mempengaruhi perubahan inti kristal menjadi kristal (pertumbuhan kristal). Pada umumnya proses kristalisasi senyawa organik seperti halnya PA, supersaturasi dapat diciptakan dengan metode pendinginan [9]. Pada proses pendinginan level supersaturasi menjadi sangat tinggi yang diakibatkan oleh penurunan suhu larutan yang terlalu cepat pada awal kristalisasi. Akibatnya, supersaturasi selain mempengaruhi pertumbuhan kristal juga menciptakan nukleasi sekunder yang mendominasi proses kristalisasi. Hal tersebut menimbulkan terbentuknya kristal kristal berukuran lebih kecil, sehingga dapat menurunkan ukuran rata rata kristal dan distribusi ukuran kristal menjadi tidak merata [3]. Teknik seeding (seeding technique) merupakan salah satu upaya optimalisasi proses kristalisasi untuk mendapatkan kristal dengan propertis yang berkualitas (distribusi ukuran, ukuran rata rata, bentuk) serta kemurnian kristal yang tinggi. Dengan meningkatkan massa seed yang ditambahkan pada kristalisasi, dapat menurunkan level

3 supersaturasi pada proses pendinginan. Kenaikan massa seed sangat berpengaruh signifikan terhadap ukuran kristal rata rata. Seed yang ditambahkan untuk menekan nukleasi sekunder tergantung dari ukuran, ratio massa dan kualitas seed [3]. Selain itu, suhu pada saat penambahan seed juga turut mempengaruhi proses kristalisasi [7]. Dari pemaparan diatas, dapat dimungkinkan bahwa metode isolasi dan purifikasi PA dengan kristalisasi mampu menghasilkan produk dengan yield optimum. Metode Penelitian Di dalam penelitian ini terdapat dua tahap eksperimen, yaitu distilasi fraksinasi vakum dan kristalisasi. Pada tahap distilasi fraksinasi vakum, kondisi operasi yang digunakan adalah tekanan vakum -70 cmhg (gauge) dan volume minyak nilam bahan baku yang digunakan ml. Pada tahap kristalisasi, digunakan rancangan eksperimen factorial design 2 3 dengan variabel ratio massa seed (1% dan 2% dari massa minyak nilam), ukuran seed (80 dan 70 mesh) dan suhu seeding (10 dan 20 o C). Variabel tetap dalam tahap ini adalah massa dsitilat minyak nilam adalah 40 gr, suhu kristalisasi antara 60 0 o C, kecepatan pengadukan 40 rpm dan waktu kristalisasi selama 2 hari. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah minyak nilam dengan kadar PA 33,53% (Malya Optima), seed kristal PA dengan kemurnian 92,09% (Malya Optima) dan media penukar panas larutan ethylen glicol (Brataco). Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat distilasi fraksinasi vakum, kristalizer dan gas chromatography (GC). Distilasi Fraksinasi Vakum Pada tahap ini minyak nilam sebanyak ml (dilakukan 8 batch dengan masing masing ml) dimasukkan ke dalam labu distilasi. Kemudian menghidupkan pompa vakum. Lalu menghidupkan heating mantle untuk memanaskan labu distilasi. Setelah distilat menetes, dilakukan pengambilan distilat sesuai fraksi suhu yang diinginkan, yaitu fraksi I ( o C), fraksi II ( oc), fraksi III ( o C) dan fraksi IV ( o C). Kemudian menganalisa densitas dan kadar PA distilat distilat tersebut menggunakan gas chromatography (GC). Kristalisasi Distilat minyak nilam fraksi IV dari tahap fraksinasi sebanyak 40 gram, dimasukkan ke dalam kristalizer. Sebelum dilakukan pendinginan, distilat dipanaskan hingga mencapai suhu 60 o C selama 10 menit menggunakan waterbath. Kemudian distilat didinginkan dengan menggunakan sistem pendinginan chiller. Proses pendinginan dilakukan hingga mencapai suhu 0 o C selama 2 hari dan dengan kecepatan pengadukan 40 rpm. Pada saat suhu distilat minyak nilam mencapai suhu seeding (10 dan 20 o C), ke dalam kristalizer dimasukkan sejumlah seed dengan ratio massa (1 dan 2 %). Ukuran seed yang digunakan adalah 70 dan 80 mesh. Setelah 2 hari pendinginan, kristal dan mother liquor-nya dikeluarkan dari kristalizer. Kemudian kristal dan mother liquor ddipisahkan dengan sistem penyaringan menggunakan pompa vakum. Kristal yang telah diperoleh dicuci dengan air bidest dan dikeringkan pada suhu ruang selama 1 hari. Selanjutnya melakukan perhitungan yield kristal.

