Loading...

Tuesday, February 12, 2013

Aplikasi Proses Pemisahan dengan Membran Mikrofiltrasi dan Reverse Osmosis



Aplikasi Proses Pemisahan dengan Membran Mikrofiltrasi dan Reverse
Osmosis untuk Menghasilkan Susu Sapi Berkadar Lemak Rendah, Protein
Tinggi, dan Air Rendah
Oleh : Septa Andriyani / 12919 / 22

Susu merupakan salah satu bahan pangan yang banyak dikonsumsi oleh masyarakat karena mengandung protein tinggi untuk membantu proses metabolisme tubuh. Kandungan gizi yang terdapat dalam susu terdiri dari protein, lemak, karbohidrat, kalsium, fosfor, zat besi, vitamin (A, B1, C), dan air.

Susu terbagi atas dua golongan yaitu susu olahan dan susu segar. Susu olahan merupakan susu yang telah melalui berbagai proses, salah satu produk yang dihasilkan diantaranya susu pasteurisasi. Susu pasteurisasi merupakan susu yang pada umumnya mengalami pengolahan dengan proses pemanasan pada suhu tertentu, dengan tujuan membunuh mikroorganisme yang bersifat pathogen sehingga aman untuk dikonsumsi Sekarang ini proses pemekatan susu yang biasa digunakan adalah. Susu dengan kadar air rendah dapat diperoleh dengan cara proses pemekatan. Sekarang ini proses pemekatan susu yang biasa digunakan adalah proses evaporasi.

Pada umumnya masyarakat cenderung mengkonsumsi susu olahan dibandingkan dengan susu segar. Hal ini disebabkan karena susu olahan telah mengalami perlakuan khusus atau proses tertentu di dalam industri seperti susu bubuk, full cream, low fat, UHT, dan lain-lain. Di sisi lain tak sedikit pula masyarakat yang mengkonsumsi langsung susu sapi segar. Susu sapi segar memiliki kandungan air yang cukup besar yaitu sekitar 88,3 % per 100 gr air susu sapi segar dan gizi yang terkandung didalamnya sekitar 11,7 % per 100 gr air susu sapi segar. 

Teknologi pemisahan dengan membran memiliki banyak keunggulan yang tidak dimiliki oleh metode-metode pemisahan lainnya. Keunggulan teknologi pemisahan dengan membran yaitu sederhana, tidak membutuhkan zat kimia tambahan, dan juga kebutuhan energinya sangat minimum. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh produk susu sapi yang berkadar air rendah, berkadar lemak rendah, berprotein tinggi, dan jumlah mikroorganismenya minimal.Produk susu yang dihasilkan diharapkan akan lebih menguntungkan dibandingkan dengan susu cair yang ada dipasaran karena memiliki kadar air yang lebih sedikit dan kandungan gizinya lebih banyak. Pada penelitian ini menggunakan dua buah membran yaitu membran mikrofiltrasi jenis tubular dan membran reverse osmosis jenis spiral wound. Membran mikrofiltrasi berfungsi untuk mengurangi kadar lemak dan jumlah mikroorganisme tetapi mempertahankan kadar protein tetap pada susu. Membran reversemosmosis berfungsi untuk mengurangi kadar air pada proses pemekatan susu tanpa merubah komposisi yang lainnya.

Metodologi PenelitianPendekatan Percobaan
Salah satu proses pemisahan membran mikrofiltrasi dapat diaplikasikan pada proses pengolahan susu sapi segar sebagai suatu proses pasteurisasi sehingga mampu mempertahankan karakteristik khasnya seperti nilai gizi pada susu. Proses mikrofiltrasi merupakan proses pemisahan partikel-partikel dan mikroorganisme dalam larutannya. Proses ini berlangsung dan difasilitasi oleh membran mikrofiltrasi. Membran mikrofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0.3 μm – 0.45 μm, sehingga lebih efektif menahan mikroorganisme dan bahan-bahan yang ukurannya lebih besar dari rata-rata ukuran pori karena penahan adsorptif.

