Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan selama 10 bulan, mulai dari bulan Juni 2012 hingga Maret 2013 di Laboratorium Teknik Energi Terbarukan (TET), Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah buah mangga (Mangifera indica L.) varietas Cengkir/Indramayu dengan tingkat kematangan yang seragam, gula putih komersial (sukrosa), akuades serta air mineral. Sedangkan peralatan yang digunakan antara lain, set osmotik dehidrator, heater, stirrer, hollow fiber membran PP (polypropylene), evaporator, pompa membran RO 50 GPD, pomp air mini AT380, pressure gauge, hand refractometer ATAGO N1-K Fuji 13976, timbangan digital Excellent DJ-Serries, drying oven SS-204D, hybrid recorder , termokopel tipe CC, termometer, kertas saring, tissue, mistar penggaris, wadah plastik serta pisau buah. Spesifikasi jenis membran yang digunakan dalam penelitian ini yaitu membran ultrafiltrasi tipe UF S-220 yang akan difungsikan sebagai DCMD, jenis hollow fiber membrane, material polypropylene (hydrophobic membrane), diameter 2 inch, panjang 495 mm, konektor umpan-permeate ΒΌ inch, berat 1.12 kg, pore size diameter 0.05 micron / 2400 hollow fiber, luas membran efektif 0.8 m2, tekanan operasi 1-2.5 bar, temperatur operasi maks. 50 oC. Membran diperoleh melalui pemesanan yang diproduksi oleh PT GDP Membran Filter, Bandung Jawa Barat.
Prosedur Penelitian
Penelitian dilakukan melalui tiga tahapan proses yang meliputi penelitian tahap pertama, yaitu pengujian kinerja distilasi membran DCMD, tahap kedua berupa pengamatan karakteristik dehidrasi osmotik irisan buah mangga, serta tahap ketiga untuk mengetahui kinerja rekonsentrasi proses dehidrasi buah mangga dengan DCMD. Bagan alir dan tahapan penelitian ini ditunjukkan oleh
Gambar 7. Bagan alir dan tahapan penelitian rekonsentrasi membran DCMD. Mulai
(Studi literatur dan tinjauan pustaka)
Penelitian tahap I Pengujian kinerja membran
UF-S220
Hollow Fiber Polypropylene
Penelitian tahap II Karakteristik dehidrasi osmotik
irisan mangga (3 x 3 x 1 cm) perbandingan
massa-larutan , 1:20 Pemilihan jenis membran
DCMD
Pemilihan dan penyeragaman buah mangga varietas Cengkir
Fluks permeat membran pada suhu umpan 50 oC, suhu
permeat 5, 10, 15 oC
Penyusutan massa, volume, perubahan kadar air, solid gain serta
laju pengeluaran air (water loss) selama proses dehidrasi osmotik
Grafik operasi kerja fluks permeat terhadap laju pengeluaran air dehidrasi osmotik mangga
Penentuan perbandingan optimal massa-larutan untuk proses
rekonsentrasi larutan gula
Pemodelan laju perubahan konsentrasi larutan gula selama
proses dehidrasi
Penelitian tahap III
Kinerja rekonsentrasi larutan gula dehidrasi buah mangga dengan
DCMD
Evaluasi kinerja rekonsentrasi dan kemampuan membran DCMD Diperoleh
Penelitian Tahap Pertama
Pengujian Kinerja Distilasi Membran DCMD
Penelitian tahap pertama bertujuan untuk mengetahui kemampuan membran polypropylene dalam memisahkan komponen air dan larutan osmotik dengan teknik DCMD. Perlakuan yang digunakan pada tahap ini yaitu variasi konsentrasi larutan osmotik dan suhu permeat (sisi dingin). Gambar 8 menunjukkan skema distilasi membran DCMD. Pada bagian umpan, sebanyak 5 liter larutan gula dimasukkan ke dalam wadah dehidrator dengan perlakukan konsentrasi 30, 35 dan 40 oBx pada suhu 50 oC. Larutan kemudian dialirkan secara sirkulasi menggunakan pompa membran dengan laju konstan sebesar 0.67 liter/menit dan tekanan 1 atm menuju saluran feed in lalu keluar melalui saluran feed out dan kembali lagi ke wadah dehidrator. Untuk menjaga keseragaman suhu dan konsentrasi larutan digunakan heater sebagai pemanas dan stirrer untuk pengadukan larutan.
