KOMERSIALISASI PRODUK-PRODUK BERBASIS TEKNOLOGI MEMBRAN

KOMERSIALISASI PRODUK-PRODUK BERBASIS TEKNOLOGI MEMBRAN I G. Wenten* Dept. Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10 Bandung, 40132 *Email: [email protected]

I.

PENDAHULUAN

Teknologi membran saat ini merupakan teknologi yang sedang berkembang pesat. Hal ini dapat dilihat dari semakin luasnya aplikasi membran khususnya dalam skala besar di berbagai bidang industri. Membran didefinisikan sebagai lapisan tipis (film) yang berada di antara dua fasa dan berfungsi sebagai pemisah yang sangat selektif. Pemisahan pada membran bekerja berdasarkan perbedaan koefisien difusi, perbedaan potensial listrik, perbedaan tekanan, atau perbedaan konsentrasi. Sebagai salah satu teknik pemisahan, teknologi membran dalam aplikasinya dapat ditujukan untuk pemekatan, pemurnian, fraksionasi, dan perantara reaksi [1]. Sejarah mengenai membran dimulai ketika pada tahun 1748 Abbe Nollet mengemukakan tentang semipermeabilitas untuk pertamakalinya. Satu abad kemudian, Fick memperkenalkan hukum difusi fenomenal yang masih kita gunakan hingga saat ini sebagai hukum pertama difusi melewati membran. Sementara produksi membran dalam skala industri tercatat dilakukan pada tahun 1950. Produksi ini dilakukan oleh Sartorius Werke GmbH, sebuah perusahaan Jerman yang bergerak di bidang manufaktur. Sebelumnya membran hanya dibuat dalam skala kecil untuk aplikasi di laboratorium. Meskipun demikian, terobosan yang sangat fundamental dalam perkembangan teknologi membran adalah ketika pada akhir tahun 1950-an, Loeb & Sourirajan menemukan membran asimetris. Membran tersebut terdiri atas lapisan atas yang dense (tidak berpori) dan lapisan pendukung yang berpori. Membran ini memiliki laju permeasi yang lebih tinggi dibandingkan membran simetris [1]. Proses-proses dalam membran dapat diklasifikasikan berdasarkan gaya dorongnya (driving force). Proses mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), dan reverse osmosis (RO) menggunakan perbedaan tekanan sebagai gaya dorongnya. Proses membran lainnya menggunakan perbedaan konsentrasi (pemisahan gas, pervaporasi, membran cair, dialisis), perbedaan suhu (membran distilasi, termo-osmosis), dan perbedaan potensial listrik (elektrodialisis) sebagai gaya dorongnya. Berbagai bahan sintetik dapat digunakan untuk membuat membran. Bahan tersebut dapat berupa materi organik (polimer) ataupun materi anorganik (keramik, gelas, logam). Tujuan dari pembuatan membran adalah memodifikasi bahan tersebut dengan proses yang tepat untuk menghasilkan tipe membran yang sesuai untuk proses pemisahan yang diinginkan. Secara umum terdapat beberapa proses pembuatan membran yaitu proses sintering, stretching, track-etching, phasa inversion, dan coating. Membran yang dihasilkan dapat diklasifikasikan berdasarkan struktur simetrinya yaitu struktur membran simetris dan asimetris. Membran asimetris dapat dibedakan menjadi membran asimetris integral dan membran asimetris komposit. Membran simetris memiliki struktur yang seragam sepanjang arah ketebalan membran. Tebal membran simetris sangat bervariasi, berkisar dari 10-200 µm. Sebaliknya membran asimetris memiliki struktur yang berbeda sepanjang arah ketebalan membran. Pada membran asimetris terdapat lapisan atas yang sangat tipis (skin) dengan tebal 0,1-0,5 µm dan biasanya merupakan membran berpori sempit. Untuk memberikan kekuatan mekanik, lapisan skin ini ditunjang oleh lapisan berikutnya atau biasa dikenal sebagai support. Lapisan support memiliki ketebalan berkisar antara 50-150 µm dan sangat berpori. Membran asimetris integral memiliki lapisan skin dan support yang terbuat dari bahan yang sejenis sementara membran asimetris komposit terbuat dari bahan yang berbeda. Dalam aplikasinya, membran biasanya digunakan dalam bentuk modul-modul yang merupakan satuan unit terkecil dari proses membran. Konfigurasi modul secara umum dapat dibedakan menjadi konfigurasi membran tubular dan membran datar. Dua modul membran yang paling umum dijumpai di pasaran adalah hollow fiber (kapiler) dan spiral wound (Gbr. 1). Bentuk modul lainnya adalah plate & frame, tubular, rotary module, vibrating module, dan modul vorteks Dean.

1

Gbr. 1. Tipe modul membran (a) spiral wound and (b) hollow fiber Modul-modul tersebut memiliki keunggulan masing-masing yang diantaranya didasarkan pada packing density, kemudahan pencucian, hilang tekan, volume hold-up, dan kebutuhan sistem perlakuan awal (pre-treatment). Modul hollow fiber memiliki packing density yang paling tinggi dibandingkan jenis modul lainnya, termasuk pula paling mudah dibersihkan. Dari segi harga, hollow fiber dan spiral wound lebih kompetitif dibanding modul lainnya. Sementara dari segi hilang tekan, modul tubular dan rotating-disc/silinder memiliki hilang tekan yang paling rendah [2]. Pada aplikasi skala industri, membran biasanya terdiri dari banyak modul yang disusun seri atau paralel dengan sistem satu-tahap ataupun multi-tahap [2]. Dari segi pengoperasiannya, membran dapat dioperasikan secara dead-end (static filtration) ataupun cross-flow. Pada mode operasi dead-end, arah aliran umpan tegak-lurus terhadap membran. Pada mode operasi ini, seluruh air umpan dipaksa melewati membran secara kontinu, dan tidak ada sirkulasi air di dalam modul membran. Produk keluar dalam bentuk filtrat sementara pengotor berada dalam bentuk filter cake yang biasanya dikeluarkan sekali pada saat backwash. Mode operasi dead-end memiliki kelemahan yaitu cenderung mengakibatkan fouling yang sangat tinggi akibat terbentuknya lapisan cake di permukaan membran. Ketebalan cake terus meningkat terhadap waktu sehingga fluks terusmenerus turun hingga menuju nol. Pola aliran ini masih digunakan pada beberapa operasi di bidang medis dan pengolahan air. Khusus untuk pengolahan air, sistem ini digunakan pada proses filtrasi dengan kualitas umpan yang baik dan tingkat kekeruhan yang rendah. Jika umpan memiliki tingkat kekeruhan yang tinggi, mode operasi cross-flow lebih disukai. Secara umum, semakin baik kualitas umpan, mode operasi dead-end memberikan keuntungan yang semakin besar, dimana biaya operasinya lebih rendah (lebih sedikit energi untuk pompa) dan memberikan tingkat perolehan (recovery) yang tinggi. Sistem dead-end juga telah diterapkan pada bioreaktor membran khususnya konfigurasi terendam. Pada pola aliran cross flow, umpan dialirkan dengan arah sejajar dengan permukaan membran. Konsentrat disirkulasikan pada kecepatan yang lebih tinggi dengan tujuan menciptakan turbulensi di permukaan membran. Dengan perlakuan seperti ini, pembentukan lapisan cake terjadi sangat lambat karena tersapu oleh gaya geser yang diakibatkan oleh aliran cross-flow umpan. Pada setiap operasi cross-flow, kecepatan aliran umpan sangat menentukan besarnya perpindahan massa dalam modul. Kelebihan sistem ini adalah tendensi fouling dapat dikurangi karena laju cross-flow yang tinggi akan meminimumkan ketebalan lapisan cake. Fluks permeat akan menurun di awal proses dan akan menuju pada kondisi stabil dalam kurun waktu tertentu ketika ketebalan lapisan foulant di permukaan membran tidak meningkat lagi. Salah satu keuntungan dari aplikasi teknologi membran adalah rendahnya energi yang digunakan. Pemisahan yang berbasis membran tidak berdasarkan hasil kesetimbangan fasa yang menggunakan banyak energi. Selain itu aplikasi teknologi membran juga dapat dilakukan pada kondisi normal sehingga perubahan fasa dapat dihindari. Perubahan fasa akan mempengaruhi kualitas bahan dan produk yang dihasilkan. Oleh karena itu teknologi membran merupakan teknologi yang sesuai untuk diterapkan di industri farmasi, kimia, dan makanan. Desain modul membran sangat sederhana, kompak, mudah dioperasikan dan tidak membutuhkan peralatan tambahan dalam jumlah banyak. Untuk memperbesar atau memperkecil skala pengoperasian merupakan hal yang mudah dilakukan. Dengan sifat modular yang dimilikinya, peningkatan skala proses membran dapat dilakukan dengan hanya menambah modul membran termasuk peralatan bantunya. Saat ini aplikasi membran telah merambah ke berbagai industri diantaranya industri logam (metal recovery, pengendalian polusi, pengayaan udara untuk pembakaran), industri makanan, bioteknologi (pemisahan, pemurnian, sterilisasi, perolehan produk samping), serta industri kulit dan tekstil (sensible heat recovery, pengendalian polusi, perolehan bahan-bahan kimia) [3]. Pada industri pulp and paper membran berperan dalam pengendalian polusi, perolehan kembali serat-serat dan bahan-bahan kimia, dan sebagai pengganti proses evaporasi. Industri-industri lainnya yang juga 2

telah menerapkan teknologi membran adalah industri berbasis proses kimia (pemisahan materi organik, pemisahan gas, perolehan dan daur-ulang bahan-bahan kimia), industri farmasi dan kesehatan (organ buatan, control release, fraksionasi darah, sterilisasi, pemurnian air) dan penanganan limbah (pemisahan garam/mineral lain, deionisasi)[3]. Pada artikel ini akan diulas mengenai industri membran dan potensi pasar, proses-proses yang sedang berkembang saat ini serta potensi aplikasinya di Indonesia, termasuk pula perkembangan mutakhir proses membran di Indonesia dan diakhiri dengan studi kasus integrasi sapi-sawit dalam industri CPO.

II.

INDUSTRI MEMBRAN DAN POTENSI PASAR

Kesuksesan secara komersil merupakan salah satu indikator yang menunjukkan pentingnya peran teknologi membran dalam berbagai aplikasi. Keuntungan aplikasi proses membran adalah reduksi biaya operasi terhadap teknologi lain yang kompetitif, kemungkinan pengambilan kembali produk samping, penghematan air, energi, bahan kimia, dll. Teknologi membran saat ini telah menjadi bisnis multi milyar dolar dan masih berkembang dengan pesat. Pasar membran dunia pada tahun 2001 khususnya penjualan membran dan modul mencapai lebih dari 4,8 milyar USD. Sementara penjualan sistem membran mencapai lebih dari 15 milyar USD [4]. Penjualan tahunan membran dan modul untuk berbagai proses membran. Dapat dilihat bahwa penjualan terus meningkat dari tahun ke tahun dan diperkirakan mencapai nilai 6,9 milyar USD pada tahun 2006 [4, 5]. Sekitar 40% penjualan membran ditujukan untuk aplikasi di bidang pengolahan air dan limbah dan 40% lainnya ditujukan untuk bidang pemrosesan makanan dan minuman, termasuk obat-obatan dan kesehatan. Aplikasi membran di bidang kimia dan industri gas juga semakin berkembang. Pasar membran secara keseluruhan juga tidak terdistribusi merata. Sekitar 75% market share dipegang oleh AS, Jepang, dan Eropa bagian barat [6]. Perkembangan pasar membran ditentukan oleh biaya energi, persyaratan kualitas produk, kebutuhan perlindungan lingkungan, terapi pengobatan baru, dan ketersediaan membran dan proses-proses membran baru dan yang lebih baik [4]. Sejumlah aplikasi proses-proses membran seperti desalinasi air laut atau pengolahan limbah memiliki keterkaitan yang tinggi dengan industri. Akan tetapi, pada aplikasi ini proses membran bersaing dengan teknik-teknik konvensional seperti MSF atau pengolahan limbah biologis. Pada aplikasi lain dengan keterkaitan komersil yang tinggi seperti hemodialisis atau sel bahan bakar, membran merupakan komponen kunci dan tidak ada teknik alternatif yang dapat bersaing dengan membran pada saat ini. Terdapat pula aplikasi-aplikasi lain seperti produksi air ultramurni dimana proses membran bersaing dengan teknik konvensional, tetapi memiliki keunggulan yang jelas. Aplikasi-aplikasi lain dengan keterkaitan yang rendah dengan industri juga terdapat seperti dehidrasi pelarut organik dengan pervaporasi atau pengambilan uap organik dari buangan berupa gas dengan membran permeasi gas dan uap. Pada perangkat biosensor dan alat-alat diagnostik tertentu, membran merupakan komponen kunci. Sejalan dengan berkembangnya pasar membran, skala fasilitas membran juga meningkat. Fasilitas UF pertama kali untuk penyediaan air minum dibangun pada tahun 1998 di Aubergenville (Prancis) memiliki kapasitas rancangan 160 m3/hari. Saat ini, fasilitas dengan kapasitas lebih dari 100,000 m3/hari juga tengah dibangun [7]. Tanpa mengesampingkan penjualan maupun laju pertumbuhan industri membran yang menjanjikan, penggunaan membran untuk proses pemisahan skala industri juga disertai oleh permasalahan teknis maupun ekonomi. Permasahan teknis berhubungan dengan selektivitas membran yang tidak memadai, fluks yang rendah, permasalahan pengoperasian secara umum, dan kurangnya pengetahuan tentang teknologi membran itu sendiri. Permasalahan ekonomi muncul dari banyaknya ragam produk-produk membran dan proses dengan struktur harga yang sangat berbeda dalam aplikasi yang luas, yang terdistribusi pada banyak perusahaan-perusahaan, seringpula dalam bentuk produk-produk individual [8]. Di masa yang akan datang, pasar terbesar membran akan tetap pada pengolahan air dimana penjualan perangkat pemurnian air menjadi semakin penting. Kelompok utama konsumen akan terus mendominasi sektor ini meskipun demikian segmen ini juga akan jenuh dengan cepat dan penjualan akan bergantung pada penggantian terhadap sistem yang sudah ada.

III.

APLIKASI INDUSTRIAL

Proses membran mencakup kisaran aplikasi yang sangat luas dari aplikasi untuk pengolahan (air) limbah hingga aplikasi medis. Untuk sejumlah aplikasi, proses membran memegang peran penting dimana teknologi lain tidak dapat menggantikan perannya misalnya seperti pada aplikasi medis khususnya hemodialisis dan juga aplikasi dalam bidang energi misalnya sel bahan bakar. Tabel 1 berikut menunjukkan tabulasi aplikasi industrial terpilih untuk proses-proses membran.

