Food Technology

Salah satu tujuan utama pengemasan makanan adalah untuk menjadikan makanan dapat tahan lama (awet). Akan tetapi, proses yang dilakukan untuk mencapai tujuran tersebut biasanya dapat menyebabkan kerusakan nutrien dan komponen – komponen sensori pada makanan. Oleh sebab itu, teknologi pengemasan makanan terus dikembangkan dengan tujuan menjadikan makanan dapat tahan lama dengan meminimalkan kerusakan nutrient dan komponen – komponen sensori pada makanan tersebut.

Aplikasi teknologi plasma dalam industri pengemasan makanan lahir sebagai bentuk perkembangan dalam teknologi pengemasan makanan yang baik karena memiliki beberapa keunggulan seperti proses yang cepat dan minim menyebabkan kerusakan pada makanan.

Berikut ini merupakan aplikasi teknologi plasma dalam pengemasan makanan:

1. Fungsionalisasi dan aktivasi permukaan

Pada kemasan makanan berbahan dasar polimer, kemudahan dicetak dan sifat anti asap merupakan properti khas yang harus dimiliki. Dengan teknologi plasma, kedua kriteria tersebut dapat dipenuhi melalui fungsionalisasi dan aktivasi permukaan. Dalam tahap ini, plasma berfungsi sebagai penyesuai energi permukaan dengan cara mengatur adhesifitas, sifat hidrofobik, dan hidrofilik. Dalam pengaturan sifak hidrofobik dan hidrofil, ada dua hal yang menjadi perhatian yaitu terbentuknya lapisan permukaan anti asap dan penggunaan cat berbahan dasar air ataupun tinta. Lamanya waktu yang dibutuhkan dalam perlakuan plasma terhadap kemasan menentukan adhesifitas yang diperoleh.

Penggunaan lapisan plasma juga berguna dalam meningkatkan derajat kebasahan permukaan yang berpengaruh juga terhadap energi permukaan tersebut. Dengan adanya plasma, energi permukaan meningkat 1,5 kali lipat. Hal ini sangat berguna dalam penggunaan cat berbahan dasar secara ekologis.

2. Pelapisan permukaan

Pengawetan makanan dalam kemasan bergantung pada sterilitas dan kualitas kemasan itu sendiri. Sebagai contoh, untuk makanan atau minuman yang sensitivitasnya terhadap udara cukup tinggi harus dikemas dalam botol yang memiliki lapisan penghalang yang kuat

Gambar 1: Ruang dalam rekator selama perlakuan dengan plasma

Pelapisan botol PET dari dalam menggunakan SiOx dan HMDSO (heksametildioksan) dengan bantuan argon plasma merupakan cara baru dalam produksi botol PET berkualitas tinggi sebagai kemasan minuman tertentu. Dengan menggunakan plasma, lapisan SiOx setebal 50 nm dapat diperoleh hanya dalam waktu kurang dari lima detik. Padahal proses ini memakan waktu hampir puluhan kali lipat lebih lama tanpa adanya plasma. Penggunaan plasma juga meningkatkan kemampuan kemasan dalam menghalangi terjadinya difusi gas dalam rentang skala 3 -10. Selain itu, kemasan yang dilapisi menggunakan plasma, memiliki kemungkinan hampir 0% dalam terjadinya microcrack akibat spora.

3. Sterilisasi plasma

Sterilisasi dalam pemrosesan makanan merupakan suatu proses pengawetan makanan dengan cara memanaskan makanan pada temperatur yang cukup tinggi dalam waktu tertentu untuk menghancurkan mikroba dan aktivitas enzim. Dengan proses sterilisasi,biasanya makanan dapat bertahan hingga lebih dari 6 bulan pada temperatur ruang.

Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan. Berikut beberapa alasannya.

• Waktu inaktivasi spora yang singkat
• Beban termal yang rendah
• Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya
• Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi
• Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses, malah terjadi peningkatan kualitas material makanan
• Tidak perlu ada treatment lanjutan

Mekanisme sterilisasi dengan plasma:

1. Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV
2. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik
3. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching.

Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma). Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis.

