Teknologi Membran dalam Pengolahan Anggur Indra Govindo Pasaribu Teknik Kimia, ITB, Jalan Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia
[email protected]
Abstrak Pesatnya perkembangan teknologi membran membuat membran banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang, seperti dalam bidang medis, industri makanan dan minuman, pengolahan air, pembangkit energi, pemisahan gas dan lain sebagainya. Salah satu aplikasi membran dalam industri minuman adalah pengolahan anggur (wine). Pada awalnya minuman anggur hanya populer di beberapa negara saja, tetapi pada saat ini kebutuhan akan minuman anggur meluas dan menjadi populer hampir merata di seluruh dunia. Untuk mengimbangi kebutuhan akan minuman anggur yang meningkat, maka pengolahannya juga ditingkatkan. Salah satu metode meningkatkan pengolahan anggur yang efektif adalah menggunakan teknologi membran, yaitu membran mikrofiltrasi aliran silang (cross-flow microfiltration). Penyaringan dengan metode berbasis membran ini berlangsung dengan prinsip gaya dorong yaitu perbedaan tekanan. Namun, tantangan yang perlu dipertimbangkan dalam pengolahan anggur berbasis membran adalah meminimalisasi fouling, minimalisasi kebutuhan energi dalam menjalankan operasi. Dengan demikian, penelitian mengenai pengolahan anggur berbasis membran perlu dikembangkan agar proses pengolahan ini dapat berjalan dengan efektif dan efesien menghasilkan produk minuman anggur yang berkualitas lebih baik. Kata kunci: anggur, membran, mikrofiltrasi, fouling
1. Pendahuluan Pengolahan anggur dengan penyaringan adalah suatu metode yang kuno. Setelah fermentasi alkohol, produk anggur yang dihasilkan masih keruh . Hasil produksi ini tidak baik untuk langsung dikonsumsi, sehingga anggur harus diklarifikasi menurut ukuran senyawanya yaitu: Zat terlarut (kurang dari 1 nm), termasuk ion, garam, asam organik dan senyawa fenolik. Koloid (dari 1 nm sampai 1𝜇m) termasuk polisakarida, protein, senyawa fenolik dipolimerisasi dan koloid agregat Partikel (lebih dari 1 𝜇m) termasuk mikroorganisme (ragi dan rantai bakteri), puing-puing sel, agregat koloid dan kalium tartrat kristal. Sifat anggur yang bening adalah kualitas visual pertama yang diharapkan konsumen dari anggur.Hal ini harus menjadi kualitas permanen dari anggur selama periode penyimpanan dan apapun kondisi penyimpanan. Sifat anggur yang bening dapat dinilai dengan mengukur kekeruhannya yang dinyatakan oleh Nephelometric Turbidity Unit (NTU).
Tabel 1. Korelasi antara kekeruhan dan aspek visual anggur [1] Jenis-jenis anggur Anggur putih Anggur mawar Anggur merah
Bening <1.1 NTU <1.4 NTU <2.0 NTU
Keruh >4.4 NTU >5.8 NTU >8.0 NTU
Stabilisasi dapat dibagi menjadi fisika-kimia dan mikrobiologi stabilisasi. Stabilisasi fisikakimia mencegah pembentukan organik dan anorganik yang keruh dan endapan setelah pengemasan. Stabilisasi mikrobiologi filtrasi mikro yaitu metode dengan menghilangkan ragi dan bakteri sehingga dapat menghancurkan atau memodifikasi rasa anggur. Stabilitas anggur didefinisikan sebagai keadaan atau kondisi dimana anggur tetap bening untuk beberapa periode waktu tertentu. Filtrasi anggur dengan membran pertama sekali dilakukan pada tahun 1960 di California dan 1964 di Prancis. Uji pertama dari mikrofiltrasi membran telah dilakukan dalam oenologi pada awal tahun 1980-an. Perkembangan material membran terkait dengan pemahaman tentang campuran yang terlibat dalam membran membuat
2
pemilihan membran yang cocok untuk filtrasi anggur agar mengurangi terjadinya fouling. Mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF) dengan menggunakan teknologi membran telah menjadi alat yang penting untuk menjamin kejernihan dan stabilitas produk. Proses-proses membrane yang lain, termasuk reverse osmosis (RO) telah memungkinkan produsen untuk memperoleh produk dengan kualitas yang konsisten [2]. Aplikasi-aplikasi pemrosesan membran yang relevan dengan industri wine termasuk: Front end MF Cross-flow (tangential) MF UF RO Elektrodialisis (ED) Pervaporation
anggur dan berkontribusi untuk meningkatkan viskositas dan stabilitas sistem koloid [1,4]. Polisakarida dapat dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan asalnya, yaitu polisakarida dari anggur, polisakarida dari ragi dan polisakarida dari jamur. Tabel 2. Komposisi rata-rata anggur [1, 3] 1
)
Konsentrasi (g.l-1)
Air
750-900
Etanol
69-121
Gliserol
5-20
Asam organik
3-20
Mineral
0,6-2.5
Senyawa Nitrogen
0,5-5 white
2. Komposisi Anggur Anggur adalah minuman alkohol yang diperoleh dari fermentasi anggur. Komposisinya ditentukan dari komposisinya dalam anggur, yang bergantung pada karakter genetik, kondisi pertumbuhan pohon anggur, kematangan anggur saat panen, dan praktek pembuatan anggur. Komposisi juga bergantung pada ragi dan metabolisme bakteri. Komposisi rata-rata anggur (putih dan merah) ditunjukkan pada tabel 2. 2.1 Koloid Anggur Senyawa Fenolik Senyawa fenolik dalam anggur termasuk dalam kelompok yang berbeda dengan senyawa yang terjadi secara alami, seperti polifenol. Senyawa fenolik dalam anggur dapat dibagi menjadi senyawa non-flavonoid dan senyawa flavonoid yang mengandung antosianin dan tannin yang merupakan senyawa fenolik yang paling berlimpah dalam anggur merah. Sebaliknya, tannin ditemukan dalam anggur putih dalam jumlah yang sedikit. Senyawa non-flavonoid termasuk dalam asam fenolik seperti asam benzoat.