3

Tabel 1. Aplikasi industrial terpilih untuk proses-proses membran* Sektor industri Air minum Air demin Pengolahan limbah Langsung (fisik) Tidak langsung (bioreaktor membran) Industri pangan Susu Daging Buah-buahan dan sayuran Penggilingan biji-bijian Gula Minuman Sari buah Anggur dan bir The Bioteknologi Purifikasi enzim Pemekatan kaldu fermentasi Pemanenan protein sel tunggal Reaktor membran Bioteknologi kelautan Medis Control release Hemodialisis Industri kimia Pemisahan gas Perolehan hidrogen Pemisahan CO2 Pemisahan uap-cairan Dehidrasi etanol Perolehan pelarut organik Proses klor-alkali Energi Sel bahan bakar *[1, 9, 10]

Proses membran NF, UF, RO RO, ED, EDI MF, NF, RO, ED MF, UF UF, RO, ED UF, RO RO UF UF, RO, ED, MF, NF MF, UF, RO MF, UF, RO, PV MF, UF, NF UF MF MF, UF UF MF, UF UF RO, UF

GS GS PV PV Elektrolisis membran Membran penukar proton

Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat bahwa proses membran dengan gaya dorong tekanan mendominasi aplikasiaplikasi industrial dibandingkan proses membran berbasis gaya dorong lainnya. Namun demikian, dapat dilihat bahwa proses membran GS ataupun PV yang tidak berbasis pada gaya dorong beda tekanan juga dapat diaplikasikan untuk keperluan-keperluan tertentu. Merujuk pada Tabel 1, berbagai industri khususnya yang tercakup dalam industri pangan dapat menggunakan unit membran dalam proses industrinya. Di Amerika Serikat dan Uni-Eropa, teknologi membran sudah tak asing lagi digunakan pada sektor pemrosesan susu (dairy). Membran digunakan untuk proses desalting dan pemekatan dadih (whey), dan juga untuk konversi susu menjadi keju. Sementara pada sektor industri minuman, teknologi membran digunakan pada industri minuman anggur dan bir misalnya untuk tahap klarifikasi. Demikian pula sektor industri bioteknologi, proses membran UF umum digunakan untuk proses-proses purifikasi, pemekatan, pemanenan, ataupun sebagai unit reaktor membran. pemisahan air-minyak saat ini juga telah menjadi aplikasi yang potensial untuk proses membran khususnya pada proses pembersihan logam dan penggosokan wol [11]. Aplikasi membran yang terlihat nyata adalah pada bidang pengolahan air baik untuk keperluan air minum maupun air demineralisasi. Proses pengolahan air secara revolusioner diwujudkan dengan memasukkan teknologi membran yang mampu menghasilkan efluen dengan kualitas tinggi. Pengolahan air telah menjadi isu penting sehubungan dengan semakin langkanya ketersediaan air bersih. Proses membran yang lazim digunakan untuk penyediaan air minum maupun air demin seperti tertera pada Tabel 1 adalah UF, NF, RO, ED, dan EDI. Pengolahan air secara konvensional membutuhkan tambahan unit pengolahan tersier untuk dapat menghasilkan produk air yang memenuhi persyaratan yang ditetapkan oleh pemerintah. Sementara dengan teknologi membran, proses pengolahan air dapat dilakukan dalam langkahlangkah yang lebih sederhana. Dengan ukuran pori yang dimilikinya, membran sebagai lapisan yang sangat selektif mampu menyisihkan mikroba patogen secara sempurna. Membran juga mampu mereduksi kesadahan, dan menyisihkan senyawa-senyawa anorganik dan organik tanpa melalui kebutuhan penambahan bahan-bahan kimia. Umpan dengan kualitas rendah juga dapat diolah dengan proses membran. Dari segi kebutuhan ruang, proses membran menggunakan ruang yang lebih kecil dibandingkan proses konvensional. Sejumlah contoh aplikasi membran yang sudah dikenal luas termasuk aplikasi terkini diantaranya adalah penggunaan proses membran RO untuk desalinasi, NF untuk proses softening, maupun ED untuk penyisihan nitrat [12]. 4

Dari segi pengembangan proses membran sendiri, berbagai bahan material membran untuk pengolahan air juga telah diajukan. Membran untuk produksi air minum umumnya terbuat dari bahan polimer namun demikian bahan keramik kini juga dapat digunakan [13]. Salah satu bahan membran yaitu PVDF (polivinilidenfluorida) yang merupakan salah satu bahan fluorokarbon cocok digunakan untuk produksi air minum karena ketahanannya terhadap berbagai macam oksidan [12, 14]. Jenis membran ini juga dapat dengan mudah diintegrasikan dengan teknologi lain seperti UV, klorinasi, dll., menghasilkan produk yang memenuhi persyaratan baku mutu air yang berlaku. Konfigurasi modul yang paling sering digunakan untuk pengolahan air adalah spiral wound dan hollow fiber. HFMF (hollow fiber mikrofiltrasi) dapat digunakan untuk menghasilkan air minum untuk komunitas kecil (300.000 galon/jam yang setara dengan 3000 orang). Saat ini HFMF bahkan telah menjadi Best Available Technology (BAT) untuk penyediaan air pada komunitas kecul dengan umpan yang berasal dari air permukaan atau air tanah dengan produk yang dihasilkan memenuhi persyaratan SWDA (Safe Water Drinking Act). Untuk pengolahan air permukaan, fluks yang dihasilkan berkisar pada 35-50 galon/ft2 per hari [12]. Dengan membran MF PVDF 0,1 mikron konfigurasi outside-in, fluks yang dihasilkan dapat mencapai 75 gph dengan tekanan operasi 0,3 bar untuk membran bersih dan 2 bar untuk membran yang mengalami fouling. Produk dengan kualitas tinggi dapat dihasilkan dengan penggunaan membran MF ini terlihat dari turbiditas produk yang kurang dari 0,05 NTU dan penyisihan 100% terhadap Cryptosporidium dan Giardia [Saxena & Bhardwaj, 2001]. MF dan UF mulai digunakan untuk pengolahan air pada tahun 1980-an. Aplikasi MF dan UF sebagai proses membran tekanan rendah mulai meningkat pesat pada tahun 1994. Hal ini disebabkan oleh penurunan biaya proses dan penurunan konsumsi energi yang dapat dicapai hingga kurang dari 1 kWh/m3 untuk tekanan operasi 1-10 bar [Rachwal, dkk., 1994]. Sebelum tahun 1994, kapasitas MF dan UF kurang dari 3 juta galon per hari. Saat ini dengan meningkatnya pemahaman dan ketersediaan teknologi, fasilitas membran dengan kapasitas 2-10 juta galon per hari sedang dibangun di Amerika Serikat [15]. Sementara proses membran RO dan ED telah menjadi pilihan untuk desalinasi air laut menghasilkan air minum. RO khususnya telah menjadi solusi yang efektif untuk mengubah air laut, air payau, bahkan air yang tercemar menjadi produk air yang dapat digunakan baik sebagai air minum atau air untuk keperluan lain. Pada tahun 1998, 49,9% instalasi desalinasi yang ada telah menggunakan proses RO. Plant RO terbesar berlokasi di Yuma, Arizona dengan kapasitas 660 juta galon per hari [14]. Aplikasi terpilih lainnya untuk proses membran adalah pada bidang pengolahan limbah. Salah satunya yang menonjol adalah bioreaktor membran. Bioreaktor membran (BRM) dapat didefinisikan sebagai kombinasi dari dua proses dasar yakni degradasi secara biologis dan pemisahan dengan membran. Proses biologis yang umum dikombinasikan adalah proses lumpur aktif. Sistem BRM telah diaplikasikan untuk mengolah limbah domestik, perkotaan, hingga limbah industri. BRM dapat digolongkan menjadi tiga tipe yakni BRM untuk pemisahan biomassa, bioreaktor membran aerasi, dan bioreaktor membran ekstraktif. BRM pemisahan biomassa konfigurasi terendam yang pertama kali diperkenalkan oleh Yamamoto (1989) merupakan salah satu terobosan aplikasi membran dalam bidang pengolahan limbah. Pada konfigurasi ini, membran dipasang langsung di dalam bioreaktor. Permeat dihasilkan melalui pompa hisap dengan demikian konsumsi energi menjadi rendah karena tidak dibutuhkan adanya pompa resirkulasi. Studi yang dilakukan oleh Yamamoto menunjukkan rendahnya konsumsi energi yaitu 0,007 kWh/m3. Keuntungan–keuntungan lain yang didapat dari bioreaktor membran adalah tingginya kualitas efluen, produk telah terdesinfeksi, produksi lumpur rendah, efisiensi biodegradasi yang tinggi, dan kebutuhan ruang yang rendah. Di negara-negara seperti Amerika Serikat dan Jepang, BRM telah teraplikasikan pada skala industri. BRM merupakan unit yang paling sesuai untuk diaplikasikan di banguan-bangunan dengan kebutuhan reuse dan recycle karena sistemnya yang mampat dan juga kualitas produknya yang sangat memuaskan. Unit BRM yang telah teruji secara komersil adalah UBIS di Jepang dan Cycle-Let di Amerika Serikat. UBIS (Ultra Biological System) telah dipasang di lebih dari 40 bangunan dengan kapasitas lebih dari 5000 m3/hari [5]. Sementara Cycle-Let telah dipasang di lebih dari 30 instalasi di Amerika Serikat. Hal yang serupa juga dilakkan di Eropa dengan unit BRM lain yang dikembangkan oleh perusahaan Lyonnaise des Eaux dengan menggunakan membran tubular berbahan keramik. Berdasarkan keunggulan-keunggulan yang dimiliki sistem ini dan juga adanya instalasi-instalasi yang terbukti sukses teraplikasikan di lapangan maka unit ini memiliki peluang penerapan yang sangat besar untuk diaplikasikan di instalasiinstalasi pengolahan limbah yang ada di Indonesia. Aplikasi terpilih lainnya berkaitan dengan sistem elektrodeionisasi (EDI). EDI merupakan proses deionisasi kontinu tanpa bahan kimia yang pada intinya memiliki prinsip dasar yang sama seperti mixed-bed ion-exchange. Ulasan yang lebih rinci akan disampaikan pada bagian lain makalah ini. Konsep EDI telah lama dikenal sejak pertengahan tahun 1950-an. Unit komersil pertama diperkenalkan oleh perusahaan Millipore pada tahun 1987 dengan nama dagang Ionpure CDI [16]. Perusahaan lain yaitu U.S. Filter juga menawarkan unit EDI komersil yang terdiri atas EDI untuk kebutuhan industri (industrial) dan EDI dengan modul yang lebih mampat (compact). EDI terutama diaplikasikan untuk menghasilkan air dengan kemurnian tinggi seperti yang dibutuhkan di industri-industri farmasi, semikonduktor, pembangkit energi, dan optik. Namun demikian terdapat pula aplikasi-aplikasi di bidang lain seperti pengolahan limbah, pemrosesan pati, dan bioteknologi.

5

IV.

PERKEMBANGAN TERKINI

Pada sub bab ini akan dibahas mengenai proses-proses membran yang saat ini tengah berkembang. Seperti dikemukakan oleh Strathmann (2001), perkembangan terkini pada proses membran diantaranya adalah pengembangan membran dan materialnya, membran RO kinerja tinggi, stabilisasi membran cair, pembuatan membran HF komposit dengan spineret tiga-lubang, membran anorganik selektivitas tinggi untuk pemisahan gas dan uap, pengembangan modul membran, pengembangan proses membran baru dan aplikasinya, EDI dan penggunaan membran bipolar, kontaktor membran, reaktor membran, membran untuk sel bahan bakar/elektrolisis, dan membran sintetik untuk aplikasi medis. Uraian berikut mengetengahkan lebih lanjut mengenai perkembangan terkini proses membran menurut Strathmann [4]. Kemajuan yang signifikan telah terjadi pada tahun-tahun belakangan ini dalam pengembangan membranmembran baru dan aplikasinya. Material baru baik organik maupun anorganik, struktur molekul super dengan sifat pengikatan spesifik telah digunakan sebagai material penyusun membran. Untuk pemisahan gas-gas, khususnya oksigen/nitrogen dan metan/karbon dioksida telah digunakan polimer glassy dan material anorganik baru seperti zeolit untuk membuat membran dengan selektivitas yang lebih baik dan fluks yang lebih tinggi. Untuk pemisahan enansiomer, telah dibuat carrier-facilitated transport membran dengan menggunakan teknik imprint molekuler. Pada proses RO, saat ini telah tersedia membran dengan stabilitas yang lebih baik dan juga fluks yang lebih tinggi. Membran dengan permukaan termodifikasi dan membran afinitas untuk penghilangan endotoksin atau komponen toksik lain dari darah juga segera tersedia. Perkembangan lainnya adalah membran RO kinerja tinggi. Perusahaan Nitto Denko telah mengembangkan membran RO untuk desalinasi air laut selama 20 tahun dan menghasilkan membran RO dengan kemampuan rejeksi garam lebih dari 99,5% dan fluks air berbagai membran hingga 3 kali lipatnya. Hal ini dihasilkan dari teknik pembuatan lapisan barrier membran komposit yang memiliki banyak lipatan-lipatan sehingga permukaan lapisan barrier yang sesungguhnya menjadi tiga kali lebih besar dibandingkan luas struktur pendukung. Perkembangan bahan membran juga telah dicapai dalam hal membran cair. Sebelumya penggunaan membran cair dibatasi oleh pendeknya umur membran. Pada membran yang tipis, pelarut atau pembawa dapat hilang dalam waktu beberapa jam sehingga membran menjadi tidak berfungsi. Kestabilan membran cair kini dapat ditingkatkan secara drastis dengan menempatkan lapisan polimer tipis di bagian atas membran cair. Proses pembuatan membran juga telah mengalami kemajuan. Kini membran HF komposit dapat dibuat dalam satu tahap dengan menggunakan tripple nozzle spineret. Dengan teknik ini, membran dengan dua struktur yang berbeda yang terdiri dari dua polimer yang berbeda dapat diperoleh di permukaan dalam dan luar fiber. Keuntungan utama dari HF komposit yang dibuat dalam satu tahap oleh tripple nozzle spinneret dibandingkan dengan yang dibuat dengan cara dip-coating adalah kesederhanaan proses. Secara umum fluks yang lebih tinggi juga diperoleh karena penetrasi pori yang biasa terjadi dalam pelapisan secara dip-coating dapat dihindarkan. Kemajuan lainnya adalah membran anorganik untuk pemisahan gas-uap dengan selektivitas tinggi. Pada umumnya, membran anorganik dihasilkan dengan cara slip-coating dan sintering pada bahan membran -Al2O3. Membran ini dapat dianggap sebagai struktur masa kini dan digunakan untuk proses mikrofiltrasi and ultrafiltrasi. Perkembangan terkini yang menarik adalah pembuatan membran zeolit. Karena sifat unik kristal zeolit seperti molecular sieving, penukar ion, adsorpsi selektif, dan katalisis, membran ini memiliki potensi aplikasi yang sangat luas untuk pemisahan gas dan uap, reaktor membran, dan sensor kimia. Membran anorganik dense yang terbuat dari paladium dan campuran paladium telah lama digunakan untuk transport selektif hidrogen. Akan tetapi, aplikasi industrinya masih terbatas karena mahalnya harga logam. Membran keramik dense yang terbuat dari perovskit memberikan high mixed electronic dan konduktivitas ion oksigen, dan secara luas dipelajari untuk aplikasi-aplikasi pada sel bahan bakar oksida padat, sensor oksigen, dan reaktor membran. Penelitian penting yang terus meningkat berkaitan dengan membran keramik nanoporous dengan struktur pori yang baik yang dibuat dengan template-assisted, self-assembling method. Lebih lanjut, usaha-usaha penelitian juga meningkat pada pengembangan membran penghantar proton untuk aplikasi temperatur tinggi pada sel bahan bakar dan reaktor membran. Pengembangan modul membran juga terus dilakukan. Kinerja keseluruhan modul-modul membran terkini seperti modul plate-and-frame, spiral-wound, hollow-fiber, dan kapiler telah meningkat secara bertahap pada tahun-tahun belakangan ini, dan biaya produksi juga telah berkurang secara signifikan. Akan tetapi hanya sedikit konsep modul yang diajukan yang benar-benar baru. Dua pengecualian adalah modul membran kapiler aliran transversal dan modul tubular tipe spiral. Modul aliran transversal biasa digunakan pada proses dialisis. Karakteristik modul-modul ini adalah membran kapiler lurus dan aliran aksial melewati lumen dan cangkang fiber. Dengan mengesampingkan distribusi aliran yang buruk, dan juga transfer massa pada permukaan membran sisi cangkang, jenis modul ini disukai karena tingginya packing density dan rendahnya biaya produksi. Modul membran tubular tipe spiral melibatkan aliran di sekitar tabung berliku pada kecepatan yang relatif tinggi untuk menghasilkan instabilitas sentrifugal dan aliran sekunder dari permukaan membran ke bagian tengah tube sehingga menghasilkan peningkatan yang signifikan pada fluks. Akan tetapi, biaya produksi yang lebih tinggi dan rendahnya kinerja modul membran tipe spiral ini membatasi aplikasinya pada skala industri.

