Produksi Pharmaceutical Grade Activated Carbon

Surface area atau luas permukaan adalah salah satu parameter penting untuk activated carbon. Tetapi parameter surface area tidak selalu mewakili kualitas dan penggunaan activated carbon tersebut. Hal ini karena terkait dengan ukuran molekul yang hendak dijadikan target penjerapan dari activated carbon tersebut. Activated carbon memiliki struktur ukuran pori dan distribusi yang berbeda-beda tergantung dari bahan baku dan proses produksi. Ukuran pori tersebut meliputi micropore (adsorption section, < 2 nm), mesopore (transport pores, 2-50 nm) dan macropore (access pores, 50-1000 nm). Tipikal komersial activated carbon memiliki internal surface area sekitar 1000 m2/gram dengan internal volume pori-pori 0,3-3 ml/gram. Suatu molekul tertentu dengan ukuran tertentu hanya bisa masuk ke pori-pori activated carbon tersebut apabila ukurannya lebih kecil, begitu juga sebaliknya. Target molekul yang akan dijerap dengan ukurannya harus disesuaikan dengan jenis activated carbon yang digunakan. 

Penggunaan activated carbon sebagai obat tercatat dimulai sejak penggunaan arang sebagai obat yang telah dilakukan pada zaman Yunani kuno. Penggunaannya saat itu untuk mengobati masalah pencernaan dan bahkan berlanjut hingga hari ini seperti mengatasi masalah over dosis obat di dalam perut. Seiring perkembangan zaman maka produk activated carbon bisa menggantikan penggunaan arang tersebut. Salah satu penggunaan penting activated carbon di bidang farmasi lainnya adalah untuk depyrogenasi larutan-larutan untuk infeksi-infeksi hypodermic. Larutan-larutan tersebut banyak terkontaminasi racun-racun bakteri tidak bisa dihilangkan dengan penyaringan (filtrasi) maupun dengan sterilisasi. Racun-racun tersebut memiliki reaksi-reaksi akut dengan makhluk hidup dan mengakibatkan kenaikkan suhu tubuh. Activated carbon ketika digunakan memiliki efek depyrogenation dan dapat digunakan langsung untuk hal tersebut. Hanya activated carbon dengan kemurnian tinggi yang bisa digunakan sehingga tidak mempengaruhi atau menimbulkan reaksi-reaksi lain dengan larutan tersebut. Pemurnian (purifikasi) dan penghilangan warna (decolorisasi) senyawa-senyawa seperti glycerol, asam laktat dan garam-garamnya, betaine, asam glutamat, serta tartaric acid dan garam-garamnya pada umumnya menggunakan activated carbon.

“Allah telah menurunkan penyakit dan juga obatnya. Allah menjadikan setiap penyakit ada obatnya. Maka berobatlah, namun jangan berobat dengan yang haram.” (HR. Abu Daud no. 3874. Sanad hadits ini dho’if kata Al Hafizh Abu Thohir).

“Rasulullah shallallahu ‘alaihi wa sallam melarang dari obat yang khobits (yang haram atau kotor).” (HR. Abu Daud no. 3870, Tirmidzi no. 2045 dan Ibnu Majah no. 3459. Al Hafizh Abu Thohir mengatakan bahwa hadits ini shahih)

Keprihatinan akan minimnya obat-obatan halal juga seharusnya menjadi motivasi tersendiri bagi para muslimin untuk memproduksi berbagai obat-obatan sendiri. Obat seperti halnya makanan dan minuman yang masuk ke perut kita tersebut tidak sembarangan saja kita konsumsi. Kehalalan produk-produk tersebut jauh lebih penting daripada manfaat atau khasiat yang diharapkan, sehingga harus benar-benar kita perhatikan (QS 80 : 24-32). Nabi Muhammad SAW memerintahkan para pengikutnya juga hanya berobat dengan sesuatu yang halal seperti dua hadist diatas. Activated carbon bisa digunakan sebagai obat maupun sebagai bahan pembantu untuk produksi berbagai berbagai macam obat-obatan juga harus dipastikan kehalalannya juga. Hal ini karena secara teknis activated carbon bisa diproduksi dari bahan yang haram misalnya tulang babi. Tentu hal ini masih membutuhkan banyak perjuangan kaum muslimin dengan penuh kesungguhan dan kesabaran sehingga benar-benar mendapatkan obat-obatan yang dibutuhkan jelas kehalalannya. 