Mekanisme pemisahan yang terjadi berdasarkan mekanisme sieving dan memiliki tekanan (driving force) sebesar 1 bar sampai 4 bar. Susu sapi segar dipompakan ke sel pengujian membran tubular sehingga terjadi pemisahan antara permeate dan retentate. Pemeate merupakan susu sapi segar yang lolos melalui membran dengan kandungan protein tetap atau lebih tinggi, kandungan lemak lebih rendah, dan jumlah mikroorganisme lebih rendah, sedangkan retentate berupa susu sapi segar yang tertahan dan tidak tersaring oleh permukaan membran dengan kandungan protein lebih rendah, kandungan lemak lebih tinggi, jumlah mikroorganisme lebih tinggi. 

Proses reverse osmosis (Reserve Osmosis Process)adalah salah satu pemekatan cairan yang menggunakan media membran dense dengan tahanan hidrodinamik yang besar. Membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut yang memiliki berat molekul rendah. Umumnya besar tekanan kerja yang diterapkan minimal 3 kali lipat tekanan osmosis larutan, karena pori membran yang digunakan sangat kecil, mendekati dense, maka mekanisme pemisahan yang terjadi tidak berdasarkan ukuran molekul tetapi lebih berdasarkan mekanisme solution diffusion, dimana sebagai driving force berupa tekanan yang diberikan oleh diaphragm pump, sehingga peristiwa osmosis akan terjadi sebaliknya, yaitu perpindahan massa dari larutan pekat ke larutan encer. Dalam hal ini massa yang akan berpindah adalah air, karena membran yang digunakan hanya mampu dilewati oleh air, maka analisis yang dilakukan hanyalah menentukan kadar air yang terdapat pada retentate-nya.


Adapun spesifikasi kedua membran dapat dilihat dari tabel dibawah ini:
Tabel 1 Spesifikasi Membra Mikrofiltrasi

Tabel 2 Spesifikasi Membran Reverse Osmosis


Peralatan percobaan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dibedakan menjadi 2 macam, yaitu:

  1.  Peralatan utama, digunakan untuk melangsungkan proses pemisahan
  2.  Peralatan pendukung , digunakan dalam persiapan pelaksanaan percobaan serta analisis



Bahan

  1. Susu sapi segar
  2. Aqua DM
Prosedur Percobaan
Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahap yaitu:

  1.  Tahap pendahuluan
  2. Tahap pemisahan dengan membran.
  3. Tahap pencucian membran
Tahap Pendahuluan
Pada tahap ini dilakukan :

  1. Mempersiapkan susu sapi segar
  2. Merangkai seperangkat alat mikrofiltrasi dan reverse osmosis
Tahap Pemisahan dengan Membran

  1. Tahap pemisahan dengan membran mikrofiltrasi
  2. Tahap pemisahan dengan membran reverse osmosis
Tahap Pencucian Alat
Bertujuan untuk membersihkan membran setiap selesai proses pemisahan

Analisis
Pada proses pengolahan susu sapi segar menggunakan membran mikrofiltrasi dan membran reverse osmosis. Analisis dari hasil mikrofiltrasi adalah kandungan lemak, kandungan protein, jumlah mikroorganisme, dan kadar air di dalam susu sapi yang terkandung dalam permeate, sedangkan analisis dari hasil reverse osmosis adalah kadar air yang terkandung dalam retentate .



