SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
RIWAYAT HIDUP
2. TINJAUAN PUSTAKA 4 1 Limbah Cair Perikanan
2.2 Komponen Flavor ...5 2.2.1 Komponen flavor secara umum ...5 2.2.2 Komponen flavor pada rajungan...6 2.3 Proses Filtrasi dengan Membran...9 2.3.1 Reverse osmosis (RO) ...10 2.3.2 Kinerja membran reverse osmosis...11 2.4 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Membran...14 2.4.1 Fouling dan polarisasi konsentrasi...14 2.4.2 Tekanan transmembran ...15 2.4.3 Konsentrasi bahan ...15 2.4.4 Suhu ...16 2.4.5 pH...16 2.4.6 Tekanan osmotik ...16 2.4.7 Rejeksi...17 3. METODOLOGI PENELITIAN...18 3.1 Waktu dan Tempat ...18 3.2 Bahan dan Alat...18 3.3 Tahapan Penelitian ...19 3.3.1 Penentuan waktu tunak (steady state) ...20 3.3.2 Pengaruh tekanan transmembran ...21
3.3.3 Pengaruh suhu ...21 3.3.5 Pengaruh pH...21 3.4 Analisis dan Karakterisasi...21 3.4.1 Analisis non protein nitrogen (NPN) ...22 3.4.2 Analisis kandungan protein...22 3.4.3 Analisis asam amino ...23 3.4.4 Analisis proksimat...24 (a) Kadar air ...24 (b) Kadar abu...24 (c) Kadar protein ...25 (d) Kadar lemak...25 (e) Kadar karbohidrat ...26 3.5 Rancangan Percobaan ...26 3.6 Penentuan Optimasi Proses ...27 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakteristik Limbah Cair Pasteurisasi Rajungan ...28 4.1.1 Sifat fisik, nilai proksimat, dan kadar NPN ...28 4.1.2 Asam amino ...29 4.2 Pengaruh Parameter Operasi terhadap Kinerja Membran...31 4.2.1 Penentuan waktu tunak (steady state) ...31 4.2.2 Pengaruh parameter operasi terhadap fluks ...32 4.2.3 Rejeksi...35 4.3 Proses Pemekatan...38 4.3.1 Respon fluks selama proses pemekatan ...38 4.3.2 Respon rejeksi selama proses pemekatan ...41 4.3.3 Karakteristik hasil recovery dan pemekatan limbah cair
pasteurisasi rajungan ...42 5. KESIMPULAN ...48 5.1 Kesimpulan ...48 5.2 Saran...48 DAFTAR PUSTAKA ...50 LAMPIRAN...57
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Beban limbah cair dari beberapa jenis operasi
pengolahan perikanan...4 2 Komponen flavor dalam fraksi NPN dari berbagai sumber...6 3 Komposisi komponen flavor ekstrak daging rajungan (snow crab) ...7 4 Komponen flavor penyebab aroma khas daging rajungan...8 5 Pengelompokkan proses membran berdasarkan kisaran
partikel yang direjeksi ...9 6 Pembuatan larutan standar BSA konsentrasi 0,1 – 1,0 mg/ml...23 7 Penentuan taraf nilai variabel yang digunakan ...26 8 Karakteristik limbah cair pasteurisasi rajungan ...29 9 Kandungan asam amino limbah cair pasteurisasi rajungan ...30 10 Analisis regresi perlakuan terhadap fluks ...32 11 Hasil analisis ragam perlakuan terhadap fluks...33 12 Data nilai rejeksi berbagai perlakuan...36 13 Hasil analisis regresi terhadap rejeksi ...37 14 Hasil analisis ragam terhadap rejeksi...37 15 Rejeksi protein selama proses pemekatan...41 16 Komposisi proksimat hasil proses pemekatan ...43 17 Kandungan asam amino hasil pemekatan ...44
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Perbandingan antara proses osmosis dan reverse osmosis...10 2 Proses RO dengan sistem cross flow...12 3 Lokasi terjadinya fouling pada membran...14 4 Diagram alir tahapan proses penelitian ...19 5 Nilai fluks dan waktu tunak limbah cair pasteurisasi rajungan
