MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA MIKROFILTRASI UNTUK PENGHILANGAN LIMONIN DAN NARINGIN DARI JUS JERUK SIAM (Citrus nobilis L.

Transkripsi

1 MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA MIKROFILTRASI UNTUK PENGHILANGAN LIMONIN DAN NARINGIN DARI JUS JERUK SIAM (Citrus nobilis L. var microcarpa ) FATMA AGHITSNI SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa ) 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, Mei 2008 Fatma Aghitsni NIM F

3 RINGKASAN FATMA AGHITSNI. Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa). Dibimbing oleh ERLIZA NOOR dan SETYADJIT. Rasa pahit pada jus jeruk siam disebabkan oleh adanya senyawa limonin dan naringin. Pemanfaatan teknologi membran pada jus jeruk diharapkan mampu menghilangkan rasa pahit tersebut. Masalah utama proses membran adalah penurunan fluksi. Penurunan kinerja membran dapat dikendalikan apabila mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi dipahami. Penelitian ini bertujuan untuk menghilangkan senyawa limonin dan naringin dari jus jeruk Siam menggunakan mikrofiltrasi, memperoleh kondisi operasi mikrofiltrasi meliputi tekanan transmembran dan laju alir umpan yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tinggi, dan memprediksi mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses mikrofiltrasi jus jeruk. Bahan baku yang digunakan adalah jeruk Siam Pontianak. Pada penelitian ini dipelajari karakteristik jus jeruk, pengaruh parameter operasi yang meliputi tekanan transmembran dan laju alir terhadap fluksi, rejeksi serta kualitas jus jeruk, dan mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk dengan mode operasi resirkulasi. Mekanisme perpindahan massa dianalisis dengan cara membandingkan data hasil penelitian dengan data hasil perhitungan menggunakan model thin film untuk fluida non-newtonian berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi dengan pendekatan difusi Brownian dan self-diffusion, model Zidney-Colton, serta model Davis-Sherwood. Analisis terhadap jus jeruk hasil proses penyaringan awal berseri menggunakan filter berukuran 65 mesh, 150 mesh, dan 200 mesh, konsentrasi limonin dan naringin serta total asam mengalami penurunan dan meningkat kembali setelah proses pasteurisasi. Vitamin C mengalami penurunan setelah pasteurisasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jus jeruk Siam merupakan fluida non- Newtonian dan bersifat dilatan dengan nilai indeks perilaku aliran (n) sebesar Fluksi batas tercapai pada tekanan 1.84 bar. Mikrofiltrasi pada jus jeruk dapat menghilangkan limonin dan naringin dari dalam jus jeruk dengan tingkat pengurangan sebesar % untuk limonin dan % untuk naringin. Mikrofiltrasi menyebabkan penurunan kandungan vitamin C di dalam jus jeruk sebesar % dan total padatan terlarut sebesar %. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh penggunaan tekanan transmembran yang cukup tinggi. Kondisi terbaik operasi mikrofiltrasi jus jeruk dengan tingkat rejeksi limonin dan naringin tertinggi adalah pada tekanan membran 1.74 bar dan laju alir 0.08 m detik -1 selama 30 menit yang menghasilkan fluksi sebesar L m -2 jam -1. Nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model difusi Brownian pada pada kisaran laju geser detik -1 adalah sebesar 8.18 x x 10-7 m detik -1, jauh lebih rendah dari nilai fluksi hasil percobaan sebesar 1.18 x x 10-5 m detik -1 dengan perbedaan hampir 3 orde dan nilai mean square error 2.63 x Nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model self-diffusion sebesar 1.26 x x 10-6 m detik -1, lebih rendah dari nilai fluksi percobaan dengan perbedaan satu orde dan nilai mean square error sebesar 2.11 x Prediksi fluksi menggunakan model Zidney-Colton menghasilkan nilai fluksi sebesar 1.42 x x 10-5 m detik -1. Nilai ini sedikit lebih tinggi dari nilai fluksi hasil percobaan, tetapi hampir mendekati fluksi hasil percobaan dan masih dalam satu orde dengan nilai mean square error sebesar 1.53 x

