Proses Transfer MEMBRAN REAKTOR PENGOLAH
PENGGUNAAN MEMBRAN REAKTOR UNTUK PENGOLAHAN AIR
LIMBAH YANG MENGANDUNG FENOL
Jeffrey Bastanta P.
Elisabeth Rossaliana D.
Heru Enggar T.
Mutiara Putri Utami S.
Lukman Nul Hakim
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, 2014
ABSTRACT
Phenol is not only an important raw material in petrochemical, pharmaceutical, plastic and
pesticide industry but also one of the major components concerning the industrial
wastewater. During the phenol production, depending on the process, up to 0.6 ton of
wastewater, containing 2 - 3% phenol and other 5 - 10% of organic pollutant like an acetone,
sodium salt and aromatic hydrocarbons, is produced per ton of phenol. Wastewater
containing phenol is produced by different type of industries, such as plastics and resins, coal
refining and steel industries etc. Among these pollutants, the phenol is one of the most
common representatives of toxic organic compounds, harmful to human health, and causing
an increase in the demand of oxygen in water even at low levels. The minimum content of
phenol in river is 0.003191 mmol / L. In order for the water quality standard of waste being
dumped into the river meets the quality standards, it is necessary wastewater treatment prior
to the river, one of the processing that is used is the membrane bioreactor. One of the
parameters that affect the design of the membrane reactor is the membrane area, from the
calculation of the resulting membrane area of 1,37 x 104 m2. And membrane area without
reaction is 1,47 x 104 m2.
Keyword: wastewater treatment, membrane bioreactor, phenol
A. Pendahuluan
Reaktor membran
adalah
sistem
reaktor
baru
yang
mengkombinasi
kan
pemisahan
dengan membran dan reaksi kimia.
Reaktor membran memiliki dua tipe,
yaitu reaktor membran packed-bed
dan reaktor membran katalitik.
Reaktor
membran
dengan
katalis packed-bed memiliki
area
pemisahan yang terpisah dari area
reaksi, sedangkan pada reaktor
membran katalitik, reaksi dan
pemisahan terjadi secara simultan.
Membran
dalam
reaktor
ini
merupakan penghalang yang hanya
dapat melewatkan komponen tertentu.
Selektivitas pada membran ini
dikontrol oleh ukuran diameter pori
membran. Lapisan membran ini
sangat berguna untuk melumpuhkan
seluruh sel (bakteri, jamur, sel hewan
dan sel tumbuhan), molekul bioaktif
seperti enzim digunakan untuk
menghasilkan berbagai macam bahan
kimia.
Keuntungan
utama
dari
membran, terutama bioreaktor hollow
fiber adalah besar luas permukaan
spesifik (permukaan internal dan
eksternal membran) untuk adhesi sel
atau enzim Imobilisasi, kemampuan
untuk menumbuhkan sel-sel dengan
cepat dan kemungkinan untuk reaksi
simultan dan pemisahan, jalur difusi
yang relatif singkat di lapisan
membran, adanya kecepatan konveksi
melalui membran dibutuhkan agar
menghindari kekurangan nutrient.
Perpindahan massa melalui
biocatalytic lapisan membran, baik
sel-sel hidup atau enzim, diinokulasi
ke dalam shell dan bergerak dalam
lapisan tipis pada membran. Sel
tumbuh baik dalam serat membran
dengan aliran keluar atau menyilang
ke dalam fiber ketika limbah dan
produk samping dihilangkan atau
tumbuh dalam extracapillary space
dengan aliran sedang melalui fiber dan
disuplai dengan oksigen dan nutrien.
Salah satu aplikasi dari
membran
reaktor
ini
adalah
pengolahan fenol dari air limbah
dengan mushroom tyrosinase yang
dimobilisasi dalam membran.
dilepaskan dalam jumlah besar dan
dapat mencemari lingkungan. Oleh
karena itu, pengembangan teknologi
pengolahan fenol yang efektif saat ini
sangat penting.
Limbah ini dapat olah dengan
metode fisika dan kimia seperti
adsorpsi, oksidasi, biologi (enzimatik)
membran dan teknik gabungan.
Namun, pengolahan seperti diatas
memiliki kekurangan yaitu biaya
pengolahan
yang
mahal
dan
menghasilkan produk samping yang
berbahaya. Adapun kelebihan dari
teknologi enzimatis adalah rendah
energi, mudah dalam
kontrol,
beroperasi pada berbagai kondisi dan
meminimalisasi dampak kerusakan
lingkungan.
Proses Membarane
Proses membran dicirikan bahwa
aliran umpan dipilah menjadi dua
aliran, yaitu aliran permeat/filtrat dan
aliran retentat/konsentrat.
