Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin
Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang
YENI ELIZA MARYANA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang 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, April 2008
Yeni Eliza Maryana NRP F351040141
ABSTRACT
YENI ELIZA MARYANA. The Mass Transfer Model Of Cyclodextrin Purification By Mean Of Cross-Flow Ultrafiltration. Under direction by ERLIZA NOOR and PRAYOGA SURYADARMA.
Cyclodextrin is one of the products of starch modification by means of enzymatic conversion using CGTase enzyme. It contain not only α, β, γ cyclodextrin but also impurities such as substrate residue, dextrin, simple sugar, enzyme residue and minerals. Membrane separation was used to purify cyclodextrin solution. The objective of this research was to get cyclodextrin with higher purity level and acquaring suitable mass transfer model for cyclodextrin purification using ultrafiltration
Based on research, it was known that cyclodextrin solution is a non-Newtonian fluid and pseudoplastic. The result of measurement of water flux treatment agains time showed that water flux was relatively constant at different pressure (0.5 bar – 2 bar). From the measurement on the operating time of the cyclodextrin solution, it was discovered that the solution’s flux rapidly decreased and reached stationary after 15 – 20 minutes.
The research on the effect of feed pressure, flow rate and concentrate on flux showed that permeat flux increased as the pressure increased. At the pressure above 2.2 bar, the flux started to be constant. The permeat flux also increased as the flow rate increased (0.01 m/s – 0.06 m/s) and decreased as the concentrate increased.
The ultrafiltration process of cyclodextrin was able to reject all existing impurities in the solution indicated by the rejection value of 100 % againts substrate residue and enzyme on different concentrate and flow rates. The process of mass transfer for cyclodextrin purification using ultrafiltration (900 Da – 1100 Da) was dominated by change in viscosity at the boundary layer area that followed charcosset and choplin model.
RINGKASAN
YENI ELIZA MARYANA. Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang. Dibimbing oleh ERLIZA NOOR dan PRAYOGA SURYADARMA.
Siklodekstrin merupakan salah satu produk modifikasi pati yang dihasilkan secara enzimatis menggunakan enzim CGTase. Siklodekstrin yang dihasilkan dari proses enzimatis selain mengandung α, β dan γ -siklodekstrin juga terdiri dari bahan pengotor berupa sisa substrat, dektrin, gula sederhana, sisa enzim dan mineral.
Pemisahan dengan membran digunakan untuk memurnikan larutan siklodekstrin. Tujuan dari penelitian ini adalah memperoleh siklodekstrin dengan tingkat kemurnian yang tinggi dan memperoleh model perpindahan massa yang sesuai untuk pemurnian siklodekstrin dengan ultrafiltrasi. Pada penelitian ini digunakan membran ultrafiltrasi berbentuk tubular dengan MWCO 20000 Da.
Berdasarkan hasil penelitian didapatkan bahwa larutan siklodektrin termasuk dalam kategori fluida non-Newtonian dan bersifat pseudoplastis dan hubungan viskositas dengan laju geser mengikuti hukum power yaitu viskositas larutan pada berbagai konsentrasi (C = 46 g/L ; C = 101 g/L) menunjukkan nilai yang tetap dan menurun dengan meningkatnya laju geser. Hasil pengukuran terhadap perlakuan fluksi air terhadap waktu, ditunjukkan bahwa fluksi air relatif konstan pada berbagai tekanan (0.5 bar – 2 bar). Berdasarkan pengukuran terhadap waktu operasi larutan siklodekstrin diketahui bahwa fluksi larutan siklodekstrin menurun cepat di awal operasi dan mencapai mencapai tunak setelah 15 – 20 menit.
Berdasarkan penelitian terhadap pengaruh tekanan umpan, laju alir dan konsentrasi terhadap fluksi diketahui bahwa fluksi permeat meningkat dengan kenaikan tekanan. Pada tekanan di atas tekanan 2.2 bar nilai fluksi mulai konstan. Fluksi permeat juga meningkat dengan kenaikan laju alir dan menurun dengan kenaikan konsentrasi.
Proses ultrafiltrasi siklodekstrin dapat merejeksi semua pengotor yang ada dalam larutan siklodekstrin yang ditunjukkan dengan nilai rejeksi 100 % terhadap sisa substrat dan enzim pada berbagai konsentrasi dan laju alir. Tidak semua
molekul siklodekstrin lolos melewati membran, molekul siklodekstrin ada yang tertahan di permukaan membran. Rejeksi terhadap siklodekstrin adalah 19.2 % sampai 75.9 persen pada berbagai laju alir dan konsentrasi siklodekstrin.
Peristiwa perpindahan massa untuk pemurnian siklodekstrin menggunakan ultrafiltrasi (900 Da – 1100 Da) didominasi oleh perubahan viskositas di daerah lapisan batas (boundary layer) sesuai dengan model Charcosset dan Choplin. Kata kunci: pemurnian siklodekstrin, ultrafiltrasi, koefisien perpindahan massa
© 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
Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin
Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang
YENI ELIZA MARYANA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Departemen Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul
Tesis : Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang Nama : Yeni Eliza Maryana
NRP : F 351040141
Disetujui, Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Erliza Noor
Ketua
Prayoga Suryadarma, S.TP. MT
Anggota
Diketahui, Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian
Judul Tesis : Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang
Nama : Yeni Eliza Maryana
NRP : F 351040141
Disetujui, Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Erliza Noor Ketua
Prayoga Suryadarma, S.TP. MT Anggota
Diketahui, Ketua Program Studi
Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS.
PRAKATA
Puji syukur atas segala ridho, rahmat dan hidayah Allah SWT sehingga tesis ini dapat penulis selesaikan. Tesis yang berjudul Model Perpindahan Massa Pada Pemurnian Siklodekstrin Dengan Membran Ultrafiltrasi Aliran Silang merupakan kelengkapan tugas akhir untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Sekolah Pascasarjana IPB.
Penelitian dan penulisan tesis ini di bawah bimbingan Dr. Ir. Erliza Noor dan Prayoga Suryadarma S.TP. MT. Terima kasih dan penghargaan penulis sampaikan atas bimbingan dan arahan yang diberikan sejak penyusunan dan perencanaan penelitian hingga selesai penulisan. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Djumali Mangunwidjaja, DEA selaku dosen penguji, yang telah memberikan masukan untuk kesempurnaan penyusunan tesis ini.
Penghargaan penulis sampaikan kepada Rektor Institut Pertanian Bogor (IPB), Dekan Sekolah Pascasarjana IPB dan Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian (TIP) Sekolah Pascasarjana IPB yang telah menerima penulis untuk melanjutkan Program S2 di IPB.
Terima kasih juga disampaikan kepada ayahanda tercinta Robaman Mahmud, ibunda Mardalini, kakak Desmilia Eka, Adik Adi Prabowo, dan Abang M. Wardiansyah atas segala bantuan, doa, kesabaran, dorongan dan pengertian yang diberikan secara tulus dan ikhlas selama penulis menempuh pendidikan.
Disamping itu, terima kasih dan penghargaan diucapkan kepada teman-teman penulis: Budi, Fitri Zaenab, Puspita, Hendrix, teman-teman-teman-teman TIP angkatan 2004 & 2005, adik-adik kos Pondok Bisma serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu dalam proses penyelesaian tesis ini.
Penulis menyadari bahwa tesis ini tidak luput dari kelemahan dan kekurangan, sehingga saran untuk perbaikan sangat diharapkan. Semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.
Bogor, April 2008
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 08 Januari 1981 dari ayah Drs. Robaman Mahmud dan ibu Mardalini. Penulis merupakan anak kedua dari tiga bersaudara.
