37
R. Bambang unit filtrasi membran dan uji kinerjanya Buletin TeknikDjajasukmana: Pertanian Vol.Teknik 16, No.perakitan 1, 2011: 37-41
TEKNIK PERAKITAN UNIT FILTRASI MEMBRAN DAN PENGUJIAN KINERJANYA TERHADAP JUS JERUK DAN PRODUK OLAHAN LAINNYA R. Bambang Djajasukmana Teknisi Litkayasa Pelaksana Lanjutan pada Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian Jalan Tentara Pelajar No. 12, Bogor 16114, Telp. (0251) 8321762, 8350920, Faks. (0251) 8321762 E-mail:
[email protected],
[email protected]
T
eknologi membran untuk filtrasi berkembang cepat sejak dikomersialisasikan oleh Sartorius-Werk di Jerman pada 1927. Pengembangan dan aplikasi teknologi ini semakin beragam dan menjadi salah satu teknologi alternatif yang baik dalam proses filtrasi beberapa produk olahan pertanian. Aplikasi membran telah digunakan antara lain pada proses desalinasi, pemekatan susu, penjernihan jus buah, dan hemodialisis. Beberapa penelitian aplikasi membran telah dilakukan di Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian (BB Pascapanen), Bogor, untuk menjernihkan minyak kelapa murni (VCO) dan larutan isotonik air kelapa (Syah et al. 2006), minyak jarak (Sumangat et al. 2007), mengurangi rasa pahit pada jus jeruk (Setyadjit et al. 2007), memekatkan jus jambu biji (Setyadjit et al. 2008), dan menjernihkan jus rambutan (Setyadjit 2009) dengan menggunakan unit filtrasi membran yang dirakit sendiri. Filtrasi dengan membran dapat memisahkan makromolekul dan koloid dari larutannya. Serat membran mempunyai diameter pori yang berbeda. Berdasarkan ukuran pori, membran filtrasi dibagi menjadi membran mikrofiltrasi (MF), yang mempunyai diameter pori 0,1 µm, membran ultrafiltrasi (UF) dengan pori 0,001µm, dan reverse osmosis (RO) dengan pori 0,0001 µm. Bentuk modul membran digolongkan dalam beberapa tipe, seperti modul tubulaer (silinder padat), spiral, pelat datar, dan hollow fiber (silinder berlubang di tengah). Modul tipe hollow fiber dan kapiler merupakan jenis yang umum digunakan. Jenis ini mempuyai kerapatan 10.000-30.000 serat kapiler yang tersusun dalam bundel silindris, di mana satu bundel terdiri atas sekitar 4.000 serat. Diameter serat 1-2 mm dan ketebalan dinding 50 µm (GDP Filter 2006). Percobaan bertujuan merakit unit filtrasi membran dan mengujinya untuk filtrasi jus jeruk siam dan produk olahan lainnya. BAHAN DAN METODE Percobaan dilaksanakan di Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian (BB Pascapanen),
Bogor, selama empat tahun (2006-2009). Bahan dan alat yang digunakan untuk merakit unit filtrasi membran adalah klep/ katup ¼ inci, pipa poliuretan diameter 6 mm, sokdrat ¼ inci, nipel slang ¼ inci, pengukur tekanan (pressure gauge) 1-15 Bar, T-drat ¼ inci, knee-drat ¼ inci, klem 200 mm x 5 mm, pelat akrilik tebal 6 mm, stahl stainless steel 2 cm x 4 cm, dan bahan pembuat jus, yaitu jeruk siam dan jambu biji merah. Alat yang sangat penting dalam percobaan ini adalah pompa diafragma 24 volt 124 psi dan silinder modul membran tipe hollow fiber dari bahan polisulfon dengan dimensi panjang (p) x diameter (d) sebagai