4 Distilasi Fraksinasi Vakum Minyak Nilam Hasil dan Pembahasan Proses distilasi fraksinasi vakum minyak nilam digunakan untuk memisahkan senyawa PA dari minyak nilam. Di dalam minyak nilam terdapat banyak senyawa senyawa organik terpen hidrokarbon maupun hidrokarbon beroksigen yang memiliki titik didih berdekatan seperti pada tabel 2.2. Distilasi fraksinasi dilakukan pada tekanan vakum karena untuk menghindari kerusakan minyak nilam, apabila proses distilasi fraksinasi pada tekanan atmosferik maka dibutuhan suhu yang sangat tinggi sesuai dengan karakteristik senyawa dalam minyak nilam [4], [10]. Bahan baku minyak nilam memiliki kadar PA sebesar 33,53%. Berikut adalah hubungan antara suhu fraksi distilat terhadap densitas dan kadar PA distilat minyak nilam hasil proses distilasi fraksinasi vakum : Gambar 1. Hubungan antara fraksi suhu dengan densitas dan kadar PA distilat minyak nilam. Pada gambar 1 menunjukkan perubahan densitas dan kadar PA distilat minyak nilam dari tiap tiap fraksi distilat. Dengan kenaikan suhu fraksi maka densitas dan kadar PA distilat akan mengalami peningkatan. Hal tersebut dikarenakan adanya pengaruh dari titik didih dengan berat molekul senyawa senyawa terpen dalam minyak nilam. Semakin meningkatnya suhu fraksi maka semakin banyak senyawa dengan titik didih tinggi yang terpisahkan dimana senyawa tersebut memiliki berat molekul yang tinggi termasuk senyawa utamanya yaitu patchouli alcohol (PA). Sehingga fraksi distilat akan memiliki densitas serta kadar PA yang semakin meningkat setiap kenaikan suhu fraksi. Beberapa senyawa terpen dengan titik didih tinggi dan berat molekul besar, antara lain : guaiene, norpatchoulenol, β-caryophyllene oxide, patchouli alcohol, dan pogostol. Dari hasil distilasi fraksinasi vakum, diperoleh bahwa distilat fraksi IV memiliki kadar PA tertinggi, yaitu 52,05 %. Dari hasil penelitian terdahulu yang telah dilakukan oleh Widiyanto dan Nugroho [10], distilat minyak nilam yang digunakan sebagai bahan baku proses kristalisasi PA adalah distilat berkadar PA lebih dari 50 %. Oleh karena itu, pada proses

