MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA PEMEKATAN JUS JERUK SIAM DENGAN REVERSE OSMOSIS
ADETIYA RACHMAN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Januari 2009 Adetiya Rachman NRP: F351060121
ABSTRACT ADETIYA RACHMAN. Mass Transfer Model on Concentration of Citrus Siam (Citrus nobilis) Juice in Application of Reverse Osmosis. Supervised by ERLIZA NOOR and SETYADJIT. Reverse Osmosis (RO) has become an effective technique for separation and concentration of ionic component from water, therefore the application is dominated for seawater desalination. More advance RO application is for separation in food and pharmaceutical industries. One of prospective application is for concentrating citrus juice. This research studied the concentration of citrus juice by low pressure reverse osmosis (LPRO) using polyamide spiral wound membrane at various operating conditions. The permeate flux was modeled by modification of Solution-Diffusion (SD) model. Modified solution diffusion model involved adsorption resistance has a better fit to the experimental values compared to modified SD - thin film model. Trans membrane pressure (TMP), flow rate and feed concentration were the important variables as controlling the adsorption process. The application of LPRO was able to concentrated juice up to 76 % and it could be considered as an initial process in concentrating citrus juice. Key words: low pressure reverse osmosis, citrus juice, solution diffusion model, adsorption
RINGKASAN ADETIYA RACHMAN. Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis. Dibimbing oleh ERLIZA NOOR dan SETYADJIT Reverse Osmosis (RO) telah menjadi teknik yang efektif untuk pemisahan dan pengkonsentrasian komponen ionik dari air sehingga penerapan aplikasi ini dewasa ini masih didominasi untuk proses desalinasi air laut. Semakin berkembangnya teknologi memperluas penerapan RO untuk pemisahan komponen dalam industri makanan dan farmasi. Salah satu penerapan RO dalam industri makanan yang memiliki prospek menjanjikan adalah pemisahan air untuk pemekatan jus jeruk. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh kondisi operasi RO (tekanan transmembran dan laju alir umpan) yang terbaik, mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi dari proses RO dengan tekanan rendah (LPRO) dan memperoleh faktor-faktor yang berpengaruh untuk pemisahan jus jeruk dari model perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO. Bahan baku yang digunakan dalam penelitian adalah jus jeruk siam Pontianak (Citrus nobillis L var microcarpa) hasil filtrasi membran mikrofiltrasi ukuran pori 0,1 µm dengan komposisi kandungan total padatan terlarut 6.82 oBrix, asam sitrat 0.56 % dan vitamin C sebesar 11.65 mg per 100 mg. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk lilitan spiral (spiral wound) berbahan poliamida (PA) dengan luas permukaan 0.59 m2 dan rejeksi NaCl 93%. Aplikasi membran Low Pressure Reverse Osmosis pada penelitian dilihat sebagai proses pra-pemekatan dengan RO. Penelitian dilakukan dengan dua cara yaitu filtrasi tanpa pemekatan dan filtrasi pemekatan. Filtrasi tanpa pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan permeat untuk mendapatkan kondisi operasi terbaik dan data untuk pemodelan. Filtrasi pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan pemisahan permeat untuk mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi. Filtrasi tanpa pemekatan menggunakan kondisi operasi 4 laju alir umpan (0.01, 0.015, 0.02, dan 0.03 m s-1) dan 3 tekanan transmembran (4, 6 dan 8 bar). Parameter yang dilihat pada proses ini adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir crossflow terhadap fluksi, tingkat rejeksi dan kualitas konsentrat jeruk yang meliputi kadar gula, derajat Brix, dan total asam. Penelitian filtrasi pemekatan dilakukan dengan menggunakan kondisi operasi terbaik (TMP dan laju alir) yang didapat dari tahapan penelitian sebelumnya. Parameter yang diamati yaitu perubahan fluksi dan konsentrasi total padatan terlarut (oBrix) selama proses pemekatan. Prediksi fluksi menggunakan model matematik dianalisis berdasarkan model SD (solution-difussion models) pada pemisahan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis) dengan pengembangan model yang dilihat dari dua pendekatan yang berbeda yaitu modifikasi dengan teori film dan tahanan adsorpsi. Model yang dikembangkan mempertimbangkan jus jeruk sebagai larutan multikomponen dan melihat jenis membran yang digunakan. Pemodelan pada akhirnya bertujuan untuk melihat faktor-faktor yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pemekatan jus jeruk dengan RO. Pengujian terhadap model yang telah diperoleh dilakukan dengan menggunakan data-data yang diperoleh dari hasil percobaan. Parameter yang diuji adalah fluksi permeat,
dimana fluksi yang diperoleh dari hasil percobaan dibandingkan dengan fluksi yang dihitung berdasarkan model. Hasil penelitian menunjukkan parameter operasi (TMP dan laju alir) berpengaruh terhadap fluksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi yang diperoleh semakin besar. Pengaruh TMP terhadap rejeksi menunjukkan kenaikan rejeksi total gula dengan peningkatan TMP. Peningkatan rejeksi gula dengan meningkatnya TMP terjadi karena perpindahan pelarut dalam hal ini air meningkat dengan peningkatan TMP. Peningkatan TMP lebih mempengaruhi perpindahan pelarut dibandingkan dengan perpindahan solut. Rejeksi total gula dengan peningkatan laju alir pada variasi TMP juga menunjukkan kenaikan nilai fluksi. Berdasarkan nilai fluksi dan rejeksi maka didapatkan kondisi operasi TMP dan laju alir yang terbaik untuk pemekatan jus jeruk dengan menggunakan rangkaian RO dalam penelitian ini adalah TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 yang menghasilkan nilai fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu sebesar 0.73 L m-2 jam-1 dan 76 %. Parameter operasi (TMP dan laju alir) berpengaruh terhadap fluksi dan rejeksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi dan rejeksi yang diperoleh semakin besar. Penelitian filtrasi pemekatan jus dilakukan dengan menggunakan kondisi operasi terbaik yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu pada laju alir 0.03 m s-1 dan TMP 8 Bar. Tingkat pemekatan jus diukur dari proses pemekatan selama 6 jam dengan resirkulasi retentat dan pengambilan permeat. Konsentrasi umpan awal jus jeruk sebesar 6.7 oBrix menghasilkan konsentrat jus sebesar 11.8 o Brix selama 6 jam proses pemekatan atau tingkat pemekatan sebesar 76 %. Tingkat pemekatan untuk waktu yang lebih lama diprediksi dengan persamaan garis yang didapat dari data percobaan. Tingkat pemekatan tertinggi yang dapat diperoleh dihitung ketika pemekatan terhenti karena membran tidak lagi dapat memisahkan air atau fluksi sama dengan nol. Hasil perhitungan menunjukkan fluksi bernilai nol ketika pemekatan berlangsung setelah 11.77 jam. Konsentrasi konsentrat yang didapat ketika fluksi bernilai nol yaitu sebesar 16.1 oBrix atau tingkat pemekatan sebesar 141 %. Tingkat pemekatan ini cukup baik untuk pemekatan dengan TMP relatif rendah. Penggunaan membran RO dengan tekanan rendah dalam penelitian ini dapat dipertimbangkan sebagai proses pra pemekatan jus jeruk dari rangkaian pemekatan jus jeruk menggunakan RO. Aplikasi ini juga dapat digunakan dalam memproduksi minuman jus jeruk alami tanpa penambahan gula (natural citrus juice with no added sugar). Analisis model menunjukkan nilai fluksi yang dihitung berdasarkan model SD yang dikembangkan dengan melibatkan tahanan adsorpsi menghasilkan kesesuaian yang lebih baik dibandingkan dengan model modifikasi SD – teori film. Hal ini menunjukkan bahwa model SD – tahanan adsorpsi mampu memprediksi fluksi lebih baik dibandingkan model SD – teori film. Nilai fluksi hasil percobaan yang kecil dapat dijelaskan dengan model tahanan adsorpsi. Tahanan adsorpsi memberikan pengaruh yang signifikan terhadap tahanan membran yang pada akhirnya menyebabkan rendahnya nilai fluksi (flux drop) pada pemekatan jus jeruk dengan membran RO yang digunakan. Tekanan transmembran, laju alir dan konsentrasi umpan merupakan variabel penting yang mempengaruhi proses adsorpsi. Kata kunci: reverse osmosis tekanan rendah, jus jeruk, solution diffusion, adsorpsi
© Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2009
Hak cipta dilindungi undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar Institut Pertanian Bogor 2. Dilarang mengumumkan atau memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apapun tanpa izin Institut Pertanian Bogor
MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA PEMEKATAN JUS JERUK SIAM DENGAN REVERSE OSMOSIS
ADETIYA RACHMAN
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suprihatin
Judul Penelitian
: Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis
Nama
: Adetiya Rachman
NRP
: F351060121
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Erliza Noor Ketua
Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc Anggota
Diketahui Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Tanggal Ujian: 07 Januari 2009
Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Prof. Dr. Ir. Khairil A Notodiputro, MS
Tanggal Lulus:
PRAKATA Alhamdulillah wa syukurillah penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia dan anugrah-Nya sehingga tesis yang diberi judul Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis ini dapat diselesaikan. Penelitian dilaksanakan pada bulan April hingga Agustus 2008 di laboratorium di lingkungan Departemen Teknologi Industri Pertanian (TIP) IPB dan di laboratorium di lingkungan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian Bogor. Terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu Dr. Ir. Erliza Noor selaku ketua komisi pembimbing dan Bapak Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc selaku anggota komisi pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan masukan dalam penyusunan tesis ini. Penghargaan dan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Badan Litbang Pertanian Departemen Pertanian yang telah memberikan kesempatan dan dukungan biaya dalam menjalankan studi Program Magister Sains di TIP IPB. Terima kasih juga penulis sampaikan pada Bapak Dr. Ir. Suprihatin sebagai penguji luar komisi atas kritik dan masukannya untuk penyempurnaan tesis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada segenap staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB yang telah memberi ilmu pengetahuan selama studi di IPB. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada staf dan teknisi labolatorium di lingkungan Departemen Teknologi Industri Pertanian dan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pasca Panen Pertanian, rekan-rekan S2 dan S3 TIP 2006, 2005 dan 2007 serta semua pihak yang telah membantu kelancaran studi dan penelitian. Ucapan terima kasih juga secara tulus penulis persembahkan kepada mamah, bapak, kakak dan adik serta keluarga besar dari bapak dan mamah yang telah memberikan doa dan dorongan dalam menyelesaikan studi S2 di IPB. Terima kasih juga disampaikan kepada seluruh penghuni wisma galih atas kebersamaannya selama penulis tinggal di Darmaga Bogor. Semoga tesis ini dapat bermanfaat dan memberikan sumbangsih yang nyata bagi dunia pendidikan dan penelitian. Bogor, Januari 2009 Adetiya Rachman
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bekasi pada tanggal 20 September 1977 dari Bapak Marsuki dan Ibu Wiwiek Shofia. Penulis merupakan anak kedua dari tiga laki-laki bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, lulus pada tahun 2002. Penulis mendapatkan tugas belajar dari instansi kerja pada tahun 2006 dan diterima di Program Studi Magister Sains Teknologi Industri Pertanian (TIP) IPB. Beasiswa pendidikan pascasarjana diperoleh dari Badan Litbang Pertanian Departemen Pertanian Republik Indonesia. Penulis bekerja sebagai staf pengkaji di Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Jawa Barat sejak tahun 2004. Bidang pengkajian yang menjadi tanggung jawab penulis adalah mekanisasi dan teknologi hasil pertanian.
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ............................................................................................................ i DAFTAR TABEL .................................................................................................. iii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. iv DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... vi I.
PENDAHULUAN ......................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang .......................................................................................... 1 1.2. Identifikasi Masalah .................................................................................. 3 1.3. Tujuan Penelitian ...................................................................................... 4 1.4. Ruang Lingkup.......................................................................................... 4
II.
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................ 5 2.1. Produksi dan Potensi Jeruk Indonesia....................................................... 5 2.2. Komposisi Kimia Jus Jeruk dan Produk Filtrasi Membran ...................... 5 2.3. Proses Pemekatan Jus Jeruk ...................................................................... 9 2.4. Aplikasi RO untuk Pemekatan Jus.......................................................... 10 2.5. Fenomena Osmosis dan Tekanan Osmotik ............................................. 12 2.6. Model Perpindahan Massa RO ............................................................... 16 2.6.1. Model Solution Diffusion (SD) – teori film................................... 19 2.6.2. Model SD – tahanan adsorpsi ........................................................ 20 2.6.3. Penentuan Koefisien Transfer Massa ............................................ 21
III. BAHAN DAN METODE ............................................................................ 24 3.1. Bahan dan Alat ........................................................................................ 24 3.1.1. Bahan ............................................................................................. 24 3.1.2. Peralatan ........................................................................................ 24 3.2. Metode Penelitian ................................................................................... 26 3.2.1. Persiapan bahan baku .................................................................... 26 3.2.2. Mikrofiltrasi................................................................................... 26 3.2.3. Reverse Osmosis ............................................................................ 26 3.2.4. Pemodelan ..................................................................................... 28 3.2.5. Tahap Pengujian Model................................................................. 29 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................... 30 4.1. PEMISAHAN JUS JERUK DENGAN REVERSE OSMOSIS ............... 30 4.1.1. Karakteristik Fisik-kimia Umpan .................................................. 30 4.1.2. Fluksi Air, Permeabilitas dan Tahanan Membran ......................... 31
ii 4.1.3. Waktu Tunak Larutan Jus.............................................................. 33 4.1.4. Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Fluksi .............................. 35 4.1.5. Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Rejeksi ............................ 37 4.1.6. Tingkat Pemekatan Jus Jeruk ........................................................ 39 4.2. PEMODELAN REVERSE OSMOSIS JUS JERUK ................................ 42 4.2.1. Perhitungan Tekanan osmotik ...................................................... 42 4.2.2. Model Perpindahan Massa ............................................................ 47 a. Model SD – Teori Film............................................................. 47 b. Model SD – Tahanan Adsorpsi................................................. 50 4.2.3. Neraca Massa Proses Pemisahan Jus Jeruk ................................... 55 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 57 6.1. Kesimpulan ............................................................................................. 57 6.2. Saran ....................................................................................................... 57 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 58 L A M P I R A N ............................................................................................ 62
iii
DAFTAR TABEL 1
Produksi, kebutuhan, ekspor dan impor jeruk dan surplus jeruk Indonesia (2002 – 2007) ................................................................................ 5
2
Kandungan gula di dalam jeruk ..................................................................... 6
3
Komposisi gula dalam jus jeruk .................................................................... 6
4
Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983) ..................... 8
5
Komposisi kimia jus jeruk umpan dan produk konsentrat hasil pemekatan dengan RO penelitian Jesus et al. (2007) ...................................................... 8
6
Beberapa penelitian penerapan RO pada pemekatan jus buah .................... 11
7
Tekanan osmotik larutan sukrosa pada suhu 30 oC ..................................... 14
8
Tekanan osmotik larutan 1 % pada suhu 30 oC, dihitung dengan persamaan Van’t Hoff ................................................................................. 15
9
Spesifikasi membran RO ............................................................................. 26
10
Karakteristik fisik-kimia jus jeruk umpan ................................................... 30
11
Nilai Di komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk ........ 45
12
Nilai ki komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat ................................... 46
13
Tekanan osmosis pada sisi umpan dan permeat pada variasi laju alir dan TMP ...................................................................................................... 46
14
Perbedaan tekanan osmosis pada variasi laju alir dan TMP ........................ 46
15
Fluksi hasil perhitungan dengan model SD – teori film .............................. 47
16
Fluksi hasil perhitungan dengan model SD - tahanan adsorpsi ................... 51
17
Neraca massa total gula pada pemisahan jus jeruk...................................... 55
iv
DAFTAR GAMBAR 1
Struktur molekul fruktosa .............................................................................. 7
2
Struktur molekul gluktosa ............................................................................. 7
3
Struktur molekul sukrosa ............................................................................... 7
4
Struktur molekul asam sitrat .......................................................................... 7
5
Fenomena osmosis ....................................................................................... 12
6
Rangkaian alat membran mikrofiltrasi ........................................................ 24
7
Rangkaian alat membran reverse osmosis ................................................... 25
8
Skema proses reverse osmosis jus jeruk ...................................................... 25
9
Diagram alir penentuan kondisi tunak ......................................................... 28
10
Diagram alir penelitian ................................................................................ 29
11
Pengaruh laju geser terhadap viskositas umpan .......................................... 30
12
Fluksi air selama filtrasi pada TMP 0.34 Bar dan laju alir 0.04 m s-1 ......... 31
13
Grafik hubungan TMP dengan fluksi air pada laju alir 0.01 m s-1 .............. 32
14
Fluksi jus selama proses filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 .. 34
15
Konsentrasi TPT pada umpan dan permeat pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 ................................................................................. 34
16
Rejeksi TPT selama beberapa waktu filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 ................................................................................. 35
17
Pengaruh TMP terhadap fluksi pada beberapa laju alir ............................... 36
18
Pengaruh laju alir terhadap fluksi pada variasi TMP................................... 36
19
Pengaruh TMP terhadap rejeksi total gula pada variasi laju alir ................. 38
20
Pengaruh TMP terhadap konsentrasi total gula permeat ............................. 38
21
Pengaruh laju alir terhadap rejeksi total gula pada beberapa TMP ............. 39
22
Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pengambilan permeat pada TMP 8 Bar, laju alir 0.03 m s-1 dan konsentrasi umpan 6.7 oBrix ............... 40
23
Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat ........................................................................................................ 41
24
Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat .......................................................................... 41
25
Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – teori film pada variasi laju alir ..................................................................... 48
26
Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – teori film pada variasi TMP ......................................................................... 49
27
Plot garis tahanan membran setelah filtrasi (R’m)........................................ 51
v 28
Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – tahanan adsorpsi pada variasi laju alir ......................................................... 52
29
Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – tahanan adsorpsi pada variasi TMP ............................................................. 53
30
Perbandingan nilai fluksi percobaan dan fluksi perhitungan dengan kedua model (laju alir 0.03 m s-1) .......................................................................... 54
vi
DAFTAR LAMPIRAN 1
Perhitungan luas area umpan dan maksimum laju alir ................................ 62
2
Prosedur analisis .......................................................................................... 63
3a
Kurva standar total gula ............................................................................... 66
3b
Kurva standar total gula pereduksi .............................................................. 66
4
Viskositas jus jeruk umpan pada berbagai laju geser .................................. 67
5a
Fluksi air selama filtrasi ............................................................................. 68
5b
Fluksi air pada beberapa TMP (v= 0.01 m s-1) .......................................... 68
6
Fluksi jus selama filtrasi ............................................................................. 69
7
Konsentrasi TPT umpan dan permeat serta rejeksinya selama filtrasi ........ 70
8a
Fluksi jus pada variasi TMP dan laju alir .................................................... 71
8b
Lampiran 8b Analisis varians (ANOVA) pengaruh TMP dan laju alir terhadap fluksi ............................................................................................. 73
9a
Rejeksi total gula pada variasi TMP dan laju alir ........................................ 74
9b
Konsentrasi total gula umpan, permeat dan retentat pada variasi TMP dan laju alir ................................................................................................. 74
9c
Total Padatan Terlarut (TPT) umpan dan permeat pada variasi TMP dan laju alir .................................................................................................. 74
10a Konsentrasi gula pereduksi umpan dan permeat ......................................... 75 10b Konsentrasi glukosa umpan dan permeat .................................................... 75 10c Konsentrasi sukrosa umpan dan permeat .................................................... 75 10d Konsentrasi asam sitrat umpan dan permeat ............................................... 75 11
Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pemisahan permeat ................. 76
12
Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat ........................................................................................................ 77
13
Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat .......................................................................... 78
14
Penurunan persamaan Shocks dan Miquel’s ............................................... 79
15
Perhitungan bilangan Reynold..................................................................... 80
16
Viskositas umpan jus jeruk untuk fluida non-Newtonian, Doi asam sitrat .. 81
17
Perhitungan koefisien diffusivitas (Di) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk ......................................................................... 82
18
Perhitungan koefisien perpindahan massa (ki) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk ................................................................... 83
19
Konsentrasi pada permukaan membran (Cmi) .............................................. 84
20
Perhitungan tekanan osmosis....................................................................... 85
vii 21
Perhitungan fluksi menggunakan model SD – Teori Film .......................... 86
22
Fluksi air setelah filtrasi pada beberapa TMP ............................................. 87
23
Perhitungan fluksi menggunakan model SD - tahanan adsorpsi ................. 88
1
I.