selama proses filtrasi dengan membran RO...32 6 Permukaan respon fluks terhadap suhu dan TMP...34 7 Permukaan respon rejeksi terhadap TMP dan suhu ...38 8 Hubungan antara waktu pemekatan dengan nilai fluks...39 9 Hubungan antara faktor konsentrasi dengan fluks ...39 10 Kromatogram HPLC asam amino limbah pasteurisasi rajungan
DAFTAR LAMPIRAN
1 Matriks rancangan percobaan dan hasil respon fluks ...57 2 Hasil analisis RSM untuk optimasi proses RO ...58 3 Data kadar protein permeat berbagai perlakuan...59 4 Standar BSA yang digunakan dan kurva standar...59 5 Tabel hubungan waktu pemekatan dengan fluks ...60 6 Tabel hubungan faktor konsentrasi dengan fluks...60 7 Daftar berat molekul asam amino ...61 8 Hasil analisis RSM rejeksi berbagai perlakuan...62 9 Gambar seting peralatan yang digunakan ...63 10 Modul membran RO ...64 11 Sampel limbah pasteurisasi rajungan ...65
1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Rajungan tergolong hewan dasar (bentos) pemakan daging yang termasuk satu famili dengan kepiting. Saat ini rajungan merupakan komoditas ekspor unggulan hasil perikanan, khususnya untuk ekspor ke Jepang, Uni Eropa, dan Amerika Serikat. Nilai ekspor rajungan olahan ke pasar produktif tersebut mencapai 2.811 ton dengan nilai 24.037.475 US$ (DKP 2005).
Produksi rajungan mengalami peningkatan 4.866 ton per tahun (DKP 2004). Peningkatan produksi akan diikuti dengan peningkatan jumlah limbah yang dihasilkan, baik limbah padat berupa cangkang atau kulit dan limbah cair berupa air perebusan. Volume limbah cair yang dihasilkan oleh industri rajungan yang
diolah secara mekanis mencapai 29-44 m3/ ton rajungan, sedangkan yang diolah
secara konvensional berkisar 1-2 m3/ ton rajungan. Limbah cair ini menghasilkan
nilai Biochemical Oxygen Demand (BOD), Chemical Oxygen Demand (COD),
dan Total Suspended Solid (TSS) masing-masing 4.400, 6.300, dan 620 mg/l
(Islam et al. 2004). Nilai tersebut lebih tinggi dibandingkan limbah hasil
pengolahan tuna, udang, dan tiram. Sementara itu nilai baku mutu limbah cair untuk industri pengolahan ikan adalah : BOD 75 mg/l, COD 100 mg/l, dan TSS 60 mg/l (SK Gubernur DKI Jakarta Nomor 582 Tahun 1995). Limbah rajungan yang melebihi batas normal tersebut berpotensi menimbulkan pencemaran lingkungan jika tidak dimanfaatkan secara optimal. Hal ini menjadi masalah yang harus dicarikan solusinya.
Selama ini pemanfaatan limbah rajungan masih terbatas pada limbah padat, dimana cangkang rajungan dimanfaatkan sebagai bahan baku industri pakan dan pembuatan kitin serta kitosan (Hartati et al. 2002). Pemanfaatan limbah cair masih dilakukan secara tradisional, diantaranya untuk pembuatan petis.
Pemanfaatan lain yang bisa dilakukan adalah pengambilan atau recovery
komponen flavor dalam limbah tersebut mengingat adanya kandungan komponen flavor yang cukup tinggi dalam rajungan.
Selama ini proses recovery flavor dilakukan dengan evaporasi atau freeze concentration. Masalah yang muncul pada proses evaporasi adalah hilangnya
sebagian komponen volatil flavor karena panas (Kranawetter et al. 2005),
sedangkan proses freeze concentration menghasilkan rendemen yang rendah
(Jayarajah dan Lee 1988). Salah satu teknologi alternatif kompetitif yang bisa digunakan adalah teknologi membran yang hemat energi dan ramah lingkungan (Sheu dan Wiley 1983). Selain itu komponen volatil tetap terjaga.
