Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa)

UNTUK PENGHILANGAN LIMONIN DAN NARINGIN DARI

JUS JERUK SIAM (

Citrus nobilis

L. var

microcarpa

)

FATMA AGHITSNI

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2008

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa ) adalah karya saya sendiri dengan arahan komisi pembimbing dan belum pernah diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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, Mei 2008

Fatma Aghitsni NIM F351050111

FATMA AGHITSNI. Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa). Dibimbing oleh ERLIZA NOOR dan SETYADJIT.

Rasa pahit pada jus jeruk siam disebabkan oleh adanya senyawa limonin dan naringin. Pemanfaatan teknologi membran pada jus jeruk diharapkan mampu menghilangkan rasa pahit tersebut. Masalah utama proses membran adalah penurunan fluksi. Penurunan kinerja membran dapat dikendalikan apabila mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi dipahami. Penelitian ini bertujuan untuk menghilangkan senyawa limonin dan naringin dari jus jeruk Siam menggunakan mikrofiltrasi, memperoleh kondisi operasi mikrofiltrasi meliputi tekanan transmembran dan laju alir umpan yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tinggi, dan memprediksi mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses mikrofiltrasi jus jeruk.

Bahan baku yang digunakan adalah jeruk Siam Pontianak. Pada penelitian ini dipelajari karakteristik jus jeruk, pengaruh parameter operasi yang meliputi tekanan transmembran dan laju alir terhadap fluksi, rejeksi serta kualitas jus jeruk, dan mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk dengan mode operasi resirkulasi. Mekanisme perpindahan massa dianalisis dengan cara membandingkan data hasil penelitian dengan data hasil perhitungan menggunakan model thin film untuk fluida non-Newtonian berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi dengan pendekatan difusi Brownian dan self-diffusion, model Zidney-Colton, serta model Davis-Sherwood.

Analisis terhadap jus jeruk hasil proses penyaringan awal berseri menggunakan filter berukuran 65 mesh, 150 mesh, dan 200 mesh, konsentrasi limonin dan naringin serta total asam mengalami penurunan dan meningkat kembali setelah proses pasteurisasi. Vitamin C mengalami penurunan setelah pasteurisasi.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa jus jeruk Siam merupakan fluida non-Newtonian dan bersifat dilatan dengan nilai indeks perilaku aliran (n) sebesar 1.47. Fluksi batas tercapai pada tekanan 1.84 bar. Mikrofiltrasi pada jus jeruk dapat menghilangkan limonin dan naringin dari dalam jus jeruk dengan tingkat pengurangan sebesar 92.54 % untuk limonin dan 71.34 % untuk naringin. Mikrofiltrasi menyebabkan penurunan kandungan vitamin C di dalam jus jeruk sebesar 44.48 % dan total padatan terlarut sebesar 38.18 %. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh penggunaan tekanan transmembran yang cukup tinggi. Kondisi terbaik operasi mikrofiltrasi jus jeruk dengan tingkat rejeksi limonin dan naringin tertinggi adalah pada tekanan membran 1.74 bar dan laju alir 0.08 m detik-1 selama 30 menit yang menghasilkan fluksi sebesar 63.16 L m-2 jam-1.

Nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model difusi Brownian pada pada kisaran laju geser 800 – 1440 detik-1 adalah sebesar 8.18 x 10-8 - 1.01 x 10-7 m detik-1 , jauh lebih rendah dari nilai fluksi hasil percobaan sebesar 1.18 x 10-5 – 2 x 10-5 m detik-1 dengan perbedaan hampir 3 orde dan nilai mean square error 2.63 x 10-10. Nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model self-diffusion sebesar 1.26 x 10-6 - 2.30 x 10-6 m detik-1, lebih rendah dari nilai fluksi percobaan dengan perbedaan satu orde dan nilai mean square error sebesar 2.11 x 10-10.

Prediksi fluksi menggunakan model Zidney-Colton menghasilkan nilai fluksi sebesar 1.42 x 10-5 – 2.58 x 10-5 m detik-1. Nilai ini sedikit lebih tinggi dari nilai fluksi hasil percobaan, tetapi hampir mendekati fluksi hasil percobaan dan masih dalam satu orde dengan nilai mean square error sebesar 1.53 x 10-11.

dalam model Zidney-Colton seperti sifat fluida, ukuran partikel, bentuk partikel, fraksi volume partikel, dan sistem aliran fluida menyebabkan nilai hasil percobaan lebih mendekati pola Zidney-Colton.

Prediksi fluksi menggunakan model Davis-Sherwood menghasilkan nilai fluksi sebesar 8.11 x 10-6 – 1.48 x 10-5 m detik-1. Nilai ini sedikit lebih rendah dari nilai fluksi hasil percobaan, tetapi masih dalam satu orde dengan nilai mean square error sebesar 2.37 x 10-11. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terdapat sedikit perbedaan karakteristik jus yang digunakan. Model Davis-Sherwood berlaku untuk partikel yang berukuran sama, mengabaikan interaksi antar partikel serta mengasumsikan bahwa suspensi bersifat Newtonian. Jus jeruk mengandung berbagai partikel dengan berbagai ukuran sehingga interaksi antar partikel tidak dapat diabaikan begitu saja. Selain itu, berdasarkan hasil percobaan diketahui bahwa jus jeruk merupakan fluida non-Newtonian sehingga memiliki perilaku hidrodinamika yang berbeda dengan fluida Newtonian.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai fluksi percobaan lebih cenderung kepada nilai fluksi prediksi yang menggunakan model untuk suspensi, baik itu model Zidney-Colton maupun model Davis-Sherwood. Berdasarkan kecenderungan terhadap model-model tersebut, dapat disimpulkan bahwa jus jeruk merupakan suspensi. Kecenderungan perilaku fluksi pada mikrofiltrasi jus jeruk ke arah model untuk suspensi menunjukkan bahwa sifat suspensi sangat berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama mikrofiltrasi jus jeruk. Walaupun model self diffusion menggunakan dasar perhitungan koefisien difusi yang sama dengan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood, namun nilai fluksi prediksi model self diffusion cenderung lebih rendah daripada nilai fluksi prediksi menggunakan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood. Hal ini disebabkan oleh perbedaan pendekatan konsentrasi. Model self-diffusion menggunakan pendekatan konsentrasi berdasarkan kandungan senyawa limonin dan naringin, sedangkan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood menggunakan pendekatan konsentrasi partikel. Dengan demikian, salah satu faktor yang berpengaruh dominan dalam mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk adalah konsentrasi partikel, bukan konsentrasi senyawa limonin dan naringin.

Mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk sangat tergantung pada sifat jus. Model Zidney-Colton lebih sesuai untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk yang dipengaruhi oleh ukuran dan konsentrasi partikel di dalam larutan serta laju geser. Hal ini yang ditunjukkan oleh nilai mean square error model Zidney-Colton yang lebih kecil dibandingkan dengan model lainnya. Dengan demikian, mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk untuk penghilangan limonin serta naringin dapat dideskripsikan sebagai mekanisme perpindahan massa secara difusi yang dipacu oleh geseran (shear-induce diffusion). Nilai fluksi percobaan lebih mendekati nilai fluksi prediksi menggunakan model polarisasi konsentrasi Zidney-Colton untuk suspensi encer dibandingkan dengan model untuk suspensi pekat, dengan demikian jus jeruk dapat dikategorikan sebagai suspensi dengan sifat encer.

Kata kunci : mikrofiltrasi, Citrusnobilis, limonin, naringin, suspensi, shear-induce diffusion

FATMA AGHITSNI. Mass Transfer Model on the Microfiltration for Removing Limonin and Naringin from Siam Citrus Juice (Citrus nobilis L. var microcarpa). Supervised by ERLIZA NOOR and SETYADJIT.

Bitterness in citrus juice primarily due to the presence of limonin and naringin. Using membrane technology is expected to remove the bitterness. The decreasing of flux is a general membrane problem. Understanding of mass transfer mechanisms, the decreasing of membrane performance could be controlled. The research aimed to remove limonin and naringin from Siam citrus juice by microfiltration, to get the best condition of operation of microfiltration i.e. higher permeate flux and rejection, and to predict mass transfer mechanisms on the microfiltration for removing limonin and naringin from Siam citrus juice.

Raw material of the study was Siam citrus. The steps of the study were citrus juice characteristics, effect of transmembrane pressure and cross flow velocity on the permeate flux, rejection, quality of citrus juice, and mass transfer mechanism on the microfiltration of citrus juice according to the total recycle operation mode. Mass transfer mechanism was analyzed by comparing the experimental data with calculation data using thin film models of non-Newtonian fluids based on non-dimensional analysis with Brownian diffusion and shear-induced diffusion approach, Zidney-Colton model, and Davis-Sherwood model.

The results showed the fresh citrus juice is a non-Newtonian fluid and a character of dilatant. The limiting flux reached at the transmembrane pressure of 1.84 bar. Optimum condition for microfiltration citrus juice at the transmembrane pressure of 1.74 bar and flow rate of 0.08 ms-1 for 30 minutes, with the permeate flux about 63.16 L m-2h-1.

In these conditions, the microfiltration of citrus juice could remove limonin and naringin, respectively by 92.54 % and 71.34 %. The limonin rejection was higher than naringin because limonin is more hydrophobic so that adsorbed onto membrane surface easier. High transmembrane pressure application caused decreasing vitamin C and total soluble solids content in the permeate, respectively by 44.48 % and 38.18 %.

Mass transfer mechanisms on the microfiltration of citrus juice strongly depend on citrus juice properties. Presence of particles in citrus juice caused increasing of shear rate on membrane wall, so that increase particle deposition rates from membrane surface. Mass transfer mechanisms on the microfiltration of citrus juice were affected by particle size, particle concentration, and shear rate as showed by close value of experimental data with Zidney-Colton model. Finally, the mass transfer mechanism on the microfiltration Siam citrus juice for removing limonin and naringin could be decribed as mass transfer mechanism by shear-induce diffusion and fresh citrus juice is a dilute suspension.

Key words: microfiltration, orang juice, Citrus nobilis, limonin, naringin, shear-induce diffusion, suspension, dilatant.

© Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor (IPB), tahun 2008 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 IPB

2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

UNTUK PENGHILANGAN LIMONIN DAN NARINGIN DARI

JUS JERUK SIAM (

Citrus nobilis

L. var

microcarpa

)

FATMA AGHITSNI

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Program Studi Teknologi Industri Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(Citrus nobilis L. var microcarpa) Nama : Fatma Aghitsni

NIM : F 351050111

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

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodipuro, M.S.

Segala puji hanyalah milik Allah SWT semata yang telah memperkenankan penulis menyelesaikan penelitian dan menuangkan hasilnya dalam bentuk tesis yang berjudul “ Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) ” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor.

Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih yang mendalam kepada Ibu Dr. Ir. Erliza Noor dan Bapak Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc. selaku dosen pembimbing atas segala bimbingan, bantuan, dan motivasi baik berupa moril maupun materi yang telah diberikan selama penelitian dan penyusunan tesis. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Suprihatin atas kesediaan sebagai penguji luar komisi dan memberikan masukan yang sangat bermanfaat.

Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Dr. Ir. Irawadi Jamaran dan Dr. Ir. Ani Suryani selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknologi Industri Pertanian IPB yang telah banyak memberikan masukan dan bantuan demi kelancaran studi penulis. Juga ucapan terima kasih ditujukan kepada seluruh staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB yang telah memberi ilmu pengetahuan dan bimbingan kepada penulis selama menimba ilmu pengetahuan.

Penghargaan dan ucapan terima kasih yang mendalam disampaikan kepada Pemerintah Kabupaten Sambas yang telah membiayai penulis selama melaksanakan tugas belajar di Sekolah Pascasarjana IPB. Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Sekretariat Jenderal Penelitian dan Pengembangan Departemen Pertanian yang telah memberi dukungan finansial bagi pelaksanaan penelitian melalui Program Kerjasama Kemitraan Penelitian Pertanian dengan Perguruan Tinggi (KKP3T). Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Kepala Balai Besar Pasca Panen Litbang Deptan yang bersedia memfasilitasi penelitian ini dan kepada semua pihak yang telah banyak membantu demi kelancaran pelaksanaan penelitian, yaitu staf dan teknisi laboratorium di Departemen Teknologi Industri Pertanian dan Balai Besar Pasca Panen Litbang Deptan, rekan-rekan seperjuangan serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu atas bantuan, dorongan dan masukan yang bermanfaat.

Ucapan terima kasih yang tulus untuk ibunda, ayahanda, dan suami tercinta, kedua anakku tersayang Izzatunnisa dan Nabilah, serta kakak-kakak dan adik-adik terkasih atas semangat, dorongan, pengertian, dan iringan doa yang tulus ikhlas kepada penulis selama menyelesaikan program S2 ini.

Penulis berharap karya kecil ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak yang membutuhkan. Semoga dengan mengetahui sekelumit tentang mikrofiltrasi jus jeruk ini, akan menambah keimanan kita kepada Sang Khalik Yang Maha Mengetahui Segala Sesuatu.

Bogor, Mei 2008

Penulis dilahirkan di Sambas pada tanggal 28 Juni 1975 dari ayah Zoechni Muhsin dan ibu Kartini Andak. Penulis merupakan putri kelima dari enam bersaudara. Pada tahun 1993 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Pontianak dan pada tahun yang sama penulis diberi kesempatan untuk melanjutkan pendidikan di IPB melalui jalur USMI pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian dan lulus tahun 1998. Pada tahun 1998 – 1999, penulis menjadi tenaga pendamping Program Proksidatani kerjasama IPB-Deptan-Depkop di Kabupaten Pandeglang. Sejak tahun 2000, penulis bekerja sebagai staf Dinas Perindustrian, Perdagangan, dan Koperasi Pemerintah Kabupaten Sambas. Pada tahun 2005, penulis mendapat beasiswa dari Pemerintah Kabupaten Sambas untuk melanjutkan pendidikan S2 pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian di perguruan tinggi yang sama.

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xv

1 PENDAHULUAN ... 1

1 1 Latar Belakang ... 1

1 2 Identifikasi Masalah ... 4

1 3 Tujuan Penelitian... 5

1 4 Ruang Lingkup ... 5

1 5 Hipotesis... 5

2 TINJAUAN PUSTAKA... 6

2 1 Limonin dan Naringin... 6

2 2 Parameter Kualitas Sari Buah Jeruk ... 8

2 3 Reologi ... 9

2 4 Aplikasi Membran pada Industri Minuman ... 10

2 5 Kinerja Membran, Polarisasi Konsentrasi dan Fenomena Perpindahan Massa ... 14

2 6 Model Perpindahan Massa (Teori Film) ... 17

3 BAHAN DAN METODE... 26

3 1 Bahan dan Peralatan ... 26

3 2 Metode Penelitian... 27

3 2 1 Penelitian Pendahuluan ... 28

3 2 2 Penelitian Utama ... 33

3 2 3 Pengujian Model ... 33

4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4 1 Pemisahan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk dengan Mikrofiltrasi . 36 4 1 1 Penyaringan awal ... 36

4 1 2 Densitas dan sifat reologi jus ... 41

4 1 3 Penentuan fluksi air ... 42

4 1 4 Waktu tunak ... 43

4 1 5 Profil rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin 45 4 1 6 Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi dan rejeksi .. 49

4 1 7 Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus dan rejeksi ... 52

4 1 8 Kualitas jus jeruk hasil mikrofiltrasi... 56

4 1 9 Efisiensi pencucian ... 57

4 2 Pengujian Model ... 59

4 2 1 Model thin film untuk fluida non-Newtonian berdasarkan nilai koefisien perpindahan massa (

k

) yang dihitung menggunakan persamaan difusi Brownian Navier- Stokes (

D

bdn) ... 60

4 2 2 Model thin film untuk fluida non-Newtonian berdasarkan nilai koefisien perpindahan massa (

k

) yang dihitung menggunakan persamaan self diffusion Eckstein (

D

sdn) ... 61

4 2 3 Model polarisasi konsentrasi (shear-induce diffusion ) Zidney-Colton ... 64

4 2 4 Model shear-induce diffusion Davis Sherwood ... 66

4 2 5 Analisis sifat jus ... 69

DAFTAR ISI

Halaman

5 KESIMPULAN DAN SARAN... 71 DAFTAR PUSTAKA ... 72 LAMPIRAN ... 79

DAFTAR TABEL

Halaman

1 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA ... 8 2 Ringkasan hasil penelitian aplikasi membran pada jus ...11 3 Ringkasan hasil penelitian pengembangan teori dan model semi empiris

untuk memprediksi fluksi ...21 4 Persentase berat bagian-bagian buah ...36 5 Pengurangan jumlah partikel pada hasil penyaringan berseri dan membran

milipore 0.45 µm dibandingkan dengan hasil penyaringan 65 mesh ...39 6 Perubahan pH, vitamin C, total padatan terlarut , total asam, konsentrasi

limonin dan naringin selama penyaringan awal ...39 7 Hasil analisa komponen kimia mayor pada jus jeruk ...40 8 Konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat dan retentat pada

berbagai tekanan transmembran ...52 9 Konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat dan retentat pada

berbagai laju alir ...55 10 Nilai

k

non-Newtonian (

k

bdn) pada berbagai laju alir ...60

11 Nilai

D

sdndan

k

sdnpada berbagai laju alir ...62 12 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan berbagai model

dengan nilai fluksi hasil percobaan ...67

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1 Struktur limonin ... 6

2 Perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat pertambahan waktu dan suhu ... 7

3 Struktur molekul naringin ... 8

4 Reogram untuk beberapa tipe fluida ...10

5 Tahapan di dalam proses membran ...15

6 Skema polarisasi konsentrasi dan fouling ...16

7 Rangkaian membran mikrofiltrasi ...26

8 Diagram alir proses pembuatan jus jeruk ...29

9 Pengukuran fluksi permeat dan retentat ...31

10 Skema proses mikrofiltrasi jus jeruk...32

11 Diagram alir tahapan penelitian utama ...35

12 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 65 mesh ...37

13 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 150 mesh ...37

14 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 200 mesh...38

15 Partikel jus hasil penyaringan dengan membran milipore berukuran 0.45 µm ...38

16 Pengaruh laju geserterhadapviskositas jus...41

17 Pengaruh laju geser terhadaptegangan geser ...42

18 Fluksi air selama proses mikrofiltrasi ...43

19 Fluksi jus selama proses filtrasi ...44

20 Perubahan konsentrasi limonin dalam permeat selama mikrofiltrasi ...45

21 Perubahan konsentrasi naringin dalam permeat selama mikrofiltrasi...46

22 Rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin selama mikrofiltrasi pada TMP =1.28 bar dan v = 0.06 m dtk-1 ...46

23 Jus hasil mikrofiltrasi ...48

24 Pengamatan dengan mikroskop terhadap permeat hasil mikrofiltrasi yang diresirkulasi ...49

25 Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada berbagai tekanan transmembran pada v=0.06 m dtk-1 ...49

26 Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi jus ...51

27 Pengaruh tekanan transmembran terhadap rejeksi membran ...52

28 Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus pada berbagai tekanan trans membran ...53

29 Pengaruh laju alir terhadap rejeksi membran ...54

DAFTAR GAMBAR

Halaman

30 Penurunan kinerja membran mikrofiltrasi ...58 31 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model thin film

untuk fluida non-Newtonian berdasarkan koefisien difusi Brownian dengan nilai fluksi hasil percobaan ...61 32 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model thin film

untuk fluida non-Newtonian berdasarkan koefisien self-diffusion dengan nilai fluksi hasil percobaan ...62 33 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi kedua model non-Newtonian

dengan nilai fluksi hasil percobaan ...63 34 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Zidney-Colton dengan

nilai fluksi hasil percobaan ...65 35 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Davis-Sherwood dengan nilai fluksi hasil percobaan ...66 36 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan berbagai model

dengan nilai fluksi hasil percobaan ...68 37 Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Zidney-Colton untuk

suspensi pekat dan suspensi encer dengan nilai fluksi hasil percobaan ..70

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1 Prosedur analisa ...79

2 Kurva standar limonin ...85

3 Kurva standar naringin ...86

4 Viskositas jus jeruk pada berbagai laju geser ...87

5 Fluksi air selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.26 bar dan laju alir = 0.13 m dtk-1...88

6 Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.22 bar dan laju alir = 0.09 m dtk-1...90