4 Kesesuaian faktor-faktor utama yang mempengaruhi parameter operasi dalam penelitian ini dengan faktor-faktor berpengaruh yang telah ditetapkan di dalam model Zidney-Colton seperti sifat fluida, ukuran partikel, bentuk partikel, fraksi volume partikel, dan sistem aliran fluida menyebabkan nilai hasil percobaan lebih mendekati pola Zidney-Colton. Prediksi fluksi menggunakan model Davis-Sherwood menghasilkan nilai fluksi sebesar 8.11 x x 10-5 m detik -1. Nilai ini sedikit lebih rendah dari nilai fluksi hasil percobaan, tetapi masih dalam satu orde dengan nilai mean square error sebesar 2.37 x Hal ini kemungkinan disebabkan karena terdapat sedikit perbedaan karakteristik jus yang digunakan. Model Davis- Sherwood berlaku untuk partikel yang berukuran sama, mengabaikan interaksi antar partikel serta mengasumsikan bahwa suspensi bersifat Newtonian. Jus jeruk mengandung berbagai partikel dengan berbagai ukuran sehingga interaksi antar partikel tidak dapat diabaikan begitu saja. Selain itu, berdasarkan hasil percobaan diketahui bahwa jus jeruk merupakan fluida non-newtonian sehingga memiliki perilaku hidrodinamika yang berbeda dengan fluida Newtonian. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai fluksi percobaan lebih cenderung kepada nilai fluksi prediksi yang menggunakan model untuk suspensi, baik itu model Zidney-Colton maupun model Davis-Sherwood. Berdasarkan kecenderungan terhadap model-model tersebut, dapat disimpulkan bahwa jus jeruk merupakan suspensi. Kecenderungan perilaku fluksi pada mikrofiltrasi jus jeruk ke arah model untuk suspensi menunjukkan bahwa sifat suspensi sangat berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama mikrofiltrasi jus jeruk. Walaupun model self diffusion menggunakan dasar perhitungan koefisien difusi yang sama dengan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood, namun nilai fluksi prediksi model self diffusion cenderung lebih rendah daripada nilai fluksi prediksi menggunakan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood. Hal ini disebabkan oleh perbedaan pendekatan konsentrasi. Model self-diffusion menggunakan pendekatan konsentrasi berdasarkan kandungan senyawa limonin dan naringin, sedangkan model Zidney-Colton dan model Davis-Sherwood menggunakan pendekatan konsentrasi partikel. Dengan demikian, salah satu faktor yang berpengaruh dominan dalam mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk adalah konsentrasi partikel, bukan konsentrasi senyawa limonin dan naringin. Mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk sangat tergantung pada sifat jus. Model Zidney-Colton lebih sesuai untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk yang dipengaruhi oleh ukuran dan konsentrasi partikel di dalam larutan serta laju geser. Hal ini yang ditunjukkan oleh nilai mean square error model Zidney- Colton yang lebih kecil dibandingkan dengan model lainnya. Dengan demikian, mekanisme perpindahan massa pada mikrofiltrasi jus jeruk untuk penghilangan limonin serta naringin dapat dideskripsikan sebagai mekanisme perpindahan massa secara difusi yang dipacu oleh geseran (shear-induce diffusion). Nilai fluksi percobaan lebih mendekati nilai fluksi prediksi menggunakan model polarisasi konsentrasi Zidney-Colton untuk suspensi encer dibandingkan dengan model untuk suspensi pekat, dengan demikian jus jeruk dapat dikategorikan sebagai suspensi dengan sifat encer. Kata kunci : mikrofiltrasi, Citrus nobilis, limonin, naringin, suspensi, shear-induce diffusion

5 ABSTRACT FATMA AGHITSNI. Mass Transfer Model on the Microfiltration for Removing Limonin and Naringin from Siam Citrus Juice (Citrus nobilis L. var microcarpa). Supervised by ERLIZA NOOR and SETYADJIT. Bitterness in citrus juice primarily due to the presence of limonin and naringin. Using membrane technology is expected to remove the bitterness. The decreasing of flux is a general membrane problem. Understanding of mass transfer mechanisms, the decreasing of membrane performance could be controlled. The research aimed to remove limonin and naringin from Siam citrus juice by microfiltration, to get the best condition of operation of microfiltration i.e. higher permeate flux and rejection, and to predict mass transfer mechanisms on the microfiltration for removing limonin and naringin from Siam citrus juice. Raw material of the study was Siam citrus. The steps of the study were citrus juice characteristics, effect of transmembrane pressure and cross flow velocity on the permeate flux, rejection, quality of citrus juice, and mass transfer mechanism on the microfiltration of citrus juice according to the total recycle operation mode. Mass transfer mechanism was analyzed by comparing the experimental data with calculation data using thin film models of non-newtonian fluids based on non-dimensional analysis with Brownian diffusion and shearinduced diffusion approach, Zidney-Colton model, and Davis-Sherwood model. The results showed the fresh citrus juice is a non-newtonian fluid and a character of dilatant. The limiting flux reached at the transmembrane pressure of 1.84 bar. Optimum condition for microfiltration citrus juice at the transmembrane pressure of 1.74 bar and flow rate of 0.08 ms -1 for 30 minutes, with the permeate flux about L m -2 h -1. In these conditions, the microfiltration of citrus juice could remove limonin and naringin, respectively by % and %. The limonin rejection was higher than naringin because limonin is more hydrophobic so that adsorbed onto membrane surface easier. High transmembrane pressure application caused decreasing vitamin C and total soluble solids content in the permeate, respectively by % and %. Mass transfer mechanisms on the microfiltration of citrus juice strongly depend on citrus juice properties. Presence of particles in citrus juice caused increasing of shear rate on membrane wall, so that increase particle deposition rates from membrane surface. Mass transfer mechanisms on the microfiltration of citrus juice were affected by particle size, particle concentration, and shear rate as showed by close value of experimental data with Zidney-Colton model. Finally, the mass transfer mechanism on the microfiltration Siam citrus juice for removing limonin and naringin could be decribed as mass transfer mechanism by shear-induce diffusion and fresh citrus juice is a dilute suspension. Key words: microfiltration, orang juice, Citrus nobilis, limonin, naringin, shearinduce diffusion, suspension, dilatant.

