BAB I. ALIRAN FLUIDA

Diagram Alir Proses(Produksi Asam Amino (fed-batch fermentation))

Rekayasa proses menjadi aktivitas utama dalam pengembangan produk farmasi.

Sifat2 fisika fluida1. Viskositas

Tegangan geser, t =

2. Kompresibilitas - Fluida tak mampat (incompressible): cair - Fluida mampat (compresible): gas

3. Tegangan permukaan - Timbul karena gaya tarik molekuler di

permukaan cairan, sehingga luas permukaan cairan cenderung berada pada nilai terkecil.

TEKANAN FLUIDATekanan Hidrostatik Tekanan fluida saat diam Tekanan pada satu titik adalah sama besar

untuk semua arah Tekanan pada semua titik pada arah

horisontal adalah sama besar Tekanan hidrostatik bervariasi tergantung

pada densitas dan tinggi (kedalaman) fluida.

Mengukur Tekanan

Aplikasi dari

Tekanan di titik 1 adalah,

Jenis Tekanan 1. Tekanan absolut (mutlak)

Tekanan sebenarnya yang diukur terhadap kondisi vakum mutlak.

2. Tekanan gaugeTekanan yang diukur terhadap tekanan atmosfer

3. Tekanan Vakum Tekanan lebih rendah dari atmosfer dan diukur terhadap tekanan atmosfer

Latihan-1Tangki penyimpan berisi minyak nabati dengan densitas 917 kg/m3. Tinggi tangki 3,66 meter dan terbuka ke atomsfer. Tangki diisi dengan minyak hingga ketinggian 3,05 meter, dan juga berisi 0,61 meter air di bagian dasar. Tentukan tekanan:a) di dasar tangki b) pada kedalaman 3,05 meter dari permukaan cairan.

c) Tentukan tekanan gauge pada bagian bawah tangki

TEKANAN FLUIDAHeadTekanan fluida yang dikonversikan menjadi “tinggi” (head) kolom cairan.

Latihan-2Konversikan tekanan 1 atm (101,325 kPa) menjadi:a) Head dari air pada suhu 4o Cb) Head dari raksa pada suhu 0o C

MENGUKUR TEKANAN1) Manometer U Sederhana

Mengukur tekanan dalam bejana

Mengukur beda tekanan

Latihan-3Manometer U dipakai mengukur head atau pressure drop yang melalui flowmeter. Fluida berat adalah merkuri (densitas 13,6 g/cm3), dan diatasnya adalah air (densitas 1,00 g/cm3). Pembacaan manometer adalah R = 32,7 cm. Hitung beda tekanan.

2) Manometer U Dua Fluida

A = luas penampang kolom besar

a = luas penampang pipa Ro = pembacaan saat pa = pb Jika A jauh lebih besar dibanding aDan Ro = 0, maka,

3) Pipa Bourdon

4) Gravity SettlerMemisahkan dua cairan yang tidak saling larut dan berbeda densitas (dekanter)

JENIS ALIRAN1. Aliran laminer

2. Aliran turbulen

Pada kondisi apa terjadi aliran laminer atau turbulen?Bilangan Reynolds

U – Kecepatan fluida (m/s) D – diameter pipa (m) r – densitas fluida (kg/m3 ) h – Viskositas (Pa.s atau kg m/s)

ALIRAN FLUIDA DALAM PIPA Pada titik B dan D terjadi kecepatan fluida

maksimum. Pada titik A dan C fluida dalam kondisi diam. Kecepatan fluida berbanding terbalik dengan

tekanan di sekitar objek. Pada saat kecepatan maksimum, tekanan pada ohjek menjadi minimum

TEOREMA BERNOULLI- Fluida tak mampat mengalir dalam pipa pada

kondisi ideal (tidak ada kehilangan energi)- Energi mekanik total pada setiap titik,

U2/2 = energi kinetik persatuan massaP/ρ = energi aliran per satuan massaZg = energi potensial per satuan massa

