1
Aplikasi Teknologi Membran dalam Pemisahan Protein
Achmad Sofian Nasori
Teknik Kimia, ITB, Jalan Ganesa No. 10, Bandung, Indonesia achmad.sofianasori@students.itb.ac.id
Abstrak
Membran selama tiga dekade ini menarik perhatian dari berbagai kalangan karena prinsip pemisahannya yang sangat unik, yaitu transportasi selektif dan pemisahan selektif, serta lebih efisien dibandingkan unit operasi lainnya. Kemampuannya dalam memisahkan komponen hingga tingkat molekular dan bersifat selektif, menjadikan teknologi membran dapat digunakan dalam proses pemisahan tanpa melibatkan senyawa kimia sehingga dapat menghemat biaya operasi. Teknologi membran juga mudah untuk diperbesar atau diperkecil skalanya karenanya sifatnya yang modular. Teknologi membran telah banyak digunakan dalam bidang bioteknologi, seperti dalam proses pemisahan dan pemurnian protein. Teknologi membran dapat diintegrasikan dengan proses reaksi sehingga produk berupa protein dapat dipisahkan secara kontinyu dari reaksi biologis. Dengan ukuran pori tertentu, teknologi membran juga dapat digunakan untuk proses fraksionasi protein berdasarkan berat molekul ataupun ukuran protein. Akan tetapi, fouling masih menjadi kendala utama operasi membran dalam pemisahan protein. Makalah ini membahas aplikasi teknologi membran dalam pemisahan protein, terutama membran mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Ulasan mengenai teknologi membran, material, serta konfigurasi dijelaskan di bagian awal makalah ini. Selain itu, permasalahan fouling membran pada proses pemisahan protein dibahas di bagian akhir makalah ini.
Kata kunci: membran, protein, pemisahan, ultrafiltrasi, mikrofiltrasi
1. Pendahuluan
Teknologi membran tumbuh dan berkembang pesat secara dinamis sejak pertama kali dikomersilkan oleh Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1972. Hal tersebut dapat dilihat dengan semakin berkembangnya aplikasi membran khusunya dalam skala besar diberbagai bidang industri. Pemisahan dengan membranemerupakan suatu teknik pemisahan campuran 2 atau lebih komponen tanpa menggunakan panas. Membran adalah sebuah penghalang selektif antara dua fasa, bisa homogen atau heterogen dan memiliki ketebalan yang berbeda. Membran berfungsi memisahkan material berdasarkan ukuran dan bentuk molekul, menahan komponen dari umpan yang mempunyai ukuran lebih besar dari pori-pori membrane dan melewatkan komponen yang mempunyai ukuran yang lebih kecil. Filtrasi menggunakan membran selain berfungsi sebagai sarana pemisahan juga berfungsi sebagai sarana pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada membrane tersebut.
Teknologi membran bebarapa tahun terakhir ini menjadi suatu teknologi yang layak untuk diterapkan mengingat material atau bahan pada pembuatan teknologi membrane mudah dan murah untuk didapatkan. Beberapa aplikasi membrane diantaranya adalah dalam pemisahan dan pemurnian protein dimana dengan teknologi membran ini protein dengan mudah dapat dipisahkan dan dimurnikan tanpa melalui metode/mekasinme yang selama ini dilakukan seperti dengan penambahan aditif maupun kondisi termal. Dengan teknologi membran beberapa keunggulan yang dapat dilakukan adalah (i) pemisahan dapat dilakukan secara kontinyu; (ii) konsumsi energi umumnya relative
rendah; (iii) proses membrane dapat dengan mudah digabungkan dengan proses pemisahan lainnya (hybrid processing); (iv) pemisahan dapat dilakukan dengan kondisi operasi yang dapat diatur; (v) mudah dalam
scale up; (vi) tidak memerlukan bahan tambahan; (vii) pemakaiannya mudah diadaptasikan karena material /bahan pembuatannya yang dapat disesuaikan. Selain memiliki keunggulan, teknologi membrane juga memiliki kekurangan, diantaranya adalah fluks dan selektivitas, karena pada proses pemisahan menggunakan membrane umumnya fenomena yang terjadi antara fluks dengan selektivitas adalah berbanding terbalik.