Tahun 1999 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Palembang dan pada tahun 1999 lulus seleksi masuk Universitas Sriwijaya. Penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian jurusan Teknologi Pertanian dan lulus pada tahun 2004. Tahun 2004 penulis melanjutkan pendidikan program magister di Departemen Teknologi Industri Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB Bogor. Pengalaman kerja yang pernah penulis peroleh adalah sebagai surveyor di Sucofindo pada tahun 2007 an sebagai tenaga olah data di Surveyor Indonesia pada tahun 2007.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ...xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiv
PENDAHULUAN ... 1 Latar Belakang ... 1 Tujuan ... 2 Hipotesis ... 3 Lingkup Penelitian ... 3 TINJAUAN PUSTAKA ... 4 Siklodektrin ... 4 Membran ... 10
Model Thin Film ... 14
Koefisien Perpindahan Massa ... 15
METODOLOGI PENELITIAN ... 21
Tempat ... 21
Alat Dan Bahan ... 21
Metode Penelitian ... 22
Pembuatan Larutan Siklodekstrin ... 23
Karakterisasi Larutan Siklodekstrin ... 23
Penentuan Permeabilitas Membran dan Penentuan Waktu Tunak ... 23
Penentuan Pengaruh Tekanan, Laju Alir Dan Konsentrasi Terhadap Fluksi ... 24
Tingkat Kemurnian Siklodekstrin Hasil Pemisahan ... 26
Penentuan Koefisien Perpindahan Massa (k) ... 26
HASIL DAN PEMBAHASAN ... 27
Karakteristik Larutan Siklodekstrin ... 27
Permeabilitas Membran dan Waktu Tunak Larutan ... 30
Pengaruh Tekanan Terhadap Fluksi ... 32
Pengaruh Laju Alir Terhadap Fluksi ... 35
Pengaruh Konsentrasi Terhadap Fluksi ... 36
Tingkat Kemurnian Siklodekstrin Hasil Pemisahan ... 38
Koefisien Perpindahan Massa (k) ... 41
KESIMPULAN DAN SARAN ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 49
DAFTAR TABEL
Halaman 1. Beberapa karakteristik α, β, γ-siklodektrin ... 5 2. Sifat fisik siklodekstrin ... 6 3. Karakteristik membran yang digunakan dalam proses pemurnian
siklodekstrin ... 22 4. Tingkat rejeksi membran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin
dan laju alir ... 39 5. Nilai koefisien perpindahan massa pada model Cheryan
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Struktur molekul siklodekstrin ... .5
2. Pembentukan kompleks inklusi pada molekul siklodekstrin ... .6
3. Pembentukan gel/cake layer dan adsorpsi pada pemurnian siklodekstrin ………..………...………...12
4. Polarisasi konsentrasi dan pembentukan gel ... 14
5. Membran Ultrafiltrasi ... 21
6. Diagram alir tahapan penelitian ... 25
7. Diagram alir proses ultrafiltrasi ... 21
8. Hubungan antara viskositas dan shear rate larutan siklodekstrin pada berbagai konsentrasi ... 27
9. Hubungan antara indeks konsistensi dengan konsentrasi siklodekstrin ... 29
10. Hubungan antara indeks sifat aliran dengan konsentrasi Siklodekstrin ... 29
11. Pengaruh tekanan membran terhadap nilai permeabilitas membran ... 30
12. Hubungan fluksi dengan waktu larutan siklodekstrin pada berbagai konsentrasi (tekanan 2.2 bar, laju alir 0.06 m/det) ... 31
13. Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin, laju alir 0.06 m/det ... 32
14. Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin, laju alir 0.04 m/det ... 33
15. Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin pada v = 0.03 m/det ... 33
16. Pengaruh fluksi terhadap variasi kecepatan alir pada berbagai konsentrasi siklodekstrin (ΔP 2.2 bar)... ... 35
17. Hubungan antara fluksi dengan konsentrasi siklodekstrin pada berbagai laju alir ... 36
18. Hubungan antara fluksi dengan konsentrasi siklodekstrin pada saat konsentrasi gel tercapai ... 37
19. Siklodekstrin sebelum dan sesudah dimurnikan ... 38
20. Pengaruh bobot molekul pati, enzim dan siklodekstrin terhadap rejeksi membran……….………….40
21 Hubungan antara koefisien perpindahan massa dengan konsentrasi siklodekstrin pada model Cheryan dan model Charcosset & Choplin...44
22. Perbandingan fluksi hasil pemodelan dengan fluksi hasil percobaan pada C = 46 g/L...45
23. Perbandingan fluksi hasil pemodelan dengan fluksi hasil percobaan pada C = 101 g/L ... 45
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Pengukuran Konsentrasi Siklodekstrin Hasil Pemurnian ... 53
2 Hasil Analisis Pati Sisa Sebelum Dan Sesudah Filtrasi ... 57
3 Data Karakteristik Larutan ... 58
4 Data Perhitungan Permeabilitas Membran... 61
5 Pengaruh Waktu Terhadap Fluksi Siklodekstrin ... 65
6 Data Pengaruh Tekanan Terhadap Fluksi ... 67
7 Data Pengaruh Laju Alir Dan Konsentrasi Terhadap Fluksi ... 68
8 Penentuan Koefisien Perpindahan Massa (k) Dengan Berbagai Pendekatan Model ... 69
9 Perhitungan Fluksi Hasil Pemodelan Dan Fluksi hasil Percobaan ... 70
10 Nilai Rata-Rata Deviasi... 71
11 Penurunan persamaan koefisien perpindahan massa (k) pada model Cheryan ... 72
12 Penurunan persamaan koefisien perpindahan massa (k) pada Model Charcosset dan Choplin ... 74
13 Hasil analisis HPLC ... 77
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Siklodekstrin merupakan salah satu produk modifikasi pati yang dihasilkan secara enzimatis melalui proses siklisasipati. Siklodekstrin dibedakan menjadi α, β dan γ -siklodekstrin dengan masing-masing 6, 7 dan 8 monomer glukosa yang dihubungkan dengan ikatan α-1,4 glikosidik. Siklodekstrin sangat berpotensi untuk dikembangkan di Indonesia mengingat banyaknya sumber pati dari berbagai jenis umbi-umbian. Salah satu hasil pertanian di Indonesia yang cukup berpotensi untuk dijadikan siklodekstrin adalah pati dari umbi garut (Maranta arudinacea L). Siklodekstrin digunakan secara luas pada industri farmasi, kosmetika, kimia, dan pangan. Pada industri pangan siklodekstrin dimanfaatkan sebagai antioksidan, pengikat flavor pada makanan sehingga tidak mudah hilang, juga melindungi senyawa yang labil sehingga sifat-sifatnya tidak berubah pada saat proses produksi.
Siklodekstrin yang dihasilkan dari proses enzimatis selain mengandung α, β dan γ -siklodekstrin juga terdiri dari bahan pengotor berupa sisa substrat, dektrin, gula sederhana, sisa enzim dan mineral. Sisa substrat pada pengotor siklodekstrin merupakan dextrin yang tidak tersiklik menjadi siklodekstrin. Sisa substrat perlu dipisahkan selama proses pemurnian siklodekstrin dikarenakan bahan ini mempunyai sifat utama yang tidak sama dengan siklodesktrin yaitu tidak membentuk kompleks inklusi, sehingga bahan ini akan menurunkan kemurnian dan sifat dari siklodesktrin itu sendiri. Enzim dan sisa substrat juga merupakan bahan yang harus dipisahkan untuk memurnikan siklodekstrin tetapi bahan ini masih dapat bermanfaat karena masih dapat digunakan kembali (Slominska et al. 2002).
Proses pemurnian campuran siklodekstrin bertujuan untuk menghilangkan semua bahan pengotor guna menghasilkan campuran α, β, dan δ siklodekstrin yang relatif murni sehingga akan menaikkan nilai tambah siklodekstrin. Siklodekstrin dapat dipisahkan dari bahan-bahan lainnya melalui berbagai proses antara lain dengan menggunakan metoda kromatografi, kristalisasi, menambahkan pelarut, penyerap dan juga melalui filtrasi membran (Horikoshi et al. 1981; Yagi
et al. 1988; Shieh & Hedges 1989; Korpela et al. 1990; Beesley 1993; Lewis et al. 1995). Siklodesktrin α, β dan γ masing-masing memiliki berat molekul 972 Da, 1135 Da, 1297 Da sedangkan pengotornya memiliki berat molekul lebih besar seperti sisa substrat 100 kDa, enzim 75 kDa sedangkan gula sederhana dan mineral <200 Da. Berdasarkan perbedaan berat molekul antara α, β dan γ-siklodekstrin dengan pengotornya maka salah satu alternatif pemisahan siklodekstrin dari pengotornya dengan menggunakan membran ultrafiltrasi yang memiliki kisaran MWCO 15 kDa – 300 kDa.
Kinerja filtrasi membran diukur dengan fluksi dan rejeksi. Semakin rendah tingkat rejeksi terhadap siklodekstrin, semakin baik proses pemisahan yang terjadi. Efisiensi siklodesktrin diharapkan akan meningkat dengan penggunaan ultrafiltrasi aliran silang. Pemisahan pada membran didasari oleh perpindahan massa, dimana salah satu faktor penentu adalah koefisien perpindahan massa yang dipengaruhi oleh sifat fisik operasi dan sifat bahan.
Koefisien perpindahan massa berhubungan dengan polarisasi konsentrasi yang terjadi di permukaan membran. Berbagai pendekatan untuk menghitung koefisien perpindahan massa telah banyak dilakukan seperti melalui pendekatan variasi laju alir umpan, koefisien difusi pada dinding membran, viskositas, analisis tidak berdimensi yang mempertimbangkan sifat dinding membran. Pada penelitian ini dilakukan analisis koefisien perpindahan massa untuk pemisahan siklodekstrin dari nilai fluksi dan rejeksi. Hasil studi Van den Berg et al (1989) menunjukkan bahwa perhitungan koefisien perpindahan massa berdasarkan variasi laju alir lebih mendekati hasil percobaan dibandingkan perhitungan koefisien perpindahan massa berdasarkan model tekanan osmotik. Viskositas larutan juga mempengaruhi koefisien perpindahan massa, nilai koefisien perpindahan massa akan meningkat seiring dengan meningkatnya viskositas larutan xantan (Pritchard et al. 1995).
Tujuan penelitian Tujuan Umum
Tujuan Khusus
Memperoleh model perpindahan massa yang sesuai untuk pemurnian siklodekstrin dengan ultrafiltrasi.
Hipotesis
Hipotesis yang diajukan dalam penelitian ini adalah ultrafiltrasi dapat menghilangkan pengotor di dalam larutan siklodekstrin dan model perpindahan massa pada pemurnian siklodekstrin dengan ultrafiltrasi dipengaruhi oleh perubahan viskositas di permukaan membran dan sifat fisik operasi membran .
Lingkup Penelitian 1. Karakterisasi siklodekstrin dari pati garut.