Hasil Penelitian dan Pembahasan Proses Mikrofiltrasi
Pengaruh Beda Tekan terhadap Persen Kadar Lemak di permeat


Berdasarkan grafik di atas, pada beda tekan 1 bar diperoleh persen kadar lemak sebesar 2.04%. Hal ini menunjukkan terjadi penurunan persen kadar lemak, dimana sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi persen kadarlemak pada susu sebesar 2.7 %. Tetapi ketika beda tekan dinaikkan menjadi 2 bar, persen kadar lemak pada susu hasil proses mikrofiltrasi naik kembali menjadi 2.68 % dan ketika beda tekan dinaikkan kembali menjadi 3bar, persen kadar lemak pada susu dari hasil proses mikrofiltrasi turun menjadi 2.56 %. Hal ini juga terjadi penurunan pada beda tekan 4bar, dimana persen kadar lemak pada susu hasil proses mikrofiltrasi sebesar 2.52 %. Secara teori persen kadar lemak hasil proses mikrofiltrasi harus turun dikarenakan ukuran molekul lemak lebih besar yaitu sebesar (0.1 – 22)  m dibandingkan ukuran pori membran mikrofiltrasi sebesar 0.3  m sehingga sebagian besar lemak akan tertahan dan susu yang dihasilkan dari proses mikrofiltrasi akan memiliki kadar lemak yang berkurang. Tetapi dari hasil penelitian yang dilakukan, susu yang dihasilkan dari proses mikrofiltrasi masih memiliki kandungan lemak yang cukup tinggi. Hal ini mungkin disebabkan lemak yang memiliki ukuran molekul lebih kecil dari ukuran pori membran 0.3  m jumlahnya relatif banyak sehingga masih banyak lemak yang lolos melewati membran mikrofiltrasi. Perbedaan beda tekan yang digunakan pada proses mikrofiltrasi akan mempengaruhimpersen kadar lemak pada susu yang dihasilkan dari proses mikrofiltrasi. Pada beda tekan 1 bar, persen kadar lemak pada susu yang dihasilkan mengalami penurunan dibandingkan persen kadar lemak pada susu sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi.

Hal ini disebabkan sebagian lemak yang memiliki molekul yang lebih besar akan tertahan di permukaan membran sebagai produk retentate dan sebagian lemak yang memiliki ukuran molekul yang lebih kecil akan lolos melewati membran sebagai produk permeate. Tetapi pada beda tekan 2 bar, persen kadar lemak pada susu naik. Namun kenaikan persen kadar lemaknya tidak sebesar persen kadar lemak awal sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi, hal ini disebabkan dengan beda tekan yang semakin besar maka fluks yang dihasilkan akan semakin besar pula. Ini berarti akan semakin banyak molekul lemak yang berukuran lebih kecil dibandingkan ukuran pori membran yang dapat melewati membran sehingga dalam hal ini persen kadar lemak pada susu menjadi meningkat.

Pada beda tekan yang lebih besar lagi yaitu pada beda tekan 3 bar dan 4 bar, semakin besar beda tekan yang digunakan maka kadar lemak yang dihasilkan akan semakin rendah. Hal ini bertolak belakang dengan teori yang mengatakan bahwa semakin besar beda tekan maka fluksnya akan semakin besar. Hal ini disebabkan semakin tinggi fluks, fouling yang terjadi di permukaan membran akan semakin besar. Ini bisa terlihat dari waktu jenuh yang dihasilkan dari penelitian ini, dimana semakin besar beda tekan maka waktu jenuhnya akan semakin pendek. Akibatnya semakin cepat waktu berhenti maka lemak yang berpindah ke permeate lebih sedikit sehingga lemak yang tertahan di permukaan membran lebih banyak dan persen kadar lemak yang dihasilkan pada proses mikrofiltrasi untuk beda tekan tesebut semakin rendah.