Pada sisi permeat, akuades digunakan sebagai larutan sisi dingin dengan perlakuan suhu pada 5, 10 dan 15 oC. Suhu akuades dijaga konstan dengan menggunakan evaporator. Akuades dialirkan menggunakan pompa dengan laju konstan sebesar 0.67 liter/menit dan tekanan 1 atm menuju saluran permeat in dan keluar melalui saluan permeat out, kemudian kembali ke wadah permeat. Hal tersebut terjadi secara terus-menerus selama proses rekonsentrasi. Rekonsentrasi larutan dilakukan selama 480 menit dengan pengamatan dan pengukuran perubahan konsentrasi dilakukan setiap selang 20 menit.
Cara pembuatan larutan osmotik adalah dengan mencampurkan gula putih/pasir dengan akuades, kemudian diukur kadar TPT (total padatan terlarut) dengan refraktometer hingga diperoleh konsentrasi dalam satuan oBx yang diinginkan. Refraktometer dikalibrasi dengan cara meneteskan akuades pada lensa refraktometer hingga menunjukkan angka 0 oBx. Jumlah air dalam larutan yang dipisahkan oleh membran ditentukan dengan menghitung perubahan konsentrasi larutan gula selama proses rekonsentrasi dengan Persamaan 1.
(a)
(b)
Gambar 8. (a) Foto dan (b) Skema peralatan dehidrasi osmotik dengan distilasi membran DCMD.
Keterangan gambar : 1) wadah umpan, 2) heater pemanas, 3) stirrer, 4) thermostat dan termometer, 5) pompa membran, 6) pressure gauge, 7) UF S-220 membran, 8) wadah permeat, 9) pompa air mini, 10) evaporator, 11) hybrid recorder dan termokopel CC.
Β Β Β πΆ = π!
π!+ π! Β Γ Β 100% Β Β Β , π! =
π! 1 β πΆ
πΆ Β Β Γ Β 100% Β Β Β (1) Β Dimana : C = konsentrasi larutan gula (oBx)
mg = massa gula (kg) ma = massa air (kg)
Fluks permeat adalah laju uap air dari sisi umpan yang berpindah melewati pori membran menuju sisi permeat membran (Gunko et al. 2006). Fluks permeat membran dalam penelitian ini diperoleh dengan mengamati perubahan konsentrasi yang terjadi selama proses rekonsentrasi, yaitu menghitung volume air yang dipisahkan oleh membran. Massa jenis air (Ο) yang digunakan sebesar 1 kg/liter sehingga massa air akan sama dengan volume air. Fluks permeat diperoleh dengan mengitung volume air dibagi dengan luasan membran serta waktu rekonsentrasi (Persamaan 2). Kombinasi perlakuan penelitian tahap I ditunjukkan oleh Tabel 2.Kombinasi perlakuan penelitian tahap I ditunjukkan oleh Tabel 2.
π½ = π
π΄Γπ‘ Β Β Β 2
Dimana : J = fluks permeat (liter/m2h) A = luas permukaan membran (m2) t = waktu (h)
V = volume air permeat (liter)
Tabel 2. Kombinasi perlakukan karakteristik membran UF-S220 DCMC. Konsentrasi larutan
gula (oBx)
Suhu dehidrasi osmotik/ suhu umpan membran (oC) Suhu permeat (oC) Laju umpan (liter/menit) 30 50 5 0.67 10 15 35 50 5 0.67 10 15 40 50 5 0.67 10
Untuk menghindari terjadinya fouling pada membran maka dilakukan proses membran backwash pada setiap akhir proses rekonsentrasi larutan gula. Backwash merupakan metode pembersihan membran dengan mengalirkan larutan pencuci pada arah yang berkebalikan dengan pemberian tekanan yang tinggi. Larutan pencuci yang digunakan sebagai backwash dalam penelitian ini adalah akuades dengan suhu 40 oC sebanyak 5-10 liter. Mekanisme aliran backwash yang dilakukan adalah sebagai berikut (Gambar 9).
1. Larutan akuades dialirkan melalui saluran no. 3, tutup saluran no. 4 dan no. 1, kemudian cairan akan terbuang dari saluran no. 2.
2. Larutan akuades dialirkan melalui saluran no. 4, tutup saluran no. 3 dan no. 2, kemudian cairan akan terbuang dari saluran no. 1.