Salah satu teknologi membran adalah reverse osmosis (RO) yang
diharapkan dapat menghasilkan rendemen yang lebih tinggi dibanding proses ultrafiltrasi (UF) karena secara teoritis tingkat rejeksi (komponen tertahan) RO lebih tinggi daripada UF. Teknologi RO telah banyak digunakan untuk proses
recovery flavor pada apel, lemon, dan mangga (Matsuura et al. 1975; Kane et al. 1995; Olle et al. 1997).
Terbatasnya informasi tentang kinerja membran RO yang optimal untuk
proses recovery flavor, khususnya pda limbah pasteurisasi rajungan, menjadi
alasan kuat dilakukannya penelitian ini. Untuk itulah pada penelitian ini dicari kondisi optimum kinerja RO yang diaplikasikan untuk pemekatan komponen flavor hasil proses recovery.
1.2 Perumusan Masalah
Pemanfaatan limbah cair rajungan yang masih terbatas pada pembuatan petis dengan jumlah kecil dan bersifat tradisional, merupakan tantangan sekaligus masalah yang harus dipecahkan, karena jika limbah tersebut tidak dimanfaatkan secara optimal maka akan menjadi sumber pencemar lingkungan. Kandungan beberapa jenis komponen flavor yang cukup tinggi dalam rajungan
memungkinkan untuk dilakukannya proses recovery komponen tersebut. Proses
recovery flavor selama ini dilakukan dengan cara evaporasi yang menyebabkan
hilangnya beberapa komponen volatil, dan proses freeze concentration yang
menghasilkan rendemen rendah. Teknologi membran dengan suhu rendah dapat digunakan untuk meminimalkan kekurangan tersebut. Penggunaan RO dimaksudkan untuk mendapatkan rendemen yang lebih tinggi dibandingkan dengan membran jenis lain. Masih terbatasnya informasi tentang recovery flavor limbah cair rajungan dengan menggunakan teknologi membran RO merupakan masalah utama yang ada sekarang ini. Di sisi lain kinerja optimal dari
penggunaan RO untuk proses recovery tersebut juga belum diketahui, dimana ada beberapa faktor yang mempengaruhi, diantaranya tekanan transmembran, suhu, dan pH.
1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian Tujuan dari penelitian adalah :
(a) Mengetahui pengaruh tekanan transmembran, suhu, dan pH bahan pada
kinerja membran RO.
(b) Mendapatkan kondisi optimal kinerja membran RO.
(c) Melakukan pemekatan dan karakterisasi komponen flavor hasil pemekatan
limbah cair rajungan dengan teknologi RO. Manfaat dari penelitian adalah :
(a) Dapat mengoptimalkan kinerja membran RO dengan pemakaian variabel
terpilih yang berpengaruh.
(b) Dihasilkannya produk hasil recovery limbah cair rajungan melalui pemurnian dan pemekatan dengan teknologi RO.
1.4 Hipotesis
Hipotesis yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
(a) Tekanan transmembran, suhu, dan pH bahan berpengaruh terhadap kinerja
RO.
(b) Terdapat komponen flavor hasil pemekatan limbah cair rajungan.
