Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III
Aplikasi Teknologi Membran untuk Proses Pemekatan Larutan Tokoferol Nasrul Arahman1*, Bastian Arifin1, Fachrul Razi1, Susi Suwarni1, Machlinda2, Abd. Rahman2 1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh 2 Balai Riset dan Standardisasi Industri, Banda Aceh E-mail :
[email protected] Abstrak Teknologi membran telah diaplikasikan secara luas pada proses pengolahan minyak tanaman, terutama pada proses pemurnian minyak kelapa sawit. Berbagai keuntungan penerapan pemisahan dengan membran seperti tingginya kemurnian produk, rendah biaya operasi, dan minim pemakaian bahan kimia. Tulisan ini memaparkan hasil penelitian laboratorium tentang pengujian teknologi membran untuk pemisahan dan pemekatan larutan tokoferol. Dua jenis membran hollow fiber yang berbeda struktur pori dibandingkan kinerjanya untuk penyaringan tokoferol. Struktur pori membran dianalisa dengan scanning electron microscopy (SEM), dan proses penyaringan larutan tokoferol dilakukan dengan modul tunggal membran hollow fiber. Profil permeabilitas larutan dan tingkat penyisihan larutan tokoferol berkaitan dengan jenis membran didiskusikan secara detail pada tulisan ini. Kata Kunci : Teknologi Membran, Tokoferol, Pemisahan, Minyak Tanaman.
PENDAHULUAN Dokumen Masterplan Percepatan dan Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia (MP3EI) 2011-2025 menempatkan kelapa sawit sebagai salah satu andalan kegiatan ekonomi utama sebagai bagian dari upaya peningkatan kapasitas dan kualitas dari produk minyak kelapa sawit (KKBP, 2011). Sebagai pemilik areal kelapa sawit terbesar di dunia dengan luas areal saat ini 8.908.399 ha, Indonesia mampu mengeskpor minyak kelapa sawit lebih dari 19 juta ton/tahun. Dari data tersebut, koridor ekonomi Sumatera menyumbang 65,5% bagi suplai kelapa sawit Indonesia dengan luas areal 5.834.816 ha (Ditjenbun, 2011), yang menjadikan Sumatera sebagai sentra produksi dan pengolahan hasil bumi dan lumbung energi nasional (KKBP, 2011). Kelapa sawit mempunyai peranan penting dalam perekonomian nasional, disamping sebagai bahan baku industri dalam negeri, juga sebagai komoditas ekspor utama. Hal ini karena tingginya permintaan CPO dunia sebagai bahan baku berbagai industri turunan minyak kelapa sawit. Kandungan komponen tokoferol-tokotrienol, karotenoid, serta sterol yang tinggi dalam minyak kelapa sawit menjadi daya tarik bagi industri dan peneliti. Komponen-komponen tersebut diperlukan sebagai bahan baku industri makanan dan industri farmasi sebagai akti oksidan dan pencegah penyakit kronis seperti kanker hati (Subranian, R., dkk., 2003). Dengan persediaan bahan baku yang melimpah, sepatutnya Indonesia mampu memproduksi semua produk turunan minyak sawit sebagai pemenuhan konsumsi dalam negeri dan komoditas ekspor yang lebih bernilai. Sehingga penduduk Indonesia mampu memposisikan diri sebagai masyarakat yang mandiri, maju, adil dan makmur, sesuai dengan visi Indonesia yang termaktub dalam kerangka Masterplan Percepatan Dan Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia (MP3EI) 2011-2025 (KKBP, 2011). 16
Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III Secara konvensional pemisahan komponen tokoferol-tokotrienol, karotenoid, dan sterol meliputi proses saponifikasi, ekstraksi, dan purifikasi, recovery melalui proses transterifiaksi dilanjutkan dengan distilasi molekul ester (Ping, 2006, Ooi, dkk, 1994). Metode ini membutuhkan biaya operasi yang sangat tinggi untuk memurnikan dan menghilangkan produk samping yang tidak diinginkan, terjadi kehilangan produk yang signifikan, serta kemurnian produk yang rendah. Pengembangan teknologi yang aman dan mudah diaplikasikan dikalangan petani menjadi sangat penting sebagai upaya pemantapan salah satu koridor ekonomi dalam kerangka MP3EI. Salah satu teknologi yang sudah diperkenalkan yang menjanjikan kemurnian produk lebih tinggi untuk pemisahan komponen minor minyak kelapa sawit adalah dengan teknik ultrafiltrasi dan nanofiltrasi. Teknik membran ini memungkinkan pemisahan molekul sesuai keinginan dengan rancangan pori membran yang sesuai dengan ukuran partikel komponen yang akan dipisahkan (Ribeiro, dkk. 2006). Tulisan hasil penelitian ini memfokuskan disukusi pada aplikasi membran ultrafiltrasi untuk pemisahan senyawa minor dari minyak kelapa sawit, yaitu tokoferol. Tujuan penelitian adalah untuk mempelajari pengaruh struktur dan morfologi membran yang digunakan untuk proses ultrafiltrasi terhadap fluks dan rejeksi larutan tokoferol. Target penelitian adalah untuk menghasilkan suatu teknologi proses pemisahan dan pemurnian komponen minor dari minyak kelapa sawit yang efisien dan ramah lingkungan. METODE PENELITIAN Dua jenis membran hollow fiber yang digunakan yaitu membran yang terbuat dari sistem polyethrsulfone (20 wt%)/N-metil pirrolidone (80 wt%) disebut PES-1, dan membran polietrsulfon yang diperoleh secara komersial dengan berat molekul 10.000 Dalton, disebut seabgai PES-2. Bahan uji ultrafiltrasi berupa alfa-tokoferol (Sigma Aldrich, USA), dan pelarut larutan uji menggunakan heksan murni (Sigma Aldrich, Germany). Peralatan yang digunakan berupa satu unit modul membran model single membran, alat pengukur fluks berupa timbangan analitis (Shimadzu, Japan), dan pompa peristaltik. Peralatan uji berupa scanning electron microscopy (SEM), dan spektrofotometer. Analisa morfologi membran Struktur pori dua jenis membran yang digunakan untuk proses pemisahan tokoferol dianalisa menggunakan scanning electron microscopy (SEM, Hitachi Co, S-800, Japan). Sampel membran dikeringkan pada temperatur -40 OC menggunakan freeze-drier (Eyela, Japan) selama 24 jam. Membran selanjutnya dipatahkan menggunakan piset didalam larutan nitrogen cair, dan ditempel pada plate sampel yang telah dilapisi dengan selotip karbon. Sebelum dibaca dengan peralatan SEM, sampel terlebih dahulu dilakukan proses coating selama 15 menit. Proses penyaringan tokoferol. Proses penyaringan ultrafiltrasi dilakukan menggunakan modul tunggal membran hollow fiber secara cross-flow filtration. Detail peralatan ultrafiltrasi skala laboratorium telah kami paparkan secara skematis pada tulisan sebelumnya (Arahman, N., dkk. 2012, Arahman, N., dkk. 2013). Pada penelitian ini, larutan tokoferol 1000 ppm dialirkan melalui bagian dalam membran menggunakan pompa peristaltik dengan tekanan 1,0 kg/cm2. Larutan yang tersaring sebagai permeate keluar melalui dinding luar membran dan ditampung dalam tangki permeate. Larutan yang tidak tersaring (retentat), secara kontinyu kembali ke bagian tangki umpan. Proses filtrasi dilakukan selama enam puluh menit untuk semua jenis membran. Permeabilitas larutan dihitung berdasarkan volume permeate per satuan waktu, luas permukaan membran (A), dan tekanan operasi (P) seperti persamaan 1). Konsentrasi 17
Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III tokoferol pada larutan sampel (C0) dan pada larutan retentate (C1) dianalisa dengan spektrofotometer. Selanjutnya rejeksi dihitung dengan persamaan 2). Permeabili tas
Volume pereate
(1)
A x P x waktu
C - C0 Pemekatan 1 x100% C0
(2)
HASIL DAN PEMBAHASAN Struktur Morfologi Membran Struktur morfologi membran PES-1 hasil analisa SEM diperlihatkan pada Gambar 1. Pori membran yang terbentuk mengikuti tipe finger-like structur dengan bentuk pori seperti jari tangan. Terdapat bagian padat berbentuk sponge pada bagian tengah membran yang berpotensi menghambat laju filtrasi membran (Gambar 1-a). Pembesaran gambar pada bagian macrovoid dapat memberikan informasi bahwa membran PES-1 mempunyai lapisan dense yang tidak mempunyai pori pada dinding macrovoid (Gambar 1-b). Untuk dapat mengetahui perbedaan performance kedua jenis membran yang digunakan, maka analisa SEM juga dilakukan untuk membran PES-2 seperti dipaparkan pada Gambar 2. Terlihat perbedaan struktur pori yang jelas sekali antara membran PES-1 dan PES-2. Membran terdiri dari dua lapisan finger-like structure, dan lapisan permukaan luar yang tebal dengan tipe dense layer. Pori yang muncul pada dinding macrovoid sangat menonjol dengan ukuran rata-rata sekitar 0,5 mikrometer (Gambar 2-b) . a)
b)
Gambar 1. Morfologi membran PES-1 hasil observasi dengan SEM. a) Penampang membran hollow fiber, b) struktur pori pada dinding macrovoid
Membran PES-2 adalah membran komersial yang sudah ditambahkan zat aditif tertentu saat proses pembuatannya. Zat aditif ini mempengaruhi proses pembentukan struktur membran karena kompatibilitas yang berbeda antara polimer, pelarut, dan bahan additif. Struktur pori membran akan meningkat dan sifat permukaan juga akan berubah berdasarkan sifat polimer aditif yang ditambahkan kedalam larutan polimer. (Ahmad, A.L., dkk., 2013, Kim. J-H, dan Lee. K-H., 1998).
18
Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III
a)
b)
Gambar 2. Morfologi membran PES-2 hasil observasi dengan SEM. a) Penampang membran hollow fiber, b) struktur pori pada dinding macrovoid Permeabilitas dan pemekatan larutan tokoferol. Kemampuan filtrasi membran hollow fiber PES-1 dan PES-2 diuji menggunakan modul tunggal ultrafiltrasi tipe aliran cros-flow filtration. Permeabilitas larutan tokoferol dianalisa untuk mengetahui kinerja filtrasi kedua jenis membran. Hasilnya seperti dipaparkan pada Gambar 3. Pada titik awal filtrasi, membran PES-2 mempunyai permeabilitas yang lebih tinggi dari pada membran PES-1. Seiring perjalanan waktu, penurunan permeabilitas membran PES-2 lebih signifikan dari pada membran PES-1. Pada akhir filtrasi setelah 60 menit, permeabilitas membran PES-2 tetap berada diatas membran PES-1.