7 Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.35 bar dan laju alir = 0.06 m dtk-1_...91

8 Perubahan konsentrasi limonin di dalam permeat selama mikrofiltrasi ...92

9 Perubahan konsentrasi naringin di dalam permeat selama mikrofiltrasi ...93

10 Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada berbagai tekanan transmembran ...94

11 Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi pada v = 0.08 m dtk-1....95

12 Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus ...96

13 Perubahan fluksi air setelah dilakukan pencucian ...97

14 Perhitungan fraksi volume partikel yang dihitung berdasarkan persamaan fraksi massa...98

15 Perhitungan nilai

k

bdndan fluksi menggunakan model thin film untuk fluida non-Newtonian ...99

16 Perhitungan nilai

k

sdndan fluksi menggunakan model thin film untuk fluida non-Newtonian ...100

17 Perhitungan fluksi menggunakan model Zidney-Colton untuk suspensi encer ...101

18 Perhitungan fluksi menggunakan model Davis-Sherwood ...102

19 Perhitungan fluksi menggunakan model Zidney-Colton untuk suspensi pekat ...103

20 Penurunan persamaan koefisien perpindahan massa (

k

) berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi ...104

21 Penurunan model polarisasi Zidney-Colton ...106

22 Penurunan model Davis-Sherwood ...108

1.1. Latar Belakang

Jeruk siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) merupakan salah satu jenis jeruk yang saat ini banyak dibudidayakan. Industri hilir yang bergerak di bidang pengolahan jeruk belum banyak ditemukan di Indonesia, sehingga perlu dikem-bangkan untuk menyerap kelebihan produksi dan memanfaatkan jeruk yang berkualitas rendah. Salah satu produk olahan jeruk yang memiliki peluang cukup baik dikembangkan adalah jus.

Jus jeruk siam seringkali memiliki rasa pahit (bitterness) yang kurang disukai konsumen. Hal ini menjadi menjadi kendala bagi industri yang memproduksi jus jeruk secara komersial. Dengan demikian, proses pemisahan limonin dan naringin sangat diperlukan agar produk jus jeruk dapat diterima di pasaran. Menurut Chandler dan Kefford (1966) serta Maier (1977) rasa pahit dalam jus jeruk disebabkan oleh senyawa limonoid terutama limonin dan senyawa flavonoid terutama naringin. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Setyadjit et al. (2006) terhadap beberapa varietas jeruk yang beredar di Indonesia, konsentrasi limonin tertinggi terdapat pada jeruk nipis, yaitu 16.25 µg ml-1. Jeruk Pontianak menempati tempat kedua, yaitu 13.70 µg ml-1, kemudian jeruk Medan 4.30 µg ml-1, jeruk Argentina 3.13 µg ml-1, sedangkan pada jeruk Sunkist tidak ditemukan kandungan limonin.

Walaupun menjadi kendala bagi industri pengolahan jeruk, senyawa limonin dan naringin ternyata memiliki manfaat yang besar bagi kesehatan. Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa limonin berpotensi mencegah penyakit degeneratif seperti kanker, sedangkan vitamin C dan flavonoid di dalam jus jeruk berfungsi sebagai antioksidan (Jacob et al. 2000). Sebagai antioksidan dan antikanker, produk ini dapat dimanfaatkan sebagai produk samping (by product) karena kedua senyawa tersebut memiliki harga yang tinggi yaitu sebesar US$ 93.2 untuk 5 mg limonin murni, dan US$ 83.4 untuk 100 g naringin murni (SIGMA 2004). Secara komersial, limonin dijual dengan tingkat kemurnian 75% ± 5% (SIGMA 2007).

Teknik pemisahan limonin dan naringin dari jus jeruk umumnya dilakukan melalui proses pemisahan fisik seperti presipitasi, adsorpsi, dan pertukaran ion, secara kimia dengan proses ekstraksi pelarut, secara biologi dengan proses enzimatis dan hidrolisis. Selain memerlukan tambahan biaya yang cukup tinggi ,

penggunaan teknik-teknik tersebut dapat menyebabkan sebagian komponen yang bermanfaat akan hilang seperti flavor dan warna (Chen & Chen 1998). Hal ini dapat berdampak pada penurunan kualitas produk sehingga kurang menguntungkan jika dikembangkan dalam skala industri.

Salah satu teknik pemisahan yang sekarang mulai banyak dikembangkan yaitu menggunakan membran. Pemilihan teknologi membran untuk pengolahan produk agroindustri merupakan suatu alternatif yang baik karena aplikasinya tidak memerlukan suhu tinggi, sehingga diharapkan dapat mempertahankan kualitas dan kestabilan produk seperti nilai nutrisi dan flavor produk.

Pemanfaatan membran untuk industri makanan dan minuman khususnya jus buah-buahan akhir-akhir ini sudah mulai dikembangkan antara lain mikrofiltrasi untuk penjernihan jus ceri (Casani & Jorgensen 2000) dan jus jeruk orange (Venturini et al. 2003; Cisse et al. 2005). Selain mikrofiltrasi, ultrafiltrasi terhadap jus buah-buahan juga telah banyak dilakukan dengan tujuan klarifikasi antara lain jus apel (Bruijn et al. 2002), jus wortel (Cassano et al. 2003), jus blood orange (Cassano et al. 2007b), dan untuk memproduksi jus buah kiwi yang bernutrisi tinggi (Cassano et al. 2006; Cassano et al. 2007a). Aplikasi teknik mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dalam industri jus jeruk umumnya bertujuan untuk menghilangkan padatan tersuspensi, serta depektinasi. Belum ada literatur yang melaporkan keberhasilan penggunaan teknik ini untuk penghilangan rasa pahit. Pada proses penghilangan rasa pahit, umumnya mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi digabungkan dengan teknik pemisahan lainnya dan digunakan sebagai perlakuan awal seperti yang dilakukan oleh Hernandez et al. (1992a; 1992b).

Pada proses filtrasi membran, rejeksi terhadap komponen yang ingin dipisahkan (pengotor) berkaitan erat dengan mekanisme pemisahan yang terjadi saat proses filtrasi berlangsung. Molecular weight cut off (MWCO) yang umum digunakan untuk merepresentasikan karakteristik rejeksi dari membran berdasarkan ukuran pori seringkali tidak berpengaruh signifikan terhadap tingkat rejeksi (Jonsson 1986; Rai et al. 2006a). Ada mekanisme lain yang terjadi selama proses filtrasi sehingga komponen pengotor dengan berat molekul yang jauh lebih kecil dari ukuran pori membran dapat tertahan. Mekanisme tersebut umumnya direpresentasikan dalam bentuk mekanisme perpindahan massa.

Dalam aplikasi industri, selain mengharapkan tingkat rejeksi yang tinggi, proses filtrasi membran juga diharapkan menghasilkan fluksi yang tinggi. Salah

satu kendala aplikasi teknologi membran secara komersial adalah penurunan fluksi permeat. Polarisasi konsentrasi dan fouling adalah dua fenomena umum yang menyebabkan penurunan fluksi dan berimplikasi pada penurunan kinerja membran. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mempelajari penurunan kinerja membran pada filtrasi jus jeruk. Rai et al. (2006b) menggunakan model resistansi seri untuk mempelajari fouling pada proses ultrafiltrasi jus jeruk manis dan Cassano et al. (2007b) mempelajari mekanisme fouling pada ultrafiltrasi jus blood orange. Analisis penurunan kinerja terutama difokuskan pada mekanisme fouling. Hasil analisis belum menggambarkan mekanisme utama yang sebenarnya terjadi pada proses filtrasi sehingga belum dapat memberikan solusi yang jelas untuk mengatasi penurunan kinerja membran.

Penurunan kinerja membran dapat dikendalikan apabila mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi dipahami. Menurut Belfort (1994), pemahaman terhadap perilaku larutan selama proses filtrasi tidak hanya untuk mengurangi polarisasi konsentrasi dan fouling, tetapi juga bermanfaat dalam pengembangan mode operasi yang lebih baik dan kemungkinan untuk lebih mengefisienkan elemen-elemen membran.

Model yang umum digunakan untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi membran adalah model thin film (Cheryan 1998). Salah satu pelopor modifikasi teori film yang hasil penelitiannya banyak dijadikan acuan adalah Shen dan Probstein (1977). Shen dan Probstein (1977) menghasilkan model untuk memprediksi fluksi pada ultrafiltrasi makromolekul dan bersifat Newtonian. Namun demikian, ketika model ini diaplikasikan pada umpan dengan sifat fluida yang berbeda, perilaku fluksi yang dihasilkan menjadi berbeda juga (nilai prediksi lebih tinggi atau lebih rendah dari nilai percobaan) sehingga tidak dapat menggambarkan fenomena sebenarnya. Kesalahan dalam memprediksi fluksi terutama disebabkan oleh keterbatasan pendekatan yang digunakan.

Oleh karena itu, pada dua puluh tahun terakhir modifikasi teori film berkembang cukup pesat dengan pendekatan berdasarkan sifat dan karakteristik fluida yang digunakan seperti Newtonian, non-Newtonian, makromolekul, suspensi, atau larutan dengan partikel besar serta konsentrasi pekat atau encer. Beberapa modifikasi teori film dengan pendekatan sifat dan karakteristik bahan dilakukan untuk menyempurnakan teori sebelumnya seperti untuk suspensi (Zidney & Colton 1986; Davis & Birdsell 1987; Davis & Leighton 1987; Romero

& Davis 1990; Davis & Sherwood 1990) dan untuk makromolekul (Trettin & Doshi 1980, Song & Elimelech 1995b; Pritchard et al. 1995; Charcosset & Choplin 1996). Dengan demikian, pengetahuan tentang sifat dan karakteristik umpan diperlukan untuk menentukan model mana yang cocok digunakan sehingga dapat menggambarkan mekanisme perpindahan massa yang sebenarnya.

