DESAIN PROSES BERBASIS MEMBRAN

Lecture Note

DESAIN PROSES BERBASIS MEMBRAN I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti

Diktat Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung 2014

Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

1

Diktat Kuliah

DESAIN PROSES BERBASIS MEMBRAN

I G. Wenten A. N. Hakim Khoiruddin P. T. P. Aryanti

Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung 2014


2

DAFTAR ISI BAB 1

Desain Modul

BAB 2

Desain Sistem

BAB 3

Related Inventory

BAB 4

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial

Pendahuluan Modul Plate & Frame Modul Spiral Wound Modul Hollow Fiber Modul Capillary Modul Tubular

Operasi Modul Dead-End Cross-Flow Hibrid Dead-End dan Cross-Flow Skema Aliran Batch dan Kontinyu Single Pass dan Recirculation Cascade

Pengendalian Proses Pompa Material

Pengolahan Air Industri Pangan Industri Bioteknologi Industri Farmasi Industri Medis Industri Kimia


3

DESAIN MODUL Pendahuluan Pemisahan membran telah diaplikasikan secara luas di berbagai industri. Selain oleh sifat membran, kinerja pemisahan sangat ditentukan oleh desain proses, yang meliputi desain modul dan desain sistem.

Gambar 1.1 Ilustrasi skematik yang menunjukkan ruang lingkup desain proses berbasis membran

Modul merupakan unit terkecil dimana membran dengan area tertentu disusun. Desain modul membran yang memberikan area membran yang besar dan ekonomis menjadi penting untuk aplikasi pemisahan membran secara industrial.

Peranan Modul 1. Menyokong membran 2. Menyediakan pengaturan fluida yang efektif

Konfigurasi Modul yang Umum Plate & Frame

Spiral Wound

Tubular

Hollow Fiber

Gambar 1.2 Jenis-jenis desain modul Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

4

DESAIN MODUL Modul Plate & Frame Karakteristik modul plate & frame:  Menggunakan modul flat-sheet yang ditempatkan di atas sebuah plate  Flow channel biasanya tipis (1-3 mm), terkadang dipasang dengan channel spacer  Membran disusun dalam flow channel yang dihubungkan secara seri/paralel  Support plate: bentuk disc/elliptical dengan aliran umpan secara radial menuju masuk/keluar atau dari satu sisi elliptical disc ke sisi yang lain. Rectangular dengan aliran dari satu ujung ke ujung yang lain.  Menyediakan karakteristik mode surface per volume yang lebih baik.   

Gambar 1.3 Modul plate and frame

Cenderung digunakan untuk aplikasi skala kecil sampai medium pada niche area Modul dapat dikunci dengan tekanan (misalnya, electrodialysis stacks) atau didesain seperti kaset. Terbatas untuk operasi tekanan rendah, maka untuk proses MF/UF

Gambar 1.4 Skematik modul plate and frame Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

5

DESAIN MODUL Modul Spiral Wound Karakteristik modul spiral wound:  Menggunakan gulungan flat-sheet yang mengelilingi pipa sentral  Sisi internal berisi permeate spacer yang didesain untuk menyokong membran  Permeate spacer berpori dan conduct permeat ke pipa permeat  Feed channel spacer ditempatkan di antara the leaves (tinggi channel 1-2 mm) 

 

 

Tekanan aksial berkurang pada sisi umpan & tekanan radial berkurang pada sisi permeat Side product distribution of transmembrane pressure drop. Beberapa desain memiliki special flow distributor pada upstream face untuk meminimalkan maldistribution Diameter standard (2,5’; 4’; 8’) Konsep paling umum untuk skala besar UF, NF, RO

Gambar 1.5 Modul spiral wound Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

6

DESAIN MODUL Modul Tubular

Karakteristik modul tubular:  Permukaan membran aktif pada bagian dalam tube  Diameter tube 5 – 25 mm  Modul mirip dengan shell and tube heat exchanger, dengan tube dihibungkan secara seri dan paralel  Beberapa desain, membrane tubes dimasukkan ke dalam perforated metal support tube  Umumnya dioperasikan pada rejim aliran turbulen yang memberikan pengendalian polarisasi konsentrasi yang baik, tetapi biaya relatif tinggi  Paling cocok untuk umpan kotor  Modul NF tubular memiliki beberapa niche applications pada skala medium

Gambar 1.6 Modul tubular

Gambar 1.7 Skematik modul tubular


7

DESAIN MODUL Modul Hollow Fiber Kelebihan:  Kebutuhan energi rendah  Permukaan per satuan volume besar  Fleksibel  Biaya operasi rendah

Kelebihan:  Kebutuhan energi rendah  Permukaan per satuan volume besar  Fleksibel  Biaya operasi rendah

Gambar 1.8 Modul hollow fiber Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

8

DESAIN MODUL Ringkasan Unit tubular memiliki rasio area permukaan:volume yang paling rendah dari semua konfigurasi modul.