6

Perkembangan berikutnya adalah pengembangan proses dan aplikasi membran baru. Proses membran baru yang merupakan terobosan dalam aplikasinya adalah demineralisasi dengan teknik elektrodeionisasi (EDI), aplikasi baru dalam bidang biomedis, dan aplikasi pada sel bahan bakar. Sesungguhnya, perkembangan yang signifikan telah dilakukan pada proses lain, sebagai contoh, pengendalian emisi gas buang dengan kontaktor membran dan reaktor membran, baik untuk konversi kimia maupun konversi biologis. Pengembangan reaktor membran untuk reaksi dehidrogenasi, esterifikasi, dan reaksi enzimatik juga sangat prospektif dan telah cukup lama dikembangkan, akan tetapi, hingga saat ini aplikasi industrinya belum terlihat. Hal yang sama juga terjadi pada kontaktor membran untuk pengendalian emisi. Studi-studi dan data empiris menunjukkan tingginya potensi proses ini, akan tetapi aplikasinya juga belum terlihat. Elektrodeionisasi dan penggunaan membran bipolar juga merupakan salah satu perkembangan terkini. Elektrodeionisasi digunakan untuk produksi air berkualitas tinggi dengan mengkombinasikan teknik penukar-ion konvensional dengan elektrodialisis [17]. Proses dapat dioperasikan secara terus-menerus tanpa regenerasi kimia resin penukar-ion. Satu-satunya kelemahan proses adalah penggunaan arus yang kurang efektif. Membran bipolar saat ini digunakan berkombinasi dengan membran penukar-ion biasa untuk produksi asam dan basa dari garam yang berada pada proses yang disebut sebagai disosiasi air elektrodialisis. Membran bipolar terdiri atas lapisan kation dan anion yang tersusun paralel diantara dua elektroda. Sama seperti pada elektrodialisis, 100 unit sel dapat disusun di antara dua elektroda. Disosiasi air elektrodialitik sangat efisien dari segi energi. Akan tetapi masih terdapat permasalahan seperti kebocoran garam ke dalam produk dan rendahnya penggunaan arus pada konsentrasi asam dan basa tinggi. Kontaktor membran juga merupakan perkembangan dalam bidang membran. Pada kontaktor membran, membran berfungsi sebagai pembatas antara dua fasa yang mencegah terjadinya pencampuran tetapi tidak mengendalikan laju perpindahan komponen-komponen yang berbeda antar fasa. Pori-pori membran cukup kecil sehingga gaya kapiler akan mencegah pencampuran langsung dua fasa tadi. Kunci keuntungan kontaktor membran adalah tingginya luas permukaan transfer massa dalam perangkat yang relatif kecil. Aplikasi skala-besar yang umum untuk kontaktor gas/cair adalah penyisihan atau transfer gas-gas terlarut dari atau menuju cairan, contoh, oksigenasi darah selama operasi jantung terbuka, penghilangan oksigen selama produksi air ultramurni, dan pemisahan campuran gas olefin/parafin. Perkembangan lainnya adalah reaktor membran. Reaktor membran merupakan perangkat yang memanfaatkan sifat-sifat membran untuk meningkatkan efisiensi reaksi kimia atau biokimia. Berbagai bentuk reaktor membran digunakan terutama untuk reaksi katalitik dan enzimatik. Dalam bentuk reaktor membran yang paling sederhana, membran digunakan sebagai kontaktor yang memisahkan katalis dari medium reaksi. Membran memberikan luas permukaan yang memadai untuk pertukaran antara katalis dan medium reaksi tetapi tidak memberikan fungsi pemisahan. Unit ini seringkali digunakan dalam kultur sel dan proses-proses fermentasi seperti degradasi enzimatik pektin dalam sari buah. Pada reaktor membran jenis yang kedua, membran memberikan sifat transport massa selektif dan digunakan untuk menggeser kesetimbangan reaksi kimia dengan secara selektif memisahkan produk-produk reaksi, sebagai contoh, pada reaksi dehidrogenasi atau oksigenasi seperti dehidrogenasi n-butana. Jenis ketiga reaktor membran mengkombinasikan kontaktor membran dan fungsi pemisahan, sebagai contoh reaksi de-esterifikasi yang dikatalisis enzim. Berikutnya adalah membran untuk sel bahan bakar/elektrolisis [6]. Salah satu terobosan dalam aplikasi membran polimer penghantar ion adalah sel bahan bakar membran penukar proton, perangkat yang mengkonversi energi kimia langsung menjadi energi listrik tanpa pembakaran. Karena kombinasi elektrokimia dari hidrogen (bahan bakar) dan oksigen menghasilkan air maka sel bahan bakar ini menjadi ramah lingkungan dan diharapkan dapat menggantikan mesin-mesin berbahan bakar bensin atau baterai isi ulang. Membran sintetik dalam aplikasi medis juga merupakan salah satu perkembangan terkini. Aplikasi biomedis sejauh ini merupakan aplikasi yang paling relevan untuk membran sintetis. Membran digunakan dalam perangkat medis seperti untuk hemodialisis, oksigenator darah, dan sistem pengantar obat terkendali. Akan tetapi terdapat pula usaha-usaha yang difokuskan pada pengembangan membran generasi berikutnya yaitu untuk organ buatan seperti hati atau pankreas buatan. Pada perangkat ini membran sintetik dikombinasikan dengan sel hidup untuk membentuk organ biohibrid.

V.

TEKNOLOGI MEMBRAN DI INDONESIA

Di Indonesia, perkembangan pertama teknologi membran tercatat pada tahun 1979 dengan keikut-sertaan sejumlah peneliti dari Indonesia pada kursus singkat teknologi membran yang diselenggarakan oleh Prof. A.G. Fane dari University of New South Wales, Australia. Perkembangan selanjutnya ditandai dengan diadakannya kegiatan-kegiatan seperti IMSTEC (International Membrane Science and Technology Conference) yang diselenggarakan oleh UNESCO Centre for Membrane Science dan 5th ASEAN Food Conference di Kuala Lumpur, Malaysia (1994), dengan topik diskusi perkembangan membran di Indonesia dan ASEAN. Kegiatan lainnya adalah Regional Symposium on Membrane Science and Technology yang saat ini akan diselenggarakan untuk ketiga kalinya di Indonesia pada bulan April 2005. Sejalan dengan mulai berkembangnya kegiatan-kegiatan ilmiah yang berkaitan dengan teknologi membran, demikian pula halnya dengan aplikasi teknologi membran di Indonesia. Aplikasi membran saat ini telah merambah ke hampir semua bidang industri. Dalam aplikasinya, membran dapat menggantikan proses konvensional yang sudah ada ataupun berperan sebagai tahap polishing. Berbagai bidang industri yang tercatat mengaplikasikan proses membran diantaranya adalah bidang 7

industri pangan, bioteknologi, medis, industri berbasis proses kimia, dan tentunya bidang pengolahan air dan limbah. Di Indonesia, aplikasi teknologi membran terutama dijumpai pada sektor medis (hemodialisis) dan sektor pengolahan air. Perlu diketahui pula bahwa faktor-faktor penentu perkembangan teknologi membran akan berbeda-berbeda di setiap negara. Di negara-negara Asia Tenggara, perkembangan teknologi membran terutama dipengaruhi oleh kebutuhan penyediaan air proses untuk industri-industri yang merupakan produk bernilai rendah dengan kapasitas tinggi (low value, high capacity). Namun demikian peluang untuk pengembangan produk bernilai tinggi dengan kapasitas rendah (high value, low capacity) seperti halnya produk bioteknologi tetap dimungkinkan. Tabel 2 menunjukkan sejumlah aplikasi membran khususnya membran reverse osmosis di berbagai industri di Indonesia. Tabel 2. Aplikasi membran di Indonesia* No. Industri 1 PT. Top Tone Elektronik, 2 PT. Purnomo Sejati, Sidoarjo 3 PT. Dyno Indria 4 PT. Pupuk Kaltim 5 TNI – AL (KRI Teluk Hading) 6 PT. Kondour Petroleum 7 PT. Thies, Sumbawa 8 PT. Air Cerdas Ganesha 9 PT. Raya Sugarindo 10 PT. Insan Sandang, Bandung 11 PT. Pura Baritama, Kudus 12 PT. Cilegon M.W. Service 13 Pemda Kepulauan Seribu 14 Exxon, Cepu 15 Tjiwi Kimia 16 Paiton 17 Aromatic, Tuban 18 PT. Kahatex, Bandung 19 PT. Agricinal, Bengkulu 20 Household appliance 21 PT. Dharma Polimetal 22 PT. Pelindo *Sumber: [18-20]; komunikasi pribadi

Modul SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW SW

Material Komposit PP PA PA PA PA TFC PA PA PA PA TFC TFC TFC TFC TFC

Manufaktur Osmotron, Australia Kurita, Japan PT. Hasakona Rochem, Germany PT. Tripatra EPC PT. OBE, Indonesia GDP, Indonesia GDP, Indonesia GDP, Indonesia PT Metito Indonesia

Aplikasi Rinsing water Air murni Pengolahan limbah Penyediaan air bersih Penyediaan air bersih Penyediaan air bersih Penyediaan air bersih Penyediaan air bersih Pemisahan tapioka Pengolahan limbah Air murni Desalinasi Air minum Air proses Air proses Air proses Air proses Air proses Air proses Air minum Pengolahan limbah Desalinasi

Berdasarkan Tabel 2, dapat dilihat bahwa proses membran telah digunakan untuk proses-proses yang biasanya dilakukan dengan proses konvensional. Keberadaan industri-industri yang telah mengaplikasikan membran juga secara tidak langsung menunjukkan kelayakan ekonomis proses membran. Masih terbatasnya penerapan teknologi membran di Indonesia diantaranya disebabkan oleh sejumlah faktor baik teknik maupun non-teknik. Salah satu isu yang paling kuat adalah mahalnya harga membran. Perlu diketahui bahwa hingga saat ini, harga membran terus menurun dari tahun ke tahun sehingga dimungkinkan membangun instalasi membran dengan biaya yang kompetitif dibandingkan proses konvensional. Seperti telah disebutkan sebelumnya bahwa meskipun aplikasi proses membran di Indonesia terutama pada sektor penyediaan air, sebenarnya masih terdapat potensi pemanfaatan proses membran di banyak sektor industri lainnya. Tabel 3 menunjukkan potensi-potensi aplikasi teknologi membran di Indonesia yang mencakup sektor penyediaan air, makanan dan minuman, bioteknologi, kesehatan dan obat-obatan, dan industri kimia. Peran membran diantaranya sebagai unit klarifikasi, desinfeksi, purifikasi, dan pemekatan.

