II. TINJAUAN PUSTAKA 5
2.5. Fenomena Osmosis dan Tekanan Osmotik 12
Menurut Cheryan (1998) pemisahan membran pada umumnya dibatasi oleh batas tertinggi kandungan padatan (solid) dalam larutan yang dapat diperoleh. Pada RO, tekanan osmotik larutan umpan membatasi proses filtrasi. Tekanan osmotik adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan proses osmosis dalam sistem membran semi permiabel (Park 1996).
Fenomena osmosis merupakan peristiwa perpindahan (transport) air atau pelarut melalui membran semipermeabel. Membran semipermeabel didefinisikan sebagai membran yang dapat melewatkan (permeable) pelarut dan tidak dapat melewatkan (impermeable) zat terlarut (solute). Fenomena osmosis berhubungan dengan fraksi mol air, X1 dan potensial kimia (chemical potential), µ (Gambar 5). Fraksi mol adalah komposisi mol air dalam larutan, bernilai 1 untuk air murni dan bernilai 0<X1<1 pada larutan. Potensial kimia adalah gaya dorong yang ditimbulkan karena perubahan energi bebas dalam sistem yang menghasilkan perubahan komposisi pada sistem (Cheryan 1998).
Gambar 5 Fenomena osmosis. Dua sisi ruang dipisahkan oleh membran semipermeabel ideal. Tanda panah menunjukkan perpindahan air karena perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998)
Larutan X1< 1 µ1 Air X1= 1 µ1 Membran
Energi tertinggi pada air yang menentukan potensial kimia tertinggi adalah dalam bentuk air murni. Penambahan material atau bahan pengotor dalam air akan meningkatkan entropi yang menyebabkan penurunan energi bebas, sehingga potensial kimia air dalam larutan akan menurun dan selalu lebih kecil dibandingkan air murni. Potensial kimia air pada larutan (µ1) di sisi kiri membran lebih kecil dibandingkan potensial kimia air murni (µ1o) di sisi kanan (Gambar 5). Membran permeabel terhadap air menyebabkan air berpindah dari sisi kanan ke sisi kiri membran hingga mencapai kesimbangan potensial kimia. Secara teori kesetimbangan tidak akan tercapai karena fraksi mol air pada larutan selalu lebih kecil dari satu dan secara teori air akan sepenuhnya berpindah ke sisi kiri membran. Dalam prakteknya, peningkatan ketinggian larutan pada sisi kiri membran menghasilkan tekanan hidraulik terhadap membran. Air akan berhenti berdifusi melalui membran ketika tekanan yang terjadi mencapai keseimbangan dengan perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998).
Hubungan antara potensial kimia dan fraksi mol dalam sistem membran semipermeabel dituliskan sebagai (Cheryan 1998):
ln (1)
dimana,
P* = tekanan eksternal Po = tekanan standar
R = konstanta gas ideal (0.08206 atm L g mol-1oK-1) T = temperatur (oK)
V = volume pelarut (L)
Tekanan yang diberikan sehingga menghasilkan nilai µ1 - µ1o = 0 disebut tekanan osmotik (π), seperti π = (P* – Po) dan dengan asumsi cairan tidak dalam keadaan termampatkan (incompressible), persamaan (1) menjadi:
ln (2)
atau
Persamaan (3) merupakan persamaan termodinamik untuk tekanan osmotik atau dikenal sebagai persamaan Gibbs. Persamaan ini berlaku dengan menggunakan 2 asumsi yaitu keadaan larutan ideal, dimana hanya sesuai untuk larutan yang sangat encer, dan cairan tidak dalam keadaan termampatkan, dimana hanya berlaku pada keadaan tekanan yang relatif rendah (Cheryan 1998).
Pengembangan persamaan tekanan osmotik dilakukan juga oleh Van’t Hoff. Persamaan tekanan osmotik Van’t Hoff sebagai berikut (Cheryan 1998):
(4)
dimana,
C = konsentrasi komponen terlarut (g L-1) dalam larutan M = berat molekul komponen terlarut
i = bilangan ion untuk komponen terionisasi (contoh: i = 1 untuk gula, i = 2 untuk NaCl)
Ketepatan kedua model (Gibbs dan Van’t Hoffman) dalam memprediksi tekanan osmosis dapat dilihat pada Tabel 7. Model Van’t Hoff menghasilkan nilai tekanan osmotik yang memiliki deviasi signifikan dalam semua tingkat konsentrasi. Hal ini disebabkan beberapa asumsi perkiraan yang ditentukan dalam pembuatan model. Persamaan Gibbs lebih akurat dalam memprediksi tekanan osmosis dalam kisaran konsentrasi yang cukup luas, tetapi pada konsentrasi tinggi deviasi nilai tekanan osmotik dari keadaan larutan ideal masih terjadi.