berikut: (a) mikrofiltrasi 50 cm (p) x 2 inci (d); ultrafiltrasi 60 cm (p) x 2 inci (d), dan reverse osmosis 30 cm (p) x 2 inci (d). Perlakuan yang dicoba di antaranya adalah pengujian kinerja terhadap jus jeruk. Percobaan dimulai dengan merencanakan sistem alur proses yang akan digunakan untuk merakit unit membran. Sistem alur proses direncanakan bersama oleh peneliti dan teknisi. Pada tahap awal, dilakukan pembuatan gambar secara skematis, dilanjutkan dengan penyiapan bahan dan alat yang diperlukan, penyediaan bahan dan alat, dan perakitan unit membran filtrasi. Pada tahap terakhir dilakukan uji fungsional dan uji kinerja. Perakitan Unit Membran Perakitan unit membran didasarkan pada tahapan proses penggunaan membran, yang meliputi proses filtrasi dan pencucian. Pencucian bertujuan membersihkan modul membran setelah proses filtrasi selesai. Pada proses filtrasi (Gambar 1a), umpan (bahan cairan yang akan difiltrasi) dialirkan dari wadah penampungan ke membran dengan menggunakan pompa. Cairan akan bergerak dan difiltrasi dalam membran dan keluar pada ujung modul membran sampai semua bahan yang difiltrasi habis. Pada sisi modul terdapat dua saluran pengeluaran hasil filtrasi. Pada proses pencucian, arah aliran dimulai dari tangki hasil yang diisi air bersih. Pencucian dilakukan berulang sampai hasil cucian jernih (Gambar 1b). Perakitan proses filtrasi dimulai dengan memasang nipel dan slang pada sokdrat. Pipa dari pompa disambungkan ke
38
R. Bambang Djajasukmana: Teknik perakitan unit filtrasi membran dan uji kinerjanya Katup 3
Katup 3
Pengukur e tekanan
Pengukur e tekanan Modul membran Modul membran
Modul membran Modul membran
Pengukur Pressure gauge
Pengukur Pr essure gauge
tekanan
tekanan
Valve 22 Katup
Katup 5 Valve 5 Valve44 Katup
Katup 5
Valve 1
Penampung bahan
Katup 1
Valve 5 Valve44 Katup
Valve 66 Katup Pompa Pompa diafragma diagfragma
Saringan Saringan mesh 200 mesh 200
(a)
Valve 22 Katup
Katup 1
Penampung hasil
Valve 1
Katup 6 Valve 6 Pompa Pompa diafragma diagfragma Saringan Saringan mesh 200 mesh 200
(b) Penampung bahan
Penampung hasil
Gambar 1. Perakitan diagram unit filtrasi membran yang digunakan pada pengujian filtrasi jus jeruk; (a) alur proses filtrasi, (b) alur proses mencuci, BB Pascapanen, Bogor, 2006-2009
katup dan T-nipel pada salah satu ujung modul membran. Pada bagian ujung modul membran yang menjadi tempat pengeluaran bahan dipasang pengukur tekanan dan katup. Pada tahap berikutnya, pipa pada pompa disambungkan ke katup dan nipel pada salah satu ujung modul membran. Pada bagian ujung modul membran yang menjadi tempat pengeluaran bahan dipasang pengukur tekanan dan katup. Selanjutnya, pipa dikembalikan ke tempat penampungan bahan. Komponen rangkaian membran yang digunakan pada pengujian filtrasi jus jeruk siam dapat dilihat pada Gambar 2. Alur proses pencucian dimulai dari sisi modul membran, dipasang pipa yang bertemu pada T-drat. Dengan demikian, pipa pengeluaran hanya satu dan dipasang katup. Dari Tnipel dipasang pipa yang berhubungan dengan pipa umpan dari wadah penampungan bahan (Gambar 3 dan 4).