Pada proses pemisahan dan pemurnian berbasis membrane selain perlu diperhatikan mengenai karakteristik bahan/material yang akan dipisahkan maupun dimurnikan juga harus diperhatikan faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja membrane seperti; (i) bentuk molekul; (ii) bahan membrane yang digunakan; (iii) parameter operasional, meliputi tekanan, temperature, konsentrasi, pH, polarisasi dan kekuatan ion). Teknologi membran telah diketahui sejak tahun 1823, tetapi mulai berkembang sejak Loeb Sourirajan berhasil membuat membrane asimetrik dari selulosa asetat untuk proses osmosa balik pada desalinasi air laut pada tahun 1960. Dan mulai mengalami perkembangan besar-besaran sejak tahun 1960-1980 baik untuk pengembangan bahan membrane untuk proses pemisahan, pemurnian dan pemekatan atau pengembangan konfigurasi membrane dengan tujuan untuk mendapatkan kapasitas, derajat pemisahan dan kinerja yang diinginkan. Pada proses pemekatan hampir melibatkan proses seperti penguapan, pembekuan dan
2 pengeringan sehingga melibatkan perubahan fasa yang sangat membutuhkan energi yang cukup besar yang dapat mempengaruhi biaya produksinya. Sementara proses pemisahan lainnya adalah penyaringan menggunakan filter aid, dimana kendala dari proses ini adalah limbah yang dihasilkan yang akan berpengaruh terhadap biaya pengolahan lingkungan. Pemisahan dengan membrane dapat dilakukan pada temperature kamar dan temperature rendah sehingga mencegah kerusakan unsur-unsur yang sensitive terhadap panas dan memperbaiki kualitas produk. Kinerja yang tinggi dan desain yang kompak dan modular membuat sistem pemisahan menggunakan membran efisien dan mudah dioperasikan.
Membran dapat dibedakan menjadi membran berpori dan tidak berpori (dense). Membran berpori terdiri dari membrane dengan pori berukuran mikro (microporous) dan membrane dengan ukuran pori makro (macroporous). Sedangkan pada membrane tidak berpori tidak terdapat pori baik berukuran mikro maupun makro. Mekanisme pemisahan yang terjadi adalah pemisahan berdasarkan mekanisme solusi-difusi, dimana komponen yang dipisahkan pertama kali larut dalam membran, kemudian berdifusi melalui membran disebabkan oleh gaya pendorongnya. Pemisahan terjadi karena adanya perbedaan kelarutan atau difusivitas. Untuk memperoleh permeabilitas yang tinggi pada membran tidak berpori, struktur membrane dibuat setipis mungkin yang dikuatkan dengan lapisan cukup tebal pada membran berpori sehingga dapat membuatnya tetap bisa menahan gaya penggerak berupa tekanan. Struktur membrane asimetrik ini dapat memisahkan molekul yang berukuran sama, baik dalam bentuk cair maupun gas. Sedangkan pada membrane berpori ukuran pori sangat menentukan karakteristik pemisahan. Selektivitas yang tinggi dapat diperoleh apabila ukuran solute yang akan dipisahkan lebih besar dari ukuran pori membran. Mekanisme pemisahannya yaitu berupa ayakan (sieve) yang melewatkan solute (permeable) berukuran kecil dan menolak solute (non permeable) berukuran besar terhadap pori-pori membrane dengan gaya pendorong. Tujuan dari kajian ini adalah untuk memberikan gambaran, terutama dalam teknologi pemisahan dan pemurnian protein berbasis membran.
2. Klasifikasi Membran
Membran dapat diklasifikasikan berdasarkan material yang digunakan, gaya dorongnya, ukuran pori-porinya, dan lain-lain. Berdasarkan gaya dorongnya, teknologi membran dapat dikelompokkan menjadi proses-proses dengan gaya dorong berupa: beda tekanan, beda konsentras, beda temperatur, beda potensial listrik, dan proses hybrid [1]. Salah satu teknologi membran yang telah secara luas digunakan dalam berbagai bidang adalah membran dengan gaya dorong tekanan. Yang termasuk ke dalam proses membran dengan gaya dorong
tekanan antara lain: mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO). MF dan UF menggunakan membran berpori sementara NF dan RO menggunakan membran tak berpori. Faktor utama untuk penetuan pemisahan material pada membrane berpori adalah ukuran pori dan distribusi ukuran pori serta stabilitas kimia dan termal pada membrane. Sedangkan pada membran tidak berpori umumnya menggunkan membrane asimetrik, membrane ini digunakan untuk pemisahan gas/pervorasi ditentukan oleh performansi membrane yakni selektifitas dan fluks.
Membran MF mempunyai ukuran pori berkisar antara 0,05-2 µ dan mampu dioperasikan pada tekanan antara 0,5 – 5 Bar. Membran ini dapat digunakan untuk memisahkan partikel-partikel kecil seperti mikroorganisme (sel, bakteri dan virus) sementara senyawa makromolekul (protein, karbohidrat, lemak), gula, garam-garam mineral dan air lolos melalui membran.