Deposisi zat terlarut atau partikel pada permukaan membran atau di dalam pori membran terjadi ketika permeasi relatif lebih tinggi daripada variasi mekanisme perpindahan balik. Peristiwa ini seringkali terjadi pada mikrofiltrasi koloid dan partikel yang memiliki koefisien difusi rendah (Belfort et al. (1994). Dengan demikian dapat difahami bahwa mekanisme perpindahan balik massa bervariasi tergantung pada koefisien difusi zat terlarut. Mekanisme perpindahan massa pada filtrasi jus jeruk kemungkinan menunjukkan perilaku tertentu berdasarkan sifat alaminya dengan kandungan berbagai macam partikel terlarut serta tak terlarut dan sampai saat ini belum ditemukan referensi yang memuat hal tersebut. Beberapa penelitian secara teori memfokuskan pada variasi mekanisme perpindahan massa yang diakibatkan oleh variasi pergerakan partikel karena pengaruh geseran, sehingga menghasilkan model yang berbeda untuk memprediksi fluksi. Pergerakan partikel terjadi antara lain karena difusi Brownian dan difusi yang dipacu oleh geseran (shear-induced diffusion).

Berdasarkan uraian di atas, untuk memperkirakan mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi jus jeruk, pada penelitian ini digunakan beberapa model thin film yang dikembangkan berdasarkan beberapa pendekatan, yaitu berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi yang difokuskan pada efek difusi Brownian serta difusi yang dipacu oleh geseran dan berdasarkan pertimbangan sifat bahan (makromolekul dan suspensi). Dengan mempertimbangkan sifat bahan, maka pada hasil akhir diharapkan dapat diketahui sifat jus jeruk yang sebenarnya, apakah merupakan suspensi (pekat atau encer) atau makromolekul.

1.2. Identifikasi Masalah

Proses filtrasi membran diharapkan menghasilkan rejeksi yang tinggi terhadap senyawa limonin dan naringin pada jus jeruk serta fluksi yang tinggi. Karena itu perlu diketahui faktor-faktor dominan yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk.

1.3. Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Menghilangkan limonin dan naringin dari jus jeruk siam menggunakan mikrofiltrasi.

2. Memperoleh kondisi operasi mikrofiltrasi terbaik meliputi tekanan transmembran dan laju alir umpan yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tinggi.

3. Memprediksi mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses mikrofiltrasi jus jeruk siam.

1.4. Ruang Lingkup

Penelitian menggunakan bahan baku jeruk siam Pontianak (Citrus nobilis L var microcarpa). Penelitian ini terdiri dari dua tahap, yaitu penelitian pendahuluan dan penelitian utama. Penelitian pendahuluan meliputi karakterisasi sifat fisikokimia (densitas, viskositas, sifat reologi serta komposisi kimia) jus jeruk, penentuan tahanan membran awal, serta penentuan kondisi tunak yang meliputi waktu dan tekanan transmembran operasi. Penelitian utama meliputi penghilangan limonin dan naringin menggunakan membran polipropilena berukuran pori 0.1 µm dengan luas area 1 m2 dan modul mikrofiltrasi hollow fiber. Parameter operasi yang dilihat adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir umpan terhadap fluksi, rejeksi dan kualitas jus jeruk yang diamati meliputi : total padatan terlarut (ºBrix), total asam, rasio °Brix/asam, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin, dan konsentrasi naringin. Selanjutnya dilakukan prediksi penurunan fluksi menggunakan beberapa model matematik yang dianalisis berdasarkan mekanisme perpindahan massa.

1.5. Hipotesis

Hipotesis yang diajukan dalam penelitian ini adalah :

1. Mikrofiltrasi dapat mengurangi kandungan limonin dan naringin di dalam jus jeruk

2. Mekanisme perpindahan massa yang terjadi pada proses mikrofiltrasi jus jeruk dipengaruhi oleh sifat jus jeruk.

2.1. Limonin dan Naringin

Limonin (Limonoic Acid 3,19:16,17-dilactone) (Gambar 1) adalah senyawa limonoid dengan rumus molekul : C26H30O8 memiliki berat molekul 470.5 Da, titik

didih 280 ºC. Bersifat tidak larut dalam air dan kelarutannya dalam air dapat meningkat karena adanya gula dan pektin. Limonin larut dalam acetonitrile, asam asetat glasial, dan kloroform. Senyawa dengan bentuk kristal berwarna putih kekuningan ini ditemukan pada semua spesies jeruk, dengan kandungan tertinggi terdapat pada biji (Mozaffar et al. 2000).

Gambar 1 Struktur molekul limonin (Khalil et.al. 2003).

Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa limonin mengandung satu gugus epoksida, satu cincin furan, dua cincin lakton, dan satu cincin yang beranggotakan 5 gugus eter. Limonin terbentuk pada proses ekstraksi jus jeruk sebagai hasil esterifikasi senyawa limonoid acid A-ring lactone. Proses esterifikasi ini dikatalisasi oleh asam dan dipengaruhi oleh aktivitas enzim. Adanya penambahan panas selama proses pasteurisasi dan evaporasi akan mempercepat reaksi esterifikasi (Mozaffar et al. 2000). Gambar 2 memperlihatkan perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat bertambahnya waktu dan suhu.

Derajat rasa pahit jus jeruk tergantung pada kandungan limonin di dalam jus. Menurut Chandler dan Kefford (1966), pada jus jeruk navel, kandungan limonin kurang dari 6 ppm terasa tidak pahit, 9 ppm terasa pahit, 24 – 30 ppm terasa sangat pahit. Tetapi menurut Puri (1984) dan Mozaffar (1998), pada

kandungan limonin yang rendah yaitu ± 6 ppm, rasa pahit sudah dapat terdeteksi dan berakibat pada penurunan kualitas jus jeruk.

Gambar 2 Perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat bertambahnya waktu dan suhu (Anonim 2006).

Menurut Khalil et al. (2003), beberapa senyawa limonoid yang diekstraksi dari biji jeruk dapat menghambat metabolisme mikroorganisme patogen. Limonin dan beberapa turunan limonoid lainnya bermanfaat sebagai antijamur (Candida albicans, Cryptococcus neoformans), sebagai anti bakteri (Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa dan Bacillus subtilis), serta dapat menghambat aktivitas Plasmodium falciparum (klon D6) dan P. falciparum (klon W2). Hasil penelitian Jitpukdeebodintra (2005) menunjukkan bahwa limonin dapat menstimulasi pembentukan antibodi spesifik yang dibuktikan oleh meningkatnya antibodi tikus secara signifikan setelah diinjeksi dengan limonin sebanyak 200 ppm.

Naringin (C27H32O14) (Gambar 3) merupakan senyawa flavonoid dengan

berat molekul 580 Da, titik lebur 171°C, tidak dapat larut dalam air tetapi larut dalam aseton, alkohol, serta asam asetat hangat. Naringin tersusun dari satu grup flavonoid yang menyertakan satu disakarida (glukosa dan ramnosa). Naringin merupakan salah satu jenis flavonoid utama yang menyebabkan rasa pahit di dalam jeruk. Flavonoid lainnya adalah hesperidin, namun tidak menimbulkan rasa pahit (Kimball 1999; Mozaffar et al. 2000).

Naringin juga diketahui dapat memberikan manfaat kesehatan. Naringin dapat menurunkan plasma-kolesterol dan mengatur kapasitas antioksidan pada kasus hiperkolesterol (Jung et al. 2003; Kurowska et al. 2000). Selain itu, naringin juga digunakan dalam terapi bagi pasien penderita diabetes (Brickley 1959) dan dapat mencegah kanker (Birt et al. 2001).

Gambar 3 Struktur molekul naringin (Gonzalez et al. 2002).

2.2. Parameter Kualitas Jus Jeruk

Beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas jus jeruk antara lain padatan terlarut, keasaman, rasio brix/asam, warna jus, kadar senyawa penyebab rasa pahit yang rendah, dan memiliki flavor yang bagus (USDA 1983). Untuk produk ekspor, umumnya industri pengolahan jeruk mengacu pada beberapa standar internasional, seperti standar USDA. Standar kualitas jus jeruk yang dipasteurisasi berdasarkan USDA disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983)

Faktor kualitas Grade A Grade B

Analisis Tanpa penambahan gula

Penambahan gula Tanpa penambahan gula

Penambahan gula

Brix : minimum 11.0 11.0 10.5 10.5

Padatan terlarut terutama pemanis

11.0 10.5

Rasio brix / asam min max min max min max min max California/arizona 11. 5:1 18.0 : 1 12.5 : 1 20.5 : 1 10.5: 1 23.0 : 1 10.5 : 1 23.0 : 1 Dari luar

California/Arizona

12.5 :1 20.5 : 1 12.5 : 1 20.5 : 1 10.5: 1 23.0 : 1 10.5 : 1 23.0 : 1

°Brix umumnya digunakan dalam industri jeruk untuk mengukur total padatan terlarut di dalam jus atau konsentrat. Padatan terlarut di dalam jus jeruk yang utama adalah gula (sukrosa, fruktosa dan glukosa). Keasaman adalah ukuran total asam yang ada di dalam jus. Jenis asam yang dominan di dalam jus

jeruk adalah asam sitrat. Jumlah asam yang ada di dalam jus dilaporkan sebagai persen asam sitrat anhidrat.

Rasio °Brix/asam berarti rasio °Brix dari jus dengan gram asam sitrat anhidrat per 100 gram jus (USDA 1983), sehingga persamaannya menjadi ,

Rasio

Asam

Brix

Asam

Brix

%

/

=

°

°

(1)

2.3. Reologi

Isaac Newton mengklasifikasikan fluida ke dalam dua tipe, yaitu Newtonian dan non-Newtonian. Fluida Newtonian adalah fluida yang memenuhi hukum Newton tentang viskositas dimana antara laju geser dan tegangan geser berhubungan secara linier. Fluida yang tidak mengikuti perilaku aliran Newtonian dinamakan fluida non-Newtonian. Sifat aliran fluida non-Newtonian dipengaruhi oleh laju geser (Patil & Magdum 2006; Rao 1995).

Perilaku aliran fluida non-Newtonian biasanya digambarkan dengan persamaan hukum pangkat atau power law equation yang dinamakan persamaan Ostwald-de Waele :

n

K

γ

τ

=

(2)

untuk mendapatkan apparent viscosity

(µ

a), maka persamaannya menjadi :

1

−

=

n

a

K

γ

μ

(3)

dimana :

K

dan

n

masing-masing adalah indeks konsistensi dan indeks perilaku aliran.