8

Tabel 3. Potensi aplikasi teknologi membran di Indonesia* Perkiraan kapasitas/tahun 2,8 . 106 m3 **

Sektor industri Air minum Air demin

Makanan dan minuman

Pembuatan susu, keju

200.000 ton

Tapioka

3. 106 ton

Pengalengan ikan dan biota perairan lainnya

35.024 ton & 115.000.000 pcs

Coklat dan pemanis

80.000 ton 1.400.000 L and 41.500 bottles 2.700.000 m3

Minuman beralkohol Soft drink

Pemanis

Minyak sawit

Malt dan minuman mengandung malt

26.000 m3

Pemrosesan teh dan kopi

86.000 ton

Kecap Pabrik gula tebu Gula rafinasi Glukosa dan maltosa Sirup (tebu, glukosa, fruktosa, dan lainnya)

22.000 m3 780.000 ton 150.000 ton 70.000 ton

Minyak sawit mentah (Crude Palm Oil/CPO)

Bioteknologi/fermentasi

Obat-obatan dan kesehatan

Industri kimia

Akuakultur

18.000 m3

9.000.000 ton

**

Obat-obatan Hemodialysis Gas alam

** 6000 pasien 2.800.000 ton

Pupuk

6.800.000 ton

Tekstil

**

Tekstil (penyamakan kulit)

2,8. 106 m2

Metal finishing

100.000 m3

Pulp

1.300.000 ton

Elektronik Pembenihan Pakan alami Pembesaran

** ** ** **

Potensi aplikasi

Proses membran

Klarifikasi & desinfeksi Purifikasi Pemekatan susu Fraksionasi protein whey Pengolahan limbah Pengambilan pati terlarut Pengolahan limbah Pengambilan protein Pemekatan protein Pengolahan limbah

MF, UF, NF, RO UF, NF, RO, EDI UF, RO MF, UF UF, BRM UF UF UF UF UF

Klarifikasi

MF, UF

Klarifikasi Klarifikasi Pengambilan malt Sterilisasi Pemekatan Klarifikasi Klarifikasi Klarifikasi, pra-pemekatan Klarifikasi, pra-pemekatan Pemekatan Klarifikasi Pemekatan Pengambilan heavy phase Klarifikasi PKO Pengambilan pelarut Penghilangan bau Penghilangan logam Klarifikasi minyak goreng Sterilisasi Purifikasi enzim Pemanenan PST Fraksionasi protein Dehidrasi etanol Pengolahan limbah Hemodialisis Pemisahan gas Pemisahan gas Pengambilan hidrogen Pemisahan CO2 Pengolahan limbah Pemisahan pewarna Pengambilan lateks Pengolahan limbah Pengolahan limbah Pengambilan logam berat Pengolahan limbah Pengambilan lignin alkali Produksi air ultramurni Penghilangan virus Pemanenan Pengendalian kualitas air

MF, UF UF MF UF RO UF UF, RO UF, RO UF, RO RO UF RO MF MF VP VP MF UF, RO MF UF MF, UF UF PV BRM UF GS GS GS GS UF, MF, BRM UF UF UF, MBR UF, RO UF UF, MBR UF RO, ED UF UF UF

*Sumber: [19, 21, 22]; komunikasi pribadi; **data tidak tersedia

Perkembangan terkini proses membran di Indonesia saat ini mencakup sektor yang sangat beragam dan telah merambah ke hampir semua sektor industri seperti dapat dilihat pada Tabel 4. Perkembangan dapat dijumpai pada sektorsektor yang telah lama dikenal mengaplikasikan proses membran seperti sektor pangan, medis, air dan limbah; maupun pada sektor yang relatif baru seperti bidang akuakultur. Berdasarkan Tabel 4 terlihat bahwa membran sudah merupakan aplikasi yang umum dilakukan. Berbagai aplikasi membran mampu menjangkau industri-industri yang memiliki muatan lokal tinggi seperti industri CPO, tapioka, dan juga industri gula yang sudah lama terpuruk. Dari sejumlah perkembangan yang telah dilakukan, perkembangan di bidang fabrikasi membran juga telah menghasilkan mesin spinning dan mesin casting yang memungkinkan diproduksinya membran buatan dalam negeri sehingga memutus ketergantungan impor membran. Beberapa dari perkembangan-perkembangan proses membran tersebut akan diuraikan sebagai berikut.

9

Tabel 4. Perkembangan terkini teknologi membran di Indonesia Sektor Pabrikasi membran Medis

Bioteknologi

Makanan dan minuman

Gula tebu

Pati tapioka

CPO (crude palm oil)

Akuakultur Pemisahan gas

Pengolahan air

Pengolahan limbah

Bidang aplikasi Mesin spinning Mesin “casting” Reuse dialisat Produksi dialiser Reuse dialiser Produksi protein sel tunggal Produksi desktranase (Pasa Jatiroto) Bioreaktor membran hollow fiber Produksi etanol absolut Produksi karaginan Klarifikasi anggur (Pusat Inkubator Agribisnis, Bali) Produksi temulawak kualitas tinggi Klarifikasi nira tebu (PG Kanigoro, Madium) Pra-pemekatan jus tebu Produksi jus tebu (TEBUKU) Produksi gula rafinasi dengan SCED Produksi bersih dalam industri tapioka Likuifaksi pati dengan membran keramik Produksi asam lemak bebas secara in-situ dari buah kelapa sawit Pengutipan solid dari “heavy phase” dekanter Kombinasi DAF-UF untuk pengolahan kondensat Filtrasi PKO UF untuk unit pembenihan Produksi mikroalga untuk pakan alami Pemisahan gas Kontaktor hollow fiber untuk reduksi emisi gas asam Teknologi SCED Solar Powered DCMD Hollow fiber steam trapper Kontaktor hollow fiber Membran distilasi Pengolahan air pendingin industri petrokimia LPRO untuk desalinasi air payau RO potable drinking water system “Mobile RO” untuk keperluan militer Mobile RO package plant High Grade Drinking Water Package Ultra Pure Water Package Plant Residential RO Purifier Machine UF Pilot Plant (luas membran 15 m2) UF untuk rumah-tangga Small Residential Ultra Purifier Package Kombinasi UF-RO untuk produksi air proses MARS – Membrane Advanced Refill System UF hand-pump Reuse limbah laundry Pengolahan limbah leachate Reuse air dan recovery gula pada industri permen Reuse air pada industri tekstil Pengolahan spin finish oil Bioreaktor membran untuk limbah COD tinggi Pengolahan limbah elektroplating Septic-tank ramah lingkungan

Proses membran UF Dialisis UF MF UF BRM PV UF UF UF UF UF UF SCED UF, RO MF

Status Skala pilot Skala pilot Skala laboratorium Prototipe Skala laboratorium Skala laboratorium Skala industri Skala laboratorium Skala laboratorium Skala laboratorium Skala pilot Skala laboratorium Skala industri Skala industri Skala industri Skala laboratorium Skala pilot Skala pilot

UF

Skala laboratorium

MF UF MF UF UF GS Kontaktor membran SCED Membran distilasi Membran distilasi Kontaktor membran Membran distilasi UF, RO RO RO RO RO RO UF RO UF UF UF UF, RO UF UF UF UF, RO UF, RO UF UF MF, UF UF UF

Skala industri Skala pilot Skala laboratorium Skala industri Skala laboratorium Skala laboratorium Skala laboratorium Skala pilot Skala laboratorium Skala laboratorium Skala pilot Skala laboratorium Skala pilot Skala pilot Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala industri Skala pilot Skala pilot Skala pilot Skala pilot Skala industri Skala laboratorium

Mesin HEMOTEK merupakan salah satu temuan dalam bidang medis yang pada awal kemunculannya didasari oleh mahalnya biaya yang harus ditanggung oleh penderita gagal ginjal. Keberadaan mesin HEMOTEK memungkinkan membran pencuci darah (dialiser) dapat digunakan berulang-ulang sehingga dapat mengurangi biaya terapi cuci darah. Prinsip dasar pencucian membran dengan alat HEMOTEK ini didasarkan pada pengembalian koefisien ultrafiltrasi membran hemodialisis. Faktor-faktor yang mempengaruhinya adalah temperatur, pH, intensitas fouling, dan interaksi membran dengan foulant. Optimasi proses pencucian terutama ditujukan pada pencucian struktur pori internal untuk mengembalikan permeabilitas membran secara signifikan. Pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa peningkatan permeabilitas dapat dijaga dengan hasil 80-100% dari permeabilitas awal. Parameter pencucian lainnya yakni membrane priming volume hampir selalu kembali ke nilai semula setelah dilakukan pencucian. 10

Perkembangan lain berkaitan dengan proses Super Conductive Electrodialysis (SCED), yang juga dikenal sebagai elektrodeionisasi atau deionisasi kontinu, yang merupakan proses membran dengan gaya dorong beda potensial listrik yang merupakan kombinasi dari penukar ion dan elektrodialisis. Proses ini mampu menyisihkan spesi-spesi yang dapat terionisasi dari cairan dengan memanfaatkan media terionisasi dan potensial listrik untuk mempengaruhi transport ionik. Teknologi SCED tersusun atas kompartemen-kompartemen yang terdiri dari kompartemen diluat, kompartemen konsentrat, dan kompartemen elektroda. Konfigurasi pertama SCED menggunakan resin penukar ion mixed-bed yang hanya ditempatkan pada kompartemen diluat yang akan meningkatkan perpindahan melewati membran penukar ion oleh arus listrik searah. Konfigurasi berikutnya menggunakan resin penukar ion mixed-bed yang ditempatkan pada kompartemen diluat dan kompartemen konsentrat. Dengan demikian konsentrasi ion-ion menjadi berkurang pada kompartemen diluat dan sebaliknya meningkat pada kompartemen konsentrat sehingga proses dapat digunakan baik untuk purifikasi atau pemekatan. Pada proses SCED, resin mixed-bed yang berada pada kompartemen diluat diregenerasi secara kontinu oleh arus listrik sehingga menghilangkan kebutuhan regenerasi resin secara kimia seperti yang umum dijumpai pada proses konvensional. Biaya pekerja dan bahan kimia juga diimbangi dengan rendahnya kebutuhan listrik. Teknologi SCED juga memiliki keunggulan lain dimana operasi dapat berlangsung secara kontinu dengan pengoperasian yang mudah dengan kualitas produk yang dapat diprediksi sehingga mengurangi keperluan keterlibatan operator. Dari segi penggunaan ruang, unit SCED memiliki dimensi yang lebih kecil dibandingkan sistem mixed-bed konvensional dan juga dapat dikonfigurasi untuk ruang dengan luas terbatas. Sifat modular dari sistem ini juga membuatnya mudah disesuaikan dengan kebutuhan laju alir yang diinginkan. Sistem SCED ini banyak diaplikasikan untuk produksi air ultramurni [23-27], daur-ulang air [28], pengambilan logam [29], pemisahan asam sitrat dari kaldu fermentasi [30, 31], dan pemurnian sirup glukosa [32]. Bioreaktor membran hollow fiber enzimatik juga merupakan salah satu perkembangan aplikasi membran dalam sektor pati. Bioreaktor membran enzimatik merupakan suatu sistem yang mengkombinasikan transfer massa secara selektif dengan reaksi kimia. Sejumlah keuntungan yang didapat melalui penggunaan bioreaktor membran enzimatik adalah peluang untuk merancang proses dengan cara yang lebih rasional, penghematan penggunaan enzim, plant yang lebih kompak, pemotongan biaya operasi, dan produktivitas tinggi dengan produksamping minimum [33, 34]. Banyaknya publikasi-publikasi serta paten pada bidang ini dengan jelas menggambarkan luasnya aplikasi sistem ini pada berbagai aplikasi. Penemuan yang berhasil dikembangkan adalah bioreaktor membran hollow fiber yang dioperasikan untuk hidrolisis pati tapioka secara enzimatik pada konsentrasi tinggi. Salah satu proses penting yang berhubungan dengan pati tapioka adalah konversinya menjadi sirup dekstrosa. Pada prakteknya, konversi ini melibatkan tiga tahap utama yakni likuifaksi slurry granula pati, sakarifikasi pati terlikuifaksi, dan pemurnian. Secara umum hasil yang diharapkan adalah sirup dekstrosa dengan konsentrasi setinggi mungkin. Namun demikian, pati tergelatinisasi dengan konsentrasi lebih dari 40% terlalu kental untuk dapat diproses dengan peralatan konvensional. Perkembangan lainnya berkaitan dengan pengolahan brine yang berasal dari MSF. Multi-stage flash evaporator (MSF) adalah salah satu metode yang umum digunakan untuk desalinasi air laut. Selain menghasilkan air murni, unit ini juga menghasilkan larutan garam pekat dalam jumlah yang cukup signifikan dan tidak dapat dibuang langsung karena tingginya temperatur (90oC) dan pekatnya konsentrasi garam (46.000-80.000 mg/l) [35]. Pengolahan konvensional terhadap larutan brine ini umumnya hanya berupa proses pengenceran saja. Ahmed, dkk. (2003) [36]menyatakan bahwa permasalahan pembuangan efluen garam dari plant-plant desalinasi saat ini telah semakin meningkat di banyak tempat di dunia. Metode yang kemudian dikembangkan adalah pemanfaatan unit kontaktor hollow fiber berbasis membran MF hidrofobik. Membran hidrofobik hanya melewatkan uap air (fasa gas) dan merejeksi air (fasa cair) dan garam-garam. Dengan demikian, kemurnian air yang dihasilkan tidak dipengaruhi oleh konsentrasi umpan. Fenomena ini memungkinkan untuk dihasilkannya air dengan kemurnian tinggi bahkan pada konsentrasi garam yang sangat tinggi. Dengan proses ini maka akan dihasilkan pula produk samping yakni larutan garam pekat yang telah terpekatkan yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan garam. Pengolahan air pendingin juga merupakan salah satu potensi aplikasi proses membran. Air merupakan media pendingin yang paling banyak digunakan di industri dan lebih dikenal sebagai cooling water. Sebagai air pendingin, air harus memenuhi persyaratan diantaranya mempunyai kandungan padatan terlarut rendah, bebas mikroorganisme terutama jamur dan lumut, dan tidak korosif. Dalam operasinya, air pendingin akan mengambil panas dari aliran proses yang didinginkan dan selanjutnya panas tersebut harus dibuang agar dapat berfungsi kembali sebagai media pendingin. Mekanisme pengambilan dan pelepasan panas oleh air pendingin dapat dibedakan menjadi dua, yaitu sirkulasi tertutup dan sirkulasi terbuka. Pada sirkulasi tertutup, panas yang dibawa oleh air pendingin dilepaskan kedalam aliran cairan eksternal melalui kontak tidak langsung. Dengan cara ini, air pendingin tidak akan terkontaminasi oleh partikel debu ataupun mikroorganisme dari udara, tetapi proses pelepasan panas sangat lambat karena hanya melepaskan panas sensibel dan prosesnya relatif mahal. Oleh karena itu, sirkulasi terbuka lebih banyak digunakan. Namun, keterbatasan sistem sirkulasi terbuka antara lain memerlukan ruang yang besar, kontaminasi dari udara, dan kehilangan air berupa uap ke udara. Cooling tower sirkulasi tertutup merupakan salah satu perkembangan mutakhir dimana sistem ini sangat berbeda dengan teknologi yang sudah ada sebelumnya. Cooling tower ini menggunakan membran hollow fiber hidrofobik mikroporous 11