- Antara titik A ke titik B

- Jika selama mengalir dari A ke B terjadi kehilangan energi karena gesekan, maka

a -> Faktor koreksi = 0,5 (laminer)= 1 (turbulen)

Pengukuran laju alir

Kehilangan Tekanan dalam Pipa Sepanjang pipa terjadi penurunan tekanan

(pressure drop) Kehilangan tekanan akibat penurunan tekanan

adalah suatu kerugian, yang besarnya

CONTOH

BAB II. FUNDAMENTAL PERPINDAHAN PANAS1) Perpindahan panas adalah proses yang sangat

penting dalam farmasi

2) Panas hanya dapat berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah

3) Perpindahan panas dapat berlangsung melalui tiga cara: Radiasi : melalui radiasi gelombang elektromagnetik Konveksi : melalui perpindahan massa Kondusksi : melalui getaran molekuler

Laju pindah panas: Berbanding langsung dengan beda suhu; dan Berbanding terbalik dengan hambatan panas

Perpindahan panas melalui dinding diberikan oleh persamaan Fourier

K = konduktivitas panasA = luas bidang pindah panas

PERPINDAHAN PANAS MELALUI DINDINGPerpindahan panas melalui dinding diberikan oleh persamaan Fourier

PERPINDAHAN PANAS DALAM PIPAPerpindahan panas melalui dinding pipa (T1 > T2)

Bila r2/r1 < 1,5 maka

Bila r2/r1 > 1,5 maka

Latihan-1Pipa stainless steel memiliki radius dalam 0,019 meter dan radius luar 0,024 meter. Konduktivitas termal stainless steel 34,606 J/m.s.K. Bagian luar pipa diberi insulasi dengan radius luar 0,051 meter dengan konduktivitas 0,069 J/m.s.K. Steam pada suhu 422 K mengalir dalam pipa. Suhu bagian luar insulasi 311 K. Hitung kehilangan panas per meter pipa.(Jawab: 64 J/s)

PERPINDAHAN PANAS ANTARA FLUIDA DAN DINDINGDua fluida yang terpisah oleh dinding setebal xw

h – koefisien pindah panas dalam dinding film

Persamaan umum,

U – koefisien pindah panas keseluruhan

Catatan:Koefisien pindah panas BUKAN sifat fisika bahan/alat, tetapi nilainya tergantung pada kondisi operasi perpindahan panas.

Latihan-2Hitung laju perpindahan panas dari bahan organik ke air jika luas bidang pindah panas 1 m2.

KEBUTUHAN PANAS Sejumlah cairan dengan kapasitas panas atau

kalor jenis tertentu akan dipanaskan dari suhu To ke T1.

Jumlah kalor yang diperlukan Q = m Cp (T1 - To)

Dalam aliran massa fluida (m) diganti dengan laju alir massa.

Latihan-3Susu dengan laju alir 4 kg/s dipanaskan dalam alat penukar panas (heat exchanger) dari suhu 5o C menjadi 30 oC. Kalor jenis susu 3,85 kJ/kg.oC (=3,85 kJ/kg K). Hitung laju kalor yang harus diberikan.JAWAB :

Latihan-4Dari soal latihan-4, jika sebagai pemanas dipakai steam jenuh bertekanan 2 bar(g), hitung kebutuhan steam. Asumsi: steam yang keluar penukar panas sebagai kondensat jenuh.Jaw :

BAB III. FUNDAMENTAL PERPINDAHAN MASSA

Perpindahan massa secara konseptual serupa dengan perpindahan panas.

Banyak proses pemisahan berdasar perubahan komposisi karena difusi. Dalam banyak kasus, difusi terjadi karena perbedaan konsentrasi. Satu komponen bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendahContoh:distilasi, pengeringan, evaporasi, dan kristlalisasi

DIFUSI MOLEKULER- Terjadi perpindahan massa dari kedua arah.- A berdifusi ke kanan, B berdifusi ke kiri, sampai

terjadi keseimbangan

DIFUSI LEWAT BAHAN STAGNAN- Terjadi perpindahan massa satu arah.- A berdifusi ke kanan, B tidak terdifusi

DIFUSI LEWAT ANTAR MUKATerjadi perpindahan massa melalui bidang antar muka

BAB III. POWDER Powder lebih sulit ditangani dan diproses

dibanding cairan dan gas, sebab sifat alirannya berbeda.