6 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

7 MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA MIKROFILTRASI UNTUK PENGHILANGAN LIMONIN DAN NARINGIN DARI JUS JERUK SIAM (Citrus nobilis L. var microcarpa ) FATMA AGHITSNI Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008

8 Judul Tesis : Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) Nama : Fatma Aghitsni NIM : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Erliza Noor Ketua Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Irawadi Jamaran Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodipuro, M.S. Tanggal Ujian : 14 Mei 2008 Tanggal lulus :

9 PRAKATA Segala puji hanyalah milik Allah SWT semata yang telah memperkenankan penulis menyelesaikan penelitian dan menuangkan hasilnya dalam bentuk tesis yang berjudul Model Perpindahan Massa pada Mikrofiltrasi untuk Penghilangan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk Siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih yang mendalam kepada Ibu Dr. Ir. Erliza Noor dan Bapak Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc. selaku dosen pembimbing atas segala bimbingan, bantuan, dan motivasi baik berupa moril maupun materi yang telah diberikan selama penelitian dan penyusunan tesis. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr. Ir. Suprihatin atas kesediaan sebagai penguji luar komisi dan memberikan masukan yang sangat bermanfaat. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Dr. Ir. Irawadi Jamaran dan Dr. Ir. Ani Suryani selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknologi Industri Pertanian IPB yang telah banyak memberikan masukan dan bantuan demi kelancaran studi penulis. Juga ucapan terima kasih ditujukan kepada seluruh staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB yang telah memberi ilmu pengetahuan dan bimbingan kepada penulis selama menimba ilmu pengetahuan. Penghargaan dan ucapan terima kasih yang mendalam disampaikan kepada Pemerintah Kabupaten Sambas yang telah membiayai penulis selama melaksanakan tugas belajar di Sekolah Pascasarjana IPB. Penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Sekretariat Jenderal Penelitian dan Pengembangan Departemen Pertanian yang telah memberi dukungan finansial bagi pelaksanaan penelitian melalui Program Kerjasama Kemitraan Penelitian Pertanian dengan Perguruan Tinggi (KKP3T). Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Kepala Balai Besar Pasca Panen Litbang Deptan yang bersedia memfasilitasi penelitian ini dan kepada semua pihak yang telah banyak membantu demi kelancaran pelaksanaan penelitian, yaitu staf dan teknisi laboratorium di Departemen Teknologi Industri Pertanian dan Balai Besar Pasca Panen Litbang Deptan, rekan-rekan seperjuangan serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu atas bantuan, dorongan dan masukan yang bermanfaat. Ucapan terima kasih yang tulus untuk ibunda, ayahanda, dan suami tercinta, kedua anakku tersayang Izzatunnisa dan Nabilah, serta kakak-kakak dan adik-adik terkasih atas semangat, dorongan, pengertian, dan iringan doa yang tulus ikhlas kepada penulis selama menyelesaikan program S2 ini. Penulis berharap karya kecil ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak yang membutuhkan. Semoga dengan mengetahui sekelumit tentang mikrofiltrasi jus jeruk ini, akan menambah keimanan kita kepada Sang Khalik Yang Maha Mengetahui Segala Sesuatu. Bogor, Mei 2008 Fatma Aghitsni

10 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Sambas pada tanggal 28 Juni 1975 dari ayah Zoechni Muhsin dan ibu Kartini Andak. Penulis merupakan putri kelima dari enam bersaudara. Pada tahun 1993 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Pontianak dan pada tahun yang sama penulis diberi kesempatan untuk melanjutkan pendidikan di IPB melalui jalur USMI pada Jurusan Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian dan lulus tahun Pada tahun , penulis menjadi tenaga pendamping Program Proksidatani kerjasama IPB-Deptan- Depkop di Kabupaten Pandeglang. Sejak tahun 2000, penulis bekerja sebagai staf Dinas Perindustrian, Perdagangan, dan Koperasi Pemerintah Kabupaten Sambas. Pada tahun 2005, penulis mendapat beasiswa dari Pemerintah Kabupaten Sambas untuk melanjutkan pendidikan S2 pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian di perguruan tinggi yang sama.