Polisakarida Polisakarida merupakan salah satu kelompok utama makromolekul yang ditemukan dalam
Senyawa fenolik Polisakarida
0,1-0,3
red 1,5-6
0,4-0,7
Protein Bersama dengan asam amino dan peptida, protein merupakan komponen utama dari fraksi anggur [5, 6]. Dalam literatur, beberapa penelitian menunjukkan bahwa protein anggur adalah campuran dari protein buah anggur dan protein dari autolisis ragi [5]. Anggur merah hampir tidak mengandung protein bebas, seperti tannin, tetapi sebaliknya anggur putih dan anggur mawar mengandung protein.
Partikel Anggur Partikel dalam anggur mempunyai peran utama dalam anggur terutama dalam klarifikasi anggur. Kelompok ini mencakup mikroorganisme (ragi dan bakteri rantai), sel-sel, angregat koloid dan kristal tatrat. Partikel ini tertahan oleh penyaringan tetapi mungkin ditemukan dalam keluaran anggur.
Ragi Ragi merupakan mikroorganisme eukariotik yang uniselular dengan bentuk bujur telur dan ukuran antara 2 sampai 10 𝜇m. Ragi melakukan fermentasi alkohol dengan mentransformasikan gula menjadi alkohol secara anaerobic.
3
Saccharomyces cerevisiae merupakan ragi yang paling dominan dalam pembuatan anggur [7].
Bakteri Beberapa jenis bakteri dapat berkembang dalam anggur. Hal ini disebakan karena suasana asam pH (3,0-3,8) dan konsentrasi etanol dalam anggur. Dua jenis bakteri yang berbeda mempunyai peran penting dalam menentukan kualitas anggur. Bakteri ini merupakan bakteri asam laktat dan bakteri asam asetat [7, 8].
Jumlah cairan yang melewati membran disebut permeat, sedangkan molekul dan pelarut yang dipertahankan disebut retentat (Gambar.1). Pressure Concentrate
Feed
Kristal Tartrat Asam tartrat dan garamnya (kalium bitartrat dan kalsium tartrat) adalah komponen yang normal dari jus anggur dan minuman anggur. Jus anggur biasanya jenuh dengan kalsium bitatrat. Pembentukan alkohol selama fermentasi bertindak untuk mengurangi kelarutan kalsium bitatrat dan kalsium tatrat, dengan demikian menghasilkan larutan jenuh dalam anggur [1]. Hal ini dapat mengakibatkan kristalisasi dari garam tartrat ketika anggur dimasukkan dalam botol dan disimpan dalam suhu yang rendah.
Agregat Koloid Agregat koloid adalah hasil aglomerasi dari makromolekul anggur. Senyawa ini mengakibatkan ketidakstabilan yang merupakan gangguan kimia fisik dalam anggur.
3. Prinsip CFMF dan Aplikasinya dalam Pengolahan Anggur Dalam CFMF, fluida harus disaring mengalir secara parallel dengan permukaan membran dan penyerapan melalui membran disebabkan oleh perbedaan tekanan. Tengangan geser yang diberikan oleh larutan umpan yang mengalir secara parallel dengan permukaan membran dapat membersihkan partikel yang mengendap menjadi konsentrat sehingga lapisan cake menjadi tipis. Dalam kasus CFMF, lapisan cake akan dibangun secara bertahap. Setelah beberapa waktu, keadaan quasi-steady dicapai dan aliran filtrasi quasi-steady diperoleh sepanjang waktu. Hal ini disebabkan oleh keseimbangan antara pengangkutan partikel ke lapisan cake dan transportasi partikel kembali ke aliran umpan.