Gambar 1.9 Hubungan antara ukuran channel dan rasio area permukaan:volumr dari modul-modul membran (Cheryan, 1998)


9

DESAIN MODUL Ringkasan

Tablel 1.1 Karakteristik dari masing-masing desain modul Karakteristik Densitas packing Penggunaan energi Pengaturan fluida dan pengendalian fouling Standarisasi Penggantian Pembersihan

Kemudahan pembuatan Keterbatasan pada NF

Plate-frame Moderat Moderatrendah (laminer) Moderat

Tidak Sheet Moderat

Spiral-Wound Tinggi Moderat (spacerlosses)

Tubular Hollow fiber Moderat-rendah Tinggi Tinggi (turbulen) Low (laminer)

Baik (tidak ada padatan) Buruk (ada padatan) Ya Element Bisa sulit (padatanpadatan)

Baik

Baik-moderat

Tidak element Memungkinkan dengan backflush Moderat Burst pressure of fibre

Sederhana

Kompleks

Tidak Tube/element Memungkinkan pembersihan secara fisik Sederhana

Pressure containment

Tidak ada

Tidak ada

Tablel 1.2 Aplikasi dari masing-masing desain modul Aplikasi

Tubular

Kapiler

Hollow fiber

Plate & frame

Spiral wound

RO

+

-

++

+

++

UF

++

+

-

++

+

MF

++

+

-

-

-

++

++

++

++

-

++

-

++

-

Pervaporasi*

Permeasi gas

-

Elektrodialisis

-

-


10

DESAIN SISTEM Operasi Modul Dead-End Operasi dead-end adalah desain yang paling sederhana. Filtrasi dengan operasi dead-end merupakan proses batch, yang berarti bahwa filter (membran) akan mengakumulasi partikelpartikel sehingga air tidak dapat melewati membran. Akumulasi partikel pada permukaan membran menyebabkan peningkatan tekanan yang dibutuhkan untuk mempertahankan aliran, dan pada suatu titik, membran perlu dibersihkan atau diganti. (Baker, 2004)

Gambar 2.1 Skematik operasi modul dead-end

Cross-Flow

Gambar 2.2 Skematik operasi modul cross-flow

 Pada filtrasi cross-flow, air umpan secara tangensial melalui permukaan membran. Aliran umpan terpisahkan menjadi aliran permeat dan rentetat (konsentrat).  Laju alir minimum melewati membran diperlukan untuk secara efektif menjelajah permukaan membran  Secara periodik, membran perlu dibersihkan  Operasi cross-flow memiliki kecenderungan terhadap fouling yang lebih rendah daripada dead-end, sehingga lebih disukai untuk aplikasi industri. (Mulder, 1996) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

11

DESAIN SISTEM Operasi Modul Cross-Flow Untuk desain modul dan larutan umpan tertentu, kecepatan cross-flow merupakan parameter penting yang menentukan perpindahan massa dalam modul. Operasi cross-flow dibedakan menjadi:  co-current  counter-current  cross-flow (Mulder, 1996; Baker, 2004).

Gambar 2.3 Skematik operasi modul : (a) cross-flow; (b) co-flow; (c) counter-flow ((Baker, 2004)

Hibrid Dead-End dan Cross-Flow Keuntungan dari sistem dead-end adalah recovery yang tinggi karena umpan dengan sepenuhnya melalui membran. Akan tetapi, operasi dead-end memiliki kelemahan yang signifikan dengan penurunan fluks yang besar karena penyumbatan dan fouling. Hibrid antara sistem dead-end dan cross-flow dapat mengkombinasikan keuntungan dari kedua sistem dan mengurangi kelemahannya. (Mulder, 1996)

Gambar 2.4 Skematik operasi modul hibrid dead-end dan cross-flow


12

DESAIN SISTEM Skema Aliran Sistem Batch dan Kontinyu Sistem Batch Tipe sistem pengoperasion paling sederhana adalah proses batch. Dalam sebuah unit, suatu larutan umpan dengan volume tertentu disirkulasikan melalui sebuah modul dengan laju alir yang tinggi. Proses ini berlangsung sampai pemisahan yang dibutuhkan tercapai, yang kemudian larutan konsentrat dikeluarkan dari tangki umpan, dan unit siap untuk pengolahan batch larutan kedua. Proses batch cocok untuk operasi skala kecil yang umum di industri-industri farmasi dan bioteknologi. (Baker, 2004) Gambar 2.5 Diagram skematik sistem batch Pada proses mikrofiltrasi, untuk mengurangi konsumsi energi, dapat digunakan konfigurasi batch standard yang lebih sederhana dan lebih murah. Konfigurasi batch ini dapat mengurangi kebutuhan energi 30 sampai 50% dengan mengorbankan fluks rata-rata yang agak lebih rendah. hat lower average flux. (Winston dan Sirkar, 1992)

Sistem Kontinyu Pada proses kontinyu, digunakan laju alir umpan yang kontinyu. Umumnya pada proses ultrafiltrasi kontinyu modul disusun secara seri untuk mendapatkan pemisahan yang dibutuhkan dalam sekali lewat (single-pass). Pada sistem ini, volume larutan yang besar disirkulasikan secara kontinyu melalui modul membran. (Baker, 2004)