3. Larutan akuades dialirkan melalui saluran no. 1, tutup saluran no. 3 dan no. 2, kemudian cairan akan terbuang dari saluran no. 4.
4. Larutan akuades dialirkan melalui saluran no. 2, tutup saluran no. 4 dan no. 1, kemudian cairan akan terbuang dari saluran no. 3.
Gambar 9. Skema dan mekanisme membran backwash pada proses distilasi membran DCMD.
Feed
(larutan gula) Permeat (air)
Permeat
Retentat Membran
Penelitian Tahap Kedua
Karakteristik Dehidrasi Osmotik Irisan Mangga
Buah mangga varietas Cengkir/Indramayu dengan tingkat kematangan serta kadar gula (oBx) yang seragam diperoleh dari pasar buah segar setempat. Mangga kemudian dikupas dan diiris tipis melintang dengan ukuran panjang 3 cm lebar 3 cm dan tebal 1 cm menggunakan pisau pengiris buah. Sampel kemudian dimasukkan ke dalam wadah (kawat) berongga dengan dimensi 12 x 2 x 4 cm dan di kelompokkan sebanyak 3 sampel pengulangan untuk memudahkan dalam pengukuran, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 10. Kadar air bahan diukur dengan menggunakan metode oven pada suhu 105 oC selama 24 jam. Kadar air menunjukkan jumlah kandungan air persatuan bobot bahan yang dapat dinyatakan dalam persen basis berat basah atau dalam persen basis berat kering. Dalam penelitian ini kadar air dinyatakan dalam persen basis basah dengan batas maksimum teoritis sebesar 100 % yang dapat ditentukan oleh Persamaan 3.
Gambar 10. Sampel irisan buah mangga yang digunakan dalam dehidrasi osmotik.
Β Β Β π =π β π
π Β Γ100% Β Β Β (3) Β Dimana : m = kadar air basis basah (% b.b)
a = massa sampel awal (g)
b = massa sampel setelah oven (g)
Proses dehidrasi osmotik irisan mangga menggunakan jenis larutan gula pasir komersial (sukrosa) dengan konsentrasi 30, 35 dan 40 oBx. Pembuatan larutan
osmotik dilakukan sama seperti pada penelitian tahap I yang telah disebutkan sebelumnya. Pengukuran TPT sampel buah mangga dilakukan dengan mengekstrak sampel kemudian diletakkan di lensa refraktometer. Sampel buah mangga ditimbang untuk mengetahui massa awal, kemudian dimasukkan ke dalam larutan gula dengan rasio sampel dan larutan gula 1:20 (massa/volume). Dehidrasi dilakukan selama 480 menit dengan waktu pengukuran pada menit ke 0, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 240, 360 serta 480. Suhu larutan osmotik diatur menggunakan heater pada kondisi tetap sebesar 50 oC. Kombinasi perlakuan penelitian tahap II ditunjukkan oleh Tabel 3. Gambar 11 menunjukkan perlakukan sampel untuk menentukan karakteristik dehidrasi osmotik.
Tabel 3. Kombinasi perlakuan karakteristik dehidrasi osmotik irisan mangga. Suhu larutan osmotik (oC) Konsentrasi larutan (oBx) Ukuran irisan bahan (cm) Waktu dehidrasi (menit) 50 30 3 x 3 x 1 480 35 40
4 5
6
Setelah proses dehidrasi osmotik selesai, sampel kemudian dibilas dengan air, dikeringkan dan ditimbang massa, volume, densitas, porositas dan kadar air akhir. Massa bahan diukur secara langsung dengan menggunakan timbangan digital. Volume bahan dihitung menggunakan prinsip Archimedes dengan menghitung perbedaan berat di udara dan di dalam air (Yuliana 2012). Bahan di timbang untuk mengetahui massa awal di udara. Selanjutnya bahan diletakkan pada wadah yang telah dilengkapi pemberat, kemudian dimasukkan ke dalam air dan ditimbang dengan skema yang ditunjukkan oleh Gambar 12. Untuk menyeimbangkan posisi dan pembacaan pada skala timbangan digunakan papan serta benang penyangga yang diletakkan di atas timbangan. Persamaan 4 menunjukkan perhitungan volume bahan.
Gambar 12. Skema pengukuran volume sampel dengan metode Archimedes. Keterangan gambar : (1) papan penyangga, (2) timbangan digital, (3) wadah bahan/sampel dan pemberat, (4) wadah berisi air, (5) benang pengait dan (6) meja penyangga.