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Reverse Osmosis (RO) telah menjadi teknik yang efektif untuk pemisahan dan pengkonsentrasian komponen ionik dari air sehingga penerapan RO dewasa ini masih didominasi untuk proses pemisahan garam atau desalinasi air laut. Pengembangan teknologi RO memperluas penerapan aplikasi ini untuk pemisahan komponen dalam industri makanan dan farmasi (White et al. 2002). Salah satu penerapan RO dalam industri makanan yang memiliki prospek baik adalah pemisahan air untuk pemekatan jus jeruk. Teknik yang umum dilakukan pada proses pemekatan jus adalah proses evaporasi, namun kelemahan dari penggunaan suhu yang tinggi pada evaporasi secara umum dapat menurunkan kandungan gizi dan aroma konsentrat sari jeruk (Rao 1995 di dalam Rao dan Rizvi 1995). Selain itu penggunaan suhu tinggi pada proses evaporasi memerlukan energi yang besar. Proses RO dilakukan pada suhu ruang sehingga komponen jus jeruk yang rentan terhadap suhu tinggi dapat tetap dipertahankan dalam kondisi baik. Penerapan RO untuk pemekatan jus jeruk telah dilakukan dan dapat menghasilkan konsentrat jus jeruk dengan total padatan terlarut sebesar 16 - 36 oBrix dari total padatan larutan umpan awal sebesar 8.2 - 11 oBrix atau pemekatan sebesar 63 – 340 % pada kondisi operasi tekanan transmembran 20 - 60 Bar (Silva et al. 1998; Cassano et al. 2003; Jesus et al. 2007). Penelitian pemekatan jus jeruk umumnya menggunakan tekanan tinggi diatas 20 Bar. Penggunaan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis - LPRO) untuk pemekatan jus belum dilakukan. Penerapan LRPO masih terbatas pada pemisahan larutan dengan tingkat padatan terlarut yang rendah. Penggunaan tekanan yang rendah pada LPRO memiliki keuntungan dari sisi penggunaan energi yang lebih efisien. Pada penelitian ini mencoba melakukan pemekatan jus jeruk dengan menggunakan LPRO. Pengembangan model matematis pada RO telah banyak dilakukan untuk memprediksi fluksi pada pemisahan garam dari larutan garam. Pengembangan model yang sesuai menggambarkan kinerja RO sangat penting untuk merancang
2 proses RO. Model yang memprediksi karakteristik pemisahan juga meminimalkan penelitian yang harus dilakukan untuk menjelaskan sistem tertentu (Williams 2003). Model matematis perpindahan massa dalam RO secara garis besar dibagi menjadi tiga, yaitu model termodinamika satu arah (irreversible thermodynamics), model membran nonpori atau homogen (nonporous or homogeneous membrane models) dan model pori (pore models) (Williams 2003). Pengembangan model dalam RO pada awalnya hanya terbatas untuk pemisahan garam dari air laut menggunakan
larutan
garam ideal.
Perluasan
aplikasi
RO
mendorong
pengembangan model perpindahan massa dengan RO tidak hanya untuk desalinasi air laut, tetapi juga berkembang untuk aplikasi lain terutama untuk industri makanan dan farmasi. Salah satu model perpindahan massa untuk RO yang dikembangkan dari larutan garam untuk untuk aplikasi lain adalah model Solution Diffusion (SD). Model ini telah banyak digunakan dan terbukti mampu memprediksi fluksi larutan ideal dari campuran komponen yang telah diketahui konsentrasinya (multisolute solution) dengan baik. Kimura et al. 1992; Dickson et al. 1994 menggunakan model ini pada pemekatan campuran larutan ideal dengan RO yang menghasilkan kesesuian antara fluksi percobaan dan fluksi prediksi. Model SD juga telah dikembangkan dan menghasilkan kesesuaian model untuk aplikasi pemekatan jus buah. Alvarez et al. (1997) melakukan penelitian pemekatan jus apel dengan RO dan memprediksi fluksi menggunakan model difusi-larutan (solution-difussion models) yang dikombinasikan dengan teori film. Hasil penelitian menunjukkan model SD yang dikombinasikan dengan teori film mampu memprediksi nilai fluksi pemekatan jus apel dengan akurat. Kendala yang dihadapi dalam pengembangan model perpindahan massa adalah ketidaksesuaian antara nilai fluksi hasil prediksi dan fluksi hasil percobaan. Modifikasi yang dilakukan Alvarez et al. (1997) pada model SD yang dikembangkan adalah dengan mengkombinasikan model SD dengan teori film untuk menjelaskan fenomena polarisasi konsentrasi pada permukaan membran. Pengembangan model SD dengan menggunakan membran LPRO dilakukan oleh Williams (1989); Bhattacharyya and Madadi (1988); Deshmukh (1989); dan
3 Kothari (1991) diacu dalam Williams (2003) untuk larutan organik. Pengembangan dilakukan dengan menambahkan tahanan adsorpsi pada model untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi (flux drop). Williams (1989) mengasumsikan larutan organik diadsorpsi oleh permukaan membran pada penerapan kondisi operasi tekanan transmembran (TMP) yang rendah. Peristiwa adsorpsi ini menyebabkan tahanan membran bertambah selain dari tahanan instrinsik membran dan dihitung sebagai tahanan adsorpsi (Williams, 2003). Penelitian pemekatan jus jeruk dengan RO umumnya dilakukan pada skala pilot dengan menggunakan tekanan tinggi (diatas 20 bar). Penggunaan membran RO dengan tekanan rendah dibawah 20 Bar (Low Pressure Reverse Osmosis) pada pemekatan jus dalam skala laboratorium belum dilakukan. Prediksi fluksi melalui model matematis juga belum dikembangkan. Penelitian ini akan mengkaji penerapan RO untuk pemekatan jus jeruk dan perkiraan mekanisme perpindahan massa untuk memprediksi fluksi berdasarkan model RO untuk larutan garam. Kajian proses pemekatan jus jeruk dengan RO merupakan kelanjutan dari penelitian pemisahan limonin dan naringin dari jus jeruk siam (Citrus nobilis Lour var. microcarpa) menggunakan mikrofiltrasi (Aghitsni 2008). Larutan jus jeruk siam hasil mikrofiltrasi selanjutnya dipekatkan dengan RO untuk mendapatkan jus konsentrat. 1.2. Identifikasi Masalah Model perpindahan massa dengan RO yang telah ada pada umumnya dikembangkan
menggunakan
larutan
ideal.
Masalah
yang
timbul
dari
pengembangan model adalah jus jeruk bukan merupakan larutan ideal, dimana jus jeruk terdiri dari beberapa komponen yang memiliki karakteristik berbeda seperti viskositas, pH, kadar asam serta komposisi komponen didalamnya. Penerapan model yang secara prinsip berbeda perlu diteliti pada pemekatan jus jeruk untuk mendapatkan model yang secara tepat mampu menjelaskan faktor-faktor yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO.
4 1.3. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Memperoleh kondisi operasi RO (tekanan transmembran dan laju alir umpan) yang terbaik. 2. Mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi dari proses RO dengan tekanan rendah (LPRO). 3. Memperoleh faktor-faktor yang berpengaruh untuk pemisahan jus jeruk dari model perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO.
1.4. Ruang Lingkup Penelitian menggunakan bahan baku jus jeruk siam Pontianak (Citrus nobillis L var microcarpa) hasil filtrasi membran mikrofiltrasi ukuran pori 0,1 µm dengan komposisi kandungan total padatan terlarut 6.82 oBrix, asam sitrat 0.56 % dan vitamin C sebesar 11.65 mg per 100 mg. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk lilitan spiral (spiral wound) berbahan poliamida (PA) dengan kondisi operasi tekanan transmembran rendah (4-8 Bar). Aplikasi membran Low Pressure Reverse Osmosis pada penelitian dilihat sebagai proses pra-pemekatan dengan RO. Parameter yang dilihat pada proses ini adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir crossflow terhadap fluksi, tingkat rejeksi dan kualitas konsentrat jeruk yang meliputi kadar gula, derajat Brix, dan total asam. Selanjutnya dilakukan prediksi fluksi menggunakan model matematik berdasarkan model SD (solution-difussion models) pada pemisahan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis) dengan pengembangan model yang dilihat dari dua pendekatan yang berbeda yaitu modifikasi dengan teori film dan tahanan adsorpsi.
5
II.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Produksi dan Potensi Jeruk Indonesia Produksi jeruk Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun dengan jumlah signifikan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Produksi, kebutuhan, ekspor dan impor jeruk dan surplus jeruk Indonesia (2002 – 2007) Kebutuhan Ekspor Jeruk (ton) nasional (ton) 2002 968 132 429 919 1 097 2003 1 529 824 637 661 954 1 261 2004 2 071 084 639 000 2) 2005 2 214 020 2006 2 565 543 2007 2 625 884 Sumber : BPS (2007), Ditjen Tanaman Pangan (2005) 1) data diolah 2) angka prediksi Tahun
Produksi (ton)
Surplus 1) ton) 537 116 891 209 1 430 823 -
Produksi jeruk nasional setiap tahunnya secara umum masih jauh diatas konsumsi dan ekspor jeruk Indonesia (Tabel 1). Nilai surplus produksi setiap tahunnya mengalami peningkatan yang signifikan, tetapi disisi lain Indonesia masih mengimpor jeruk dan produk olahannya. Impor produk olahan jus dan konsentrat jeruk mencapai 2 142 ton dengan nilai mencapai 2,1 juta dolar atau sekitar 19 milyar rupiah (BPS 2001). Nilai surplus dan impor produk olahan jus dan konsentrat jeruk merupakan potensi yang sangat besar dalam pengembangan produk olahan jeruk untuk memberikan nilai tambah yang signifikan. 2.2. Komposisi Kimia Jus Jeruk dan Produk Filtrasi Membran Komponen kimia penyusun terbesar yang terdapat dalam jeruk adalah karbohidrat. Buah jeruk dalam setiap 100 gram bagian yang dapat dimakan (BDD) mengandung, karbohidrat 7,2 gram, protein 0,5 gram dan lemak 0,1 gram dan vitamin C 50 – 100 mg. Kandungan kimia lain yang terkandung dalam jeruk yaitu asam organik dan asam amino. Jenis asam organik yang terdapat dalam
6 jeruk antara lain asam sitrat, asam malat, asam suksinat, asam oksalat, asam malonat, dan asam-asam dalam jumlah kecil lainnya (Vandercook 1977). Jenis karbohidrat dalam buah jeruk yaitu karbohidrat yang dapat larut yaitu gula dan karbohidrat yang tidak dapat larut (polisakarida) (Winarno 1992). Komposisi kandungan gula dalam jus dari beberapa varietas jeruk dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kandungan gula di dalam jeruk Varietas Grape fruit (Marsh) Lemon ( Eureka ) Lime (Tahiti) Valencia orange Navel orange Sumber : Cready (1977)
Gula (%) Pereduksi Non-pereduksi 2.3 – 4.8 2.6 - 3.1 0.78 – 2.6 0.3 - 0.63 1.29 0.10 3.2 – 5.0 2.3 – 5.2 4.3 – 5.8 -
Total 5.1 – 7.8 0.81 – 3.2 1.39 5.4 – 10.3 7.3 – 10.5
Komposisi gula pada jus jeruk segar maupun yang telah diproses secara umum tidak berbeda dari komposisi jeruk (Tabel 2). Komponen gula utama dalam jus jeruk yaitu fruktosa, glukosa dan sukrosa. Komposisi fruktosa, glukosa dan sukrosa dari total gula berdasarkan Tabel 3 masing-masing sebesar 28, 26 dan 46%. Tabel 3 Komposisi gula dalam jus jeruk Kategori Jus jeruk tanpa gula Minuman jus jeruk + gula Sumber: ACT (2008)
Fruktosa 2.0 1.1
Komposisi (%) Glukosa Sukrosa 1.9 3.3 1.1 6.8
Total 7.2 9.0
Fruktosa dan glukosa merupakan gula pereduksi dengan rumus molekul yang sama yaitu C6H12O6 tetapi dengan struktur molekul yang berbeda. Bobot molekul kedua senyawa juga sama yaitu 180.16 g mol-1. Sukrosa merupakan gula non pereduksi termasuk dalam disakarida dengan rumus molekul C12H22O11 dan berat molekul sebesar 342.3 g mol-1. Asam asetat yang merupakan jenis asam organik yang paling banyak terdapat pada jeruk memiliki rumus molekul C6H8O7 dengan berat molekul 192.12 g mol-1. Struktur molekul fruktosa, glukosa, sukrosa dan asam sitrat dapat dilihat pada Gambar 1, 2, 3 dan 4 (Wikipedia 2008, 2009a, 2009b, 2009c).
7 CH2OH
O
H OH
OH H
CH2OH
H OH Gambar 1 Struktur molekul fruktosa CH2OH O
H
OH
H
OH
OH
H
H
OH
H
Gambar 2 Struktur molekul glukosa CH2OH H OH
O
CH2OH
O
H OH
H
H
OH
O
OH
OH
H
H
OH
CH2OH
Gambar 3 Struktur molekul sukrosa O
OH
OH
O
O
OH
OH
Gambar 4 Struktur molekul asam sitrat
8 Komposisi jus yang penting mempengaruhi kualitas jus jeruk antara lain padatan terlarut, keasaman, rasio Brix/asam, warna jus, kadar senyawa penyebab rasa pahit rendah dan kadar flavor yang baik (USDA 1983). Standar jus jeruk pasteurisasi menurut USDA dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983) Standar Brix Rasio brix / asam California/arizona Diluar California/arizona
Grade A Jus murni min. 11.0 min max 11.5:1 18.0:1 12.5:1 20.5:1
Jus + gula min. 11.0 min max 12.5:1 20.5:1 12.5:1 20.5:1
Grade B Jus murni min. 10.5 min max 10.5:1 23.0:1 10.5:1 23.0:1
Jus + gula min.10.5 min max 10.5:1 23.5:1 10.5:1 23.5:1
Proses klarifikasi jus jeruk dengan menggunakan membran menyebabkan perubahan komposisi jus jeruk yaitu penurunan kandungan beberapa komponen utama. Aghitsni (2008) mendapatkan penurunan kandungan jus jeruk hasil mikrofiltrasi membran 0.1 µm sebesar 38 % untuk total padatan terlarut, 44% untuk kandungan vitamin C dan penurunan 10% untuk kandungan asam sitrat. Penurunan kandungan jus jeruk yang mempengaruhi kualitas jus jeruk seperti total padatan terlarut, kadar asam dan vitamin C tidak diharapkan pada proses filtrasi dengan membran. Proses klarifikasi jus jeruk menggunakan filtrasi membran umumnya dilanjutkan dengan proses pemekatan dengan membran RO. Pemekatan dengan RO selain bertujuan untuk menghilangkan kandungan air juga dapat bertujuan untuk meningkatkan kualitas jus jeruk. Produk konsentrat yang dihasilkan dengan RO mampu mempertahankan bahkan meningkatkan komposisi kimia jus jeruk. Tabel 5 memperlihatkan perbandingan komposisi kimia jus jeruk awal dan konsentrat hasil penelitian pemekatan jus jeruk menggunakan RO yang didapat Jesus et al. (2007). Tabel 5 Komposisi kimia jus jeruk umpan dan produk konsentrat hasil pemekatan dengan RO penelitian Jesus et al. (2007) Jus konsentrat (TMP) Jus awal 20 bar 40 bar 60 bar pH 4.2 4.1 4.3 4.3 Total asam (g asam sitat/ 100 ml) 0.4 1.0 1.4 1.8 Padatan terlarut (_Brix) 8.2 16.0 28.5 35.7 Viskositas (mPa s) 1.5 2.3 5.3 10.3 Vit. C (mg asam askorbat / 100 g) 29.3 53.9 82.7 101.1
9 2.3. Proses Pemekatan Jus Jeruk Konsentrat jus jeruk adalah produk non fermentasi dan dapat difermentasi setelah direkontitusi (diencerkan kembali) yang diolah melalui proses pemekatan. Jus adalah produk non fermentasi tetapi dapat difermentasi yang ditujukan untuk konsumsi langsung yang diproses secara mekanis dari buah jeruk (Codex Stan 1981). Menurut Cruess (1958) konsentrat jus merupakan cairan kental dari produk jus (sari buah) yang diperoleh melalui proses penguapan pada tekanan vakum pada suhu rendah sehingga kerusakan-kerusakan kimiawi selama proses dapat dihindarkan. Produk konsentrat umumnya dikentalkan sampai mencapai 43- 60 o
Brix. Menurut Codex Alimentarius Comission (1981) proses pemekatan jus jeruk
adalah penghilangan air hingga produk akhir mencapai total padatan terlarut tidak kurang dari 20% (pengukuran pada refraktometer 20 oC). Produk dapat terdiri dari jus murni atau konsentrat dengan penambahan air serta komponen volatil alami jus jeruk yang hilang pada saat proses untuk mempertahankan kualitas konsentrat komponen penting didalamnya. Kondisi yang perlu dijaga untuk memperoleh konsentrat bermutu tinggi antara lain adalah temperatur proses yang rendah atau waktu kontak yang pendek pada proses dengan temperatur tinggi. Pemekatan jus diusahakan tidak menghilangkan karakteristik komponen jus yang ditentukan oleh komponen volatil dan vitamin yang sangat rentan terhadap perlakuan panas. Proses pemindahan air dari jus diusahakan komponen volatil tidak ikut terbawa atau hilang. Beberapa metoda yang dapat digunakan antara lain evaporasi vakum dan freeze concentration (Thijssen 1974; Jesus et al. 2007). Proses pemisahan seperti klarifikasi dan konsentrasi jus memiliki aturan dasar yang mempengaruhi kualitas. Buah pada umumnya memiliki kandungan air 75% hingga 95%. Penghilangan kandungan air akan mengurangi biaya pengemasan, penyimpanan dan transportasi, disamping juga mengurangi aktivitas air yang akan memperpanjang umur simpan produk yang pada akhirnya meningkatkan kualitas produk. Pemekatan secara sederhana dilakukan dengan penggunaan temperatur tinggi yang mengakibatkan perubahan cita rasa dan kandungan nutrisi yang signifikan (Gomes et al. 2005; Jesus et al. 2007).
10 Penggunaan teknologi membran merupakan alternatif dalam pemekatan jus jeruk. Proses membran tidak menggunakan temperatur tinggi dan energi yang dibutuhkan selama proses relatif rendah. 2.4. Aplikasi RO untuk Pemekatan Jus Jenis aplikasi membran yang dapat diterapkan untuk proses pemekatan jus buah-buahan adalah Reverse Osmosis (RO), Distilasi Membran (Membrane Destillation) dan Destilasi Osmotik (Osmotic Distillation - OD). Perbedaan jenis aplikasi terletak pada daya penggerak yang digunakan, dimana pemisahan dengan RO menggunakan prinsip perbedaan tekanan, MD berdasarkan perbedaan temperatur, sedangkan OD berdasarkan perbedaan konsentrasi larutan antara dua sisi membran (Mulder 1996; Cassano et al. 2003). RO adalah membran non-porous dimana hampir hanya air yang dapat melewati membran ini. Garam/ion dan bahan organik dengan ukuran molekul > 50 Da dapat ditahan oleh membran ini. Tekanan yang digunakan dalam operasi RO sebesar 20-60 bar, tetapi dapat juga mencapai 200 bar (Cheryan 1998). RO dapat digunakan sebagai alternatif pemekatan jus, dimana proses ini produk tidak mengalami perubahan fase atau menggunakan temperatur tinggi. Kelebihan utama dari pemekatan RO adalah menghasilkan produk berkualitas tinggi dimana nutrisi, aroma dan komponen flavor bahan yang diolah dapat dipertahankan. Proses RO bekerja pada temperatur operasi yang rendah sehingga membutuhkan konsumsi energi yang rendah, instalasi yang kompak dan pengoperasian yang mudah (Alvarez et al. 2000; Girard & Fukumoto 2000; Koseoglu et al. 1990 diacu dalam Jesus et al. 2007). Kekurangan dari proses ini adalah tingkat pemekatan yang lebih rendah dibandingkan evaporasi thermal, karena tekanan osmosis jus buah yang tinggi membatasi efisiensi proses. Proses RO secara prinsip dapat memisahkan air dari jus tetapi dibatasi oleh tekanan osmotik jus yang tinggi. Komponen aroma dan beberapa unsur kimia lain seperti antosianin, vitamin, gula, asam, Kalsium, Kalium, Magnesium dan Fosfor ditahan selama proses RO. Tingkat pemekatan jus buah pada industri jus konvensional mampu mencapai 42 hingga 65 oBrix, dalam hal ini RO harus dilihat sebagai proses awal yang diikuti proses lain seperti evaporasi osmotik
11 (Girard & Fukumoto 2000 diacu dalam Jesus et al. 2007). Operasi proses RO memerlukan tekanan tinggi untuk dapat melewati tekanan osmosis jus (10 hingga 200 bar). Sebagai contoh, jus jeruk dengan total padatan 11% memiliki tekanan osmotik 15 bar, ketika dipekatkan hingga 60%, tekanan osmotiknya meningkat hingga 190 bar (Cassano et al. 2003; Cheryan 1998; Gostoli et al. 1995 diacu dalam Jesus et al. 2007). Beberapa penelitian penerapan RO dalam proses pemekatan jus buah-buahan dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6 Beberapa penelitian penerapan RO pada pemekatan jus buah No. 1. 2.