2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Limbah Cair Perikanan
Limbah cair yang dihasilkan dari pengolahan hasil perikanan mengandung banyak protein dan lemak, akibatnya menghasilkan nilai BOD dan TSS yang cukup tinggi. Kadar BOD dan TSS tersebut berbeda-beda tergantung jenis industri yang sangat dipengaruhi oleh tingkat produksi, jenis bahan mentah, kesegaran, dan jenis produk akhir yang dihasilkan (Gonzales 1996). Karakteristik limbah cair dari berbagai jenis industri hasil perikanan dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Beban limbah cair dari beberapa jenis operasi pengolahan perikanan
Beban limbah cair BOD COD Minyak/
lemak Padatan Tersuspen si Pengolahan ikan (manual) 332 kg/t - 0,348 kg/t 1,42 kg/t Pengolahan ikan (mekanik) 11,9 kg/t - 2,28 kg/t 8,92 kg/t
Fillet ikan herring 3.482-10.000
mg/l - 857-6.000 mg/l - Pengalengan tuna 6,8-20 kg/t 11,4-64 kg/t 1,7-13 kg/t 3,8-17 kg/t Pabrik sardin 9,22 kg/t - 1,74 kg/t 5,41 kg/t Pengolahan kepiting 4,8-5,5 kg/t 7,2-7,8 kg/t 0,21-0,3 kg/t 0,7-0,78 kg/t Pengolahan kerang 18,7 kg/t - 0,461 kg/t 6,35 kg/t
Cairan darah dari pabrik makanan ikan 23.500-34.000 mg/l 93.000 mg/l 0-1,92% - Air dari pengepresan daging 13.000-76.000 mg/l - 60-1 560 mg/l - Udang beku 160 mg/l 1,780 mg/l - - Pengalengan ikan 941,69 mg/l 1.401,78 mg/l - - Makanan ikan 245,23 mg/l 949,05 g/l 6.976 mg/l - Sumber : Gonzales (1996)
Limbah cair dalam industri hasil perikanan dilepaskan melalui tahapan sebagai berikut : perlakuan bahan mentah (pencairan dan persiapan), pembersihan (pencucian dan preparasi), dehidrasi, pengepresan, penyaringan, pemanasan, pendinginan, dan pembersihan alat. Cairan ini mengandung darah dan potongan- potongan ikan dan kulit, isi perut, dan kondensat dari operasi pemasakan dan air pendingin dari kondensor (Jenie dan Rahayu 1990).
Limbah pengolahan rajungan diduga mengandung sejumlah senyawa yang terlarut diantaranya asam amino, nukleotida, peptida, dan asam organik (Cha et al. 1993). Limbah tersebut berasal dari effluent industri perikanan jenis krustasea sebesar 28,6% (pencucian) dan 71,4% (proses).
2.2 Komponen Flavor
2.2.1 Komponen flavor secara umum
Flavor adalah kombinasi dari rasa, bau, dan perasaan yang ditimbulkan
oleh adanya senyawa cita rasa (flavoring agents) yang biasanya terdapat dalam
jumlah yang sangat kecil dalam bahan pangan. Flavor dapat dibuat dari campuran berbagai komponen flavor, baik yang alami maupun sintetik. Berdasarkan bentuk fisiknya flavor dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelas yaitu bentuk padat
(solid), bentuk cair (liquid), dan bentuk pasta (paste). Protein, lemak, dan karbohidrat adalah komponen struktural pada sel makhluk hidup yang merupakan sumber terbesar pembentuk flavor (Supran 1978).
Komponen pembentuk flavor pada produk perikanan lebih banyak ditemukan pada daging moluska dan krustasea. Komponen flavor non volatil
pada shellfish merupakan komponen larut air dan mempunyai bobot molekul yang
rendah. Komponen-komponen tersebut diklasifikasikan sebagai senyawa nitrogen dan non nitrogen. Senyawa nitrogen meliputi asam amino bebas, nukleotida, basa organik dan senyawa terkait lainnya. Senyawa non nitrogen diantaranya adalah gula, asam organik dan anorganik (Konosu dan Yamaguchi 1982). Sementara itu, Huss (1995) melaporkan bahwa komponen utama dalam fraksi non protein nitrogen adalah basa volatil seperti amonia dan trimethylamine oxide (TMAO),
kreatin, asam mino bebas, nukleotida dan basa purin, serta urea. Komponen flavor yang terdapat dalam fraksi NPN dari berbagai sumber disajikan pada Tabel 2.
Berdasarkan hasil penelitian terhadap daging remis, udang dan kepiting
mempunyai aroma dan cita rasa (flavorfull) yang lebih tinggi daripada daging
ikan. Demikian juga asam-asam amino bebas yang terkandung dalam krustasea memiliki jumlah yang lebih banyak jika dibandingkan dengan ikan. Taurin, prolin, glisin, alanin, dan arginin dalam tingkat yang tinggi merupakan karakteristik umum yang ditemukan pada setiap krustasea (Konosu dan Yamaguchi 1982). Senyawa alkilpirazine dan sulfur merupakan kontributor penting pemberi flavor pada krustasea yang dimasak. Pan dan Kuo (1994) melaporkan bahwa komponen volatil dari alkohol tidak jenuh dan aldehida dengan atom karbon kurang dari 10 merupakan kontributor penting dalam memberikan flavor pada shellfish segar atau mentah.