B. Teori
Fenol tidak hanya bahan baku
penting dalam petrokimia, farmasi,
plastik dan pestisida industri tetapi
juga salah satu komponen utama
tentang air limbah industri. Produksi
fenol tergantung pada prosesnya,
dalam 0,6 ton air limbah terdapat 2 ~
3% fenol dan 5 ~ 10% dari polutan
organik seperti aseton, garam natrium
dan hidrokarbon aromatik. Air limbah
yang mengandung fenol banyak
dihasilkan dari berbagai industri,
seperti industri plastik dan resin,
pemurnian batubara dan baja industri,
dll.
Di antara beberapa polutan,
fenol merupakan salah satu senyawa
organik beracun, berbahaya bagi
kesehatan manusia, dan menyebabkan
menurunnya
kandungan
oksigen
dalam
air
dengan
kandungan
minimum fenol 0,003191 mmol/L. Di
masa yang akan datang, fenol akan
terakumulasi di lingkungan ketika
Klasifikasi membran
M e m b ra n
S i n t e t ik
c a ir
B io l o g i k
P adat
B io lo g ik
A n o r g a n ik
N o n -P o ro u s
(b e rm u a ta n /ta k -b e rm u a ta n )
P o ro u s
A s im e t r ik
I n v e r s i fa s e
S i m e t r ik
A s im e t ik
K o m p o s it
Bahan Membran
1. Bahan Organik (Polimer):
a. Polimer untuk membran
berpori
b.
2.
3.
4.
Polimer untuk membran takberpori
Bahan anorganik:
a. Membran keramik
b. Membran gelas
c. Membran metal (termasuk
karbon)
d. Membran zeolite
Pada dasarnya semua polimer
dapat digunakan sebagai bahan
membran,
tetapi
karena
karakteristik kimia dan fisiknya
sangat bervariasi, sehingga hanya
beberapa jenis polimer yang baik
untuk bahan membran
Klasifikasi:
a. Polimer untuk membran
berpori (MF dan UF)
b. Polimer untuk membran takberpori (GS dan PV)
Perbedaan jenis membrane berpori
dan tak berpori
Untuk membran berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh
metode pembuatan membran
(membran manufacturing) dan
stabilitas terhadap pengaruh panas
dan bahan kimia
b. Jenis bahan menentukan stabilitas
membran (kimia, mekanis, panas,
dan biologis), tetapi tidak
menentukan rejeksi
Karakteristik Membran Berpori
dan Tidak Berpori
Karakteristik membran berpori:
a. Pemisahan
terjadi
akibat
perbedaan ukuran partikel /
molekul
b. Ukuran pori membrane relative
terhadap
ukuran
partikel
menentukan tingkat selektivitas
c. Selektivitas akan tinggi, jika
ukuran partikel > ukuran pori
membran.
Contoh: MF, UF
Karakteristik Membran tak-berpori:
a. Pemisahan
terjadi
akibat
perbedaan
laju
kelarutan
(solubility) dan/atau perbedaan
difusivitas (Diffusivity)
b. Tingkat kelarutan dan difusivitas
ditentukan oleh sifat instrinsik
bahan membran
Contoh: PV, VS, GS, dialisis
Model matematis pada membran
reaktor :
Untuk membrane tak-berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh
selektivitas dan fluks yang
diinginkan
Lapisan porous membran dengan
mikroorganisme atau enzim dalam
struktur gambar 1a atau membran
matriks dengan mikroba koloni berada
didalamnya dan diatas permukaan
membran
membentuk
lapisan
biomassa (gambar 1b
1b) dianggap
lapisan homogen denga
gan parameter
transfer massa konstan.
an. Parameter
transfer massa disebut
but koefisien
difusi, kecepatan konveksi
konveksi, laju reaksi
biokimia bisa bervari
variasi karena
anisotropi
membrann
dan/atau
menurunnya konsentrasi
si nutrien pada
lapisan koloni mikroba.
oba. Khususnya,
densitas biomassa sang
sangat sensitif
untuk level konsentrasi
si subst
substat. Laju
pertumbuhan mikroorga
ganisme pada
saat konsentrasi substratt le
lebih tinggi.
