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 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, dan
2.
Peralatan pendukung , digunakan dalam
persiapan pelaksanaan percobaan serta analisis
Bahan
1. Susu sapi segar, dan
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
Aspiyanto, Mahyudin Abdul Rachman, 2005, “Potensi
Teknologi Membran Dalam
Proses Pembuatan Susu Rendah Lemak Sebagai
Alternatif Pengganti Pasteurisasi”, Prosiding Seminar Nasional
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi
Alternatif.
Cherryan, M., 1986, “Ultrafiltration Handbook”,
Technomic Publ. Co
Mulder, M., 1996 “Basic Principles of Membrane
Technology”, Kluwer Academic Publisher,Dordrecht
0 comments:
Post a Comment