yang permeabel terhadap uap tetapi tidak permeabel tehadap air. Keunggulan dari cooling tower ini terletak pada susunan sistem pemroses yang memungkinkan untuk menurunkan kembali temperatur air pendingin dan sekaligus produksi air ultramurni dengan memanfaatkan panas yang dibuang oleh air pendingin tersebut. Karena sistem sirkulasinya tertutup, kontaminasi air pendingin oleh partikel dan mikroorganisme dari udara sebagaimana sering terjadi jika menggunakan cooling tower konvensional dapat dihindari. Dengan demikian, terjadinya fouling pada dinding penukar panas juga dapat diminimasi. Peralatan yang bersifat modular dan mampat merupakan keunggulan lainnya dari cooling tower ini. Pada bidang akuakultur, perkembangan mutakhir proses membran adalah pada pengendalian kualitas air dan pemanenan maupun pemekatan alga [37]. Pada sistem akukultur, penyebaran penyakit yang disebabkan oleh virus dan bakteri telah menyebabkan kerugian yang sangat besar seperti kegagalan panen. Kualitas air merupakan faktor penting yang sangat mempengaruhi kesuksesan budidaya akuakultur karena pada sejumlah kasus, air menjadi sumber mikroorganisme patogen. Kualitas air akan berpengaruh pada reproduksi, pertumbuhan, dan kelulus-hidupan organisme akuatik. Kriteria air dengan kualitas yang baik dilihat dari parameter-parameter fisik, kimia, dan biologis yang masih berada dalam batas aman terhadap pertumbuhan dan kelulus-hidupan udang. Saat ini, teknologi membran telah dipertimbangkan sebagai alternatif pengolahan air pada sistem akuakultur [38]. Penggunaan proses membran UF memungkinkan diproduksinya air bebas patogen. Hal ini disebabkan karena ukuran pori UF yang mampu merejeksi mikroba dan juga padatan-padatan tersuspensi dari air umpan. Selain itu, membran UF masih dapat melewatkan ion-ion sehingga dapat digunakan untuk mengolah air laut untuk budidaya udang air laut. Studi menunjukkan bahwa laju pertumbuhan, laju kelulus-hidupan, dan produksi post-larva udang windu (Penaeus monodon) secara langsung dipengaruhi oleh kualitas air dan kondisi higienik di dalam sistem kultur [39]. Efisiensi penyisihan virus dan bakteri oleh proses UF sangat tinggi berkisar dari 98-100%. Perkembangan lainnya berkaitan dengan aspek pakan pada bidang akuakultur. Ketersediaan pakan alami merupakan faktor penting dalam akuakultur, terutama pada usaha pembenihan. Pakan alami merupakan pakan hidup bagi larva ikan atau udang yang mencakup fitoplankton, zooplankton, dan benthos. Pakan alami untuk larva/benih ikan dan udang mempunyai beberapa kelebihan karena ukurannya relatif kecil dan sesuai dengan ukuran mulut larva, nilai nutrisi yang tinggi, mudah dibudidayakan, gerakannya bisa merangsang ikan untuk memangsanya, dapat berkembang biak dengan cepat sehingga ketersediaannya dapat terjamin, dan biaya pembudidayaanya relatif murah. Permasalahan yang terjadi setelah mampu membudidayakan pakan alami adalah bagaimana cara memisahkannya dari air atau media kulturnya. Perkembangan teknologi pemekatan dan pemisahan dengan menggunakan membran ultrafiltrasi memberikan suatu alternatif untuk pemanenan mikroalga. Proses pemekatan mikroalga dilakukan dengan menampung kultur mikroalga dalam suatu tangki umpan. Kultur selanjutnya dialirkan menuju ke unit membran ultrafiltrasi. Dalam unit membran ultrafiltrasi ini, mikroalga yang memiliki ukuran lebih besar dari pori membran akan dipisahkan dengan air kultur. Air kultur sebagai permeat akan dibuang sedangkan mikroalga sebagai retentat akan dikembalikan lagi ke tangki umpan. Proses ini akan berlangsung secara kontinyu sehingga konsentrasi mikroalga dalam tangki umpan akan semakin meningkat Hal ini menunjukkan teknologi ultrafiltrasi mampu berperan sebagai teknologi alternatif untuk memisahkan mikroalga dari medium kulturnya. Dari pengujian yang telah dilakukan teknologi membran ultrafiltrasi ini mampu memekatkan konsentrasi mikroalga hingga 1010 sel/liter. Berdasarkan data-data yang telah diperoleh maka teknologi ini selanjutnya akan diproyeksikan untuk menghasilkan suatu produk berupa alga pasta. Produk alga pasta sekarang ini memiliki nilai jual yang sangat tinggi dan sangat diminati oleh para pelaku usaha budidaya udang terutama yang bergerak pada tahap produksi larva. Dengan integrasi dan aplikasi teknologi dalam sistem budidaya ini diharapkan dapat menjadi solusi dan memberikan keuntungan bagi usaha akuakultur di Indonesia. Fenomena penurunan fluks yang memberikan pengaruh negatif terhadap nilai keekonomian operasi membran ultrafiltrasi merupakan tantangan yang paling serius. Keberadaan fouling menyebabkan membran harus dicuci secara periodik untuk menghilangkan komponen penyebab fouling dari permukaan maupun struktur membran. Frekuensi pencucian merupakan faktor ekonomi penting karena memberikan pengaruh terhadap usia membran [40, 41]. Pencucian dan sanitasi membran juga diperlukan untuk beberapa alasan seperti persyaratan untuk industri makanan dan bioteknologi, reduksi mikroba untuk mencegah kontaminasi produk, dan optimalisasi proses. Ada beberapa strategi untuk mengendalikan fouling, yaitu: membuat atau perlakuan khusus terhadap membran, memodifikasi atau pengolahan air umpan, mengatur kondisi operasi, dan pencucian [42, 43]. Pencucian merupakan salah satu metode yang sering digunakan untuk menghilangkan foulant dari permukaan membran. Metode pencucian membran dapat dibedakan ke dalam empat golongan, yaitu pencucian hidraulik, pencucian mekanis, pencucian kimiawi, dan pencucian elektris. Pemilihan metode pencucian bergantung pada konfigurasi modul, tipe membran, ketahanan kimia, dan jenis foulant. Pencucian hidraulik meliputi backflushing, pressurize-depressurize tekanan, dan perubahan aliran pada frekuensi tertentu. Pada metode backflushing, arah aliran permeat dibalik secara periodik. Backflushing dapat juga dikategorikan pada pengendalian fouling melalui pengaturan kondisi operasi. Pada motode tersebut, produk dialirkan dari sisi permeat menuju sisi umpan. Metode tersebut mereduksi waktu operasi efektif juga menyebabkan kehilangan permeat ke larutan umpan. Hal ini menyebabkan backflush dalam aplikasi industri sangat terbatas sehingga diperlukan optimalisasi. Optimalisasi proses backflush dilakukan terhadap durasi dan interval backflush. 12

Peningkatan laju produk setelah dilakukan backflush semata-mata merupakan fungsi tekanan backflush dan interval antara dua backflush. Belakangan ini, waktu interval backflush telah dikurangi hingga hitungan detik yang menandakan pula tahanan cake tetap rendah karena tidak sempat membentuk lapisan. Teknik backflush terbaru dengan frekuensi tinggi dan waktu yang sangat singkat juga telah dikembangkan. Dengan waktu bakcflush yang sangat singkat (0,06 detik) dan interval maksimum 5 detik (disarankan 1-3 detik) didapatkan hasil yang sangat baik [44, 45]. Karena waktu backflush efektif yang sangat singkat dan tekanan backflush yang relative tinggi (1 bar di atas tekanan umpan) metode ini disebut sebagai “backshock”. Kehilangan permeat selama backshock menjadi sangat rendah dan hampir tidak mempengaruhi aliran permeat. Teknik backshock yang dikombinasikan dengan struktur memban asimetrik terbalik memungkinkan filtrasi pada kecepatan crossflow yang sangat rendah dan fluks permeat yang sangat stabil. Backshock dengan frekuensi tinggi akan mencegah membran dari penyumbatan dan memungkinkan filtrasi dengan fluks yang sangat stabil [45]. Dengan metode tersebut, permasalahan fouling pada proses klarifikasi larutan tersuspensi dapat diatasi [46-49]. Metode lainnya yaitu pencucian mekanis, hanya dapat diterapkan pada sistem modul tubular seperti dengan metode ultrasonik. Adapun pencucian kimiawi merupakan metode yang paling penting untuk mereduksi fouling menggunakan bahan kimia yang dapat digunakan secara terpisah maupun terkombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pencucian juga merupakan hal yang penting karena berkaitan dengan ketahanan membran terhadap bahan kimia. Pencucian secara elektrik merupakan metode pencucian yang sangat khusus. Dengan mengaplikasikan arus listrik melewati membran, partikel-partikel atau molekul-molekul bermuatan akan bermigrasi sesuai dengan arah arus listrik. Pencucian elektrik dapat dilakukan tanpa mengganggu proses yang sedang berjalan dimana arus listrik dihidupkan hanya pada interval-interval waktu tertentu [50]. Selain pencucian, fouling juga dapat dikendalikan dengan mengatur laju alir membran seperti mengoperasikan membran di bawah fluks kritisnya [51]. Dengan metode seperti ini, penumpukan foulant dipermukaan membran dapat dihindari. Selain itu, membran dapat dioperasikan dengan fluks yang stabil. Penerapan membran dalam pengolahan limbah dapat berupa membran sebagai aplikasi fisik/aplikasi langsung atau dikombinasikan dengan proses biologis sebagai aplikasi tak-langsung yaitu proses bioreaktor membran. Aplikasi membran yang dimaksud sebagai proses fisik adalah membran yang digunakan sebagai satu proses tersendiri yang tidak dikombinasikan dengan unit biologis. Dalam hal ini, membran dapat berperan sebagai proses pengolahan primer advanced atau sebagai pengolahan tersier. Dalam aplikasi membran sebagai proses fisik, air limbah dilewatkan pada membran, kontaminan akan terejeksi menjadi konsentrat sementara air yang telah terpisah dari kontaminan limbah akan lolos melewati membran dan keluar dalam bentuk permeat. Pada sebagian besar kasus, permeat yang berasal dari limbah ini dapat digunakan kembali sebagai air proses sehingga mengurangi kebutuhan pemakaian air baku. Hal ini dimungkinkan karena proses membran yang digunakan mampu merejeksi kontaminan-kontaminan berukuran mikron hingga ionik dari air sehingga menghasilkan air berkualitas yang tidak saja memenuhi standar baku mutu tapi juga dapat dipergunakan kembali. Proses ini terbukti dapat dilakukan di berbagai sektor industri. Pada kasus-kasus tertentu membran dapat diaplikasikan untuk proses recovery dimana konstituen yang masih berharga diambil kembali dari aliran limbah awal ataupun dari produk samping proses. Penggunaan membran dengan demikian selain dapat ditujukan untuk menghasilkan permeat memenuhi standar baku mutu tetapi juga dapat ditujukan untuk recovery dan reuse. Sebagai proses fisik, membran telah digunakan pada berbagai jenis limbah yaitu limbah domestik, limbah perkotaan, dan berbagai limbah industri. Potensi yang sama juga dijumpai pada aplikasi membran sebagai aplikasi tak-langsung yakni bioreaktor membran. Kemunculan bioreaktor membran diawali dengan kebutuhan peningkatan efisiensi pengolahan limbah secara konvensional khususnya pada tahap pengolahan sekunder. Pada sistem ini, unit membran dikombinasikan dengan sistem pengolahan biologis konvensional dimana membran menggantikan peran bak sedimentasi sekunder. Dengan demikian, pemisahan antara efluen dan biomassa yang biasanya mengandalkan pada proses sedimentasi digantikan dengan proses filtrasi menggunakan membran. Hal ini menghasilkan keuntungan utama berupa penghematan ruang dan dihasilkannya kualitas efluen yang jauh lebih baik dibandingkan kualitas efluen yang dihasilkan proses sedimentasi. Proses membran yang biasa digunakan untuk bioreaktor membran pemisahan biomassa adalah mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), dan nanofiltrasi (NF). Dengan ukuran pori yang dimiliki ketiga proses membran ini, maka dapat dipastikan hampir seluruh biomassa maupun pengotor yang terdapat pada umpan yang berasal dari bioreaktor dapat direjeksi sehingga yang melewati membran adalah air yang telah terpisah dari biomassa dan pengotor lainnya. Sejumlah kasus yang ada juga menunjukkan bahwa efluen yang dihasikan dari bioreaktor membran tidak saja memenuhi standar buangan tetapi juga memiliki kualitas yang memenuhi syarat untuk digunakan kembali sebagai air proses. Lebih dari 500 instalasi bioreaktor membran saat ini telah dibangun di berbagai tempat di dunia. Sama seperti halnya proses membran sebagai aplikasi fisik, bioreaktor membran dapat diaplikasikan untuk mengolah hampir semua jenis limbah baik limbah domestik, perkotaan, maupun limbah industri. Perkembangan lainnya berkaitan dengan industri minyak sawit mentah (CPO/crude palm oil). Diversifikasi produk-produk minyak sawit mentah merupakan salah satu cara untuk menjaga kelangsungan industri minyak sawit. Salah satu produk turunannya yang memiliki nilai ekonomi tinggi adalah asam lemak. Produksi asam lemak umumnya dilakukan 13

dengan cara hidrolisis lemak atau minyak dengan proses kimia seperti proses Colgate-Emery. Proses ini beroperasi pada temperatur tinggi (240-260oC) dan juga tekanan tinggi (50-60 bar) sehingga memerlukan energi yang cukup besar sekaligus pengwasan yang ketat. Alternatif lain proses produksi asam lemak adalah proses enzimatik. Berlawanan dengan proses Colgate-Emery, proses enzimatik dapat dilangsungkan pada tekanan dan temperatur yang lebih rendah yaitu tekanan atmosfer dan temperatur 30oC. Meskipun demikian, proses enzimatik ini biasanya memiliki kendala dari segi tingginya harga enzim. Akan tetapi, keberadaan enzim lipase yang secara alami terdapat pada buah sawit dapat mereduksi kendala biaya konsumsi enzim ini. Dengan memanfaatkan enzim yang terdapat di dalam buah maka dimungkinkan untuk memproduksi asam lemak dan gliserol langsung dari buah sawit secara in-situ. Studi terkini menunjukkan bahwa hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan reaktor membran enzimatik. Reaktor membran ini menggunakan dua membran ultrafiltrasi yakni membran hidrofilik dan membran hidrofobik. Membran hidrofilik akan melewatkan gliserol dan air sementara membran hidrofobik akan melewatkan asam lemak dengan demikian pemisahan produk akan berlangsung secara kontinu sehingga dapat tercapai konversi trigliserida hingga 90%. Perkembangan mutakhir lainnya dalam industri CPO adalah integrasi sapi-sawit yang didalamnya juga melibatkan peran membran. Sistem ini memungkinkan tercapainya program zero waste effluent dalam industri CPO. Paparan lebih lanjut mengenai bahasan ini akan disampaikan pada sub bab selanjutnya. Perkembangan yang paling baru dalam aplikasi membran adalah unit untuk kondisi darurat seperti bencana alam. Berbagai kelebihan yang dimiliki oleh teknologi membran telah memungkinkan teknologi ini diaplikasikan dalam berbagai bidang dan kondisi. Khusus untuk kondisi bencana, teknologi membran banyak diaplikasikan dalam penyediaan air bersih dan air minum, Kemampuan teknologi ini dalam menghasilkan air berkualitas hanya dalam 1 (satu) tahap saja, tanpa penggunaan bahan kimia, merupakan kelebihan yang dimiliki teknologi ini dibandingkan dengan teknologi konvensional yang ada. Konsumsi energi dapat diminimumkan, bahkan unit-unit filtrasi dapat dioperasikan tanpa listrik sekalipun. Salah satu produk yang telah diaplikasikan dalam penanganan bencana alam yaitu bencana tsunami dan gempa bumi Aceh dan Sumut adalah unit ultrafiltrasi. Unit ini dibuat dalam beberapa konfigurasi, satu diantaranya adalah konfigurasi yang memungkinkan unit ini digunakan tanpa listrik seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Hal ini sangat membantu di lapangan karena keterbatasan/ketiadaan sumber listrik.