Adapun
asumsi-asum
asumsi
yang
diambil
untuk
persamaan
differensial kesetimba
bangan massa
pada biocatalytik membr
mbran adalah
1. Reaksi terjadi di setiap posisi
pada biocatalytic la
layer
2. Transfer
massa
assa
pada
biocatalytic layerr te
terjadi karena
difusi dan konve
konveksi secara
simultan
uk komponen
3. Kelarutan untuk
(substat, produk
oduk ) dihilangkan
ytic membran
dalam biocatalyti
layer
nsfer
massa
4. Parameter
transf
usi , kecepatan
(koefisien difusi
bioreaksi)
konveksi,
lajuu
dianggap konstann
er massa dalam
5. Hambatan transfer
konsentrasi bounda
boundary layer
harus dihitung
ggap kondisi
6. Bioproses diangga
lam membran
steady state dalam
layer (perubahan
an konsentrasi
dalam larutan m
masuk dapat
selama waktu
dihilangkan sela
umen side pada
tinggal dalam lume
membran atauu di interface
lembaran membran
bran).
an yang dilakukan
Skema percobaan
Seung-Hak CHOII :
“Bio-degradation of
(sumber : Jurnall “B
ewater by EnzymePhenol in Wastew
mbrane
Reactor:
loaded
Membr
oach” )
Numerical Approa
biochemical reaction
a. First order bio
ca m
massa ( dengan
Persamaan neraca
reaksi kimia ) :
(1)
setimbangan neraca
Persamaan keseti
uk bioc
biocatalytic
massa untuk
er da
dalam bilangan tak
membrane layer
berdimensi
(2)
Dimana,
(3)
menjadi ,
(4)
lapisan membran seperti persamaan
dibawah ini:
Dengan nilai ,
(7)
Nilai ini merupakan rasio dari laju reaksi
dengan laju konveksi.
Dari persamaan pers (3) disubstitusi ke
persamaan
(4)
kita
mendapatkan
persamaan umum untuk persamaan (2),
menjadi:
Penyederhanaan untuk nilai J dapat
ditunjukkan oleh persamaan berikut
ini:
(8)
Dimana,
(5)
Dimana,
Nilai parameter Tm dan Pm dapat dihitung
oleh BC :
Dalam
kasus
reaksi
biocatalytic, laju substrat yang keluar,
seperti contohnya perpindahan jumlah
substrat yang tidak bereaksi dalam
lapisan membran biocatalytic juga
penting karena bagian yang penting
untuk mereduksi jumlah baik untuk
membagi konsentrasi substrat tertentu
dalam fase membran agar mencegah
kerusakan
pertumbuhan
mikroorganisme:
Setelah BC dimasukkan ke persamaan (5),
distribusi konsentrasi dalam lapisan
membran diberikan seperti di bawah ini:
(9)
Dimana,
(6)
Laju transfer massa untuk difusi dan
konveksi secara simultan memasuki
Laju transfer massa didalam membran
tanpa reaksi kimia sangat mudah
untuk
didapatkan.
Persamaan
diferensial persamaan (3) tanpa reaksi
adalah:
Untuk
membran
lapisan
biocatalytic
mengambil
dari
persamaan (8) (di sini kelarutan dalam
Lapisan membran diabaikan, sehingga
C* = Cm*):
(10)
Distribusi konsentrasi dengan BC sbb:
(15)
Laju transfer massa dengan koefisien
transfer massa overall diperoleh:
Menghasilkan ,
(16)
Dimana,
(11)
Keseluruhan laju
adalah:
transfer massa
(12)
Dimana,
Dengan
demikian
koefisien
perpindahan massa dua-layer untuk
transfer massa tanpa reaksi biokimia
di kedua fase dapat dinyatakan
sebagai berikut:
(13)
(17)
Persamaan laju transfer massa
menunjukkan laju transfer massa
overall untuk dua layer, yaitu untuk
polarisasi konsentrasi
lapisan (di
mana tidak ada reaksi biokimia) dan
untuk lapisan membran biocatalytic,
(teori lapisan dua film untuk sistem
gas-cair) seperti yang diilustrasikan
pada Gb. 1(B).
Indeks
L
menunjukkan
polarisasi konsentrasi lapisan, nilai
βoL dapat diperoleh dari persamaan
(13) dengan mempertimbangkan
bahwa βoL adalah perpindahan massa
koefisien lapisan batas cair. dari
persamaan di atas, pengaruh jumlah
Peclet dari konsentrasi lapisan
polarisasi,
PEL
pada
massa
keseluruhan koefisien perpindahan,
βtot, dapat dihitung dengan tepat. Pada
proses membran, peran konsentrasi
boundary layer tidak dapat diabaikan,
dengan demikian, persamaan di atas
memberikan ekspresi sederhana untuk
memprediksi efek pada perpindahan
massa.
Distribusi
Konsentrasi
Untuk boundary layer merujuk pada
persamaan (12) didapat:
(14)
bersama-sama untuk dua lapisan
adalah pemodelan matematikanya
sulit, dan tidak diberikan di sini.
b.