Β Β Β π£ =π€!β π€!
π¦!"# Β Γ100% Β Β Β (4) Β Dimana : v = volume sampel (cm3)
ws = berat sampel (gf) wβ = berat sampel di air (gf)
yair = berat jenis air (0.9957 gf/cm3) 1
2
Densitas adalah ukuran kerapatan suatu zat yang dinyatakan dalam perbandingan banyaknya massa zat persatuan volume. Pengukuran densitas dapat dinyatakan dalam Persamaan 5.
Β Β Β π =π!
π£! Β Β Β (5) Β Β Β
Dimana : Ο = massa jenis/kerapatan (g/cm3) m = massa sampel (g)
v = volume sampel (cm3)
Porositas pada bahan merupakan fraksi udara yang berperan penting dalam pergerakan air dan udara pada rongga bahan. Porositas dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan 6.
Β Β Β π =π!β π!
π! Β Β Β (6) Β Β Β
Dimana : π = porositas sample (tanpa satuan) Οr = densitas sampel (kg/m3)
Οa = densitas apparent sampel (kg/m3)
Densitas sampel diperoleh melalui pengukuran langsung perbandingan massa dan volume dengan Persamaan (5). Mangga terdiri dari jenis karbohidrat yang didominasi oleh sukrosa sebesar 7-12 % yang menyebabkan rasa manis. Densitas apparent sampel (Οa) pada produk mangga didekati melalui jumlah karbohidrat atau kandungan gula yang terdapat dalam bahan. Densitas apparent dapat ditentukan melalui persamaan 7.
Β Β Β π! = π₯ 1
!
1000 β1 β π₯1590!
Β Β Β (7) Β Β Β Dimana : xw = kadar air basis basah (% b.b)
1000 = kerapatan air (kg/m3)
Penyusutan massa pada proses dehidrasi osmotik terjadi karena perubahan kandungan air yang keluar bahan (kehilangan air). Hal tersebut menyebabkan bagian rongga pada bahan menyusut karena jumlah air yang hilang. Penyusutan massa dinyatakan dalam persentase (%) dengan Persamaan 8.
Β Β Β π! = βπ!β π!
π! Β Β Γ Β 100% Β Β Β (8) Β Β Β Dimana : WR = penyusutan massa (% w/w)
Wt = massa sampel pada waktu t (g)
Wo = massa sampel pada waktu ke-0 menit (g)
Penyusutan volume pada dehidrasi osmotik juga disebabkan sebagai akibat kehilangan kandungan air dalam bahan sehingga rongga pada bahan menyusut. Pada umumnya penyusutan volume juga berbanding lurus dengan penyusutan massa. Penyusutan volume dapat dinyatakan dalam Persamaan 9.
Β Β Β π! = βπ!β π!
π! Β Β Γ Β 100% Β Β Β (9) Β Β Β Dimana : VR = penyusutan volume (% w/w)
Vt = volume sampel pada waktu t (cm3)
Vo = volume sampel pada waktu ke-0 menit (cm3)
Pada tahap akhir juga dilakukan pengukuran water loss (WL) serta solid gain (SG). Water loss (WL) adalah jumlah air yang keluar dari bahan selama proses dehidrasi. Sedangkan solid gain (SG) adalah jumlah padatan terlarut yang masuk ke dalam bahan selama proses dehidrasi osmotik berlangsung (Azuara 1992). WL dan SG ditentukan dengan menggunakan Persamaan (10) dan (11).
ππΏ! = π!β π!π€π€!
! Β Β Β 10 Β Β Β ππΊ! =π€! 100 β π! β π€! 100 β π!
π€! Β Β Β (11) Dimana : WLt = water loss pada waktu t (%)
SGt = solid gain pada waktu t (%) w0 = massa awal bahan (gram)
wt = massa bahan pada waktu ke t menit (gram) m0 = kadar air awal bahan (%)
mt = kadar air bahan pada waktu ke t menit (%)
Kehilangan air pada proses dehidrasi osmotik akan terus berlangsung hingga mencapai kondisi kesetimbangan, dimana tekanan dalam sel pada bahan akan sam dengan tekanan osmotik lingkungan. Kondisi tersebut menggambarkan jumlah kehilangan air optimal pada waktu tertentu selama proses berlangsung. hal tersebut dapat digunakan untuk memprediksi laju kehilangan air optimal pada dehidrasi osmotik. Untuk mengetahui kehilangan air selama proses osmotik pada kondisi kesetimbangan, dapat dilakukan dengan pemodelan dehidrasi osmotik yang dikembangkan oleh Azuara (1992) menggunakan Persamaan 12.