Tabel 7 Tekanan osmotik larutan sukrosa pada suhu 30 oC Konsentrasi
(% w/w) Molalitas
Tekanan osmotik (atm) Persamaan
Van’t Hoff Model Gibbs
Data percobaan 25.31 36.01 44.73 52.74 58.42 64.58 0.991 1.646 2.366 3.263 4.108 5.332 20.3 30.3 39.0 47.8 54.2 61.5 26.8 47.3 72.6 107.6 143.3 199.0 27.2 47.5 72.5 106.9 144.0 204.3 Sumber : Cheryan (1998)
Nilai tekanan osmotik (Tabel 7) terlihat meningkat dengan peningkatan konsentrasi solut. Selain konsentrasi solut, berat molekul solut dalam larutan mempengaruhi tekanan osmotik yang ditimbulkan. Tabel 8 memperlihatkan pada konsentrasi yang sama, tekanan osmotik larutan garam (NaCl) lebih besar dibandingkan tekanan osmotik larutan gula dan protein. Hal ini menunjukkan komponen solut dengan berat molekul lebih kecil memberikan tekanan osmosis yang jauh lebih besar.
Tabel 8 Tekanan osmotik larutan 1 % pada suhu 30 oC, dihitung dengan persamaan Van’t Hoff
Komponen Berat Molekul (M) Bilangan ion (i) Tekanan osmotik (psi) NaCl 58.50 2 125 Laktosa 342 1 10 Kasein 25 000 1 0.28 Sumber : Cheryan (1998)
Perhitungan tekanan osmotik pada jus buah-buahan yang terdiri dari beberapa komponen terlarut dalam proses pemekatan menggunakan RO dilakukan oleh Alvarez et al. (1998; 2002). Alvarez et al. (1997; 2002) menggunakan modifikasi dan kombinasi model Gibbs dan persamaaan Van’t Hoff untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel sebagai bagian pemodelan dalam memprediksi fluksi. Model Gibbs digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik yang diberikan oleh komponen gula dengan modifikasi perhitungan fraksi mol air, sedangkan persamaan Van’t Hoff digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh asam malat. Hasil perhitungan model menunjukkan kesesuaian dengan nilai percobaan.
Komponen gula dan asam organik digunakan sebagai komponen utama penentu tekanan osmotik jus karena komponen tersebut merupakan komponen mayor penyusun jus dengan konsentrasi tinggi dan memiliki berat molekul yang rendah (Merson dan Morgan 1968 diacu dalam Alvarez 1997). Pengukuran tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh komponen gula ditentukan oleh komponen glukosa dan sukrosa. Hal ini berdasarkan rata-rata persamaan empirik yang didapat oleh Nabetani et al. (1992) diacu dalam Alvarez et al. (2002) yang menyatakan komponen fruktosa dan sorbitol bersifat sama dengan glukosa dalam kontribusinya terhadap tekanan osmotik.
Perhitungan tekanan osmotik yang diberikan asam malat menggunakan persamaan Van’t Hoff. Walaupun persamaan ini memberikan nilai deviasi yang besar pada konsentrasi solut yang tinggi, persamaan ini masih dapat digunakan untuk konsentrasi solut dibawah 1%, dalam hal ini sesuai kandungan asam malat dalam jus apel. Perhitungan tekanan osmotik jus apel mengikuti persamaan sebagai berikut (Alvarez et al. 1998; 2002):
, , ln ⁄⁄ ⁄⁄ ⁄⁄ (5)
dimana:
Cs2, Cg2, Cm2 = konsentrasi sukrosa, glukosa, asam malat pada permukaan
membran
Ms, Mg, Mm = berat molekul sukrosa, glukosa, asam malat
Mw = berat molekul air
Vw = volume molar air murni (18.07 X 10-3 kmol-1)