Permeate Gambar 1. Prinsip dari lintas aliran mikrofiltrasi (CFMF) Laju penyerapan fluks ditentukan oleh persamaan umum filtrasi (Hukum Darcy), yaitu: 𝐽=
∆𝑃 − ∆𝜋 𝜇. 𝑅ℎ
Dimana J (m3 /m2 /s) adalah fluks permeat, ∆𝑃 (Pa) adalah tekanan, ∆𝜋 adalah tekanan osmotik, 𝜇 (Pa s) adalah viskositas pelarut dan 𝑅ℎ (m-1) adalah tahanan hidrolik. Dalam CFMF anggur, membran yang digunakan memiliki ukuran pori 0,2 𝜇𝑚. Dengan demikian, membran hanya menahan koloid dan partikel, sementara zat terlarut dan garam melewati membran. Oleh karena itu, ∆𝜋 dapat dianggap tidak ada sehingga persamaan menjadi: 𝐽=
∆𝑃 𝜇. 𝑅ℎ
3.1. Filtrasi akhir anggur Supaya memiliki anggur yang jernih sebelum pembotolan, pembuat anggur menerapkan secara berturut pemisahan padat-cair menggunakan teknologi tradisional seperti sentrifugasi, filtrasi pada lembar, filtrasi tanah diatom, dan penggunaan aditif oksigen. Filtrasi tanah diatom adalah teknik yang paling sering digunakan untuk mengklarifikasi anggur. Saat ini, tanah diatom diklasifikasikan sebagai zat yang berbahaya karena
4
adanya silika kristal. Tanah diatom juga memilliki dampak negatif pada lingkungan. Setelah digunakan, tanah diatom tidak bisa dibuang tetapi harus diangkut ke tempat pembuangan limbah untuk diolah lebih lanjut. Jadi, pembatasan bagi lingkungan dan kesehatan memaksa sektor oenologi untuk mencari teknik alternatif, dan aliran mikrofiltrasi (CFMF) adalah salah satunya. Teknologi ini dapat mengantikan suatu langkah proses konvensional yang menyiratkan beberapa langkah-langkah filtrasi tanah diatom. Untuk menyederhanakan proses pengolahan anggur, aliran mikrofiltrasi memberikan sejumlah keunggulan tambahan seperti penghapusan tanah diatom yang digunakan dan masalah lingkungan yang terkait, serta kombinasi klarifikasi, stabilisasi dan filtrasi yang steril dalam satu operasi tunggal yang kontiniu. Selain keunggulan teknologi dari CFMF dalam pembuatan anggur, ada juga beberapa keuntungan ekonomi dan operasional untuk dipertimbangkan yaitu: Penyisihan biaya tenaga kerja dan menghemat waktu Mengurangi biaya pembelian dan biaya penyimpanan, meningkatkan kebersihan dan keselamatan kerja dan mengurangi limbah. Pengurangan kerugian anggur dan biaya energi dengan substitusi dari beberapa perlakuan dalam operasi tunggal. Pengurangan/eliminasi agen klarifikasi Otomatisasi proses tinggi. 3.2. Aplikasi lain CFMF, meskipun digunakan sebagai filtrasi akhir sebelum pembotolan juga memungkinkan untuk melakukan proses-proses lain yang diperlukan dalam pembuatan anggur tanpa mengorbankan organoleptik. Gambar 2 menggambarkan lokasi CFMF dalam skema dalam pembuatan anggur sebagai teknik alternatif untuk proses konvensional. Ini dapat digunakan dalam pembuatan anggur putih untuk menggantikan langkah penyelesaian dari jus anggur yang terdiri dari pemisahan bahan yang ditunda oleh dekantasi, tetapi beberapa perkembangan diperlukan untuk mencapai tujuan ini. Juga, menghindari pemanfaatan sulfur oksida yang berlebihan untuk menonaktifkan mikroorganisme yang liar
untuk melaksanakan fermentasi yang dikontrol dengan ragi yang dipilih [9].