ππΏ! =π!1 + ππ‘(ππΏ!)
!π‘ Β Β Β (12)
Dimana : S1 = konstanta yang berkaitan dengan water loss (-) WLβ = water loss pada kondisi kesetimbangan (%)
Penelitian Tahap Ketiga
Rekonsentrasi Proses Dehidrasi Osmotik Irisan Mangga dengan DCMD Hasil pengukuran fluks permeat pada tahap I selanjutnya diplotkan dalam grafik hubungan antara konsentrasi larutan dengan laju massa air yang dipindahkan pada berbagai kondisi perlakuan suhu permeat. Tahap berikutnya, nilai WL yang diperoleh pada tahap II diplotkan dalam grafik hubungan antara konsentrasi larutan gula dengan laju massa air yang keluar dari bahan pada berbagai massa buah awal yang digunakan. Dari kedua grafik tersebut akan diperoleh hubungan antara massa air yang keluar bahan dengan massa air yan mampu dipisahkah dari larutan sehingga akan diperoleh perbandingan massa buah : larutan yang optimal dalam proses rekonsentrasi dengan membran DCMD. Proses evaluasi kinerja distilasi membran DCMD dalam memekatkan larutan gula pada dehidrasi osmotik irisan buah mangga meliputi perubahan nilai konsentrasi larutan serta beberapa parameter dehidrasi osmotik berupa WLt, SG, penyusutan massa dan volume (shrinkage).
Pada tahap III ini juga dilakukan pengukuran dan pemodelan laju perubahan konsentrasi larutan gula pada proses dehidrasi osmotik tanpa membran DCMD. Nilai koefisien dehidrasi osmotik serta WLβ yang diperoleh, dijadikan sebagai acuan dalam menentukan besarnya nilai WLt pada t menit untuk berbagai tingkat konsentrasi larutan. Solusi persamaan non linear dari hasil perhitungan diselesaikan dengan menggunakan metode numerik Euler, sehingga diperoleh besar nilai konsentrasi larutan pada waktu yang ditentukan dengan Persamaan 13. Tingkat efektivitas rekonsentrasi membran DCMD dihitung dengan membandingkan konsentrasi akhir larutan menggunakan membran dan tanpa menggunakan membran DCMD.
π€!!! = π€! + Ξπ‘. π π‘ Β
dimana f(t) adalah turunan pertama yang dinyatakan dengan ; π!
π! π! = π!π‘π!! 1 + π!π‘π! Β Β Β π πβπππππ, Β Β Β π π‘ = π!π!!π! (1 + π!π‘)! Β Β Β (13)
Selama proses rekonsentrasi dengan membran, laju perubahan konsentrasi larutan C terhadap waktu (dC/dt) akan dipengaruhi oleh perubahan massa air di dalam larutan gula. Pemodelan simulasi dilakukan dengan menentukan hubungan antara perubahan konsentrasi larutan terhadap waktu dC/dt ke dalam fungsi f (C, t). Fungsi f (C, t) diperoleh dengan melakukan regresi kuadratik melalui data fluks membran pada suhu permeat 5 oC, konsentrasi awal 30, 35 dan 40 oBx. Perubahan massa air meliputi jumlah air yang keluar dari buah ke larutan serta air yang dipisahkan/dibuang dari larutan oleh membran. Pemodelan dehidrasi osmotik dengan membran DCMD meliputi hubungan antara fluks permeat terhadap konsentrasi larutan. Besarnya nilai fluks permeat atau laju massa air yang dipisahkan oleh membran dipengaruhi oleh luasan membran tersebut terhadap waktu (Persamaan 14). π! π! = π π! π! π!+ π! Β Β π! π! = β π!ππ! π! (π!+ π!)! Β dimana, ππ! π! = βπ½Γπ΄ Β Β π! π! = π! (π!+ π!)! Β π½Γπ΄ π πβπππππ, π½Γπ΄ =π! π!Γ (π!+ π!)! π! Β Β Β (14)
Proses Pindah Panas dan Massa pada Distilasi Membran DCMD Proses pindah massa dan panas pada distilasi membran DCMD dapat dibagi menjadi 5 bagian seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 13, yaitu : bagian bulk feed atau sisi umpan, lapisan batas umpan, area membran, lapisan batas permeat serta bulk permeate atau bagian sisi permeat (Sharmiza 2012). Perbedaan suhu pada sisi umpan dan permeat membran ( Tmf dan Tmp ) menyebabkan timbulnya tekanan uap pada kedua sisi membran sehingga uap air berpindah dari tekanan uap yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Tekanan uap yang juga merupakan tekanan transmembran menjadi driving force dalam proses DCMD.