11 x DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xv 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Identifikasi Masalah Tujuan Penelitian Ruang Lingkup Hipotesis TINJAUAN PUSTAKA Limonin dan Naringin Parameter Kualitas Sari Buah Jeruk Reologi Aplikasi Membran pada Industri Minuman Kinerja Membran, Polarisasi Konsentrasi dan Fenomena Perpindahan Massa Model Perpindahan Massa (Teori Film) BAHAN DAN METODE Bahan dan Peralatan Metode Penelitian Penelitian Pendahuluan Penelitian Utama Pengujian Model HASIL DAN PEMBAHASAN 4 1 Pemisahan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk dengan Mikrofiltrasi Penyaringan awal Densitas dan sifat reologi jus Penentuan fluksi air Waktu tunak Profil rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi dan rejeksi Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus dan rejeksi Kualitas jus jeruk hasil mikrofiltrasi Efisiensi pencucian Pengujian Model Model thin film untuk fluida non-newtonian berdasarkan nilai koefisien perpindahan massa (k) yang dihitung menggunakan persamaan difusi Brownian Navier- Stokes (D bdn ) Model thin film untuk fluida non-newtonian berdasarkan nilai koefisien perpindahan massa (k) yang dihitung menggunakan persamaan self diffusion Eckstein (D sdn ) Model polarisasi konsentrasi (shear-induce diffusion ) Zidney- Colton Model shear-induce diffusion Davis Sherwood Analisis sifat jus x

12 xi DAFTAR ISI Halaman 5 KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

13 xii DAFTAR TABEL Halaman 1 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA Ringkasan hasil penelitian aplikasi membran pada jus Ringkasan hasil penelitian pengembangan teori dan model semi empiris untuk memprediksi fluksi Persentase berat bagian-bagian buah Pengurangan jumlah partikel pada hasil penyaringan berseri dan membran milipore 0.45 µm dibandingkan dengan hasil penyaringan 65 mesh Perubahan ph, vitamin C, total padatan terlarut, total asam, konsentrasi limonin dan naringin selama penyaringan awal Hasil analisa komponen kimia mayor pada jus jeruk Konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat dan retentat pada berbagai tekanan transmembran Konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat dan retentat pada berbagai laju alir Nilai k non-newtonian (k bdn ) pada berbagai laju alir Nilai D sdn dan k sdn pada berbagai laju alir Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan berbagai model dengan nilai fluksi hasil percobaan...67 xii

14 xiii DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Struktur limonin Perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat pertambahan waktu dan suhu Struktur molekul naringin Reogram untuk beberapa tipe fluida Tahapan di dalam proses membran Skema polarisasi konsentrasi dan fouling Rangkaian membran mikrofiltrasi Diagram alir proses pembuatan jus jeruk Pengukuran fluksi permeat dan retentat Skema proses mikrofiltrasi jus jeruk Diagram alir tahapan penelitian utama Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 65 mesh Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 150 mesh Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 200 mesh Partikel jus hasil penyaringan dengan membran milipore berukuran 0.45 µm Pengaruh laju geser terhadap viskositas jus Pengaruh laju geser terhadap tegangan geser Fluksi air selama proses mikrofiltrasi Fluksi jus selama proses filtrasi Perubahan konsentrasi limonin dalam permeat selama mikrofiltrasi Perubahan konsentrasi naringin dalam permeat selama mikrofiltrasi Rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin selama mikrofiltrasi pada TMP =1.28 bar dan v = 0.06 m dtk Jus hasil mikrofiltrasi Pengamatan dengan mikroskop terhadap permeat hasil mikrofiltrasi yang diresirkulasi Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada berbagai tekanan transmembran pada v=0.06 m dtk Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi jus Pengaruh tekanan transmembran terhadap rejeksi membran Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus pada berbagai tekanan trans membran Pengaruh laju alir terhadap rejeksi membran...54 xiii

15 xiv DAFTAR GAMBAR Halaman 30 Penurunan kinerja membran mikrofiltrasi Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model thin film untuk fluida non-newtonian berdasarkan koefisien difusi Brownian dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan model thin film untuk fluida non-newtonian berdasarkan koefisien self-diffusion dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi kedua model non-newtonian dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Zidney-Colton dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Davis-Sherwood dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi menggunakan berbagai model dengan nilai fluksi hasil percobaan Perbandingan nilai fluksi hasil prediksi model Zidney-Colton untuk suspensi pekat dan suspensi encer dengan nilai fluksi hasil percobaan..70 xiv

16 xv DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Prosedur analisa Kurva standar limonin Kurva standar naringin Viskositas jus jeruk pada berbagai laju geser Fluksi air selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.26 bar dan laju alir = 0.13 m dtk Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.22 bar dan laju alir = 0.09 m dtk Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada TMP = 1.35 bar dan laju alir = 0.06 m dtk Perubahan konsentrasi limonin di dalam permeat selama mikrofiltrasi Perubahan konsentrasi naringin di dalam permeat selama mikrofiltrasi Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada berbagai tekanan transmembran Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi pada v = 0.08 m dtk Pengaruh laju alir terhadap fluksi jus Perubahan fluksi air setelah dilakukan pencucian Perhitungan fraksi volume partikel yang dihitung berdasarkan persamaan fraksi massa Perhitungan nilai k bdn dan fluksi menggunakan model thin film untuk fluida non-newtonian Perhitungan nilai k sdn dan fluksi menggunakan model thin film untuk fluida non-newtonian Perhitungan fluksi menggunakan model Zidney-Colton untuk suspensi encer Perhitungan fluksi menggunakan model Davis-Sherwood Perhitungan fluksi menggunakan model Zidney-Colton untuk suspensi pekat Penurunan persamaan koefisien perpindahan massa (k) berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi Penurunan model polarisasi Zidney-Colton Penurunan model Davis-Sherwood xv