Persamaan neraca massa tanpa
(tanpa reaksi kimia ):
PARAMETER
DATA
Tebal Membrane
Jenis Membrane
0,06 cm
Hollow Fiber (porous
membrane)
Polyphenol Oxidase
Jenis Enzime
pada microbe layer :
Overall mass transfer (analog dengan
two film theory ) :
sumber:jurnal “ Basic equations of
mass transfer through biocatalytic
membrane layer “
Analisis persamaan reaksi order satu :
dengan :
C. Studi kasus
Limbah phenol dengan 0.6 ton/hari
mengandung phenol dengan kadar 0.01
mmol/l. Ingin diolah menggunakan
membran reaktor (MBR). Kadar phenol
keluar yang diijinkan 0.003191 mmol/l.
Berapa luas permukaan membran yang
diperlukan.
The concentration profiles of mass
transport through a biocatalytic
membrane layer accompanied by first order biochemical reaction.
Data- data reaksi :
Rumus-rumus yang digunakan :
PARAMETER
DATA
Vmax
v
Km
D
De
Cb
Cp
Tebal film
4,83 x 10-11 mol /menit
10-5 m/s
0,7 mmol/L
0,91 10-5 cm2/s
0,89 10-5 cm2/s
0,01 mmol/L
0,003191 mmol/L
0,06 cm
2 tanh
tanh
=
+
6,74
2 ) tanh(3,36) + 3,36
0,06 tanh(3,36)
(0,89. 10 )(
=
= 0,195. 10
D. Hasil
Perhitungan
Pembahasan
dan
=
Perhitungan
a. Membran bioreactor dengan
enzim (reaksi)
Film cair
10
0,06
( )=
=
0,91. 10
( ) = 6,59
10 +
0,195.10
= 1,073.10
/
0,91. 10
6,59
0,06
= 1,00085. 10
=
Pem
2 tanh m +
cosh m x (
1
,
,
Membran
1
3,36 x e
6,74
cosh(3,36) ( 2 tanh(3,36) + 3,36
= 1,0009
=
=
(
)
= 1,07. 10
=
= 2%
4,83.10
0,91. 10
= 0,45
0,06
7.10
=
=
(
4
m)
,
=
=
,
=
=
=
=
1
+
1
0,6
= 0,012
= 1,47 10
+
6,59
+ 0,45 = 3,36
4
)=
10
0,06
0,89. 10
= 6,74
=
( )=
1,47 10
1,07. 10
= 1,37 . 10
=
b. Membran tanpa enzim (tanpa
reaksi)
Luas
perpindahan
yang
dibutuhkan membran untuk
pengolahan limbah fenol tanpa
penggunaan Enzim.
Film cair
(
=
)
Membran
(
=
)
Kombinasi
1
=
1
(
)
+
=
1
0,89. 10
=
0,06
= 1,48.10
=
6,74
1
1
10
1
10
,
+
,
,
1,48.10
( ,
,
)
3,19.10 )
= 9,99. 10
Jumlah area mem
embran yang
dibutuhkan = 1,07 x 1,37.104 =
1,4676.104 m2
Jumlah modul dibutuhka
uhkan = 1,07 x
1142 = 1224 modul.
Pembahasan
Dari hasil perhitungann didapat luas
pada membran
area yang dibutuhkan pa
im adalah 1,37
yang mengandung enzim
kan luas area
x 104 m2 Sedangkan
menggunakan membrann tanpa enzim
m2 hal ini
adalah 1,47 x 104
phenol pada
dikarenakan fluks phe
besar dari pada
membran enzim lebih besa
rasio 1,0711.
tanpa enzim dengan ra
enakan gradien
Fluks yang besar dikarena
akibat adanya
konsentrasi yang besar aki
efek reaksi.
E. Kesimpulan
1. Untuk mengola
olah limbah phenol
sebanyak
0.012
ton/hari
dibutuhkan
lluas
permukaan
membran sebesa
besar 13.700 m2
2. Jika 1 modul me
membran luasnya 12
2
m maka tot
total modul yang
dibutuhkann 1.142 m
modul
3. Untuk mengola
olah limbah phenol
sebanyak 0.012 ton/hari tanpa
Enzim
dibutuhka
butuhkan
A
luas
permukaan m
membran sebesar
14.674 m2
4. Jika 1 modul me
membran luasnya 12
m2 maka tot
total modul yang
dibutuhkann 1.224 m
modul
Daftar Pustaka
• Seung-Hak
CHO
HOI*,
Francesco
SCURA*, Giuseppe
ppe BARBIERI*,†,
Rosalinda MAZZE
ZEI*,***, Lidietta
GIORNO*,Enrico
Jurnal
“Biodegradation of Phenol
henol in Wastewater
by
Enzyme-loade
oaded
Membrane
Reactor: Numerical
al Appr
Approach”
• Endre Nagy*,Unive
niversity of Pannonia,
Research Institute
ute of Chemical and
Process Engineerin
ring, 8201 Veszpr ´
em, Hungary, jurna
nal “Basic equations
of mass transfer thr
through biocatalytic
membrane layer”..