Gambar 2. Proses membran dalam produksi wine [2] 4. Mekanisme fouling Pengolahan anggur
CFMF
dalam
Fouling dapat didefinisikan sebagai deposisi ireversibel dari partikel, koloid, makromolekul, garam yang tertahan di permukaan membran atau di dalam dinding pori membran, yang menyebabkan pengurangan fluks kontinu [10]. Secara konvensional, pengembangan CFMF di sektor oenologi telah lama terhambat oleh fouling membran, meskipun penggunaan membran memiliki keuntungan. Konsekuensinya adalah pengurangan laju penyerapan, mempengaruhi kelangsungan proses secara ekonomi, dan resiko retensi yang berlebihan dari beberapa komponen yang dapat mempengaruhi kualitas produk. Untuk fluida biologis seperti anggur, fouling membran dapat dikaitkan dengan tiga mekanisme yang
5
berbeda [11-17] diilustrasikan dalam gambar 3: (i) polarisasi konsentrasi dan pembentukan lapisan cake selanjutnya. (ii) adsorpsi zat terlarut ke permukaan membran dan pori dinding, dan (iii) penyumbatan pori-pori. Fouling membran dapat dibagi menurut lokalisasi relatih dengan struktur membran [18, 19]: Internal fouling disebabkan adsorpsi dan deposisi partikel dan makromolekul dalam struktur internal dari pori-pori. Eksternal fouling disebabkan oleh pengendapan makromolekul dan partikel pada permukaan atas membran. Pori blocking adalah salah satu mekanisme yang paling sering digunakan dalam menjelaskan penurunan fluks dalam filtrasi membran. Mekanisme ini diidentifikasi selama CFMF anggur merah dan model anggur seperti larutan polisakarida dan polifenol melalui pengamatan pemindaian elektron secara mikroskop pada permukaan membran. Baccini et.al [20] ditampilkan dalam diagram operasi (Gambar 4), hubungan antara gaya dorong, ukuran koloid, dan mekanisme fouling. Jika gaya dorong cukup tinggi, maka dapat menimbulkan suatu fouling ireversibel. 4.1. Deskripsi matematis fouling Pemodelan fluks semlama filtrasi memberikan identifikasi yang lebih baik dari fouling membran. Hukum Darcy Law, yang bisa digunakan untuk menghitung penurunan fluks dari CFMF adalah: 𝐽=
Gel formation
Driving Force
Deposition
Concentration polarization Osmotic Pressure Limitation
No fouling
Colloid size Gambar 4. Pengaruh gaya dorong dan ukuran koloid dalam membran fouling Dimana Rt adalah resistansi total termasuk resistansi membran intrinsik (Rm) dan resistensi yang disebabkan oleh fouling (Rf). Menurut model ini, fluks berbanding terbalik dengan resistansi total. Kemudian, dimodifikasi dan dikembangkan oleh banyak peneliti dan banyak perbedaan model yang didapatkan. Model yang lebih digunakan mengklasifikasi resistensi fouling menjadi resistensi reversible dan ketahanan ireversibel. Persamaan yang digunakan adalah: Rt = Rf + Rrev + Rirrev Dimana Rm resistensi merman, Rrev resistensi reversibel dan Rirrev resistensi irreversibel.
∆𝑃 𝜇. 𝑅ℎ
Gambar 3. Deskripsi skema mekanisme fouling selama filtrasi anggur
6
4.2. Fouling oleh komponen anggur
Anggur menunjukkan variasi dalam kinerja filtrasi karena campuran kompleks dari materi tersuspensi dan materi koloid berasal dari komponen alami yang ada dalam jus anggur. Hal itu dikembangkan selama fermentasi. Fouling membran selama filtrasi dalam larutan biologis seperti anggur, hasil dari kombinasi beberapa mekanisme: adsorpsi pada bahan membrane, internal fouling pori oleh makromolekul dan partakel kecil dan eksternal fouling pori olek partikel dan spesies dipertahankan membentuk sebuah cake [18]. Fouling oleh koloid anggur Koloid dispersi pada anggur selama filtrasi mungkin stabil atau tidak stabil bergantung pada beberapa parameter fisikakimia (pH, interaksi permukaan, hidrodinamika, kondisi, dan lainlain).Vernhet et al. [21] menunjukkan bahwa senyawa makromolekul ada dalam anggur menginduksi tajam dan fouling yang tidak dapat diubah. Pentingnya fouling ini tergantung pada komposisi koloid anggur dan kompleks dan agregat. Sebuah karakteristik utama dari sistem koloid adalah memiliki sifat sangat bisa berubah tergantung pada fraksi volume atau konsenstrasi. Lima fasa yang berbeda muncul realatif terhadap konsentrasi dan tingkat destabilisasi seperti ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Skema diagram fasa sebuah disperse koloid [22].