Rotating Kiln Untuk Steam (Physical) Activation

Produksi activated carbon untuk penggunaan di sektor pangan dan farmasi atau obat-obatan hanya bisa dilakukan dengan aktivasi fisika yang sebagian besar menggunakan kukus (steam). Hal ini karena apabila menggunakan aktivasi kimia seperti dengan H3PO4, ZnCl2 dan KOH, maka dikhawatirkan terjadi kontaminasi produk activated carbon yang dihasilkan. Proses produksi dengan aktivasi fisika juga lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan aktivasi kimia. Selain itu untuk mendapatkan activated carbon dengan kemurnian tinggi maka kandungan-kandungan mineral dalam abunya seperti Ca, Mg, Si, Fe dan sebagainya juga harus diminimalisir seminimal mungkin bahkan kalau bisa bisa dihilangkan sama sekali. Proses penghilangan mineral-mineral pada abu tersebut dilakukan setelah proses aktivasi dengan pencucian. Sedangkan pada proses produksi activated carbon secara efisien sehingga sangat ekonomis, sebaiknya menggunakan unit pirolisis (karbonisasi) kontinyu sehingga selain dihasilkan arang sebagai produk utama, juga produk-produk samping yang bisa digunakan sebagai sebagai sumber energi, dan untuk lebih detail bisa dibaca disini. 

Produksi Activated Carbon Dari Cangkang Sawit

Selain bisa langsung digunakan sebagai bahan bakar, untuk produksi arang maupun produk torrified, cangkang sawit juga bisa diolah untuk nilai tambah lebih tinggi yakni menjadi arang aktif (activated carbon). Salah satu keunggulan activated carbon dari cangkang sawit selain porsi micropore yang mayoritas yakni lebih dari 80%. Hal ini membuatnya cocok untuk menangkap (recovery) emas dan perak dari larutannya. Hal lain yang membuatnya cocok untuk aplikasi tersebut yakni karena tingkat kekerasannya. Activated carbon dari cangkang sawit akan memiliki karakteristik mirip dengan activated carbon dari tempurung kelapa. Bentuk granul adalah activated carbon yang biasa digunakan untuk recovery emas dan perak tersebut. Bentuk granul dibuat dengan cara menghancurkan baik tempurung kelapa maupun cangkang sawit hingga ukuran tertentu. 

Rotating Kiln Untuk Steam (Physical) Activation 

Produksi cangkang sawit Indonesia dan Malaysia sangat besar, yakni lebih dari 15 juta ton setiap tahunnya yang berasal dari limbah pabrik kelapa sawit. Ada sekitar 17 juta hektar perkebunan sawit dari kedua negara tersebut sebagai sumber kelapa sawit dan merupakan yang terbesar di dunia saat ini. Pemanfaatan cangkang sawit bisa dioptimalkan untuk produksi activated carbon tersebut. Permintaan activated carbon diprediksi terjadi peningkatan sekitar 10% pertahun dan kebutuhan mencapai hampir 4 juta ton pada tahun 2021 senilai 8,12 milliar USD (, sedangkan data pada tahun 2015 tercatat produksi activated carbon global sekitar 2,7 juta ton senilai 4,74 milliar USD. Powdered activated carbon (PAC) memiliki pangsa pasar terbesar diikuti granular activated carbon (GAC). Tingginya kebutuhan PAC terutama didorong oleh kebutuhan di sejumlah industri seperti kimia, petrokimia, makanan dan minuman untuk aplikasi  decolorizarion dan deodorization. Lebih khusus lagi penggunaan pada fase cair memiliki porsi terbesar. Dan kawasan Asia Pasifik adalah lokasi pasar terbesar untuk activated carbon tersebut. Lokasi Indonesia dan Malaysia yang kaya bahan baku cangkang sawit juga di kawasan Asia Pasifik, artinya produsen dan pasar bisa dalam satu kawasan, sehingga juga seharusnya menjadi pemain utama komoditas ini. 