Membran UF memiliki ukuran pori antara 0,005-0,02 µ. Membran UF mampu dioperasikan pada tekanan 1-10 Bar. Membran ini dapat dan memisahkan semua senyawa mikroorganisme, senyawa makromolekul, gula dan sebaliknya garam-garam mineral dan air lolos melalui membran ultra filtrasi (UF).
Membran nanofiltrasi (NF) mempunyai ukuran pori berkisar antara 0,002 - 0,005 µ. Membran ini beropeasi pada tekanan 7-30 Bar dan digunakan untuk memisahkan semua mikroorganisme, senyawa makromolekul, gula dan sebaliknya garam-garam mineral dan air lolos melalui membrane.
Membran osmosis balik /Reverse Osmosis (RO) memiliki ukuran pori berkisar antara 1-15A. Membran ini dioperasikan pada tekanan antara 20-100 Bar. Membran ini dapat digunakan untuk memisahkan semua mikroorganisme, senyawa makromolekul, gula dan garam-garam mineral sebaliknya air lolos melalui membran.
3. Material dan Konfigurasi Membran
Bahan membrane secara komersial tersedia dipasaran meskipun tidak semuanya sesuai untuk diterapkan pada proses pemisahan dan pemurnian protein. Kriteria kinerja membrane yang sangat ideal adalah performansi (fluks dan tingkat penolakan /reject) yang tinggi, setipis mungkin dan mempunyai struktur yang kuat, fleksibel untuk berbagai keperluan aplikasinya, perbandingan antara volume dan luas membrane besar, dan daya operasinya yang luas (tekanan, temperature, pH), umur pemakaian, serta harganya yang semurah mungkin. Bahan-bahan yang tersedia untuk membrane MF, UF, NF dan RO adalah selulosa asetat, poliamid aromatis, polivinylliden fluoride, polisulfon, polietersulfon, polivinylalkohol, polikarbonat dan sebagainya. Membran dapat dibentuk kedalam berbagai konfigurasi dan ukuran, baik pada skala laboratorium, pilot maupun
3 industry. Membran berbentuk dapat dimodifikasi kedalam dua konfigurasi yaitu bentuk lembaran datar (flat sheet) dan gulungan/lilitan (spiral wound). Sementara membrane berbentuk tabung dikembangkan menjadi bentuk berongga (hollow fiber) dengan diameter < 1mm, kapiler dengan diameter antara 1-5 mm dan tabung/pipa (tubular) dengan diameter > 5 mm.
Gambar 1. Contoh membran spiral wound dan Tubular (www.watertechnology.net dan [2])
3.1. Pemisahan / pemurnian Protein dengan MF
MF secara luas digunakan untuk pemisahan, pemurnian dan klarifikasi dari larutan yang mengandung protein, misalnya untuk pemisahan dan pemurnian protein ekstraseluler yang dihasilkan melalui fermentasi dan untuk menghilangkan bakteri dan virus dalam protein terapeutik. Konsep operasional dasar MF mengarah ke konsentrasi zat terlarut yang lebih tinggi dan dekat dengan permukaan membran daripada di aliran umpan massal [3]. Pengaruh polarisasi konsentrasi dapat sangat disajikan dalam aplikasi MF karena fluks yang tinggi dan koefisien transfer massa yang rendah sebagai akibat dari koefisien difusi rendah dari zat terlarut konfigurasi makromolekul dan partikulat kecil, koloid dan emulsi. Dua mode standar operasi dead end
dan cross flow ditunjukkan pada Gambar. 2. Dalam mode cross-flow, cairan harus disaring mengalir sejajar dengan permukaan membran dan meresapi melalui membran akibat perbedaan tekanan. Salib-aliran mengurangi pembentukan filter cake untuk tetap pada tingkat yang rendah.
Gambar 2. Mode konfigurasi standar dead end dan cross flow [4]
3.2. Pemisahan protein dengan UF
Fraksinasi protein dengan cepat menjadi lebih selektif melalui peningkatan membran dan desain modul. Dibandingkan dengan metode kromatografi, teknik pemisahan membran menawarkan keuntungan dari biaya yang lebih rendah dan kemudahan untuk
scale-up untuk produksi komersial. Namun, kurangnya selektivitas membran dan fouling karena penyerapan protein selama penyaringan membatasi aplikasi UF [5]. Membran UF, berbasiskan berbagai polimer sintetik, memiliki stabilitas termal yang tinggi, resistivitas kimia, dan membatasi penggunaan bahan kimia pembersih [6] dan [7]. Polietersulfon (PES) banyak digunakan sebagai bahan membran UF, karena sifat dan karakteristik baik termal dan stabilitasnya.