Gbr. 2. Unit ultrafiltrasi untuk bencana alam gempa bumi dan tsunami Aceh dan Sumatera Utara

VI.

STUDI KASUS: INTEGRASI SAPI-SAWIT

Minyak sawit mentah (crude palm oil, CPO) merupakan penghasil devisa andalan bagi Indonesia dari sektor industri agro. Hal ini dapat dilihat dari penguasaan pasar CPO dimana sekitar 80% minyak kelapa sawit yang beredar di pasaran dunia dihasilkan oleh Indonesia dan Malaysia [52]. Pemerintah Indonesia telah menargetkan produksi CPO nasional mencapai 14 juta ton pada tahun 2007 sehingga saat ini meskipun masih berada sebagai produsen CPO di peringkat kedua setelah Malaysia, tidak mustahil Indonesia akan menjadi negara produsen CPO terbesar di dunia. Hal ini dimungkinkan karena ketersediaan lahan maupun biaya tenaga kerja yang lebih kompetitif. Sejalan dengan perkembangannya, berbagai usaha telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja industri CPO salah satu diantaranya adalah 14

melalui sistem integrasi kebun-ternak atau dikenal sebagai sistem integrasi kelapa sawit-sapi (SISS). Sistem ini telah terbukti dapat meningkatkan produktivitas dan kesejahteraan petani dimana keuntungan yang dihasilkan tidak saja sematamata untuk sektor perkebunan sawit tetapi juga sektor peternakan. Namun demikian, permasalahan limbah hingga saat ini masih menjadi kendala utama dalam industri CPO. Harian Kompas terbitan 7 Juli 2004 bahkan menyoroti pencemaran Sungai Siak yang dituding terjadi karena pembuangan limbah sawit langsung ke badan air tanpa diolah terlebih dahulu. Dampak yang diakibatkan sangatlah mencemaskan karena kematian biota sungai yang terjadi merupakan indikasi kepunahan total karena tingkat kematiannya yang terus meningkat. Limbah yang dihasilkan dari industri CPO termasuk kategori limbah berat dengan kuantitas yang tinggi dan kandungan kontaminan yang dapat mencapai hingga 20.000-60.000 mg/l dan 40.000-120.000 mg/l berturut-turut untuk BOD (biochemical oxygen demand) dan COD (chemical oxygen demand). Limbah terutama dihasilkan dari tahap perebusan, pengendapan, dekantasi, dan sentrifugasi yang dilakukan selama proses klarifikasi CPO. Limbah cair yang dihasilkan dari tahap ini tidak kurang dari 2,5 m3/ton produk CPO. Jika proyeksi produksi yang dicanangkan pada tahun 2005 yaitu sebesar 10 juta ton tercapai maka akan dihasilkan sekitar 25 juta m3 limbah cair. Limbah dalam bentuk heavy phase dan kondensat dengan karakteristik demikian sangat sulit diatasi hanya dengan konsep end-of-pipe treatment semata. Permasalahan utama yang dihadapi kemudian adalah kendala teknologi dimana pengolahan limbah yang ada saat ini sulit untuk menghasilkan keluaran yang mengarah pada industri CPO yang bebas limbah. Daya saing suatu industri tidak hanya ditentukan oleh jumlah, kualitas, dan harga produk yang dihasilkan tetapi juga ditentukan oleh proses produksi yang digunakan terutama untuk produk berorientasi ekspor. Beranjak dari permasalahan yang dijumpai di lapangan, pada makalah ini akan diulas mengenai solusi terpadu program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak dalam industri CPO. Aplikasi teknologi difokuskan pada penggunaan teknologi membran untuk pengolahan limbah heavy phase dan kondensat. Penggunaan membran keramik ditujukan untuk pengutipan (recovery) seluruh solid dari heavy phase sementara pengolahan limbah kondensat dilakukan dengan menggunakan kombinasi teknologi DAF (dissolved air flotation) dengan proses membran UF (ultrafiltrasi). Salah satu keunggulan dari penggunaan teknologi membran adalah potensi dihasilkannya bahan baku pakan ternak dan luaran yang tidak saja memenuhi standar buangan tetapi juga dapat digunakan kembali (reuse) ke dalam proses. Proses Pengolahan pada Industri CPO Minyak sawit mentah (CPO) dihasilkan dari ekstraksi tandan buah segar kelapa sawit. Terdapat dua jenis minyak kelapa sawit yaitu minyak yang berasal dari bagian sabut (pulp) kelapa sawit dan minyak yang berasal dari inti/biji kelapa sawit (PKO/palm kernel oil). Kandungan minyak di dalam sabut kelapa dan inti sawit berturut-turut adalah sebesar 50 – 55% dan 40% [53]. Sekitar 220 kg CPO dan 21 kg PKO dapat dihasilkan dari satu ton tandan buah segar kelapa sawit. Minyak inti sawit atau kernel oil mirip sekali dengan minyak kelapa yang berasal dari kopra, hal ini dapat dilihat dari harga tetapan-tetapan yang berlaku seperti misalnya iodine value dan saponification value, dan kandungan asam lauratnya. Pada umumnya, minyak kelapa sawit mengandung lebih banyak palmitat, oleat, dan linoleat dibandingkan dengan minyak inti sawit. Beberapa parameter yang biasa digunakan untuk menentukan standar mutu CPO adalah kandungan air dan kotoran dalam minyak, kandungan asam lemak bebas, warna, dan bilangan peroksida. Parameter lain yang juga perlu diperhatikan adalah titik cair dan kandungan gliserida, refining loss, plastisitas, spreadability, kejernihan, kandungan logam berat, dan saponification value. Mutu CPO yang baik adalah kadar air kurang dari 0.1%, kadar kotoran kurang dari 0,013%, kandungan asam lemak bebas kurang dari 2,7 %, bilangan peroksida di bawah 2, tidak berwarna merah atau hijau dan kandungan logam berat serendah mungkin [54]. Untuk menghasilkan mutu CPO yang baik maka teknologi proses pengolahannya merupakan faktor yang sangat penting. Secara umum, proses pengolahan kelapa sawit dari bentuk tandan buah segar (TBS) hingga menjadi crude palm oil (CPO) melewati beberapa tahapan yaitu penerimaan dan penimbunan TBS, sterilisasi, threshing, pelumatan buah, dan proses pengempaan. Minyak mentah yang dihasilkan masih harus dimurnikan lebih lanjut melalui proses klarifikasi yang terdiri dari pengenceran minyak dan penghilangan pasir serta serat. Setelah itu, proses dilanjutkan dengan menggunakan ayakan untuk menghilangkan pengotor-pengotor yang masih tersisa. Tahapan terakhir dari keseluruhan proses adalah sentrifugasi untuk memisahkan minyak dari pengotor halus serta proses dewatering untuk memisahkan air yang masih tersisa. Diagram alir proses untuk produksi CPO dapat dilihat pada Gambar 3. Fenomena penurunan fluks yang memberikan pengaruh negatif terhadap nilai keekonomian operasi UF merupakan tantangan yang paling serius. Keberadaan fouling menyebabkan membran harus dicuci secara periodik untuk menghilangkan komponen penyebab fouling dari permukaan maupun struktur membran. Frekuensi pencucian merupakan faktor ekonomi penting karena memberikan pengaruh terhadap usia membran [40, 41]. Pencucian dan sanitasi membran juga diperlukan untuk beberapa alasan seperti persyaratan untuk industri makanan dan bioteknologi, reduksi mikroba untuk mencegah kontaminasi produk, dan optimalisasi proses. Ada beberapa strategi untuk mengendalikan fouling, yaitu: membuat atau perlakuan khusus terhadap membran, memodifikasi atau pengolahan air umpan, mengatur kondisi operasi, dan pencucian [42, 43]. Pencucian merupakan salah satu metode yang sering digunakan untuk menghilangkan foulant dari permukaan membran. Metode pencucian membran dapat dibedakan ke dalam empat golongan, yaitu pencucian hidraulik, 15

pencucian mekanis, pencucian kimiawi, dan pencucian elektris. Pemilihan metode pencucian bergantung pada konfigurasi modul, tipe membran, ketahanan kimia, dan jenis foulant. Pencucian hidraulik meliputi backflushing, pressurizedepressurize tekanan, dan perubahan aliran pada frekuensi tertentu. Pada metode backflushing, arah aliran permeat dibalik secara periodik. Backflushing dapat juga dikategorikan pada pengendalian fouling melalui pengaturan kondisi operasi. Pada motode tersebut, produk dialirkan dari sisi permeat menuju sisi umpan. Metode tersebut mereduksi waktu operasi efektif juga menyebabkan kehilangan permeat ke larutan umpan. Hal ini menyebabkan backflush dalam aplikasi industri sangat terbatas sehingga diperlukan optimalisasi. Optimalisasi proses backflush dilakukan terhadap durasi dan interval backflush. Peningkatan laju produk setelah dilakukan backflush semata-mata merupakan fungsi tekanan backflush dan interval antara dua backflush. Belakangan ini, waktu interval backflush telah dikurangi hingga hitungan detik yang menandakan pula tahanan cake tetap rendah karena tidak sempat membentuk lapisan. Teknik backflush terbaru dengan frekuensi tinggi dan waktu yang sangat singkat juga telah dikembangkan. Dengan waktu bakcflush yang sangat singkat (0,06 detik) dan interval maksimum 5 detik (disarankan 1-3 detik) didapatkan hasil yang sangat baik [44, 45]. Karena waktu backflush efektif yang sangat singkat dan tekanan backflush yang relative tinggi (1 bar di atas tekanan umpan) metode ini disebut sebagai “backshock”. Kehilangan permeat selama backshock menjadi sangat rendah dan hampir tidak mempengaruhi aliran permeat. Teknik backshock yang dikombinasikan dengan struktur memban asimetrik terbalik memungkinkan filtrasi pada kecepatan crossflow yang sangat rendah dan fluks permeat yang sangat stabil. Backshock dengan frekuensi tinggi akan mencegah membran dari penyumbatan dan memungkinkan filtrasi dengan fluks yang sangat stabil [45]. Dengan metode tersebut, permasalahan fouling pada proses klarifikasi larutan tersuspensi dapat diatasi [46-49]. Metode lainnya yaitu pencucian mekanis, hanya dapat diterapkan pada sistem modul tubular seperti dengan metode ultrasonik. Adapun pencucian kimiawi merupakan metode yang paling penting untuk mereduksi fouling menggunakan bahan kimia yang dapat digunakan secara terpisah maupun terkombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pencucian juga merupakan hal yang penting karena berkaitan dengan ketahanan membran terhadap bahan kimia. Pencucian secara elektrik merupakan metode pencucian yang sangat khusus. Dengan mengaplikasikan arus listrik melewati membran, partikel-partikel atau molekul-molekul bermuatan akan bermigrasi sesuai dengan arah arus listrik. Pencucian elektrik dapat dilakukan tanpa mengganggu proses yang sedang berjalan dimana arus listrik dihidupkan hanya pada interval-interval waktu tertentu [50]. Selain pencucian, fouling juga dapat dikendalikan dengan mengatur laju alir membran seperti mengoperasikan membran di bawah fluks kritisnya [51]. Dengan metode seperti ini, penumpukan foulant dipermukaan membran dapat dihindari. Selain itu, membran dapat dioperasikan dengan fluks yang stabil. Untuk mengatasi masalah fouling, membran dengan sifat fouling-resistance juga telah banyak dikembangkan [41, 43].

16

Gbr 3. Diagram alir proses produksi CPO dari buah kelapa sawit Unadi [55] menyatakan bahwa berdasarkan lokasi pembentukannya, limbah yang dihasilkan perkebunan kelapa sawit dapat digolongkan menjadi dua kelompok yaitu limbah di lapangan dan limbah di tempat pengolahan. Contoh limbah di tempat pengolahan berdasarkan wujudnya adalah bahan padat (lumpur dari dekanter pada pengolahan buah kelapa sawit) dan bahan cair (limbah cair pabrik kelapa sawit dan air cucian). Limbah di lapangan seperti tandan maupun pelepah sawit dapat dimanfaatkan sebagai pupuk kompos ataupun pengganti hijauan pakan sapi. Serat perasan sawit (sabut) di sisi lain dapat digunakan sebagai bahan bakar boiler. Sementara limbah padat heavy phase keluaran dekanter dan limbah cair kondensat hingga saat ini belum berhasil dimanfaatkan. Peluang pemanfaatan teknologi membran difokuskan pada pengolahan heavy phase keluaran dekanter dan kondensat yang berasal dari tahap sterilisasi sehingga dihasilkan output yang dapat dimanfaatkan seperti akan dibahas pada bagian selanjutnya dari makalah ini.