LIMBAH YANG MENGANDUNG FENOL
Jeffrey Bastanta P.
Elisabeth Rossaliana D.
Heru Enggar T.
Mutiara Putri Utami S.
Lukman Nul Hakim
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, 2014
ABSTRACT
Phenol is not only an important raw material in petrochemical, pharmaceutical, plastic and
pesticide industry but also one of the major components concerning the industrial
wastewater. During the phenol production, depending on the process, up to 0.6 ton of
wastewater, containing 2 - 3% phenol and other 5 - 10% of organic pollutant like an acetone,
sodium salt and aromatic hydrocarbons, is produced per ton of phenol. Wastewater
containing phenol is produced by different type of industries, such as plastics and resins, coal
refining and steel industries etc. Among these pollutants, the phenol is one of the most
common representatives of toxic organic compounds, harmful to human health, and causing
an increase in the demand of oxygen in water even at low levels. The minimum content of
phenol in river is 0.003191 mmol / L. In order for the water quality standard of waste being
dumped into the river meets the quality standards, it is necessary wastewater treatment prior
to the river, one of the processing that is used is the membrane bioreactor. One of the
parameters that affect the design of the membrane reactor is the membrane area, from the
calculation of the resulting membrane area of 1,37 x 104 m2. And membrane area without
reaction is 1,47 x 104 m2.
Keyword: wastewater treatment, membrane bioreactor, phenol
A. Pendahuluan
Reaktor membran
adalah
sistem
reaktor
baru
yang
mengkombinasi
kan
pemisahan
dengan membran dan reaksi kimia.
Reaktor membran memiliki dua tipe,
yaitu reaktor membran packed-bed
dan reaktor membran katalitik.
Reaktor
membran
dengan
katalis packed-bed memiliki
area
pemisahan yang terpisah dari area
reaksi, sedangkan pada reaktor
membran katalitik, reaksi dan
pemisahan terjadi secara simultan.
Membran
dalam
reaktor
ini
merupakan penghalang yang hanya
dapat melewatkan komponen tertentu.
Selektivitas pada membran ini
dikontrol oleh ukuran diameter pori
membran. Lapisan membran ini
sangat berguna untuk melumpuhkan
seluruh sel (bakteri, jamur, sel hewan
dan sel tumbuhan), molekul bioaktif
seperti enzim digunakan untuk
menghasilkan berbagai macam bahan
kimia.
Keuntungan
utama
dari
membran, terutama bioreaktor hollow
fiber adalah besar luas permukaan
spesifik (permukaan internal dan
eksternal membran) untuk adhesi sel
atau enzim Imobilisasi, kemampuan
untuk menumbuhkan sel-sel dengan
cepat dan kemungkinan untuk reaksi
simultan dan pemisahan, jalur difusi
yang relatif singkat di lapisan
membran, adanya kecepatan konveksi
melalui membran dibutuhkan agar
menghindari kekurangan nutrient.
Perpindahan massa melalui
biocatalytic lapisan membran, baik
sel-sel hidup atau enzim, diinokulasi
ke dalam shell dan bergerak dalam
lapisan tipis pada membran. Sel
tumbuh baik dalam serat membran
dengan aliran keluar atau menyilang
ke dalam fiber ketika limbah dan
produk samping dihilangkan atau
tumbuh dalam extracapillary space
dengan aliran sedang melalui fiber dan
disuplai dengan oksigen dan nutrien.
Salah satu aplikasi dari
membran
reaktor
ini
adalah
pengolahan fenol dari air limbah
dengan mushroom tyrosinase yang
dimobilisasi dalam membran.
dilepaskan dalam jumlah besar dan
dapat mencemari lingkungan. Oleh
karena itu, pengembangan teknologi
pengolahan fenol yang efektif saat ini
sangat penting.
Limbah ini dapat olah dengan
metode fisika dan kimia seperti
adsorpsi, oksidasi, biologi (enzimatik)
membran dan teknik gabungan.
Namun, pengolahan seperti diatas
memiliki kekurangan yaitu biaya
pengolahan
yang
mahal
dan
menghasilkan produk samping yang
berbahaya. Adapun kelebihan dari
teknologi enzimatis adalah rendah
energi, mudah dalam
kontrol,
beroperasi pada berbagai kondisi dan
meminimalisasi dampak kerusakan
lingkungan.
Proses Membarane
Proses membran dicirikan bahwa
aliran umpan dipilah menjadi dua
aliran, yaitu aliran permeat/filtrat dan
aliran retentat/konsentrat.