Gambar 2.6 Diagram skematik sistem kontinyu


13

DESAIN SISTEM Skema Aliran Sistem Single-pass dan Recirculation Sistem Single-pass Pada sistem single-pass, larutan umpan dilewatkan hanya sekali melalui satu atau beberapa modul, dengan kata lain tidak ada sirkulasi. Maka volume larutan umpan akan menurun dengan panjang lintasan. Pada desain muti-stage single-pass, kehilangan volume ini dikompensasi dengan menyusun modul dalam ‘tapered design’ atau desain yang meruncing. (Mulder, 1996)

Gambar 2.7 Sistem single-pass

Sistem Recirculation Pada sistem recirculation, umpan diijinkan untuk beberapa kali melewati one-stage, yang terdiri dari beberapa modul. Tiap stage dipasang dengan recirculation pump yang memaksimalkan kondisi hidrodinamika, sementara pressure drop setiap single-stage rendah. Sirkulasi kembali umpan lebih disukai pada kasus-kasus dimana fouling dan polarisasi konsentrasi banyak terjadi seperti pada mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. (Mulder, 1996)

Gambar 2.8 Sistem recirculation


14

DESAIN SISTEM Skema Aliran Cascade Desain single-stage sering tidak menghasilkan produk dengan kualitas yang diinginkan dan untuk alasan ini, aliran rentetat atau permeat harus diolah pada stage kedua. Kombinasi dari stage-stage disebut cascade. Operasi cascade menggunakan sejumlah besar unit-unit, dimana permeat dari stage pertama diumpankan ke stage kedua, dan seterusnya. Dengan operasi ini, produk dengan kemurnian yang sangat tinggi mungkin untuk dihasilkan. (Mulder, 1996)

Gambar 2.9 Sistem cascade Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

15

DESAIN SISTEM Skema Aliran Cascade: Tapered Mode  Kecepatan cross-flow yang melalui sistem konstan  Panjang lintasan dan pressure drop total besar  Rasio volume antara umpan awal dan rentetat sangat ditentukan oleh konfigurasi sistem dan bukan oleh tekanan yang digunakan. (Mulder, 1996)

Gambar 2.10 Sistem cascade dengan tapered mode

Cascade: Free Recycle Mode  Umpan ditekan dan diijinkan untuk beberapa kali melalui stage filtrasi yang terdiri dari beberapa modul  Setiap stage dilengkapi dengan pompa recycle untuk mempertahankan aliran balik rentetat sementara memaksimalkan efisiensi pemisahan. (Mulder, 1996)

Gambar 2.11Sistem cascade dengan free recycle mode


16

DESAIN SISTEM Skema Aliran Ringkasan Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam desain proses sebuah sistem membran (khususnya mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi), semuanya dirangkum pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.12 Faktor-faktor penting untuk desain proses sistem sebuah sistem membran (Cheryan, 1998)


17

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Pengendalian Proses: PLC dan OIS Sistem-sistem pengendalian berbasis mikroprosesor umumnya terdiri dari sebuah programmable logic controller (PLC) dengan sensor and alarm. PLC mengendalikan parameter-parameter dan alat-alat yang otomatiskan. PLC diprogram dalam ladder logic dan memberikan logic control in a step-wise fashion. (Singh, 2006)

www.labvolt.com

Sebuah operator interface system (OIS) digunakan untuk mengindikasikan dan mencatat data sebagaimana yang dikumpulkan oleh PLC. OIS dapat menjadi sebuah mesin yang dikhususkan dengan sebuah built-in display atau sebuah personal computer (PC) dengan software aplikasi OIS dan sebuah PLC interface card. (Singh, 2006) www.labvolt.com

Aplikasi PLC – Sistem Elektro-Mekanik

Aplikasi PLC - Sistem ElektroPneumatik

www.labvolt.com www.labvolt.com


18

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Pengendalian Proses: PLC dan OIS Semua instrumen dan sistem penendalian harus memberikan sebuah cara untuk melaksanakan pengendalian proses inter-lock, alarm, dan algoritma untuk mencegah gangguan bahaya, dan untuk shutdown peralatan proses dengan aman. Alarm membiarkan operator mengetahui ketika sebuah proses menyimpang cukup jauh dari kondisi normal, dan aksi cepat dijamin untuk mencegah insiden kualitas atau keamanan. (Singh, 2006)

www.consultants-online.co.za

INDUSTRIAL RO SYSTEM WITH PLC CONTROLLER

Features: 1. Secara efisien menghilangkan sampai 95% padatan terlarut total 2. Dikontruksi in safety features untuk melindungi pompa tekanan tinggi dan membran 3. On-line device untuk memonitor kualitas air yang diolah 4. Sistem pembersihan membran 5. Sistem auto flush 6. Kontroler PLC 7. Pre-treatment filter 8. Pompa umpan www.kiwipumps.com


19

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Pompa: Kriteria Pemilihan Pompa dan Pengendalian Tujuannya adalah untuk memilih pompa dengan titik yang ditaksir (desain) sedekat mungkin dengan titik efisiensi terbaik seperti yang ditentukan oeh pabrikan. (Singh, 2006)