Berdasarkan perilaku aliran, fluida yang bersifat non-Newtonian dapat dibagi dalam 2 kategori, yaitu tidak tergantung waktu (time-independent) dan yang tergantung waktu (time-dependent). Perilaku aliran yang tidak tergantung waktu dapat dibagi dalam shear thinning (pseudoplastic) dan shear thickening (dilatant), tergantung pada nilai apparent viscosity terhadap laju geser (Rao 1995). Perry dan Green (1999) menggambarkan beberapa tipe fluida dalam bentuk reogram sebagaimana yang terlihat pada Gambar 4.

Fluida bersifat dilatan jika terjadi peningkatan viskositas karena laju geser. Perilaku dilatan ini jarang ditemukan dan diteliti. Sifat ini tergantung pada fraksi volume, distribusi ukuran partikel, dan viskositas fluida yang tersuspensi. Peningkatan viskositas suspensi sangat tergantung pada bentuk serta ukuran

partikel dan akan meningkat dengan cepat karena pembentukan agregat (Carreau et al. 1999).

Gambar 4 Reogram untuk beberapa tipe fluida (Perry & Green 1999).

Menurut Morrison dan Ross (2002), suspensi umumnya merupakan fluida Newtonian sampai tercapai laju geser yang tinggi dimana pada kondisi geseran tinggi sekelompok partikel menunjukkan sifat dilatan. Partikel tidak akan menunjukkan perilaku dilatan sampai tercapai kondisi close packing limit pada fraksi volume 60-70%.

Sifat reologi beberapa produk olahan jeruk telah diteliti, jus jeruk jenis orange yang sudah diklarifikasi dan dihilangkan pektinnya pada selang suhu 5 – 70 ºC dan konsentrasi 30.7 – 63.5 ºBrix bersifat Newtonian (Ibarz et al. 1994). Produk olahan lainnya yaitu konsentrat jeruk menurut Rouse (1977) dan Kimball (1999) memiliki sifat pseudoplastis.

2.4. Aplikasi Membran pada Industri Pangan

Aplikasi membran pada industri pangan terutama bertujuan untuk pemekatan atau penghilangan suatu komponen dalam produk pangan. Pemanfaatan teknologi membran pada industri pangan sangat dimungkinkan karena proses membran tidak menggunakan suhu tinggi sehingga sangat baik bagi produk pangan yang sensitif terhadap perubahan suhu (Liu 2005).

Salah satu industri pangan yang menggunakan filtrasi membran adalah industri jus. Aplikasi membran filtrasi terutama bertujuan untuk klarifikasi dan konsentrasi. Mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi merupakan proses membran yang banyak digunakan. Menurut Mans (2006), beberapa sistem ultrafiltrasi telah digunakan untuk menjernihkan jus apel, pir, persik, cranberries, dan anggur.

Penelitian tentang pemurnian jus dengan menggunakan membran telah dilakukan sejak beberapa dekade yang lalu dan sampai sekarang masih dikembangkan. Pada Tabel 2 dapat dilihat beberapa hasil penelitian terdahulu tentang aplikasi filtrasi membran berbahan baku jus.

Tabel 2 Ringkasan hasil penelitian aplikasi membran pada jus

Referensi Proses Membran Bahan baku Jenis dan geometri membran Kondisi operasi Fluksi yang dihasilkan

Hasil-hasil lainnya Kendala operasi

Chamchong & Noomhorm (1991)

MF Jus jeruk

tangerine

- polisulfon - flat sheet

- 25 kDa, 50 kDa, 100kDa, 0.1&0.2µm - A : 14 cm2

- TMP : 0.93 – 1.94 bar - v : 0.96 – 3.5

m dtk-1 - T : 25 °C - perlakuan

awal umpan: * penambahan

poligalakturo nase * penyesuaian

pH menjadi 2 - Fluksi

maksimum : 69 Lm-2 jam-1 pada: * pori 0.1 μm

* TMP : 1.94 bar * v : 3.5 m dtk-1

- polarisasi konsentrasi

dan fouling

terjadi pada tekanan tinggi dan laju alir rendah

Venturini et al. (2003)

MF Jus jeruk - keramik - tubular - 0.1, 0.2, 0.8

&1.4 µm - d : 8 mm - L : 0.2 m - A : 0.005 m2

TMP : 0.3 – 1.6 bar

5 - 37 Lm-2

jam-1

- TMP limit :1.5 bar (0.8 µm), 2 bar ( 1.4 µm), 2.4 bar (0.1 µm)

- tidak ada perubahan total padatan terlarut, pulp, pH, total asam - kehilangan vitamin

C : 28 % - peningkatan suhu

meningkatkan fluksi

penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi dan fouling

Cisse et al.

(2005)

MF Jus jeruk

Valencia

- keramik - tubular - 0.2 µm - A : 0.22 m2

- TMP : 4 bar - v : 7 m dtk-1

- T : 20 ±2 °C - t : 10 jam

62 Lm-2

jam-1

- tidak ada

perubahan vitamin C, total asam, konsentrasi gula, aroma

- total padatan terlarut di retentat lebih besar daripada di permeat - padatan

tersuspensi, senyawa terpen, karotenoid tertahan Hernandez et

al.

(1992a)

UF Jus Jeruk

Grapefruit

- polisulfon

-hollow fiber - 500 000 Da

- d : 0.75 mm

- A : 4.68 m2

TMP : 1.03 bar T : 25 °C

- - padatan

tersuspensi, pektin dan sebagian senyawa aroma terejeksi - alkohol, ester,

aldehida lolos - total padatan

terlarut tidak berubah penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi

Hernandez et al. (1992b)

UF Jus Jeruk

Grapefruit

- polisulfon

-hollow fiber - 500 000 Da

- d : 0.75 mm

- A : 4.68 m2

TMP : 0.55 – 1.38

bar

6.25 – 14.1 Lm-2 jam-1

TMP optimum : 1.38 bar

penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi

Tabel 2 Lanjutan Referensi Proses Membran Bahan baku Jenis dan geometri membran

Kondisi operasi Fluksi yang dihasilkan

Hasil-hasil lainnya Kendala operasi

Capanelli

et al. (1994)

UF Jus jeruk

- PVDF - 15 kDa & 80

kDa - tubular - d : 25 mm - L : 1500 mm - A : 4.68 m2

- TMP : 1.9 – 2.9 bar

- v : 0.5 – 13 m dtk-1

- T : 40 ±1 °C

± 10 – 170 Lm-2

jam-1 - TMP limit : 2 bar

- pektin dan pulp terdeposit di membran penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi - keramik - 0.5 – 0.8 µm - tubular - d : 4 mm - L : 0.85 m - A : 4.68 m2

- TMP : 1.5 – 2.5 bar

- v : 0.5 – 13 m dtk-1 - T : 40 ±1 °C

± 10 – 100 Lm-2

jam-1 - kinerja membran

lebih tinggi dibandingkan dengan PVDF pada laju alir rendah Casani dan Jorgensen (2000) MF Jus ceri

- Hollow fiber

- 0.8 & 0.5 µm - A : 0.23 m2

- TMP :0.06-1.21 bar

- v : 0.5 m dtk-1 (retentat) - T : 3-5 °C - batch

350 - 200 Lm-2 jam-1

penyumbatan pori bukan disebabkan oleh konsentrasi umpan (°Brix), tetapi oleh jumlah jus yang melewati membran

- Keramik

- 0.5 µm - A :52.6 m2

- TMP : 0.35 - 0.56 bar

236 Lm-2

jam-1 - mikrofiltrasi tidak

mempengaruhi warna, kandungan gula dan total fenol

-

Bruijn et al.

(2002)

UF Jus apel

- keramik - 15 kDa & 50

kDa - tubular - d : 3 mm - L : 1200 mm - A : 0.0225

m2

- TMP : 1.5-4 bar - v : 2 & 7 m dtk-1 - Suhu : 50-55 °C - resirkulasi - umpan : 25 L

penurunan fluksi terutama diakibatkan oleh fouling. Kondisi optimum untuk meminimisasi fouling : tekanan trasmembran rendah dan laju alir tinggi Cassano et

al. (2003)

UF Jus

blood orang e & wortel

- PVDF - Tubular - 15 000 Da - A : 0.23 m2

- TMP : 1.03 bar - v : 0.14 m dtk-1 - T : 23.5 °C - resirkulasi - tangki : 25 L

Wortel : 25 Lm-2 jam-1

- peningkatan suhu umpan

meningkatkan fluksi

- peningkatan laju alir meningkatkan fluksi

penurunan fluksi akibat fouling

- TMP : 0.87 bar - v : 0.14 m dtk-1

- Suhu : 25 °C - batch

Jeruk : 20 Lm-2

jam-1

Wortel : 15 Lm-2 jam-1 Cassano et

al. (2006)

UF Jus buah kiwi

- PVDF - 15 000 Da - tubular - A : 0.23 m2

- TMP : 0.85 bar - Q : 500 - 800

L jam-1

- T : 20 °C - resirkulasi

13.5 – 17.5 Lm-2

jam-1 - TMP limit :0.8 bar

- TMP : 0.85 bar - Q: 800 L jam-1

- T : 25 °C - batch

Fluksi menurun dari 15 Lm-2

jam-1 menjadi 7 Lm-2 jam-1

- seluruh padatan tersuspensi tertahan

- kehilangan vitamin C :0.5 %

- 80-90% senyawa ester tertahan - rejeksi rendah

terhadap senyawa polar seperti alkohol

penurunan fluksi yang berangsur-angsur selama waktu operasi karena polarisasi konsentrasi dan pembentukan cake.