5 kristalisasi ini menggunakan bahan baku dari distilat fraksi IV karena memiliki kadar PA lebih dari 50 %. Kristalisasi Kristalisasi PA dari distilat minyak nilam adalah proses pemurnian atau isolasi PA dari minyak nilam dengan proses pendinginan. Dengan proses kristalisasi akan diperoleh kristal PA dengan kemurnian yang lebih tinggi dan juga mampu meningkatkan nilam tambah produk industri minyak nilam. Di dalam tahap ini, seed PA yang ditambahkan akan mengalami pertumbuhan seiring dengan lamanya waktu operasi dan penurunan suhu minyak nilam dalam kristalizer. Dengan bertumbuhnya seed menjadi kristal PA, maka juga akan meningkatkan berat seed tersebut menjadi kristal yang utuh. Dalam proses ini, mekanisme pertumbuhan kristal (crystal growth) lebih berperan dibandingkan dengan nukleasi dikarenakan driving force supersaturasi hanya dikonsumsi oleh seed untuk bertumbuh menjadi kristal PA. Berikut adalah hasil eksperimen kristalisasi PA : Tabel 1. Hasil eksperimen kristalisasi PA Run Massa Minyak (gr) Ratio Massa Seed Ukuran Seed (mesh) Suhu Seeding ( o C) Massa Kristal (gr) % Yield Kristal % % % % % % % % % % % % % % % % Massa seed memiliki pengaruh terhadap produk kristal PA yang dihasilkan. Seed yang ditambahkan akan berfungsi sebagai induk kristal dimana molekul molekul solut (PA) akan menempel dan membesar menjadi kristal. Pada gambar 2 dan 3 menjelaskan bahwa dengan kenaikan massa seed mengakibatkan kenaikan yield kristal yang dihasilkan baik pada variabel ukuran seed 80 dan 70 mesh. Hal tersebut dapat disebabkan karena semakin meningkat massa seed yang diberikan, dengan laju pertumbuhan kristal (crystal growth) yang konstan dan dominan maka yield kristal akan semakin meningkat.

6 Gambar 2. Pengaruh ratio massa seed terhadap % yield kristal pada suhu seeding 10 o C. Gambar 3. Pengaruh ratio massa seed terhadap % yield kristal pada suhu seeding 20 o C. Ukuran seed memiliki pengaruh terhadap produk kristal PA yang dihasilkan. Semakin besar ukuran seed yang ditambahkan, maka luas permukaan seed akan semakin besar, sehingga meningkatkan potensi transfer massa solut dari larutan ke permukaan seed dan dimungkinkan laju pertumbuhan kristal akan semakin besar. Hal tersebut yang mengakibatkan massa atau yield kristal akan semakin meningkat. Gambar 4 dan 5 menjelaskan bahwa dengan peningkatan ukuran seed mengakibatkan penurunan yield kristal yang dihasilkan pada variabel massa seed 80 dan 70 mesh. Hal tersebut dapat disebabkan seed yang berukuran lebih kecil memiliki kecenderungan untuk mengalami proses pelarutan kembali (dissolusi) akibat adanya pengadukan. Selain itu, kristal kristal baru dari proses nukleasi maupun kristal yang baru saja akan terhambat pertumbuhan kristalnya sehingga massa kristal maupun yield kristal akan mengalami penurunan.

7 Gambar 4. Pengaruh ukuran seed terhadap % yield kristal pada ratio massa seed 1%. Gambar 5. Pengaruh ukuran seed terhadap % yield kristal pada ratio massa seed 2%. Suhu seeding juga memiliki pengaruh terhadap produk kristal PA yang dihasilkan. Semakin dingin suhu seeding, maka kemungkinan adanya peningkatan yield kristal semakin besar. Hal tersebut dikarenakan bahwa tingkat supersaturasi yang lebih besar sehingga menghasilkan sejumlah kristal berukuran kecil. Karena ada penambahan kristal kecil tersebut, maka yield kristal pun akan semakin meningkat. Pada gambar 6 dan 7 menjelaskan bahwa dengan kenaikan suhu seeding mengakibatkan kenaikan yield kristal yang dihasilkan baik pada variabel ratio massa seed 1 dan 2 % walaupun kenaikan tersebut tidak signifikan terutama pada massa seed 1 %. Hal ini dikarenakan efek supersaturasi kurang berpengaruh secara signifikan terhadap pertumbuhan kristal ataupun nukleasi [1], walaupun pada suhu 10 o C memilki supersaturasi lebih besar dibandingkan dengan suhu seeding 20 o C.