o Fasa gas : dispersi partikel stabil memiliki gerak yang bebas dan acak o Fasa cair: jaringan koloid stabil berinteraksi dengan teori tolakan kemudian bergerak dari dan menuju posisi kesetimbangan. o Fasa agregat : suspense agregat yang telah diencerkan o Fase gel: Jaringan koloid berinteraksi karena ada daya tarik sifat elastisitas objek. o Fasa padat: struktur padat dimana koloid berada dalam kontak. Transisi dapat terjadi antara fase ketika dispersi stabil dan volume koloid di medium meningkat. Transisi ireversibel dapat terjadi dan membentuk struktur padat ketika koloid bersentuhan dengan ikatan van der Waals. Selama filtrasi, fraksi volume dari senyawa yang ditahan meningkat dari dalam suspensi ke permukaan membran, yang dapat menyebabkan agregasi dan akhirnya membrane fouling. Stabilitas larutan koloid didefenisikan oleh kemampuan mereka tidak untuk menyatu dari waktu ke watku, dijelaskan oleh teori D.L.V.O yang terdiri dari dua perngaruh yang antagonis: sebuah pengaruh penolakan yang cenderung menjaga partikel tersebar dan efek tarikan yang mempromosikan pengumpulan partikel. Menurut teori ini, Stablisitas suspensi koloid ditentukan oleh keseimbangan antara energi tarikan van der Waals dan tolakan elektrostatik. Dalam anggur, muatan elektrik memainkan peran sekunder dalam stabilitas koloid sementara koloid makromolekul seperti polisakaradi mempunyai peran yang paling penting. Pada faktanya, polisakarida pada anggur diketahui sebagai “pelindung koloid” [1]. Efek perlindungan ini disebabkan lapisan partikel koloid yang mencegah mereka dari aglomerasi. Efek perlindungan ini tidak hanya khusus untuk mannoprotein tetapi
7
juga polisakarida pektik. Ketika penguraian polisakarida pektik dengan penambahan enzim pektolik, sistem menjadi tidak stabil dan koloid cenderung untuk flokulasi. Oleh karena itu, klarifikasi menjadi lebih mudah untuk diproses.
Fouling oleh polisakarida anggur Beberapa penelitian telah menyatakan pengaruh dari polisakarida anggur terhadap kinerja membrane mikrofiltrasi. Mereka telah menunjukkan efek negative pada fluks permeat. Feuillat et al. [23] menunjukkan ketika memfiltrasi dua anggur merah pada 0.2 𝜇m membrane keramik, kehilangan yang besar mencapai 66%. Peneliti-peneliti mengatakan bahwa fouling membran oleh anggur tidak langsung berkaitan dengan jumlah polisakarida tetapi lebih ke komposisi, struktur polisakarida dan keseimbangan antara perbedaan kelompok polisakarida [24,25]. Pada pH anggur, polisakarida anggur dibutuhkan (donor dari pasangan electron, akseptor H+) dan makromlekul hidrofilik. Sebuah peneltitian baru-baru ini telah memberikan bukti bahwa membran yang berbeda material (Polipropilen (PP) dan polietersulfon (PES)) memperlihatkan berbagai tingkat adsorpsi foulant dalam anggur seperti polisakarida. Bertentangan dengan [24], hal itu menunjukkan bahwa jumlah yang lebih besar dari polisakarida yang teradsorpsi ke PES daripada ke membran PP. Tambahan bahwa, PES bersifat hidrofilik sementara membrane PP bersifat hidrofobik. Hasil penelitian [25] pada membran organik (PES) dengan larutan sintetik menunjukkan bahwa pengaruh dari polisakarida pada fouling tidak sama, karena sifat dari fraksi polisakarida terlibat pada fouling. Hal ini menunjukkan bahwa
polisakarida pektik dari berat molekul yang rendah tidak memiliki efek yang nyata pada penyerapan fluks, sedangkan mannoprotein memiliki peran yang sangat penting dalam penurunan fluks. Hal ini menunjukkan bahwa mannoprotein memiliki efek fouling yang paling berpengaruh diantara polisakarida dalam anggur. Pengaruhnya terhadap aliran tergantung dari konsentrasinya. Pengaruh ini mengasilkan kelimpahan mereka yang alami dan berat molekul yang tinggi. Tetapi pengaruhnya berkurang oleh penutupan kehadiran polisakarida pektik, menunjukkan bahwa kinerja membran akan bergantung pada keseimbangan antara polisakarida dari buah anggur dan polisakarida dari ragi.
Fouling oleh polifenol anggur Beberapa penelitian telah mencatat keterlibatan senyawa polifenol anggur dalam fouling membrane selama CFMF. Porier et al. [26] telah berulang kali menunjukkan bahwa senyawa fenolik anggur mempunyai peran dalam fouling membran ketika penyaringan anggur pada membran alumina. Dia juga menyoroti adsorpsi dari pewarna pada membran, yang sebagian dapat menjelaskan penurunan fluks permeat. Penelitian telah menunjukkan bahwa deposit koloid pada membran alumnina menunjukkan warna merah sangat kuat, dan oleh karena itu tidak secara khusus mengandung polisakarida tetapi juga mengandung polifenol. Menurut Czekaj et al. [27], ketika dua anggur putih mempunyai kekeruhan awal yang sama, perbedaan konsentrasi dari dua anggur bisa menjelaskan kinerja yang berbeda selama filtrasi. Keterlibatan polifenol anggur pada fouling membran telah diidentifikasi dengan mencuci membran dengan methanol hasil asidifikasi sehingga
8
peningkatan permeabilitas yang signifikan diperoleh.