Powder dapat membentuk unggun dan berpengaruh pada densitas curah.

Rasio massa powder terhadap volume (termasuk ruang kosong) sangat bervariasi yang bergantung pada ukuran, distribusi ukuran dan bentuk

Variation densitas curah menyebabkan variasi dalam berat dan dosis.

SIFAT-SIFAT Asal powder

Dari kristalisasi, presipitasi, kondensasi, penggilingan dan pengringan hambur (spray drying)

Struktur Bentuk struktur kristal

Sifat-sifat lainUkursn partikel, bentuk, luas permukaan sepsifik, densitas partikel, kekuatan tarik, titik leleh, bentuk polimorfik

POROSITAS Fraksi ruang kosong di sela-sela tumpukan

partikel.

Nilai porositas berkisar antara 0,26-0,46 jika partikel berbentuk bola seragam

BAB IV. HUMIDIFIKASIPETA PSIKROMETRI

Latihan Udara dengan kelembaban 0,01 kg air/kg udara

kering dipanaskan dari 30oC menjadi 45oC Kemudian udara tersebut dialirkan ke dalam tangki

yang dilengkapi air sembur, sehingga udara dijenuhkan secara adiabatik (tidak ada panas masuk/keluar) hingga jenuh.

Udara pada suhu 35oC dan kelembaban 60% didinginkan hingga suhu 20oC. Berapa kelembaban akhir udara?

Latihan Pada pembuatan tablet effervescent

dibutuhkan kelembaban udara 40% pada suhu 25oC. Suhu ruangan 35oC dan kelembaban 80%. Bagaimana proses yang harus Anda lakukan untuk memperoleh kondisi tersebut?

BAB V. PROSES PENGERINGAN

Definisi Penguapan cairan dari bahan padat Pengurangan kelembaban bahan padat

Manfaat Melindungi obat dari pengaruh degradasi

Kecepatan degradasi akan bertambah dalam kondisi lembab atau berair

Melindungi obat dari pengaruh mikroorganisme

Memperbaiki sifat alir dan meningkatkan stabilitas granul

Memudahkan proses pengecilan

Teknik Pengeringan Pengeringan kontinu atau sinambung

(continuous drying)Pemasukan dan pengeluaran bahan berjalan terus menerus

Pengeringan tumpak (batch drying)

Pemasukan dan pengeluaran bahan dilakukan dalam siklus tertentu.

bahan dimasukkan, proses pengeringan

bahan, bahan dikeluarkan

Faktor-faktor yang Berpengaruh1. Luas permukaan

Semakin besar luas permukaan bahan yang dikeringkan, maka akan semakin cepat bahan menjadi kering.

2. Suhu Semakin besar perbedaan suhu (antara pemanas dan bahan), maka akan semakin cepat proses pindah panas berlangsung sehingga mengakibatkan proses penguapan semakin cepat pula. Atau semakin tinggi suhu udara pengering, maka akan semakin besar energi panas yang dibawa ke udara yang akan menyebabkan proses pindah panas semakin cepat sehingga pindah massa akan berlangsung dengan cepat pula.

3. Kecepatan udara Udara yang bergerak akan lebih banyak mengambil uap air dari permukaan bahan yang akan dikeringkan.

4. Kelembaban udara Semakin kecil kelembaban udara pengering maka semakin cepat proses pengeringan berlangsung.

5. Tekanan atmosfir dan vakum Semakin rendah tekanan ruang pengering, semakin cepat pengeringan, karena titik didih cairan menjadi lebih rendah

6. Waktu Dalam pengeringan di industri farmasi diterapkan konsep HTST (High Temperature Short Time), Short time dapat menekan biaya pengeringan.

