Liofilisasi

A. Prinsip

Liofilisasi adalah suatu proses pengeringan material dengan menyublimasi air

dari sampel beku. Proses ini bekerja dengan baik terhadap material yang sensitif

terhadap panas dan rusak secara keseluruhan atau sebagian jika pengeringna

dilaukan pada kondisi atomosfer kering. Hal yang mendasari proses ini yaitu: (1)

sampel dibekukan dan diterapkan secara vakum sehingga air akan tersublimasi

tanpa meleleh. Oleh sebab itu, proses ini disebut freeze drying (pengeringan

beku). Gambar 8.1 merupakan suatu diagram fase air. Berdasarkan gambar

tersebut dapat dilihat bahwa air akan tersublimasi pada berbagai suhu di bawah

0oC dan tekanan di bawah 4,57 torr. Umumnya, pengeringan beku digunakan pada

berbagai proses dengan operasional di bawah 100 Pa (0,75 torr).

Fotograf peralatan pengeringan beku ditunjukkan pada gambar 8.2. (A)

meruapakan tempat sampel. (B) merupakan tempat khusus bagi sampel sehingga

memudahakn sampel untuk ditambahkan atau dibuang tanpa mengganggu

keadaan vakum wadah sampel yang lainnya. (C) merupakan wadah penampung

air tersublimasi. (D) merupakan alat McLeod untuk mengukur tekanan dan (E)

merupakan pengukur suhu. Pompa (F) merupakan suatu pompa sederhana yang

merupakan suatu pompa seperti halnya kombinasi pompa difusi mekanik.

B. Sejarah

Bangsa Inca menyajikan bahan makanan mereka untuk disimpan dalam jangka

waktu lama dengan mengeringkannya pada puncak-puncak gunung. Keadaan ini

memberikan suatu suhu rendah, tekanan rendah dan radiasi panas. Hal inilah yang

disebut pengeringan beku, walaupun bangsa Inca belum mengenal proses tersbut.

Beberapa dari Anda telah melakukan pengeringan beku secara tidak sengaja tanpa

mengetahuinya. Freeze burn disebabbkan kombinasi sublimasi air yang berjalan

lambat pada makanan yang disimpan untuk beberapa waktu di dalam frezeer atu

lemari es dan merusak sel-sel bahan makanan dengan pembentukan kristal-kristal

es melalui pembekuan yang lambat.

R. Altman telah meneliti secara mikroskopik terhadap jaringan yang di-

pengeringan beku pada tahun 1890. Arrhenius dan Bequrel melaporkan bahwa

kehidupan dimuali oleh organisme-organisme yang mengalami pengeringan

bekuyang tiba di dunia ini dari luar angkasa dan tersusun oleh air. Becqurel

menalkulasikan bahwa jika suatu organisme yang kekurangan air dapat hidup 1

tahun pada 10oC maka suatu makhluk hidup dengan kondisi yang sama dapat hiup

lebih dari 70 juta tahun pada suhu -270oC, yang merupakan suhu di luar angkasa.

Proses pengeringan beku dikembangkan dalam skala besar selama Perang

Dunia II (1942) untuk proses plasma darah. Proses ini memudahkan selama

pelayaran karena air pada plasma darah telah dihilangkan dan material yang tidak

tahan dalam jangka waktu lama tidak mengalami kerusakan. Proses pengeringan

beku juga dilaporkan penggunaannya untuk industri makanan pada tahun 1949

namun kenyataannya tidak pernah dilakukan hingga tahun 1964. Proses ini

termasuk proses yang berperan penting secara umum terhadap berbagai aplikasi

seperti penyimpanan vaksin, antibiotik, farmasetikal, biakan virus dan bahan

pangan seperti: daging, ikan susu, buah-buahan dan sayuran serta kopi.

Bahan-bahan pangan yang dikeringbekukan mengalam sedikit perubahan

kurang baik dibandingkan dengan pengawetan melalui pengasaman,

penggaraman, pengalengan atau pemanasan. Produk tersebut memerlukan

penyimpanan dan transportasi lebih sederhana dan jika dilapisi dalam kondisi

vakum atau gas inert, biasanya lebih awet dari segi biologis dan fisik untuk waktu

yang lama.