4. Penerapan membrane pada proses pemisahan
dan pemurnian protein.
4.1. Pengolahan produk biji-bijian (cereal)
Jagung merupakan salah satu komoditas tanaman yang produksinya mencapai 1,28 ton/ha pertahun. Pada umumnya, proses pembuatan pati jagung terdiri dari beberapa tahap, yaitu pembersihan, perendaman dalam air panas, penggilingan kasar, pemisahan lembaga, pemisahan serat kasar dari pati dan gluten dari pati dengan cara sentrifugasi, pemurnian dan pengeringan pati. Penggunaan membrane didalam industry pati ini cukup potensial, seperti penangganan dan pemekatan air bekas rendaman jagung menggunakan membrane RO, ekstraksi dan pemurnian menggunakan membrane MF, UF dan NF sehingga diperoleh isolate protein jagung, pencucian pati jagung, pemekatan dan pemisahan air pada pati jagung, pemurnian hidrolisat pati jagung, pemekatan dan pemisahan air pada pati jagung, pemurnian hidrolisat pati jagung dan pemurnian dekstrosa, fruktosa dan glukosa. Salah satu sumber
4 protein nabati yang kaya akan proten adalah kedelai. Kedelai mampu diolah dan diproses untuk dijadikan produk olahan seperti susu kedelai, tahu, yoghurt, keju berbasis kedelai dan lain-lain. Proses kedelai untuk memperoleh protein memerlukan penghilangan atau pengurangan kandungan dari beberapa unsur yang tidak dikehendaki seperti oligosakarida, asam phytat dan inhibitor tripsin. Metode konvensional untuk pemisahan protein yakni melalaui ektraksi, proses menggunakan panas dan sentrifugasi. Proses ini selalu tidak memuaskan terutama dalam perolehan produk dengan sifat yang diinginkan. Proses ini selalu menghasilkan
whey yang mengandung sejumlah protein. Proses lain yang dikembangkan untuk memekatkan protein kedelai dan isolate umumnya menggunakan proses membrane ultrafiltrasi (UF) dengan bentuk konfigurasi serat berongga. Senyawa yang tidak diinginkan mempunyai massa molar lebih kecil dari pada protein murni dan konsentrat lipid protein. Produk dari proses membrane ini memiliki hasil protein yang lebih tinggi apabila dibandingkan dengan produk yang diperoleh dengan proses konvensional. Tujuan dari penggunaan membrane UF/RO adlah menahan sebanyak mungkin protein berbobot molekul rendah dalam permeat. 4.2. Pengolahan produk susu
Susu segar merupakan media kompleks mengandung komponen berbobot molekul dengan kisaran lebar seperti protein (whey, casein, peptide, asam amino), lemak, gula susu (laktosa), mineral (kalsium & fosfor) dan vitamin. Susu juga mengandung mikroorganisme, enzim (fosfatase, lipase, protease, oksidasi xanthine) dan kemungkinan zat antibiotika serta kontaminan lainnya. Mudah rusaknya bahan terutama disebabkan bahan tersebut masih banyak mengandung air (sekitar 85%) yang merupakan komponen utama bagi pertumbuhan mikroorganisme. Pertumbuhan mikroorganisme pada susu bisa menimbulkan perubahan karakteristik susu, seperti pembentukan asam, gas, pelendiran, perubahan lemak serta cita rasa aroma.Untuk mengurangi jumlah mikroorganisme dalam susu dapat ditekan dengan menggunakan cara sterilisasi /proses pasteurisasi, dimana pada proses pasteurisasi susu dipanaskan hingga temperaturnya 62oC selama 30 menit atau 71oC selama 15 menit. Dengan proses ini bakteri thermofil menjadi mati sehingga waktu simpan susu pada kondisi kamar dapat tahan sampai 3-4 hari. Kekurangan proses pasteurisasi konvensional ini adlah kerusakan vitamin C pada susu, denaturasi protein, kerusakan masa simpan pada temperature rendah. Sehingga penerapan sistem membrane mikrofiltrasi (MF) atau sistem sterilisasi dingin dalam industry diary sangat layak untuk diterapkan mengingat dengan membrane mikrofiltrasi ini kualitas susu seperti rasa, waktu simpan dan kandungan protein dapat ditingkatkan. Teknologi pengolahan susu menggunakan membrane muali
diaplikasikan sejak tahun 1970, diantaranya fraksionasi susu menggunakan membrane UF, pembuatan keju dengan membrane UF, pemekatan susu dan whey
dengan membrane RO dan UF, pemisahan mineral dalam whey menggunakan NF dan hasil olahan lainnya. Proses UF dalam susu untuk menahan protein. Lemak dan garam-garam tidak larut dalam konsentrat sementara permeat mengandung laktosa dan garam-garam terlarut. Fraksionasi biasanya menggunakan membrane polisulfon (atau polietersulfon). Apabila dibandingkan membrane berbasis selulosa asetat, membrane polisulfon cenderung untuk membentuk fouling. Membran polisulfon mempunyai kemapuan beroperasi pada temperature 50-55oC dan tahan terhadap klorin. Polarisasi konsentrasi sering terjadi pada UF susu sehingga digunakan kecepatan melintang (cross flow) dimana arah kecepatan sejajar dengan permukaan membrane.