2. Pemurnian siklodekstrin dengan modul ultrafiltrasi berbentuk tubular dilengkapi dengan membran polyethersulfone 20000 Da dengan luas permukaan 0.5 m2 dan aliran umpan silang.
3. Penentuan pengaruh variabel tekanan transmembran, laju alir umpan dan konsentrasi terhadap fluksi.
4. Penentuan tingkat kemurnian siklodekstrin yang terbaik berdasarkan rejeksi terhadap sisa substrat dan sisa enzim.
5. Perhitungan koefisien perpindahan massa dengan menggunakan modifikasi persamaan Leveque untuk fluida non-Newtonian (model Cheryan dan model Charcosset dan Choplin).
TINJAUAN PUSTAKA
Siklodekstrin
Untuk memahami proses ultrafiltrasi siklodekstrin serta fenomena polarisasi konsentrasi polimer di permukaan membran maka sangat penting untuk mengetahui konsep dasar dari sifat larutan siklodekstrin. Siklodekstrin berbentuk cone yang sifatnya mirip dengan bentuk “globular”dalam larutan. Sifat siklodekstrin sedikit berbeda dengan bentuk molekul yang lain misalnya dextran dan xantan gum dengan bentuk “random coil”. Molekul “random coil” hanya mengisi sedikit dari volume total keseluruhan larutan, sedangkan molekul ”cone” sebaliknya. Pada polimer “random coil” sifatnya akan berbeda saat berada pada larutan “dilute” dan “semidilute” . Pada larutan “dilute”, molekul polimer akan terpisah satu dengan yang lain karena jumlahnya yang sedikit, hal ini sedikit berbeda saat molekul ini berada pada larutan “semidilute”, dimana ada banyak rantai polimer sehingga molekul saling bersentuhan dan rapat. Perbedaan lain antara “cone” dan “random coil” adalah bentuk “cone” tetap tidak berubah pada saat melewati pori membran sementara untuk “random coil” bersifat dinamis dan mempunyai kemungkinan berubah bentuk agar sesuai dan bisa melewati pori membran terutama akibat pengaruh laju alir yang tinggi pada saat polimer akan masuk ke pori membran (Benziger dan Aksay 1999).
Pada pemurnian dan pengkonsentrasian larutan makromolekul, tertahannya molekul di permukaan membran dipengaruhi oleh bentuk molekul. Polimer dengan bentuk molekul linear cenderung tidak mudah tertahan di permukaan membran dibandingkan bentuk molekul cone. Hal lain yang juga mendukung proses ultrafiltrasi adalah mengetahui sifat larutan yang akan dimurnikan. Siklodekstrin terdiri dari tiga jenis yaitu α, β, γ, ketiganya memiliki sifat fisika dan kimia yang berbeda satu sama lainnya. Karakteristik α, β, γ-siklodekstrin dapat dilihat pada Tabel 1 dan sifat fisik ketiga jenis siklodekstrin dapat dilihat pada Tabel 2, sedangkan struktur molekul siklodekstrin dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur molekul siklodekstrin
Tabel 1. Beberapa Karakteristik α, β, γ-siklodekstrin
Parameter α β γ
Jumlah unit glukosa 6 7 8
Berat molekul (g/mol) 972 1135 1297
Kelarutan dalam air pada suhu ruang
(g/100ml) 14,5 1,85 23,2
[α] D pada suhu 250C [0C] 150 ± 0,5 162,5 ± 0,5 177,4 ± 0,5
Diameter rongga [pm] 470-50 600-680 750-830 Ketinggian torus [pm] 790 ± 10 790 ± 10 790 ± 10 Diameter luar [pm] 1460 ± 40 1540 ± 40 1750 ± 40 Perkiraan volume rongga (106pm3) 174 262 427
Perkiraan volume rongga pada mol siklodekstrin [ml]
104 1257 256
Perkiraan volume rongga pada 1 g
siklodekstrin [ml] 0,10 0,14 0,20
Hidrolisis oleh α-amilase dari Aspergilus oryzae
diabaikan rendah Cepat Entalpi larutan, DH0 [kj mol-1] 32,1 34,8 32,4
Entropi larutan, DS0 [JK mol-1] 57,8 49,0 61,5
Tabe1 2. Sifat Fisik Siklodekstrin (Pszezola 1988). Jenis Unit Berat Ukuran Molekul (A°) Kelarutan [α] D20
CD Glukosa Molekul Diameter Tinggi (Air) 25°C(H20. lpersen) Dalam Luar (g/100 ml)
α 6 973 5,7 13,7 7,0 14,50 150,5° β 7 1135 7,8 15,3 7,0 1,85 162,5° γ 8 1297 9,5 16,9 7,0 23,20 117,40
Siklodekstrin mempunyai sifat kurang larut di dalam air dibandingkan dengan sakarida dengan rantai lurus. Hal ini disebabkan tingginya ikatan energi yang terjadi antar molekul siklodekstrin serta ikatan hidroksil siklodekstrin tidak dapat berikatan dengan air (Madsen 2000). Struktur molekul siklodekstrin yang siklik berbentuk torus seperti kue donat. Pada bagian kulit luar struktur siklodekstrin bersifat hidrofilik sedangkan pada bagian dalam rongga bersifat hidrofobik (Otero 1991). Oleh sebab itu, bagian dalam siklodekstrin menjadi lebih polar dibandingkan dengan air sehingga siklodekstrin lebih mudah membentuk kompleks dengan senyawa organik lain (Lee dan Kim 1991). Sifat seperti ini menyebabkan siklodekstrin kemampuan membentuk kompleks inklusi dengan berbagai variasi molekul yang lain seperti asam lemak, vitamin, flavor dan lain sebagainya yang ditangkap dalam bagian rongga (Otero 1991). Pembentukan kompleks inklusi molekul siklodekstrin dengan molekul lain ditunjukkan pada Gambar 2.
Kemampuan rongga siklodekstrin untuk menampung senyawa lain sangat tergantung pada ukuran "molekul tamu". Apabila ukuran "molekul tamu" cocok atau lebih kecil dari rongga siklodesktrin maka molekul tersebut dapat tertampung secara sempurna. Jika "molekul tamu" lebih besar dari rongga siklodekstrin maka interaksi antara siklodekstrin dengan "molekul tamu" menjadi bersifat parsial dan bersifat lemah. Interaksi siklodekstrin dengan senyawa lain membentuk keseimbangan dinamik. Lebih jauh Pszezola (1988) mengatakan gugus hidrofobik pada rongga mengakibatkan molekul dengan ukuran cocok dapat bergabung secara non kovalen membentuk kompleks yang stabil, sebagai contoh β--siklodekstrin dapat membentuk kompleks inklusi dengan substansi flavor yang mempunyai bobot molekul antara 80 sampai 250. Semua rempah-rempah dan flavor yang mempunyai berat molekul pada kisaran tersebut dapat membentuk kompleks inklusi dengan β -siklodekstrin.
Pembentukan kompleks inklusi disebabkan oleh adanya interaksi hidropobik, interaksi van der Waals, hidrogen bonding, interaksi dipole-dipole serta pelepasan entalpi air. Interaksi hidrofobik terjadi ketika dua molekul siklodekstrin dengan sifat hidrofobik saling berdekatan. Interaksi van der Waals terjadi ketika molekul siklodekstrin saling berdekatan dan terjadi tarik menarik serta tolak menolak tergantung dari jarak antar molekul. Daya tarik antar molekul disebakan oleh tidak seimbangnya distribusi elektron atom yang menghasilkan gaya dipole sementara. Interaksi hidrogen terjadi saat atom hidrogen berdekatan dengan atom elektronegatif (N, O dan F). Pelepasan molekul air dari rongga siklodekstrin menyebabkan penurunan energi akibat peningkatan interaksi antara pelarut dengan pelarut. Pada saat pembentukan kompleks inklusi molekul siklodekstrin dengan molekul lain terjadi empat interaksi yaitu : perpindahan molekul air dari dalam rongga molekul siklodekstrin keluar, peningkatan pembentukan ikatan hidrogen akibat perpindahan molekul air, penurunan interaksi antara molekul dengan larutan disekitarnya, peningkatan interaksi hidrofobik akibat masuknya molekul ke rongga molekul siklodekstrin.
Siklodekstrin dapat diproduksi dari pati dengan bentuan enzim glukosiltransferase (CGTase). Lee dan Kim (1991) mengemukakan bahwa pada umumnya produksi siklodekstrin dilakukan dengan terlebih dahulu melikuifikasi
pati dengan panas, dengan atau tanpa enzim penghidrolisis, kemudian baru ditambahkan enzim CGTase untuk sintesis siklodekstrin. Proses likuifikasi dapat dilakukan secara enzimatis diantaranya menggunakan enzim α-amilase, β-amilase, pullulanase dan glukoamilase. Beberapa penelitian menggunakan proses likuifikasi secara enzimatis untuk memproduksi siklodekstrin diataranya yang dilakukan oleh Erianti (2004) yaitu dengan melikuifikasi pati garut pada suhu 90 °C serta penggunaan enzim α-amilase sebesar 200 unit/mg enzim dan enzim CGTase 100 unit/g substrat. Dari hasil penelitian tersebut dihasilkan siklodekstrin 77. 27 g/L dengan waktu reaksi 240 menit. Charoenlap et al. (2004) melakukan optimasi produksi siklodekstrin dari pati sagu. Dari hasil penelitian ini diketahui pH dan suhu optimum pada produksi siklodekstrin dari pati sago adalah pada kisaran pH 4.5–5.0 dan suhu 55–60 0C, berdasarkan proses ini siklodekstrin yang didapatkan didominasi oleh β-siklodekstrin yaitu 65 % dari total siklodekstrin yang terbentuk.