Seiring kesadaran terhadap kelestarian yang semakin besar produksi activated carbon dari bahan baku terbarukan akan semakin ditingkatkan. Perlu diketahui bahwa produksi activated carbon dunia saat ini masih didominasi activated carbon dari bahan baku tidak terbarukan (non-renewable) yang mencapai hingga 80% dan sebagian diproduksi di negara-negara barat. Produksi activated carbon dapat dilakukan secara aktivasi kimia maupun fisika. Aktivasi kimia tidak begitu banyak dilakukan pada skala industri karena terkait polusi lingkungan yang ditimbulkannya, walaupun yield lebih besar dan suhu operasi yang digunakan lebih rendah. Aktivasi fisika terutama dengan steam paling banyak dilakukan dan tipe aktivasi ini yang cocok untuk cangkang sawit. Rotary kiln adalah alat yang paling banyak digunakan untuk aktivasi steam atau fisika tersebut. 

Sebelum diaktivasi cangkang sawit dibuat menjadi arang. Proses produksi arang sebagian besar masih tradisional, yang membuat terjadinya banyak polusi udara, yield kecil dan kehilangan energi yang besar. Modernisasi teknologi untuk produksi arang perlu dilakukan untuk mengatasi hal-hal tersebut diatas. Pirolisis atau karbonisasi kontinyu adalah teknologi untuk produksi arang yang merupakan bahan baku arang aktif tersebut. Dengan pirolisis atau karbonisasi kontinyu tersebut juga akan membuat proses produksi activated carbon menjadi sangat efisien. Hal tersebut karena salah satu komponen biaya tertinggi untuk proses produksi activated carbon bisa dicukupi dari produks samping pirolisis kontinyu yakni syngas dan biooil. Untuk lebih detail bisa dibaca disini. 

Activated Carbon Untuk Industri Emas dan Perak

Pada awalnya arang kayu dengan luas permukaan 200 m2/gram digunakan untuk mengekstrak emas dan perak dari larutannya. Seiring perkembangan arang aktif yang memiliki luas permukaan 1000 m2/gram digunakan untuk hal tersebut tentunya juga dengan semakin meningkatnya efisiensi ekstraksi tersebut. Hal tersebut mendorong produksi arang aktif (activated carbon) di seluruh dunia. Tempurung kelapa (coconut shell) adalah bahan favorit untuk produksi arang aktif saat ini, dan cangkang sawit (palm kernel shell) sepertinya akan menjadi prioritas berikutnya.

Arang aktif (activated carbon) memiliki luas permukaan besar karena banyaknya pori-pori dari permukaannya. Pori-pori tersebut sengaja dibuat untuk meningkatkan efisiensi penjerapan (adsorption). Semakin banyak pori-pori terbentuk semakin luas permukaan activated carbon tersebut. Berdasarkan ukurannya pori-pori tersebut dibedakan menjadi macropore, mesopore dan micropore. Macropore adalah ukuran pori terbesarnya yang berada pada sisi luar atau permukaan activated carbon tersebut dan sebagai pintu masuk material yang akan dijerap (adsorb) selanjutnya melalui mesopore yang berukuran medium hingga terakhir ke micropore. Micropore inilah terminal terakhir material yang dijerap. Ukuran pori micropore berkisar 10 angstrom, mesopore 100-1000 angstrom dan macropore lebih besar 1000 angstrom (1 angstrom = 1e-10 meter). Bahan baku atau material activated carbon, pilihan proses aktivasi yang digunakan dan kondisi operasinya yang akan menentukan luas permukaan activated carbon tersebut yang terdiri dari macropore, mesopore dan micropore tersebut. Kekerasan dan kepadatan bahan juga sering menjadi pertimbangan penting mengingat penggunaan activated carbon itu sendiri, misalnya sejumlah ekstraksi dilakukan dengan pengadukan dan ada juga dengan operasi kolom. 