Pemilihan Alat Pengering Kondisi bahan yang dikeringkan

Padat, pasta, bahan yang dapat mengalir, suspensi

Sifat–sifat bahan yang akan dikeringkan Kemudahan terbakar, ketahanan panas, ketahanan terhadap pukulan, bahaya ledakan, debu, sifat oksidasi

Jenis cairan yang terkandung dalam bahan yang dikeringkan Air, pelarut organik, kemudahan terbakar, beracun

Kuantitas bahan yang dikeringkan Operasi kontinu atau tidak kontinu Aspek ekonomi

TEORI PENGERINGANDefinisi

3. Equilibrium moisture (X*)Moisture content padatan ketika pada kondisi

kesetimbangan dengan tekanan parsial uap tertentu.4. Bound moisture :

moisture content padatan yang memberikan tekanan uap kesetimbangan kurang daripada tekanan uap cairan murni pada temperatur tertentu. 5. Unbound moisture :

moisture content padatan yang memberikan tekanan uap kesetimbangan sama dengan tekanan uap cairan murni pada temperatur tertentu.6. Free moisture

moisture content padatan yang berlebih dibanding dengan equilibrium moisture content sebesar X - X*

Hanya free moisture yang bisa diuapkan.

Soal Sebuah padatan basah dikeringkan dari kandungan air 80% menjadi 5%, basis basah. Hitung air yang diuapkan/100 kg padatan kering

Jawab:Kandungan air mula2 = 0,8/(1-0,8)

= 4 kg air/kg padatan kering Kandungan air akhir = 0.05/(1-0.05)

=0,0527 kg air/kg padat kering Air yang diuapkan = 950(4-0,0527) = 3750kg

Laju pengeringan menurun

Waktu pengeringan 1. Periode kecepatan konstan. Pengeringan dari X1 ke X2,

qc = [Ws (X1-X2)]/(A.Rc)

Ws = massa padatan kering; (bebas cairan) A = luas permukaan yang kontak dgn gasRc = laju pengeringan konstan X1 = kandungan cairan tiap satuan berat padatan kering (mula-mula)X2 = kandungan cairan tiap satuan berat padatan kering (akhir)

2. Periode kecepatan menurun.Jika laju menurun bersifat linier terhadap X,

qf = [Ws(Xc-X*)/(Rc.A)] ln (X1 - X*)/(X2 - X*)Lama pengeringan total:

t = qc + qf

Soal Kurva pengeringan berlaku untuk pengeringan batch suatu padatan. Padatan dikeringkan dari 25 ke 6%

‘moisture’. Berat padatan basah adalah 160 kg dan luas permukaan pengeringan 1 m2/40 kg berat kering. Tentukan lama pengeringan !

Jenis Alat Pengering1. Pengering Putar (rotary dryer)

Bahan basah diputar dalam silinder yang dikeringkan dengan aliran udara panas

Titik kritis

Laju pengeringan tetap

2. Pengering Beku (Freeze Drying) Cairan dihilangkan dengan mengubahnya dari

bentuk beku (es) ke bentuk gas (uap) tanpa melalui fase cair (sublimasi).

Pengeringan beku ini dapat meninggalkan kadar air sampai 1%, sehingga produk bahan alam yang dikeringkan menjadi stabil dan sangat memenuhi syarat untuk pembuatan sediaan farmasi dari bahan alam yang kadar airnya harus kurang dari 10%.

Selain rasa, bau dan kandungan gizinya yang umumnya tetap, hasil pengeringan bahan tersebut juga dapat disimpan pada suhu kamar dalam wadah bersegel

3. Spray Drying

Spray drying adalah pengeringan bahan sehingga dihasilkan produk berupa bubuk melalui semburan (hamburan) larutan.

Spray drying menggunakan atomisasi cairan untuk membentuk droplet. Droplet yang terbentuk dikeringkan menggunakan udara kering

Prinsip dasar Spray drying:Memperluas permukaan cairan yang akan dikeringkan dengan cara pembentukan droplet

Pengeringan sembur (spray drying) cocok digunakan untuk pengeringan bahan cair (larutan).