Hayashi et al. (1981) dan Trilaksani et al. (1997) melaporkan bahwa
komponen utama penyusun flavor dalam makanan laut terdiri dari asam amino bebas berberat molekul rendah, nukleotida, asam organik, dan gula. Flavor yang mengandung 15 jenis asam amino terikat dan 17 asam amino bebas diperoleh dari
proses recovery limbah cair industri pengolahan tiram (Shiau dan Chai 1999).
Spurvey et al. (2001) menyatakan komponen-komponen flavor tersebut bersifat
larut dalam air.
Tabel 2 Komponen flavor dalam fraksi NPN dari berbagai sumber Compound
in mg/100 wet weight Fish Fish Fish Crustaceans Poutry Mammalian
Cod Herring Shark species Lobster Leg muscle muscle 1) Total extractives 1200 1200 3000 5500 1200 3500
2) Total free amino-
acids : 75 300 100 3000 440 350 Arginine < 10 < 10 < 10 750 < 20 < 10 Glycine 20 20 20 1000 - 1000 < 20 < 10 Glutamic acid < 10 < 10 < 10 270 55 36 Histidine < 1,0 86 < 1,0 - < 10 < 10 Proline < 1,0 < 1,0 < 1,0 750 < 10 < 10 3) Creatine 400 400 300 0 - 550 4) Betaine 0 0 150 100 - - 5) Trimethylamine 350 250 500 - 100 0 0
oxide 1000
6) Anserine 150 0 0 0 280 150
7) Carnosine 0 0 0 0 180 200
8) Urea 0 0 200 - - 35
Sumber : Huss (1995)
2.2.2 Komponen flavor pada rajungan
Rajungan merupakan salah satu produk perikanan yang bernilai ekonomis tinggi dan disukai oleh pasar dunia karena memiliki flavor yang khas. Rajungan banyak mengandung glisin, arginin, prolin dan taurin. Keempat jenis asam amino bebas ini yang paling berperan dalam pembentukan komponen rasa aktif rajungan.
Konosu et al. (1978); Yamaguchi dan Watanabe (1990) melaporkan bahwa
komponen penyebab rasa khas dari daging rajungan adalah sejumlah komponen flavor yang larut air, antara lain : taurin, asam aspartat, threonin, serin, sarkosin, asam glutamat, prolin, glisin, alanin, asam α-aminobutirat, valin, metionin, leusin, tirosin, fenilalanin, ornitin, lisin, histidin, metilhistidin, triptopan, arginin, citosine monophosphate (CMP), adenosine monophosphate (AMP), guanine monophosphate (GMP), inosine monophosphate (IMP), adenosine diphosphate (ADP), adenosin, hypoxanthine, inosine, guanine, citosin, trimrthylamine oxides (TMAO), homarin, ribosa, asam laktat, asam suksinat, Na+, K+, Cl-, ~I dan PO4 3-.