Perbandingan atau rasio perbedaan suhu pada kedua sisi membran dan pada kedua sisi larutan disebut dengan TPC (Temperatur Polarization Coefficient) yang dirumuskan dengan Persamaan 15. Semakin besar nilai TPC, maka perpindahan uap komponen volatil pada membran akan semakin besar. Perbedaan suhu larutan (Tbf dan Tbp) diharapkan dapat seminimal mungkin dengan suhu membran (Tmf dan Tmp) agar proses distilasi membran dapat berlangsung dengan efisien dan optimal.
πππΆ = Β π!" β π!"
π!" β π!" Β Β Β (15)
Dimana : TPC = koefisien polarisasi suhu (tanpa dimensi)
Tmf = suhu pada permukaan membran sisi umpan (oC) Tmp = suhu pada permukaan membran sisi permeat (oC) Tbf = suhu pada membran sisi umpan (oC)
Tbp = suhu pada membran sisi permeat (oC)
Pindah massa yang terjadi selama proses distilasi membran DCMD berlangsung dapat dinyatakan secara linear sebagai fungsi dari koefisien distilasi membran dengan perbedaan tekanan uap antara kedua sisi membran seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan 16. Dalam hal ini hanya molekul uap air yang berpindah melewati membran dan terkondensasi pada bagian permeat.
π½ = Β πΆ Β π!" β π!" Β Β Β (16) Dimana : J = fluks permeat membran (W/m2K)
C = koefisien distilasi membran (kg/m2hPa)
Pmf = tekanan parsial uap larutan pada suhu Tmf (Pa) Pmp = tekanan parsial uap air pada suhu Tmp (Pa)
Tekanan uap parsial diantara kedua sisi membran merupakan tekanan uap larutan gula dan air. Besarnya tekanan parsial pada larutan gula (Pmf) ditentukan oleh hukum Raoult yang menyatakan bahwa tekanan uap larutan ideal dipengaruhi oleh tekanan uap pelarut dan fraksi mol zat terlarut yang terkandung dalam larutan tersebut (Smith 2011) seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan 17.
π! = Β π! Β Γ Β π! Β Β Β (17) Dimana : Pa = tekanan parsial larutan (Pa)
Xa = fraksi mol larutan gula dan air π! = Β πππ Β πΆπππ Β πΆ!"π»!!π!!
!"π»!!π!!+ πππ Β π»!π Po = tekanan parsial uap air awal (oC)
Proses pindah panas pada distilasi membran sangat mempengaruhi kinerja keseluruhan dari pengoperasian dan efisiensi membran. Dalam DCMD, umpan dengan suhu tinggi yang dimasukkan akan bersentuhan langsung (kontak) dengan permukaan membran. Sementara pada sisi yang berseberangan, permeat dengan suhu rendah juga kontak langsung dengan permukaan membran. Hal tersebut menyebabkan suhu pada sisi umpan TbF akan mengalami penurunan menjadi Tmf . Pada bagian ini besarnya pindah panas Qf dirumuskan dengan Persamaan 18.
π! = Β β! π!"β π!" Β Β Β (18)
Dimana : Qf = pindah panas pada sisi umpan (W/m2)
hf = koefisien pindah panas pada sisi umpan (W/m2K) Tbf = suhu umpan (oC)
Tmf = suhu lapisan batas umpan (oC)
Kemudian, suhu pada sisi permeat Tbp akan mengalami peningkatan menjadi Tmp dengan besarnya pindah panas Qp pada bagian ini dapat dirumuskan dengan Persamaan 19.
