Ahmad Zaki Mubarok Kimia Fisik Pangan 2014 1
Kristalisasi adalah proses dimana kristal padat dari suatu zat terlarut terbentuk pada suatu larutan. Komponen terlarut dipisahkan dari larutan dengan membuat suatu kondisi sehingga larutan menjadi lewat jenuh/supersaturated, sehingga zat terlarut mengkristal. Kristalisasi hanya dapat terjadi pada larutan supersaturated. Fase cair yang tersisa setelah pembentukan kristal disebut mother liquor. Suatu larutan dapat dibuat menjadi lewat jenuh/ supersaturated dgn beberapa cara, diantaranya: Penghilangan pelarut dengan evaporasi, membran separasi atau freeze concentration. Pendinginan larutan (kelarutan menurun dengan penurunan temperatur) 2
PEMEKATAN LIQUID Proses pemekatan dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu EVAPORASI MEMBRAN SEPARASI/MEMBRAN SEPARATION PEMEKATAN DENGAN PEMBEKUAN / FREEZE CONCENTRATION PEMEKATAN dg EVAPORASI Evaporasi adalah proses penghilangan air dengan proses pemanasan/pendidihan. Pemekatan dengan metode ini sudah dilakukan pada beberapa proses pengolahan yaitu:konsentrat jeruk, pasta tomat, dan susu kondensasi. Evaporasi juga digunakan untuk memekatkan garam dan gula sebelum proses refining. 3
PEMEKATAN dgn MEMBRAN SEPARASI Dasar pemisahan dengan membran adalah perbedaan permeabilitas membran semipermeable terhadap ukuran molekul yang berbeda. Molekul berukuran lebih kecil akan melewati membran dengan mudah daripada yang berukuran lebih besar. 4
PEMEKATAN dgn PEMBEKUAN Sebagian air dapat dibekukan menjadi kristal es untuk membuat suatu konsentrat. Selanjutnya kristal es dipisahkan dengan menggunakan suatu sistem pemisahan (umumnya dengan sentrifugasi). Aplikasi pemekatan dengan pembekuan sudah banyak dilakukan pada jus buah, kopi, dan teh. Bahan pangan berkualitas lebih baik (karena tidak ada aplikasi panas). 5
Tahapan kristalisasi 6
Proses kristalisasi meliputi 2 tahap: 1. Nucleation / nukleasi 2. Crystal growth / pertumbuhan kristal 1. Nucleation Misalnya suatu larutan terdiri dari satu zat terlarut murni dan satu pelarut murni. Kejenuhan didefinisikan sebagai konsentrasi maksimum zat terlarut yang dapat eksis dalam larutan dengan pelarut tertentu dan pada suhu tertentu. Jika larutan jenuh ini lebih terkonsentrasi atau didinginkan perlahan-lahan, zat terlarut masih tinggal di dalam larutan. Larutan tersebut kemudian dikatakan lewat jenuh/ supersaturated. Ketika tingkat kejenuhan larutan meningkat, zat terlarut mulai membentuk aggregat/kumpulan dalam larutan dalam suatu klaster. Pada tingkat kejenuhan rendah, klaster yang terbentuk kecil dan tidak stabil. Namun, ketika tingkat kejenuhan tertentu tercapai, klaster akan menjadi stabil dan cukup besar untuk membentuk suatu kristal. Pada titik ini, klaster menjadi nuclei, yaitu partikel padat yang dapat tumbuh menjadi kristal. 7
2. Crystal Growth Kristal tumbuh disekitar nuklei/inti sebagai akibat dari pengendapan zat terlarut dari larutan jenuh. Kelarutan kristal Campuran antara kristal dan mother liquor disebut dengan magma. Magma mengandung kristal dengan berbagai ukuran. Kristal yang kecil memiliki spesific surface yang lebih besar dibandingkan kristal yang berukuran besar. Sehingga kristal yang sangat kecil lebih terlarut dan dapat dalam kondisi keseimbangan dengan mother liquor. 8