Pengaruh Beda Tekan terhadap Persen Kadar Protein di permeat

Berdasarkan grafik di atas, pada beda tekan 1bar diperoleh persen kadar protein sebesar 5.08 %. Hal ini menunjukkan terjadi peningkatan persen kadar protein, dimana sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi persen kadar protein pada susu sebesar 5 %. Ketika beda tekan dinaikkan lagi menjadi 2 bar, persen kadar protein pada susu hasil proses mikrofiltrasi naik kembali menjadi 5.09 %, begitu juga dengan beda tekan 3 bar dan 4 bar, dimana persen kadar protein meningkat sebesar 5.14 % dan 5.21%. Secara teori persen kadar protein hasil proses mikrofiltrasi harus tetap dikarenakan ukuran molekul protein lebih kecil ( lebih kecil dari ukuran molekul lemak, < 0.1  m) dibandingkan ukuran pori membran mikrofiltrasi 0.3  m sehingga semua protein akan lolos melewati membran mikrofiltrasi.

Dari hasil penelitian yang dilakukan, susu yang dihasilkan dari proses mikrofiltrasi pada masing-masing variasi beda tekan 1 bar sampai 4 bar, persen kadar proteinnya meningkat. Hal ini disebabkan semakin besar beda tekan, fluks akan semakin besar, fouling yang terjadi dipermukaan membran semakin besar, maka waktu jenuhnya semakin pendek sehingga kadar protein akan meningkat seiring dengan menurunnya volume permeate hasil proses mikrofiltrasi.

Pengaruh Beda Tekan terhadap Jumlah Mikroorganisme di permeat  

Berdasarkan grafik di atas, pada beda tekan 1bar jumlah mikroorganisme pada susu menjadi 25100 koloni/ml. Hal ini menunjukkan penurunan jumlah mikroorganisme pada susu, dimana sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi jumlah mikroorganisme pada susu sebanyak 122000 koloni/ml. Ketika beda tekan dinaikkan lagi menjadi 2 bar, jumlah mikroorganisme pada susu berkurang menjadi 20300 koloni/ml. Begitu juga pada beda tekan 3 bar, jumlah mikroorganisme pada susu hasil mikrofiltrasi semakin berkurang menjadi 20100 koloni/ml. Tetapi pada beda tekan 4 bar, jumlah mikroorganisme pada susu meningkat yaitu sebanyak 22400 koloni/ml. Secara teori jumlah mikrooganisme hasil proses mikrofiltrasi harus sedikit atau minimal. Hal ini dikarenakan ukuran mikroorganisme relatif lebih besar (0.5 – 5)  m dibandingkan ukuran pori membran mikrofiltrasi. Dari hasil penelitian yang dilakukan, masih ada kandungan mikroorganisme pada susu, hal ini disebabkan mungkin sebagian kecil dari mikroorganisme tersebut memiliki ukuran yang lebih kecil dari 0.5  m sehingga mikroorgansime pada susu masih ada yang lolos. Perbedaan beda tekan yang digunakan pada proses mikrofiltrasi akan mempengaruhi jumlah mikrooganisme pada susu yang dihasilkan dari proses mikrofiltrasi. Pada beda tekan 1 bar, jumlah mikroorganisme pada susu yang dihasilkan mengalami penurunan dibandingkan jumlah mikroorganisme pada susu awal sebelum dilakukan proses mikrofiltrasi. Begitu juga dengan beda tekan 2 bar dan 3 bar dimana jumlah mikroorganisme pada susu menurun. Hal ini disebabkan sebagian besar mikroorganisme yang memiliki molekul yang lebih besar tertahan di permukaan membran. Tetapi dari hasil penelitian yang dilakukan pada beda tekanlebih besar lagi yaitu pada beda tekan 4 bar, jumlah mikroorganisme yang dihasilkan pada proses mikrofiltrasi menjadi meningkat. Hal ini dikarenakan dengan beda tekan yang besar, fluks akan semakin besar maka ukuran mikroorganisme yang lebih kecil akan lebih banyak lagi yang terdorong sehingga mikroorganisme pada susu masih ada yang lolos melewati membran mikrofiltrasi.