3. 4.
5.
6.
Peneliti, tahun
Bahan baku Jus jeruk Galaverna et manis (blood al. 2008 orange) Jesus et al. jeruk brazil 2007 cv. Pera (Citrus sinensis L.Osbeck) Gomes et al. jus acerola 2005
Membran Kondisi operasi UF, RO, ∆P RO: 60 Bar OD
Hasil o Brix RO: 21,4 o Brix OD: 60,6
RO
∆P: 20;40;60 FP: 2,3; 3,8; 5,8 o Brix 16; 28; 36 Bar Laju alir 650 Fluksi: 11; 20; 28 liter.jam-1.m-2 l.jam-1
UF, RO
9,76; ∆P RO: 20; 40; oBrix: 14,56; 17,36 60 Bar
∆P RO: oBrix: 14,8 -25,5 Fluksi rata-rata: 20,40,60 Bar, 18,2 – 50,6 liter.jam-1.m-2 Cassano et al. jeruk UF, RO, ∆P RO: 25; 35 RO: oBrix 2003 (orange dan MD Jeruk: 20, FP: Bar lemon) dan 1,79, Fluksi: 10 – wortel 2 liter.jam-1.m-2 o Alvarez et al. Jus apel RO Brix 10 -22,7, ∆P 15 – 70 Bar 2002 Fluksi 25
Rodrigues et al. 2004
Jus camu- RO, camu evaporasi (Brazil) osmotik
liter.jam-1.m-2
7.
Alvarez et al. Jus apel 2000
8.
Silva 1998
et
al. Jus jeruk
RO: oBrix 25,5-26,6, Fluksi 12,5 – 16 liter.jam-1.m2 Evaporasi: 72 o Brix UF 50 UF: 1,2 Bar, Faktor pemekatan kDa, RO RO: 20; 40; 60 (FP): 2,77; 3,53; o Brix: Bar 3,59, 18,15; 23,44; 29,8 UF, RO, ∆P RO: 70 Bar PV, evaporasi
Tekanan osmotik pada jus pada proses RO telah diperkirakan akan meningkat secara cepat dengan peningkatan konsentrasi gula (100 dan 200 bar
12 untuk konsentrasi 42 dan 60 gram TSS/100 gram). Nilai konsentrasi juga menunjukkan peningkatan kekentalan. Faktor tekanan osmotik dan kekentalan mempengaruhi proses pemekatan sehingga pemekatan dengan RO tidak dapat lebih dari 20% untuk kondisi operasi tekanan transmembran 35 Bar dan pemekatan hingga 36 % pada tekanan transmembran hingga 60 Bar. Keterbatasan ini menyebabkan proses RO hanya dapat dipertimbangkan sebagai proses pemekatan awal (Cassano et al. 2003; Jesus et al. 2007). 2.5. Fenomena Osmosis dan Tekanan Osmotik Menurut Cheryan (1998) pemisahan membran pada umumnya dibatasi oleh batas tertinggi kandungan padatan (solid) dalam larutan yang dapat diperoleh. Pada RO, tekanan osmotik larutan umpan membatasi proses filtrasi. Tekanan osmotik adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan proses osmosis dalam sistem membran semi permiabel (Park 1996). Fenomena osmosis merupakan peristiwa perpindahan (transport) air atau pelarut melalui membran semipermeabel. Membran semipermeabel didefinisikan sebagai membran yang dapat melewatkan (permeable) pelarut dan tidak dapat melewatkan (impermeable) zat terlarut (solute). Fenomena osmosis berhubungan dengan fraksi mol air, X1 dan potensial kimia (chemical potential), µ (Gambar 5). Fraksi mol adalah komposisi mol air dalam larutan, bernilai 1 untuk air murni dan bernilai 0<X1<1 pada larutan.
Potensial kimia adalah gaya dorong yang
ditimbulkan karena perubahan energi bebas dalam sistem yang menghasilkan perubahan komposisi pada sistem (Cheryan 1998).
Larutan X1 < 1 µ1
Membran
Air X 1= 1 µ1
Gambar 5 Fenomena osmosis. Dua sisi ruang dipisahkan oleh membran semipermeabel ideal. Tanda panah menunjukkan perpindahan air karena perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998)
13 Energi tertinggi pada air yang menentukan potensial kimia tertinggi adalah dalam bentuk air murni. Penambahan material atau bahan pengotor dalam air akan meningkatkan entropi yang menyebabkan penurunan energi bebas, sehingga potensial kimia air dalam larutan akan menurun dan selalu lebih kecil dibandingkan air murni. Potensial kimia air pada larutan (µ1) di sisi kiri membran lebih kecil dibandingkan potensial kimia air murni (µ1o) di sisi kanan (Gambar 5). Membran permeabel terhadap air menyebabkan air berpindah dari sisi kanan ke sisi kiri membran hingga mencapai kesimbangan potensial kimia. Secara teori kesetimbangan tidak akan tercapai karena fraksi mol air pada larutan selalu lebih kecil dari satu dan secara teori air akan sepenuhnya berpindah ke sisi kiri membran. Dalam prakteknya, peningkatan ketinggian larutan pada sisi kiri membran menghasilkan tekanan hidraulik terhadap membran. Air akan berhenti berdifusi melalui membran ketika tekanan yang terjadi mencapai keseimbangan dengan perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998). Hubungan antara potensial kimia dan fraksi mol dalam sistem membran semipermeabel dituliskan sebagai (Cheryan 1998): ln
(1)
dimana, P* = tekanan eksternal Po = tekanan standar R = konstanta gas ideal (0.08206 atm L g mol-1 oK-1) T = temperatur (oK) V = volume pelarut (L) Tekanan yang diberikan sehingga menghasilkan nilai µ1 - µ1o = 0 disebut tekanan osmotik (π), seperti π = (P* – Po) dan dengan asumsi cairan tidak dalam keadaan termampatkan (incompressible), persamaan (1) menjadi: ln
(2)
atau ln
(3)
14 Persamaan (3) merupakan persamaan termodinamik untuk tekanan osmotik atau dikenal sebagai persamaan Gibbs. Persamaan ini berlaku dengan menggunakan 2 asumsi yaitu keadaan larutan ideal, dimana hanya sesuai untuk larutan yang sangat encer, dan cairan tidak dalam keadaan termampatkan, dimana hanya berlaku pada keadaan tekanan yang relatif rendah (Cheryan 1998). Pengembangan persamaan tekanan osmotik dilakukan juga oleh Van’t Hoff. Persamaan tekanan osmotik Van’t Hoff sebagai berikut (Cheryan 1998): (4) dimana, C = konsentrasi komponen terlarut (g L-1) dalam larutan M = berat molekul komponen terlarut i = bilangan ion untuk komponen terionisasi (contoh: i = 1 untuk gula, i = 2 untuk NaCl) Ketepatan kedua model (Gibbs dan Van’t Hoffman) dalam memprediksi tekanan osmosis dapat dilihat pada Tabel 7. Model Van’t Hoff menghasilkan nilai tekanan osmotik yang memiliki deviasi signifikan dalam semua tingkat konsentrasi. Hal ini disebabkan beberapa asumsi perkiraan yang ditentukan dalam pembuatan model. Persamaan Gibbs lebih akurat dalam memprediksi tekanan osmosis dalam kisaran konsentrasi yang cukup luas, tetapi pada konsentrasi tinggi deviasi nilai tekanan osmotik dari keadaan larutan ideal masih terjadi. Tabel 7 Tekanan osmotik larutan sukrosa pada suhu 30 oC Konsentrasi (% w/w)
Molalitas
25.31 36.01 44.73 52.74 58.42 64.58 Sumber : Cheryan (1998)
0.991 1.646 2.366 3.263 4.108 5.332
Tekanan osmotik (atm) Persamaan Data Model Gibbs Van’t Hoff percobaan 20.3 26.8 27.2 30.3 47.3 47.5 39.0 72.6 72.5 47.8 107.6 106.9 54.2 143.3 144.0 61.5 199.0 204.3
15 Nilai tekanan osmotik (Tabel 7) terlihat meningkat dengan peningkatan konsentrasi solut. Selain konsentrasi solut, berat molekul solut dalam larutan mempengaruhi tekanan osmotik yang ditimbulkan. Tabel 8 memperlihatkan pada konsentrasi yang sama, tekanan osmotik larutan garam (NaCl) lebih besar dibandingkan tekanan osmotik larutan gula dan protein. Hal ini menunjukkan komponen solut dengan berat molekul lebih kecil memberikan tekanan osmosis yang jauh lebih besar. Tabel 8 Tekanan osmotik larutan 1 % pada suhu 30 oC, dihitung dengan persamaan Van’t Hoff Komponen Berat Molekul Bilangan ion Tekanan osmotik (M) (i) (psi) NaCl 58.50 2 125 Laktosa 342 1 10 Kasein 25 000 1 0.28 Sumber : Cheryan (1998)
Perhitungan tekanan osmotik pada jus buah-buahan yang terdiri dari beberapa komponen terlarut dalam proses pemekatan menggunakan RO dilakukan oleh Alvarez et al. (1998; 2002). Alvarez et al. (1997; 2002) menggunakan modifikasi dan kombinasi model Gibbs dan persamaaan Van’t Hoff untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel sebagai bagian pemodelan dalam memprediksi fluksi. Model Gibbs digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik yang diberikan oleh komponen gula dengan modifikasi perhitungan fraksi mol air, sedangkan persamaan Van’t Hoff digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh asam malat. Hasil perhitungan model menunjukkan kesesuaian dengan nilai percobaan. Komponen gula dan asam organik digunakan sebagai komponen utama penentu tekanan osmotik jus karena komponen tersebut merupakan komponen mayor penyusun jus dengan konsentrasi tinggi dan memiliki berat molekul yang rendah (Merson dan Morgan 1968 diacu dalam Alvarez 1997). Pengukuran tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh komponen gula ditentukan oleh komponen glukosa dan sukrosa. Hal ini berdasarkan rata-rata persamaan empirik yang didapat oleh Nabetani et al. (1992) diacu dalam Alvarez et al. (2002) yang menyatakan komponen fruktosa dan sorbitol bersifat sama dengan glukosa dalam kontribusinya terhadap tekanan osmotik.
16 Perhitungan tekanan osmotik yang diberikan asam malat menggunakan persamaan Van’t Hoff. Walaupun persamaan ini memberikan nilai deviasi yang besar pada konsentrasi solut yang tinggi, persamaan ini masih dapat digunakan untuk konsentrasi solut dibawah 1%, dalam hal ini sesuai kandungan asam malat dalam jus apel. Perhitungan tekanan osmotik jus apel mengikuti persamaan sebagai berikut (Alvarez et al. 1998; 2002):
,
,
ln
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
(5)
dimana: Cs2, Cg2, Cm2 = konsentrasi sukrosa, glukosa, asam malat pada permukaan membran Ms, Mg, Mm = berat molekul sukrosa, glukosa, asam malat Mw = berat molekul air = volume molar air murni (18.07 X 10-3 kmol-1) Vw
2.6. Model Perpindahan Massa RO Menurut William (2003) model perpindahan massa dengan RO secara garis besar dibagi menjadi tiga, yaitu: model termodinamika tidak dapat balik (irreversible thermodynamics) seperti model Kedem-Katchalsky dan SpieglerKedem; model membran nonpori atau homogen (nonporous or homogeneous membrane
models)
seperti
model
solution-diffusion,
solution-diffusion-
imperfection, dan model extended solution-diffusion; dan model pori (pore models) seperti model finely-porous, preferential sorption capillary flow, dan model surface force-pore flow. Masing-masing model memiliki asumsi yang berbeda dalam memprediksi fluksi dengan menggunakan perhitungan matematik. Perbedaan mendasar terdapat pada asumsi model homogen dan model pori. Model homogen mengasumsikan RO merupakan membran tidak berpori dan perpindahan terjadi melalui ruang antar rantai polimer, umumnya secara difusi. Model pori mengasumsikan perpindahan terjadi melalui pori sepanjang lapisan permukaan membran sehingga perpindahan terjadi akibat proses difusi dan konveksi. Kedua model secara konseptual telah berhasil memprediksi pemisahan
17 RO dan asumsi apakah membran RO tidak berpori atau memiliki pori masih merupakan hal yang diperdebatkan. Belum ada teknik yang dapat menjelaskan hal ini (Williams, 2003). Model RO yang dikembangkan umumnya untuk aplikasi pemisahan garam atau desalinasi air laut. Model RO untuk desalinasi air laut umumnya menggunakan larutan ideal yaitu larutan garam dengan satu komponen garam yang diketahui konsentrasinya seperti pengembangan model yang dilakukan Murthy dan Gupta (1997) dan Ghiu (2003). Model yang telah banyak digunakan yaitu model preferential sorption-capillary flow yang pertama kali diperkenalkan oleh Kimoura dan Sourirajan (1970) yang termasuk ke dalam model pori, model Spiegler Kedem dan model solution-diffusion yang termasuk kategori model non pori. Penerapan aplikasi RO yang terus berkembang mendorong pengembangan model perpindahan massa dengan RO tidak hanya untuk desalinasi air laut, tetapi juga berkembang untuk aplikasi lain terutama untuk industri makanan dan farmasi. Salah satu model perpindahan massa untuk RO yang dikembangkan dari larutan garam untuk untuk aplikasi lain adalah model Solution Diffusion (SD). Model ini telah banyak digunakan dan terbukti mampu memprediksi fluksi larutan ideal dari campuran komponen yang telah diketahui konsentrasinya (multisolute solution) dengan baik. Pengembangan model SD untuk larutan multi komponen telah dilakukan Sourirajan et al. (1982), Suarez et al. (1992), Kimura et al. (1992) dan Dickson et al. (1994) yang menghasilkan kesesuaian nilai fluksi hasil prediksi dengan fluksi hasil percobaan. Model SD juga digunakan Sourirajan et al. (1982) dan Kimura et al. (1992) yang masing-masing menggunakan larutan campuran Dglukosa – D,L-asam malat dan larutan campuran sukrosa – glukosa sebagai simulasi komponen jus dalam rangka mengembangkan model pemekatan dengan RO untuk jus buah-buahan. Kedua penelitian tersebut berhasil mendapatkan kesesuaian antara data percobaan dengan data perhitungan menggunakan model SD. Pengembangan model SD untuk jus buah-buahan telah dilakukan oleh Alvarez et al. (1997). Bahan baku yang digunakan pada penelitian tersebut adalah jus apel yang diperoleh dari buah apel setelah sebelumnya diklarifikasi
18 menggunakan membran mikrofiltrasi. Model SD untuk pemekatan jus yang telah dikembangkan didasarkan pada model yang digunakan pada filtrasi larutan multikomponen ideal yang mampu menstimulasi komponen jus yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya (Sourirajan et al. 1982; Kimura et al. 1992). Model SD dikembangkan dengan mengkombinasikan dengan model teori film untuk menggambarkan polarisasi konsentrasi yang terjadi pada permukaan membran. Penggunaan model SD dengan kombinasi teori film mampu menghasilkan kesesuaian dalam memprediksi fluksi pada proses filtrasi jus apel (Alvarez et al. 1997). Pengembangan model SD untuk jus buah maupun larutan organik dengan RO pada umumnya menggunakan jenis membran RO dengan kondisi operasi TMP tinggi diatas 20 Bar. Penerapan model SD untuk kondisi operasi TMP yang relatif rendah (dibawah 10 Bar) belum banyak dipublikasikan. Kendala yang dihadapi dalam pengembangan model perpindahan massa untuk RO dengan tekanan rendah (LPRO) adalah ketidaksesuaian nilai fluksi hasil prediksi dengan nilai fluksi hasil percobaan. Williams (1989) melakukan pengembangan model SD untuk RO dengan tekanan rendah untuk larutan organik. Pengembangan yang dilakukan yaitu dengan menambahkan tahanan adsorpsi ke dalam model SD untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi yang didapat dari hasil percobaan. Hal serupa juga dilakukan oleh Bhattacharyya and Madadi (1988); Deshmukh (1989); dan Kothari (1991) diacu dalam Williams (2003). Pengembangan model untuk jus buah dengan menggunakan RO dengan tekanan rendah belum banyak dipublikasikan. Pada penelitian ini mencoba menerapkan model Solution Diffussion (SD) yang telah terbukti sesuai untuk memprediksi fluksi pada pemekatan jus buah terutama jus apel yang dilakukan oleh Alvarez et al. (1997) yang menggunakan TMP tinggi (diatas 20 Bar) untuk melihat kesuaian model jika menggunakan kondisi operasi TMP yang relatif rendah (dibawah 10 Bar). Pengembangan model SD untuk RO tekanan rendah yang dilakukan Williams (1989) juga digunakan dalam penelitian untuk melihat sejauh mana pengembangan model dengan tahanan adsorpsi mampu memprediksi fluksi pemekatan jus jeruk dengan RO tekanan rendah.
19 2.6.1. Model Solution Diffusion (SD) – teori film Model SD mengasumsikan membran RO tidak memiliki pori, sehingga pendekatan perpindahan massa hanya terjadi akibat proses difusi. Model SD mengasumsikan semua komponen baik pelarut maupun zat terlarut (solute) larut dalam fase keseimbangan dan berdifusi dengan mekanisme yang sama yang membangun difusi melalui cairan dan padatan (Lonslade 1972 diacu dalam Alvarez et al. 1997; Williams 2003). Model difusi larutan pertama kali diperkenalkan oleh Lonslade (1972). Alvarez et al. (1997) menggunakan model ini dikombinasikan dengan teori film untuk memprediksi fluksi permeat pada pemekatan jus apel dengan persamaan sebagai berikut: J = Lp(ΔP – ΔΠ)
(6)
dimana : J ΔP
= fluksi = tekanan transmembran atau transmembrane Pressure (TMP) = permeabilitas air = perbedaan tekanan osmotik antara sisi permeat dan retentat.