Program Zero Waste Effluent Selama ini pengolahan limbah industri CPO terutama ditujukan untuk memenuhi standar buangan melalui sistem pengolahan biologis. Keluaran dari proses biologis dapat pula dimanfaatkan sebagai pupuk (land application) namun tentunya setelah melalui pengawasan yang ketat terhadap kualitas luaran. Namun demikian kendala yang dialami saat ini adalah sulitnya proses degradasi terhadap limbah akibat tingginya kuantitas dan kandungan kontaminan yang dapat mencapai hingga 20.000-60.000 mg/l untuk BOD dan 40.000-120.000 mg/l untuk COD. Tingginya kandungan organik menyebabkan dibutuhkan waktu yang relatif panjang bagi proses biologis untuk mampu mendegradasi limbah dengan 17

sempurna. Produksi CPO yang berlangsung secara kontinu menyebabkan tingginya kebutuhan ruang untuk sistem pengolahan limbah ini. Seringkali kasus yang terjadi adalah ketidakmampuan sistem untuk menghasilkan luaran yang memenuhi baku mutu. Hal ini diperparah pula oleh keberadaan industri yang langsung membuang limbah tanpa melewati proses pengolahan terlebih dahulu. Salah satu contoh upaya yang telah dicoba dilakukan untuk meminimasi limbah adalah modifikasi pada sistem pengolahan CPO yaitu penggunaan filterpress untuk mengutip solid dari heavy phase. Pengutipan solid memungkinkan berkurangnya kandungan kontaminan limbah sementara solid ini sendiri dapat dimanfaatkan sebagai alternatif pakan ternak. Akan tetapi berdasarkan uji coba yang dilakukan, penggunaan filterpress kurang efektif untuk pengutipan solid terutama dari ekonomi dan operasionalnya yang kurang praktis. Teknologi membran sebagai salah satu teknik pemisahan memunculkan peluang pengolahan tidak saja terhadap pengutipan solid dari heavy phase tetapi juga pengolahan terhadap kondensat. Selama ini pengolahan kondensat lebih ditujukan pada pengolahan untuk mencapai standar buangan. Penggunaan membran khususnya membran ultrafiltrasi (UF) yang dikombinasikan dengan dissolved air flotation (DAF) membuka peluang untuk pemanfaatan kembali luaran membran sebagai air proses sedangkan padatannya digunakan sebagai bahan baku pupuk kompos untuk pembibitan seperti terlihat pada Gambar 4. Sistem DAF telah dikenal sangat efektif untuk pemisahan minyak dan solid dengan berat jenis yang relatif lebih rendah dari air. Aplikasi DAF disamping sebagai pretreatment unit membran, juga diharapkan dapat menurunkan temperatur air secara signifikan. Hal ini menjadi sangat penting karena temperatur yang lebih rendah memungkinkan digunakannya membran polimer yang jauh lebih murah dibandingkan dengan membran keramik. Kombinasi DAF-UF ini pada akhirnya diharapkan mampu mengatasi permasalahan buangan kondensat. PI

Skimmer Module Membran Ultrafiltrasi

Retentat

Reaction Zone

Umpan Kondensat Terkoagulasi

Kembali ke Proses

Regulator valve

PI PI

Pompa Backwash

Pompa Filter

Flotation Zone

Udar a

Screen Filter Mesh 200

Check valve

M

Regulato r valve

Tangki Backwash

M

DAF Pump

Gbr. 4. Skema sistem kombinasi DAF-UF untuk pengolahan limbah kondensat

18

Total solid recovery heavy phase decanter Dekanter merupakan salah satu alat utama yang terlibat dalam proses pengolahan CPO khususnya untuk proses klarifikasi. Keluaran dekanter terdiri atas cake, light phase, dan heavy phase. Cake selama ini telah dimanfaatkan sebagai pakan ternak sementara light phase diproses lanjut di dalam purifier menjadi CPO. Hingga saat ini heavy phase belum dimanfaatkan dan praktis menjadi limbah berat (high-strength wastewater) karena tingginya kandungan solid didalamnya. Proses pemisahan konvensional yang ada selama ini tidak dapat mengutip solid yang terdapat di dalam heavy phase karena ukuran solid yang terlalu halus sehingga tidak tertahan oleh media filter. Namun demikian, penggunaan membran MF dengan pori yang berukuran submikron memungkinkan dilakukannya pengutipan seluruh solid dari heavy phase. Heavy phase keluaran dekanter memiliki temperatur yang tinggi (95oC) sehingga dalam proses pengolahannya digunakan membran MF keramik dengan struktur asimetrik seperti terlihat pada Gambar . Pada membran asimetris terdapat lapisan atas yang sangat tipis (skin) dengan tebal 0,1-1 m dan merupakan membran berpori sempit yang menentukan selektivitas membran. Untuk memberikan kekuatan mekanik, lapisan skin ini ditunjang oleh lapisan berikutnya atau biasa dikenal sebagai support. Lapisan support memiliki ketebalan berkisar antara 50-150 m (khususnya untuk membran polimer) dan sangat berpori.

Gbr. 5. Struktur asimetris membran MF keramik Membran MF keramik secara umum dipabrikasi dalam bentuk tubular. Dalam aplikasinya, membran digunakan dalam bentuk modul-modul yang ditempatkan dalam suatu housing. Satu modul membran keramik untuk aplikasi industri biasanya terdiri dari 19 saluran. Dimensi dan konfigurasi housing sangat bervariasi. Untuk aplikasi skala industrial, satu buah housing dapat menampung sampai dengan 19 buah modul membran keramik dengan dimensi diameter 30 mm dan panjang 1 meter. Jumlah ini setara dengan luasan membran sekira 4,5 m 2. Konfigurasi modul membran keramik dan housing yang digunakan untuk pengutipan solid dari heavy phase dapat dilihat pada Gbr. 6.

Gbr. 6. Modul membran MF keramik, penampang melintang, dan housing-nya Pada proses pengutipan solid dari heavy phase, membran dioperasikan dengan menggunakan pola aliran crossflow. Pada pola aliran cross flow, umpan dialirkan dengan arah sejajar dengan permukaan membran. Konsentrat disirkulasikan pada kecepatan yang lebih tinggi dengan tujuan menciptakan turbulensi di permukaan membran. Dengan perlakuan seperti ini, pembentukan lapisan cake terjadi sangat lambat karena tersapu oleh gaya geser yang diakibatkan oleh aliran cross-flow umpan. Pada setiap operasi cross-flow, kecepatan aliran umpan sangat menentukan besarnya perpindahan massa dalam modul. Kelebihan sistem ini adalah tendensi fouling dapat dikurangi karena laju cross-flow yang 19

tinggi akan meminimumkan ketebalan lapisan cake terutama untuk proses pengolahan larutan yang mengandung padatan tersuspensi [56]. Fluks permeat akan menurun di awal proses dan akan menuju pada kondisi stabil dalam kurun waktu tertentu ketika ketebalan lapisan foulant di permukaan membran tidak meningkat lagi. Proses filtrasi terhadap heavy phase dengan menggunakan membran keramik menunjukkan hasil yang menggembirakan dimana seluruh solid dapat dikutip. Selama ini cake yang berasal dari dekanter telah terbukti dapat digunakan sebagai pakan ternak. Uji coba pemberian pakan pada ternak sapi dengan menggunakan cake yang berasal dari dekanter telah dilakukan di Sumatera Utara dan telah mencapai hingga empat generasi [57]. Pada proses filtrasi dengan membran keramik ini, selain dihasilkan solid yang telah terpekatkan, dihasilkan pula aliran permeat berupa air yang telah terpisah dari solid dan dapat dipergunakan kembali sebagai air proses (Gbr. 7). Dengan demikian, seluruh keluaran dari proses filtrasi dapat dimanfaatkan.

(a)

(b)

(c)

Gbr. 7. Hasil filtrasi heavy phase dengan menggunakan membran mikrofiltrasi (a: heavy phase, b:solid, c: permeat) 40

V1= 0.1 m/s V2= 0.2 m/s

35 Flux (LMH)

V3= 0.5 m/s 30

V4= 1 m/s

25 20 15 10 0

50

100

150

200

250

300

350

400

Waktu (menit)

Gbr. 8. Pengaruh kecepatan cross-flow terhadap fluks pada proses filtrasi heavy phase dengan membran MF keramik Gambar 8 menunjukkan kurva kinerja filtrasi heavy phase dengan membran mikrofiltrasi keramik skala pilot pada berbagai kecepatan crossflow. Secara umum, fluks pada awalnya tinggi kemudian menurun akibat terjadinya peristiwa fouling. Pengaruh fouling terhadap fluks tunak sangat bergantung pada kecepatan cross-flow. Kecepatan crossflow yang makin tinggi pada rentang tertentu akan memberikan gaya geser di permukaan membran yang semakin tinggi pula. Gaya geser yang dihasilkan akan mengikis partikel-partikel yang terdeposisi di permukaan membran sehingga transfer massa dapat ditingkatkan. Hal ini menunjukkan bahwa fouling pada membran lebih dinominasi oleh deposisi lumpur sawit di permukaan membran. Pada kecepatan cross-flow 1 m/s, fluks tunak yang dihasilkan mencapai 27 LMH setelah 360 menit operasi. Fluks yang cukup tinggi ini memberikan peluang sangat besar untuk aplikasi membran mikrofiltrasi keramik untuk pengutipan solid dari heavy phase.

20

40.0 35.0

Flux (LMH)

30.0 25.0 20.0 Batch 1

15.0

Batch 2

10.0

Batch 3

5.0

Batch 4

0.0 1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

VCR

Gbr. 9. Hubungan antara fluks terhadap VCR pada filtrasi heavy phase dengan membran MF keramik Gambar 9 menunjukkan kebergantungan fluks terhadap faktor pemekatan. Penggunaan membran mikrofiltrasi yang terbuat dari bahan keramik memungkinkan operasi berlangsung pada temperatur tinggi. Filtrasi terhadap heavy phase berlangsung pada temperatur 90oC. Pengujian dilakukan sampai pemekatan 2,5 kali. Fluks yang dihasilkan masih mencapai 20 LMH pada pemekatan 2,5 kali. Untuk empat kali pengujian, hasil yang diperoleh sangat konsisten.

Gbr. 10. Instalasi sistem pengutipan solid dari heavy phase dengan membran MF keramik di PT Agricinal (under construction) Gambar 10 menunjukkan sistem pengutipan solid dari heavy phase pada skala besar. Sistem ini digunakan untuk mengolah keluaran heavy phase dari dekanter dengan laju alir sampai dengan 12 m3/jam dan dapat dihasilkan 6 m3/jam air permeat untuk digunakan kembali ke dalam proses, serta 6 m3/jam solid sebagai bahan baku pakan ternak. Integrasi kebun-ternak Sistem integrasi kebun-ternak merupakan salah satu alternatif untuk meningkatkan kinerja industri CPO. Penurunan kualitas lahan perkebunan yang disebabkan penggunaan pupuk kimia secara terus-menerus merupakan salah satu permasalahan yang dapat diatasi dengan sistem integrasi kebun-ternak. Hal ini sekaligus membantu meningkatkan produktivitas ternak (sapi) yang selama ini mengalami penurunan akibat penyusutan lahan yang beralih fungsi. Integrasi 21

sawit-ternak dapat dilakukan dalam dua model usaha ekonomi yaitu “cow calf operation” (bakalan) dan “penggemukan” [58]. Meskipun pada awalnya integrasi kelapa sawit-sapi ditujukan untuk penyediaan tenaga kerja ternak pada saat panen sebagai alat transportasi dan perbaikan struktur tanah dengan aplikasi pupuk kandang, berdasarkan pada hasil-hasil penelitian maupun uji lapangan menunjukkan adanya keuntungan lain yang didapat seperti pemanfaatan produk samping kebun maupun limbah pengolahan CPO sebagai alternatif pakan ternak. Tingginya potensi keberhasilan pada sistem integrasi antara kebun dan ternak tidak terlepas dari terjaminnya ketersediaan pakan melalui pemanfaatan produk samping kebun. Produk samping kebun seperti daun kelapa sawit, pelepah kelapa sawit, dan tandan kosong dapat dijadikan sebagai sumber pakan bagi ternak sapi, demikian pula halnya produk samping yang dihasilkan dari proses produksi CPO seperti lumpur sawit dan bungkil kelapa sawit. Elisabeth & Suharto [59] menyatakan bahwa serat perasan buah sawit dan daun kelapa sawit dapat dijadikan sebagai substitusi rumput sementara lumpur sawit (palm oil sludge) dan bungkil sawit dapat dijadikan sebagai bahan konsentrat untuk unggas dan ruminansia. Pengolahan secara mekanik, kimiawi ataupun biologis juga dapat dilakukan untuk meningkatkan kualitas limbah sawit sehingga layak digunakan sebagai pakan ternak. Dari segi kesuburan lahan, kotoran sapi dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik sehingga efisiensi pemupukan dapat ditingkatkan. Diwyanto, dkk. [52]menyatakan bahwa efisiensi pemupukan dapat dilakukan apabila jumlah pemberian pupuk dapat dikurangi namun dengan tetap menjaga kesuburan lahan melalui aplikasi pupuk organik. Selain dimanfaatkan sebagai pupuk, terdapat potensi lain untuk memanfaatkan kotoran sapi yaitu untuk menghasilkan biogas sebagai alternatif sumber energi. Diwyanto, dkk. [52] juga menyatakan bahwa introduksi sapi dalam perkebunan sawit telah mampu meningkatkan kinerja pemanen yang semula hanya mampu memanen tandan buah segar (TBS) untuk luasan 10 ha/orang menjadi 15 ha/orang seperti yang telah dilakukan di PT. Agricinal, Bengkulu. Penggunaan sapi pada saat panen membantu meringankan beban kerja tenaga panen pada saat pengumpulan hasil terutama pada areal yang mempunyai topografi bergelombang [60]. Sementara Awaludin & Masurni [58] menyebutkan mengenai potensi penggunaan sapi sebagai agen biologis untuk pengendalian gulma di perkebunan. Keterangan lebih lanjut dapat dilihat pada hasil lokakarya nasional “Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi” (2003). Penerapan teknologi membran memunculkan peluang untuk mencapai industri CPO bebas limbah sekaligus mendukung keberhasilan sistem integrasi kebun-ternak. Hal ini berkaitan dengan potensi pengutipan seluruh solid dari limbah heavy phase keluaran dekanter untuk kemudian dijadikan sebagai pakan ternak. Sitompul [60] menyatakan bahwa sistem produksi ternak pada perkebunan sangat ditentukan pada ketersediaan pakan yang berkesinambungan terutama yang tersedia pada areal. Keuntungan yang didapat dari penggunaan teknologi membran tidak saja dimungkinkannya pengutipan solid sebagai alternatif pakan ternak dengan kadar air yang lebih rendah secara berkesinambungan tetapi juga permeat (air) yang dapat digunakan kembali sebagai air proses. Secara ekonomi, aplikasi teknologi membran untuk pengutipan solid sebagai bahan baku pakan ternak sangat kompetitif. Untuk kapasitas pabrik 30 ton TBS/jam atau setara dengan kuantitas heavy phase 12 m3/jam, total investasi yang dibutuhkan sekitar 3 Milyar rupiah. Sistem ini mampu menghasilkan bahan baku pakan sekira 6m3/jam atau sekira 43.200 ton/tahun. Dengan estimasi nilai bahan baku pakan 500 rupiah/kg, total nilai produksi bahan pakan pertahun adalah 216 milyar rupiah. Ini berarti, payback period untuk investasi sistem ini sangat singkat. Analisis ini menunjukkan bahwa secara teknik dan ekonomis, aplikasi sistem membran keramik untuk pengutipan solid dalam kerangka implementasi program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak sangat kompetitif. Skema proses pengolahan minyak kelapa sawit dalam implementasi program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak ditunjukkan oleh Gambar 11.