Yamaguchi dan Watanabe (1990) melaporkan bahwa asam glutamat memegang peranan penting dalam memberikan rasa umami pada rajungan. Ketika asam glutamat dihilangkan, maka karakteristik dari flavor rajungan menjadi turun. Asam glutamat dalam bentuk garam yaitu monosodium glutamat (MSG) meupakan senyawa cita rasa yang memberikan rasa enak pada rajungan (flavor potentiator) (Winarno 1997). Komposisi komponen flavor rajungan (snow crab) disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3 Komposisi komponen flavor ekstrak daging rajungan (snow crab)
Komponen Flavor Jumlah
(mg/100ml)
Komponen Flavor Jumlah
(mg/100ml) Tau 243 CMP 6 Asp 10 AMP 32 Thr 14 GMP 4 Ser 14 IMP 5 Sarcosine 77 ADP 7
Proline 327 Adenine 1
Glutamic acid 19 Adenosine 26
Glycine 623 Hypoxanthine 7 Alanine 187 Inosine 13 α –Aminobutyric acid 2 Guanine 1 Valine 30 Cytosine 1 Methionine 19 Glycinebetaine 357 Ileusine 29 TMAO 338 Leusine 30 Homarine. 80 Tyrosine 19 Glucose 17 Phenilalanine 17 Ribose 4
Ornitine 1 Lactic acid 100
Lysine 25 Succinic acid 9
Histidine 8 NaCl 259
α-Methylhistidine 3 KCl 376
Triptofane 10 NaH2PO4 83
Arginine 579 NaHPO4 226
Sumber : Yamaguchi dan Watanabe (1990)
Cha et al. (1993) menemukan sejumlah komponen flavor pada rajungan salju (snow crab) masak. Komponen flavor tersebut berupa senyawa aldehida (11 jenis), keton (14 jenis), alkohol (13 jenis), asam (5 jenis), senyawa aromatik (21 jenis), senyawa nirogen (24 jenis), senyawa sulfur (10 jenis), furans (98 jenis), dan senyawa lainnya (16 jenis).
Chung (1999) melaporkan bahwa komponen volatil penyebab aroma khas
daging rajungan karang (Charybdis feriatus) yang terdeteksi sebanyak 177
komponen, 130 diantaranya telah dapat diidentifikasi. Komponen flavor tesebut dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Komponen flavor penyebab aroma khas daging rajungan
Golongan Contoh senyawa
Asam -
Aldehida pentenal, hexanal, 2-methyl-(E)butenal, (E)-2-pentenal,
benzaldehyde, cyclopentanecarboxaldehide, nonanal,1,3 dimetil benzaldehide
Aromatik benzene, toluene, ethylbenzene, p-xylene, m-xylene, o- xylene, isopropil benzene, propylbenzene, styrene, C4- benzene, 1,3-dietil benzene
Ester n-butyl acetate, metyl (E, E) farnesate, dietyl phthalate,
dibutil phthalate
Furans 2-ethylfuran, 2 penthylfuran, S-hexyldihidro-2(3H)furanone
Piridin Pyridine, 2-rnethylpyridine, 3-metilpyridine
Naptalen Naphtalene, 2-methyhzaphthalene, 1-methylnapthalene, C2-
napthalene, C3-napthalene
Pirazin Pyrazine, methyl pyrazine, 2-isopropyl pyrazine, 2-acetyl-3-
methyl pyrazine
Alkohol 2-methyl-propanol, 2 propen-l-ol, 2 pentanol, BHT, phenol,
nerolidol, 1 phenylethanol
Keton 3-buten-2-one, 2,3-butadione, 3-hexanone, 2-heptanone,
(E,E)3,5-octadien-2-one
Sulfur Hydrogen sulfide, carbon disulfide, 2-methylthiazole, 5-
ethyl-3,4-dimethylthiazole, 3,5-dimethyl-1,2,4 trithiolane, 3- methyl-2-thiophencarboxaldehyde, 1,2,4-trithiolane, N,N- dimethyl ethanethioamide
Terpen Limone, camphor, β-ionone
Senyawa lain Trimetilamin, trimetilazole, 2,3-dihidro-5-metil 1H-indene, 2,3-dididro-4-metil-1H-indene
Sumber : Chung (1999)
Yamaguchi dan Watanabe (1990) melaporkan bahwa beberapa komponen
yang memberikan kontribusi pada taste rajungan adalah : glisin, alanin, asam
glutamat, arginin, AMP, GMP, CMP, dan ion-ion anorganik seperti Na+, K+, Cl-, dan PO43-. Lioe et al. (2005) melaporkan bahwa selain asam glutamat bebas dan
asam aspartat, asam amino bebas seperti L-phenylalanine dan L-tyrosine juga berperan penting dalam memberikan rasa umami. Sementara itu Chen dan Zhang (2007) melaporkan bahwa arginin, glisin, dan alanin merupakan komponen utama asam amino bebas yang memberikan cita rasa bagi rajungan.