C. Proses

Bahan-bahan yang dikeringbekukan pertama kali harus dibekukan terlebih

dulu di bawah titik beku eutektiknya. Eutektik merupakan suhu terendah di mana

dua atau lebih komponen akan mencair. Suhu eutektik dapat ditentukan pada

suatu sistem yang tidak diketahui dengan mengukur ketahanan listrik antara dua

sampel atau menampilkan analisis termal diferensial (ATD). Ketika suatu sistem

mengalami perubahan fasa, ketahanan dan suhu sistem tersebut berubah secara

siginifikan. Gambar 8.3 menunjukkan ATD jus jeruk berbagai konsentrasi.

Bx=Brix, suatu pngukuran konsentrasi gula berdasarakan rapat massa

menggunakan hidrometer. Tiap satuan derajat Bri setara dengan persentase massa

sukrosa dalam larutan gula.

Keadaan vakum sekitar 4-6 torr (0,53-0,80 kPa) adalah keadaan yang umum

digunakan dan hilangnya panas dengan tersublimasinya air biasanya akan

menjaga material yang dibekukan. Selama operasi skala kecil laboratorium

berlangsung, penampung sampel berada di sebelah kiri udara terbuka namun pada

aplikasi skala besar, panas diaplikasikan untuk menyediakan energi sublimasi

yang rata-rata lebih rendah yang diperukan agar material tetap beku. Kalor yang

diperlukan untuk menyublimasi 1 g es adalah 666 kalori (2,78 kJ). Kalor ini

disediakan dengan cara meletakkan wadah air hangat di bawah wadah sampel

dengan meradiasi sekitar dinding wadah atau memanaskannya dengan gelombang

mikro.sublimasi dari air yang dihangatka pada suatu wadah yang diberi kalor

seperti di atas terjadi pada kisaran 0,1-1,0 kg H2O/jam/m2. beberapa sistem

didinginkan di bawah -30oF karena tekanan uap selanjutnya akan turun sangat

rendah bagi sublimasi cepat.

Proses sublimasi pada tahap ini akan mengurangi kadar air hingga 90% namun

5-10% air yang terikat sulit untuk dihilangkan. Jika hal ini diperlukan untuk

menghilangkan air yang terikat maka suhu dapat ditingkatkan hingga 30-35oC dan

keadaan vakum dikurangi hingga beberapa puluh torr. Kombinasi suhu dan

tekanan juga dapat menghilangkan O2 dan membantu proses pengawetan bahan-

bahan. Proses menghilangakn air yang terikat pada suatu material sangat mahal

dilakukan dengan menyita waktu 25-30% total waktu proses.

D. Dampak Pembekuan

Pembekuan yang lambat akan membentuk kristal es yang besar yang mampu

memecah sel. Namun, hal ini disukai jika rehidrasi cepat diperlukan. Pembekuan

cepat menghasilkan kristal es yang halus dan beberapa kasus menghasilkan

perubahan warna dan tekstur yang tidak diinginkan pada hasil akhir. Oleh sebb

itu, perlu kontrol yang amat hati-hati selama pengeringan cepat jika produk

tersebut mengutamakan tampilan. Gambar 8.4 menunjukkan beberapa tipe kristal

es.

Jika sel mengalami pendinginan lambat, kristalisasi es mulai dari medium

terluar dan sel terdehidarsi berangsur-angsur. Hal yang sama, pendinginan yang

lebih cepat menghasilkan kristalisasi di luar sel. Dengan pendinginan sangat

cepat, kristal demikian itu akan terbentuk sangat sedikit dan pendinginan ultra

cepat dapat menhasilkan kristal yang begitu kecil di mana air intraselular tamak

seperti kaca. Gabungan suplai air dari suatu fase cair dan rata-rata kehilangan

kalor laten bebas yang tersedia menentukan langkah terbentuknya inti kristal.

Pergerakan molekuler berpran penting dalam perubahan fase cair menjadi padat,

terutama sekali suhu yang amat sangat rendah dan penurunan viskositas.

Beberapa metode dapat digunkan bagi makanan yang dibekukan dengan cepat.

Metode yang paling efisien adalah dengan memeram produk pada cairan yang

sangat dingin. Hal ini mengakibatkan pertemuan fase padat-cair selama

perpindahan panas dengan cepat. Nitrogen cair dan freon merupakan cairan yang

umumnya digunakan. Freon merupakan cairan pendingin yang paling terkenal

karena mudah terbenuk kembali. Freon merupakan suatu senyawa

diklorofluorometan (Freon-12) dengan ttik didih -30oC. Freon dignakan pada

tahun 1967 dan masih dgunakan karena kemudahannya untuk terbentuk kembali.