Lp ΔΠ
Perbedaan tekanan osmotik dihitung sebagai: ΔΠ = Π(Cm) – Π(Cp)
(7)
dimana : Cm Cp
= konsentrasi pada permukaan membran = konsentrasi pada sisi permeat
Alvarez et al. (1997) mengkombinasikan model ini dengan model teori film untuk melibatkan konsentrasi polarisasi yang terjadi. Pada kondisi tunak, konsentrasi pada permukaan membran (Cm) lebih besar dibandingkan konsentrasi umpan (Cb) karena fenomena polarisasi konsentrasi yang ditunjukkan dengan persamaan berikut: ln
(8)
20 dimana k adalah koefisien transfer massa, dihitung sebagai D/d, D = koefiesien difusi solute dan d = ketebalan lapisan polarisasi konsentrasi. Pada penelitian Alvarez et al. (1997), Cp dianggap sangat kecil sehingga dapat diabaikan (membran RO yang digunakan memiliki rejeksi NaCl 99%), sehingga persamaan (6) dan (8) ditulis kembali sebagai: J = Lp(ΔP – Π(Cm) exp ⁄
(9) (10)
Larutan yang mengandung beberapa komponen (i) dirumuskan dengan persamaan i+1 sebagai berikut: J = Lp(ΔP – Π(Cmi) exp ⁄
(11) (12)
Model ini diterapkan oleh Alvarez et al. (1997) untuk memprediksi fluksi permeat pada pemekatan jus apel dengan RO. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk turbular dari bahan poliamida (PA) dengan beberapa kondisi operasi. Nilai fluksi yang didapat dari hasil percobaan menunjukkan nilai yang sesuai dengan prediksi fluksi dengan menggunakan model. Parameter operasi TMP diketahui sebagai variabel yang paling penting dalam mengendalikan proses pemekatan jus apel dengan RO. Parameter ini selanjutnya akan dikaji dan juga akan dilihat parameter lain yaitu laju alir dalam memprediksi fluksi pada pemekatan jus jeruk dengan RO. 2.6.2. Model SD – tahanan adsorpsi Model ini dikembangkan Williams (1989) di dalam Williams (2003) untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi (flux drop) pada pemisahan dan purifikasi larutan organik dengan menggunakan membran RO dengan tekanan rendah. Model mengasumsikan terjadi adsorpsi larutan organik oleh permukaan membran yang menyebabkan peningkatan tahanan membran dalam melewatkan pelarut. Model yang digunakan yaitu:
21 ∆
∆
(13)
dimana: Jw Rm Rads
= fluksi air = tahanan membran = tahanan adsorpsi
Model ini juga digunakan oleh Bhattacharyya dan Madadi (1988), Deshmukh (1989), dan Kothari (1991) untuk menjelaskan fluksi air untuk zat organik terlarut yang teradsorpsi oleh membran (Williams, 2003). Pengukuran tahanan adsorpsi didapat dari pengukuran tahanan membran setelah dilakukan filtrasi dengan larutan organik dalam selang waktu tertentu yang dikurangi tahanan instrinsik membran. 2.6.3. Penentuan Koefisien Transfer Massa Pengembangan model yang dilakukan oleh Alvarez et al. (1997) menggunakan teori film untuk menjelaskan fenomena polarisasi konsentrasi. Fenomena polarisasi konsentrasi menghasilkan persamaan hubungan antara konsentrasi pada umpan dan konsentrasi pada permukaan membran dengan koefisien transfer massa (k). Larutan umpan jus apel yang mengandung beberapa komponen sehingga nilai ini dihitung per komponen karena setiap komponen memiliki sifat yang berbeda seperti sifat difusifitasnya (ditentukan oleh koefisien difusifitas). Perhitungan koefisien perpindahan massa (ki) pada penelitian Alvarez et al. (2002) mengikuti persamaan Schock dan Miquel’s yang secara empirik telah terbukti sesuai untuk modul spiral wound dan larutan dengan bilangan Reynold 100 – 1000: Shi = 0.065 Re0.875 Sci0.25 dimana: Shi Re Sci ki dh v
= = = = = =
bilangan Sherwood (ki.dh/Di) bilangan Reynold (dh.v.ρ/µ) bilangan Schmidt (µ /ρ.Di) koefisien transfer massa komponen i diameter hidraulik ekivalen laju alir tangensial
(14)
22 ρ µ
= densitas larutan = viskositas larutan
Penentuan bilangan Reynold (Re) dan Schmidt (Sc) untuk fluida dengan viskositas yang dipengaruhi shear rate atau shear stress (apparent viscocity) atau disebut fluida non-Newtonian dimodifikasi dengan melibatkan indeks konsistensi (K) dan indeks perilaku aliran (n). Persamaan bilangan Re dan Sc fluida nonNewtonian untuk aliran laminar (Re > 1800) dapat dilihat pada persamaan berikut (Cheryan 1998): (15) K
Sc
D
(16)
dimana: n = indeks perilaku aliran K = indeks konsistensi Perhitungan densitas dan viskositas jus apel pada lapisan batas membran sebagai fungsi konsentrasi dan temperatur menggunakan 2 persamaan empirik diteliti oleh Constella et al. (1989) diacu dalam Alvarez et al. (1997; 2002) dengan persamaan sebagai berikut: ρ = 0.8272 + 0.34708 exp (0.01C) – 5.495 x 10-4 T
(17)
ln
(18)
dengan a = – 0.25801 + 8.11/T dan b = (1.8909 – 3.0212 x 10-3 T dimana: C μw
= konsentrasi umpan dalam oBrix = viskositas air pada temperatur yang sama
Konsentrasi pada lapisan batas ditetapkan sebagai nilai rata-rata konsentrasi pada umpan dan permukaan membran. Koefisien difusi (Di) glukosa dan sukrosa pada lapisan batas dihitung dengan menggunakan persamaan yang diperoleh Gladen dan Dole (Kimura et al. 1992) sebagai berikut:
23 Di = Doi(μw /μ)0.45
(19)
dimana i menunjukkan komponen glukosa atau sukrosa, Doi adalah koefisien komponen i dalam larutan sangat encer. Nilai Doi untuk glukosa dan sukrosa dari literatur (Weast dan Astle 1981) pada suhu 25 oC adalah 6.9 X 10-10 dan 5.24 X 10-10 m2 s-1. Nilai Doi untuk asam malat pada penelitian Alvarez et al. (2002) dihitung berdasarkan persamaan Wilke dan Chang (1955) sebagai berikut: Φ
. ,
dimana: DAB = = MB Vbp,A = Φ =
.
.
(20)
koefisien difusi solut A dalam pelarut B (m2 s-1) berat molekul pelarut (kg/kmol) volume molar solut pada titik didih normal (m3 kmol-1) parameter asosiasi pelarut, bernilai 2.6 untuk air
24
III. 3.1.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
3.1.1. Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah jus jeruk siam Pontianak hasil mikrofiltrasi ukuran pori 0.1 µm dengan konsentrasi jus sebesar 6.5 – 8 oBrix dan bahan-bahan kimia untuk analisis komposisi kimia konsentrat jus jeruk. 3.1.2. Peralatan Peralatan yang digunakan dalam penelitian yaitu membran mikrofiltrasi buatan GDP Filter ukuran 0.1 μm dengan modul berbentuk hollow fibre berbahan polypropylene (PP) dan luas permukaan 1 m2 (Gambar 6), membran RO buatan Saehan Industri Korea tipe RE2012-LP (rejeksi NaCl 93%) berbahan Poliamida (PA), luas permukaan membran 6.4 ft2 (0.59 m2), bentuk lilitan spiral (spiral wound) dengan aliran umpan silang (crossflow fltration) (Gambar 7) dan alat-alat pengujian produk terdiri dari alat gelas dan peralatan pengujian lainnya seperti: refraktometer, neraca, spektrofotometer, pH meter, dan lain-lain. Skema alat RO dapat dilihat pada Gambar 8. Spesifikasi membran RO dapat dilihat pada Tabel 9.
Gambar 6 Rangkaian alat membran mikrofiltrasi
25
Gambar 7 Rangkaian alat membran reverse osmosis
Gambar 8 Skema proses reverse osmosis jus jeruk
26 Tabel 9 Spesifikasi membran RO Spesifikasi Luas permukaan membran (m2) Panjang membran (m) Lebar feed spacer (m) Maksimum tekanan operasi (MPa) Maksimum debit umpan (m3 s-1) Maksimum laju alir ( m s-1)* Maksimum temperatur operasi (oC) pH operasi
*hasil perhitungan berdasarkan luas feed spacer = 0.0011 m2 (perhitungan pada Lampiran 1)
3.2.
Nilai 0.59 0.26289 0.000508 0.86 0.000125 0.11 45 3.0 -10.0
Metode Penelitian
3.2.1. Persiapan bahan baku Bahan baku yang digunakan adalah jeruk Pontianak (Citrus nobilis L. var microcarpa), spesies Citrus nobilis, genus Citrus, dan famili Rutaceae. Tahapan kerja meliputi persiapan bahan baku meliputi:
Sortasi, pencucian, pengupasan kulit dan ekstraksi jeruk untuk menghasilkan jus jeruk.
Penyaringan jus untuk menghilangkan serat halus menggunakan kain saring. Jus selanjutnya disaring menggunakan saringan stainless stell ukuran 200 mesh.
3.2.2. Mikrofiltrasi Mikrofiltrasi jus jeruk bertujuan untuk menghilangkan rasa pahit yang disebabkan senyawa limonin dan naringin. Jus jeruk hasil persiapan bahan baku diumpankan ke membran mikrofiltrasi dengan kondisi operasi terbaik yang diperoleh Aghitsni (2008) yaitu tekanan transmembran 1.74 Bar dan laju alir 0.08 m s-1. 3.2.3. Reverse Osmosis Penelitian diawali dengan penentuan sifat fisik jus jeruk hasil mikrofiltrasi meliputi: pengukuran viskositas, total padatan terlarut (oBrix), pH, prosentase asam sitrat anhidrat, rasio brix/asam, vitamin C, total gula dan gula pereduksi. Selanjutnya jus jeruk hasil mikrofiltrasi diumpankan untuk proses RO. Penelitian
27 dilakukan dengan dua cara yaitu filtrasi tanpa pemekatan dan filtrasi pemekatan. Filtrasi tanpa pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan permeat untuk mendapatkan kondisi operasi terbaik dan data untuk pemodelan. Filtrasi pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan pemisahan permeat untuk mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi. Filtrasi tanpa pemekatan menggunakan kondisi operasi 4 laju alir umpan (0.01, 0.015, 0.02, dan 0.03 m s-1) dan 3 tekanan transmembran (4, 6 dan 8 bar). Parameter yang dilihat pada proses ini adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir crossflow terhadap fluksi, tingkat rejeksi dan kualitas konsentrat jeruk. Analisis terhadap kualitas permeat dan rententat yang diukur meliputi total gula, gula pereduksi, total padatan terlarut (oBrix) dan total asam (Lampiran 2). Pada tahap awal proses filtrasi, keluaran dari membran didaur-ulang (recycling) sampai diperoleh waktu tunak saat tercapai fluksi yang konstan. Pengambilan contoh dilakukan setelah waktu tunak diperoleh. Diagram alir untuk mencapai waktu tunak dapat dilihat pada Gambar 9. Penelitian filtrasi pemekatan dilakukan dengan menggunakan kondisi operasi terbaik (TMP dan laju alir) yang didapat dari tahapan penelitian sebelumnya. Parameter yang diamati yaitu perubahan fluksi dan konsentrasi total padatan terlarut (oBrix) selama proses pemekatan. Pemekatan dilakukan selama 6 jam untuk mendapatkan perubahan fluksi dan konsentrasi total padatan terlarut terhadap waktu. Selanjutnya tingkat pemekatan yang diperoleh selama pemekatan selama 6 jam dan tingkat pemekatan tertinggi yang dapat diperoleh dihitung berdasarkan data percobaan.
28 Jus jeruk hasil mikrofiltrasi
RO v = 0.01, 0.015, 0.02, 0.03 m s-1 TMP = 4, 6, 8 Bar
Retentat
Filtrat Pengukuran Fluksi Tidak
Fluksi Konstan? Ya Kondisi tunak
Gambar 9 Diagram alir penentuan kondisi tunak 3.2.4. Pemodelan Model yang digunakan dalam penelitian ini adalah model difusi-larutan yang dikembangkan Alvarez et al. (1997) untuk pemekatan jus jeruk dan model tahanan adsorpsi yang digunakan oleh Williams (1989) untuk separasi larutan organik. Model yang dikembangkan mempertimbangkan jus jeruk sebagai larutan multikomponen dan melihat jenis membran yang digunakan. Pemodelan pada akhirnya bertujuan untuk melihat faktor-faktor yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pemekatan jus jeruk dengan RO. Faktor yang berpengaruh dapat berasal dari sifat jus yang dibangun komponen-komponen didalamnya maupun kondisi operasi seperti laju alir atau TMP.
29 3.2.5. Tahap Pengujian Model Pada tahapan ini dilakukan pengujian terhadap model yang telah diperoleh dari tahapan (3.2.2) dengan menggunakan data-data yang diperoleh dari hasil percobaan. Parameter yang diuji adalah fluksi permeat. Fluksi yang diperoleh dari hasil percobaan dibandingkan dengan fluksi yang dihitung berdasarkan model. Diagram alir penelitian secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 10.
Mulai
Jeruk Siam Pontianak
Persiapan bahan baku (pengupasan, ekstraksi dan penyaringan) Mikrofiltrasi jus jeruk (TMP 1.74 Bar, v 0.08 m s-1) RO (TMP 4,6,8 Bar; v 0.01; 0.015; 0.02; 0.03 m s-1) Pemodelan Verifikasi
Model perpindahan massa pemekatan jus jeruk siam
Selesai Gambar 10 Diagram alir penelitian
30
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. PEMISAHAN JUS JERUK DENGAN REVERSE OSMOSIS 4.1.1. Karakteristik Fisik-kimia Umpan Larutan umpan yang digunakan untuk penelitian pemekatan jus dari hasil pemisahan mikrofiltrasi (MF) memiliki kandungan dan karakteristik sebagai berikut (Tabel 10): Tabel 10 Karakteristik fisik-kimia jus jeruk umpan Karakteristik pH Total padatan (oBrix) Total gula (%) Total asam (% w/w) Vitamin C (mg asam askorbat/100 g) Viskositas (cP) (100-200 rpm) Berat jenis (g ml-1)
Nilai 4.85 7.8 7.6 – 8.5 0.36 15.74 12.8 - 17.8 1.03
Salah satu karakteristik larutan umpan yang mempengaruh proses filtrasi dan juga penting dalam analisis pemodelan adalah viskositas. Viskositas jus jeruk yang diukur pada rentang laju putaran 100 – 200 rpm menunjukkan peningkatan nilai dari 12.8 cP hingga 17.8 cP. Hal ini menunjukkan viskositas larutan umpan meningkat dengan peningkatan laju geser. Hubungan laju geser dengan viskositas jus jeruk dapat dilihat pada Gambar 11. 19 18 17 16 Viskositas 15 (cP) 14 13 12 11 10 20
25
30
35
40
45
50
Laju geser (detik ‐1)
Gambar 11 Pengaruh laju geser terhadap viskositas umpan (data pada Lampiran 4)
31 Perilaku larutan umpan jus jeruk menunjukkan jus jeruk umpan termasuk ke dalam fluida non-newtonian dan bersifat dilatan (shear thickening). Menurut Rao (1995) viskositas fluida non-Newtonian dipengaruhi oleh laju geser dan sifat dilatan ditentukan oleh peningkatan laju geser yang meningkatkan viskositas. Sifat dilatan juga dapat dilihat dari perhitungan nilai indeks perilaku aliran (n) (Lampiran 4). Hasil perhitungan menghasilkan nilai n sebesar 1.47 yang menunjukkan fluida bersifat dilatan. Nilai n < 1 menunjukkan fluida bersifat pseudoplastis, sedangkan nilai n > 1 menunjukkan fluida bersifat dilatan (Perry & Green 1999). 4.1.2. Fluksi Air, Permeabilitas dan Tahanan Membran Fluksi air diukur untuk melihat kinerja membran sebelum dan setelah membran digunakan. Permeabilitas membran dihitung dengan mengukur fluksi air pada laju alir tetap dan beberapa tekanan. Pengukuran fluksi pada beberapa waktu dapat dilihat pada Gambar 12. Pengukuran fluksi air pada laju alir dan perbedaan tekanan tetap menghasilkan fluksi yang stabil pada kisaran waktu yang diuji. Hal ini menunjukkan performa membran terutama kinerja pompa stabil. Fluksi air pada laju alir 0.04 m s-1 dan tekanan transmembran (transmembran pressure – TMP) 0.34 Bar relatif konstan dengan nilai rata-rata 11.37 L m-2 jam-1. 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 Fluksi ‐2 ‐1 (L m jam ) 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0
5
10
15
20
25
30
35
Waktu (menit)
Gambar 12 Fluksi air selama filtrasi pada TMP 0.34 Bar dan laju alir 0.04 m s-1 (data pada Lampiran 5a)
32 Permeabilitas membran dihitung dari nilai fluksi air pada beberapa TMP. Nilai permeabilitas merupakan kemiringan (slope) garis persamaan hubungan TMP dengan fluksi air. Grafik hubungan TMP dengan fluksi air dan garis persamaannya dapat dilihat pada Gambar 13. 45.00 y = 5.176x + 1.286 R² = 0.998
40.00 35.00 30.00 25.00 Fluksi ‐2 ‐1 (L m jam ) 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0
2
4
6
8
10
TMP (Bar)
Gambar 13 Grafik hubungan TMP dengan fluksi air pada laju alir 0.01 m s-1 (data pada Lampiran 5b) Kemiringan garis dari persamaan pada Gambar 13 menunjukkan nilai permeabilitas membran yaitu sebesar 5.18 L m-2 jam-1 Bar-1 atau 1.44 x 10-6 m s-1 Bar-1. Nilai R2 sebesar 0.998 menunjukkan tingkat akurasi persamaan yang sesuai dan mampu mewakili titik-titik hubungan antara TMP dan fluksi sebesar 99.8%. Nilai permeabilitas membran menunjukkan kemampuan membran dalam melewatkan pelarut murni. Menurut Wenten (1999) permeabilitas membran atau disebut permeabilitas air atau permeabilitas hidrodinamik dinyatakan sebagai Lp. Nilai ini merupakan fluksi perpindahan pelarut pada keadaan dimana tidak terdapat tekanan osmotik dan aliran terjadi karena adanya beda tekanan. Nilai Lp bernilai 500 L m-2 jam-1 untuk mikrofiltasi, 50-500 L m-2 jam-1 untuk membran ultrafiltrasi dan <50 L m-2 jam-1 untuk RO (Wenten 1999). Nilai permeabilitias membran yang digunakan dalam penelitian ini lebih tinggi dibandingkan nilai permeabilitas membran yang digunakan Jesus et al. (2007) sebesar 3 L m-2 jam-1 bar-1. Hal ini disebabkan spesifikasi modul RO pada
33 penelitian ini dapat menahan garam NaCl sebesar 93%, sedangkan modul RO yang digunakan Jesus et al. (2007) mampu menahan garam sebesar 95 %. Kurva hubungan fluksi air dengan TMP berbentuk linear sama dengan pola yang diperoleh oleh Jesus et al. (2007) yang mengukur fluksi air pada kisaran TMP 20 – 40 Bar. Hubungan linear fluksi air – TMP juga diperoleh Alvarez et al. (2002) pada membran RO skala laboratorium dengan maksimum TMP yang diterapkan 42 Bar, tetapi ketika menggunakan membran RO skala pilot dengan maksimum TMP mencapai 72 bar, hubungan fluksi air – TMP berpola eksponensial. Hal ini terjadi karena adanya kompaktasi membran yang dirumuskan oleh Sourirajan dan Matsuura (1985) melalui korelasi eksponensial fluksi air dan TMP. Kompaktasi membran tidak atau belum terjadi pada membran RO dengan TMP yang relatif rendah (Alvarez et al. 2002). Nilai tahanan membran merupakan kebalikan dari nilai permeabilitas membran dan dilambangkan sebagai Rm, dimana Rm = 1/Lp. Nilai tahanan membran RO yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 6.94 x 105 Bar s m-1 atau sebesar 0.19 Bar m2 jam L-1. 4.1.3. Waktu Tunak Larutan Jus Penentuan waktu tunak larutan jus dilakukan dengan mengukur fluksi jus dalam beberapa waktu pada laju alir dan TMP tetap (v = 0.03, TMP = 8 Bar). Fluksi yang diperoleh dengan resirkulasi permeat dan retentat relatif stabil selama 20 menit pengukuran (Gambar 14). Fluksi sedikit meningkat pada menit ke-2 dari fluksi awal dan stabil hingga menit ke-4, kemudian menurun pada menit ke-5 hingga akhirnya relatif stabil pada menit ke-14 hingga menit ke-20. Secara umum fluktuasi fluksi tidak terlihat perbedaan yang nyata karena hanya berkisar sebesar ±0.04 L m-2 jam-1. Berdasarkan nilai fluksi ini proses filtrasi dapat dikatakan mencapai kondisi tunak (steady state) mulai menit ke-14, tetapi rejeksi membran terhadap komponen jus belum diketahui konstan pada waktu fluksi konstan didapat.