Tabel 2 Lanjutan Referensi Proses Membran Bahan baku Jenis dan geometri membran

Kondisi operasi Fluksi yang dihasilkan

Hasil-hasil lainnya Kendala operasi

Cassano

et al. (2007a)

UF Jus buah kiwi

- PVDF - 15 000 Da - tubular - d : 12.7 mm - L : 1500

mm - A : 0.23 m2

- TMP : 0.9 bar - Q: 300-700 L jam-1 - T : 20-30 °C - batch

- TMP limit :0.9 bar - klarifikasi berhasil

mengurangi jumlah padatan tersuspensi dan turbiditas - kehilangan

vitamin C : 16 % - lapisan cake dan

fouling ireversibel berkontribusi terhadap tahanan total

- kontribusi fouling

reversibel terhadap total tahanan : 29.4%

Cassano

et al . (2007b)

UF Jus

blood orange

- PVDF - 15 000 Da - tubular - d : 12.7 mm - L : 1500

mm - A : 0.23 m2

- TMP : 0.85 bar - Q: 800 L jam-1

- T : 25 °C - batch

Fluksi menurun dari 11 Lm-2

jam-1

menjadi 9 Lm-2 jam-1

- TMP limit :0.8 bar - peningkatan suhu umpan dari 21 °C menjadi 25 °C meningkatkan fluksi permeat sebesar 12% - kehilangan

vitamin C : 8.41 % - rejeksi antosianin:

9.4%

- senyawa flavonon lolos penurunan fluksi yang berangsur-angsur selama waktu operasi karena pembentukan lapisan fouling

oleh partikel tersuspensi dan ketakmurnian makromolekul yang teradsorb. Keterangan :

TMP : tekanan transmemban

v : laju alir

L : panjang membran

T : suhu

Q : debit

d : diameter membran

Dari beberapa hasil penelitian di atas dapat diketahui bahwa parameter operasi seperti tekanan, laju alir, dan suhu mempengaruhi fluksi yang dihasilkan. Berdasarkan perbandingan hasil penelitian Venturini et al. (2003), Cassano et al. (2006), Cassano et al. (2007a), dan Cassano et al. (2007b), kehilangan vitamin C yang lebih besar terjadi pada tekanan yang lebih tinggi. Peningkatan laju alir dan suhu menyebabkan peningkatan fluksi. Mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi umumnya dapat merejeksi padatan tersuspensi dan pektin. Kendala utama operasi umumnya disebabkan oleh polarisasi konsentrasi yang membentuk lapisan cake dan fouling. Perbedaan bahan baku yang digunakan dengan parameter operasi yang sama mengakibatkan perbedaan fluksi yang dihasilkan

sebagaimana hasil penelitian Cassano et al. (2003). Hal ini kemungkinan disebabkan karena perbedaan sifat bahan seperti kandungan padatan tersuspensi dan padatan terlarut. Perbedaan kandungan padatan berpengaruh terhadap pembentukan lapisan cake yang terpolarisasi, sehingga dapat menghasilkan fluksi yang berbeda pula.

2.5. KinerjaMembran, Polarisasi Konsentrasi dan Fenomena Perpindahan Massa

Ada dua parameter penting yang berpengaruh terhadap kinerja membran, yaitu fluksi permeat dan rejeksi membran (Cheng & Wu 2001). Berdasarkan data eksperimen, fluksi dapat dihitung secara volumetrik dengan menggunakan persamaan (4) :

dt

dV

A

J

v

1

=

( 4)

dimana :

J

v = volume fluksi (L m-2jam-1)

A

= luas permukaan membran (m2).

dt

= waktu (jam)

dV

= volume permeat (L)

(Konieczny & Rafa 2000 ; Bhattacharjee et al. 2003).

Menurut Cheryan (1998), parameter operasi utama yang mempengaruhi fluksi, yaitu : tekanan, konsentrasi umpan, suhu, turbulensi di dalam saluran umpan. Pengaruh tekanan terhadap fluksi permeat dari jus jeruk telah diteliti oleh Hernandez et al. (1992b). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa fluksi permeat meningkat seiring dengan peningkatan tekanan transmembran. Peningkatan fluksi berangsur-angsur berkurang dengan peningkatan tekanan dan mencapai suatu titik dimana fluksi menjadi konstan. Pada kondisi ini peningkatan tekanan tidak berpengaruh lagi terhadap peningkatan fluksi. Fenomena ini telah digambarkan oleh Trettin (1980) dalam bentuk skema tahapan proses filtrasi (Gambar 5).

Gambar 5 Tahapan di dalam proses membran (Trettin 1980).

Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi permeat juga telah diteliti oleh Vladisavljevic dan Rajkovic (1999). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa fluksi batas meningkat dengan penurunan konsentrasi umpan dan peningkatan laju alir. Pengaruh suhu terhadap fluksi permeat telah diteliti oleh Cassano et al. (2003). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa peningkatan suhu umpan pada ultrafiltrasi jus jeruk dan wortel dapat meningkatkan fluksi permeat.

Pritchard et al. (1995) melakukan penelitian ultrafiltrasi gum xantan dan pektin untuk melihat pengaruh turbulensi terhadap fluksi yang ditunjukkan oleh nilai koefisien perpindahan massa. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa peningkatan viskositas umpan menyebabkan transisi dari aliran turbulen ke aliran laminar. Pada kondisi laminar, peningkatan viskositas umpan meningkatkan tegangan geser pada permukaan membran sehingga menyebabkan peningkatan perpindahan massa.

Masalah utama pada aplikasi membran adalah penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi dan fouling yang mempengaruhi kinerja membran (Youravong et al. 2003). Berdasarkan hasil penelitian Bruijn (2002) pada ultrafiltrasi jus apel, polarisasi konsentrasi menyebabkan penurunan fluksi secara cepat pada awal proses ultrafiltrasi. Fenomena polarisasi konsentrasi yang terjadi pada sistem filtrasi oleh Goosen et al. (2004) direpresentasikan dalam bentuk skema sebagaimana yang terlihat pada Gambar 6.

Gambar 6 Skema polarisasi konsentrasi dan fouling (Goosen et al. 2004).

Kromkamp et al. (2006) menyelidiki perilaku polarisasi konsentrasi dari suspensi dengan dua ukuran partikel pada sistem aliran dimana shear induce diffusion merupakan mekanisme perpindahan balik yang dominan. Hasilnya menunjukkan bahwa hanya partikel berukuran kecil yang terdeposit pada membran. Fluksi permeat tidak tergantung pada komposisi suspensi, tetapi karena pemisahan ukuran partikel pada aliran umpan yang ditunjukkan oleh banyaknya partikel kecil dari suspensi di permukaan membran.

Casani dan Jorgensen (2000) juga melaporkan bahwa penurunan fluksi dari waktu ke waktu pada mikrofiltrasi jus ceri terutama disebabkan oleh polarisasi konsentrasi dan fouling. Fouling dapat disebabkan oleh beberapa mekanisme, yaitu : adsorpsi, bloking pori, dan pembentukan lapisan cake pada membran. Fouling dapat juga sebagai hasil dari fenomena polarisasi.

Ramachandra (2002) menyatakan bahwa terjadinya fouling dalam suatu proses filtrasi membran dapat ditentukan berdasarkan nilai koefisien fouling (FC), yang memiliki rentang nilai 0 (tidak terjadi fouling) sampai dengan 1.0 (terjadi fouling sepenuhnya). Koefisien fouling ditentukan berdasarkan persamaan berikut :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − =

o c

J J

FC 1 (5)

dimana:

FC

= koefisien fouling

J

c = fluksi air setelah dilakukan pencucian

Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi polarisasi konsentrasi dan fouling. Menurut Mulder (1996), karena kompleksitas fenomena polarisasi konsentrasi dan fouling, fouling dapat dikurangi dengan beberapa metode antara lain perlakuan awal larutan umpan, modifikasi sifat membran, perbaikan modul, dan kondisi proses serta pencucian. Dalam kaitannya dengan kondisi proses, Bruijn et al. (2002) menyatakan bahwa kondisi optimum untuk meminimisasi fouling adalah pada tekanan transmembran rendah dan kecepatan tangensial tinggi.

Wenten (2002) juga melaporkan bahwa kinerja membran dengan sistem cross flow sangat dipengaruhi oleh pembentukan lapisan fouling. Ada dua pendekatan yang dapat digunakan untuk meningkatkan fluksi dalam mikrofiltrasi, yaitu mengaplikasikan laju cross flow tinggi dan menggunakan teknik backflushing.

Parameter lain yang mempengaruhi kinerja membran adalah rejeksi Menurut Kovasin (2002), rejeksi solut dari membran (

R

) tergantung pada konsentrasi solut di dekat permukaan membran yang dinyatakan dengan persamaan (6) :

w p

C

C

R

=

1

−

(6)

dimana :

C

p= konsentrasi solut pada sisi permeat (%)

C

w = konsentrasi solut pada permukaan membran (%)

Jika polarisasi konsentrasi terjadi, maka rejeksi membran yang diamati lebih kecil daripada rejeksi membran sebenarnya berdasarkan persamaan (6). Sehingga rejeksi hasil observasi (

R

obs) dapat didefinisikan dengan persamaan

(7):

b p obs

C

C

R

=

1

−

(7)

dimana

C

b = konsentrasi solut pada sisi umpan (%)

2.6. Model Perpindahan Massa

Salah satu teori sederhana dan luas penggunaannya untuk modeling fluksi pada kondisi bebas dari pengaruh tekanan atau sistem yang dikontrol oleh perpindahan massa adalah teori film (Cheryan 1998). Jika larutan diultrafiltrasi,

zat terlarut dibawa ke permukaan membran dengan perpindahan secara konveksi pada suatu laju,

J

syang didefinisikan sebagai :

b

s

JC

J

⇒

(8)

dimana

J

: fluksi permeat

C

b : konsentrasi umpan (%)

Hasil gradien konsentrasi menyebabkan zat terlarut berpindah balik ke larutan umpan karena efek difusi. Dengan mengabaikan gradien konsentrasi, laju perpindahan balik zat terlarut dinyatakan sebagai :

dx

dC

D

J

_s

=

(9)

dimana :

D

: koefisien difusi (m2 _dtk-1₎

dC/dx

: gradien konsentrasi

Menurut Cussler (1997), formula umum yang digunakan untuk memperkirakan koefisien difusi pada partikel berbentuk bola adalah persamaan Stokes-Einstein :

s B

r

T

k

D

πμ

6

=

(10)

dimana :

k

B: Konstanta Boltzman = 1.38 X 10 -23 J °K-1

μ

: viskositas pelarut (10-2 g cm-3)

T

: suhu (° K)

r

s : jari-jari partikel (m)

Pada kondisi tunak, dua mekanisme akan seimbang satu sama lain, sehingga persamaan (8) dan (9) dapat disamakan dan diintegrasikan pada lapisan batas sebagai :

b g b

g

C

C

k

C

C

D

J

=

ln

=

ln

δ

(11)

dimana :

δ

D

k = (12)

C

g : sama dengan

C

w pada persamaan (6)

k

: koefisien perpindahan massa (m dtk-1)

Menurut Ceng dan Wu (2001), koefisien perpindahan massa pada lapisan polarisasi konsentrasi untuk kondisi aliran laminar dapat ditentukan dari persamaan Leveque, yaitu :

3 / 1 2

62

.