Metoda tanpa perlakuan awal juga dapat digunakan untuk memproduksi siklodekstrin yaitu tanpa menggunakan enzim α-amilase, β-amilase, pullulanase maupun glukoamilase untuk pemotongan rantai pati menjadi monomer glukosa, seperti yang dilakukan oleh Kim et al. (1997). Pada proses tersebut soluble starch dipanaskan sampai mencapai suhu gelatinisasi yaitu 90 °C, kemudian didinginkan sampai mencapai suhu 60 0C yaitu suhu optimal untuk reaksi CGTase dan ditambahkan enzim CGTase, proses ini menghasilkan 47 % siklodekstrin.
Dua metoda untuk memproduksi siklodekstrin diatas mempunyai berbagai keuntungan dan kerugian. Pada metoda tanpa perlakuan awal , jumlah enzim CGTase yang digunakan lebih sedikit dibandingkan dengan metoda likuifikasi dengan enzim sehingga lebih ekonomis, hal ini dikarenakan harga enzim CGTase relatif mahal. Namun metoda tanpa perlakuan awal menghasilkan siklodekstrin yang lebih sedikit dibandingkan dengan metoda likuifikasi dengan enzim.
Siklodekstrin yang diproduksi dengan enzim CGTase masih tercampur dengan bahan-bahan non-siklodekstrin. Pemisahan α, β, γ-siklodekstrin dari bahan campuran non-siklodekstrin cukup sulit untuk dilakukan. Berbagai proses pemisahan yang dilakukan bisanya dilakukan untuk memisahkan α, β, γ-siklodekstrin dari bahan non γ-siklodekstrin seperti pati, dekstrin dan gula
sederhana (Koki et al. 1981; Yagi et al. 1988), atau hanya mengambil salah satu jenis siklodekstrin misalnya β-siklodekstrin (Ammeraal 1986; Wen & Allan 1989), maupun memisahkan langsung ketiga jenis siklodekstrin misalnya dengan menggunakan matrik (Beesley 1993).
Dua metoda dasar yang biasa digunakan untuk memurnikan siklodekstrin adalah dengan kromatografi (Rendlemen 1989) dan menggunakan bahan penyerap (Koki et al. 1981; Yagi et al. 1986; Ammeral 1988; Shieh et al. 1995). Pemurnian siklodekstrin dengan metoda kromatografi biasanya menggunakan kolom terbungkus matrik yang mengandung ikatan hidrofobik sedangkan bahan penyerap yang dapat digunakan untuk memurnikan siklodekstrin, misalnya hidrokarbon yang tidak beracun seperti limonin. Bahan ini ditambahkan bersamaan dengan penambahan enzim CGTase saat terjadi hidrolisis pada pati. Limonin akan menyerap siklodekstrin, setelah semua siklodekstrin terserap kemudian bahan ini dipisahkan, pemisahan limonin dapat dilakukan dengan berbagai cara antara lain perebusan larutan, pencucian pelarut maupun dengan injeksi uap (Ammeral 1988). Bahan penyerap lain yang juga digunakan adalah sintetik resin yang terdiri dari kopolimer styrene-divinylbenzene (Koki et al. 1981), resin yang tidak larut dalam air dari golongan hidrokarbon aliphatic, hidrokarbon alisiklik, hidrokarbon aromatik (Yagi et al. 1986). Bahan-bahan ini hanya akan mengadsorbsi molekul siklodekstrin, dan tidak menyerap bahan-bahan non-siklodekstrin. Bahan penyerap akan berpenetrasi ke rongga siklodekstrin dan membentuk kompleks inklusi dengan siklodekstrin.
Metoda kromatografi dan penggunaan bahan penyerap untuk memurnikan siklodekstrin memiliki kelemahan yaitu pada pemurnian dengan menggunakan kromatografi memerlukan kolom yang besar, memerlukan pengaturan suhu serta hanya dapat memisahkan sedikit bahan non-siklodekstrin seperti molekul gula dan dextrin yang tidak tersiklik. Sedangkan kelemahan penggunaan bahan-bahan penyerap adalah penggunaan suhu yang tinggi pada metoda ini memungkinkan terjadinya reaksi kimia.
Berbagai kelemahan pemisahan diatas mendorong pengembangan pemisahan siklodekstrin menggunakan filtrasi dengan membran khususnya menggunakan enzimatik membran reaktor (Slominska et al. 2002; Sakinah et al.
2007). Penggunaan reaktor membran (EMR) pada pemurnian siklodekstrin mempunyai berbagai kelebihan diantaranya selain memproduksi siklodekstrin, EMR juga dapat secara langsung memisahkan siklodekstrin dari pengotornya serta dapat mendaur ulang enzim yang digunakan.
Membran
Membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan nanofiltrasi merupakan salah satu proses pemisahan yang telah banyak digunakan pada proses pemurnian, pengkonsentrasian polisakarida dan oligosakarida (Leiva dan Guzman 1995; Goulas et al. 2002; Slominska et al. 2002; Kamada et al. 2002; Vegas et al. 2006) Siklodekstrin merupakan oligosakarida nonreduksi berbentuk siklik, berbagai penelitian telah dilakukan untuk memisahkan bahan-bahan yang termasuk oligosakarida dengan berbagai ukuran membran diantaranya Goulas et al. (2002) yang memisahkan campuran oligosakarida yang terdiri dari oligosakarida, laktosa dan glukosa dapat dipisahkan dengan membran nanofiltrasi. Leiva dan Guzman (1995) mengemukakan bahwa membran nanofiltrasi memungkinan untuk digunakan sebagai alternatif pengganti metoda kromatografi pada pengkonsentrasian dan pemurnian campuran oligosakarida. Slominska et al. (2002) menggunakan membran bioreaktor untuk menghasilkan dan memurnikan siklodekstrin dari enzim dan polisakarida.
Tekanan yang digunakan pada membran ultrafiltrasi mempunyai kisaran 10 sampai 100 psi. Pada pemurnian maupun pengkonsentrasian larutan oligosakirida dan polisakarida, fluksi yang dihasilkan bervariasi tergantung dari konsentrasi yang digunakan. Rata-rata fluksi yang dihasilkan berkisar antara 10 sampai 100 L/m2 jam. Pemurnian dan pengkonsentrasian oligosakarida menggunakan membran ultrafiltrasi dan dilanjutkan dengan membran nanofiltrasi menghasilkan rejeksi sakarida yaitu 52.3 % pada membran ultrafiltrasi dan 91.7 % pada membran nanofiltrasi (Kamada et al. 2002). Vegas et al. (2006) juga melakukan pemurnian oligosakarida menggunakan larutan yang berasal dari hidrolisis sekam padi, berdasarkan penelitian tersebut diketahui bahwa nilai rejeksi oligosakarida meningkat dari 84 % sampai 93 % seiring dengan peningkatan tekanan transmembran yang digunakan.
Fenomena yang sering terjadi pada proses pemisahan membran adalah fouling dan polarisasi konsentrasi. Akibat yang ditimbulkan oleh polarisasi konsentrasi adalah penurunan fluksi dan efektifitas tekanan transmembran. Fenomena polarisasi konsentrasi akan menimbulkan peningkatan konsentrasi pada permukaan membran. Jika molekul padatan seluruhnya tertahan pada permukaan membran, maka pada kondisi tunak aliran konvektif menuju membran akan sama dengan aliran difusi menuju umpan (Cheryan 1998).
Sakinah et al. (2007) menjelaskan proses fouling membran yang terjadi saat pemisahan siklodekstrin yang menggunakan membran PES 32000 Da. Pada saat awal ultrafiltrasi dilakukan, berbagai molekul yang terdapat di dalam larutan umpan yaitu pati, α, β, γ-siklodekstrin, enzim CGTase, gula-gula sederhana akan dilewatkan ke membran. Partikel-partikel ini akan cenderung mengisi pori permukaan membran yang berukuran kecil. Setelah semua pori yang berukuran kecil terisi kemudian pori membran yang berukuran besar juga mulai terisi. Proses ini dapat menyebabkan blocking pada pori membran akibat mekanisme steric. Beberapa dari partikel secara simultan akan teradsorpsi ke permukaan membran, hingga akhirnya cake layer mulai terbentuk. Hal ini ditegaskan dengan hasil FTIR yang digunakan untuk menguji adsorbsi bahan-bahan organik di permukaan membran. Fouling membran oleh bahan-bahan seperti pati, enzim CGTase, maupun siklodekstrin menunjukkan hasil FTIR yang signifikan dengan nilai gelombang bekisar antara 866 sampai 1584, hal ini menunjukkan kemungkinan bahan yang menyebabkan fouling adalah protein, polisakarida dan gula-gula amino Mekanisme pemisahan siklodekstrin dan pembentukan lapisan gel dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Pembentukan gel/cake layer dan adsorpsi pada pemurnian siklodekstrin
Penurunan fluksi pada pemurnian dan pengkonsentrasian makromolekul dapat diakibatkan oleh satu atau tiga fenomena berikut ini : (1) adsorpsi makromolekul yang melibatkan interaksi antar makromolekul dengan membran yang terjadi akibat adanya aliran konvektif melewati membran, (2) deposisi makromolekul yang berhubungan dengan pengendapan makromolekul di permukaan membran, (3) limitasi perpindahan massa pada makromolekul.