34 3.00 2.50 2.00 Fluksi 1.50 (L m‐2 jam‐1) 1.00 0.50 0.00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Waktu (menit)
Gambar 14 Fluksi jus selama proses filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 (data pada Lampiran 6) Penentuan waktu tunak selanjutnya dilihat dari konsentrasi total padatan terlarut (TPT - oBrix) pada permeat dan rejeksi TPT. Pemekatan jus jeruk dengan RO diharapkan semua padatan dapat tertahan dan sebagian besar kandungan air keluar di permeat. Konsentrasi TPT pada permeat tetap sama dari awal filtrasi (Gambar 15). Rejeksi TPT selama 20 menit waktu filtrasi dengan resirkulasi permeat dan retentat juga tetap konstan dari menit pertama (Gambar 16). 9 8 7 6 TPT
5
Umpan
(oBrix)
4
Permeat
3 2 1 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Waktu (menit)
Gambar 15 Konsentrasi TPT umpan dan permeat pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 (data pada Lampiran 7)
35
80.00 70.00 60.00 50.00 Rejeksi TPT 40.00 (%) 30.00 20.00 10.00 0.00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Waktu (menit)
Gambar 16 Rejeksi TPT selama beberapa waktu filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 (data pada Lampiran 7) Hal yang menarik adalah konsentrasi TPT pada umpan yang meningkat di menit ke-4 kemudian setelah itu stabil pada menit ke-6 dan seterusnya (Gambar 14). Hal ini dapat terjadi karena sebagian air terpisah digunakan untuk membasahi dinding membran kemudian secara difusi air melewati dinding membran. Peningkatan konsentrasi TPT pada umpan relatif kecil yaitu 0.2 oBrix, hal ini disebabkan kemungkinan adanya proses adsorpsi solut oleh dinding membran yang mengurangi kandungan TPT umpan. Berdasarkan nilai fluksi dan rejeksi TPT membran RO maka kondisi tunak diperkirakan setelah proses berjalan 14 menit dimana fluksi dan rejeksi stabil. Untuk itu, waktu tunak yang digunakan untuk pengambilan sampel pada penelitian selanjutnya setelah 15 menit. 4.1.4. Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Fluksi Pada TMP sebesar 4,6 dan 8 Bar dan variasi laju alir 0.01, 0.015, 0.02 dan 0.03 m s-1 menunjukkan peningkatan fluksi seiring dengan peningkatan TMP dan tidak diperoleh fluksi yang independent terhadap TMP (Gambar 17). Hal ini kemungkinan disebabkan penggunaan TMP yang relatif rendah pada penelitian ini.
36
0.80 0.70 v = 0,01 m/dtk 0.01 m s‐1 v = 0,015 m/dtk 0.015 m s‐1
0.60 0.50
v = 0,02 m/dtk 0.02 m s‐1 v = 0.03 m/dtk 0.03 m s‐1
Fluksi 0.40 (L m‐2 jam‐1) 0.30 0.20 0.10 0.00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
TMP (bar)
Gambar 17 Pengaruh TMP terhadap fluksi pada beberapa laju alir (data pada Lampiran 8) Pengaruh laju alir pada dilakukan pada 4 variasi laju alir dalam selang 0.01 – 0.03 m s-1 dan kombinasi TMP 4, 6 dan 8 Bar. Peningkatan laju alir pada setiap TMP akan meningkatkan fluksi (Gambar 18). Penggunaan TMP yang tinggi akan menaikkan nilai fluksi terhadap laju alir yang semakin besar. Tinjauan pengaruh laju alir terhadap kinerja filtrasi jus buah-buahan dengan RO belum banyak dipublikasikan. Alvarez et al. (1997) menggunakan filtrasi RO untuk pemekatan jus apel mendapatkan pola peningkatan fluksi terhadap laju alir dengan pola yang sama. 0.80 0.70 ∆P = 4 ∆P = 6 ∆P = 8
0.60 0.50 Fluksi 0.40 (L m‐2 jam‐1) 0.30 0.20 0.10 0.00 0
0.01
0.02
0.03
0.04
Laju alir (m s‐1)
Gambar 18 Pengaruh laju alir terhadap fluksi pada variasi TMP (data pada Lampiran 8a)
37 Pengaruh kondisi operasi (TMP dan laju alir) diuji secara statistik dengan analisis varians (ANOVA) untuk melihat signifikasi antar perlakuan. Hasil analisis menghasilkan nilai probabilitas (Pr) kondisi operasi TMP, laju alir dan interaksi antara TMP dan laju alir lebih kecil dari 0.05 dengan nilai Pr berturutturut yaitu <0.0001, <0.0001 dan 0.0025 (Lampiran 8b). Hal ini menunjukkan pengaruh TMP, laju alir dan interaksinya berbeda nyata pada taraf nyata α = 0.05 atau selang kepercayaan 95%. Uji lanjut dengan uji Duncan menunjukkan TMP 4, 6 dan 8 Bar berbeda satu sama lain ditunjukkan dengan huruf yang berbeda, begitu juga laju alir menunjukkan perbedaan nilai fluksi antara laju alir 0.01, 0.015 dan 0.02 m s-1. Nilai fluksi tidak berbeda untuk laju alir 0.02 dan 0.03 m s-1 ditunjukkan oleh huruf yang sama pada kedua laju alir. Standar deviasi masingmasing perlakuan menunjukkan nilai yang sangat kecil yaitu antara 0.001 – 0.026. Berdasarkan analisis statistik diperoleh parameter operasi (TMP dan laju alir) serta interaksinya berpengaruh terhadap fluksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi yang diperoleh semakin besar. Kondisi operasi terbaik terbaik yang menghasilkan fluksi tertinggi adalah TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 dengan nilai fluksi sebesar 0.73 L m-2 jam-1. 4.1.5. Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Rejeksi Pengaruh TMP terhadap rejeksi total gula (Gambar 19) menunjukkan kenaikan rejeksi total gula dengan peningkatan TMP. Peningkatan rejeksi gula dengan meningkatnya TMP terjadi karena perpindahan pelarut dalam hal ini air meningkat dengan peningkatan TMP. Peningkatan TMP lebih mempengaruhi perpindahan pelarut dibandingkan dengan perpindahan solut. Menurut Alvarez et al. (2002) peningkatan kondisi operasi TMP akan meningkatkan rasio fluksi pelarut dan solut (NB/NA). Rejeksi gula tertinggi sebesar 76.26 % diperoleh pada TMP 8 Bar dengan laju alir 0.03 m s-1, sedangkan rejeksi terendah dengan nilai 32.29 % didapat dari penerapan TMP 4 Bar pada laju alir 0.01 m s-1. Peningkatan perpindahan massa pelarut dibandingkan solut menyebabkan kandungan air lebih besar atau penurunan kandungan solut (dalam hal ini gula) pada sisi permeat. Hal ini dapat dilihat dari penurunan konsentrasi total gula pada permeat dengan peningkatan TMP (Gambar 20).
38 90.00 80.00 70.00 60.00 Rejeksi 50.00 (%) 40.00
v = 0.01 m s‐1 v = 0.01 m/s v = 0.015 m s‐1 v = 0.015 m/s v = 0.02 m s‐1 v = 0.02 m/s v = 0.03 m s‐1 v = 0.03 m/s
30.00 20.00 10.00 0.00 0
2
4
6
8
10
TMP (Bar)
Gambar 19 Pengaruh TMP terhadap rejeksi total gula pada variasi laju alir (data pada Lampiran 9a) 60.00
v = 0.01 m s‐1 v = 0.01 m/dtk v = 0.015 m s‐1 v = 0.015 m/dtk v = 0.02 m s‐1 v = 0.02 m/dtk
50.00
v = 0.03 m s‐1 v = 0.03 m/dtk
40.00 Total gula 30.00 (g L‐1) 20.00 10.00 0.00 0
2
4
6
8
10
TMP (bar)
Gambar 20 Pengaruh TMP terhadap konsentrasi total gula permeat (data pada Lampiran 9b) Penurunan konsentrasi total gula pada permeat dengan peningkatan TMP juga seiring dengan penurunan TPT pada permeat. TPT permeat hasil filtrasi RO berkisar antara 1.9 hingga 3.6 oBrix. Penurunan TPT pada filtrasi jus jeruk dengan RO juga didapat oleh Silva et al. (1998) dan Jesus et al. (2007). Pada TMP 20 – 60 Bar dan dengan bahan membran polisulfon (PS) diperoleh TPT sebesar 0.3 –
39 3.3 oBrix (Silva et al. 1998), sedangkan dengan membran berbahan PP/PS diperoleh TPT sebesar 0.28 – 1.37 oBrix (Jesus et al. 2007). Pengaruh laju alir pada filtrasi jus jeruk selanjutnya dilihat terhadap rejeksi total gula sebagai komponen utama yang diharapkan terpisah dari air melalui filtrasi RO. Rejeksi total gula meningkat dengan peningkatan laju alir pada variasi TMP (Gambar 21). 90.00 80.00 70.00 60.00 Rejeksi 50.00 (%) 40.00 30.00 TMP = 4 Bar TMP = 6 Bar TMP = 8 Bar
20.00 10.00 0.00 0
0.005
0.01
0.015
0.02
Laju alir (L m‐2
0.025
0.03
0.035
jam‐1)
Gambar 21 Pengaruh laju alir terhadap rejeksi total gula pada beberapa TMP (data pada Lampiran 9a) Berdasarkan nilai fluksi dan rejeksi maka didapatkan kondisi operasi TMP dan laju alir yang terbaik untuk pemekatan jus jeruk dengan menggunakan rangkaian RO dalam penelitian ini adalah TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 yang menghasilkan nilai fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu sebesar 0.73 L m-2 jam-1 dan 76.26 %. Parameter operasi (TMP dan laju alir) berpengaruh terhadap fluksi dan rejeksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi dan rejeksi yang diperoleh semakin besar. 4.1.6. Tingkat Pemekatan Jus Jeruk Tingkat pemekatan jus diukur pada proses secara sirkulasi selama 6 jam dengan resirkulasi retentat dan pengambilan permeat. Kondisi operasi yang digunakan adalah kondisi operasi terbaik pada tahapan penelitian sebelumnya
40 (filtrasi tanpa pemekatan) yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu pada laju alir 0.03 m s-1 dan TMP 8 Bar. Konsentrasi umpan awal jus jeruk yang digunakan sebesar 6.7 oBrix. 1.40 1.20 1.00 0.80 Fluksi (L m‐2 jam‐1) 0.60
y = ‐0.25ln(x) + 1.64 R² = 0.99
0.40 0.20 0.00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Waktu (menit)
Gambar 22 Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pengambilan permeat pada TMP 8 Bar, laju alir 0.03 m s-1 dan konsentrasi umpan 6.7 oBrix (data pada Lampiran 11) Fluksi menunjukkan penurunan selama proses filtrasi dengan pola parabola. Penurunan fluksi mulai tidak signifikan pada menit 300 atau setelah pemekatan berlangsung selama 5 jam. Hal ini menunjukkan proses pemekatan sudah tidak efektif. Proses pemekatan berhenti ketika tidak ada lagi air yang dapat dipisahkan atau ketika nilai fluksi sama dengan nol. Waktu hingga terhentinya filtrasi diprediksi dari persamaan hubungan fluksi terhadap waktu (Gambar 22).. Persamaan garis menunjukkan hubungan logaritma fluksi terhadap waktu dengan R2 yang cukup baik yaitu sebesar 99%. Nilai fluksi berdasarkan persamaan akan bernilai nol setelah waktu pemekatan berlangsung selama 706 menit atau 11.77 jam (perhitungan pada Lampiran 11). Penurunan fluksi pada pemekatan jus jeruk dipengaruhi oleh peningkatan konsentrasi pada umpan (Gambar 23). Peningkatan konsentrasi pada sisi umpan menyebabkan peningkatan tekanan osmosis yang berpengaruh terhadap penurunan fluksi. Pengaruh peningkatan konsentrasi umpan terhadap fluksi dapat dilihat pada Gambar 24.
41 14 y = 0.013x + 6.945 R² = 0.983
12 10 Konsentrasi (oBrix)
Umpan Permeat Linear (Umpan)
8 6 4 2 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Waktu (menit)
Gambar 23 Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat (data pada Lampiran 12) 1.20 1.00 0.80 Fluksi 0.60 (L m‐2 jam‐1) 0.40 0.20 0.00 6
7
8
9
10
11
12
Konsentrasi (oBrix)
Gambar 24 Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat (data pada Lampiran 13) Konsentrasi konsentrat jus yang didapat setelah 6 jam pemekatan sebesar o
11.8 Brix dari konsentrasi umpan awal sebesar 6.7 oBrix atau tingkat pemekatan sebesar 76.12 %. Tingkat pemekatan untuk waktu yang lebih lama dapat diprediksi dengan persamaan garis pada Gambar 23. Konsentrasi konsentrat yang didapat ketika fluksi mendekati nilai nol atau setelah pemekatan berlangsung 11.77 jam berdasarkan persamaan pada Gambar 23 yaitu sebesar 16.1 oBrix atau tingkat pemekatan sebesar 141 % (perhitungan pada Lampiran 12). Tingkat pemekatan ini cukup baik untuk pemekatan dengan TMP relatif rendah jika
42 dibandingkan dengan tingkat pemekatan RO umumnya yang menggunakan tekanan diatas 20 Bar sebesar 63 – 340 % (Jesus et al 2007; Silva et al. 1998; Alvarez et al 1997). Penggunaan membran RO dengan tekanan rendah dalam penelitian ini dapat dipertimbangkan sebagai proses pra pemekatan jus jeruk dari rangkaian pemekatan jus jeruk menggunakan RO. Aplikasi ini juga dapat digunakan dalam memproduksi minuman jus jeruk alami tanpa penambahan gula (natural citrus juice with no added sugar). 4.2. PEMODELAN REVERSE OSMOSIS JUS JERUK Model umum yang digunakan pada penelitian yaitu model Solution Diffusion – teori film dan (persamaan 6) dan Model SD – tahanan adsorbsi (persamaan 13) berturut-turut sebagai berikut: Jv = Lp(ΔP-Δπ) Jv = (ΔP-Δπ)/(Rm + Rads) Koefisien permeabilitas (Lp) dan tahanan internal membran (Rm) telah dihitung dan dibahas pada bab sebelumnya. Perbedaan tekanan osmosis didapat melalui perhitungan menggunakan model Gibbs yang dimodifikasi Alvarez et al. (1997). Tahanan adsorpsi (Rads) dihitung melalui pengukuran tahanan membran setelah membran digunakan untuk filtrasi jus jeruk dikurangi tahanan internal membran mengikuti cara Rai et al. (2006) dalam menghitung tahanan seri ultrafiltasi jus jeruk mosambi (Citrus sinensis (L.) Osbeck). 4.2.1. Perhitungan Tekanan osmotik Tekanan osmotik merupakan salah satu parameter yang penting dalam proses filtrasi dengan RO dan membedakan proses RO dengan filtrasi membran yang digerakkan berdasarkan TMP pada umumnya. Tekanan osmotik diberikan oleh komponen terlarut sebagai gaya tolak pembalikan proses osmosis pada membran semipermeabel terhadap air. Menurut Cheryan (1998) dan Gostoli et al. (1995) diacu dalam Jesus et al. (2007) tekanan osmotik sangat dipengaruhi oleh kosentrasi jus umpan, semakin tinggi konsentrasi umpan maka tekanan osmosis dalam proses RO semakin besar.
43 Tekanan osmotik dalam penelitian diukur sebagai perbedaan tekanan osmosis pada permukaan membran di sisi umpan dan tekanan osmosis pada sisi permeat (Persamaan 7). ∆ Tekanan osmosis baik pada permukaan membran di sisi umpan maupun pada sisi permeat mengikuti persamaan (5) sebagai berikut (Alvarez et al. 2002): ,
,
ln
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
Tekanan osmotik pada jus jeruk ditentukan oleh komponen mayor dengan konsentrasi yang tinggi dalam jus jeruk yaitu komponen gula dan asam organik. Asam organik yang terdapat pada jus jeruk adalah asam sitrat sehingga komponen asam malat pada persamaan (5) sebagai komponen asam organik yang berkontribusi terhadap tekanan osmotik jus apel diganti dengan asam sitrat untuk mendapatkan tekanan osmotik jus jeruk. Tekanan osmotik pada penelitian dihitung dengan persamaan (5) selanjutnya ditulis sebagai: ,
,
ln
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
(21)
dimana Cc dan Mc adalah konsentrasi asam sitrat dan berat molekul asam sitrat. Konsentrasi glukosa ditetapkan berdasarkan asumsi prosentase glukosa dalam jus jeruk (ACT 2008) sebesar 52% dari total gula pereduksi. Kosentrasi sukrosa, glukosa dan asam sitrat pada permukaan membran diukur dengan persamaan (12), tetapi pada penelitian ini nilai Cp masih cukup besar dan tidak dapat diabaikan (rejeksi NaCl 93%), sehingga persamaan (12) ditulis kembali sebagai: ‐
exp ⁄
(22)
Nilai koefisien transfer massa komponen ke-i (ki) pada model difusi larutan yang dikembangkan Alvarez et al. (2002) diprediksi dari persamaan (14) yang merupakan hubungan bilangan tak berdimensi untuk modul spiral wound. Sifat larutan umpan yang termasuk ke dalam fluida non-Newtonian dan bersifat dilatan
44 menunjukkan persamaan bilangan Reynold (Re) dan Schmidt (Sc) mengikuti persamaan (15) dan persamaan (16) untuk fluida non-Newtonian dengan aliran laminar (Cheryan 1998). Penurunan persamaan (14) dengan memasukkan nilai Re dan Sc dari persamaan (15) dan (16) (Lampiran 14) menghasilkan nilai ki sebagai berikut: 0.238
. .
. .
. .
. .
(23)
Nilai K dan n diperoleh dari plot garis persamaan hubungan ln laju geser dengan viskositas (Lampiran 4). Nilai K dan n yang didapat dari perhitungan yaitu masing-masing bernilai 0.003 dan 1.47. Nilai ki dari persamaan (23) berlaku untuk modul RO berbentuk spiral wound dengan bilangan Reynold (Re) 100-1000. Bilangan Reynold yang dihitung mengikuti persamaan (22) menghasilkan nilai 138.51 – 232.13 untuk laju alir 0.01 m s-1 hingga 0.03 ms-1 (Lampiran 15). Hal ini menunjukkan nilai ki yang didapat dari persamaan (21) dapat digunakan untuk larutan umpan dan modul membran yang digunakan dalam penelitian karena bilangan Reynold yang sesuai (diantara 100 – 1000). Diameter hidraulik ekivalen pada modul spiral wound yang digunakan merupakan nilai yang tidak diketahui dan dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut: Laju alir untuk modul hollow fiber/turbular (Cheryan 1998): (24) 4 dimana: Q = debit (m3 s-1) n = jumlah fiber/tube Laju alir untuk modul spiral wound (Cheryan 1998): (25) dimana: a = lebar membran b = lebar feed spacer
45 Persamaan (24) dan (25) digabungkan menghasilkan persamaan (26) untuk nilai diameter hidaraulik ekivalen untuk modul spiral wound sebagai berikut: 2
.