Typical centrifugal pump curves

Setiap pabrikan pompa menyediakan kurva spesifik dari suatu pompa, seperti yang ditunjukkan di atas. Kurva tersebut menghubungkan head, laju alir, daya, NPSHR, dan efisiensi untuk diameter impeller spesifik untuk pompa khusus. (Singh, 2006)

HEAD

FLOW RATE

POWER

•Total Dynamic Head (TDH) •Net Positive Suction Head Required (NPSHR) •Material and Energy Balance •Determines the capacity of the pump •Brake Horsepower (BHP) •Efficiency

Pump brake horsepower (BHP) berhubungan dengan laju alir (Q, (gpm)), total dynamic head (TDH atau H (ft)), specific gravity (S.G.) dan efisiensi (η) dengan hubungan: BHP =(H x Q x S.G.)/(3960 x η) Efisiensi ditetapkan oleh pabrikan pompa pemilihan pompa akhir dibuat. Biasanya itu berdasarkan pada uji-uji toko mereka untuk pompa-pompa yang model dan ukuran sama.


20

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Pompa: Kriteria Pemilihan Pompa dan Pengendalian Tujuan dari pengendalian pompa adalah untuk mempertahankan setelah kondisi proses dan mengoperasikannya dengan aman. (Singh, 2006)

Kecepatan pompa dapat dikendalikan dengan menggunakan variable frequency driver (VFD) terutama ketika kapasitas pompa sangat bervariasi. VFD termasuk power recovery turbin elektrik, elektromekanik, mekanik dan hidrolik.

Seringnya nyala dan mati dapat merusak pompa dan motor; karenanya tangki penyimpanan dirancang untuk mengakomodasi perubahan level dengan menyediakan tempat penyimpanan yang memadai (waktu tinggal).

Throttling dicapai dengan pengendali laju alir dan sebuah control valve pada aliran dicharge. Aliran yang terkontrol seringkali dicapai dengan self-regulating (modulating) pressure-control valve pada discharge pompa (seperti pada aliran discharge pompa tekanan tinggi RO), atau sebuah flow-control valve dan pengendali dengan aliran yang dikonfigurasi pada set point (seperti pada reject flow control RO).

Pompa Sentrifugal

www.etc.usf.edu

www.kiwipumps.com

Centrifugal pumps are the prime fluid movers in membrane plants for liquid separations. In general, centrifugal pumps are used in moderate-to-high flow under low-head conditions, and operate within the rated ranges of head and velocity. (Singh, 2006) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

21

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Material: Stainless Stell

Class 1 Rouge

Class 2 Rouge

Class 3 Rouge

• Karena pelarutan baja seperti pada kasus impeler pompa

• Kelas rouge ini terjadi ketika klorida atau halida lain ada. Ini dikendalikan korosi dan terbentuk pada permukaan stainless steel pada tempat dimana lapisan pasif diterobos.

• Rouge hitam, tidak merah, dan terbentuk dengan adanya uap air temperatur tinggi. Dapat ditemukan pada sistem uap air kemurnian tinggi yang beroperasi pada temperatur tinggi.

www.reetex.com

Stainless steel (SS) tipe 316L telah menjadi material yang disukai untuk koonstruksi pada pabrik farmasi. Stainless steel tersebut mengandung besi 70% dan karbon kurang dari 0,03% (L adalah untuk karbon rendah). Rouging adalah hasil ion besi yang terlarut (Fe2+) yang mengoksidasi menjadi ion besi yang tidak larut (Fe3+) dengan adanya oksigen dan endapan seperti Fe203 or Fe(OH)3. (Singh, 2006)


22

SISTEM PEMROSESAN Related Inventory Material: Polimer

Termoplastik yang umum digunakan seperti polietilen (PE), polivinil klorida chloride (PVC), dan polipropilen (PP) lebih murah daripada fluoropolimer, seperti poliviniliden fluorida (PVDF) tetapi tidak bekerja sebaik pada kondisi temperatur tinggi. Material tersebut juga mengandung plasticiser, heat stabilisers, dan fire retardant yang dapat lepas. PVDF dalam bentuk murninya sangat murni dan tidak mengandung aditif. (Singh, 2006)

PVC

Fluoropolimer seperti PVDF dan perfluoroalkoksi (PFA) memiliki resistensi kimia yang sangat baik terhadap air terdeionisasi, stabilitas termal yang tinggi, resisten terhadap degradasi oleh cahaya matahari. Fluoropolimer tersebut memiliki kaefisien friksi yang rendah tidak seperti permukaan-permukan logam, sehingga mencegah pertumbuhan mikroorganisme (jamur dan bakteri), ini adalah penting karena tidak seperti pabrikpabrik kimia, biosida tidak dapat ditambahkan ke HPW untuk mencegah pertumbuhan mikroba. Polimer PFA dapat digunakan pada temperatur hingga 260oC, Akan tetapi, sangat material tersebut sangat mahal, dan PVDF merupakan material yang lebih disukai. (Singh, 2006)

PP

www.reetex.com

Since PVC and PP have low melting temperatures ~900C components using these materials can only be sterilised by chemicals such as hydrogen peroxide and chlorine, both of which require rinsing after sterilisation. The melt temperature of PVDF, on the other hand, is 178oC that makes it amenable to steam sterilisation. PVDF can also be sterilised by ozone. Since ozone has a short halflife (minutes), PVDF systems do not need rinsing after sterilisation, (Singh, 2006)


23

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Minum Desalinasi Air Laut dengan Membran Reverse Osmosis (RO) Sekarang ini desalinasi merupakan teknologi yang dominan pada teknologi membran.