4. Drying Oven Sebagai pengering granul sebelum di proses

menjadi tablet. Kelebihan:

Cepat dalam proses pengeringan, Suhu merata di area pengering (di

sirkulasikan oleh pressure blower yang sekaligus berfungsi sebagai

untuk membuang uap air sisa proses pengeringan).

5. Tray Dryer Metode pengeringan yang sudah lama tetapi

sering digunakan untuk pengeringan bahan padatan, butiran, serbuk atau granul yang jumlahnya tidak terlalu besar.

Umumnya alat berbentuk persegi dan didalamnya berisi rak-rak yang digunakan sebagai tempat bahan yang akan dikeringkan.

Alat ini dapat digunakan dalam keadaan vakum dengan waktu pengeringan umumnya lama (10-60 jam).

6. Double Cone Vacuum Dryer Salah satu tipe pengering drum (drum dryer). Perbedaan vacuum dryer dan drum dryer

adalah pada penggunaan vakum sehingga proses pengeringan menjadi lebih cepat.Aplikasi penggunaan metode ini biasanya digunakan dalam pengeringan larutan atau suspense

7. Flash dryer Proses pengeringan yang terjadi di Flash dryer

berlangsung dengan sangat cepat (dalam hitungan mili sekon)

Digunakan untuk mengeringkan adonan basah dengan mendisintregasikan adonan tersebut kedalam bentuk serbuk dan mengeringkanya dengan mengalirkan udara panas secara berkelanjutan.

Cocok digunakan untuk mengeringkan bahan yang sensitif terhadap panas.

Tidak cocok digunakan untuk material yang dapat menyebabkan erosi dan berminyak.

Dipakai untuk pembuatan obat-obatan herbal

8. Fluidbed dryer Pengeringan untuk bahan serbuk dengan cara

mengalirkan udara panas dari bawah unggun serbuk, sehingga unggun “terfluidakan” (seperti fluida).

Perpindahan panas dan massa terjadi sangat baik. Karena udara panas bersinggungan dengan “intim”.

Dipakai untuk mengeringkan produk: farmasi, makanan, bahan kimia, polimer, mineral.

Rentang pemakaian luas termasuk powder, kristal, granul, dan butiran (prill)

9. Conduction Dryer Pengering yang pemanasannya secara tidak

langsung yaitu melalui dinding (terjadi transfer panas konduksi).

Dapat mengeringkan larutan, bubur, pasta, dan butiran yang mengandung pigmen, lempung, bahan kimia, dan garam-garam

Dapat mengendalikan kecepatan pengeringan dan mengontrol waktu retensi

Dapat menggunakan suhu yang rendah Kapasitas pengering dan kinerja tergantung

pada area perpindahan panas yang tersedia dan kondisi operasi untuk produk tertentu.

BAB VI. PROSES EKSTRAKSIDefinisi

Pemisahan solute (konstituen terlarut) dari bahan mentah (cair atau padat) dengan memakai pelarut (solvent)

Jenis Ekstraksi Cair-Cair (liquid-liquid extraction)

Bahan mentah berupa cairan Ekstraksi Padat-Cair (solid-liquid extraction)

Bahan mentah berupa padatan

TERMINOLOGI Solute

Bahan atau konstituen terlarut atau berada dalam bahan mentah yang akan dipisahkan

Mother LiquorCairan induk bahan mentah yang terdiri atas diluen dan solute

Ekstrak Larutan hasil ekstraksi terdiri atas solute dan solvent (sering terdapat sedikit diluen)

Rafinat Larutan sisa ekstraksi terdiri atas solute dan diluen (sering terdapat sedikit solvent)

EKSTRAKSI CAIR-CAIRPRINSIP PROSES EKSTRAKSIBahan mentah dicampur dengan pelarut sehingga konstituen terlarut “berpindah” ke dalam pelarut. Selanjutnya pelarut dipisahkan dari campuran.