Fenomena mengenai adsorbsi dan deposisi makromolekul dijelaskan oleh Demessie (2002) yang mengkaji mengenai adsorpsi pati kentang pada membran polietersulfon, bahwa adsorpsi polimer pada permukaan membran akibat entropi yang terjadi saat polimer berada dalam larutan. Ketika molekul-molekul polimer dilepaskan ke dalam larutan, setiap molekul dapat bergerak bebas pada ruang tiga dimensi. Sehingga selalu terdapat daya entropi yang mendukung adsorpsi dari polimer. Peningkatan massa molar dan hidropobisitas dari polimer menyebabkan adsorpsi meningkat yang disebabkan penurunan solubilitas dari polimer. Hasil penelitian ini juga mengungkapkan adanya profil adsorpsi polimer pada konsentrasi larutan yang rendah akan meningkat tajam kemudian konstan dengan meningkatnya konsentrasi. Peneliti ini melakukan percobaan dengan tiga
Adsorpsi Permeat Umpan Gel/ Cake layer α, β, γ-siklodekstrin Gula sederhana
konsentrasi larutan yaitu 0.1 %, 0.5 % dan 1 %. Nilai adsorpsi terkecil didapatkan pada konsentrasi 0.1 % dan hampir sama pada konsentrasi 0.5 % dan 1 %. Adsorpsi polimer yang konstan pada konsentrasi larutan yang tinggi merupakan bukti bahwa permukaan membran dipenuhi oleh polimer. Selain itu sifat membran juga mempengaruhi adsorpsi makromolekul yang terjadi pada membran. Adsorpsi pada membran hidropobik akan lebih tinggi dari fouling yang terjadi pada membran hidrofilik, hal ini disebabkan proses adsorbsi molekul organik cenderung lebih mudah pada membran hidrofilik.
Zydney (1996) mengkaji tentang adsorpsi dari makromolekul pada membran hidrofobik yang berdasarkan daya dorong termodinamika yang berkenaan dengan energi bebas Gibbs. Berdasarkan hasil penelitian tersebut diketahui bahwa saat makromolekul berada dalam larutan, maka permukaan dari makromolekul dan permukaan membran akan bersentuhan langsung dengan zat pelarutnya, yaitu air. Tingkat interaksi antara makromolekul dan membran diukur dengan energi bebas Gibbs dari air berdasarkan kedekatannya dari permukaan membran. Molekul air yang berdekatan dengan permukaan membran memiliki energi bebas Gibbs yang lebih besar daripada molekul yang lainnya. Kondisi ini menyebabkan mudahnya adsorpsi makromolekul dan pelepasan air diantara permukaan makromolekul, sementara interaksi antara makro molekul dengan membran menyebabkan penurunan total energi bebas Gibbs. Efek ini akan lebih nyata ketika masing-masing permukaan dari zat terlarut dan permukaan membran adalah hidrofobik.
Ukuran molekul dan pori membran juga mempengaruhi adsorpsi molekul ke permukaan membran. Pada kondisi dimana ukuran pori lebih besar dari ukuran molekul maka molekul dapat dengan bebas masuk ke dalam pori membran, mengendap di dinding pori. Proses ini dapat mengurangi jarak efektif pori membran, dengan kata lain terjadi penyempitan pori membran. Untuk kondisi dimana ukuran molekul dan pori membran hampir sama maka efek “blocking” atau penyumbatan akan sangat signifikan. Ketika kondisi ukuran pori jauh lebih kecil dibandingkan ukuran molekul maka molekul tidak dapat masuk ke membran, adsorpsi pada membran dengan rejeksi yang sangat tinggi umumnya terjadi di permukaan membran.
Model Thin Film
Model thin film merupakan salah satu model yang banyak digunakan untuk menjelaskan fenomena polarisasi konsentrasi. Model thin film didasarkan adanya lapisan tipis diantara permukaan membran dan aliran curah. Adanya tekanan pada sisi umpan yang cukup tinggi menyebabkan sebagian pelarut dan zat terlarut melewati pori membran dan keluar sebagai permeat. Kondisi demikian menyebabkan konsentrasi pada permukaan membran lebih tinggi dari konsentrasi umpan dan permeat. Pada saat seluruh partikel padatan tertahan pada permukaan membran maka fluks pelarut akan meningkat sejalan dengan kenaikan tekanan sampai terjadi konsentrasi kritis yaitu konsentrasi gel (Gambar 4).
Boundary Membran Layer Aliran Konveksi cf cp -D(dC/dx) δ x= δ x=0
Gambar 4 Polarisasi konsentrasi dan pembentukan gel (Badeer dan Veenstra 1996)
Jika besarnya laju alir konvektif zat terlarut menuju permukaan membran dinyatakan Js dan nilainya equivalen dengan JC, seperti ditunjukkan dengan persamaan di bawah ini :
Js = J x C ...(5) Dimana :
Js = Laju alir konvektif (m det-1)
J = Laju fluks permeat (m det-1)
C = Konsentrasi bahan terlarut
Gradien konsentrasi partikel yang tertahan pada permukaan membran akan menyebabkan aliran difusi balik (Jsb) yang arahnya berlawanan dengan aliran konvektif yaitu menuju umpan yang besarnya dinyatakan dengan persamaan (6) di bawah ini : Kecepatan Umpan, v ...(6) sb dC J D dx = −
Dimana :
D = koefisien difusivitas (m2 det-1)
Dc/dx = gradien konsentrasi (kg kg-1m-1)
Kondisi kesetimbangan terjadi jika laju aliran konvektif menuju permukaan membran (JC) sama dengan laju alir permeat (J Cp) ditambah laju alir difusi balik (Jsb) seperti ditunjukkan oleh persamaan (7) berikut ini :
Apabila pada jarak tertentu misalnya x = δ merupakan jarak dari permukaan membran dimana pencampuran homogen masih terjadi (Cb) dan ke arah lebih dekat lagi dengan permukaan membran maka konsentrasi semakin meningkat sampai x = 0. melalui substitusi nilai-nilai tersebut serta mengintegralkan persamaan (7) maka akan diperoleh model thin film seperti di bawah ini :
Nilai adalah koefisien perpindahan massa (m det-1), sehingga persamaan di atas menjadi :
Pada sebagian besar proses pemurnian dengan membran, nilai Cw dan Cb ditetapkan oleh sifat-sifat fisiokimia umpan sehingga nilai fluksi permeat hanya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan nilai koefisiien perpindahan massa (Cheryan 1998).
Koefisien Perpindahan Massa
Proses perpindahan massa molekul atau partikel di proses membran disebabkan karena adanya dua mekanisme perpindahan yaitu secara konvektif dan difusi. Massa berpindah secara difusi karena adanya pergerakan molekul-molekul satu terhadap yang lain akibat perbedaan konsentrasi (Utomo 1984). Koefisien perpindahan massa dapat digunakan untuk memprediksi besarnya perpindahan massa. Oleh karena itu penting sekali untuk mendapatkan perkiraan mekanisme perpindahan massa yang tepat.
...(7) p dC JC D JC dx ⎛ ⎞ + −⎜ ⎟= ⎝ ⎠
(
/)
ln w ...(8) b C J D C δ = δ / D ln w ...(9) b C J k C =Salah satu pendekatan termudah untuk mengambarkan mekanisme perpindahan massa adalah dengan pendekatan tak berdimensi. Pendekatan analisis tak berdimensi untuk membran menggunakan korelasi bilangan Sherwood (Sh). Korelasi ini berdasarkan hubungan analogi antara perpindahan massa, momentum dan perpindahan panas, bentuk umum korelasi ini diberikan oleh persamaan 1.
γ β α
(
/
)
Re
Sc
d
L
A
Sh
=
h ………...………....(1)Parameter-parameter A, α, dan β merupakan fungsi dari bentuk geometri yang spesifik dan tergantung pada kondisi aliran. Nilai α dan β konstan dan ditentukan oleh profil laju alir dan konsentrasi sepanjang channel (Cheryan 1998). Pada sistem aliran laminar dengan channel berbentuk tube, jika profil laju alir dan konsentrasi adalah fully developed maka nilai α dan β adalah nol. Jika profil laju alir fully developed tetapi profil lapisan batas konsentrasi adalah developing di sepanjang channel maka nilai α dan β dapat menggunakan persamaan dari Graetz-Leveque dengan nilai α = 0.33 dan β = 0.33. Jika profil antara laju alir dan konsentrasi adalah developing maka nilai α dan β dapat menggunakan persamaan dari Grober dengan nilai α = 0.5 dan β = 0.33 (Cheryan 1998). Bentuk persamaan yang dikembangkan oleh Leveque dan Grober untuk fluida newtonian dapat dilihat pada persamaan 2 dan 3.