Proses Reverse Osmosis untuk Menentukan Beda Tekan Optimum
Hubungan Persen Kadar Air di permeat terhadap Waktu pada Variasi Beda Tekan



Berdasarkan grafik di atas, pada beda tekan 6 bar, persen kadar air yang terkandung pada retentate hasil proses reverse osmosis susu sapi sebesar 84.84 % volume dengan waktu jenuh 422.42 menit. Pada beda tekan 7 bar, persen kadar air pada susu sapi sebesar 78.5 % volume dengan waktu jenuh 404.21 menit. Pada beda tekan 8 bar, persen kadar air pada susu sapi sebesar 70.97 % volume dengan waktu jenuh 296.33 menit. Pada beda tekan 8.5 bar, persen kadar air pada susu sapi sebesar 74.31 % volume dengan waktu jenuh 270 menit. Hal ini terlihat bahwa pada beda tekan 6 bar, 7 bar, dan 8 bar persen kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis menurun. Tetapi pada beda tekan 8.5 bar, persen kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis meningkat lagi. Peningkatanmkadar air disebabkan fouling dipermukaan membran semakin banyak sehingga proses reverse osmosis berhenti lebih cepat yang mengakibatkan persen kadar air di retentate menurun atau air yang lolos ke permeate sedikit.

Secara teori semakin besar beda tekan, persen kadar air yang terdapat pada retentate hasil proses reverse osmosis akan semakin kecil dimana driving force yang semakin besar dan fluks semakin besar. Hal ini disebabkan semakin banyak air yang berpindah melewati membran reverse osmosis. Tetapi dengan beda tekan yang semakin besar, pembentukan fouling dipermukaan membran akan semakin banyak, hal ini menyebabkan waktu jenuhnya
semakin pendek.

Penentuan Beda Tekan Optimum

Berdasarkan grafik di atas dengan waktu 270 menit, dari beda tekan 6 bar, 7 bar, dan 8 bar,persen kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis sebesar 86.60 % volume, 82.87 % volume, dan 73.58 % volume dimana terjadi penurunan % kadar air pada susu sapi. Tetapi pada beda tekan 8.5 bar, persen kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis naik kembali menjadi 74.31 % volume. Peningkatan kadar air disebabkan fouling dipermukaan membran semakin banyak sehingga proses reverse osmosis berhenti lebih cepat yang mengakibatkan persen kadar air di retentate menurun atau air yang lolos ke permeate sedikit.

Secara teori, semakin besar beda tekan, fluks akan semakin besar, driving force yang terjadi dipermukaan membran semakin besar maka penghilangan kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis semakin meningkat dan jumlah air yang dipisahkan semakin besar (persen kadar air pada retentate semakin kecil). Hal ini juga mengakibatkan fouling dipermukaan membran akan semakin banyak sehingga waktu jenuhnya akan semakin cepat.Untuk itu dapat diketahui bahwa beda tekan optimum adalah pada beda tekan 8 bar dimana menghasilkan kadar air paling rendah. Kadar air pada retentate hasil proses reverse osmosis yang dihasilkan untuk kondisi optimum pada waktu 270 menit adalah sebesar 73.58 % volume.

Proses Reverse Osmosis pada Beda Tekan Optimum 8 bar untuk Susu Hasil Proses Mikrofiltrasi
Hubungan Persen Kadar Air di permeat terhadap Waktu pada Beda Tekan Optimum 8 bar