Proses pembuatan keju merupakan proses fraksionasi dimana protein (cesium) dan lemak dipekatkan dalam suatu bahan dasar pembuatan keju (raw curd), sedangkan laktosa, mineral dan protein terlarut terbentuk sebagai whey, suatu fraksi yang terbentuk setelah proses koagulasi atau pemekatan susu selama proses pembuatan keju. Whey merupakan produk samping dari industry pengolahan susu yang dapat berpengaruh terhadap lingkungan apabila tidak mengalami proses penanganannya. Teknologi membrane dapat secara efektif memisahkan komponen yang terdapat dalam
whey seperti lemak, protein, garam dan air. Sisetm membrane yang digunakan adalah MF, UF dan RO. Perbandingan antara proses pemekatan whey
menggunakan sistem membrane RO dan penguapan ditunjukkan pada table dibawah berikut ini. Pengolahan peptide-peptida protein whey sebagai bahan fungsional dan nutrisi dalam industry pangan, farmasi dan kosmetika telah menarik perhatian selama ini. Hidrolisat protein harus selalu difraksinasi untuk mendapatkan peptide-peptida dengan nilai fungsional dan nutrisi dengan konsentrasi yang lebih tinggi/murni.Karena perbedaan sifat-sifat fisika-kimia dari peptida ini selalu kecil, maka teknik atau pemisahan yang dapat membedakan perbedaan kecil dalam muatan, ukuran dan hidrofobisitas dari bahan mutlak diperlukan. Teknik lain yang cukup berpeluang dan menjanjikan adalah penggunaan membrane NF sehingga pemisahan solute berdasarkan muatan dan ukuran partikel solute.
4.3.Produk minuman
Indonesia sebagai penghasil kelapa terbesar kedua didunia merupakan komoditas yang memiliki nilai prosfek dan peluang pasar yang cukup tinggi. Pemanfaatan kelapa disamping sebagai kopra juga diproses lebih lanjut untuk pembuatan minyak kelapa. Dimana didalam pemanfaatannya terdapat berbagai sisa buangan /limbah, seperti batang kelapa, akar kelapa,
5 sabut, tempurung dan air kelapa. Selama ini air kelapa yang nilainya cukup besar belum dimanfaatkan secara optimal, mengingat air kelapa merupakan minuman isotonic yang mengandung nutrisi diantaranya gula 1,7-2,1%, protein 0,07-0,55% dan mineral kalium. Walaupun jumlahnya sangat kecil, dengan menggunakan teknik membrane, air kelapa dapat dipekatkan sehingga konsentrat air kelapa bisa dipakai sebagai minuman ringan, media fermentasi, media produksi nata de coco, minuman kesehatan dan lain-lain. Teknologi membrane MF sebenarnya bukan merupakan teknologi baru dalam pengembangan /penerapan pada pemekatan air kelapa. Teknologi membrane MF dioperasikan dengan cara melewatkan air kelapa muda melalui media penyaring (membrane) yang terbuat dari bahan polimer poliakrilik. Dengan karakteristik yang tepat membrane akan mampu menahan semua mikroorganisme dan yang lolos melewati membrane berupa permeat air kelapa muda yang steril dengan karakteristik aroma dan rasa yang tetap segar. Buah mengkudu, buah yang kini telah menjadi komoditas berharga yang diyakini berkhasiat
untuk mengobati berbagai macam penyakit seperti tekanan darah tinggi, kencing manis, sakit kuning, radang tenggorokkan dan sebagainya. Sari buah mengkudu menurut beberapa jurnal penelitian mengandung berbagai senyawa aktif, seperti anthrakuinon (anti jamur), terpenten (peremajaan sel), damnachantal (penghambat perkembangan sel kanker), xeronine (pencegah kerusakan jantung akibat infksi) dan lain-lain. Selain senyawa aktif, buah mengkudu juga mengandung asam-asam penghasil bau usuk, seperti asam askorbat, kaproat, kaprik dan kaprilat. Proses untuk menghasilkan zak aktif tersebut adalah dengan membrane MF, dimana komponen tertentu penentu cita rasa, warna, aroma dan lain-lain yang terkandung dalam sari buah mengkudu terfermentasi harus mampu menembus membrane, sedangkan komponen-komponen yang tidak dikehendaki seperti sisa mikroba akan tertahan oleh membrane. Untuk memperoleh senyawa aktif tertentu dapat digunakan membrane UF, NF dan RO dengan terlebih dahulu mengetahui berat molekul senyawa aktif yang diinginkan dan ukuran pori-pori membran.