Berikut ini merupakan skema ECR plasma:

Gambar 2 : Skema alat ECR Plasma

Sterilisasi meggunakan plasma berbeda karena agen aktif nya spesifik, seperti foton UV dan radikal. Keuntungan metode plasma adalah proses dapat dilakukan pada temperature rendah (500C), relative aman, dan mengawetkan keutuhan instrument dasar polimer, yang tak bisa dilakukan bila menggunakan autoklaf atau oven. Foton UV yang diemisikan akan di-reabsorpsi oleh gas ambient pada tekanan atmosfer.

Sumber:

1. http://itcanbeshown.com/NERS590/Plasma%20Sterilization.ppt
2. Dr. Anto Tri Sugiarto : Slide Kuliah Teknologi Plasma

Untuk keperluan tersebut, beberapa industri tekstil telah mengupayakan pemanfaatan batubara sebagai bahan bakar. Namun bahan bakar minyak maupun batubara, keduanya merupakan sumber daya alam yang terbatas dan dapat habis pada suatu saat. Oleh karena itu perlu dicari teknologi alternatif yang lebih efisien, hemat energi serta lebih ramah lingkungan. Salah satu dari teknologi alternatif tersebut adalah energi plasma. Penggunaan energi plasma mempunyai manfaat yang cukup besar karena dapat menyebabkan proses pengikisan (etching) dan pembentukan radikal bebas, disosiasi ikatan kimia, pembentukan ikatan silang pada permukaan polimer, dan lain-lain.

Contoh-contoh serat alami maupun yang dibuat oleh manusia telah membuktikan bahwa banyak potensi yang dimiliki plasma dalam pengolahan material tekstil. Ini telah dibuktikan dengan suksesnya pengolahan anti-penyusutan pada wool dengan simultan efek posif pada dyeing and printing. Bukan hanya stuktur kimia pada permukaan yang dimodifikasi menggunakan gas plasma yang berbedam tetapi juga topografi permukaanya. Permukaan yang sangat hidrofobik dengan topografi tertentu berkontak dengan air bisa menimbulkan debu dan kotor and mungkin terkontaminasi oleh bakteri dan jamur.

Penggunaan Plasma Untuk Inisiasi Grafting

Kapas

Kain kapas adalah kain yang terbuat dari serat kapas 100% yang molekulnya terdiri dari polimer selulosa. Serat kapas adalah serat selulosa alam yang mempunyai kutikula, lumen dan dinding sel yang kuat sehingga mempunyai kekuatan yang tinggi. Proses etching menggunakan GDP (glow discharge plasma) selama 20 menit menurunkan berat serat kapas sebesar 1, 9 %, sedangkan kekuatan benangnya dari 266 g turun menjadi 230 g, atau turun sebesar 13,5%. Serat kapas dengan ekspos 60 detik sudah dapat untuk inisiasi pada polimerisasi tempel (grafting) terhadap berbagai monomer. Monomer hidroksi etil metakrilat (HEMA) adalah yang paling besar kemampuannya untuk grafting pada kapas, disusul n-isopropil akrilamid (NIPA), metoksi etil akrilat (MEA), hidroksi etil akrilat (HEA), asam akrilat (AA) dan akrilamid (AMD).

Rayon Viskosa

Serat rayon viskosa adalah serat regenerasi selulosa yang dibuat dari pulp kayu cemara dan sejenisnya yang melalui serangkaian proses dan pemintalan basah dapat terbentuk serat. Oleh karena bahan dasarnya selulosa maka serat tersebut termasuk serat yang hidrofil. Serat rayon mempunyai berat molekul dan kristalinitas yang rendah dibanding serat kapas. Sehingga mempunyai kekuatan yang lebih rendah dan kandungan air (moisture regain) yang lebih tinggi, kurang lebih 12% (kandungan air kapas 8%). Pada proses etching dengan GDP selama 20 menit serat rayon mengalami penurunan berat sebesar 6%, sedangkan kekuatan benangnya turun dari 142g menjadi 105g atau turun sebesar 25,06%. Serat rayon viskosa yang terinisiasi selama 60 detik sudah mampu melakukan polimerisasi tempel (grafting) terhadap berbagai monomer. Kemampuan rayon viskosa untuk di-grafting dengan beberapa monomer berbeda dengan kemampuan kapas.