(26)
Koefisien difusivitas komponen i pada lapisan batas (Di) dihitung dengan persamaan (17) dimana nilai Doi untuk glukosa dan sukrosa didapat dari literatur sebesar masing-masing 6.9 x 10-10 m2 s-1 dan 5.24 x 10-10 m2 s-1 (Weast & Astle 1981 diacu dalam Alvarez et al. 2002). Persamaan (17) juga digunakan untuk menghitung nilai Di asam sitrat dengan nilai Doi mengikuti persamaan (18) (Lampiran 16). Viskositas pelarut umpan yang merupakan fluida non-Newtonian dan bersifat dilatan dihitung dengan persamaan (27) berikut dimana viskositas dihitung berdasarkan nilai n dan K (Cheryan 1998) (perhitungan pada Lampiran 16): (27) Molar volume asam asetat dengan rumus molekul C6H8O7 dihitung berdasarkan molar volume atom dari unsur C, H dan kontribusi volume O pada asam masing-masing sebesar 0.0148, 0.0037 dan 0.012 m3/mol (Choy & Reibel 1999). Nilai Di untuk komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat yang dihitung berdasarkan persamaan (17) dapat dilihat pada Tabel 11 sebagai berikut (contoh perhitungan pada Lampiran 17): Tabel 11 Nilai Di komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk Komponen Glukosa (m2 s-1) Sukrosa (m2 s-1) Asam sitrat (m2 s-1)
TMP (Bar) 4 6 8 4 6 8 4 6 8
0.01 6.33 x 10-10 6.36 x 10-10 6.27 x 10-10 4.81 x 10-10 4.83 x 10-10 4.77 x 10-10 8.84 x 10-11 8.88 x 10-11 8.77 x 10-11
v (m s-1) 0.015 0.02 -10 6.28 x 10 6.34 x 10-10 -10 6.27 x 10 6.34 x 10-10 6.27 x 10-10 6.32 x 10-10 4.77 x 10-10 4.81 x 10-10 4.77 x 10-10 4.81 x 10-10 4.76 x 10-10 4.80 x 10-10 7.24 x 10-11 6.39 x 10-11 7.25 x 10-11 6.39 x 10-11 7.23 x 10-11 6.37 x 10-11
0.03 6.29 x 10-10 6.31 x 10-10 6.29 x 10-10 4.77 x 10-10 4.79 x 10-10 4.77 x 10-10 5.24 x 10-11 5.26 x 10-11 5.24 x 10-11
46 Setelah koefisien difusivitas diperoleh, selanjutnya nilai ini dimasukkan ke dalam persamaan (21) untuk mendapatkan nilai koefisien perpindahan massa (ki). Nilai ki untuk masing-masing komponen diperoleh untuk beberapa laju alir dapat dilihat pada Tabel 12 sebagai berikut (contoh perhitungan pada Lampiran 18): Tabel 12 Nilai ki komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat Komponen Glukosa (m s-1) Sukrosa (m s-1) Asam sitrat (m s-1)
TMP (Bar) 4 6 8 4 6 8 4 6 8
0.01 1.71 x 10-6 1.73 x 10-6 1.69 x 10-6 1.39 x 10-6 1.40 x 10-6 1.37 x 10-6 1.43 x 10-6 1.45 x 10-6 1.39 x 10-6
v (m s-1) 0.015 0.02 -6 2.40 x 10 3.14 x 10-6 2.41 x 10-6 3.14 x 10-6 2.39 x 10-6 3.13 x 10-6 1.95 x 10-6 2.56 x 10-6 1.96 x 10-6 2.56 x 10-6 1.95 x 10-6 2.54 x 10-6 1.97 x 10-6 2.62 x 10-6 1.98 x 10-6 2.62 x 10-6 1.96 x 10-6 2.60 x 10-6
0.03 4.41 x 10-6 4.45 x 10-6 4.41 x 10-6 3.59 x 10-6 3.62 x 10-6 3.59 x 10-6 3.63 x 10-6 3.68 x 10-6 3.63 x 10-6
Nilai ki selanjutnya dimasukkan ke dalam persamaan (20) untuk mendapatkan konsentrasi masing-masing komponen pada permukaan membran (Lampiran 19). Konsentrasi masing-masing komponen pada permukaan membran selanjutnya digunakan untuk menghitung tekanan osmosis pada sisi umpan. Tekanan osmotik pada sisi umpan dan permeat dapat dilihat pada Tabel 13. Perbedaan tekanan osmosis dihitung melalui persamaan (7) dapat dilihat pada Tabel 14 (contoh perhitungan pada Lampiran 20). Tabel 13 Tekanan osmosis pada sisi umpan dan permeat pada variasi laju alir dan TMP Umpan (g/l) Permeat (g/l) v (m.dt-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 0.01 0.015 0.02 0.03 4 6.00 6.00 6.53 6.84 3.78 3.37 3.66 3.77 TMP 6 5.84 6.23 5.77 7.04 2.92 2.86 1.82 2.59 8 6.74 6.74 6.35 7.72 1.79 1.68 1.28 1.56 Tabel 14 Perbedaan tekanan osmosis pada variasi laju alir dan TMP v (m.dt-1) TMP
4 6 8
0.01 2.22 2.93 4.94
0.015 2.64 3.37 5.06
0.02 2.87 3.95 5.07
0.03 3.07 4.45 6.16
47 Tekanan osmotik pada sisi umpan berdasarkan Tabel 15 berkisar antara 5.77 – 7.72 Bar. Secara teori perpindahan massa pada filtrasi RO tidak akan terjadi jika TMP yang diberikan lebih kecil dari tekanan osmotik pelarut, dalam hal pada kondisi operasi TMP 4 dan 6 Bar. Pada penelitian ini perpindahan massa dengan kondisi operasi TMP 4 dan 6 Bar diperoleh setelah sebelumnya kondisi operasi diatur pada TMP 8 Bar yang telah melewati tekanan osmotik jus, selanjutnya secara perlahan valve pada retentat diatur hingga mencapai kondisi operasi TMP yang diinginkan. Proses perpindahan massa dapat terjadi karena pada sisi permeat telah terdapat larutan jus yang mempercepat proses difusi larutan. Perbedaan tekanan osmosis semakin kecil dengan peningkatan konsentrasi solut pada sisi permeat. Konsentrasi solut pada sisi permeat, dalam hal ini kandungan gula dan asam sitrat sebagai komponen mayor dalam jus dipengaruhi oleh kondisi operasi TMP yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya. 4.2.2. Model Perpindahan Massa a. Model SD – Teori Film Tekanan osmosis yang telah didapat selanjutnya dimasukkan ke dalam persamaan (6) untuk mendapatkan fluksi hasil perhitungan. Fluksi hasil perhitungan dengan model difusi larutan dapat dilhat pada Tabel 15. Perbandingan nilai fluksi hasil percobaaan dengan fluksi hasil perhitungan dapat dilihat pada Gambar 25 dan 26 (data dan contoh perhitungan pada Lampiran 21). Tabel 15 Fluksi hasil perhitungan dengan model SD – teori film v (m s-1) TMP (Bar)
4 6 8
0.01 2.46 x 10-6 4.26 x 10-6 4.18 x 10-6
0.015 1.85 x 10-6 3.62 x 10-6 4.01 x 10-6
0.02 1.51 x 10-6 2.78 x 10-6 3.99 x 10-6
0.03 1.23 x 10-6 2.07 x 10-6 2.43 x 10-6
48 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
7
8
9
8
9
7
8
9
7
8
9
(a) v = 0.01 m s-1 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
7
(b) v = 0.015 m s-1 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
(c) v = 0.02 m s-1 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
(d) v = 0.03 m s-1 Gambar 25 Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – teori film pada variasi laju alir (data pada Lampiran 21)
49 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.025
0.03
0.035
0.03
0.035
Laju alir (m s‐1)
(a) TMP = 4 Bar 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 0.005
0.01
0.015
0.02 Laju alir (m s‐1)
(b) TMP = 6 Bar 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Laju alir (m s‐1)
(c) TMP = 8 Bar Gambar 26 Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – teori film pada variasi TMP (data pada Lampiran 21) Gambar 25 dan 26 menunjukkan perbedaan yang cukup signifikan antara nilai fluksi percobaan dengan nilai fluksi perhitungan. Fluksi hasil percobaan lebih kecil satu orde dibandingkan dengan fluksi perhitungan, tetapi keduanya menunjukkkan pola yang sama. Nilai fluksi percobaan yang lebih kecil dibandingkan nilai prediksi dapat disebabkan faktor lain seperti jenis membran. Model yang digunakan merupakan model yang telah terbukti sesuai pada RO dengan tekanan tinggi (diatas 20 bar), sedangkan membran yang digunakan merupakan jenis membran RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis).
50 b. Model SD – Tahanan Adsorpsi Model SD - tahanan adsorpsi mengikuti persamaan (13) yang digunakan Williams (1989) di dalam Williams (2003) dalam memprediksi pemisahan larutan organik. Williams (1989) di dalam Williams (2003) menggunakan membran RO dengan tekanan rendah untuk proses separasi dan purifikasi cairan limbah. Model ini dikembangkan juga berdasarkan model SD dengan memasukkan nilai tahanan adsorpsi untuk menjelaskan nilai fluksi yang kecil (flux drop) pada proses pemisahan larutan organik. Perhitungan nilai tahanan adsorpsi mengikuti cara Rai et al. (2006) dalam menghitung tahanan seri ultrafiltrasi jus mosambi (Citrus sinensis (L.) Osbeck). Nilai tahanan adsorpsi merupakan nilai tahanan membran setelah filtrasi (R’m) dikurangi nilai tahanan membran internal (Rm) yang diukur dengan menggunakan air murni. Nilai tahanan setelah filtrasi (R’m) didapat dari pengukuran fluksi air murni pada beberapa TMP setelah membran digunakan untuk filtrasi jus dalam selang waktu tertentu. Membran yang telah digunakan untuk filtrasi jus selanjutnya dibilas dengan air beberapa kali melalui sirkulasi tanpa perlakuan TMP untuk membersihkan sisa jus pada permukaan membran. Fluksi air selanjutnya diukur pada beberapa TMP dan dihitung tahanan membran setelah filtrasi (R’m) melalui plot garis TMP vs fluksi air (Gambar 27). Nilai kemiringan garis yang didapat merupakan nilai R’m. Nilai tahanan adsorpsi (Rads) didapat dari persamaan sebagai berikut: Rads = R’m – Rm
(28)
51 5 y = 9.07E+06x ‐ 5.50E‐01 R² = 0.995
4 3
TMP (Bar)
2 1 0 0.00E+00
1.00E‐07
2.00E‐07
3.00E‐07
4.00E‐07
5.00E‐07
6.00E‐07
Fluksi (m s‐1)
Gambar 27 Plot garis tahanan membran setelah filtrasi (R’m) (data pada Lampiran 22) Kemiringan garis pada Gambar 27 menunjukkan nilai R’m sebesar 9.07 x 106 Bar s m-1. Nilai tahanan adsorpsi yang didapat yaitu sebesar 8.38 x 106 Bar s m-1.
Besarnya tahanan adsorpsi menunjukkan adanya interaksi antara
larutan dengan bahan membran yang digunakan, dalam hal ini sebagian solut pada larutan umpan diadsorpsi oleh permukaan membran dan selebihnya melewati dinding membran melalui proses difusi. Tahanan adsorpsi selanjutnya dimasukkan ke persamaan (13) untuk mendapatkan prediksi fluksi (Tabel 16). Perbandingan fluksi percobaan dan fluksi hasil perhitungan pada variasi laju alir dapat dilihat pada Gambar 28 dan pada variasi TMP dapat dilihat pada Gambar 29. Tabel 16 Fluksi hasil perhitungan dengan model SD - tahanan adsorpsi v (m s-1) TMP (Bar)
4 6 8
0.01 1.88 x 10-7 3.26 x 10-7 3.20 x 10-7
0.015 1.42 x 10-7 2.77 x 10-7 3.07 x 10-7
0.02 1.16 x 10-7 2.13 x 10-7 3.05 x 10-7
0.03 9.43 x 10-8 1.58 x 10-7 1.86 x 10-7
52 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6
7
8
9
7
8
9
7
8
9
7
8
9
TMP (Bar)
(a) v = 0.01 m s-1 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi 1.00E‐07 (m s‐1) 1.00E‐08 1.00E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
(b) v = 0.015 m s-1
1.10E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.10E‐07 1.10E‐08 1.10E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
(c) v = 0.02 m s-1
1.10E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.10E‐07 1.10E‐08 1.10E‐09 3
4
5
6 TMP (Bar)
(d) v = 0.03 m s-1 Gambar 28 Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – tahanan adsorpsi pada variasi laju alir
53 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.03
0.035
0.03
0.035
Laju alir (m s‐1)
(a) TMP = 4 Bar 1.00E‐05
Fluksi (m s‐1)
1.00E‐06 1.00E‐07 1.00E‐08 0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Laju alir (m s‐1)
(b) TMP = 6 Bar 1.00E‐05 1.00E‐06 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐07 1.00E‐08 1.00E‐09 0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Laju alir (m s‐1)
(c) TMP = 8 Bar Gambar 29 Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD – tahanan adsorpsi pada variasi TMP Prediksi nilai fluksi pada variasi laju alir (Gambar 28) dengan model SD – tahanan adsorpsi menunjukkan kedekatan nilai yang semakin baik dibandingkan nilai percobaan dengan peningkatan laju alir. Perbandingan kedua model pada laju alir 0.03 m s-1 dapat dilihat pada Gambar 30. Hal ini menunjukkan perpindahan massa dipengaruhi proses adsorpsi pada dinding membran, dimana peningkatan laju alir akan menaikkan fluksi. Semakin besar laju alir, semakin kecil kontak
54 larutan dengan dinding membran sehingga adsorpsi solut oleh dinding membran semakin kecil. 1.00E‐03 Jv SD ‐ TF Jv SD ‐ R ads Jv perc
1.00E‐04 Fluksi (m s‐1)
1.00E‐05 1.00E‐06 1.00E‐07 1.00E‐08 3
4
5
6
7
8
9
TMP (Bar)
Gambar 30 Perbandingan nilai fluksi percobaan dan fluksi perhitungan dengan kedua model (laju alir 0.03 m s-1) Pengaruh TMP pada fluksi yang diprediksi dengan model SD – tahanan adsorpsi (Gambar 28) menunjukkan kedekatan nilai dibanding fluksi percobaan pada TMP yang lebih tinggi (8 Bar). Hal ini menunjukkan adsorpsi pada dinding membran akan semakin meningkat dengan peningkatan TMP. TMP yang tinggi menyebabkan larutan umpan didorong melalui dinding membran lebih kuat sehingga kemungkinan adsorpsi solut pada dinding membran lebih besar. Pola garis antara nilai fluksi perhitungan dan percobaan berdasarkan Gambar 28 dan 29 menunjukkan kemiripan pola pada peningkatan TMP dibandingkan pada peningkatan laju alir. Gambar 28 menunjukkan pola peningkatan fluksi yang sama antara nilai percobaan dan hasil prediksi dengan kenaikan TMP, sedangkan pada Gambar 29 terlihat perbedaan pola antara fluksi hasil percobaan dan perhitungan. Hal ini menunjukkan perpindahan massa lebih dipengaruhi oleh kondisi operasi TMP dibandingkan dengan laju alir. Berdasarkan kedekatan nilai fluksi antara nilai perhitungan dan fluksi percobaan menunjukkan bahwa model SD – tahanan adsorpsi mampu memprediksi fluksi lebih baik dibandingkan model SD – teori film. Nilai fluksi hasil percobaan yang kecil dapat dijelaskan dengan model tahanan adsorpsi. Tahanan adsorpsi memberikan pengaruh yang signifikan terhadap tahanan membran yang pada akhirnya menyebabkan rendahnya nilai fluksi (flux drop)
55 pada pemekatan jus jeruk dengan membran RO yang digunakan. Menurut Goose et al. (2004) tahanan adsorpsi menunjukkan adanya lapisan adsorpsi solut pada permukaan membran yang bersifat reversible yang merupakan penyebab utama penurunan fluksi selama filtrasi membran. 4.2.3. Neraca Massa Proses Pemisahan Jus Jeruk Neraca massa digunakan untuk melihat kesetimbangan massa pada proses pemisahan dengan membran, dimana total massa yang masuk (umpan) harus sama dengan total massa yang keluar (permeat dan retentat). Ketidakseimbangan neraca massa menunjukkan adanya loss (kehilangan) pada pemisahan membran. Nilai kehilangan massa dapat menunjukkan adanya adsorpsi pada dinding membran. Neraca massa total gula dapat per satuan waktu (detik) dapat dilihat pada Tabel 17. Tabel 17 Neraca massa total gula pada pemisahan jus jeruk laju alir (m s-1)
0.01
0.015
0.02
0.03
TMP (Bar) 4 6 8 4 6 8 4 6 8 4 6 8
Masuk Umpan 0.95134 0.90015 0.80868 1.22029 1.22260 1.21795 1.79455 1.52879 1.50380 2.58548 2.60038 2.62708
Massa (g s-1) % Keluar adsorpsi Permeat Retentat adsorpsi total 0.00162 0.94967 0.00005 0.95134 0.01 0.00179 0.89818 0.00018 0.90015 0.02 0.00232 0.80413 0.00222 0.80868 0.28 0.00141 1.21886 0.00003 1.22029 0.002 0.00195 1.22046 0.00019 1.22260 0.02 0.00243 1.21315 0.00237 1.21795 0.19 0.00180 1.79273 0.00002 1.79455 0.001 0.00146 1.52715 0.00018 1.52879 0.01 0.00197 1.50000 0.00184 1.50380 0.12 0.00176 2.58368 0.00003 2.58548 0.001 0.00222 2.59799 0.00017 2.60038 0.01 0.00239 2.62215 0.00254 2.62708 0.10
Tabel 17 menunjukkan nilai ketidakseimbangan antara massa masuk (umpan) dan massa keluar (permeat dan retentat), dimana nilai massa masuk lebih besar dari massa keluar, sehingga terjadi loss (kehilangan) massa pada system yang disebabkan adanya adsorpsi pada dinding membran. Besar adsorpsi dari Tabel 17 menunjukkan peningkatan nilai yang signifikan dengan kenaikan TMP. Pengaruh laju alir tidak signifikan pada TMP rendah, tetapi pada TMP 8 Bar dari
56 Tabel 17 terlihat dengan kenaikan laju alir terjadi penurunan nilai adsorpsi. Hal ini dapat disebabkan pada TMP tinggi, waktu kontak larutan umpan dengan dinding membran semakin singkat dengan meningkatnya laju alir sehingga komponen solut lebih sedikit teradsorpsi pada dinding membran.
57
KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan 1. Kondisi operasi terbaik pemekatan jus jeruk didapat pada tekanan transmembran 8 Bar dan laju alir 0.03 m s-1 yang menghasilkan fluksi sebesar 0.73 L m-2 jam-1 dan rejeksi total gula sebesar dan 76%. 2. Pemekatan dengan membran Reverse Osmosis dari konsentrasi umpan awal 6.7 oBrix menghasilkan konsentrasi optimum sebesar 11.8 oBrix atau tingkat pemekatan sebesar 76 % yang didapat setelah pemekatan berlangsung selama 6 jam. 3. Mekanisme perpindahan massa proses pemekatan jus jeruk dengan Reverse Osmosis dipengaruhi oleh TMP, konsentrasi umpan, laju alir, dan sifat membran yang digunakan yang ditunjukkan oleh kesesuaian nilai fluksi percobaan dengan fluksi prediksi menggunakan model Solution Diffusion tahanan adsorpsi. Kondisi operasi TMP memberikan pengaruh lebih besar dibandingkan laju alir pada perpindahan massa pemekatan jus jeruk dengan Reverse Osmosis. 6.2. Saran 1. Rangkaian membran low pressure reverse osmosis yang digunakan dalam penelitian dapat diaplikasikan sebagai proses awal pemekatan jus jeruk dari tahapan pemekatan jus jeruk dengan mebran reverse osmosis atau untuk produksi jus jeruk alami tanpa penambahan gula (natural citrus juice with no added sugar). 2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan rentang variasi laju alir yang lebih besar (0.01 – 0.1 m s-1) agar diperoleh tingkat pemekatan dan fluksi yang lebih tinggi serta pengaruh kondisi operasi laju alir yang lebih akurat terhadap perpindahan massa. 3. Aplikasi pemekatan jus jeruk dengan menggunakan membran pada penelitian disarankan memilih spesifikasi rejeksi NaCl yang lebih tinggi (diatas 95%) agar mendapatkan tingkat pemekatan yang lebih tinggi dan kehilangan padatan pada permeat dan dinding membran yang lebih kecil.
58
DAFTAR PUSTAKA [ACT] ACT Health Protection Service. 2008 Preservatives, Sugars and Metals in Fruit Juices. [terhubung berkala]. www.health.act.gov.au/c/healthTa= sendfile&ft=p&fid= 1053860420&sid [23 Feb 2008]. Alvarez S, Riera FA, Alvarez R, Coca J, Cuperus FP, Bouwer ST, Boswinkel G, van Gemert RW, Veldsink JW, Giorno L, Donato L, Todisco S, Drioli E, Olsson J, Tragardh G, Gaeta SN, Panyor L. 2000. A new integrated membrane process for producing clarified apple juice and apple juice aroma concentrate. J. Food Eng. 46: 109-125. Alvarez S, Riera FA, Alvarez R, Coca J. 2002. Concentration of apple juice by Reverse Osmosis at laboratory and pilot-plant scales. Ind. Eng. Chem. Res. 41 (24): 6156 -6164. Alvarez V, Alvarez S, Riera FA, Alvarez R. 1997. Permeate flux prediction in apple juice concentration by reverse osmosis. J. Memb. Sci. 127: 25-34. Aghitsni F. 2008. Model perpindahan massa pada mikrofiltrasi untuk penghilangan limonin dan naringin dari jus jeruk siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) [tesis]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Apriyantono A, Fardiaz D, Puspitasari NL, Sedarnawati, Budiyanto S. 1989. Analisis Pangan. PAU Pangan dan Gizi – Institut Pertanian Bogor. Bogor: IPB Press. [BPS] Badan Pusat Statistik. 2008. Horticulture Statistic 2002-2007. [terhubung berkala]. www.bps.go.id. [23 Nov 2008]. [BPS] Badan Pusat Statistik. 2001. Statistik Impor Tahun 2000. Jakarta: BPS. Cassano A, Drioli E, Galaverna G, Marchelli R, Di Silvestro G, Cagnasso P. 2003. Clarification and concentration of citrus and carrot juices by integrated membrane processes. J. Food Eng. 57: 153–163. Cheryan M. 1998. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. Pennsylvania: Technomic Publishing Co.Inc. Choy B dan Reible DD. 1999. Diffusion Models of Environmental Transport. London: CRC Press. Cready RM. 1977. Carbohydrates: composition, distribution, significance. Di dalam: Nagy S, Shaw PE, Veldhuis MK, editor. 1977. Citrus Science and Technology 1. Connecticut: The AVI Publishing Company.