17 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Jeruk siam (Citrus nobilis L. var microcarpa) merupakan salah satu jenis jeruk yang saat ini banyak dibudidayakan. Industri hilir yang bergerak di bidang pengolahan jeruk belum banyak ditemukan di Indonesia, sehingga perlu dikembangkan untuk menyerap kelebihan produksi dan memanfaatkan jeruk yang berkualitas rendah. Salah satu produk olahan jeruk yang memiliki peluang cukup baik dikembangkan adalah jus. Jus jeruk siam seringkali memiliki rasa pahit (bitterness) yang kurang disukai konsumen. Hal ini menjadi menjadi kendala bagi industri yang memproduksi jus jeruk secara komersial. Dengan demikian, proses pemisahan limonin dan naringin sangat diperlukan agar produk jus jeruk dapat diterima di pasaran. Menurut Chandler dan Kefford (1966) serta Maier (1977) rasa pahit dalam jus jeruk disebabkan oleh senyawa limonoid terutama limonin dan senyawa flavonoid terutama naringin. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Setyadjit et al. (2006) terhadap beberapa varietas jeruk yang beredar di Indonesia, konsentrasi limonin tertinggi terdapat pada jeruk nipis, yaitu µg ml -1. Jeruk Pontianak menempati tempat kedua, yaitu µg ml -1, kemudian jeruk Medan 4.30 µg ml -1, jeruk Argentina 3.13 µg ml -1, sedangkan pada jeruk Sunkist tidak ditemukan kandungan limonin. Walaupun menjadi kendala bagi industri pengolahan jeruk, senyawa limonin dan naringin ternyata memiliki manfaat yang besar bagi kesehatan. Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa limonin berpotensi mencegah penyakit degeneratif seperti kanker, sedangkan vitamin C dan flavonoid di dalam jus jeruk berfungsi sebagai antioksidan (Jacob et al. 2000). Sebagai antioksidan dan antikanker, produk ini dapat dimanfaatkan sebagai produk samping (by product) karena kedua senyawa tersebut memiliki harga yang tinggi yaitu sebesar US$ 93.2 untuk 5 mg limonin murni, dan US$ 83.4 untuk 100 g naringin murni (SIGMA 2004). Secara komersial, limonin dijual dengan tingkat kemurnian 75% ± 5% (SIGMA 2007). Teknik pemisahan limonin dan naringin dari jus jeruk umumnya dilakukan melalui proses pemisahan fisik seperti presipitasi, adsorpsi, dan pertukaran ion, secara kimia dengan proses ekstraksi pelarut, secara biologi dengan proses enzimatis dan hidrolisis. Selain memerlukan tambahan biaya yang cukup tinggi,

18 2 penggunaan teknik-teknik tersebut dapat menyebabkan sebagian komponen yang bermanfaat akan hilang seperti flavor dan warna (Chen & Chen 1998). Hal ini dapat berdampak pada penurunan kualitas produk sehingga kurang menguntungkan jika dikembangkan dalam skala industri. Salah satu teknik pemisahan yang sekarang mulai banyak dikembangkan yaitu menggunakan membran. Pemilihan teknologi membran untuk pengolahan produk agroindustri merupakan suatu alternatif yang baik karena aplikasinya tidak memerlukan suhu tinggi, sehingga diharapkan dapat mempertahankan kualitas dan kestabilan produk seperti nilai nutrisi dan flavor produk. Pemanfaatan membran untuk industri makanan dan minuman khususnya jus buah-buahan akhir-akhir ini sudah mulai dikembangkan antara lain mikrofiltrasi untuk penjernihan jus ceri (Casani & Jorgensen 2000) dan jus jeruk orange (Venturini et al. 2003; Cisse et al. 2005). Selain mikrofiltrasi, ultrafiltrasi terhadap jus buah-buahan juga telah banyak dilakukan dengan tujuan klarifikasi antara lain jus apel (Bruijn et al. 2002), jus wortel (Cassano et al. 2003), jus blood orange (Cassano et al. 2007b), dan untuk memproduksi jus buah kiwi yang bernutrisi tinggi (Cassano et al. 2006; Cassano et al. 2007a). Aplikasi teknik mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dalam industri jus jeruk umumnya bertujuan untuk menghilangkan padatan tersuspensi, serta depektinasi. Belum ada literatur yang melaporkan keberhasilan penggunaan teknik ini untuk penghilangan rasa pahit. Pada proses penghilangan rasa pahit, umumnya mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi digabungkan dengan teknik pemisahan lainnya dan digunakan sebagai perlakuan awal seperti yang dilakukan oleh Hernandez et al. (1992a; 1992b). Pada proses filtrasi membran, rejeksi terhadap komponen yang ingin dipisahkan (pengotor) berkaitan erat dengan mekanisme pemisahan yang terjadi saat proses filtrasi berlangsung. Molecular weight cut off (MWCO) yang umum digunakan untuk merepresentasikan karakteristik rejeksi dari membran berdasarkan ukuran pori seringkali tidak berpengaruh signifikan terhadap tingkat rejeksi (Jonsson 1986; Rai et al. 2006a). Ada mekanisme lain yang terjadi selama proses filtrasi sehingga komponen pengotor dengan berat molekul yang jauh lebih kecil dari ukuran pori membran dapat tertahan. Mekanisme tersebut umumnya direpresentasikan dalam bentuk mekanisme perpindahan massa. Dalam aplikasi industri, selain mengharapkan tingkat rejeksi yang tinggi, proses filtrasi membran juga diharapkan menghasilkan fluksi yang tinggi. Salah