(
Re /)
0.33 62 . 1 Scd L Sh= h ...(2) 5 . 0 33 . 0 5 . 0 Re 664 . 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = L d Sc Sh h ...(3)Mekanisme perpindahan massa pada ultrafiltrasi siklodekstrin belum banyak dipublikasikan. Fenomena perpindahan massa yang telah ada banyak diaplikasikan pada albumin (Porter 1979), dextran (Jonsson 1984), suspensi ragi (Patel et al. 1987) serta susu skim (Chiang & Cheryan 1987).
Aplikasi analisis perpindahan massa pada ultrafiltrasi siklodekstrin menggunakan persamaan yang dikembangkan oleh Leveque, hal ini berdasarkan pertimbangan bahwa aliran fluida saat ultrafiltrasi dilakukan termasuk aliran laminar pada channel berbentuk tube dengan laju alir diasumsikan tidak berubah sepanjang channel. Koefisien perpindahan massa pada lapisan polarisasi konsentrasi untuk kondisi aliran laminar dapat ditentukan dari persamaan Leveque, yaitu :
3 / 1 2
62
.
1
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
L
D
v
k
...(4)Untuk modul membran yang bergeometri silinder, laju gesek pada dinding membran (γw) adalah 8v/dh, sehingga persamaan (4) dapat diekpresikan juga dalam bentuk : 3 / 1 2 81 . 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = L D k
γ
w ...(5)Jika dihubungkan dengan sifat reologi fluida, laju gesek pada dinding membran (γw) untuk fluida non-Newtonian memenuhi persamaan (6) (Cheryan
1998). ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = h b b w d v n n 2 6
γ
...(6) Persamaan pada ultrafiltrasi siklodekstrin didapatkan dari penurunan persamaan yang dikembangkan oleh Leveque dengan cara memasukkan persamaan laju gesek pada dinding membran (γw) untuk fluida non-Newtonian. Dari hasil substitusi persamaan (6) ke persamaan (5) maka dihasilkan persamaan koefisien perpindahan massa seperti pada persamaan 7 (Cheryan 1998).3 / 1 2 2 6 81 . 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = L D d v n n k h b b ...(7) Analisis koefisien perpindahan massa untuk ultrafiltrasi siklodekstrin pada persamaan 7 digunakan untuk melihat pengaruh faktor laju gesek terhadap mekanisme perpindahan massa.
Persamaan-persamaan di atas hanya berdasarkan pendekatan kondisi operasi sehingga untuk mengetahui faktor lain yang juga berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa seperti perubahan sifat fluida yaitu perubahan viskositas di lapisan batas (boundary layer) saat ultrafiltrasi dilakukan maka berbagai peneliti mencoba memasukkan sifat fluida pada perkiraan mekanisme perpindahan massa, seperti Eriksson (1980) serta Aimar dan Field (1992) yang memasukkan faktor koreksi terhadap perubahan viskositas
(
/)
0.27w b μ
μ .
umpan berhubungan dengan peningkatan perpindahan massa secara aksial yang terjadi dekat dengan permukaan membran, meskipun kecepatan aksial yang terjadi nilanya tetap.
Mekanisme perpindahan massa untuk larutan polimer akan lebih mudah didekati dengan pendekatan sifat reologi larutan. Kajian pendekatan berdasarkan pendekatan sifat reologi larutan berhubungan erat dengan viskositas larutan, hal ini berkaitan dengan fenomena perubahan viskositas saat terjadi polarisasi konsentrasi di boundary layer.
Pritchard (1990) juga melakukan perhitungan koefisien perpindahan massa untuk fluida non-Newtonian berdasarkan pengaruh konsentrasi xantan terhadap sifat reologinya. Berdasarkan hasil penelitiannya didapatkan bahwa viskositas larutan xantan menyebabkan penurunan maupun peningkatan nilai koefisien perpindahan massa, hal ini tergantung dari jenis aliran fluida. Namun persamaan yang dikembangkan oleh peneliti ini tidak akurat pada kondisi dimana indeks sifat aliran pada dinding membran (nw) tidak sama dengan indeks sifat aliran umpan (nb). Persamaan yang dikembangkan oleh Pritchard (1990) ditunjukkan oleh persamaan 8. 13 . 0 / 1 / 1 3 / 1 2
8
4
1
3
4
3
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
w b n w n b B b bK
K
d
u
n
n
L
D
k
...(8) ) ( 3 2 w b b n n n B + =Berdasarkan berbagai hasil penelitian di atas bahwa perubahan viskositas di boundary layer juga mempengaruhi mekanisme perpindahan massa, maka pendekatan mekanisme perpindahan massa untuk ultrafiltrasi siklodekstrin juga didekati berdasarkan pendekatan tersebut. Mekanisme perpindahan massa untuk ultrafiltrasi siklodekstrin berdasarkan persamaan yang dikembangkan oleh Charcosset dan Choplin (1996). Penggunaan persamaan ini dikarenakan kesamaan sifat reologi dari larutan siklodekstrin dengan larutan yang digunakan oleh peneliti tersebut yaitu gum xantan.
Persamaan yang dikembangkan oleh Charcosset dan Choplin (1996) merupakan persamaan empirik untuk koefisien perpindahan massa yang didasarkan pada fenomena perpindahan panas yang terjadi pada proses
pendinginan fluida non-Newtonian yang dikombinasikan dengan peninjauan pengaruh ketergantungan indeks kelakuan aliran (n) terhadap konsentrasi larutan, selain itu persamaan ini juga valid untuk kondisi saat nw ≠ nb. Asumsi yang digunakan pada persamaan Charcosset dan Choplin (1996) adalah permukaan membran diasumsikan seragam, bahan yang terejeksi mempunyai konsentrasi yang tinggi, penyebab bahan dapat terejeksi adalah akibat kombinasi aliran konvektif dan difusif, perpindahan massa secara longitudinal diabaikan. Persamaan yang dikembangkan oleh Charcosset dan Choplin (1996) ditunjukkan pada persamaan 9. 27 . 0 3 / 1 3 / 1 2 8 4 1 3 4 3 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = w b b b d v n n L D k μ μ ……….(9)
Persamaan yang dikembangkan oleh Charcosset dan Choplin (1996) juga memasukkan faktor koreksi terhadap perubahan viskositas
(
μb/μw)
0.27, yangdikembangkan oleh Eriksson (1980) serta Aimar dan Field (1992). Perbandingan perubahan viskositas pada umpan (μb) dan dinding membran (μw) ditunjukkan pada persamaan 10 dan 11.
1 8 4 1 3 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = b b n n b b b b d v n n K μ ...(10) 1 8 4 1 3 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = w w n n w w w w d v n n K μ ...(11)
Dari hasil substitusi persamaan 10 dan 11 ke persamaan (9) maka koefisien perpindahan massa pada model Charcosset dan Choplin (1996) ditunjukkan pada persamaan 12.
)
(
27
.
0
3
/
1
n
bn
wB
=
+
−
...(12) Koefisien perpindahan massa (k) dipengaruhi oleh difusivitas dan berbagai variabel yang mempengaruhi karakter dari aliran fluida yaitu kecepatan, viskositas, densitas serta dimensi membran. Mulder (1996) menyatakan bahwa koefisien difusi cukup sulit untuk ditentukan, data difusivitas makromolekul dan(1 ) 0.27 0.27 27 . 0 3 / 1 2 4 1 3 4 1 3 8 4 1 3 4 3 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − w b n b b n w w B b b K K n n n n d v n n L D k w w
hidrokoloid jarang terdapat dalam literatur, terutama data sebagai fungsi konsentrasi dan temperatur. Menurut Cheryan (1998) ketidakakuratan data difusivitas merupakan kesalahan terbesar dalam memprediksi fluksi permeat khususnya dalam sistem aliran laminar karena ketergantungan fluksi pada difusivitas adalah yang paling dominan dibandingkan dengan parameter-parameter lainnya.
Berbagai penelitian untuk menghitung koefisien difusi dengan berbagai pendekatan telah banyak dikembangkan. Young et al (1991) mengembangkan persamaan yang dikembangkan dari persamaan Stokes-Einstein untuk menghitung koefisien difusi protein pada suatu larutan. Persamaan ini memiliki kekurangan yaitu membutuhkan data spesifik mengenai sifat makromolekul yang sering sekali data ini tidak ada. Persamaan yang dikembangkan oleh Young et al (1991) ditunjukkan pada persamaan 13.
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
− 3 / 1 810
34
.
8
M
T
x
D
μ
...(13) Koefisien difusi juga merupakan fungsi dari konsentrasi, seperti persamaan yang dikembangkan oleh Paris et al. (2002). Bentuk persamaannya ditunjukkan oleh persamaan 14....(14) 10 11 2.61 10 13 4.17 10 16 2 2.13 10 19 3 2
.
1 x x C x C x C
METODOLOGI PENELITIAN
Tempat
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknik Kimia Jurusan Teknologi Industri Pertanian IPB. Penelitian berlangsung selama 6 bulan terhitung dari bulan Februari sampai dengan Juli 2007.
Alat dan Bahan
Bahan utama yang digunakan adalah siklodekstrin yang dibuat dari pati garut. Bahan-bahan lain yang digunakan adalah HCI, NaOH, CuS04, phenolptalein, sodium tiosulfat, KI, H2S04, asam metabisulfit, etanol, fenol, NaK-Tartarat, asam dinitrosilik, NaH2P04, Na2HP04, asam asetat, Na-asetat, aquades, glukosa standar, amilosa standar, soluble starch, CGTase (Toruzyme 3,0 KNU/g), α-amilase, larutan NaOH 0.1 N sebagai bahan pencuci membran.