2.3 Proses Filtrasi dengan Membran
Filtrasi merupakan proses pemisahan dua atau lebih komponen dalam suatu aliran fluida (Brock 1983). Membran merupakan lapisan tipis dari suatu material berpori yang dapat digunakan untuk proses pemisahan. Pori-pori yang kecil pada membran dapat berfungsi sebagai penghalang secara fisik, sehingga mampu meloloskan dan menghalangi molekul senyawa tertentu (Wenten 1999).
Menurut Renner dan El-Salam (1991), proses membran dikelompokkan ke dalam tiga kelas yaitu mikrofiltrasi, ultrafiltasi, dan reverse osmosis. Beberapa parameter yang menjadi indikator pengelompokkan tersebut disajikan pada Tabel 5.
Tabel 5 Pengelompokkan proses membran berdasarkan kisaran ukuran partikel yang direjeksi.
Parameter Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi Reverse Osmosis
Ukuran partikel tertahan >106 Da 0,01 – 10 um 103 – 106 Da 0,001 – 0,002 um < 103 Da < 0,001 um Tekanan (bar) < 2 1 - 15 > 20 Mekanisme penahanan Penyaringan molekul
Penyaringan molekul Penyaringan
molekul/ difusi
Fluks ( l m-2h-1) > 300 30 - 300 3 - 30
Sumber : Renner dan EI-Salam (1991)
Membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi telah banyak diaplikasikan dalam industri pangan untuk tujuan pengkonsentrasian dan pemurnian biopolimer. Beberapa senyawa makromolekul yang telah diperoleh dari proses membran diantaranya adalah protein, dan polisakarida (Carrere et al. 1998; Jorda et al.
2002; Yeh dan Dong 2003; Cho et al. 2003). Keunggulan proses pemisahan
dengan menggunakan membran dibandingkan dengan filtrasi konvensional dalam pemurnian larutan umpan antara lain (Mulder 1996):
- merupakan teknologi yang sederhana, - dioperasikan pada suhu ruang,
- dapat dilakukan secara kontinyu,
- membran dapat dikombinasikan dengan proses lainnya, tanpa mengalami perubahan fase, baik kimia maupun fisika,
- biaya operasi relatif rendah,
- tidak menggunakan bahan tambahan atau kimia, - relatif mudah untuk meningkatkan skala operasinya. 2.3.1 Reverse osmosis (RO)
Proses reverse osmosis (RO) merupakan kebalikan dari proses osmosis
(normal osmosis), dimana pada proses osmosis, terjadi perpindahan pelarut dari larutan yang lebih encer (potensial kimia rendah) ke larutan yang lebih pekat
(potensial kimia tinggi) (Gambar 1). Sebaliknya pada proses reverse osmosis
pelarut dipaksa berpindah dari larutan pekat ke larutan yang lebih encer dengan bantuan tekanan kerja (Wenten 1999).
Gambar 1 Perbandingan antara proses osmosis dan reverse osmosis
(Sumber : http://www.watertiger.net)
Membran RO digunakan untuk memisahkan zat terlarut yang memiliki bobot molekul yang rendah seperti garam anorganik atau molekul organik kecil
seperti glukosa dan sukrosa dari larutannya. Membran ini lebih dense/padat
sehingga memerlukan tahanan hidrodinamik yang lebih besar untuk melakukan proses pemisahan. Hal ini menyebabkan tekanan operasi pada RO akan sangat besar untuk menghasilkan fluks yang sama pada proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi (Wenten 1999).