19 3 satu kendala aplikasi teknologi membran secara komersial adalah penurunan fluksi permeat. Polarisasi konsentrasi dan fouling adalah dua fenomena umum yang menyebabkan penurunan fluksi dan berimplikasi pada penurunan kinerja membran. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mempelajari penurunan kinerja membran pada filtrasi jus jeruk. Rai et al. (2006b) menggunakan model resistansi seri untuk mempelajari fouling pada proses ultrafiltrasi jus jeruk manis dan Cassano et al. (2007b) mempelajari mekanisme fouling pada ultrafiltrasi jus blood orange. Analisis penurunan kinerja terutama difokuskan pada mekanisme fouling. Hasil analisis belum menggambarkan mekanisme utama yang sebenarnya terjadi pada proses filtrasi sehingga belum dapat memberikan solusi yang jelas untuk mengatasi penurunan kinerja membran. Penurunan kinerja membran dapat dikendalikan apabila mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi dipahami. Menurut Belfort (1994), pemahaman terhadap perilaku larutan selama proses filtrasi tidak hanya untuk mengurangi polarisasi konsentrasi dan fouling, tetapi juga bermanfaat dalam pengembangan mode operasi yang lebih baik dan kemungkinan untuk lebih mengefisienkan elemen-elemen membran. Model yang umum digunakan untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi membran adalah model thin film (Cheryan 1998). Salah satu pelopor modifikasi teori film yang hasil penelitiannya banyak dijadikan acuan adalah Shen dan Probstein (1977). Shen dan Probstein (1977) menghasilkan model untuk memprediksi fluksi pada ultrafiltrasi makromolekul dan bersifat Newtonian. Namun demikian, ketika model ini diaplikasikan pada umpan dengan sifat fluida yang berbeda, perilaku fluksi yang dihasilkan menjadi berbeda juga (nilai prediksi lebih tinggi atau lebih rendah dari nilai percobaan) sehingga tidak dapat menggambarkan fenomena sebenarnya. Kesalahan dalam memprediksi fluksi terutama disebabkan oleh keterbatasan pendekatan yang digunakan. Oleh karena itu, pada dua puluh tahun terakhir modifikasi teori film berkembang cukup pesat dengan pendekatan berdasarkan sifat dan karakteristik fluida yang digunakan seperti Newtonian, non-newtonian, makromolekul, suspensi, atau larutan dengan partikel besar serta konsentrasi pekat atau encer. Beberapa modifikasi teori film dengan pendekatan sifat dan karakteristik bahan dilakukan untuk menyempurnakan teori sebelumnya seperti untuk suspensi (Zidney & Colton 1986; Davis & Birdsell 1987; Davis & Leighton 1987; Romero

20 4 & Davis 1990; Davis & Sherwood 1990) dan untuk makromolekul (Trettin & Doshi 1980, Song & Elimelech 1995b; Pritchard et al. 1995; Charcosset & Choplin 1996). Dengan demikian, pengetahuan tentang sifat dan karakteristik umpan diperlukan untuk menentukan model mana yang cocok digunakan sehingga dapat menggambarkan mekanisme perpindahan massa yang sebenarnya. Deposisi zat terlarut atau partikel pada permukaan membran atau di dalam pori membran terjadi ketika permeasi relatif lebih tinggi daripada variasi mekanisme perpindahan balik. Peristiwa ini seringkali terjadi pada mikrofiltrasi koloid dan partikel yang memiliki koefisien difusi rendah (Belfort et al. (1994). Dengan demikian dapat difahami bahwa mekanisme perpindahan balik massa bervariasi tergantung pada koefisien difusi zat terlarut. Mekanisme perpindahan massa pada filtrasi jus jeruk kemungkinan menunjukkan perilaku tertentu berdasarkan sifat alaminya dengan kandungan berbagai macam partikel terlarut serta tak terlarut dan sampai saat ini belum ditemukan referensi yang memuat hal tersebut. Beberapa penelitian secara teori memfokuskan pada variasi mekanisme perpindahan massa yang diakibatkan oleh variasi pergerakan partikel karena pengaruh geseran, sehingga menghasilkan model yang berbeda untuk memprediksi fluksi. Pergerakan partikel terjadi antara lain karena difusi Brownian dan difusi yang dipacu oleh geseran (shear-induced diffusion). Berdasarkan uraian di atas, untuk memperkirakan mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses filtrasi jus jeruk, pada penelitian ini digunakan beberapa model thin film yang dikembangkan berdasarkan beberapa pendekatan, yaitu berdasarkan analisis bilangan tak berdimensi yang difokuskan pada efek difusi Brownian serta difusi yang dipacu oleh geseran dan berdasarkan pertimbangan sifat bahan (makromolekul dan suspensi). Dengan mempertimbangkan sifat bahan, maka pada hasil akhir diharapkan dapat diketahui sifat jus jeruk yang sebenarnya, apakah merupakan suspensi (pekat atau encer) atau makromolekul Identifikasi Masalah Proses filtrasi membran diharapkan menghasilkan rejeksi yang tinggi terhadap senyawa limonin dan naringin pada jus jeruk serta fluksi yang tinggi. Karena itu perlu diketahui faktor-faktor dominan yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk.