Tabel 1. Perbandingan kebutuhan utilitas antara membrane RO dengan proses penguapan konvesnional [8]
Parameter Membran RO Metode Penguapan Konvensional
Kebutuhan uap 0 250-550 kg/m3 uap air
Kebutuhan listrik 10 kWh/lm3 air yang disisihkan (kontinyu) 20 kWh/lm3 air yang disisihkan (batch)
5 kWh/lm3 air yang diuapkan
Penggunaan energi 3,6 kWh (6-12% padatan) 8,8 kWh (6-18% padatan) 9,6 kWh (6-20% padatan)
387 kWh, 1 efek (6-50% padatan) 90 kWh, 2 efek (6-50% padatan) 60 kWh, 7 efek (6-50% padatan) Kebutuhan air 0 – 29300 kJ/lm3 air yang disisihkan (kontinyu)
0 – 58600 kJ/lm3 air yang disisihkan (batch)
(1,2-5,2) 106 kJ/lm3 air yang diuapkan (kontinyu)
Kapasitas 6 m3/hari 80-100 m3/hari
Maksimum Maksimum 30% padatan total Sampai dengan 60% padatan total
4.4.Produk hewani
Gelatin merupakan suatu senyawa yang biasa dipakai dalam industry pangan karena kemampuannya dalam membentuk gel yang kuat dalam medium larutan. Gelatin dihasilkan melalui proses hidrolisis selektif kolagen (BM 100.000) suatu senyawa protein intraseluler pada jaringan kulit dan tulang hewan. Gelatin diperoleh melalui ekstraksi dari kulit atau tulang degan bantuan asam atau enzim. Pada proses konvensional, peralatan penukar ion digunakan untuk memisahkan ion-ion dari garam dan digabungkan dengan peralatan penguapan untuk proses pemekatan. Proses membrane mempunyai peluang untuk menggantikan proses tersebut. Keuntungan dari proses membrane UF adalah modul tersebut mampu melewatkan garam-garam terlarut sebagai permeat dan sekaligus memekatkan gelatin, menggunakan energi yang relative kecil sehingga aspek ekonomi
menguntungkan. Fluks yang dihasilkan dari membran polisulfon dan polietersulfon adalah masing-masing sebesar 10-60 liter/m2 jam dan 4-18 liter/ m2 jam dengan kisaran konsentrasi gelatin yang diperoleh yaitu 3-20%. Rumput laut yang dapat diproses menghasilkan bahan-bahan lain yang bernilai tinggi seperti alginate, karaginan, sorbitol dan mannitol merupakan bahan yang prosfek yang harus di kembangkan. Karaginan dihasilkan dari ekstraksi rumput laut merah merupakan jenis polisakarida yang mempunyai berat molekul 100.000-1.000.000.
Proses karageinan banyak digunakan dalam pembuatan susu dimana dengan karaginan kekentalan larutan dan gel yang bisa bereaksi dengan kasein (casein) dapat ditingkatkan. Proses konvensional untuk pemekatan karaginan adalah proses penguapan sehingga membutuhkan energi yang cukup besar dalam prosesnya (sekitar 30-50 kWh/m3 air yang dipisahkan), sehingga
6 membrane UF merupakan suatu teknik /pilihan lain yang lebih efektif untuk menggantikannya. Bahan membrane UF yang biasa dipakai adalah polisulfon dan poliamid. Keunggulan membrane UF adalah lamanya waktu operasi bisa meminimalkan pemakaian bahan-bahan kimia, kebutuhan energi jauh lebih kecil (sekitar 20-30 kWh/m3 air yang dipisahkan).