Gambar 4.1 Unit Seawater Reverse Osmosis (SWRO) untuk aplikasi desalinasi air laut, kapasitas 2000 liter/jam, dan model operasi cross-flow (GDP Filter, Indonesia)

SWRO desalination plant

Gambar 4.2 Skema SWRO desalination plant (Voutchkov, 2013)

Desalination plant secara umum terdiri dari proses pretreatment, pemisahan membran RO, dan remineralisasi permeat RO yang diikuti dengan disinfeksi. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

24

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Minum Desalinasi Air Laut dengan Membran RO Berbagai Jenis Konfigurasi Sistem RO Single-Stage SWRO System Digunakan untuk produksi air minum Terbatas pada permeat yang dihasilkan

Two-Stage SWRO Systems Digunakan untuk memaksimalkan recovery desalination plant keseluruhan dan mengurangi volume konsentrat yang dihasilkan.

Two-Pass SWRO Systems Digunakan baik ketika salinitas air laut tinggi (> 35000 mg/L) atau persyaratan kualitas air produk sangat keras.

Three-Center RO System Conﬁguration  pumping center  membrane center  energy recovery center

Gambar 4.3 Sistem SWRO dengan berbagai konfigurasi (Voutchkov, 2013) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

25

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Minum Combined UF-RO Mobile Unit (Hotel jayakarta – Jakarta)

Gambar 4.4 Combined UF-RO Mobile Unit (GDP Filter, Indonesia)


26

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Proses EDI Pada umumnya, proses EDI dikombinasikan dengan proses RO sebagai pretreatment untuk menghilangkan komponen pembentuk kerak seperti Ca2+, Mg2+ dan senyawa organik lainnya. RO dengan 2 tahapan proses sangat disarankan untuk menjaga stabilitas kinerja EDI.

Gambar 4.5 Skema proses sistem EDI dengan pretreatmen softener dan membran RO dua tahap (double pass) (CEDIunversity.com) Proses multimedia filtrasi deklorinasi, dan softening yang dikombinasikan dengan RO 1 tahap juga dapat digunakan sebagai pengolahan awal umpan EDI. Dengan sistem ini, biaya investasi dan sistem kontrol yang tinggi pada unit RO dapat dikurangi.

Sumber: CEDIunversity.com

Gambar 4.6 Skema proses sistem EDI dengan pretreatment multimedia filter, deklorinasi, softener, dan membran RO satu tahap (CEDIunversity.com)


27

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Limbah Bioreaktor Membran Dua konfigurasi dasar bioreaktor: (1) konfigurasi tersikulasi kembali dengan sebuah membran eksternal, (2) konfigurasi terendam dengan modul membran terendam dalam lumpur aktif.

Gambar 4.7 Diagram skematik konfigurasi biorekator membran (MBR): (a) MBR dengan modul membran eksternal dan (b) MBR dengan modul membran terendam (Ng dan Kim, 2007)

Gambar 4.8 Modul membran terendam PURON® (Judd dan Judd, 2011)

Membran PURON berbasis PES, dan diameter dalam 2,6 mm dan diameter luar 1,2 mm. Pada modul membran terendam PURON, pengamanan fiber-fiber hanya pada pangkal, dengan filamen-filamen membran secara individu dikunci di atas . Tiap bundel fiber menyediakan area membran 3,5 – 3,8 m. Bundel-bundel tersebut dihubungkan berbaris dengan beberapa barisan dipasang dalam bingkai stainless steel untuk membnetuk sebuah modul membran. (Judd dan Judd, 2011) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

28

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Limbah Bioreaktor Membran

Tiga teknologi MBR Berghof MT: (1) BioFlow (berdasarkan conventional pumped cross-flow), (2) BioPulse (modul dapat dibackflush untuk mengurangi fouling dan penyumbatan), dan (3) BioAirDS (untuk pengolahan air limbah perkotaan dan limbah air lain yang kurang komplek dan pekat. (Judd dan Judd, 2011) Gambar 4.9 Modul dan membran Berghof MT (Judd dan Judd, 2011)

Gambar 4.10 Teknologi Berghof MT: (a) BioFlow, (b) BioPulseTM dan (c) BioAirDSTM (Judd dan Judd, 2011)


29

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Limbah Bioreaktor Membran Teknologi berdasarkan kombinasi proses lumpur aktif (activated sludge) dengan pemisahan biomassa oleh membran. Keuntungan utama MBR melebih waste activated sludge processes antara lain: small footprint, low to zero sludge production, complete solid removal, no bulking problems, effluent disinfection, high oxygen utilization rate, dan high loading rate capabilities.