π! = Β β! π!"β π!" Β Β Β (19)
Dimana : Qp = pindah panas pada sisi permeat (W/m2)
hp = koefisien pindah panas pada sisi permeat (W/m2K) Tbp = suhu permeat (oC)
Tmp = suhu lapisan batas permeat (oC)
Panas yang diberikan pada sisi umpan menyebabkan komponen volatil atau molekul berubah fase menjadi uap kemudian melewati sisi membran. Pada bagian membran ini terdapat dua jenis pindah panas yang terjadi yaitu pindah panas uap yang melewati membran serta pindah panas konduksi pada membran. Pindah panas pada membran secara keseluruhan dapat dinyatakan dalam Persamaan 20. Nilai konduktivitas termal membran km dapat ditentukan melalui perhitungan dengan melibatkan porositas membran, konduktivitas termal material polimer membran serta konduktivitas termal uap di dalam pori membran. Dalam
penelitian ini, konduktivitas termal membran ditentukan melalui data sekunder yang diperoleh dari referensi yaitu sebesar 0.23 W/m2 (Sharmiza et al. 2012).
π! = Β π½π!+π!
πΏ! π!" β π!" Β Β Β (20) Dimana : Qm = pindah panas pada membran (W/m2)
Ξ»v = panas laten uap (J/kg)
km = konduktivitas termal membran (W/mK) Ξ΄m = ketebalan membran (m)
Besarnya nilai Tmf dan Tmp tidak dapat diketahui secara langsung karena keterbatasan cara pengukuran suhu pada bagian lapisan batas larutan yang bersentuhan langsung dengan membran. Sejauh ini penelitian untuk menentukan nilai pindah panas keseluruhan serta koefisien pindah panas membran dilakukan dengan memprediksi nilai Tmf dan Tmp dari beberapa parameter yang telah diketahui. Dalam penelitian ini, nilai Tmf dan Tmp ditentukan melalui perhitungan dengan mensubtitusi Persamaan 18, 19 dan 20 dimana pada kondisi steady state nilai Qf = Qp = Qm dengan menggunakan Schofield model sehingga diperoleh solusi Persamaan 21 dan 22 berikut.
π!" Β = Β 1 1 + π! πΏ!β!+ ππΏ!!β! 1 + π! πΏ!β! π!"+ π! πΏ!β!π!" β π½π β! Β Β Β (21) π!" Β = Β 1 1 + π! πΏ!β!+ ππΏ!!β! 1 +πΏπ! !β! π!"+ π! πΏ!β!π!" + π½π β! Β Β Β (22)
Koefisien pindah panas hf dan hp dapat didekati dengan menggunakan bilangan Nusselt (Nu) yang menggambarkan nilai rasio pindah panas secara konduksi dan konveksi pada lapisan batas (boundary layer) membran. Bilangan Nusselt melibatkan beberapa parameter aliran yang terjadi dalam saluran membran seperti bilangan Reynold, Prandtl (Pr) serta diameter hidraulik (DH) yang ditunjukkan oleh Persamaan 23 dan 24. Pendekatan untuk menghitung
besarnya nilai Nu yang digunakan mengacu pada penelitian yang telah dilakukan oleh Sharmiza et al. (2012) dalam Persamaan 25 dan 26 berikut.
π π =π£ππ·! π Β Β Β 23 Β Β Β π! = ππΆ! π Β Β Β (24) β! = Β 1.524Γ11.5π π·! Β π π!.!"ππ!.!" π·! πΏ !.! Β Β Β (25) β! = Β 1.524Γ15π π·! Β π π!.!"ππ!.!" π·! πΏ !.! Β Β Β (26)
Dimana : Re = Reynold number (tanpa dimensi) v = kecepatan aliran (m/s2)
Ο = massa jenis zat (kg/m3) DH = diameter hidraulik (m) Β΅ = viskositas fluida (kg/ms)
Pr = Prandtl number (tanpa dimensi) Cp = kapasitas panas fluida (J/kgK) k = konduktivitas termal (W/mK) L = panjang saluran (m)
hf = koefisien pindah panas umpan membran (W/m2 K) hp = koefisien pindah panas permeat membran (W/m2 K)
Evaluasi kinerja rekonsentrasi distilasi membran DCMD dilakukan dengan mengitung derajat konsentrasi/ rejeksi gula (Warczok et al. 2007) seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 27.
πΆπ· =πΆ!"
πΆ!" Β Γ Β 100% Β Β Β 27 Β Β Β Dimana : CD = derajat konsentrasi (%)
CFR = konsentrasi akhir laruran gula (oBx) CIR = konsentrasi awal laruran gula (oBx)