B. Teori
Fenol tidak hanya bahan baku
penting dalam petrokimia, farmasi,
plastik dan pestisida industri tetapi
juga salah satu komponen utama
tentang air limbah industri. Produksi
fenol tergantung pada prosesnya,
dalam 0,6 ton air limbah terdapat 2 ~
3% fenol dan 5 ~ 10% dari polutan
organik seperti aseton, garam natrium
dan hidrokarbon aromatik. Air limbah
yang mengandung fenol banyak
dihasilkan dari berbagai industri,
seperti industri plastik dan resin,
pemurnian batubara dan baja industri,
dll.
Di antara beberapa polutan,
fenol merupakan salah satu senyawa
organik beracun, berbahaya bagi
kesehatan manusia, dan menyebabkan
menurunnya
kandungan
oksigen
dalam
air
dengan
kandungan
minimum fenol 0,003191 mmol/L. Di
masa yang akan datang, fenol akan
terakumulasi di lingkungan ketika
Klasifikasi membran
M e m b ra n
S i n t e t ik
c a ir
B io l o g i k
P adat
B io lo g ik
A n o r g a n ik
N o n -P o ro u s
(b e rm u a ta n /ta k -b e rm u a ta n )
P o ro u s
A s im e t r ik
I n v e r s i fa s e
S i m e t r ik
A s im e t ik
K o m p o s it
Bahan Membran
1. Bahan Organik (Polimer):
a. Polimer untuk membran
berpori
b.
2.
3.
4.
Polimer untuk membran takberpori
Bahan anorganik:
a. Membran keramik
b. Membran gelas
c. Membran metal (termasuk
karbon)
d. Membran zeolite
Pada dasarnya semua polimer
dapat digunakan sebagai bahan
membran,
tetapi
karena
karakteristik kimia dan fisiknya
sangat bervariasi, sehingga hanya
beberapa jenis polimer yang baik
untuk bahan membran
Klasifikasi:
a. Polimer untuk membran
berpori (MF dan UF)
b. Polimer untuk membran takberpori (GS dan PV)
Perbedaan jenis membrane berpori
dan tak berpori
Untuk membran berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh
metode pembuatan membran
(membran manufacturing) dan
stabilitas terhadap pengaruh panas
dan bahan kimia
b. Jenis bahan menentukan stabilitas
membran (kimia, mekanis, panas,
dan biologis), tetapi tidak
menentukan rejeksi
Karakteristik Membran Berpori
dan Tidak Berpori
Karakteristik membran berpori:
a. Pemisahan
terjadi
akibat
perbedaan ukuran partikel /
molekul
b. Ukuran pori membrane relative
terhadap
ukuran
partikel
menentukan tingkat selektivitas
c. Selektivitas akan tinggi, jika
ukuran partikel > ukuran pori
membran.
Contoh: MF, UF
Karakteristik Membran tak-berpori:
a. Pemisahan
terjadi
akibat
perbedaan
laju
kelarutan
(solubility) dan/atau perbedaan
difusivitas (Diffusivity)
b. Tingkat kelarutan dan difusivitas
ditentukan oleh sifat instrinsik
bahan membran
Contoh: PV, VS, GS, dialisis
Model matematis pada membran
reaktor :
Untuk membrane tak-berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh
selektivitas dan fluks yang
diinginkan
Lapisan porous membran dengan
mikroorganisme atau enzim dalam
struktur gambar 1a atau membran
matriks dengan mikroba koloni berada
didalamnya dan diatas permukaan
membran
membentuk
lapisan
biomassa (gambar 1b
1b) dianggap
lapisan homogen denga
gan parameter
transfer massa konstan.
an. Parameter
transfer massa disebut
but koefisien
difusi, kecepatan konveksi
konveksi, laju reaksi
biokimia bisa bervari
variasi karena
anisotropi
membrann
dan/atau
menurunnya konsentrasi
si nutrien pada
lapisan koloni mikroba.
oba. Khususnya,
densitas biomassa sang
sangat sensitif
untuk level konsentrasi
si subst
substat. Laju
pertumbuhan mikroorga
ganisme pada
saat konsentrasi substratt le
lebih tinggi.
Adapun
asumsi-asum
asumsi
yang
diambil
untuk
persamaan
differensial kesetimba
bangan massa
pada biocatalytik membr
mbran adalah
1. Reaksi terjadi di setiap posisi
pada biocatalytic la
layer
2. Transfer
massa
assa
pada
biocatalytic layerr te
terjadi karena
difusi dan konve
konveksi secara
simultan
uk komponen
3. Kelarutan untuk
(substat, produk
oduk ) dihilangkan
ytic membran
dalam biocatalyti
layer
nsfer
massa
4. Parameter
transf
usi , kecepatan
(koefisien difusi
bioreaksi)
konveksi,
lajuu
dianggap konstann
er massa dalam
5. Hambatan transfer
konsentrasi bounda
boundary layer
harus dihitung
ggap kondisi
6. Bioproses diangga
lam membran
steady state dalam
layer (perubahan
an konsentrasi
dalam larutan m
masuk dapat
selama waktu
dihilangkan sela
umen side pada
tinggal dalam lume
membran atauu di interface
lembaran membran
bran).