Gambar 4.11 Prinsip pengoperasian bioreaktor membran

Gambar 4.15 Modul membran hollow fiber

Gambar 4.12 Sistem membran terendam ( di dalam tangki aerasi)

Gambar 4.13 Sistem membran terendam ( di luar tangki filtrasi)

Gambar 4.16 Modul membran plate terendam yang tersusun secara vertikal

Gambar 4.14 Sistem aliran samping

Gambar 4.17 Modul membran tubular (modul aliran samping)


30

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Pengolahan Air Pengolahan Air Limbah Reverse Osmosis Pengolahan Air Terproduksi (Produced Water) Air terproduksi mengandung logam-logam dalam konsentrasi tinggi, sejumlah kecil radionukleida alami (radium 226), material organik terlarut volatile, bahan toksik yang sering ikut dengan produk hidrokarbon, dan padatan terlarut dalam level tinggi. Komponen-komponen tersebut harus dihilangkan sebelum air terproduksi dibuang atau digunakan kembali pada operasi pengeboran. Teknologi pemisahan konvensional, pemisahan dengan gravitasi, kurang efektif.

Gambar 4.18 Pengolahan air terproduksi (produced water) dengan membran reverse osmosis

Penggunaan RO untuk pengolahan air terproduksi:  efektif menghilangkan:  partikel  minyak terdispersi  minyak teremulsi  ukuran lebih kecil  energi rendah  laju lewatan besar


31

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Susu, Whey, dan Keju Industri Susu Skema umum proses membran pada industri susu ditunjukkan pada kedua gambar di bawah ini, dimana ultrafiltrasi (UF) lebih sering digunakan.

Gambar 4.19 Pemrosesan dengan membran pada industri susu (Cheryan dan Alvarez 1995 dalam Cheryan, 1998)


32

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Susu, Whey, dan Keju Produksi Keju Ultrafiltrasi banyak diaplikasikan dalam produksi keju; teknologi tersebut sekarang digunakan secara luas di seluruh industri susu.

Gambar 4.20 Skema aliran produksi keju dengan metode tradisional dan dengan metode baru menggunakan ultrafiltrasi (Baker, 2012)

Tujuan dari kedua proses membran pada gambar di atas adalah untuk meningkatkan fraksi protein-protein susu yang digunakan sebagai keju atau produk berguna lain dan untuk mengurangi masalah pembuangan limbah whey. Ketika ultrafiltrasi digunakan, pemanfaatan protein susu yang menigkat meningkatkan produksi keju sekitar 10%, sehingga proses tersebut telah diadopsi secara luas. (Baker, 2012)


33

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Susu, Whey, dan Keju Pengolahan Cheese Whey Whey adalah sebuah produk samping pada industri keju. Membran yang tepat dapat secara simultan memfraksionasi, memurnikan, dan memekatkan komponen-komponen whey, sehingga meningkatkan pemanfaatannya dan mengurangi malasah polusi.

Gambar 4.21 Pengolahan cheese whey dengan membran (Cheryan, 1998) Tabel Pendekatan untuk mengintegrasikan proses membran untuk pembuatan keju (Pouliot, 2008)

Pendekatan Rentetat UF

Tipe Keju Cheddar, Cottage, Mozzarella, Saint-Paulin, Brick, Colby, Edam, Quara Cheddar, Feta, Havarti, Gouda, Blue cheese Camembert, Quara, Saint-Maure, Ricotta, Cream cheese, Mascarpone, Feta, Mozzarella, Saint-Paulin

Rentetat UF Liquid pre-cheese

Susu yang diolah dengan MF (low VCR and DF dengan permeat susu) Rentetat MF Menambahkan rentetat UF ke cheese milk Menambahkan rentetat PC, MPC atau UF untuk standarisasi cheese milk

Cheddar, cottage Mozzarella Parmesan Cheddar


34

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Jus Buah Pemekatan jus buah berbasis membran dengan berbagai mode operasi ditunjukkan pada gambar di bawah ini.  Operasi batch dengan full recycling rentetat  umum digunakan pada skala laboratorium dan pilot. Rentetat dikembalikan ke tangki umpan melalui modul membran.  Operasi batch dengan partial recycling rentetat modifikasi dari batch dengan full recycling rentetat, merupakan mode operasi optimum karena jus-jus buah mengandung sedikit padatan tertahan.  Operasi diafiltrasi (DF) dapat digunakan pada pembuatan clear single-strength juices untuk mendapatkan kembali gula-gula dan komponen-komponen berat molekul rendah dari rentetat dan memaksimalkan yield proses.  Konfigurasi feed-and-bleed umumnya digunakan untuk operasi continuous full scale

Gambar 4.22 Skema mode-mode operasi pada mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF) untuk pemekatan jus buah. (a) Batch dengan full recycle rentetat; (b) batch dengan partial recycle rentetat; (c) diafiltrasi; dan (d) operasi feed-and-bleed. (Cassano, 2007) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