Alat utama yang digunakan adalah satu set membran ultrafiltrasi yang dilengkapi pompa tipe diafrakma dengan kapasitas 180 liter/jam, karakteristik membran yang digunakan dalam penelitian ini disajikan pada Tabel 3 dan Gambar 5. Alat yang digunakan untuk analisis adalah spektrofotometer 2000, pH meter.
Penentuan Koefisien Perpindahan Massa
Tabel 3 Karakteristik membran yang digunakan dalam proses pemurnian siklodekstrin
Jenis
Membran Bahan Membran Membran Modul Permukaan Luas Area
Ukuran pori (μm)/ MWCO UF Polieter sulfon Tubular 0.5 m2 20.000 Da
Metode Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam 6 tahap yaitu (1) pembuatan larutan siklodekstrin, (2) penentuan karakteristik larutan siklodekstrin, (3) penentuan permeabilitas membran dan waktu tunak, (4) penentuan pengaruh tekanan, laju alir umpan dan konsentrasi terhadap fluksi, (5) penentuan tingkat kemurnian siklodekstrin hasil pemurnian dan (6) penentuan koefisien perpindahan massa. Diagram alir tahap penelitian disajikan pada Gambar 6.
Gambar 6 Diagram alir tahapan penelitian Penentuan Karakterisasi Larutan Siklodekstrin
Penentuan Pengaruh Tekanan, Laju Alir Umpan dan Konsentrasi Terhadap Fluksi
Selesai Mulai
Penentuan Permeabilitas Membran dan Waktu Tunak
Penentuan Tingkat Kemurnian Siklodekstrin Hasil Pemurnian Pembuatan Larutan Siklodekstrin
Pembuatan Larutan Siklodekstrin
Pembuatan larutan siklodekstrin berdasarkan penelitian terdahulu oleh Erianti (2004) yaitu : pati garut dengan konsentrasi 5 dan 15 persen (b/b) dilarutkan dalam buffer fosfat 0.2 M pH 6. Larutan pati dipanaskan hingga di atas suhu gelatinasi maksimum (T = 79 0C) kemudian ditambahkan enzim hidrolase α-amilase sebesar 200 unit/mg enzim. Proses dilakukan pada kondisi suhu sekitar 90 °C serta dilakukan pengadukan dengan kecepatan 200 rpm selama 120 menit. Hasil likuifikasi kemudian ditambahkan enzim CGT-ase 100 unit/g substrat selama 240 menit. Proses dilakukan pada suhu 60 °C dengan kecepatan pengadukan 200 rpm. Konsentrasi siklodekstrin (C1 ; C2) yang dihasilkan diperkirakan 50 g/L sampai dengan 100 g/L. Konsentrasi siklodekstrin dianalisis dengan metoda Kitahata (1988). Prosedur pengukuran konsentrasi siklodekstrin secara rinci disajikan pada Lampiran 1.
Karakterisasi Larutan Siklodekstrin
Karakteristik larutan siklodekstrin ditentukan dengan cara mengukur viskositas larutan menggunakan viskometer Brookfield model LTV. Viskositas diukur pada berbagai laju geser (1.02 – 20.4 det-1). Dari hasil pengukuran viskositas didapatkan parameter-parameter indeks kelakuan aliran fluida pada aliran curah (nb), indeks konsistensi fluida pada aliran curah (Kb). Nilai nb dan Kb ditentukan dari persamaan hubungan antara viskositas dan shear rate μ= Kγn−1.
Nilai nb dan Kb digambarkan berdasarkan kurva hubungan antara nb dan Kb dengan konsentrasi siklodekstrin. Berdasarkan kurva ini didapatkan persamaan yang digunakan untuk mencari nilai indeks kelakuan aliran fluida pada permukaan membran (nw) dan indeks konsistensi fluida pada permukaan membran ( Kw).
Penentuan Permeabilitas Membran dan Penentuan Waktu Tunak Pengukuran permeabilitas membran dilakukan dengan cara mensirkulasikan air destilata pada suhu 40oC selama beberapa waktu (t menit), kemudian dilihat pengaruh waktu terhadap fluksi air hingga dicapai kondisi tunak. Penentuan kondisi tunak, dilakukan dengan cara mengoperasikan membran pada rentang
tekanan transmembran antara 0.5 bar – 2 bar dengan laju alir 0.06 m/det selama t menit sampai tercapai fluksi air yang konstan.
Penentuan waktu tunak siklodekstrin dilakukan dengan mengoperasikan proses ultrafiltrasi selama beberapa waktu (t menit) hingga keadaan tunak dicapai. Penentuan kondisi tunak dilakukan dengan cara mengoperasikan membran pada tekanan transmembran 2.2 bar dengan laju alir 0.06 m/det sampai tercapai fluksi yang konstan.
Fluksi diukur dengan cara mengukur waktu yang diperlukan (menggunakan stopwatch) untuk memperoleh permeat sebanyak 100 ml, sedangkan retentat dikembalikan lagi ke umpan .
Waktu ketika fluksi mulai konstan, maka dapat digunakan pada proses selanjutnya yaitu untuk menentukan kinerja membran terhadap tekanan, konsentrasi dan laju alir.
Penentuan Pengaruh Tekanan, Laju Alir Umpan dan Konsentrasi Terhadap Fluksi
Proses pemurnian siklodekstrin dengan membran ultrafiltrasi ditunjukkan dalam Gambar 7. Pada proses pemurnian ini, larutan siklodekstrin (500 ml) dimasukkan ke dalam tangki umpan. Umpan akan disedot oleh pompa menuju membran. Produk hasil proses membran (permeat dan retentat) diresirkulasikan ke dalam tangki umpan sampai tercapai waktu tunak larutan siklodekstrin yaitu selama 20 menit. Setelah tercapai waktu tunak, filtrat yang dihasilkan akan keluar melalui sisi permeat, sedangkan yang tidak melalui membran akan keluar melalui sisi retentat dan dilakukan pengukuran fluksi dan pengambilan contoh permeat. Analisis terhadap permeat meliputi pengukuran konsentrasi siklodekstrin, sisa pati serta sisa enzim. Setiap proses membran selesai dilakukan, membran dicuci dengan air hangat dan larutan yang mengandung 0.1 % NaOH dengan pH 10-11 selama 30 menit.
Metode pencucian yang digunakan adalah metode backwash. Pencucian dilakukan dengan metode backwash menggunakan air hangat (suhu 40 ºC) selama lebh kurang 10 menit. Setelah dilakukan backwash, selanjutnya membran dicuci dengan menggunakan larutan NaOH (0.1 %) dengan selang pH larutan pencuci antara 10 -11 dengan sistem diresirkulasi selama lebih kurang 30 menit. Setelah
digunakan membran harus tetap dalam kondisi basah. Oleh karena itu, penyimpanan dilakukan dengan cara merendam modul dalam larutan hipoklorit 200 ppm.
Gambar 7 Diagram alir proses ultrafiltrasi
Tekanan operasi ultrafiltrasi yang digunakan pada penentuan kinerja membran berkisar antara P1 - P4 (0.3 bar – 2.5 bar), dengan laju alir v1 - v3 (0.1-1 m/det) serta konsentrasi siklodekstrin C1 dan C2.
Hasil yang diharapkan dari perhitungan ini adalah hubungan antara tekanan transmembran dan fluksi permeat pada berbagai konsentrasi dan laju alir. Perkiraan tekanan transmembran yang menghasilkan fluksi permeat tetap selanjutnya digunakan pada percobaan-percobaan selanjutnya.
Pengaruh konsentrasi terhadap fluksi dan rejeksi membran dilakukan pada laju alir v1 - v3 (0.1-1 m/det) dengan tekanan konstan. Dari perlakuan ini diperoleh hubungan konsentrasi dan laju alir silang.
Tingkat Kemurnian Siklodekstrin Hasil Pemisahan
Tingkat kemurnian siklodekstrin ditentukan dengan menghitung rejeksi membran terhadap pati sisa, sisa enzim dan juga siklodekstrin. Kadar pati sisa dianalisis dengan metode Iod, sedangkan sisa enzim didekati berdasarkan analisis kuantitatif protein (Lampiran 2).
Penentuan Koefisien Perpindahan Massa
Koefisien perpindahan massa ditentukan berdasarkan model Cheryan dan model Charcosset dan Choplin (1996). Perhitungan ini menggunakan program microsoft excel. Pada model Cheryan (persamaan 7) nilainya didapatkan dengan cara memasukkan berbagai data yang digunakan pada proses operasi ultrafiltrasi siklodekstrin yaitu laju alir, panjang membran dan diameter membran. Sedangkan pada model Charcosset dan Choplin (persamaan 12), selain berdasarkan data operasi yang digunakan juga berdasarkan data hasil percobaan dalam hal ini data pengukuran viskositas larutan siklodekstrin yaitu indeks kelakuan aliran fluida pada aliran curah (nb), indeks kelakuan aliran fluida pada permukan membran (nw), indeks konsistensi fluida pada aliran curah (Kb), indeks konsistensi fluida pada permukaan membran ( Kw).