Tahap Pencampuran

Pencampuran antara bahan mentah dan pelarut (solvent)

Pemisahan Pemisahan antara ekstrak dan rafinat

PRINSIP :

DIAGRAM TERNER

Ingat Hukum Lengan Pencampuran Titik M adalah hasil pencampuran antara F dan S dengan perbandingan berat F : S = 3 : 1

Konsentrasi Umpan F yang terdiri atas komponen A dan B dengan konsentrasi A sebesar xAF = 0,25

Diagram terner siku-siku.Komponen B tidak digambarkan Komponen B dapat dihitung berdasar hubungan

xA + xB + xC = 1

PERHITUNGAN EKSTRAKSIUmpan bahan mentah 100 kg yang terdiri atas A (solute) dan B (diluen) dengan fraksi berat A sebesar 0,3 diekstraksi dengan 200 kg pelarut C murni. Tentukan

(a) Komposisi ekstrak dan rafinat (b) berat ekstrak dan rafinat

Daerah satu fase

Derah dua fase

Sisi ekstrak

Sisi rafinat

Perhitungan jumlah ekstrak (E) dan rafinat (R) dapat dilakukan dengan 2 cara:

(1) Dengan aturan lengan E : R = RM : MEdan E + R = M = F + S

(2) Dengan neraca massa Total: E + R = F + SKomponen:

F xAF + R xAR = E xAE + S xAS F xBF + R xBR = E xBE + S xBS F xCF + R xCR = E xCE + S xCS

LATIHANCampuran sebanyak 1000 kg larutan 30 %-berat aseton dalam air diekstrak oleh 1000 kg TCE (1,1,2-trikhloroetana) dalam ekstraksi satu tahap. Tentukan:

a) banyaknya ekstrak dan rafinat (kg)b) komposisi ekstrak dan rafinat (%-berat)

Diagram terner aseton-air-TCE

EKSTRAKSI PADAT-CAIRPRINSIP

Pemisahan komponen yang terjerap dalam padatan tak aktif dengan bantuan pelarut cair.

Bahan-bahan konstituen terlarut (solute) kemudian dimurnikan dengan cara kristalisasi atau evaporasi.

Terjadi perpindahan massa solute dari fase padat ke fase cair (pelarut).

Perkolasi Bahan mentah padat dialiri pelarut.Dipakai untuk skala besar jika jumlah dan kandungan solute banyak

Maserasi Bahan mentah padat direndam dengan pelarut.Dipakai jika jumlah solute sedikit tetapi sangat berharga.

Maserasi BertekananMaserasi yang dikenai tekanan hingga solute ”terperas” keluar. Sangat mempersingkat waktu operasi ekstraksi

KISI-KISI UTSDIAGRAM ALIRMenjelaskan proses dalam diagram alir proses

Tekanan hidrostatik Tangki penyimpan berisi campuran minyak nabati. Akan ditentukan tekanan hidrostatiknya Aliran Fluida

1) Menentukan apakah aliran akan laminer atau turbulen berdasar nilai bilangan Reynolds

2) Menentukan kehilangan tekanan dalam aliran fluida jika diketahui faktor gesekan dan bilangan reynolds

PERPINDAHAN PANASKebutuhan Panas Menghitung kebutuhan panas untuk memanaskan fluida pada laju atau jumlah tertentu

Prinsip perpindahan massa Menjelaskan prinsip terjadinya perpindahan massa dalam unit proses

POWDERFraksi ruang kosong Menjelaskan arti dan manfaat pengertian ruang kosong dalam padatan

HUMIDIFIKASIPenentuan kelembaban suatu ruangan Menentukan proses membuat kondisi kelembaban ruang sesuai yang diinginkan dengan memakai peta psikrometri

PENGERINGANEnergi yang dibutuhkan Menentukan energi dan waktu yang dibutuhkan dalam pengeringan bahan padat

ESKTRAKSIKomposisi dan Jumlah Produk Menentukan komposisi dan jumlah produk ekstraksi satu tahap