35

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Jus Buah Proses membran yang terintegrasi dapat menghasilkan jus buah pekat dengan kualitas tinggi. Skema umum untuk produksi konsentrat jus buah dengan operasi membran terintegrasi ditunjukkan pada gambar di bawah. Jus pekat dengan kualitas bagus, konsentrasi total soluble solids (TSS) tidak melebihi 30 Brix, dapat diperoleh dengan RO. Pemekatan lebih lanjut dari rentetat RO dengan osmotic distillation (OD) mengiijinkan produk yang pekat, hampir sama dengan yang dicapai dengan hanya menggunakan OD, diharapkan dapat mengurang biaya pengolahan secara signifikan. Larutan stripping yang digunakan di tahap OD dapat dipekatkan kembali dengan evaporasi terma, didinginkan, dan dialirkan kembali ke sistem OD. (Cassano dan Drioli, 2010)

Gambar 4.23 Skema proses operasi membran terintegrasi untuk produksi jus buah pekat (Cassano dan Drioli, 2010)


36

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Jus Buah Sebuah proses membran yang terintegrasi untuk produksi jus jeruk pekat ditunjukkan pada gambar di bawah. Proses tersebut melibatkan UF sebagai tahap penjernihan (clarification), RO sebagai tahap pemekatan awal (pre-concentration) jus yang telah diklarifikasi, dan OD sebagai tahap pemekatan (concentration). (Cassano, 2007)

Gambar 4.24 Proses membran terintegrasi untuk produksi jus jeruk pekat . UF, ultrafiltration; RO, reverse osmosis; OD, osmotic distilation. (Cassano, 2007)


37

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Recovery Asam Sitrat Recovey asam sitrat (citric acid) dari broth fermentasi secara konvensional (limesulfuric acid method atau liquid extraction process) (Kirk-Othmer, 1964) memiliki kelemahan, yaitu penggunaan agen kimia yang besar, menghasilkan limbah dan residu padatan yang besar, dan degradasi termal produk. Teknik-teknik alternatif dengan menggunakan distilasi membran dan elektrodialisis telah diinvestigasi (Tomaszewska dkk., 1995; Voss dkk., 1986; Novolic dkk., 1995).

Gambar 4.25 Diagram alir proses recovery asam sitrat dari broth fermentasi (Widiasa dkk., 2004)

 EDI merupakan teknik potensial untuk recovery asam sitrat dari broth fermentasi  Ada perbedaan esensial pada kedua mekanisme perpindahan arus dan hambatan listrik antara proses EDI dan ED  Efisiensi arus keseluruhan pada rentang 40-96% dan merupakan fungsi konsentrasi umpan dan densitas arus.


38

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Protein dan Minyak Nabati Protein Nabati Proses-proses yang dikembangkan untuk produksi full-fat soy protein concentrate dan soy isolate ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Gambar 4.26 Produksi full-fat soybean protein concentrate atau purified soymilk from whole soybeans dengan ultrafiltrasi (Omosaiye, 1978 dalam Cheryan, 1998)

Gambar 4.27 Produksi soy isolates dengan ultrafiltrasi (Nichols dan Cheryan, 1981 dalam Cheryan, 1998)


39

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Pangan Protein dan Minyak Nabati Minyak Nabati

Gambar 4.28 Pengolahan minyak nabati dengan cara tradisional (kiri) dan dengan membran (kanan). VP adalah vapor permeation dan GS adalah gas separation. (Cheryan, 1998).  Teknologi konvensional adalah padat energi, menggunakan air dan bahan kimia dalam jumlah besar, dan menghasilkan keluaran yang sangat terkontaminasi.  Pemrosesan membran mengatasi kekurangan ini, dan juga menghilangkan fosfolipid dan asamasam lemak bebas.


40

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Medis Hemodialisis (HD) Hemodialisis digunakan untuk menghilangkan metabolit limbah dari pasien yang mengalami gagal ginjal.

Gambar 4.29 Hemodialisis

Gambar 4.30 Skema proses hemodialisis  Solut berat molekul rendah dihilangkan dengan difusi yang digerakkan oleh gradien konsentrasi lintas membran  HD tidak mengijinkan penghilangan toksin yang lebih besar  Tipe permeabilitas hidrolik rendah membuat pengontrolan volume fluida yang dihilangkan akurat mudah  Air berlebih yang terakumulasi selama perode interdialitik di saring keluar dengan secara transien menggunakan perbedaan tekanan lintas membran (transmembrane pressure, TMP) untuk mempertahankan keseimbangan fluida pasien. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

41

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Medis Membran Hemodialisis

Gambar 4.31 Skema hollow fiber and plate-and-frame dialyzers (Baker, 2012)

Amerika 1975 Amerika, 1985 Amerika, 1996

: 65% Dialyser coil, 20% Hollow fiber, 15% Plate & frame : 67% Hollow fiber, 33% Plate & frame : 95% Hollow fiber

Tipe yang paling umum adalah hollow-fiber catridge, yang teridiri dari bundel 10 000-15 000 fiber yang ditempatkan dalam sebuah housing transparan polipropilen  Membran hollow fiber memiliki area 1-2 m2 dan diameter 0,1-0,2 mm  Housing  diameter 2 in dan panjang 1-2 ft  Keuntungan desain hollow fiber  dapat menangani 60-100 ml darah dan mudah untuk dicuci


42

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Medis Pertukaran Gas Didesain untuk mengganti seluruh fungsi pertukaran gas pada paru-paru alami (yaitu pemasukan O2 ke dan penghilangan CO2 dari darah) untuk mengoksigenasi darah ketika jantung harus dihentikan untuk intervensi pembedahan.