an yang dilakukan
Skema percobaan
Seung-Hak CHOII :
“Bio-degradation of
(sumber : Jurnall “B
ewater by EnzymePhenol in Wastew
mbrane
Reactor:
loaded
Membr
oach” )
Numerical Approa
biochemical reaction
a. First order bio
ca m
massa ( dengan
Persamaan neraca
reaksi kimia ) :
(1)
setimbangan neraca
Persamaan keseti
uk bioc
biocatalytic
massa untuk
er da
dalam bilangan tak
membrane layer
berdimensi
(2)
Dimana,
(3)
menjadi ,
(4)
lapisan membran seperti persamaan
dibawah ini:
Dengan nilai ,
(7)
Nilai ini merupakan rasio dari laju reaksi
dengan laju konveksi.
Dari persamaan pers (3) disubstitusi ke
persamaan
(4)
kita
mendapatkan
persamaan umum untuk persamaan (2),
menjadi:
Penyederhanaan untuk nilai J dapat
ditunjukkan oleh persamaan berikut
ini:
(8)
Dimana,
(5)
Dimana,
Nilai parameter Tm dan Pm dapat dihitung
oleh BC :
Dalam
kasus
reaksi
biocatalytic, laju substrat yang keluar,
seperti contohnya perpindahan jumlah
substrat yang tidak bereaksi dalam
lapisan membran biocatalytic juga
penting karena bagian yang penting
untuk mereduksi jumlah baik untuk
membagi konsentrasi substrat tertentu
dalam fase membran agar mencegah
kerusakan
pertumbuhan
mikroorganisme:
Setelah BC dimasukkan ke persamaan (5),
distribusi konsentrasi dalam lapisan
membran diberikan seperti di bawah ini:
(9)
Dimana,
(6)
Laju transfer massa untuk difusi dan
konveksi secara simultan memasuki
Laju transfer massa didalam membran
tanpa reaksi kimia sangat mudah
untuk
didapatkan.
Persamaan
diferensial persamaan (3) tanpa reaksi
adalah:
Untuk
membran
lapisan
biocatalytic
mengambil
dari
persamaan (8) (di sini kelarutan dalam
Lapisan membran diabaikan, sehingga
C* = Cm*):
(10)
Distribusi konsentrasi dengan BC sbb:
(15)
Laju transfer massa dengan koefisien
transfer massa overall diperoleh:
Menghasilkan ,
(16)
Dimana,
(11)
Keseluruhan laju
adalah:
transfer massa
(12)
Dimana,
Dengan
demikian
koefisien
perpindahan massa dua-layer untuk
transfer massa tanpa reaksi biokimia
di kedua fase dapat dinyatakan
sebagai berikut:
(13)
(17)
Persamaan laju transfer massa
menunjukkan laju transfer massa
overall untuk dua layer, yaitu untuk
polarisasi konsentrasi
lapisan (di
mana tidak ada reaksi biokimia) dan
untuk lapisan membran biocatalytic,
(teori lapisan dua film untuk sistem
gas-cair) seperti yang diilustrasikan
pada Gb. 1(B).
Indeks
L
menunjukkan
polarisasi konsentrasi lapisan, nilai
βoL dapat diperoleh dari persamaan
(13) dengan mempertimbangkan
bahwa βoL adalah perpindahan massa
koefisien lapisan batas cair. dari
persamaan di atas, pengaruh jumlah
Peclet dari konsentrasi lapisan
polarisasi,
PEL
pada
massa
keseluruhan koefisien perpindahan,
βtot, dapat dihitung dengan tepat. Pada
proses membran, peran konsentrasi
boundary layer tidak dapat diabaikan,
dengan demikian, persamaan di atas
memberikan ekspresi sederhana untuk
memprediksi efek pada perpindahan
massa.
Distribusi
Konsentrasi
Untuk boundary layer merujuk pada
persamaan (12) didapat:
(14)
bersama-sama untuk dua lapisan
adalah pemodelan matematikanya
sulit, dan tidak diberikan di sini.
b.