Penggunaan spesifik arang aktif untuk penjerapan material atau industri tertentu biasanya juga membutuhkan spesifikasi tertentu. Activated carbon yang digunakan pada fluida cairan akan optimal bila dirancang khusus pada kondisi tersebut, demikian juga yang akan digunakan pada fluida gas. Ukuran material target serta cara ekstraksinya akan menentukan spesifikasi teknis arang aktif tersebut. Demikian juga pada emas dan perak, yang ekstraksinya dengan pengadukan dan operasi kolom. Sehingga bahan baku dari tempurung kelapa umumnya masih menjadi pilihan utama karena memiliki tingkat kekerasan dan kepadatan yang tinggi sehingga tahan abrasi. Dan demikian juga cangkang sawit juga bisa digunakan mengingat level kekerasan yang juga tinggi. Sehingga activated carbon yang digunakan harus memenuhi kriteria berupa cukup keras, cukup aktif dan ukuran partikel yang sesuai. Pada ekstraksi emas activated carbon yang diproduksi dengan aktivasi fisika (steam activation) yang digunakan. Rotary kiln adalah alat aktivasi dengan bahan baku seperti tempurung kelapa, sedangkan alat fluidized bed dan multi hearth kiln umum digunakan untuk activated carbon dari batubara.

Activated carbon pada dasarnya bisa dibuat dari berbagai bahan yang mengandung karbon (carbonaceous material) seperti batubara, tempurung kelapa, cangkang sawit, kayu, bambu, heavy oil bahkan tulang. Setiap bahan, jenis aktivasi dan kondisi operasi prosesnya menentukan kualitas atau karakteristik activated carbon tersebut. Activated carbon dari tempurung kelapa memiliki banyak micropore, sedangkan activated carbon dari kayu didominasi mesopore dan macropore (micropore hanya memiliki porsi kecil) karena struktur kayu juga lebih terbuka. Untuk activated carbon dari batubara distribusi micropore, mesopore dan macropore hampir merata. Berdasarkan karakteristik diatas maka activated carbon tempurung kelapa banyak digunakan untuk menjerap molekul-molekul kecil dari gas dan cairan. Penggunaannya seperti masker gas, solvent recovery dan gold recovery. Sedangkan activated carbon dari kayu untuk penjerapan molekul-molekul besar seperti menjerap pewarna organik di industri. Sedangkan activated carbon batubara untuk penjerapan molekul-molekul organik dengan ukuran bervariasi dan penggunaannya umumnya untuk pengolahan air minum dan pengolahan air limbah. 

Setelah emas atau perak terjerap ke pori-pori activated carbon, tahap selanjutnya adalah memungut atau melepaskannya (delution) dari activated carbon. Ada 2 teknologi yang biasa digunakan untuk tahap ini yakni AARL elution process dan Zadra elution process. Perbedaannya electrowinning merupakan bagian integral Zadra circuit tetapi menjadi bagian terpisah pada AARL circuit. Zadra mendominasi di kawasan Amerika Utara sedangkan AARL mendominasi di Southern Hemisphere, tempat dimana teknologi tersebut awalnya dikembangkan. Manakah yang terbaik? Faktor operator dan kinerja alat yang lebih menentukan. 10 Nnegara produsen emas terbesar saat ini antara lain China, Australia, Amerika Serikat, Rusia, Afrika Selatan, Peru, Kanada, Ghana, Indonesia dan Uzbekistan.