1

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

h

Ld

vD

k

(13)

dimana :

v

= laju alir (m dtk -1₎

A

= luas area membran (m2₎

d

h= diameter membran (m)

L

= panjang membran (m)

Untuk modul membran yang bergeometri silinder, laju geser pada dinding membran (

γ

w) adalah

8v/d

h, sehingga persamaan (13) dapat diekpresikan juga

dalam bentuk, 3 / 1 2

81

.

0

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

L

D

k

γ

w (14)

dimana :

γ

w= laju geser pada dinding membran (dtk -1)

Menurut Zeman dan Zidney (1996), laju umpan melalui lumen di dalam modul hollow fiber bertipe laminar. Dengan asumsi tidak ada akumulasi partikel atau zat terlarut yang tertahan di lapisan batas dan tidak ada slip pada dinding membran, maka perbedaan tekanan aksial (

∆

P

) dan laju geser pada dinding membran (

γ

w) berhubungan langsung dengan laju alir volumetrik (

Q

) yang

ditunjukkan dengan persamaan matematik :

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

Δ

4 h

Nd

Q

L

P

_αμ

(15)

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

₃

4

_h w

Nd

Q

α

γ

,

jika diasumsikan

α

= 128/

π

, (16) sehingga persamaan laju geser menjadi :

3

32

h w

Nd

vA

π

γ

=

(17)

A

= luas area membran (m2₎

Jika dihubungkan dengan sifat reologi fluida, laju geser pada dinding membran (

γ

w) untuk fluida non-Newtonian memenuhi persamaan berikut

(Cheryan 1998),

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

=

h b b w

d

v

n

n

2

6

γ

(18)

sehingga koefisien perpindahan massa dapat diekpresikan dalam persamaan,

3 / 1 2

2

6

81

.

0

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

=

L

D

d

v

n

n

k

h b b (19)

Penelitian tentang pengembangan teori perpindahan massa telah banyak dilakukan. Modifikasi teori terutama dilakukan berdasarkan pengaruh hidrodinamika sistem filtrasi terhadap fluksi permeat. Faktor hidrodinamika yang memainkan peranan penting dalam membentuk perilaku fluksi antara lain tekanan transmembran dan laju alir (Youravong et al. 2003), ukuran partikel (Song & Elimelech 1995a), konsentrasi dan viskositas umpan (Pritchard et al. 1995), serta sifat reologi umpan (Shen & Probstein 1977). Beberapa ringkasan hasil pengembangan teori dan model semi empiris disajikan pada Tabel 3.

Dari uraian hasil pengembangan model pada Tabel 3, difusi zat terlarut memainkan peranan yang penting dalam mekanisme perpindahan massa. Ada beberapa faktor dominan yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada filtrasi membran, yaitu ukuran partikel, konsentrasi partikel, konsentrasi umpan, dan sifat reologi umpan. Model Pritchard et al. (1995) serta model Charcosset dan Choplin (1996) merupakan pengembangan model Shen dan Probstein (1977) yang mempertimbangkan pengaruh konsentrasi umpan terhadap difusi zat terlarut serta sifat reologi umpan. Ketiga model tersebut mengabaikan interaksi antar partikel yang terkandung di dalam larutan sehingga lebih sesuai untuk makromolekul yang memiliki ukuran partikel relatif kecil. Berdasarkan ketiga model tersebut reologi umpan menjadi faktor yang cukup berpengaruh terhadap fluksi. Penggabungan model thin film yang umumnya diekspresikan dalam bentuk persamaan bilangan tak berdimensi dengan sifat reologi umpan menjadi hal yang menarik karena dapat memberikan gambaran perilaku fluksi yang berbeda. Dengan demikian, penggabungan tersebut cukup menarik jika dijadikan sebagai acuan untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk.

Tabel 3 Ringkasan hasil penelitian pengembangan teori dan model semi empiris untuk memprediksi fluksi

Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Shen &

Probstein (1977)

UF, plate paralel Makromolekul (bovine serum albumin), aliran laminar, Newtonian.

Mengembangkan model untuk fluksi batas menggunakan model Michaels dengan menambahkan pengaruh variabel koefisien difusi dan viskositas sebagai faktor koreksi. Modifikasi model dilakukan dengan mengganti variabel koefisien difusi pada aliran umpan dengan koefisien difusi pada konsentrasi gel. Pengetahuan tentang reologi larutan makromolekul sangat diperlukan untuk menghasilkan metode sederhana dalam penentuan koefisien difusi pada larutan makromolekul yang berkonsentrasi tinggi. Prediksi fluksi berdasarkan model yang dikembangkan sesuai dengan data eksperimen Blatt et al. (1970).

Zidney dan Colton (1986)

MF Suspensi, sel darah merah, Cw = 0.95

Mengembangkan model polarisasi konsentrasi berdasarkan persamaan Leveque, dan koefisien difusi Eckstein. Fluksi berbanding lurus dengan laju geser membran dan pangkat 4/3 dari ukuran partikel. Pada fenomena polarisasi, difusi partikel yang tergantung pada laju geser (shear-induce diffusion) merupakan faktor kritis untuk meningkatkan fluksi. Viskositas suspensi yang tergantung pada

konsentrasi berpengaruh kuat terhadap fenomena polarisasi. Prediksi fluksi berdasarkan model yang dikembangkan sesuai dengan data eksperimen. Prediksi fluksi dengan model difusi Brownian menghasilkan nilai prediksi yang lebih rendah. Prediksi dengan model kecepatan angkat (inertial lift) menghasilkan nilai prediksi yang lebih tinggi dari data eksperimen.

Davis dan Birdsell (1987)

MF Suspensi, partikel

acrylic latex

berdiameter 150-212

μm, Newtonian, aliran laminar

Menghasilkan model stratified-flow untuk memprediksi fluksi pada kondisi tunak. Laju alir, tekanan dan ketebalan lapisan partikel yang terkonsentrasi sebagai parameter sistem. Ketebalan lapisan gel meningkat dengan meningkatnya jarak dari saluran masuk, konsentrasi partikel dalam suspensi, tekanan transmembran, dan viskositas relatif dari lapisan cake. Ketebalan lapisan cake menurun dengan meningkatnya tahanan membran dan tegangan geser tangensial. Keterbatasan model ini adalah mengasumsikan lapisan cake sebagai fluida Newtonian.

Tabel 3 Lanjutan

Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Davis dan

Leighton (1987)

MF Suspensi koloid, mikroorganisme, partikel padat berukuran 0.1 - 1μm, aliran laminar

Mengembangkan model untuk menggambarkan mekanisme difusi hidrodinamika yang dipengaruhi oleh geseran. Model ini diperkenalkan untuk menggambarkan migrasi lateral partikel yang meninggalkan dinding berpori jika lapisan yang terbentuk mendapat geseran. Pada kondisi tunak, difusi partikel di dalam lapisan diseimbangkan oleh konveksi partikel menuju dinding berpori. Romero dan

Davis (1990)

MF Suspensi dianggap

Newtonian, aliran laminar, suspensi encer

Menghasilkan model transien yang didasarkan pada konsep shear-induce diffusion. Peneliti mengkombinasikan efek shear induce diffusion dan perpindahan lapisan partikel secara konveksi untuk menggambarkan pergerakan lapisan partikel yang terkonsentrasi pada permukaan membran. Profil konsentrasi partikel lokal ditentukan dengan

menyeimbangkan pergerakan partikel secara konveksi menuju membran dengan shear-induce diffusion yang meninggalkan membran. Model ini memprediksi bahwa pembentukan awal lapisan yang masih mengalir berlangsung sangat cepat dan berikutnya adalah pembentukan lapisan stagnan yang berkontribusi terhadap penurunan fluksi, terjadi beberapa menit atau beberapa jam tergantung pada kondisi operasi.

Davis dan Sherwood (1990)

MF Aliran laminar, fine particle sebagai fluida Newtonian, suspensi encer, Φw = 0.6,

partikel berbentuk bulat, kaku, seragam

Menghasilkan persamaan yang sama berdasarkan persamaan difusi-konveksi ketika lapisan batas polarisasi konsentrasi mencapai kondisi tunak. Pada kondisi ini, mekanisme perpindahan balik partikel didominasi oleh shear-induce diffusion. Interaksi antar partikel diabaikan. Fluksi permeat menurun jika konsentrasi partikel di dalam suspensi umpan meningkat.

Keterangan :

UF : ultrafiltrasi L : panjang membran

MF : mikrofiltrasi d : diameter membran

TMP : tekanan transmemban T : suhu

v : laju alir

Tabel 3 Lanjutan

Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Pritchard et al.

(1995)

UF, - tubular :

* PES, 65 kDa, L : 1 m, d : 12.5 mm, A : 392 cm2 - flat sheet : * PS, 100 kDa, L:145 mm, d : 1mm, A: 330 cm2 - tangki umpan :

2.5 liter - resirkulasi 30 mnt

Gum xantan dan pektin, aliran laminar dan turbulen, laju alir, * Gum xantan :

Cw : 250 g/kg, Cb:

1g/kg, v : 0.6 m dtk-1

* Pektin : Cw : 40 g/kg, Cb:

1g/kg, v : 0.6 m dtk-1

Tubular : v = 1.3, 2, 2.7 m dtk-1.

T : 45 ± 0.5 °C TMP : 2.5 ± 0.1 bar

Prediksi fluksi menggunakan model film, koefisien perpindahan massa

dikembangkan berdasarkan perubahan reologi secara alami dari larutan umpan. Prediksi fluksi untuk gum xantan sesuai dengan data eksperimen.