Gambar 4.32 Skema pertukaran gas dengan membran untuk menggantikan fungsi paru-paru

 Membran memisahkan darah dan gas kaya O2, gas miskin CO2, sementara menyediakan area kontak yang besar  Membran dan antarmuka membran-fluida memberikan resistensi tambahan pada perpindahan gas  Sekarang ini, membran hidrofobik mikropori dengan ukuran pori maksimal lebih rendah dari 0,1 µm umum digunakan yang memiliki tegangan permukaan yang cukup untuk mencegah air plasma dari melewati membran. Darah menyerap oksigen dan dilepaskan karbon dioksida dengan proses perpindahan massa melewati membran Kepadatan hollow fiber memberikan oksigenator volume kecil yang meminimalkan kebutuhan transfusi darah selama pembedahan. Kinerja modul ditentukan oleh perpindahan massa pada sisi darah pada membran.


43

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Kimia Recovery Minyak Pelumas Proses Penghilangan Wax Konvensional dan Mobil Oil’s membrane solvent

Gambar 4.33 Proses Penghilangan Wax Konvensional dan Mobil Oil’s membrane solvent (Baker, 2004)

Unit komersial 3-juta pertama diinstal di Mobil’s Beaumont refinery pada tahun 1998. Membran poliimida dalam modul spiral wound digunakan.


44

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Kimia Membran Pemisahan Gas Recovery Hidrogen dari Ammonia  Desain membran dua tahap digunakan untuk mengurangi biaya rekompresi aliran permeat hidrogen ke tekanan yang sangat tinggi pada reaktor ammonia.  Dengan membagi proses menjadi dua tahap operasi pada rasio tekanan yang berbeda, recovery hidrogen maksimum dapat dicapai dengan biaya rekompresi hidrogen permeat yang minimum.

Gambar 4.34 Skematik aliran sistem membran PRISM® untuk recovey hidrogen dari ammonia, dan foto sistem membran PRISM®, Air Products and Chemicals, Inc. yang diinstal pada pabrik ammonia .(Baker, 2012)


45

Desain Proses untuk Aplikasi Industrial Industri Kimia Membran Pemisahan Gas Pemisahan Oksigen/Nitrogen

Gambar 3.35 Desain satu tahap, dua tahap, dan tiga tahap untuk produksi nitrogen dari udara (Baker, 2012)

 Desian dua tahap  mengurangi are membran dan beban kompresor sekitar 6%  Desian tiga tahap  menghemat area membran 2% lagi dan sedikit daya kompresor, tetapi membutuhkan dua kompresor


46

DAFTAR PUSTAKA Baker, R. W. (2004): Membrane Technology and Applications, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, England. Baker, R. W. (2012): Membrane Technology and Applications, John Wiley and Sons, West Sussex, United Kingdom. Cassano, A. dan E. Drioli (2010): Membrane Contactors in Integrated Processes for Fruit-Juice Processing, Membranes for Food Applications, K.-V. Peinemann, S. P. NunesdanL. Giorno, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 3. Cheryan, Munir. (1998): Ultrafiltration and Microfiltration Handbook, Taylor & Francis Routledge, Lancaster, USA. H. Voss, J. Membr. Sci. 27(1986) 165. Judd, S. dan C. Judd (2011): The MBR Book. Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment, Elsevier Ltd. , Oxford. Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd ed., Wiley, New York, 1964 Li, N. N., A. G. Fane, W. W. Ho dan T. Matsuura (2008): Advanced membrane technology and applications, John Wiley & Sons, New Jersey.M. Tomaszewska, M. Gryta, A.M. Morawski,J. Membr. Sci. 102(1995) 113.. Mulder, M. (1996): Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Ng, A. N. L. dan A. S. Kim (2007): A mini-review of modeling studies on membrane bioreactor (MBR) treatment for municipal wastewaters, Desalination, 212, 261-281. Pouliot, Y. (2008): Membrane processes in dairy technology—From a simple idea to worldwide panacea, International Dairy Journal, 18, 735-740.S. Novolic, F. Jagschits, J. Okwor, K.D. Kulbe, J. Membr. Sci. 108(1995)201. Singh, R. 2006. Hybrid Membrane Systems for Water Purification: Technology, Systems Design and Operation. Elsevier. Voutchkov, N. (2013): Desalination Engineering. Planning and Design, McGraw-Hill Companies, Inc., New York. Widiasa, I. N., P. D. Sutrisna dan I. G. Wenten (2004): Performance of a novel electrodeionization technique during citric acid recovery, Separation and Purification Technology, 39, 89-97. www.labvolt.com www.consultants-online.co.za www.kiwipumps.com www.etc.usf.edu www.kiwipumps.com www.reetex.com Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

47

DESAIN PROSES BERBASIS MEMBRAN

Recommend Documents