21 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Menghilangkan limonin dan naringin dari jus jeruk siam menggunakan mikrofiltrasi. 2. Memperoleh kondisi operasi mikrofiltrasi terbaik meliputi tekanan transmembran dan laju alir umpan yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tinggi. 3. Memprediksi mekanisme perpindahan massa yang terjadi selama proses mikrofiltrasi jus jeruk siam Ruang Lingkup Penelitian menggunakan bahan baku jeruk siam Pontianak (Citrus nobilis L var microcarpa). Penelitian ini terdiri dari dua tahap, yaitu penelitian pendahuluan dan penelitian utama. Penelitian pendahuluan meliputi karakterisasi sifat fisikokimia (densitas, viskositas, sifat reologi serta komposisi kimia) jus jeruk, penentuan tahanan membran awal, serta penentuan kondisi tunak yang meliputi waktu dan tekanan transmembran operasi. Penelitian utama meliputi penghilangan limonin dan naringin menggunakan membran polipropilena berukuran pori 0.1 µm dengan luas area 1 m 2 dan modul mikrofiltrasi hollow fiber. Parameter operasi yang dilihat adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir umpan terhadap fluksi, rejeksi dan kualitas jus jeruk yang diamati meliputi : total padatan terlarut (ºBrix), total asam, rasio Brix/asam, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin, dan konsentrasi naringin. Selanjutnya dilakukan prediksi penurunan fluksi menggunakan beberapa model matematik yang dianalisis berdasarkan mekanisme perpindahan massa Hipotesis Hipotesis yang diajukan dalam penelitian ini adalah : 1. Mikrofiltrasi dapat mengurangi kandungan limonin dan naringin di dalam jus jeruk 2. Mekanisme perpindahan massa yang terjadi pada proses mikrofiltrasi jus jeruk dipengaruhi oleh sifat jus jeruk.

22 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Limonin dan Naringin Limonin (Limonoic Acid 3,19:16,17-dilactone) (Gambar 1) adalah senyawa limonoid dengan rumus molekul : C 26 H 30 O 8 memiliki berat molekul Da, titik didih 280 ºC. Bersifat tidak larut dalam air dan kelarutannya dalam air dapat meningkat karena adanya gula dan pektin. Limonin larut dalam acetonitrile, asam asetat glasial, dan kloroform. Senyawa dengan bentuk kristal berwarna putih kekuningan ini ditemukan pada semua spesies jeruk, dengan kandungan tertinggi terdapat pada biji (Mozaffar et al. 2000). Gambar 1 Struktur molekul limonin (Khalil et.al. 2003). Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa limonin mengandung satu gugus epoksida, satu cincin furan, dua cincin lakton, dan satu cincin yang beranggotakan 5 gugus eter. Limonin terbentuk pada proses ekstraksi jus jeruk sebagai hasil esterifikasi senyawa limonoid acid A-ring lactone. Proses esterifikasi ini dikatalisasi oleh asam dan dipengaruhi oleh aktivitas enzim. Adanya penambahan panas selama proses pasteurisasi dan evaporasi akan mempercepat reaksi esterifikasi (Mozaffar et al. 2000). Gambar 2 memperlihatkan perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat bertambahnya waktu dan suhu. Derajat rasa pahit jus jeruk tergantung pada kandungan limonin di dalam jus. Menurut Chandler dan Kefford (1966), pada jus jeruk navel, kandungan limonin kurang dari 6 ppm terasa tidak pahit, 9 ppm terasa pahit, ppm terasa sangat pahit. Tetapi menurut Puri (1984) dan Mozaffar (1998), pada