Fouling oleh protein anggur Selama pembuatan anggur, protein yang larut memiliki panas yang tidak stabil bisa menjadi stabil dan mengendap menyebabkan pembentukan senyawa yang tidak diinginkan dalam anggur putih setelah pembotolan selama penyimpanan atau ketika anggur putih atau merah yang berbeda dicampur. Pada filtrasi anggur, pengaruh protein anggur pada fouling membran sedikit dipelajari. Hal ini disebabkan penghapusan protein anggur sebelum filtrasi dengan melarutkannya dengan bentonit (flokulasi dan sedimentasi) [1]. Oleh karena itu, dianggap bahwa protein tidak mempunyai peran yang penting dalam fouling membran.
Fouling oleh partikel anggur Jumlah partakel dalam anggur dan efeknya pada fouling membran akan bergantung pada langkah proses pembuatan anggur. Czekaj et al. [29] meneliti efek dari partikel dan makromolekul agregat pada anggur pada anggur pada fouling membran. Mereka menyimpulkan bahwa penghapusan partikel bedar, agregat dan fraksi dengan berat makromolekul yang tinggi pada anggur menyebabkan perubahan dalam perlakuan fouling. Ahli telah meneliti efek dari larutan ragi dan koloid pada fouling membran. Mereka menunjukkan bahwa sel-sel ragi dapat menyebabkan endapan menjadi kurang rapat pada permukaan membran dan meningkatkan aliran serapan dibandingkan melarutkan koloid yang terkandung. Pada faktanya, lapisan eksternal yang menolak partikel mempunyai peran yang penting dalam proses filtrasi. Lapisan tersebut bertindak seperti membran sekunder atau
dinamis yang menyaring partikel pertama sekali. Namun hal itu bergantung pada konsentrasi ragi atau partikel, dan karakteristik membrane pada kondisi hidrodinakmik. 5. Pembersihan Membran Pada umumnya, ada banyak upaya untuk mengurangi fouling membran dan meningkatkan fluks permeat selama CFMF anggur. Sampai saat ini, beberapa penelitian dirujuk berdasarkan literatur tentang pembersihan membran oleh teknik mekanik atau kimia dalam eonologi. 5.1. Teknik hidrolik dan mekanik Berbagai metode hidrolik dan mekanik telah diteliti untuk mengurangi hambatan yang disebabkan oleh polarisasi konsentrasi untuk meningkatkan efisiensi poses pemisahan dan mengurangi biaya operasional. Ada sejumlah teknik pembersihan membrane tidak dengan bahan kimia, seperti back-flushing, cross-flushing, dan back-shocking. Meskipun teknik ini diterapkan dalam aliran yang tidak kontiniu, tetapi dapat digunakan untuk membersihkan beberapa lapisan membran yang terdapat bahan senyawa penyebab fouling dan mengembalikan fluks. Cross-flushing merupakan teknik yang paling sederhana untuk diimplementasikan. Lapisan penyerapan sementara tertutup endapan sehingga membatalkan penyerapan fluks. Tegangan geser yang dihasilkan akan mengikis endapan yang terbentuk. Keefektifan dari metode ini terbatas untuk endapan yang melekat pada bagian atas permukaan membran. Back-flushing atau back-washing merupakan penerapan utama untuk meminimalka fouling. Filtrat dipompa kembali melalaui membrane ke dalam aliran
9
umpan untuk memberikan backwash periodik untuk mengangkat materi yang mengendap pada permukaan membran. Keefektifan dari teknik ini terbatas untuk menghapus endapan yang melekat dengan kuat atau jika pori fouling telah terjadi, teknik ini cukup efektif untuk membersihkannya. Beberapa peneliti menggunakan gelombang ultrasound untuk meningkatkan penyerapan fluks. Jalur lintasan dari gelombang ultrasound melalui sebuah suspense dapan menyebabkan banyak fenomena, termasuk penyebaran partikel, pengurangan viskositas dan perubahan pada sifat partikel. Gelombang ultrasound dapat melemahkan endapan dan membuat endapan lebih sensitif terhadap tegangan geser. Peningkatan konsentrasi suspensi akan mengurangi laju filtrasi, perbaikan bisa dilakukan dengan pemanfaatan gelombang ultrasound. 5.2. Teknik kimia Pembersihan dengan bahan kimia dilakukan ketika berbagai teknik pembersihan hidrolik dan mekanik tidak dapat mengembalikan fluks. Bahan-bahan pembersih dibagi ke dalam kategori yang berbeda: Asam (HNO3, H2SO4, HCl, asam sitrat, dan lain-lain) – untuk melarutkan mineral dan garam. Basa (NaOH) – untuk melarutkan protein dan bahan organik yang lain. Bahan Pengoksidasi (H2O2, NaOCl) – untuk melarutkan bahan biologi yang mengendap Surfaktan, deterjen (Ultrasil, Froclean, dan lain-lain) – untuk melarutkan bahan organik yang mengendap. Enzim (protease, alpha amilase, poligalaktrunosa) – untuk membersihkan fouling yang sukar.