Poliester

Poliester adalah serat sintetik yang terbuat dari kopolimerisasi antara asam tereftalat dengan etilen-glikol membentuk polimer yang strukturnya sangat kristalin. Serat poliester sangat sedikit mengandung gugus hidrofil sehingga termasuk serat hidrofob dan pada kondisi normal mempunyai kandungan air (moisture regain) hanya 0,4%. Etching dengan GDP selama 20 menit menurunkan berat serat poliester sebesar 0,6%, sedangkan kekuatannya turun sebesar 19,2%. Sama halnya dengan serat kapas maupun rayon viskosa, serat poliester dapat melakukan polimerisasi tempeL terhadap berbagai monomer.

Nilon

Nilon (nilon 66) adalah serat sintetik yang terbuat dari kopolimerisasi antara asam adipat dan heksametilendiamin membentuk polimer dengan struktur supermolekuler yang sangat kristalin. Serat nilon relatif sedikit mengandung gugus hidrofil dan mengandung gugus amina, sehingga sifatnya lebih hidrofil dibanding poliester. Pada kondisi normal serat nilon mempunyai kandungan air (moisture regain) sebesar kurang lebih 4%. Proses etching dengan GDP selama 20 menit menurunkan berat serat nilon sebesar 6%, sedangkan kekuatannya turun dari 228g menjadi 219g atau sebesar 4,4%.

Akrilik

Serat akrilik termasuk serat sintetik yang merupakan polimer hidrokarbon linier yang mengandung banyak gugus akrilonitril (lebih dari 85%). Proses etching GDP selama 20 menit menurunkan berat serat akrilik sebesar 6%, sedangkan kekuatannya turun dari 202g menjadi 198g atau sebesar 1,98%.

Rayon Asetat

Serat rayon asetat adalah serat regenerasi selulosa yang dimodifikasi, sehingga mengandung gugus asetat dan sifat-sifatnya jauh berbeda dengan serat rayon viskosa maupun serat kapas.

Grafting serat-serat tekstil dengan monomer tidak menurunkan kekuatannya tetapi justru meningkatkan. Adanya monomer tertentu dapat menambah friksi antara serat satu dengan yang lainnya, sehingga kemungkinan terjadi selip lebih kecil.

Sumber:
Kailani, Zubaidi A. 2005. Pemanfaatan Energi Plasma dalam Proses Tekstil Untuk Memperbaiki Sifat-Sifat Kain.
Sparavigna, Amelia. Plasma Treatment Advantages for Textiles.
Höcker, Hartwig. 2002. Plasma Treatment of Textile Fiber. Pure Appl. Chem., Vol. 74, No. 3, pp. 423–427.

Sludge Oil

Dua bulan lalu, perairan Batam kedatangan tamu tak dikenal. Kapal tanker asing berbendera San Lorenzo, MT Seraya, berupaya mencurahkan sebanyak 6 ton sludge oil sisa daur ulang ke laut. Mereka membawa limbah tersebut tanpa dokumen lengkap. Perairan Batam memang berulang kali menjadi tempat pembuangan limbah bahan berbahaya dan beracun (B3) dari kapal, terutama kapal-kapal asing. Kasus pencemaran akibat oil sludge seperti ini juga pernah terjadi di Tarakan (Kalimantan Timur), Riau, Sorong (Papua), dan terakhir di Indramayu.

plasma

Tentu saja para pembuang limbah itu belum tahu tentang teknologi plasma. Teknologi plasma banyak diterapkan sebagai teknik pengolahan limbah, salah satunya limbah oil sludge. Oil sludge adalah endapan sedimentasi pada dasar tangki penyimpanan akibat oksidasi proses yang dipicu oleh kontak antara minyak, udara dan air. Oil sludge terdiri dari minyak (hidrokarbon), air, abu, karat tangki, pasir, dan bahan kimia lainnya.

Oil sludge dapat diolah lewat plasma suhu tinggi (thermal plasma). Thermal plasma adalah gas yang terionisasi dengan suhu tinggi diatas 10.000 û. Thermal plasma dapat dibuat dengan electric arc, yang terbentuk diantara dua elektroda, dalam sebuah alat yang disebut plasma torch. Dengan memasukkan gas seperti udara, argon, nitrogen, steam dan sebagainya ke dalam plasma torch, atom atau molekul gas akan bertumbukan dengan elektron yang terbentuk dalam electric arc. Hasil dari proses ini adalah panas dan gas terionisasi yang akan memproduksi thermal plasma jet dengan temperatur yang sangat tinggi. Plasma yang dihasilkan oleh plasma torch ini dipergunakan untuk menguapkan senyawa organik (hidrokarbon) yang terkandung dalam oil sludge. Senyawa organik yang menguap dapat dibentuk kembali dalam bentuk minyak, dan dapat dimanfaatkan.