Cara Kerja Membran Pada perakitan unit filtrasi membran, modul yang digunakan adalah tipe hollow fiber yang mempunyai sistem cross flow, di mana aliran bahan berjalan searah dalam serat membran dengan memberi tekanan pada katup pengeluaran. Aliran bahan akan menekan dinding pori kapiler yang mempunyai diameter pori 10.000-30.000 Dalton (Walas 1988). Modul membran yang dirakit mempunyai molecular weight cut-off (MWCO) 20.000 Dalton sehingga bahan yang
Gambar 2. Komponen unit filtrasi membran yang digunakan pada pengujian filtrasi jus jeruk siam dan produk olahan lainnya; (a) pengukur tekanan, (b) pompa diafragma, (c) katup, (d) sokdrat, nipel slang, dan T-drat. BB Pascapanen, Bogor, 2006-2009
mempunyai berat molekul di bawah 20.000 Dalton akan menembus dinding kapiler, sedangkan bahan yang tidak tersaring akan bergerak searah serat kapiler dan keluar dari
39
R. Bambang Djajasukmana: Teknik perakitan unit filtrasi membran dan uji kinerjanya
Gambar 3. Rangkaian unit membran mikrofiltrasi yang digunakan pada pengujian filtrasi jus jeruk, BB Pascapanen, Bogor, 2006-2009
ujung modul membran. Hasil pemisahan akan terkumpul dan keluar pada saluran pengeluaran pada sisi modul membran. Kapasitas pemisahan ditentukan oleh besar kecilnya tekanan, yang dapat dipantau dengan pengukur tekanan dengan cara mengatur katup. Tekanan yang digunakan 1 bar. Karena menggunakan membran buatan GDP Filter Co, tekanan yang dianjurkan maksimum 2 bar. Semakin tertutup katupnya, kapasitas pemisahan atau hasil semakin banyak. Proses pencucian membran dilakukan dengan mengalirkan air sebagai umpan melalui pipa pengeluaran bahan (Gambar 1b). Katup pengeluaran hasil (V4) dan pemasukan bahan (V1) ditutup. Katup pengeluaran bahan pada ujung modul sebelah kanan (V3) dan kiri (V2) dibuka. Dengan demikian, air akan mengalir masuk melalui sisi modul ke dalam ruang membran dan menembus dinding kapiler, bergerak ke arah kiri dan kanan dalam pipa kapiler. Aliran air akan membawa partikel yang menempel pada permukaan dinding dalam kapiler keluar dari modul membran sehingga modul bersih kembali.
Uji Kinerja Membran Setelah selesai perakitan unit filtrasi membran, dilakukan uji fungsional menggunakan air sebagai umpan untuk mengetahui fungsi komponen yang digunakan. Pengujian kinerja membran menggunakan bahan umpan jus jeruk siam dan jus jambu biji merah.
Gambar 4. Membran reverse osmosis (atas) untuk pemekatan jus jambu biji merah, dan membran ultrafiltrasi (bawah) untuk pengujian filtrasi jus jeruk, BB Pascapanen, Bogor, 2006-2009
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian kinerja membran pada jus jeruk siam dan jus jambu biji merah disajikan pada Tabel 1 dan 2. Hasil uji fungsional dengan air menunjukkan semua komponen alat berfungsi, ditunjukkan oleh lancarnya pengeluaran air setelah melalui modul membran. Kinerja membran sangat ditentukan oleh jenis bahan yang difiltrasi. Untuk jus jeruk, bahan perlu disaring lebih dahulu dengan menggunakan saringan 200 mesh dan diendapkan. Larutan bagian atas dipisahkan dari endapan sebelum dimasukkan ke unit membran. Untuk jus jambu biji, setelah penyaringan, filtrat dipisahkan menggunakan