Berdasarkan grafik di atas pada beda tekan optimum yang sama (beda tekan 8 bar), semakin lama waktu filtrasi maka akan menghasilkan persen kadar air yang rendah dimana terlihat pada masing-masing variasi susu hasil proses mikrofiltrasi yang memiliki kadar air yang berbeda-beda. 
Pada susu 1 dari hasil proses mikrofiltrasi, persen kadar air retentate hasil proses reverse osmosis sebesar 82.95 % volume. Pada susu 2 dan susu 3 hasil proses mikrofiltrasi, persen kadar air retentate hasil proses reverse osmosis menurun menjadi 82.66 % volume dan 81.63 % volume. Pada susu 4 hasil proses mikrofiltrasi, persen kadar air retentate hasil proses reverse osmosis turun lagi menjadi 79.8 % volume.
Jumlah padatan yang terkandung dalam susu 4 lebih banyak dibandingkan dengan susu yang lain, dan karena dilakukan pada beda tekan yang sama maka fluksnya juga sama. Susu yang memiliki kadar air yang paling rendah, padatannya lebih banyak dan cenderung mengalami fouling lebih banyak yang mengakibatkan waktu jenuhnya akan semakin pendek. Demikian pula persen kadar air yang dihasilkan untuk susu yang umpan awalnya memiliki kandungan air yang relatif lebih sedikit untuk beda tekan yang sama (fluks sama akan menghasilkan persen kadar air lebih sedikit seperti yang terlihat pada gambar di atas).

Komposisi Susu Hasil Proses Mikrofiltrasi dan Reverse Osmosis
Tabel 3. Komposisi Susu Hasil Proses Mikrofiltrasi dan Reverse Osmosis

Dari tabel di atas terlihat bahwa persen kadar air menurun dikarenakan umpan susu 4 memiliki persen kadar air sebelumnya lebih rendah. Untuk kadar lemak dan kadar protein susu 4 memiliki persen kadar lemak dan persen kadar protein yang lebih besar dikarenakan persen padatan yang didalamnya terdapat lemak dan protein lebih besar dibandingkan susu 1, susu 2, dan susu 3.

Persen kadar lemak dan kadar protein susu awal sebelum proses mikrofiltrasi adalah sebesar 2.73 % dan 5.17 % dengan persen kadar air sebesar 90.75 % volume. Dari hasil proses reverse osmosis diperoleh persen kadar lemak dan kadar protein cenderung meningkat dikarenakan persen kadar air akhir dari susunya menurun, tetapi jumlah lemak dan protein yang terdapat pada susu hasil proses reverse osmosis seharusnya sama atau tidak berubah dibandingkan dengan susu awal sebelum proses reverse osmosis yang tidak lain merupakan komposisi susu dari hasil proses mikrofiltrasi. Hal ini bisa diartikan persen kadar lemak yang tidak terlalu tinggi, persen kadar protein yang tinggi, persen kadar air yang rendah dibandingkan dengan komposisi susu per 100 gram susu sapi segar dari literatur yang memiliki kadar lemak sebesar 3.5 % dalam 100 gram susu sapi segar, kadar protein sebesar 3.2 % dalam 100 gram susu sapi segar, dan kadar air sebesar 88.3 % dalam 100 gram susu sapi segar.

Kesimpulan

  1. Hasil dari proses mikrofiltrasi diperoleh susu dengan kadar lemak yang lebih rendah, kadar protein yang tinggi, dan jumlah mikroorganisme yang minimal.
  2. Beda tekan kerja optimum dari proses reverse osmosis yang menghasilkan kadar air paling rendah diperoleh pada beda tekan 8 bar.
  3. Pada proses mikrofiltrasi dan proses reverse osmosis, semakin besar beda tekan, fluks akan semakin besar, maka fouling dipermukaan membran akan semakin banyak, hal ini mengakibatkan waktu jenuhnya semakin pendek.
  4. Susu terbaik yang dihasilkan dari penelitian ini diperoleh pada kondisi mikrofiltrasi dengan beda tekan 4 bar dan reverse osmosis pada beda tekan 8 bar dengan komposisi kandungan gizi pada susu yang memiliki kadar lemak yang tidak terlalu tinggi yaitu sebesar 2.96 %, kadar protein yang tinggi sebesar 6.96 %, dan kadar air yang rendah sebesar 79.8 % volume.

Pustaka

2 comments:

  1. YA, SUDAH RAPI. Tolong dibuat rata kanan, bullet dan rata kiri, tambahkan video, dan beri tautan (link) ke situs yang sesuai.

    ReplyDelete
  2. This comment has been removed by the author.

    ReplyDelete