Energi yang diperlukan dalam proses dibentuk dalam plasma torch. Gas yang dipergunakan dalam torch adalah argon atau nitrogen. Gas organik yang yang terbentuk dalam reaktor bersamaan dengan gas argon atau nitrogen kemudian dimasukkan ke dalam kondensor, untuk mengubah uap gas tadi menjadi cairan. Setelah melalui pendinginan dalam kondensor cairan yang terbentuk dari gas organik tadi adalah light oil yang 100% dapat dipergunakan kembali. Gas argon atau nitrogen sendiri dapat dipergunakan kembali dalam reaktor proses.

Normal operasi temperatur yang dipergunakan dalam proses ini adalah sekitar 800 hingga 1200 derajat Celcius. Kondisi dalam reaktor proses dikondisikan sedemikian rupa agar tidak terjadi proses oksidasi pada material hidrokarbon dan dapat mendukung proses pembentukan minyak pada kondensator. Residu yang dihasilkan dari proses ini akan bebas dari kandungan hidrokarbon, dan siap untuk dibuang ke TPA dengan aman.

Apabila pada oil sludge terkandung logam berat seperti timbal, proses lanjutan dengan plasma dapat dilakukan untuk mendaur ulang logam tersebut. Beberapa kelebihan dari pemanfaatan proses ini adalah energi efisiensinya dapat mencapai 80%. Hal ini jauh lebih tinggi dibandingkan pada proses yang menggunakan gas atau bahan bakar minyak lain yang hanya dapat mencapai 20%. Plasma proses akan lebih efektif jika diaplikasikan pada limbah oil sludge yang memiliki kandungan hydrocarbon di atas 10%. Selanjutnya, kandungan hydrocarbon pada residu yang dihasilkan berkisar dibawah 0.01% dari total hidrokarbon. Dengan penerapan plasma proses , maka limbah oil sludge dapat didaur ulang sehingga dapat menjadikan nilai tambah bagi industri perminyakan nasional.

Referensi: http://indeni.org/
Gambar: http://www.flickr.com/photos/25160595@N06/2374362016/
http://www.flickr.com/photos/miedo/62138622/

Sekilas Tentang Teknologi Plasma

Plasma dalam teknologi plasma dapat didefinisikan sebagai gas yang terionisasi, terdiri dari partikel neutron, ion positif, ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik. Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul. Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi terikat satu sama lain. Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi, energi tersebut berasal dari panas, listrik ataupun cahaya. Partikel-partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1. Plasma termal : T_elektron ~ T_gas
   Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating).
   Contoh: plasma matahari
2. Plasma non-termal: T_elektron > T_gas
   Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang
   Contoh: Aurora borealis

Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya: plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan, murah dan mudah, dan dapat digunakan berkali-kali. Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC, teknologi plsma pada TV, teknologi plasma pada pengolahan sampah, dan teknologi plasma sebagai cleaning technology.

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Cleaning Technology with Plasma

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia. Sebagai mana kita ketahui, efek negatif dari perkembangan industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam. Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri. Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna. Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas.

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx, akan dikontakkan dengan plasma. Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu. Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx. Salah satu contohnya adalah sebagai berikut:

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka, dkk.)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor. Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle. Tube dan nozzle ini terletak pada channels. Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal. Gas aditif seperti ammonia (NH₃) atau hidrokarbon seperti metana (CH₄) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat. Selain itu, penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk.

Contoh Reaksi: (HO₂, OH, H, adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma)

HO₂ + NO -> OH + NO₂
OH + NO₂-> NO₃ + H
H + NH₃ + NO₃ -> (NH₄)NO₃

Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik. Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH₄)NO₃.

Referensi:
1. Dr. Anto Tri Sugiarto : Slide Kuliah Teknologi Plasma
2. http://www.freepatentsonline.com/6852200.html