22

VII.

PENUTUP

Prediksi terhadap kecenderungan perkembangan teknologi membran dan aplikasinya di masa yang akan datang tidaklah mudah. Namun demikian, berikut ini dapat dilihat beberapa faktor yang akan sangat mempengaruhi perkembangan tersebut. Pertama, pengembangan yang begitu pesat dalam hal material membran alternatif, proses produksi membran, peningkatan produksi membran, dan disertai dengan peningkatan kualitas membran. Hal ini secara langsung akan berdampak pada penurunan harga membran sehingga proses membran akan lebih ekonomis. Dengan demikian, implementasi teknologi membran akan semakin luas terutama pada bidang-bidang yang membutuhkan produktivitas tinggi dan biaya yang rendah, seperti pada bidang pengolahan air dan limbah industri. Kedua, untuk proses pada tekanan tinggi dan kapasitas besar, seperti reverse osmosis tekanan tinggi, telah dikembangkan unit-unit untuk energy recovery. Hal ini memungkinkan recovery 70% energi sehingga proses seperti ini akan menjadi lebih murah. Ketiga, ultra low-pressure membrane dengan produktivitas tinggi juga sedang dikembangkan. Reverse osmosis yang dulu biasanya bekerja pada tekanan tinggi (60 – 80 bars) dapat beroperasi pada tekanan lebih rendah ( 20 bars). Kondisi ini tentunya akan mengurangi tingkat konsumsi energi. Selain itu, sistem proses dan spesifikasi peralatan akan menjadi lebih sederhana. Faktor keempat berhubungan dengan peraturan konservasi lingkungan. Berdasarkan peraturan konservasi lingkungan yang telah diberlakukan pada beberapa kota besar di Indonesia, seperti Jakarta dan Surabaya, industri yang menghasilkan limbah diharuskan untuk membayar environmental fee kepada negara. Teknologi membran merupakan teknologi bersih, mampu menghasilkan limbah dalam jumlah minimum. Teknologi ini mampu meningkatkan kualitas limbah, bahkan dengan kualitas yang lebih baik dari Standar Air Buangan Industri yang ada sehingga dapat didaur ulang (reuse). Pada beberapa aplikasi, teknologi ini bahkan memungkinkan tercapainya zero waste effluent seperti pada industri CPO melalui sistem integrasi sapi-sawit. Oleh karena itu, sekalipun aplikasi teknologi ini di Indonesia masih terbatas, potensi pasar yang sangat besar sedang menanti.

23

Tandan Buah Segar

Steam

Air Panas

Padatan Kolam Buah

Unit Pengolahan Kompos

DAF-UF

Pembibitan

Vacuum Dryer

PLTU Pencacahan Tandan

Air 90oC

Vacuum Dryer

CPO

Steam Air Panas

Air Panas

Unit Pelepas Buah

Unit Pencucian Buah

Perebusan II

Purifier

Serabut

250/ton TBS

Clear Oil Unit Pemisah Biji Berkulit

Press

Light Phase

CST

Dekanter

Perebusan I Steam

Air Panas

Kondensat

(blow down)

Heavy Phase Cake

Oil Recovery Unit

Steam ( dari boiler )

Unit Pengolahan Pakan Ternak

Pakan Ternak Clear Oil Air Panas

Pengolahan Biji

Pasta

Membran Keramik

Bungkil Sawit

Air Panas

Gbr. 11. Skema proses pengolahan minyak kelapa sawit dalam implementasi program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak di PT Agricinal

24

Daftar pustaka 1. 2.

3. 4. 5. 6. 7. 8.

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.

28. 29. 30. 31.

Mulder, M., Basic Principle of Membrane Technology. Vol. 2nd ed. 1996, Netherlands: Kluver Academic Publisher. Aptel, P. and Buckley, C.A., Categories of membrane operations, in Water Treatment Membrane Processes, J. Mallevialle, P.E. Odendaal, and M.R. Wiesner, Editors. 1996, American Water Works Association Research Foundation. Lyonnaise des Eaux. Water Research Commission of South Africa. McGraw-Hill. Wenten, I.G., Recent development in membrane science and its industrial applications. J Sci Technol Membrane Sci Technol, 2002. 24(Suppl): p. 1010-1024. Strathmann, H., Membrane Separation Processes: Current Relevance and Future Opportunities. AIChE Journal, 2001. 47(5). Manem, J. and Sanderson, R., Membrane Bioreactors, in Water Treatment Membrane Processes. 1996, AWWA Research Foundation. LDE. Water Research Commission of South Africa. McGraw-Hill. Srikanth, G. Membrane Separation Processes – Technology and Business Opportunities. www.tifac.org.in. Wiesner, M.R. and Chellam, S. The Promise of Membrane Technology : An Expanding Understanding of Membrane Technology is Fostering New Environmental Applications. http://pubs.acs.org/hotartcl/est/99/sep/wies.html. Mallevialle, J., Odendaal, P.E., and Wiesner, M.R., The Emergence of Membranes in Water and Wastewater Treatment. 1996: Water Treatment Membrane Processes. AWWA Research Foundation. LDE. Water Research Commission of South Africa. McGraw-Hill Wenten, I.G., Teknologi Membran Industrial. Rautenbach, R. and Albrecht, R., Membrane Processes. 1989, Singapore: John Wiley & Sons. Nuner, S.P. and Peinemann, K.V., Membrane Technology in The Chemical Industry. 2001: Wiley-VCH. Membrane Competitive Position of Euro Countries. http://eurpa.eu.int/comm/ energy_transport/atlas/htmlu/sptech.html. Bottino, A., Capanneli, C., Borghi, D., Colombino, M., and Conio, O., Water Treatment for Drinking Purpose: Ceramic Microfiltration Application. Desalination, 2001. 141: p. 75-79. Saxena, S. and Bhardwaj, V. Tech Trends: Increasing Use of The Membrane Processes. . http://www.nrwa.org/publications/articles/TechTrends2nd.htm. http://www.uswaternews.com/archives/arcsupply/Bmemtec12.htm Ganzi, G.C., Wood, J.H., and Griffin, C.S., Water Purification and Recycling Using the CDI Process. Environmental Progress, 1992. 11(1). Ervan, Y. and Wenten, I.G., Study on the influence of applied voltage and feed concentration on the performance of electrodeionization. Songklanakarin J. Sci. Technol, 2002. 24: p. 955-963. Bisnis, H.M., in Harian Medan Bisnis. Aspiyanto, Status dan Kecenderungan Masa Depan Pemakaian Membran di Indonesia. Warta Insinyur Kimia, 1996. 10(4). Sutiman, Pertimbangan Tekno Ekonomi mengenai Penggunaan Teknologi Membran di Indonesia, in Seminar PSDA. 1996, ITB: Bandung. Ahmad, H., Afmar, M., and Hanafi, S., Survey lapangan terhadap industri metal finishing – Internal report. 1998: Bapedalda-Swisscontact Indonesia, B.-S.o., Large and Medium Manufacturing Statictics Indonesia 1999 Vol. III. 1999, Jakarta: PT. Wifma Krida Makmur. Oren, Y., Giuffrida, A.J., and Ciaccio, S.M. Process for Purifying Water. 1992 White, J. Electrodeionization and Ultraviolet Light Treatment Method for Purifying Water. 1992 Sugo, T., Ishigaki, I., Fujiwara, K., Sekiguchi, H., Kawazu, H., and Saito, T. Electrically Demineralizing Apparatus. 1994 Oren, Y., Giuffrida, A.J., Ciaccio, S.M., and Ganzi, G.C. Process for Purifying Water. 1998 Wang, J., Wang, S., and Jin., M. A Study of the Electrodeionization Process – Hihg-Purity Water Production with a RO/EDI System. in Conference on Membrane in Drinking and Industrial Water Production. 2000. L’Aquila, Italy: Desalination Publications. Donovan, R.P., Timon, R.P., DeBusk, M.J., Jones, R.V., and Rogers, D.M. Performance of a Treatment for Recycling Spent Rinse Waters. http:/www.sandia.gov/aqua/papers/WaterTech.pdf Spoor, P.B., Removal of nickel ions from galvanic wastewater streams using a hybrid ion exchange-electrodialysis system. 2002, Technische Universiteit Endhoven: Netherlands. Sutrisna, P.D., Widiasa, I.N., and Wenten, I.G., Performance of a Novel Electrodeionization Technique During Citric Acid Recovery, in APPCChE Symp. 2002: New Zealand. Widiasa, I., Sutrisna, P., and Wenten, I., Performance of a novel electrodeionization technique during citric acid recovery. Separation and purification technology, 2004. 39(1): p. 89-97. 25

32. Widiasa, I.N. and Wenten, I.G., Glucose Syrup Refinery by Electrodeionization: Ions and Water Transport through Ion Exchange Membrane. Jurnal Teknik Kimia Indonesia, 2003. 2(1): p. 1-9. 33. Wenten, I. and Widiasa, I., Enzymatic hollow fiber membrane bioreactor for penicilin hydrolysis. Desalination, 2002. 149(1): p. 279-285. 34. Wenten, I.G., Pemanfaatan membran untuk proses konversi enzimatik tapioka. 2003, Institut Teknologi Bandung. 35. Arshad, H.K., Desalination process and multistage flash distillation process, in Desalination and water purification 1. 1986, Elsevier. 36. Ahmed, M., Arakel, A., Hoey, D., Thumarukudy, M.R., Goosen, M.F.A., Al-Haddabi, M., and Al-Belushi, A., Feasibility of salt production from inland RO desalination plant reject brine: a case study. Desalination, 2003. 158: p. 109-117. 37. Wenten, I.G., Integrasi teknologi membran pada sistem akuakultur, in Kuliah Tamu. 2004. 38. Wenten, I.G., Teknologi membran dalam pengolahan air dan limbah industri. Studi kasus: pemanfaatan ultrafiltrasi untuk pengolahan air tambak, in Kuliah Tamu. 2004: Jepara. 39. Borowitzka, M.A., Microalgae for aquaculture: opportunities and constraints. Journal of Applied Phycology, 1997. 9: p. 393-410. 40. Wenten, I.G., Taylour, J., Skou, F., Rasmussen, A., and Jonsson, G. Membrane cleaning after beer clarification. in Fouling and Cleaning in Food Processing, European Commission. 1996. Jesus College, Cambridge. 41. Michaels, A.S., Membranes, Membrane Processes, and their Applications: Needs, Unsolved Problems, and Challenges of the 1990’s Desalination, 1990. 77: p. 5-34. 42. Fane, A.G. and Fell, C.J.D., A review of fouling and fouling control in ultrafiltration. Desalination, 1987. 62: p. 117136. 43. Matthiasson, E. and Sivik, B., Concentration polarization and fouling. Desalination, 1980. 35: p. 59-103. 44. Wenten, I., Koenhen, D., Roesink, H., Rasmussen, A., and Jonsson, G., The Backshock Process: A novel backflush technique in microfiltration. Proceedings of Engineering of Membrane Processes, II Environmental Applications, Ciocco, Italy, 1994. 45. Wenten, I.G., Mechanisms and control of fouling in crossflow microfiltration. Filtration & separation, 1995. 32(3): p. 252-253. 46. Jonsson, G. and Wenten, I.G. Control of concentration polarization, fouling and protein transmission of microfiltration processes within the agro-based industry. in Proceedings of the ASEAN-EC Workshop on Membrane Technology in Agro-Based Industry, Kuala-Lumpur, Malaysia. 1994. 47. Wenten, I.G., Application of crossflow membrane filtration for processing industrial suspensions. 1994, The Technical University of Denmark. 48. Wenten, G., Koenhen, D.M., Roesink, H.D.W., Rasmussen, A., and Jonsson, G. Method for the removal of components causing turbidity, from a fluid, by means of microfiltration. US Patent No. US5560828 A. 1996 49. Wenten, I.G. and Jonsson, G.E. Fouling studies during membrane filtration of single-cell protein suspension. in International Congress on Membranes and Membrane Processes. 1996. 50. Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology. 2nd ed. 1996, Netherlands: Kluwer Academic Publisher. 51. Chen, V., Fane, A.G., Madaeni, S., and Wenten, I.G., Particle deposition during membrane filtration of colloids: transition between concentration polarization and cake formation. Journal of Membrane Science, 1997. 125(1): p. 109-122. 52. Diwyanto, K., Sitompul, D., Manti, I., Mathius, I.W., and Soentoro. Pengkajian Pengembangan Usaha Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. in Lokakarya Nasional Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. 2003. Bengkulu. 53. Naibaho, P.M., Teknologi Pengolahan Sawit. 1996, Medan: Pusat Penelitian Kelapa Sawit 54. Naibaho, P.M., Beberapa faktor yang berperan pada proses klarifikasi minyak sawit. 1980, Bull: BPP Medan. 55. Unadi, A., Teknologi Alat dan Mesin untuk Agribisnis Peternakan di Kawasan Perkebunan Sawit, in Lokakarya Nasional Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. 2003: Bengkulu. 56. Wenten, I., Application of crossflow membrane filtration for processing industrial suspensions. 1994, The Technical University of Denmark. 57. Manurung, N. 2004. Personal Communication 58. Awaludin, R. and Masurni, S.H. Systematic Beef cattle Integration in Oil Palm Plantation with Emphasis on The Utilization of Undergrowth. in Lokakarya Nasional Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. 2003. Bengkulu. 59. Suharto. Pengalaman Pengembangan Usaha Sistem Integrasi Sapi-Kelapa Sawit di Riau. in Lokakarya Nasional Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. 2003. Bengkulu. 60. Sitompul, D. Desain Pembangunan Kebun dengan Sistem Usaha Terpadu Ternak Sapi Balesia. in Lokakarya Nasional Sistem Integrasi Kelapa Sawit-Sapi. 2003. Bengkulu.

26