Dalam industri anggur, NaOH adalah yang paling banyak digunakan, sekitar 1-5 % tergantung pada tingkat fouling dan material membran. Reagen yang mengandung molekul klorida dilarang dalam industri makanan. Dalam filtrasi anggur, enzim yang digunakan untuk mengurangi fouling membrane dan meningkatkan penyerapan fluks lebih dari sebagai teknik pembersihan. 6. Inovasi dan Usulan komersial “Flavy FX tandem” (Bücher Vaslin) menggabungkan dua penyaring dan disesuaikan dengan berbagai filtasi (Gambar 6). Penyaring yang pertama melangsungkan filtrasi dari anggur mentah sementara penyaring kedua memurnikan retentat dari penyaring pertama. Setiap penyaring memiliki parameter hidrodinamika yang spesifik dan dilengkapi dengan membran yang disesuaikan dengan tipe filtrasi. Hasil dari operasi ini secara bertahap, fouling dikurangi secara signifikan dengan penurunan penurunan faktor konsentrasi “Oenoflow XL” series (pall) dilengkapi dengan PVDF membran yang memberikan sekitar 145% lebih daerah filter. Modulmodul XL memiliki paling sedikit dua kali luas dari membrane hollow fiber sehingga memungkinkan pembuatan lebih padat dan sistem ekonomis. Selain peningkatan luas permukaan modul, “oenoflow XL” menggabungkan sebuah aliran baru dan mengembangkan distribusi aliran dengan sebuah sistem yang dinamakan “Dynamic Solid Control”. Sistem “oenofine XL” merupakan desain yang diusulkan oleh produser yang sama yang memungkinkan stabilisasi dan klarifikasi anggur dalam satu tahap, tanpa melalaui tahap penyelesaian yang biasa dilakukan setelah perlakuan dengan bentonit.
10
Gambar 6. Flavy FX tandem filter Sebuah konsep juga telah dikembangkan untuk membran keramik, misalnya “VINITIS” (SIVA). Tangential Integrated System (TIS) merupakan modul otonom yang mengintegrasikan membran, lingkaran sirkulasi dan pompa, menciptakan sebuah aliran tangensial (gambar 7). TIS menyederhanakan realisasi sistem, mengurangi biaya manufaktur dan implantasi yang mudah, karena kebutuhan ruang yang rendah. Karena kepadatannya yang tinggi, TIS juga mengurangi volume akhir. “VINI-TIS” juga dapat digunakan untuk filtrasi jus anggur dan sisa-sisa. Fleksibilitas ini dimungkinkan karena TIS merupakan modul otonom dimana membrane dapat diubah dengan mudah, itu memungkinkan untuk beradaptasi dengan muatan dan viskositas dari prodik yang perlu disaring.
Gambar 7. Tangential Integrated System (TIS) [30] 7. Kesimpulan Dalam industr anggur, aliran mikrofiltrasi memberikan banyak keuntungan dibandingkan dengan teknik tradisonal dan harus digunakan secara luas. Fouling membran bergantung pada komposisi anggur, kondisi operasi dan jenis membran. Meskipun kemajuan dan penelitian dilakukan untuk memahami dan menyelesaikan masalah fouling, masih ada sedikit pengetahuan mendasar mengenai masalah fouling tersebut. Kekurangan informasi mengenai: Interaksi fisika-kimia antara molekul anggur sendiri dan antara molekulmolekul dan membran. Dampak individual dan kontribusi senyawa anggur dalam fouling. Mekanisme yang menyebabkan fouling membran pada senyawa anggur. Metode untuk memprediksi tingkat fouling membran.