Namun, freon mulai dilaranh karena mampu meningkatkan penguraian ozon.

Polong-polongan dapat dibekkan dalam waktu 20-30 detik. Strawbery membku

sangat cepat sehingga buah tersebut akan terbelah maka strawbery terlebih dulu

disemprot sebelum dicelupkan ke dalam cairan pendingin. Contoh dari beberapa

penrapan ini seperti: udang, potongan daging ayam, bawang bombay goreng,

irirsan kacang polong, tepung roti, hamburger dan jagung utuh. Freon

mengevaporasi dengan sangat cepat bhan pangan pada suhu kamar dan diyakini

menjadi kontaminan. Produk-produk berpori mampu menyerap sejumlah besar

cairan freon seperti bahan baku roti yang tidak cocok untuk proses ini.

E. Teknik

1. Bagian-bagian komponen

1.1 Tempat Sampel

Gambar 8.5 merupakan foto dari tempat sampel. Alat-alat tersebut biasanya

tersusun atas dua bagian dan berbentuk O atau terlapis pelumas di antara bagian-

bagiannya. Ujung dari bagian terbawah alat ini biasanya terbuka lebar yang

berguna untuk membuang produk kering. Alat ini berukuran 25 sampai 1.000 mL.

Teknik pengisian tempat sampel yaitu dengan mengisi 1/3 hingga ½ penuh

dengan cairan pendingin. Tempatkan pada bagian bawah alat ke dalam wadah

berisis es kering-aseton atau isopropanol dan dimiringkan 60o atau sedatar

mungkin tanpa menumpahkan cairan pendingin. Putar secara perlahan alat

tersebut hingga sebuah laipsan padat sampel membeku mengitari bagian dalam

tempat sampel. Sampel dibekukan selama lebih dari beberapa menit, bagian atas

alat dihubungkan satu sama lain dan hubungkan sambungan tersebut ke kondensor

untuk melelehkannya. Teknik rotasi meningkatkan luas permukaan dan air dalam

hal ini lapisan tipis sekitar 1 cm atau lebih dapat tersublimasi dengan cepat.

1.2 Katup penghubung

Katup penghubung merupakan bagian utama kondensor. Alat ini

membolehkan mengenai sampel ke kondensor tanpa merusak lapisan vakum dan

tempat sampel lainnya. Sampel dapat juga dibuang bersamaan. Katup putih

mengaitkan bagian depan untuk mengontrol operasi. Katup tersebut biasanya

terbuat dari karet keras dengan pengaitnya berupa plastik di bagian dalam. Katup

ini termasuk pelat buang internal untuk mencegah kontaminasi sampel yang satu

dan lainnya. Katup ini juga berperan untuk membersihkan.

1.3 Kondensor Multiport

Kondensor multiport terbuat dari bahan stainless steel, biasanya dilas dengan

bebas untuk meminimalisir kebocoran vakum dan mengandung chamber di

bagian dalamnya dengan diameter 7-10 cm lebih kecil. Chamber bagian dalam

diisi es kering dan aseton atau isopropanol dan chamber biasanya digunakan

untuk membekukan sampel ketika proses dimulai. Tinggi kondensor sekitar 30 cm

dan berdiameter 22-25 cm. Kemajuan subimasi dapat diikuti secara kasar dengan

memperhatikan campuran es kering-aseton (isopropanol). Sewaktu es kering

terkondensasi, pendingin akan mendidihkan CO2 di dalamnya. Kadangkala, secara

begitu kuat di awal proses diperlukan peningkatan tekanan untuk mengurangi laju

sublimasi.

Kondensor cadangan lainnya jarang digunakan sebagai cadangan bagi

kondensor utama dan melindungi pompa vakum dalam hal ini kondensor utama

membuang cairan pendingin. Kondensor cadangan memiliki tinggi sekitar 20 cm

dan berdiameter 22 cm (Gambar 8.8). Tekanan diukur dengan memiringkan alat

McLeod yang memiliki rentang pengukuran berkisar 5 sampai 5.000 militorr.

Pompa biasanya dignakan sebagai kombinasi dari pompa mekanik bagian depan

dan pompa difusi minyak. Gambar 8.9 menunjukkan rangkaian alat yang tidak

secara komersil bekerja dengan baik untuk persiapan skala kecil laboratorium.