Dari nilai koefisien perpindahan massa yang didapatkan berdasarkan dua model diatas, dihitung perkiraan fluksi serta dibandingkan dengan fluksi hasil percobaan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penerapan pemisahan siklodekstrin dari pengotornya dan kajian mengenai model perpindahan massa pada pemisahan siklodekstrin dengan menggunakan membran ultrafiltrasi belum banyak dikembangkan. Proses pemisahan dengan membran ultrafiltrasi sangat efektif dalam memisahkan larutan makromolekul, emulsi suspensi dan lainnya. Kajian mengenai perpindahan massa pada proses pemisahan menjadi topik yang banyak diteliti. Pendekatan model Cheryan dan model Charcosset dan Choplin (1996) digunakan untuk mengambarkan mekanisme perpindahan massa pada pemurnian siklodekstrin.
Pada penelitian ini dikaji fenomena perpindahan massa yang paling sesuai untuk memprediksi pemisahan siklodekstrin menggunakan ultrafiltrasi tubular.
Karakteristik Larutan Siklodekstrin
Berdasarkan pengukuran dengan metode Kitahata (1988) dihasilkan siklodekstrin dengan konsentrasi 46 g/L dan 101 g/L (Lampiran 1). Karakterisasi dilakukan untuk konsentrasi siklodekstrin 46 g/L dan 101 g/L pada laju geser 1.02 – 20.4 det-1. Data karakteristik larutan dan grafik hubungan antara viskositas dan laju geser ditunjukkan pada Lampiran 3 dan Gambar 8.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 5 10 15 20 25
Laju geser (1/det)
Viskosit as( Pa.det ) 46 g/L 100 g/L
Gambar 8 Hubungan antara viskositas dan shear rate larutan siklodekstrin pada berbagai konsentrasi
Hubungan antara laju geser dengan viskositas larutan dapat digunakan untuk menentukan sifat larutan siklodekstrin. Hasil pengujian pengaruh laju geser terhadap viskositas siklodekstrin menunjukkan bahwa viskositas larutan pada berbagai konsentrasi menunjukkan nilai yang tetap dan menurun dengan meningkatnya laju geser. Hal ini menunjukkan bahwa larutan siklodekstrin termasuk dalam kategori fluida non-Newtonian dan bersifat pseudoplastis dan hubungan viskositas dan laju geser mengikuti hukum power.
Sifat pseudoplastik larutan siklodekstrin disebabkan karena pada laju geser yang rendah molekul-molekul cenderung berasosiasi membentuk jaringan yang lembut seperti gel sehingga viskositasnya terukur tinggi. Sedangkan pada laju geser yang tinggi kerusakan jaringan dengan pemecahan struktur akan mengurangi hambatan sehingga menyebabkan viskositas menjadi lebih rendah.
Dari perhitungan viskositas menggunakan persamaan Power Law diperoleh nilai indeks sifat aliran (n) bervariasi untuk setiap konsentrasi larutan siklodekstrin yaitu 0.0278 – 0.0926, begitu juga dengan nilai indeks konsistensi (K) yaitu 0.19 – 0.194.
Hubungan antara indeks konsistensi, indeks sifat aliran dengan konsentrasi dapat dilihat pada Gambar 9 dan 10. Dari Gambar 9 dan 10 dapat diketahui persamaan yang menunjukkan hubungan antara konsentrasi siklodekstrin dengan indeks konsistensi dan indeks sifat aliran, seperti pada persamaan (11) dan (12). Indeks konsistensi (Kb) = 0.1745 C0.0228………...…………...…...(11) Indeks sifat aliran (nb) = 0.0003 C1.2133………...…....(12)
Jika nilai konsentrasi gel (Cw) yang didapatkan berdasarkan hubungan antara fluksi permeat dengan logaritma konsentrasi siklodekstrin disubstitusikan ke persamaan (11&12) di atas maka akan didapatkan nilai indeks konsistensi dan indeks sifat aliran pada permukaan membran, yaitu :
Indeks konsistensi (Kw) : 0.197 Indeks sifat aliran (nw) : 0.178
0.190 0.191 0.191 0.192 0.192 0.193 0.193 0.194 0.194 0.195 0 20 40 60 80 100 120 Konsentrasi(g/L) In deks kon s istensi fl ui da(P a det n )
Gambar 9 Hubungan antara indeks konsistensi dengan konsentrasi siklodekstrin
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 20 40 60 80 100 120 Konsentrasi(g/L) In dek s ke lak u an aliran
Nilai indeks sifat aliran nb dan nw sebesar 0.0278 dan 0.178 menunjukkan bahwa larutan siklodekstrin tergolong fluida bersifat shear-thinning dengan nilai n < 1 untuk fluida yang bersifat pseudoplastis. Kecendrungan hasil yang sama juga didapatkan oleh peneliti lain untuk fluida-fluida lain yang termasuk dalam kategori fluida pseudoplastis dimana nilai n < 1 yaitu gum xantan ( n = 0.15 pada konsentrasi 50 g/L), CMC ( n = 0.5 pada konsentrasi 0.5 %), polisakarida EAN (n = 0.44 pada konsentrasi 0.5 %) (Kartika 1996 ; Noerlaily 1999).
Permeabilitas Membran dan Waktu Tunak Larutan
Tujuan pengukuran permeabilitas membran adalah untuk mengetahui kinerja membran. Rata-rata nilai permeabilitas membran pada tekanan 0.5 ; 1 bar dan 2.2 bar menunjukkan bahwa nilai permeabilitas membran menurun cepat pada awal filtrasi, setelah 10 – 15 menit fluksi mulai konstan, yaitu pada kisaran fluksi 105 L/m2.jam, 171 L/m2.jam dan 225 L/m2.jam untuk masing-masing tekanan. Grafik hubungan waktu filtrasi dengan fluksi dapat dilihat pada Gambar 11 dan Lampiran 4. Nilai ini berada pada range permeabilitas membran untuk membran ultrafiltrasi.
Gambar 11 Pengaruh tekanan membran terhadap nilai permeabilitas membran 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 0 5 10 15 20 25 30 35 Waktu (menit) Fluk si a ir ( L /m 2 .ja m) 1 bar 2 bar 0.5 bar
Berdasarkan hasil pengukuran terhadap perlakuan fluksi air terhadap waktu, ditunjukkan bahwa fluksi air relatif konstan pada berbagai tekanan. Hal ini berarti kinerja membran yang digunakan masih baik, tidak terdapat zat-zat pengotor di membran yang dapat menurunkan fluksi.
Hubungan antara fluksi dengan waktu operasi untuk larutan siklodekstrin pada berbagai konsentrasi dapat dilihat pada Gambar 12. Data yang berhubungan dengan waktu filtrasi terhadap fluksi dapat dilihat pada Lampiran 5. Dari Gambar 12 menunjukkan bahwa fluksi operasi menurun cepat di awal operasi dan mencapai tunak setelah 15 – 20 menit. Penurunan fluksi pada saat awal operasi dikarenakan proses pembentukan lapisan cake pada permukaan membran. Setelah lapisan cake terbentuk maka fluksi relatif konstan terhadap waktu. Berdasarkan hasil pengukuran ini maka ditetapkan untuk pengambilan sampel pada penentuan operasi selanjutnya dilakukan setelah 20 menit saat larutan siklodekstrin mencapai tunak.
Gambar 12 Hubungan fluksi dengan waktu larutan siklodekstrin pada berbagai konsentrasi (tekanan 2.2 bar, laju alir 0.06 m/det)
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 0 5 10 15 20 25 30 35 Waktu (menit) Fl uk si (L/m 2 .jam) 46 g/L 101 g/L
Pengaruh Tekanan Terhadap Fluksi
Penentuan tekanan operasi maksimal dilakukan pada berbagai konsentrasi umpan dan kecepatan alir. Pengamatan tekanan dilakukan pada kisaran 0.3 – 3 bar, sedangkan konsentrasi umpan yang digunakan 46 dan 101 g/L dengan kecepatan cross flow 0.03 m/det, 0.04 m/det, 0.06 m/det. Hubungan tekanan, laju alir dan konsentrasi umpan ditunjukkan pada Gambar 13, 14, 15 dan Lampiran 6. Tekanan transmembran merupakan salah satu parameter operasi yang sangat penting karena mempengaruhi efisiensi filtrasi membran. Umumnya pada peningkatan tekanan akan meningkatkan fluksi permeat, tetapi pada suatu titik akan tercapai kondisi fluksi yang tetap walaupun tekanan dinaikkan. Dari Gambar 13, 14 dan 15 menunjukkan bahwa fluksi permeat meningkat dengan kenaikan tekanan. Pada tekanan di atas tekanan 2.2 bar nilai fluksi mulai konstan.
Gambar 13 Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin, laju alir 0.06 m/det
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tekanan (Bar) F luk s i ( L /m 2. jam ) 46 g/L 101 g/L
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Tekanan (bar)
F
lu
ksi
(
L
/m
2
.ja
m
)
46 g/L 101 g/LGambar 14 Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin, laju alir 0.04 m/det
Gambar 15 Hubungan antara fluksi dengan tekanan transmembran pada berbagai konsentrasi siklodekstrin pada v = 0.03 m/det
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tekanan (Bar) 46 g/L 101 g/L