Prediksi fluksi untuk pektin pada modul flat sheet tidak sebagus gum xantan. Nilai prediksi lebih tinggi dari nilai eksperimen pada konsentrasi umpan sampai dengan 15 g/kg, konsentrasi > 15 g/kg menghasilkan nilai fluksi prediksi yang lebih rendah dari nilai eksperimen. Koefisien perpindahan massa tergantung pada viskositas umpan. Pada kondisi laminar, koefisien perpindahan massa meningkat jika konsentrasi umpan meningkat karena tingginya tegangan geser pada dinding membran. Fenomena ini dapat terjadi jika lapisan cake telah terbentuk.

Charcosset dan Choplin (1996)

UF, keramik, 50 kDa, L : 1.2 m, d : 6 mm , A: 0.022 m2, T : 20 ±2 °C.

Gum xantan (2x106 kDa), pektin (2 x 106 kDa), poliakrilamida (1 x 106 kDa)

Asumsi : permukaan membran seragam, fluksi menuju membran secara konveksi dan laju perpindahan bahan terejeksi oleh kombinasi konveksi dan difusi,

perpindahan massa di dalam lapisan batas diabaikan.

Mengembangkan model empiris untuk koefisien perpindahan massa dari fluida non-Newtonian berdasarkan analogi perpindahan massa untuk kondisi

pendinginan dan menyertakan efek indeks perilaku aliran yang tergantung pada konsentrasi.

TMP limit : xantan (2 bar), pektin (3 bar), poliakrilamida (4 bar).

Ketergantungan fluksi tunak pada

kecepatan aksial bervariasi sesuai dengan derajat pseusoplastisitas larutan umpan. Ketergantungan fluksi terhadap kecepatan aksial sama dengan ketergantungan koefisien perpindahan massa terhadap kecepatan aksial

Model Zidney-Colton, Davis-Birdsell, Davis-Leighton, Romero-Davis, dan Davis-Sherwood mempertimbangkan pengaruh konsentrasi partikel terhadap perilaku fluksi. Perbedaannya adalah model Zidney-Colton memfokuskan pembahasan pada pengaruh ukuran dan konsentrasi partikel terhadap laju difusi zat terlarut dalam bentuk shear-inducediffusion dengan asumsi bahwa ketebalan lapisan cake pada permukaan membran konstan. Model Birdsell, Davis-Leighton, dan Romero-Davis memfokuskan pembahasan pada pengaruh konsentrasi partikel terhadap ketebalan lapisan cake yang terbentuk dan ukuran partikel berbanding terbalik dengan fluksi permeat (difusi Brownian). Model

Lampiran 19 Perhitungan fluksi menggunakan model Zidney-Colton untuk suspensi pekat

Laju alir rs Q N dm γw L Φw Φb

J zidney

pekat J percobaan (m dtk-1

) (m) (m3 dtk-1

) (m) (dtk-1

) (m) (m dtk-1

) (m dtk-1 )

0.05 9 x 10-7 1.57 x 10-5 1600 0.0005 800 0.3981 0.6 3.54 x 10-4 5.48 x 10-6 1.18 x 10-5

0.06 9 x 10-7 1.88 x 10-5 1600 0.0005 960 0.3981 0.6 3.65 x 10-4 6.55 x 10-6 1.49 x 10-5

0.07 9 x 10-7 2.20 x 10-5 1600 0.0005 1120 0.3981 0.6 3.88 x 10-4 7.58 x 10-6 1.62 x 10-5

0.08 9 x 10-7 2.51 x 10-5 1600 0.0005 1280 0.3981 0.6 3.71 x 10-4 8.71 x 10-6 1.75 x 10-5

0.09 9 x 10-7 2.83 x 10-5 1600 0.0005 1440 0.3981 0.6 3.42 x 10-4 9.91 x 10-6 2.00 x 10-5

Contoh perhitungan :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =

b w w s

pekat zidney

L r J

φ φ γ ln 078

. 0

3 / 1 4

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛ ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

= − ₋₄

3 / 1 4 7

10 54 . 3

6 . 0 ln

1 800 3981

. 0

) 10 9 ( 078 . 0

x x

dtk x

m m x x

dtk m

x 6

10 48 .

5 −

Lampiran 20 Penurunan persamaan koefisien perpindahan massa (

k

) berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi

Pada sistem aliran laminar dalam saluran berbentuk tubular, koefisien perpindahan massa dapat diturunkan dari bilangan Sherwood (Sh) :

3 / 1

)

/

Re

(

62

.

1

Sc

d

L

Sh

=

_h (20-1)

dimana :

Bilangan Reynold,

μ

ρ

vd

_h

=

Re

Bilangan Schmidt,

D

Sc

ρ

μ

=

Bilangan Sherwood, D kd Sh= h

Koefisien perpindahan massa didapatkan dengan mensubstitusi persamaan-persamaan bilangan Sherwood, bilangan Reynolds dan bilangan Schmidt sebagai berikut :

3 / 1 3 / 1 3 / 1

62

.

1

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

=

=

L

d

D

vd

v

k

D

kd

Sh

h h h

ρ

μ

μ

ρ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

h h h

d

D

L

d

D

vd

k

3 / 1 3 / 1 3 / 1

62

.

1

ρ

μ

μ

ρ

atau 3 / 1 3 / 1 3 / 1

62

.

1

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

L

d

D

vd

v

k

h h

ρ

μ

μ

ρ

atau 3 / 1 2 3 / 4

62

.

1

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

=

DL

d

v

k

h _atau

3 / 1 2

62

.

1

_⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

h

Ld

vD

k

(20-2)

Diketahui bahwa laju geser pada dinding silinder

(

γ

w

) = 8v/d

h, sehingga jika laju geser disubsitusikan ke dalam persamaan (21-2) dan diperoleh

3 / 1 2 3 / 1

8

8

62

.

1

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

h

Ld

vD

3 / 1 2

81 .

0 _⎥

⎦ ⎤ ⎢

⎣ ⎡ =

L D

k

γ

w (20-3)

Untuk fluida non-newtonian, laju geser pada dinding membran dipenuhi dengan persamaan berikut :

⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎣

⎡ +

=

h b b w

d v n n 2 6

γ

(20-4)

Substitusi persamaan (21-4) ke dalam persamaan (21-3) maka dihasilkan persamaan koefisien perpindahan massa seperti di bawah ini :

3 / 1 2

2

6

81

.

0

_⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+

=

L

D

d

v

n

n

k

h b

Lampiran 21 Penurunan model polarisasi Zidney-Colton

Pada kondisi tunak, lapisan batas berada pada dinamika yang seimbang. Jika lapisan batas didekati sebagai stagnant film, laju konveksi partikel menuju membran diseimbangkan oleh difusi balik ke aliran umpan,

dy

dC

D

C

x

J

(

)

=

(21-1)

Integrasi dari persamaan ini pada ketebalan lapisan batas (

δ

(x)

) menghasilkan persamaan :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

b w b

w

C C x k C C x D x

J ln ( )ln

) ( ) (

δ

(21-2)

dimana :

k(x)

: koefisien perpindaaan massa lokal antara umpan dengan permukaan membran

C

w

/C

b: rasio konsentrasi partikel pada pada dinding membran dibagi dengan konsentrasi partikel pada umpan

Untuk kondisi mikrofiltrasi, koefisien perpindahan massa lokal dapat dievaluasi dari analogi masalah pindah panas berdasarkan persamaan Leveque sebagai :

3 / 1 2

538 . 0 )

( _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛ =

x D x

k

γ

w _(21-3)

Integrasi persamaan (22-3) menghasilkan :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛ =

=

_∫

b w w

L

C C x

D dx

x J

J ( ) 0.807 ln

3 / 1 2

0

γ

(21-4)

Berdasarkan pergerakan partikel, menurut Eckstein et al. (1977) difusi partikel dengan fraksi volume umpan 0.2<

Φ

b<0.45 adalah

γ

2

03

.

0

a

D

=

(21-5)

Subsitusi persamaan (22-5) ke dalam (22-4) menghasilkan persamaan :

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

b w w

C

C

x

a

x

J

(

)

0

.

052

ln

3 / 1 4

γ

(21-6)

sehingga fluksi rata-rata menjadi :

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

b w w

C

C

L

a

x

J

(

)

0

.

078

ln

3 / 1 4

γ

(21-7)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

b w w

L

a

x

J

φ

φ

γ

ln

078

.

0

)

(

3 / 1 4

dan

3 / 1 4

126

.

0

_⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

L

r

J

b s w w

v

_φ

φ

γ

(21-8)

Lampiran 22 Penurunan model Davis-Sherwood

Davis dan Sherwood (1990) mengasumsikan bahwa aliran suspensi pada kondisi tunak, laminar dan berkembang penuh, umpan merupakan fluida Newtonian yang taktermampatkan dengan viskositas geser dan difusivitas partikel tergantung pada konsentrasi partikel lokal. Pada kondisi dimana lapisan stagnan tipis dari partikel terdeposit pada permukaan membran dan menjadi pengontrol resistansi filtrasi, laju penurunan permeat pada kondisi tunak adalah :

)

(

)

3

(

1/3

0 3 / 4

b w w

w

v

x

a

v

φ

μ

τ

=

(22-1)

dimana fluksi permeat tak berdimensi (

v

w) tergantung pada fraksi volume partikel di dalam umpan.

Jika filter adalah panjang dibandingkandengan panjang masuk, dimana

cake yang stagnan terbentuk, maka solusi yang sama valid untuk filter yang lebih panjang sehingga fluksi rata-rata permeat sebagai fungsi panjang adalah :

w b w

L w

w

v

L

a

dx

x

v

L

v

γ

μ

3 / 1 4

0

2

3

3

)

(

1

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

=

〉

〈

∫

(22-2)

dimana

γ

_w

=

τ

_w

/

μ

(

φ

_b

)

dan

μ

_b

=

μ

(

φ

_b

)

/

μ

₀ adalah viskositas relatif dari umpan. Untuk suspensi encer diperoleh persamaan sederhana :

3 / 1 4

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

〉

〈

L

a

k

v

b w

w

γ

_φ

(22-3)

dimana

k

= 0.0064 maka diperoleh persamaan :

3 / 1 4

)

/

(

064

.

0

a

L

J

=

γ

_w

φ

_b (22-4)

Integrasi pada lapisan batas, diperoleh persamaan :

3 / 1 4

)

/

(

072

.

0

a

L