sentrifus pada 1.440 rpm selama 30 menit untuk mencegah penyumbatan pada membran. Uji coba membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi pada jus jeruk menunjukkan, secara visual warna jus berubah menjadi lebih terang dibandingkan dengan ampas. Rasa pahit masih terasa dan larutan lebih encer. Pada proses ultrafiltrasi, warna dan rasa jus berubah; warna larutan menjadi bening, rasa pahit berkurang, namun rasa manis juga berkurang. Menurut Setyadjit et al. (2007), proses ultrafiltrasi menurunkan kadar limonin (penyebab rasa pahit) dari nilai awal 14,98 µg/l menjadi 7,53 µg/l. (Tabel 1), sedangkan pada mikrofiltrasi belum dapat terpenuhi. Proses mikrofiltrasi menyebabkan warna jus jambu biji merah berubah dari merah muda menjadi merah muda terang. Pada proses ultrafiltrasi, warna merah berkurang menjadi bening keruh, sedangkan pada proses reverse osmosis, filtrasi pada tekanan 5 bar,
40
R. Bambang Djajasukmana: Teknik perakitan unit filtrasi membran dan uji kinerjanya Tabel 1. Hasil uji kinerja unit filtrasi membran pada jus jeruk siam, BB Pascapanen, Bogor, 2007 Perlakuan
Vitamin C (mg/100 g)
Total asam (%)
TSS (°Brix)
pH
Naringin 1 (mg/l)
Limonin 1 (µm/l)
41,07 38,13 34,47 29,33 25,72 39,60 38,66
3,50 2,40 3,07 2,36 3,57 2,77 3
10,0 10,2 10,2 6,2 10,0 12,4 4,7
5,7 5,7 5,6 5,7 4,6 4,1 4,7
247,10 388,59 252,27 96,11 210,90 475,50 581,13
14,98 38,37 17,03 7,53 25,56 36,21 55,03
Jus jeruk awal Ampas Filtrat Filtrat membran ultrafiltrasi Filtrat membran mikrofiltrasi Ampas membran ultrafiltrasi Ampas membran mikrofiltrasi
TSS = total soluble solid (padatan terlarut total) 1 Naringin dan limonin adalah senyawa pada jeruk yang menyebabkan rasa pahit
Tabel 2. Hasil uji kinerja membran reverse osmosis (RO) pada filtrasi untuk memekatkan jus jambu biji merah, BB Pascapanen, Bogor, 2008 Waktu menit ke 0 5 10 20 30 40 60 80 100 130 160 190 290 330
TSS (°Brix) retentat 1
TSS (°Brix) permeat 2
4,8 4,8 5,0 5,0 5,2 5,4 5,4 5,6 5,8 6,2 6,6 7,0 7,6 8,0
1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,8 3,2 3,8 4,2
TSS = total soluble solid (padatan terlarut total) 1 Retentat adalah cairan hasil filtrasi yang lebih pekat 2 Permeat adalah cairan hasil filtrasi yang lebih encer
Gambar 5. Jus jambu merah (a), hasil proses mikrofiltrasi (b), ultrafiltrasi (c), dan reverse osmosis (RO) (d), BB Pascapanen, Bogor, 2007
meningkatkan padatan terlarut total (TSS) pada retentat sampai 8ºBrix (Tabel 2, Gambar 5 dan 6). Derajat Brix yang makin tinggi menunjukkan makin pekat dan makin tingginya kadar gula jus jambu merah. Proses filtrasi dengan membran RO sering digunakan untuk memekatkan cairan, seperti jus buah-buahan, dengan memisahkan airnya semaksimal mungkin. Pemekatan dengan cara penguapan menggunakan energi panas dapat menyebabkan kerusakan senyawa bioaktif pada jus buah-buahan. Uji coba filtrasi pada beberapa produk olahan, seperti minyak nilam menghasilkan minyak yang lebih jernih, yang ditunjukkan oleh peningkatan nilai transmisi dari 0,3633% menjadi 0,5718% (Risfaheri et al. 2001). Pada minyak jarak pagar, kejernihan meningkat sampai 93,40% setelah mikrofiltrasi selama 2 menit (Sumangat et al. 2007).