PES-1 0.15
PES-2
2
Permeabilitas (L/m .jam.atm)
0.2
0.1
0.05
0 0
10
20
30
40
50
60
70
W aktu Filtrasi (M enit)
Gambar 3. Profil permeabilitas larutan tokoferol berdasarkan waktu filtrasi Profil permeabilitas kedua jenis membran ini sangat berkaitan dengan struktur morfologi dari membran tersebut. Permeabilitas membran PES-2 tinggi pada titik awal filtrasi dikarenakan banyaknya pori dan distribusi pori yang merata pada dinding macrovoid. Permebailitas yang besar biasanya menghasilkan rejeksi yang kecil, sebagaimana juga telah dilaporkan dari hasil penelitian menggunakan membran berbentuk flat (Arora, S., dkk., 2006). Sebaliknya, membran PES-1 memiliki pori dengan jumlah yang kecil dan tidak terdistribusi merata pada dinding macrovoid, sehingga permeabilitas larutan tokoferol lebih rendah dari pada membran PES-2 (Gambar 1). Konsentrasi tokoferol pada retentate setelah proses filtrasi selama 60 menit meningkat sampai 135 % untuk membran PES-1, 19
Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III dan 95% untuk membran PES-2. Membran PES-1 menunjukkan kinerja lebih baik dari pada membran PES-2. Hal ini menunjukkan bahwa proses pemekatan larutan tokoferol dapat berlangsung dengan baik dengan menggunakan membran jenis hollow fiber yang terbuat dari polimer polietersulfon 20 %. KESIMPULAN Penelitian uji aplikasi dua jenis membran hollow fiber yang terbuat dari polimer polietrsulfon telah dilakukan terhadap pemisahan dan pemekatan larutan yang tokoferol. Pengaruh struktur morfologi membran dipelajari terhadap kemampuan filtrasi dan pemekatan larutan tokoferol. Hasil penelitian menunjukkan bahwa membran dengan struktur pori yang banyak dan terdistribusi merata pada dinding macrovoid (membran PES2) menghasilkan permeabilitas larutan tokoferol yang tinggi. Namun, kinerja pemekatan terbaik diperoleh dengan membran yang sedikit pori (PES-1) dengan peningkatan konsentrasi akhir larutan tokoferol mencapai 135 %. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kami sampaikan kepada Direktorat Jenderal pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan atas dukungan dana untuk pelaksanaan penelitian ini, dengan Hibah MP3EI No. 303/SP2H/PL/Dit.LITABMAS/VII/2013. Terimakasih juga kepada Lembaga Penelitian Universitas Syiah Kuala, atas koordinasinya sehingga proses implementasi penelitian dapat terlaksana. DAFTAR PUSTAKA Ahmad, A.L., Abdulkarim, A.A., Ooi, B.S., Ismail, S., (2013), Recent Development in Additives Modifications of Polyethersulfone Membrane for Flux Enhancement, Chemical Engineering Journal (2013), Dalam proses cetak, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2013.02.130 Arahman, N., Erika, C., Putra, A. (2013), Pemurnian minyak kelapa sawit menggunakan membran serat berongga, Agritech, 33 (1), 32-37. Arahman, N., Arifin, B., Mulyati, S., Matsuyama, H., (2012), Structure Change of PES Hollow Fiber Membrane Modified with Pluronic F-127, Polyvinylpyrrolidone, and Tetronic 1307, Journal of Material Science and Application, 3(2), 72-77. Arora, S., Manjula, S., Krishnac, A.G.G., and Subramanian, R. (2006), Membrane processing of crude palm oil, Desalination, 191, 454-462. Direktorat Jenderal Perkebunan Indonesia (Ditjenbun, 2011), Buku Statistik Perkebunan Tahun 2009-2011, Diunduh dari www.ditjenbun.deptan.go.id, pada 28 Februari, 2013. Kementerian Koordinator Bidang Perekonomian (KKBP), Masterplan Percepatan dan Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia 2011-2025, 2011 Kim. J-H, and Lee. K-H (1998), Effect of PEG additive on membrane formation by phase separation, Journal of Memrbane Science, 138, 153-163. Ooi, C.K., Choo, Y.M., Yap, S.C., Basiron, Y and Ong , A.S.H. (1994), Recovery of Carotenoids from Palm Oil, Journal of American Oil Chemistry Society, 71(4), 423-426. Ping, B.T.Y., and Gwendoline, E.C.L. (2006), Identification Of Lutein In Crude Palm Oil And Evaluation Of Carotenoids At Various Ripening Stages Of The Oil Palm Fruit, Journal of Oil Palm Research, 18, 189-197. Ribeiro, A.P.B., Moura, J.M.L.N., Gonçalves, L.A.G., Petrus J.C.C., and Viotto, L.A. (2006), Solvent recovery from soybean oil/hexane miscella by polymeric membranes Journal of Memrbane Science, 282, 328-336. 20
Prosiding Seminar Nasional Hasil Riset dan Standardisasi III Subramanian, R., Raghavarao, K. S. M. S., Nakajima, M., Nabetani, H., Yamaguchi, T., Kimura, T. (2003). Application of dense membrane theory for differential permeation of vegetable oil constituents. Journal of Food Engineering, 60, 249256.
21