59 Cruess WC. 1958. Commercial Fruit and Vegetable Products. Westport, Connecticut: The AVI Publ. Co. Inc. [Codex] Codex Alimentarius Comission. 1981. Codex Standard for Concentrated Orange Juice Preserved Exclusively by Physical Means Codex Stan 641981 (world-wide standard). [terhubung berkala] www.agribusinessonline. com/regulations/grades/standards_codex/juiceorange.com. [5 Juni 2007]. Dickson JM, Whitacker G, DeLeeuw J, Spencer J. 1994. Dilute single and mixed solute systems in a spiral wound reverse osmosis module. Part II: Experimental data and application of the model. Desalination 99: 1. Direktorat Jenderal Tanaman Pangan Departemen Pertanian. 2005. Prospek dan Arah Pengembangan Agribisnis Jeruk. Jakarta: Deptan. Galaverna G, Silvestro G, Cassano Sforza S, Dossena A, Drioli E, Marchelli R. 2008. A new integrated membrane process for the production of concentrated blood orange juice: Effect on bioactive compounds and antioxidant activity. J. Food Chem. 106: 1021–1030. Gomes ERS, Mendes ES, Pereira NC, Barros STD. 2005. Evaluation of the acerola juice concentrated by reverse osmosis. Brazilian Arc. of Biol. Technol. 48: 175-183. Goosen MFA, Sablani SS, Al-Hinai H, Al-Obeidani S, Al-Belushi R, Jackson D. 2004. Fouling of reverse osmosis and ultrafiltration membranes: A critical review. Sep. Sci. and Technol. 39 (10): 2261-2298. Jacob R, Hasegawa S, Manners G. 2000. The Potential of Citrus Limonoids as Anticancer Agents. Perishables Handling Quarterly Issue 102: 6-8. Jesus DF, Leite MF, Silva LFM, Modesta RD, Matta VM, Cabral LMC. 2007. Orange (Citrus sinensis) juice concentration by reverse osmosis. J. Food Eng. 81: 287–291. Kimura S, Nabetani H, Nakajima M, Watanabe A, dan Nakao S. 1992. Prediction of the flux for the reverse osmosis of a solution containing sucrose and glucose, J. Chem. Eng. Japan 25: 5-11. Matthews. 2005. Frozen Concentrated Orange Juice From Florida Oranges. [terhubung berkala]. http://edis.ifas.ufl.edu/CH095 [25 Juli 2008]. Mulder M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology. London: Kluwer Academic Publishers.
60 Murthy ZVP, Gupta SK. 1997. Estimation of mass transfer coefficient using a combined nonlinear membran transport and film theory model. Desalination 109: 39-49. Park JL. 1996. Osmotic Equation. [terhubung berkala]. http://dbhs.wvusd.k12. ca.us/webdocs/Solutions/Osmosis-Equation.html [26 Juli 2008]. Perry RH, Green DW. 1999. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Kansas: Mc Graw Hill Companies. Rai P, Rai C, Majumdar GC, DasGupta S, De S. 2006. Resistance in series model for ultrafiltration of mosambi (Citrus sinensis (L.) Osbeck) juice in a stirred continuous mode. J. Memb. Sci 10: 116-122. Rao MA. 1995. Rheological Properties of Fluid Foods. Di dalam Rao MA, Rizvi SS, editor. 1995. Engineering Properties of Foods. New York: Marcel Dekker Inc. Rodrigues RB, Menezes HC, Cabral LMC, Dornier M, Rios GM, Reynes M. 2004. Evaluation of reverse osmosis and osmotic evaporation to concentrate camu–camu juice (Myrciaria dubia) J. Food Eng. 63: 97–102. Silva FT, Jardine JG, Matta VM. 1998. Orange juice concentration (Citrus sinensis) by reverse osmosis. Ciênc. Tecnol. Aliment. 18 Jan/Apr: 1. [terhubung berkala] www.scielo.br/scielo.php/3fscript/3dsci_arttext/26pid/ 3ds0101 -20611998000100021 [24 Juni 2007]. Sourirajan S, Malayandi P, Matsumura T. Predictability of membrane performance for mixed solute reverse osmosis systems: System cellulose acetate membrane-D-glucose-D,L malic acid-water. 1982. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 21: 277-282. Suarez E, San Marta E, Alvarez R dan Coca J. 1992. Reverse osmosis of whey: Determination of mass transfer coefficients. J. Memb. Sci., 68: 301-305. Thijssen, H. A. C., 1974. Fundamentals of Concentration Process. London: Applied Science Publishing. [USDA] United States Departement of Agriculture. 1983. United States Standards for Grades of Orange Juice. Washington DC: USDA. Vandercook CE. Organic Acid. Di dalam : Nagy S, Shaw PE, Veldhuis MK, editor. 1977. Citrus Science and Technology 1. Connecticut: The AVI Publishing Company. Wenten IG. 1999. Teknologi Membran Industrial. Bandung: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung.
61 White D, Ditgens B, Laufenberg G. 2002. Concentration of metabolites and other organic salts by batch reverse osmosis. J. Food Eng. 53: 185–192. Wikipedia. 2008. Citric Acid. [terhubung berkala]. www.en.wikipedia.org/wiki/ Citric_acid.mht. [24 Juni 2008]. Wikipedia. 2009a. Fructose. [terhubung berkala]. www.en.wikipedia.org/wiki/ Fructose.mht. [6 Jan 2009]. Wikipedia. 2009b. Glucose. [terhubung berkala]. www.en.wikipedia.org/wiki/ Glucose.mht. [6 Jan 2009]. Wikipedia. 2009c. Sucrose. [terhubung berkala]. www.en.wikipedia.org/wiki/ Sucrose.mht. [6 Jan 2009]. Williams ME. 2003. A Review of Reverse Osmosis Theory. EET Corporation and Williams Engineering Services Company, Inc. Winarno FG. 1992. Kimia Pangan dan Gizi. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama.
62
LAMPIRAN
62 Lampiran 1 Perhitungan luas area umpan dan maksimum laju alir p retentat permeat umpan masuk
a
feed spacer membran b
Gambar Ilustrasi struktur membran berkonfigurasi spiral wound yang digunakan dalam penelitian Nilai yang diketahui: Luas permukaan membran Panjang membran (p) Lebar feed spacer (b) Maksimum debit umpan Nilai yang dicari: Lebar membran (a) Luas area umpan masuk
Maksimum laju alir
m2 m m m3 s-1
= = = =
0.59468 0.26289 0.000508 0.000125
= = = = = =
luas permukaan membran/panjang membran 0.59468 m2/0.26289 m 2.2617 m lebar feed spacer (a) x lebar membran (b) 0.000508 m x 2.2617 m 0.001149 m2
= maksimum debit umpan/luas area umpan masuk = 0.000125 m3 s-1/0.001149 m2 = 0.11 m s-1
63 Lampiran 2 Prosedur analisis 1. Total Gula (Metode Fenol) Total gula dianalisis mengunakan metode fenol (Apriyantono et al. 1989). Pereaksi yang digunakan yaitu Larutan fenol 5% dalam air, H2SO4 95.5% dengan berat jenis 1.84 dan larutan glukosa standar. Peralatan yang digunakan yaitu: spektrofotometer, penangas air (suhu dipertahankan 25oC) dan pipet yang dapat memindahkan 5 ml asam sulfat pekat dengan cepat (10 – 20 detik). 1.1. Pembuatan Kurva Standar 1. Larutan glukosa standar yang dengan konsentrasi 0, 10, 20, 30, 40 dan 60 µg mL-1 dipipet sebanyak 2 ml, kemudian masing-masing dirnasukkan ke dalarn tabung reaksi. 2. Masing-masing tabung ditambahkan 1 ml larutan fenol 5% dan dikocok. 3. Larutan asam sulfat pekat sebanyak 5 ml ditambahkan dengan cepat dengan cara menuangkan secara tegak lurus ke permukaan larutan. 4. Tabung dibiarkan selama 10 menit, dikocok lalu diternpatkan dalam penangas air selama 15 menit. 5. absorban masing-masing tabung diukur pada 490 nm untuk hektosa dan 480 nm untuk pentosa dan asam uronat. 6. Kurva standar dibuat antara konsentrasi dengan nilai adsorbansi. 1.2. Penetapan Sampel Penetapan sampel dilakukan seperti pada pembuatan kurva standar kemudian ditentukan total karbohidrat atau toal gula sampel (dinyatakan sebagai persen glukosa).
64 2. Total Gula Pereduksi (Metode DNS) Total gula pereduksi dianalisis dengan menggunkan metode DNS (Apriyantono et al. 1989). Pereaksi yang digunakan yaitu asam 3,5 dinitrosolisilat (DNS) dan larutan giukosa standar 0.2 – 5.0 mg m L-1. Peralatan yang digunakan yaitu penangas air dan spektrofotometer. 2.1. Pembuatan Pereaksi DNS Asam 3,5-dinitrosalisilat sebanyak 10.6 g dan NaOH sebanyak 19.8 g diarutkan kedalam 1416 ml air. Kemudian ke dalam larutan tersebut ditambahkan 306 g NaK—Tartrat, 7,6 ml fenol (dicairkan pada 50oC) dan 8.3 g Na metabisulfit dan dicampur merata. Pereaksi DNS yang telah dibuat sebanyak 3 ml dtiitrasi dengan HCl 0.1 N dengan indikator fenolftalein. Seharusnya membutuhkan 5 – 6 ml HCI 0.1 N, jika kurang dari itu ditambahkan 2 g NaOH untuk setiap kekurangan 0.1 ml HCl 0.1 N. 2.2. Pembuatan Kurva Standar 1. Larutan glukosa standar sebanyak 1 ml dengan konsentrasi 0,2 – 5 mg mL-1 dimasukkan dalam tabung reaksi. Air digunakan sebagai blanko. 2. Masing-masing tabung ditambahkan 3 ml pereaksi DNS. 3. Tabung reaksi ditempakan dalam air mendidih selama 5 menit, kemudian dibiarkan dingin sampai suhu ruang. 4. Adsorbansi diukur pada panjang gelombang 550 nm. 5. Kurva standar dibuat antara konsentrasi dan nilai adsorbansi yang didapat 2.3. Penetapan Sampel 1. Sampel dincerkan sampel bila diperlukan sampai dapat diukur pada kisaran 20% — 80% T pada panjang gelombang 550 nm 2. Untuk sampel yang sedikit mengandung glukosa ditambahkan 0.1 mg glukosa ke dalam masing-masing sampel. 3. Tiga miiliter pereaksi DNS akan bereaksi dengan iehih kurang 10 mg glukosa. Oleh karena itu sampel harus diencerkan dulu sampai kira-kira mengandung < 5 mg glukosa.
65 3. Vitamin C Kandungan Vitamin C dihitung dengan metode titrasi (Jacobs, 1984). Sebanyak 10 g sampel dilarutkan dengan aquades dalam labu takar 100 ml kemudian disaring. Setelah itu, sebanyak 10 ml larutan sampel ditetesi dengan indikator pati sebanyak 2-3 tetes dan dititrasi dengan menggunakan larutan iod 0,01 N. Titik akhir titrasi ditandai dengan perubahan warna larutan biru. Tiap ml iod equivalen dengan 0,88
mg asam askorbat. Kadar vitamin C dalam
contoh dihitung dengan rumus:
Kadar vitamin C = ml Iod 0,01 N x 0,88 x FP x 100 gr sampel Kadar vitamin C = mg asam askorbat / 100 gram contoh FP = faktor pengenceran 4. Persen (%) Asam Sitrat Anhidrat Persen (%) asam sitrat anhidrat dihitung dengan metode penetapan total asam tertitrasi. Sebanyak 5 g sari buah dimasukkan ke dalam labu takar 100 ml, dan ditepatkan sampai tera dengan menggunakan akuades. Kemudian dipipet 10 ml sampel dari labu takar tersebut dan ditambahkan indikator phenolphtalein 1% sebanyak 2-3 tetes. Kemudian sampel dititrasi dengan larutan NaOH 0.1 N sampai berwarna merah muda. Larutan NaOH distandarisasi dengan larutan oksalat 0.01 N. % asam sitrat anhidrous = ml NaOH x 0.128 5. Total Padatan Terlarut (º Brix) Total padatan terlarut diukur dengan alat Refraktometer. Sampel sari buah di teteskan pada refraktometer dan nilainya dibaca pada skala °Brix yang tertera.
66 Lampiran 3a Kurva standar total gula Konsentrasi (mg L-1) 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20
Absorbansi 0.054 0.555 1.140 1.721 2.310
2.50 2.00 1.50 y = 11.87x ‐ 0.057 R² = 0.999
Absorbansi 1.00 0.50 0.00 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Konsentrasi (mg L‐1)
Lampiran 3b Kurva standar total gula pereduksi Konsentrasi (g L-1) 0.066 0.20 0.30 0.50 0.60
Adsorbansi 0.041 0.345 0.575 1.012 1.329
1.4 1.2 1 0.8 Absorbansi
y = 2.364x ‐ 0.127 R² = 0.996
0.6 0.4 0.2 0 0
0.2
0.4 Konsentrasi (g L‐1)
0.6
0.8
67 Lampiran 4 Viskositas jus jeruk umpan pada berbagai laju geser (Gambar 11) Viskositas Laju (cP) geser (s-1) 22 12.8 24.2 13.5 26.4 14.3 28.6 14.5 30.8 15.1 33 15.5 35.2 16.0 37.4 16.5 39.6 16.9 41.8 17.5 44 17.8
Laju putar (rpm) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Viskositas (kg m-1 s-1) 0.0128 0.0135 0.0143 0.0145 0.0151 0.0155 0.0160 0.0165 0.0169 0.0175 0.0178
Ln laju geser (s-1) 3.09 3.19 3.27 3.35 3.43 3.50 3.56 3.62 3.68 3.73 3.78
Ln viskositas (kg m-1 s-1) -4.36 -4.31 -4.25 -4.23 -4.19 -4.17 -4.14 -4.10 -4.08 -4.05 -4.03
‐3.90 0.00
1.00
2.00
3.00
‐4.00
‐4.10 ln viskositas (kg m s‐1) ‐4.20
y = 0.465x ‐ 5.787 R² = 0.995
‐4.30
‐4.40
ln laju geser (s‐1)
Gambar Hubungan ln laju geser terhadap ln viskositas y = Ax + B A = 0.465 B = -5.787 Nilai indeks konsistensi (K) K = exp (B) K = exp (-5.787) K = 0.003067 ≈ 0.003 Nilai indeks perilaku aliran (n) n = A+1 n = 0.465+1 n = 1.465 ≈ 1.47
4.00
68 Lampiran 5a Fluksi air selama filtrasi (Gambar 12) TMP 0.34 Bar, laju alir 0.04 m s-1 Waktu Volume Menit ke(s) (ml) 0 100 53.91 100 5 53.80 100 10 53.12 100 15 53.16 100 20 52.84 100 25 53.03 100 30 52.87
Debit (ml s-1) 1.8551 1.8589 1.8827 1.8813 1.8925 1.8857 1.8914
Fluksi (L m-2 jam-1) 11.23 11.26 11.40 11.39 11.46 11.42 11.45
Contoh perhitungan fluksi: Fluksi = debit permeat/luas permukaan membran Fluksi pada menit ke-0 1 3600 1.8551 1 1000 0.59468 Fluksi = 11.23 L m-2 jam-1 Contoh perhitungan laju alir (v): Laju alir (v) = debit umpan/luas area umpan masuk Debit umpan = debit permeat + debit retentat Debit retentat (diukur) = 38.6100 ml s-1 Debit umpan = 38.6100 ml s-1 + 1.8551 ml s-1 = 40.4652 m s-1 40.4652
v
1 1000 0.001149
= 0.0352 m s-1
1 1000 ≈ 0.04 m s-1
Lampiran 5b Fluksi air pada beberapa TMP (v= 0.01 m s-1) (Gambar 13) TMP (Bar) 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Fluksi (L m-2jam-1) 0.4475 6.3969 11.467 17.299 22.017 27.273 31.534 36.147 41.756
Fluksi (m s-1) 1.24 x 10-7 1.78 x 10-6 3.19 x 10-6 4.81 x 10-6 6.12 x 10-6 7.58 x 10-6 8.76 x 10-6 1.00 x 10-5 1.16 x 10-5
69 Lampiran 6 Fluksi jus selama filtrasi (Gambar 14) TMP 8 Bar, Laju alir 0.03 m s-1 Menit ke1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Volume (mL) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Waktu (s) 38.01 35.18 35.15 36.32 35.72 37.84 40.22 41.50 40.86 41.18 41.01
Debit (mL s-1) 0.1315 0.1421 0.1422 0.1377 0.1400 0.1321 0.1243 0.1205 0.1224 0.1214 0.1219
Fluks (L m-2 jam-1) 0.80 0.86 0.86 0.83 0.85 0.80 0.75 0.73 0.74 0.74 0.74
70 Lampiran 7 Konsentrasi TPT umpan dan permeat serta rejeksi TPT selama filtrasi (Gambar 15 dan 16) TMP 8 Bar, Laju alir 0.03 m s-1 Menit ke1 2 4 5 7 9 12 14 16 18 20
Konsentrasi (oBrix) Umpan Permeat 7.5 1.9 7.5 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9 7.7 1.9
Rejeksi (%) 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7 74.7
71 Lampiran 8a Fluksi jus pada variasi TMP dan laju alir (Gambar 17 & 18)
4 6 8
Fluksi Ulangan 1 (L m-2 j-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 0.2015 0.1968 0.2355 0.2242 0.3001 0.3384 0.3837 0.4428 0.5763 0.6348 0.6846 0.7375
4 6 8
Fluksi Ulangan 2 (L m-2 j-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 0.2056 0.1967 0.2337 0.2228 0.2767 0.3554 0.3809 0.3867 0.5718 0.6718 0.6984 0.7165
4 6 8
Fluksi rata-rata (L m-2 j-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 0.2036 0.1968 0.2346 0.2235 0.2884 0.3469 0.3823 0.4148 0.5741 0.6533 0.6915 0.7270
Laju alir (m s-1) TMP (Bar)
-1
Laju alir (m s ) TMP (Bar)
Laju alir (m s-1) TMP (Bar)
Fluksi dalam satuan m s-1 dihitung dengan pendekatan konversi satuan volume, dimana 1 L = 10-3 m3 Contoh perhitungan fluksi rata-rata pada laju alir 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar dalam m s-1: 0.2036
10 1
1 3600
Fluksi = 5.65 x 10-8 m s-1 Fluksi dalam satuan m s-1 pada variasi laju alir dan TMP Fluksi (m s-1) Laju alir (m s-1) 0.01 0.015 0.02 -8 -8 5.47 x 10 6.52 x 10-8 4 5.65 x 10 TMP (Bar) 6 8.00 x 10-8 9.63 x 10-8 1.06 x 10-7 8 1.59 x 10-7 1.81 x 10-8 1.92 x 10-7
0.03 6.21 x 10-8 1.15 x 10-7 2.02 x 10-7
72 Lampiran 8b Analisis varians (ANOVA) pengaruh TMP dan laju alir terhadap fluksi dengan program SAS 9.1 Class Level Information Class lajualir TMP
Levels 4 3
Values v1 v2 v3 v4 t1 t2 t3
Number of Observations Read Number of Observations Used
24 24
The ANOVA Procedure Dependent Variable: fluksi Source
DF
Sum of Squares
Mean Square
F Value
Pr > F
Model Error Corrected Total
11 12 23
0.87803635 0.00301716 0.88105351
0.07982149 0.00025143
317.47
<.0001
R-Square 0.996576 Source lajualir TMP lajualir*TMP
DF 3 2 6
Coeff Var 3.854445
Anova SS 0.03490569 0.83282973 0.01030094
Root MSE 0.015857
Mean Square 0.01163523 0.41641486 0.00171682
fluksi Mean 0.411383 F Value 46.28 1656.19 6.83
Pr > F <.0001 <.0001 0.0025
The ANOVA Procedure Duncan's Multiple Range Test for fluksi NOTE: This test controls the Type I comparisonwise error rate, not the experimentwise error rate. Alpha 0.05 Error Degrees of Freedom 12 Error Mean Square 0.000251 Number of Means Critical Range
2 .01995
3 .02088
4 .02144
Means with the same letter are not significantly different. Duncan Grouping
Mean
N
lajualir
A A A
0.455083
6
v4
0.436133
6
v3
B
0.398983
6
v2
C
0.355333
6
v1
73 The ANOVA Procedure Duncan's Multiple Range Test for fluksi NOTE: This test controls the Type I comparisonwise error rate, not the experimentwise error rate.