Gambar 6. Hasil ultrafiltrasi jus jambu biji merah; retentat (kiri) dan permeat (kanan), BB Pascapanen, Bogor, 2007
R. Bambang Djajasukmana: Teknik perakitan unit filtrasi membran dan uji kinerjanya
KESIMPULAN DAN SARAN Penggunaan membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dapat memisahkan partikel yang mempunyai berat molekul lebih besar dari ukuran pori kapiler membran. Unit filtrasi membran terdiri atas modul membran, pompa diafragma, dan peralatan bantu lainnya. Unit filtrasi membran dapat berfungsi baik jika dirakit dengan memenuhi persyaratan teknis yang sesuai dengan tahapan proses filtrasi, yaitu pengumpanan, penyaringan, dan pencucian. Tekanan pada proses filtrasi maksimum 2 bar agar serat kapiler tidak putus. Sebaiknya membran tidak digunakan untuk larutan dengan pH ekstrem dan suhu lebih dari 40°C. Teknologi membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dapat digunakan untuk filtrasi jus buah, minyak kelapa murni, dan minyak tumbuh-tumbuhan lainnya, dan menghasilkan cairan yang lebih jernih.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Bapak Dr. Setyadjit, M.App.Sci. yang telah memberikan kepercayaan dan bimbingan kepada penulis untuk merakit unit membran filtrasi sehingga alat tersebut dapat digunakan pada percobaan filtrasi jus jeruk dan jus jambu biji merah.
41
Risfaheri, T. Hidayat, S. Yuliani, Ma’mun, R.B. Djajasukmana, A. Suparman, Tritianingsih, dan A. Gani. 2001. Rekayasa Teknologi Membran Filtrasi untuk Meningkatkan Mutu Minyak Atsiri Rakyat. Laporan Akhir, Balai Penelitian Tanaman Rempah dan Obat, Bogor. Setyadjit, S. Prabawati, E. Sukesih, Suyanti, A.N.A. Syah, E. Savitri, T.H. Kusdinar, Tisnawati, dan Siswadi. 2007. Penanganan Pengolahan Jeruk Mendukung Program Pengembangan Jeruk di Kalimantan Barat. Laporan Akhir. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian, Bogor. Setyadjit, D. Sumangat, E. Sukesih, dan T. Haryati. 2008. Inovasi Teknologi Produksi Konsentrat Jambu Biji Merah dengan Teknologi Membran untuk Pengembangan Agroindustri Pedesaan. Laporan Akhir. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian, Bogor. Setyadjit, D. Sumangat, T. Haryati, W. Haliza, dan A. Suryani. 2009. Pengaruh Ph dan Suhu pada Penyimpanan Sari-Kristal Buah Rambutan. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian, Bogor. Sumangat, D., S. Yuliani, N. Harimurti, M. Hadipermata, A.N.A. Syah, Sunarmani, R.B. Djajasukmana, dan G. Adom. 2007. Pemanfaatan Minyak Jarak Pagar sebagai Bahan Bakar Pengganti Minyak Tanah. Laporan Akhir. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian, Bogor.
DAFTAR PUSTAKA
Syah, A.N.A., D. Sumangat, Risfaheri, D. Kun Tanti, L. Sukarno, S.I. Kailaku, I. Mulyawanti, N. Setyawan, H. Pramudji, R.U. Budirahardjo, Wahyudiono, G. Adom, dan R.B. Djajasukmana. 2006. Penelitian dan Pengembangan Minyak Kelapa Murni dan Produk Hilirnya. Laporan Akhir. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian, Bogor.
GDP Filter. 2006. Ultrafiltration Lab Scale Type Module S-1510. GDP Filter.Co., Bandung
Walas, S.M. 1988. Chemical Process Equipment. Butterworths Series in Chemical Engineering. Department of Chemical and Petroleum Engineering, University of Kansas.