Ekstraksi cair-cair merupakan suatu proses di mana satu atau lebih komponen

campuran, biasanya di dalam air, secara selektif pindah ke pelarut lainnya,

biasanya pelarut organik. Ekstraksi cair-padat melibatkan penggunaan cairan

secara selektif untuk membuang komponen dari padatan. Secara umum, ekstraksi

pada skala laboratorium merupakan ektraksi batch yang melibatkan pemakaian

corong pisah. Teori dan teknik umum akan didiskusikan pada Bab 9.

Perbandingan jumlah zat yang terekstraksi dengan jumlah zat sisa ekstraksi

disebut perbandingan distribusi. Ada beberapa hal yang membuat perbandingan

distribusi rendah di mana diperlukan lebih banyak pelarut jika corong pisah

digunakan secara khusus. Hal ini menyebabkan tingginya biaya bahan-bahan

kimia dan upah pekerja dan penambahan biaya untuk pelarut diharapkan tidak

terjadi. Ekstraksi kontinyu, di mana sejumlah kecil pelarut digunakan untuk

mengekstrak sebagaian komponen kemudian dievaporasi, dikondensasi dan

digunakan kembali sebagai larutan ideal. Proses ini dapat diulang-ulang beberapa

hari jika diperlukan dan pada akhirnya, hanya sejumlah kecil volume pelarut yang

dibuang dan tidak digunakan. Ekstraktor berkelanjutan yang melibatkan pelarut

yang lebih ringan atau pun lebih berat massa jenisnya daripada air akan

didiskusikan pada Bab 10. secara luas, penggunaan peralatan untuk ekstraksi

komponen secara kontinyu dari padatan merupakan suatu bagian dari kelompok

ekstraktor yang dikembangkan oleh Soxhlet. Sampel diletakan pada pada kertas

saring berpori dan diletakkan pada tabung horizontal dengan bagian bawah

tertutup. Ekstraksi pelarut diteteskan dari atas ke padatan dengan melewati suatu

saringan dan dialirkan setelah beberapa saat. Proses ini diulang-ulang jika

diperlukan. Ekstraksi Soxhlet akan dibahas pada Bab 10.

Peningkatan lebih lanjut adalah memindahkan satu pelarut melewati yang lain

dengan berlawanan arah. Teknik countercurrent tidak hanya dapat memisahkan

beberapa komponen dari suatu sampel tetapi dapat memisahkan kompenen-

komponen tersebut secafra bersamaan. Selanjutnya, hal ini merupakan kombinasi

dari pemisahan secara ekstraksi dan kromatografi. Sentrifus kumparan berputar

yang dikembangkan oleh Ito akan didiskusikan pada Bab 11.

Banyak sedikitnya kemajuan teknik pemisahan sekarang ini merupakan

penggunaan beberapa pelindung permukaan sebagaiaman digunakan pada kolom

kromatografi cair kinerja tinggi tetapi membuat partikel menjadi lebih besar.

Partikel-partikel tersebut selanjutnya ditempatkan pada matriks berpori yang

berbentuk piringan yang berkisar US$. 10-lebih dan tersusun dari 1-3 cm kolom

panjang dengan diameter 1-2 cm. Ini dikenal sebagai fase padat dan ketika cairan

yang mengandung komponen-komponen yang akan dipisahkan melewati kolom

tersebut, komponen-komponen tersebut akan diekstraksi dari cairan. Komponen

tersebut selanjutnya akan terpisah dengan suatu pelarut yang berbeda

kepolarannya. Hal ini dikenal sebagai ekstraksi fase padat dan secara detail akan

disajikan pada Bab 12.

Satu masalah penggunaan cairan sebagai zat pengekstrak adalah

membuanganya ketika ekstraksi selesai dilakukan. Langkah terbaru yang

digunakan untuk mengeliminasi problem ini adalah dengan pemakaian gas

superkritis. CO2 merupakan gas yang dipilih pada hal ini. Bentuk dari gas

superkritis serupa dengan cairan namun lebih rendah viskositasnya sehingga gas

superkritis dapat memasuki sampel dengan cepat. Ketika ekstraksi selesai

dilakukan, tekanan dilepaskan dan gas menguap dan komponen hasil ekstraksi.

CO2 bersifat nonpolar sehingga komponen yang lebih polar seperti metanol

kadangkala ditambahkan dalam jumlah kecil. Ekstraksi dengan fluida superkritis

akan dirincikn pada Bab 13.