Kelarutan kristal Tingkat kelarutan kristal yang berukuran kecil berhubungan dengan ukurannya sesuai persamaan Kelvin: ln β β = konsentrasi larutan = tegangan permukaan antara larutan dan senyawa terlarut V = volume molar senyawa terlarut R = konstanta gas (8,314 J/mol.K) T = suhu (Kelvin) L = ukuran partikel n = jumlah ion per molekul (n=1 jika senyawa tidak terdisosiasi, misalnya gula) Contoh soal: Berapa ukuran nuklei kristal sukrosa dalam keseimbangan dengan mother liquor pada kondisi superjenuh 115% pada suhu 20 o C? Diketahui tegangan permukaan antara kristal sukrosa dan larutan sebesar 0,003 J/m 2. Densitas kristal sukrosa sebesar 1600 kg/m 3. Berat molekul sukrosa = 342. 9
Jawab: V = M/ρ = 342/1600 = 0,00021375 m 3 /mol R = 8,314 J/K.mol Untuk sukrosa, n=1. ln β 4 ln 1,150,1398 40,000213750,003 18,314293 7,5 10 7,5! DIAGRAM FASE LARUTAN Misalkan suatu larutan pada titik A, kemudian suhu diturunkan hingga mencapai titik A. Pada kondisi tersebut es dapat mulai terbentuk. Pembentukan es tidak dimulai pada suhu 0 o C, karena fruktosa menyebabkan penurunan titik beku larutan. 10
DIAGRAM FASE Semakin banyak jumlah es yang terbentuk, larutan akan semakin terkonsentrasi dan titik beku akan semakin menurun. Komposisi larutan dan temperature es dan larutan akan berubah sepanjang coexistence line sampai mencapai titik C. Kemudian keseluruhan system akan membeku, membentuk es dan kristal gula. Titik C disebut eutectic point, yaitu perpotongan antara eutectic temperature dan eutectic composition. DIAGRAM FASE Misalnya dari titik A, dilakukan evaporasi untuk menghilangkan air sehingga mencapai titik B. Kemudian dilakukan pendinginan, ketika mencapai titik B maka akan terbentuk kristal fruktosa.2h 2 O, dimana larutan akan semakin encer dan mengikuti coexistence line hingga titik C ketika es mulai terbentuk. 11
DIAGRAM FASE Dengan demikian, pendinginan larutan pada komposisi dibawah eutectic composition akan menyebabkan terbentuknya es (seperti yang diharapkan pada freeze concentration), sedangkan pendinginan diatas eutectic composition akan menyebabkan terbentuknya kristal gula (seperti yang diharapkan pada manufaktur gula) KURVA PENDINGINAN Air Murni Dimulai dari titik A, temperature akan turun dengan bertambahnya waktu. Pendinginan akan berlanjut hingga mencapai titik B dimana temperature dibawah titik beku (0 o C). Hal ini terjadi karena diperlukan undercooling untuk proses nukleasi es. Kemudian suhu akan naik ke 0 o C dan akan konstan hingga seluruh air akan membeku. 12
KURVA PENDINGINAN Larutan Gula Pendinginan akan menurunkan suhu larutan hingga mencapai titik B, hal ini dikarenakan titik beku larutan lebih rendah dari air murni. Kemudian terjadi nukleasi pembentukan kristal es, dan dilanjutkan dengan terbentuknya kristal es. KURVA PENDINGINAN Larutan Gula Temperatur terus turun hingga titik D. Pada titik D terjadi nukleasi pembentukan kristal gula. Kemudian terjadi pembentukan kristal fruktosa-air hingga semua materi menjadi beku(titik F ). 13
Referensi: Walstra, P. 2003. Physical Chemistry of Foods. Berk, Z. 2009. Food Process Engineering and Technology. TERIMA KASIH 14