Proses reverse osmosis mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan
dengan proses membran lainnya. Keuntungan tersebut adalah rendemen yang lebih tinggi, terkait dengan ukuran pori yang digunakan (Sheu dan Wiley 1983). Selain itu, dengan partikel yang tertahan berukuran lebih kecil dibandingkan
dengan membran lainnya, maka diharapkan keluaran bahan (permeat) yang
Penggunaan teknologi membran khususnya RO semakin berkembang dengan diaplikasikannya teknologi tersebut dalam bidang industri. Matsuura et al. (1975) berhasil merecovery komponen flavor dari apple juice dengan teknik
reverse osmosis (RO). Lee et al. (1982) melaporkan penggunaan proses ultrafiltrasi dan RO untuk pemurnian dan pengkonsentrasian betalaine. Lebih
lanjut Sheu dan Wiley (1983) melaporkan bahwa teknologi reverse osmosis
mampu merecovery flavor volatil dari apple juice sebesar 85%. Teknologi
membran juga dapat diaplikasikan untuk proses recovery komponen flavor yaitu
protein dari limbah pencucian tiram (Shiau dan Chai 1999).
2.3.2 Kinerja membran reverse osmosis
Kinerja membran RO pada prinsipnya sama dengan membran yang lain dimana dalam pemisahan terutama dipengaruhi oleh karakteristik membran yang digunakan. Penilaian terhadap karakteristik membran diantaranya meliputi struktur, ukuran pori, serta sifat fisika-kimia lainnya. Parameter utama yang digunakan dalam penilaian kinerja membran filtrasi adalah fluks dan rejeksi (Osada dan Nakagawa 1992).
Scott dan Hughes (1996) mendefinisikan fluks sebagai jumlah volume permeat (filtrat) yang diperoleh pada operasi pemisahan per satuan luas permukaan membran dan per satuan waktu dan rejeksi sebagai kemampuan suatu membran untuk menahan partikel berukuran tertentu. Wenten (1999) menyatakan bahwa nilai rejeksi menunjukkan kemampuan suatu membran untuk menahan suatu komponen agar tidak melewati pori membran.
Nilai rejeksi membran juga menunjukkan tingkat penolakan membran terhadap suatu komponen. Tingkat penolakan membran tergantung pada
Molecular Weight Cut Off (MWCO), yaitu suatu nilai ukuran molekul yang mendekati nilai tertentu yang dapat diterima oleh membran dengan faktor penolakan sebesar 0,99 dalam suatu larutan encer (Toledo 1991).
Faktor penting dari membran RO adalah fluks permeat dan selektivitas, dimana fluks dapat ditingkatkan dengan cara mengurangi ketebalan membran. Untuk itu pada umumnya membran RO mempunyai struktur asimetrik dengan lapisan atas yang tipis dan dense serta matriks penyokong dengan tebal 50 – 150
Sistem operasi filtrasi membran dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu sistem dead-end dan sistem cross flow. Sistem dead-end umpan dilewatkan secara tegak lurus dengan membran, dan hanya mempunyai satu fraksi saja yaitu retentat (molekul yang tidak dapat melewati pori). Pada sistem cross flow, umpan berupa larutan dialirkan sejajar dengan permukaan membran. Hasil proses pada sistem
cross flow terdiri dari dua fraksi, yaitu molekul-molekul yang dapat melewati pori-pori membran yang disebut permeat dan molekul berukuran besar yang tidak dapat melewati pori disebut retentat atau konsentrat. Sistem operasi cross flow
lebih menguntungkan dibanding sistem dead-end, karena laju cross flow dapat
berfungsi sebagai aliran penyapu secara kontinyu terhadap retentat yang menutupi
permukaan membran (Gould et al. 2004). Kecepatan aliran cross flow akan
semakin kecil dengan semakin dekatnya dengan dinding pori membran dan mencapai nilai nol ketika pada permukaan dinding pori membran (Wenten 1999). Proses RO dengan sistem cross flow dapat dilihat pada Gambar 2.
Jika fluks permeat (J) didefinisikan sebagai jumlah volume cairan yang melewati membran per satuan luas permukaan membran dalam satuan waktu.
Model Hagen-Poiseuille memprediksi besarnya nilai fluks permeat tersebut seperti yang disajikan dalam persamaaan sebagai berikut :
Gambar 2 Proses RO dengan sistem cross flow
(www.inge.ag/en/technologie/funktionsweise.html) ΔΧΔΡ = η ε 8 2 R J (1) Keterangan : J = fluks permeat (ms-1) ε = porositas membran R = jari-jari membran (m)
ΔP = selisih tekanan dalam membran dengan luar membran (Pa)