Persamaan neraca massa tanpa
(tanpa reaksi kimia ):
PARAMETER
DATA
Tebal Membrane
Jenis Membrane
0,06 cm
Hollow Fiber (porous
membrane)
Polyphenol Oxidase
Jenis Enzime
pada microbe layer :
Overall mass transfer (analog dengan
two film theory ) :
sumber:jurnal “ Basic equations of
mass transfer through biocatalytic
membrane layer “
Analisis persamaan reaksi order satu :
dengan :
C. Studi kasus
Limbah phenol dengan 0.6 ton/hari
mengandung phenol dengan kadar 0.01
mmol/l. Ingin diolah menggunakan
membran reaktor (MBR). Kadar phenol
keluar yang diijinkan 0.003191 mmol/l.
Berapa luas permukaan membran yang
diperlukan.
The concentration profiles of mass
transport through a biocatalytic
membrane layer accompanied by first order biochemical reaction.
Data- data reaksi :
Rumus-rumus yang digunakan :
PARAMETER
DATA
Vmax
v
Km
D
De
Cb
Cp
Tebal film
4,83 x 10-11 mol /menit
10-5 m/s
0,7 mmol/L
0,91 10-5 cm2/s
0,89 10-5 cm2/s
0,01 mmol/L
0,003191 mmol/L
0,06 cm
2 tanh
tanh
=
+
6,74
2 ) tanh(3,36) + 3,36
0,06 tanh(3,36)
(0,89. 10 )(
=
= 0,195. 10
D. Hasil
Perhitungan
Pembahasan
dan
=
Perhitungan
a. Membran bioreactor dengan
enzim (reaksi)
Film cair
10
0,06
( )=
=
0,91. 10
( ) = 6,59
10 +
0,195.10
= 1,073.10
/
0,91. 10
6,59
0,06
= 1,00085. 10
=
Pem
2 tanh m +
cosh m x (
1
,
,
Membran
1
3,36 x e
6,74
cosh(3,36) ( 2 tanh(3,36) + 3,36
= 1,0009
=
=
(
)
= 1,07. 10
=
= 2%
4,83.10
0,91. 10
= 0,45
0,06
7.10
=
=
(
4
m)
,
=
=
,
=
=
=
=
1
+
1
0,6
= 0,012
= 1,47 10
+
6,59
+ 0,45 = 3,36
4
)=
10
0,06
0,89. 10
= 6,74
=
( )=
1,47 10
1,07. 10
= 1,37 . 10
=
b. Membran tanpa enzim (tanpa
reaksi)
Luas
perpindahan
yang
dibutuhkan membran untuk
pengolahan limbah fenol tanpa
penggunaan Enzim.
Film cair
(
=
)
Membran
(
=
)
Kombinasi
1
=
1
(
)
+
=
1
0,89. 10
=
0,06
= 1,48.10
=
6,74
1
1
10
1
10
,
+
,
,
1,48.10
( ,
,
)
3,19.10 )
= 9,99. 10
Jumlah area mem
embran yang
dibutuhkan = 1,07 x 1,37.104 =
1,4676.104 m2
Jumlah modul dibutuhka
uhkan = 1,07 x
1142 = 1224 modul.
Pembahasan
Dari hasil perhitungann didapat luas
pada membran
area yang dibutuhkan pa
im adalah 1,37
yang mengandung enzim
kan luas area
x 104 m2 Sedangkan
menggunakan membrann tanpa enzim
m2 hal ini
adalah 1,47 x 104
phenol pada
dikarenakan fluks phe
besar dari pada
membran enzim lebih besa
rasio 1,0711.
tanpa enzim dengan ra
enakan gradien
Fluks yang besar dikarena
akibat adanya
konsentrasi yang besar aki
efek reaksi.
E. Kesimpulan
1. Untuk mengola
olah limbah phenol
sebanyak
0.012
ton/hari
dibutuhkan
lluas
permukaan
membran sebesa
besar 13.700 m2
2. Jika 1 modul me
membran luasnya 12
2
m maka tot
total modul yang
dibutuhkann 1.142 m
modul
3. Untuk mengola
olah limbah phenol
sebanyak 0.012 ton/hari tanpa
Enzim
dibutuhka
butuhkan
A
luas
permukaan m
membran sebesar
14.674 m2
4. Jika 1 modul me
membran luasnya 12
m2 maka tot
total modul yang
dibutuhkann 1.224 m
modul
Daftar Pustaka
• Seung-Hak
CHO
HOI*,
Francesco
SCURA*, Giuseppe
ppe BARBIERI*,†,
Rosalinda MAZZE
ZEI*,***, Lidietta
GIORNO*,Enrico
Jurnal
“Biodegradation of Phenol
henol in Wastewater
by
Enzyme-loade
oaded
Membrane
Reactor: Numerical
al Appr
Approach”
• Endre Nagy*,Unive
niversity of Pannonia,
Research Institute
ute of Chemical and
Process Engineerin
ring, 8201 Veszpr ´
em, Hungary, jurna
nal “Basic equations
of mass transfer thr
through biocatalytic
membrane layer”..