11
Daftar Pustaka Referensi [1] P. Ribéreau-Gayon, Y. Glories, A. Maujean, D. Dubourdieu, Handbook of Enology, Volume 2: The Chemistry of Wine, Stabilization and Treatments, 2nd ed., Dunod, Paris, 2006. [2] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, “Teknologi Membran dalam Pengolahan Pangan.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [3] G. Thoukis, Chemistry of wine stabilization: a review, in: A. Dinsmoor Webb (Ed.), Chemistry of Wine Making, American Chemical Society, Washington, 1974. [4] C.Flanzy, Œnologie: fondements scientifiques et technologiques, Lavoisier TEC&DOC, Paris, 1998. [5] R.B. Ferreira, M.A. Pic¸ arra-Pereira, S. Monteiro, V.B. Loureiro, A.R. Teixeira, The wine proteins, Trends Food Sci. Technol. 12 (2002) 230–239. [6] H. Dawes, S. Boyes, J. Keene, D. Heatherbell, Protein instability of wines: influence of protein isoelectric point, Am. J. Enol. Vitic. 45 (1994) 319–326. [7] A. Lonvaud-Funel, V. Renouf, P. Strehaiano, Microbiologie du vin: bases fondamentales et applications, Lavoisier, Cachan, 2010. [8] E.J. Waters, W. Wallace, P.J. Williams, Heat haze characteristics of fractionated wine proteins, Am. J. Enol. Vitic. 42 (1991) 123–127. [9] R. Irrmann, Microfiltration tangentielle: application en œnologie, Rev. Fr. Oenol. 137 (1992) 17–19. [10] I.G. Wenten; Khoiruddin; P.T.P. Aryanti; A.N. Hakim; “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [11] L.F. Song, Flux decline in crossflow microfiltration and ultrafiltration: mechanisms and modeling of membrane fouling, J. Membr. Sci. 139 (1998) 183–200. [12] L.F. Song, M. Elimelech, Theory of concentration polarization in cross-flow filtration, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91 (1995) 3389–3398. [13] W.R. Bowen, F. Jenner, Theoretical descriptions of membrane filtration of colloids and fine particles: an assessment and review, Adv. Colloid Interface Sci. 56 (1995) 141– 200. [14] J.G. Wijmans, S. Nakao, C.A. Smolders, Flux limitation in ultrafiltration: osmotic pressure model and gel layer model, J. Membr. Sci. 20 (1984) 115–124. [15] A.L. Zydney, C.H. Colton, A concentration polarization model for the filtrate flux in cross-flow microfiltration of particulate suspensions, Chem. Eng. Commun. 47 (1986) 1–21. [16] A. Broeckmann, J. Busch, T. Wintgens, W. Marquardt, Modeling of pore blocking and cake layer formation in membrane filtration for wastewater treatment, Desalination 189 (2006) 97–109. [17] I.G. Wenten, “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [18] G. Belfort, R.H. Davis, A.L. Zydney, The behaviour of suspensions and macromolecules solutions in cross-flow microfiltration, J. Membr. Sci. 96 (1994) 1–58. [19] Q. Gan, R.W. Field, M.R. Bird, R. England, J.A. Howell, M.T. McKechnie, C.L. Oshaughnessy, Beer clarification by cross-flow microfiltration: fouling mechanisms and flux enhancement, Chem. Eng. Res. Des. 75 (1997) 3–8.
12
[20] P. Bacchin, D. Si-Hassen, V. Starov, M.J. Clifton, P. Aimar, A unifying model for concentration polarization, gel-layer formation and particle deposition in cross-flow membrane filtration of colloidal suspensions, Chem. Eng. Sci. 57 (2002) 77–91. [21] A. Vernhet, D. Cartalade, M. Moutounet, Contribution to the understanding of fouling build-up during microfiltration of wines, J. Membr. Sci. 211 (2003) 357–370. [22] P.Bacchin, P. Aimar, Critical fouling conditions induced by colloidal surface interaction: from causes to consequences, Desalination 175 (2005) 21–27 [23] M. Feuillat, D. Peyron, J.L. Berger, Influence de la microfiltration tangentielle des vins sur leur composition physico-chimique et leurs caractères sensoriels. Application aux vins de Bourgogne, Bulletin de l’OIV 60 (1987) 227–244. [24] A. Vernhet, M.N. BellonFontaine, J.M. Brillouet, E. Roesink, M. Moutounet, Wetting properties of microfiltration membrane: determination by means of the capillary rise technique and incidence on the adsorption of wine polysaccharide and tannins, J. Membr. Sci. 128 (1997) 163–174. [25] A. Vernhet, P. Pellerin, M.P. Belleville, J. Planque, M. Moutounet, Relative impact of major wine polysaccharides on the performances of an organic microfiltration membrane, Am. J. Enol. Vitic. 50 (1999) 51–56. [26] D. Poirier, M. Bennasar, B. Tarodo de la Fuente, J. Gillot, D. Garcera, Clarification et stabilisations des vins par ultrafiltration tangentielle sur membranes minérales, Lait 64 (1984) 141–142. [27] R.B. Ferreira, S. Monteiro, M.A. Pic¸ arra-Pereira, M.C. Tanganho, V.B. Loureiro, A.R. Teixeira, Characterization of the proteins from grapes and wines by immunological methods, Am. J. Enol. Vitic. 51 (2000) 2–2 [29] Y. El Rayess, Cross –flow microfiltration applied to eenology: A review. Membrane Science 382 (2011) 1-9 [30] Elsevier Ltd., Crossflow filtration: A new approach to wine clarification, Available:www.filtsep.com/view/358/crossflow-filtration-a-new-approach-towine-clarification/, diakses 15-04-2016.