5. Fouling pada membran selama proses pemurnian protein.
Fouling adalah pembentukan lapisan deposit pada permukaan lapisan membrane sehingga dapat berakibat pada terakumulasinya deposit dan menutupi celah-celah pori-pori membran. Fouling pada membrane terjadi karena solute atau partikel mengendap dan menyumbat pori membran sehingga akan mengurangi fluks atau jumlah permeate yang melewati membrane dalam waktu tertentu dengan adanya gaya dorong yang berupa tekanan.
Penurunan fluks dapat disebabkan oleh beberapa faktor, diantaranya polarisasi konsentrasi, adsorpsi, kompaksi dan fouling. Fouling dapat diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu reversible fouling dan
irreversible fouling. Reversible fouling dapat ditangani dengan cara backwashing sementara irreversible fouling
ditangani dengan menggunakan bahan kimia pembersih (seperti asam, alkali, surfaktan, sequestrans/kelator dan enzim) yang penggunaannya harus dibatasi karena dapat menyebabkan umur pakai (life time) membrane pendek atau singkat dengan penggunaan bahan kimia pembersih yang digunakan secara berulang-ulang. Bahan-bahan utama yang dapat menyebabkan fouling pada dinding pori-pori membran di sisi larutan umpan adalah kontaminan biologis, senyawa makromolekul, senyawa anorganik tertentu dan bahan koloid. Ada dua proses yang terkait dengan fenomena Fouling yaitu secara internal yakni terjadi proses peracunan dan eksternal yakni pertumbuhan fouling itu sendiri [10]. Pada proses membrane tertentu, seperti membrane osmotik (RO), kepadatan membrane dan naiknya tekanan osmotic pada permukaan membrane [3] juga dapat menyebabkan penurunan fluks pelarut melewati membrane, akan tetapi efek ini tidak dapat dikategorikan sebagai fouling.
Faktor-faktor yang mempengaruhi fouling:
a.Properti membrane, dalam hal ini meliputi (i) hidrofilisitas, seperti bahan hidrofobik biasanya memblokir air tapi menyerap komponen yang hidrofobik atau amfoter mengakibatkan fouling seperti protein [10]. (ii) muatan pada membrane, sifat ini menjadi sangat penting dan berhubungan dengan partikel bermuatan yang sedang diproses sehingga saling tolak antar partikel yang bermuatan dengan membrane yang bermuatan sama [10]. (iii) ukuran pori, dalam hal ini jika ukuran pori yang dipisahka sama besarnya dengan rentang ukuran pori yang
digunakan dapat menyebabkan partikel yang berukuran lebih kecil dalam sampel umpan bisa berdiam didalam pori-pori [10].
b.Properti solute, seperti (i) kandungan garam memiliki kecenderungan untuk mengendap pada membran karena kecilnya kelarutan atau mengikat secara langsung akibat interaksi muatan dengan bahan lainnya [10]. Dan (ii) kandungan rantai yang sama akan memikili kecenderungan fouling lebih tinggi dari kandungan rantai yang berbeda [10].
Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk mengatasi fouling adalah melalui pendekatan (i) kimiawi, seperti pemidahan maupun penyisihan foulant
dari permukaan membrane, pelarutan foulant, modifikasi struktur kimia foulant atau dengan (ii) reduksi polarisasi konsentrasi, seperti menurunkan tekanan, konsentrasi pada permukaan membrane dan padatan dalam umpan. Pencampuran atau pengadukan tegak lurus terhadap membrane atau dengan meningkatkan gradient kecepatan [10].
6. Kesimpulan
Membran telah digunakan secara tradisional untuk
memisahkan spesies ukuran yang berbeda seperti protein dari sel, kaldu fermentasi, puing-puing sel dan pemisahan komponen berat molekul rendah dari protein. Upaya untuk mengurangi turunnya fluks yang disebabkan fouling juga harus dicermati dan disiasati bagaimana nanti diaplikasikannya dapat dihindari bahkan dicegah sehingga tidak mempengaruhi kinerja dari membran. Aplikasi baru dari proses membran terus bermunculan, seperti biosensor membran dan molekuler. Keberhasilan industri mereka akan tergantung pada keuntungan mereka atas teknologi yang ada. Upaya untuk mengembangkan bahan membrane, modul, dan desain proses harus memungkinkan sistem membran untuk memainkan peran penting dalam generasi berikutnya dari proses bioteknologi terutama proses pemisahan dan pemurnian protein. Dengan demikian, pemahaman yang mendalam tentang fenomena fisik dan kimia di seluruh antarmuka membran di bawah kondisi operasi akan membantu untuk meningkatkan kinerja mereka dalam industri berbasis bioteknologi.