8 Gambar 6. Pengaruh suhu seeding terhadap % yield kristal pada ukuran seed 80 mesh. Gambar 7. Pengaruh suhu seeding terhadap % yield kristal pada ukuran seed 70 mesh. Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian ini adalah pemisahan atau peningkatkan kadar PA dalam minyak nilam dapat menggunakan metode distilasi fraksinasi vakum. Dari distilasi fraksinasi vakum, diperoleh 4 fraksi distilat dimana fraksi IV memiliki kadar PA tertinggi, yaitu 52,05 %. Pada proses kristalisasi, kenaikan massa seed berkontribusi pada kenaikan yield kristal sekitar 0,2 1,6%; sedangkan kenaikan ukuran seed berkontribusi pada penurunan yield kristal sekitar 1,6 5,2% dan kenaikan suhu seeding berkontribusi pada kenaikan yield kristal sekitar 2,0 5,2%. Yield kristal terbesar yaitu 26,43% diperoleh pada ratio massa seed 2%, ukuran seed 70 mesh dan suhu seeding 20 o C.

9 Daftar Pustaka 1. Al-Zoubi, N., dan Malamataris, S., Effects of Initial Concentration and Seeding Procedure on Crystallisation of Orthorhombic Paracetamol from Ethanolic Solution, International Journal of Pharmaceutics, 260(1), 2003, pp Busthan, M., Peningkatan Mutu Minyak Nilam Hasil Distilasi Vakum dengan Pengkelatan, Jurnal Hasil Penelitian Industri, 24(2), 2011, pp Hojjati, H., dan Rohani, S., Cooling and Seeding Effect on Supersaturation and Final Crystal Size Distribution of Ammonium Sulphate in A Batch Crystallizer, Chemical Engineering and Processing, 44(4), 2005, pp Isfaroiny, R., dan Mitarlis., Peningkatan Kadar Patchouli Alcohol pada Minyak Nilam (Pogostemon Cablin Benth) dengan Metode Distilasi Fraksinasi Vakum, Berkala Penelitian Hayati, 10, 2005, pp Kiyohara, H., Ichino, C., Kawamura, Y., Nagai, T., Sato, N., dan Yamada, H., Patchouli Alcohol : In Vitro Direct Anti-Influenza Virus Sesquiterpene in Pogostemon Cablin Benth, Journal of Natural Medicines, 66(1), 2012, pp Laksmono, J.A., Agustian, E., dan Adilina, I.B., Patchouli Alcohol Enrichment From Patchouli Oil Using Molecular Distillation Unit, Jurnal Teknologi Industri Pertanian, 17(3), 2005, pp O Sullivan, B., Smith, B., dan Baramidze, G., Recent Advances for Seeding a Crystallization Process : A Review of Modern Techniques, Mettler Toledo- AutoChem, Columbia, USA, Su, Z.Q., Wu, X.L., Bao, M.J., Li, C.W., Kong, S.Z., Su, Z.R., Lai, X.P., Li, Y.C. dan Chen, J.N., Isolation of (-)-Patchouli Alcohol from Patchouli Oil by Fractional Distillation and Crystallization, Tropical Journal of Pharmaceutical Research, 13(3), 2014, pp Tung, H., Paul, E.L., Middler, M., dan McCauley, J.A., Crystallization of Organic Compounds : An Industrial Perspective, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, Widiyanto, D. dan Nugroho, S., Pengaruh Kecepatan Pengadukan dan Volume Pelarut pada Kristalisasi Patchouli Alcohol dengan Metode Distilasi Vakum, Skripsi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Xian, X.F., Li, Y.C., Ip, S.P., Lin, Z.X., Lai, X.P., dan Su, Z.R., Anti-Inflammatory Effect of Patchouli Alcohol Isolated from Pogostemonis Herba in LPS-Stimulated RAW Macrophages, Experimental and Therapeutic Medicine, 2(3), 2011, pp