Alpha 0.05 Error Degrees of Freedom 12 Error Mean Square 0.000251
Number of Means Critical Range
2 .01727
3 .01808
Means with the same letter are not significantly different.
Duncan Grouping
Mean
N
TMP
A
0.661463
8
t3
B
0.358088
8
t2
C
0.214600
8
t1
The ANOVA Procedure
Level of lajualir
Level of TMP
N
v1 v1 v1 v2 v2 v2 v3 v3 v3 v4 v4 v4
t1 t2 t3 t1 t2 t3 t1 t2 t3 t1 t2 t3
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
------------fluksi----------Mean Std Dev 0.20355000 0.28840000 0.57405000 0.19675000 0.34690000 0.65330000 0.23460000 0.38230000 0.69150000 0.22350000 0.41475000 0.72700000
0.00289914 0.01654630 0.00318198 0.00007071 0.01202082 0.02616295 0.00127279 0.00197990 0.00975807 0.00098995 0.03966869 0.01484924
74 Lampiran 9a Rejeksi total gula pada variasi TMP dan laju alir (Gambar 19 & 21) v (m.dt-1)
0.01 32.29 45.30 67.65
4 6 8
TMP (Bar)
Rejeksi (%) 0.015 0.02 40.55 40.14 49.98 64.72 70.17 75.58
0.03 41.30 60.07 76.26
Lampiran 9b Konsentrasi total gula umpan, permeat dan retentat pada variasi TMP dan laju alir (Gambar 20)
4 6 8
Umpan (g L-1) Permeat (g L-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 0.01 0.015 0.02 0.03 71.17 70.40 77.57 81.35 48.19 41.85 46.44 47.75 68.88 70.87 65.71 81.35 37.67 35.45 23.18 32.49 69.89 70.83 65.81 83.88 22.61 21.13 16.07 19.92
4 6 8
Retentat (g L-1) 0.01 0.015 0.02 0.03 71.23 70.45 77.63 81.39 68.98 70.97 65.82 81.45 70.12 71.03 66.00 84.04
v (m s -1) TMP (Bar)
-1
v (m s ) TMP (Bar)
Lampiran 9c Total Padatan Terlarut (TPT) umpan dan permeat pada variasi TMP dan laju alir v (m.dt-1) TMP
4 6 8
0.01 7.1 6.8 7.7
Umpan 0.015 0.02 7.8 7.1 7.7 7.1 7.9 7.3
Permeat 0.03 0.01 0.015 7.7 3.6 4.1 7.4 2.4 3.6 7.7 2.6 2.9
0.02 0.03 3.6 3.5 2.5 2.6 2.0 1.9
75 Lampiran 10a Konsentrasi gula pereduksi umpan dan permeat v (m s-1) TMP
0.01 4 38.75 6 40.19 8 37.86
Umpan (g L-1) 0.015 0.02 0.03 41.03 37.27 50.68 40.10 36.34 50.93 36.21 31.26 52.88
0.01 22.72 21.70 14.68
Permeat (g L-1) 0.015 0.02 23.39 22.34 19.54 14.81 14.42 8.38
0.03 29.27 17.55 10.96
Lampiran 10b Konsentrasi glukosa umpan dan permeat Konsentrasi glukosa dihitung berdasarkan asumsi kandungan glukosa sebesar 52 % dari konsentrasi gula pereduksi (ACT 2008) -1
v (m s ) TMP
0.01 4 20.09 6 20.84 8 19.63
Umpan (g L-1) 0.015 0.02 0.03 21.28 19.32 26.28 20.79 18.84 26.41 18.78 16.21 27.42
0.01 11.78 11.25 7.61
Permeat (g L-1) 0.015 0.02 12.13 11.58 10.13 7.68 7.48 4.34
0.03 15.18 9.10 5.68
Lampiran 10c Konsentrasi sukrosa umpan dan permeat Konsentrasi sukrosa dihitung berdasarkan konsentrasi total gula – konsentrasi gula pereduksi v (m s-1) TMP
0.01 4 32.42 6 28.69 8 32.03
Umpan (g L-1) 0.015 0.02 0.03 29.36 40.31 30.67 30.77 29.38 30.42 34.62 34.55 31.00
0.01 25.47 15.97 7.93
Permeat (g L-1) 0.015 0.02 18.46 24.10 15.91 8.38 6.70 7.70
0.03 18.48 14.93 8.96
Lampiran 10d Konsentrasi asam sitrat umpan dan permeat v (m s-1) TMP
4 6 8
0.01 3.05 2.47 3.46
Umpan (g L-1) 0.015 0.02 3.74 2.91 3.74 3.09 3.18 3.46
0.03 3.46 3.39 3.22
0.01 1.25 0.97 1.11
Permeat (g L-1) 0.015 0.02 1.94 1.38 1.80 0.97 1.11 0.83
0.03 1.59 1.45 0.83
76 Lampiran 11 Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pemisahan permeat (Gambar 22) TMP = 8 Bar, v = 0.03 m s-1 Menit ke5 15 30 60 90 120 180 240 300 360
Volume (mL) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Waktu (s) 33.10 30.925 40.19 48.80 60.185 74.535 102.98 129.94 144.61 158.83
Debit (mL s-1) 0.1511 0.1617 0.1244 0.1025 0.0831 0.0671 0.0486 0.0385 0.0346 0.0315
Perhitungan fluksi ≈ 0 Hubungan fluksi terhadap waktu (Gambar 18): y = -0.25 ln(x) + 1.64 dimana: y = fluksi (L m-2 jam-1), x = waktu (menit) 0 0.25 ln (x) ln (x) ln (x) x x x x
= = = = = = ≈ ≈
-0.25 ln(x) + 1.64 1.64 1.64/0.25 6.56 exp (6.56) 706.27169 706 menit 11.77 jam
Fluksi (L m-2 j-1) 0.9146 0.9789 0.7533 0.6204 0.5030 0.4062 0.2940 0.2330 0.2094 0.1906
77 Lampiran 12 Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat (Gambar 23) TMP = 8 Bar, v = 0.03 m s-1 Konsentrasi (oBrix) Umpan Permeat 6.7 0.6 6.9 1.0 7.4 1.0 7.9 1.7 8.3 2.2 9.0 2.7 9.6 3.3 10.1 3.9 10.9 4.6 11.8 5.4 11.8 2.5
Waktu (menit) 5 15 30 60 90 120 180 240 300 360 akhir
Perhitungan konsentrasi umpan pada waktu ketika fluksi = 0 Hubungan konsentrasi terhadap waktu (Gambar 19): y = 0.013 x + 6.945 dimana y = konsentrasi (oBrix), x= waktu (menit) fluksi = 0 setelah waktu (x) = 706 menit (Lampiran 10) y y y
= = ≈
0.013(706) + 6.945 16.123 16.1 oBrix
Tingkat pemekatan
= = =
( oBrix akhir – oBrix awal)/ oBrix awal x 100% (16.1-6.7)/6.7 x 100% 141 %
78 Lampiran 13 Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat (Gambar 24) Konsentrasi (oBrix) 6.7 6.9 7.4 7.9 8.3 9.0 9.6 10.1 10.9 11.8
Fluksi (L m-2 j-1) 0.9146 0.9789 0.7533 0.6204 0.5030 0.4062 0.2940 0.2330 0.2094 0.1906
79 Lampiran 14 Penurunan persamaan Shocks dan Miquel’s (Persamaan 14 dan 23) 0.065
.
.
,
6
8
,
2
6
8
.
.
0.065 .
.
0.065
6
8 .
.
. .
.
8 .
.
.
.
. .
.
2
.
6
. .
6
.
0.238 .
.
2
0.065 .
.
.
2
.
.
2
80 Lampiran 15 Perhitungan bilangan Reynold
6
8
2
diameter hidraulik (dh) dihitung dari persamaan (26) .
2 dimana a = lebar membran = 2.2617 m (Lampiran 1) b = lebar feed spacer = 0.000508 m K = 0.003 (Lampiran 4) n = 1.47 (Lampiran 4) v = 0.01; 0.015; 0.02; 0.03 m s-1 ρ = 1031.461 kg m3 .
2.2617
2
0.000508 22 7
dh = 0.0382 m Contoh perhitungan Re pada v = 0.01 m s-1 0.0382 .
Re v=0.01
.
0.01
.
0.003 6 1.47 1.47 8 = 138.51
1031.461 2
.
Nilai Re pada laju alir dalam penelitian: v (m s-1) Re
0.01 138.51
0.015 167.59
0.02 191.86
0.03 232.13
81 Lampiran 16 Viskositas umpan jus jeruk untuk fluida non-Newtonian, Doi asam sitrat 6
2
8 .
µ
,
.
0.0382
µ
,
.
0.006048
0.01
0.003 8
.
6 1.47 1.47
2
.
Nilai viskositas pada laju alir dalam penelitian: v (m s-1) viskositas (kg m s-1)
0.01 0.015 0.006048 0.007318
0.02 0.03 0.008378 0.010136
Perhitungan Doi asam sitrat 117.3 ,
10
.
Φ ,
.
.
Molar volume asam asetat (C6H8O7) = 6(0.0148)+8(0.0037)+7(0.012) = 0.2024 m3/mol 117.3 ,
.
,
.
10 2.6*18.07 . 273 0.006048 0.2024 .
9.63 x 10
25
m s
Nilai Doi asam sitrat pada laju alir dalam penelitian v (m s-1) Doi (m2 s-1)
0.01 9.63 x 10-11
0.015 7.96 x 10-11
0.02 6.95 x 10-11
0.03 5.75 x 10-11
82 Lampiran 17 Perhitungan koefisien diffusivitas (Di) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk (Tabel 11) Di = Doi(μw /μ)0.45 (persamaan 17) μw /μ dihitung dari persamaan (16): ln
100
a = – 0.25801 + 8.11/T b = 1.8909 – 3.0212 x 10-3 T T = 273 +25 = 298 (asumsi suhu operasi pada 25oC) C = Konsentrasi umpan (oBrix) (Lampiran 9c) Contoh perhitungan μw /μ pada v = 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: 8.11 – 0.25801 7.1 298 ln 100 1.8909 – 3.0212 x 10 298 7.1 ln
0.1897 exp 0.1897 1 1.2088
μw /μ = 0.8272 μw /μ pada variasi TMP dan laju alir v (m s-1) TMP
4 6 8
0.01 0.8272 0.8343 0.8129
0.015 0.8106 0.8129 0.8082
0.02 0.8272 0.8272 0.8224
0.03 0.8129 0.8201 0.8129
Contoh perhitungan Di glukosa pada v = 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: Di = 6.9 x 10-10 x (0.8272)0.45 Di = 6.33 x 10-10 m2 s-1 Contoh perhitungan Di sukrosa pada v = 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: Di = 5.24 x 10-10 x (0.8272)0.45 Di = 4.81 x 10-10 m2 s-1 Contoh perhitungan Di asam sitrat pada v = 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: Di = 9.63 x 10-11 x (0.8272)0.45 Di = 8.84 x 10-11 m2 s-1
83 Lampiran 18 Perhitungan koefisien perpindahan massa (ki) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk (Tabel 12) Koefisien perpindahan massa (ki) dihitung berdasarkan persamaan (23) .
.
.
0.238 .
.
.
6
.
2
.
Contoh perhitungan ki glukosa pada v= 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: Di (Tabel 11) = 6.33 x 10-10 m2 s-1 ρ = 1031.461 kg m3 v = 0.01 m s-1 dh (Lampiran 14) = 0.0382 m K (Lampiran 4) = 0.003 n (Lampiran 4) = 1.47 0.238
.
6.33 10 0.0382
ki = 1.71 x 10-6 m s-1
.
.
.
1031.461 .
0.003
.
.
.
6 1.47 1.47
2
0.01
. .
.
84 Lampiran 19 Konsentrasi pada permukaan membran (Cmi) Konsentrasi komponen i pada permukaan membran dihitung berdasarkan persamaan (20) ‐
exp ⁄
Contoh perhitungan Cm glukosa pada laju alir 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar = 20.09 g L-1 Cb glukosa (Lampiran 10b) Cp glukosa (Lampiran 10b) = 11.87 g L-1 J (fluksi) (Lampiran 9) = 5.65 x 10-8 m s-1 k glukosa (Tabel 12) = 1.71 x 10-6 m s-1 Cm glu Cm glu
= 11.87 + (20.09 – 11.87) exp (5.65 x 10-8 /1.71 x 10-6 ) = 20.52 g L-1
Konsentrasi glukosa, sukrosa dan asam sitrat pada permukaan membran pada variasi laju alir dan TMP Komponen Glukosa (g L-1) Sukrosa (g L-1) Asam sitrat (g L-1)
TMP (Bar) 4 6 8 4 6 8 4 6 8
0.01 20.52 21.55 21.49 32.87 29.86 36.70 3.49 3.02 5.53
v (m s-1) 0.015 0.02 21.64 19.63 21.55 19.57 20.34 17.66 29.90 41.10 32.08 31.09 39.46 38.65 4.13 3.28 4.54 4.00 5.11 5.85
0.03 26.61 27.38 29.62 31.12 31.49 33.77 3.85 4.21 5.28
85 Lampiran 20 Perhitungan tekanan osmosis Perbedaaan tekanan osmosis dihitung berdasarkan persamaan (7) ∆ Tekanan osmosis baik pada permukaan membran di sisi umpan (CA2) maupun pada sisi permeat (CA3) dihitung berdasarkan persamaan (19) ,
,
ln
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
Contoh perhitungan tekanan osmosis pada laju alir 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: • Tekanan osmosis pada pada permukaan membran di sisi umpan (CA2): R = 0.083147 L Bar mol-1 K-1 T = 273 + 25 = 298 K (asumsi proses berlangsung pada temperatur 25oC) = 0.01807 L mol-1 Vw Cs (Lampiran 19) = 32.87 g L-1 Cg (Lampiran 19) = 20.52 g L-1 Cc (Lampiran 19) = 3.49 g L-1 Ms = 342.3 g mol-1 = 180.16 g mol-1 Mg Mc = 192.12 g mol-1 Mw = 18.07 g mol-1 .
.
ln
.
.
0.083147x298
⁄
. .
. ⁄
.
⁄
. .
. ⁄
.
⁄
. .
.
.
⁄
.
.
π = 6.00 Bar •
Tekanan osmosis pada pada sisi permeat (CA3) : Cs (Lampiran 10c) Cg (Lampiran 10b) Cc (Lampiran 10d) . .
0.083147x298
ln .
25.47 g L-1 11.78 g L-1 1.25 g L-1
= = = .
⁄
. .
.
. ⁄
⁄
. .
.
. ⁄
⁄
. .
.
⁄
. .
.
π = 3.78 Bar Perbedaaan tekanan osmosis (Δπ) pada pada laju alir 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar: (Δπ) = 6.00 – 3.78 = 2.22 Bar
86 Lampiran 21 Perhitungan fluksi menggunakan model SD – Teori Film TMP Lp -1 (Bar) (m s Bar-1) Laju alir 0.01 m s-1 4 1.44 x 10-6 6 1.44 x 10-6 8 1.44 x 10-6 Laju alir 0.015 m s-1 4 1.44 x 10-6 6 1.44 x 10-6 8 1.44 x 10 Laju alir 0.02 m s-1 4 1.44 x 10-6 6 1.44 x 10-6 8 1.44 x 10-6 Laju alir 0.03 m s-1 4 1.44 x 10-6 6 1.44 x 10-6 8 1.44 x 10-6
Δπ (Bar)
J hit (m s-1)
J perc (m s-1)
% error J hit-perc
2.29 2.96 4.68
2.35 x 10-6 4.21 x 10-6 4.56 x 10-6
5.65 x 10-8 8.00 x 10-8 1.59 x 10-7
4065 5168 2757
2.64 3.32 4.71
1.84 x 10-6 3.69 x 10-6 4.51 x 10-6
5.47 x 10-8 9.63 x 10-8 1.81 x 10-7
3268 3730 2389
2.87 3.80 4.62
1.52 x 10-6 3.00 x 10-6 4.65 x 10-6
6.52 x 10-8 1.06 x 10-7 1.92 x 10-7
2227 2728 2321
3.04 4.30 5.69
1.28 x 10-6 2.28 x 10-6 3.11 x 10-6
6.21 x 10-8 1.15 x 10-7 2.02 x 10-7
1954 1884 1439
Contoh perhitungan fluksi (Laju alir 0.01 m s-1, TMP = 4 Bar) Jv
% error
= Lp (ΔP– Δπ) = 1.44 x 10-6 (4 – 2.29) = 2.35 x 10-6 = (J hit-J perc)/J perc x 100% = (2.35 x 10-6 – 5.65 x 10-8) /5.65 x 10-8 x 100% = 4065 %
87 Lampiran 22 Fluksi air setelah filtrasi pada beberapa TMP (Gambar 23) TMP (Bar) 1 2 3 4
Volume (mL) 102.5 60.4 42.3 34.9
Waktu (s) 103 60.3 41.8 35.2
Debit (mL s-1) 0.0976 0.1656 0.2367 0.2869
Fluks (L m-2 j-1) 0.5907 1.0024 1.4331 1.7374
Fluksi (m s-1) 1.64 x 10-7 2.78 x 10-7 3.90 x 10-7 4.83 x 10-7
88 Lampiran 23 Perhitungan fluksi menggunakan model SD - tahanan adsorpsi TMP Rm (Bar) (Bar s m-1) Laju alir 0.01 m s-1 4 6.94 x 105 6 6.94 x 105 8 6.94 x 105 Laju alir 0.015 m s-1 4 6.94 x 105 6 6.94 x 105 8 6.94 x 105 Laju alir 0.02 m s-1 4 6.94 x 105 6 6.94 x 105 8 6.94 x 105 Laju alir 0.03 m s-1 4 6.94 x 105 6 6.94 x 105 8 6.94 x 105
Rads (Bar s m-1)
Δπ (Bar)
J hit (m s-1)
J perc (m s-1)
8.38 x 106 8.38 x 106 8.38 x 106
2.29 2.96 4.68
1.80 x 10-7 5.65 x 10-8 3.23 x 10-7 8.00 x 10-8 3.49 x 10-7 1.59 x 10-7
219 303 119
8.38 x 106 8.38 x 106 8.38 x 106
2.64 3.32 4.71
1.41 x 10-7 5.47 x 10-8 2.82 x 10-7 9.63 x 10-8 3.46 x 10-7 1.81 x 10-7
158 193 91
8.38 x 106 8.38 x 106 8.38 x 106
2.87 3.80 4.62
1.16 x 10-7 6.52 x 10-8 2.30 x 10-7 1.06 x 10-7 3.56 x 10-7 1.92 x 10-7
78 117 85
8.38 x 106 8.38 x 106 8.38 x 106
3.04 4.30 5.69
9.76 x 10-8 6.21 x 10-8 1.74 x 10-7 1.15 x 10-7 2.38 x 10-7 2.02 x 10-7
57 52 18
Contoh perhitungan fluksi (TMP = 8 Bar, Laju alir 0.03 m s-1): Rads
= Rm’ – Rm = 9.07 x 106 - 6.94 x 105 = 8.38 x 106 Bar s m-1
Jv
= (ΔP-Δπ)/(Rm + Rads) = (4 – 2.29)/(6.94 x 105 + 8.38 x 106) = 2.38 x 10-7
% error
= (J hit-J perc)/J perc x 100% = (1.80 x 10-7– 5.65 x 10-8) /5.65 x 10-8x 100% = 219 %
% error J hit - perc