Daftar Notasi
MF = Mikrofiltrasi UF = Ultrafiltrasi NF = Nanofiltrasi RO = Reverse Osmosis
7
Daftar Pustaka References
[1] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010.
[2] I.G. Wenten. “Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010.
[3] D.R. Trettin, M.R. Doshi, (1981), Pressure independent ultrafiltration: is it gel limited or osmotic pressure limited, Synthetic membranes hyperfiltration and ultrafiltration uses (A.F. Turbak ed), Amer. Chem. Soc., pp. 373-409. [4] A. Saxena, B.P.Tripathi, M. Kumar, V.K. Shahi,
(2009), Membrane-based techniques for separation and purification of proteins: An overview, Advances in Colloid and Interface Science, 145, 1-22.
[5] R.J. Wakeman, C.J. Williams, (2002), Additional techniques to improve microfiltration. Separation and Purification Technology, 26(1), 3-18.
[6] R. van Reis, A. Zydney, (2007), Bioprocess membrane technology. Journal of Membrane Science, 297(1), 16-50.
[7] C.K. Larive, S.M. Lunte, M. Zhong, M.D. Perkins, G.S. Wilson, G. Gokulrangan, T. Williams, F. Afroz, C. Schöneich, T.S. Derrick, (1999), Separation and analysis of peptides and proteins. Analytical chemistry, 71, 389-423. [8] Aspiryanto, Penerapan Teknologi Membran di
Bidang Pangan, Pusat Penelitian Kimia-LIPI, Prosiding Seminar Tantangan Penelitian Kimia. [9] R.A. Assink, (1984), Fouling mechanisms of
separator membranes for iron/chromium redox battery, J. Membr. Sci., 17, 205-217.
[10] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti. “Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Pada Membran.” Teknik Kimia Institut Teknik Kimia Bandung, 2013.
[11] G. Gehlert, S. Luque, G. Belfort, (1998), Flux enhancement due to secondary flow in a helical tubular module: 14 ultra and microfiltration of polysaccharides, proteins and yeast suspensions. Biotechnol Prog, 14, 931-942.
[12] Anonim, 2006, Upaya Penyelamatan Whey
Protein Pada Susu Segar,
http://veelabs.net/ultrajaya/ind/news_press_relea se_detail.cfm?NewsID=8, 20 November 2009. [13] Judarwanto, 2009, Manfaat Susu Sapi,
http://childrenclinic.wordpress.com, 20 November 2009.
[14] I.G. Wenten, I.N. Widiasa, (2002) Enzymetic hollow fiber membrane bioreactor for peniciline hydrolysis, Desalination, 149, 270-285.
[15] I.G. Wenten. Aplication of cross flow membrane filtration for processing industrial suspension,
PhD Thesis, The Technical University of Denmark, 1994.
[16] I.G. Wenten. Mechanism and control of fouling in cross flow microfiltration, Filtration & Separation, 32 (1995) 252-253.
[17] R.A. Assink, (1984), Fouling mechanisms of separator membranes for iron/chromium redox battery, J. Membrane Sci., 17, 205-217.
[18] R.M. Nur, (2009), Sebuah studi tentang fenomena fouling pada membrane hollow fiber, Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif. [19] R. Van Reis, A.L. Zydney, (1999), Protein
ultrafiltration, In: Flickinger and Drew SW (eds) Encylcopedia of bioprocess technology: Fermentation, Biocatalysis, and Bioseparation, pp.2197-2214, New York: John Wiley.
[20] W.C. McGregor, (ed), (1986), Membrane separation in biotechnology, New York: Marcel Dekker.
[21] L.J. Zeman, A.L. Zydney, (1996), Microfiltrtion and ultrafiltration: Principle and application, New York, Marcel Dekker.
[22] M. Mulder, (1996), Basic principle of membrane technology, 2nd edition, Boston, MA: Kluwer Academic Publishers.
![Gambar 1. Contoh membran spiral wound dan Tubular (www.watertechnology.net dan [2])](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4091390.2799040/3.893.514.783.105.385/gambar-contoh-membran-spiral-wound-dan-tubular-watertechnology.webp)
![Tabel 1. Perbandingan kebutuhan utilitas antara membrane RO dengan proses penguapan konvesnional [8]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4091390.2799040/5.893.51.842.577.782/tabel-perbandingan-kebutuhan-utilitas-antara-membrane-penguapan-konvesnional.webp)