23 kandungan limonin yang rendah yaitu ± 6 ppm, rasa pahit sudah dapat terdeteksi dan berakibat pada penurunan kualitas jus jeruk. 7 Gambar 2 Perubahan limonoic acid menjadi limonin akibat bertambahnya waktu dan suhu (Anonim 2006). Menurut Khalil et al. (2003), beberapa senyawa limonoid yang diekstraksi dari biji jeruk dapat menghambat metabolisme mikroorganisme patogen. Limonin dan beberapa turunan limonoid lainnya bermanfaat sebagai antijamur (Candida albicans, Cryptococcus neoformans), sebagai anti bakteri (Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa dan Bacillus subtilis), serta dapat menghambat aktivitas Plasmodium falciparum (klon D6) dan P. falciparum (klon W2). Hasil penelitian Jitpukdeebodintra (2005) menunjukkan bahwa limonin dapat menstimulasi pembentukan antibodi spesifik yang dibuktikan oleh meningkatnya antibodi tikus secara signifikan setelah diinjeksi dengan limonin sebanyak 200 ppm. Naringin (C 27 H 32 O 14 ) (Gambar 3) merupakan senyawa flavonoid dengan berat molekul 580 Da, titik lebur 171 C, tidak dapat larut dalam air tetapi larut dalam aseton, alkohol, serta asam asetat hangat. Naringin tersusun dari satu grup flavonoid yang menyertakan satu disakarida (glukosa dan ramnosa). Naringin merupakan salah satu jenis flavonoid utama yang menyebabkan rasa pahit di dalam jeruk. Flavonoid lainnya adalah hesperidin, namun tidak menimbulkan rasa pahit (Kimball 1999; Mozaffar et al. 2000). Naringin juga diketahui dapat memberikan manfaat kesehatan. Naringin dapat menurunkan plasma-kolesterol dan mengatur kapasitas antioksidan pada kasus hiperkolesterol (Jung et al. 2003; Kurowska et al. 2000). Selain itu, naringin juga digunakan dalam terapi bagi pasien penderita diabetes (Brickley 1959) dan dapat mencegah kanker (Birt et al. 2001).

24 8 Gambar 3 Struktur molekul naringin (Gonzalez et al. 2002) Parameter Kualitas Jus Jeruk Beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas jus jeruk antara lain padatan terlarut, keasaman, rasio brix/asam, warna jus, kadar senyawa penyebab rasa pahit yang rendah, dan memiliki flavor yang bagus (USDA 1983). Untuk produk ekspor, umumnya industri pengolahan jeruk mengacu pada beberapa standar internasional, seperti standar USDA. Standar kualitas jus jeruk yang dipasteurisasi berdasarkan USDA disajikan pada Tabel 1. Tabel 1 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983) Faktor kualitas Grade A Grade B Analisis Tanpa penambahan gula Penambahan gula Tanpa penambahan gula Penambahan gula Brix : minimum Padatan terlarut terutama pemanis Rasio brix / asam min max min max min max min max California/arizona 11. 5: : : : : : : : 1 Dari luar California/Arizona 12.5 : : : : : : : : 1 Brix umumnya digunakan dalam industri jeruk untuk mengukur total padatan terlarut di dalam jus atau konsentrat. Padatan terlarut di dalam jus jeruk yang utama adalah gula (sukrosa, fruktosa dan glukosa). Keasaman adalah ukuran total asam yang ada di dalam jus. Jenis asam yang dominan di dalam jus

25 9 jeruk adalah asam sitrat. Jumlah asam yang ada di dalam jus dilaporkan sebagai persen asam sitrat anhidrat. Rasio Brix/asam berarti rasio Brix dari jus dengan gram asam sitrat anhidrat per 100 gram jus (USDA 1983), sehingga persamaannya menjadi, Brix Rasio Brix / Asam = (1) % Asam 2.3. Reologi Isaac Newton mengklasifikasikan fluida ke dalam dua tipe, yaitu Newtonian dan non-newtonian. Fluida Newtonian adalah fluida yang memenuhi hukum Newton tentang viskositas dimana antara laju geser dan tegangan geser berhubungan secara linier. Fluida yang tidak mengikuti perilaku aliran Newtonian dinamakan fluida non-newtonian. Sifat aliran fluida non-newtonian dipengaruhi oleh laju geser (Patil & Magdum 2006; Rao 1995). Perilaku aliran fluida non-newtonian biasanya digambarkan dengan persamaan hukum pangkat atau power law equation yang dinamakan persamaan Ostwald-de Waele : n τ = Kγ (2) untuk mendapatkan apparent viscosity (µ a ), maka persamaannya menjadi : n 1 μ a = Kγ (3) dimana : K dan n masing-masing adalah indeks konsistensi dan indeks perilaku aliran. Berdasarkan perilaku aliran, fluida yang bersifat non-newtonian dapat dibagi dalam 2 kategori, yaitu tidak tergantung waktu (time-independent) dan yang tergantung waktu (time-dependent). Perilaku aliran yang tidak tergantung waktu dapat dibagi dalam shear thinning (pseudoplastic) dan shear thickening (dilatant), tergantung pada nilai apparent viscosity terhadap laju geser (Rao 1995). Perry dan Green (1999) menggambarkan beberapa tipe fluida dalam bentuk reogram sebagaimana yang terlihat pada Gambar 4. Fluida bersifat dilatan jika terjadi peningkatan viskositas karena laju geser. Perilaku dilatan ini jarang ditemukan dan diteliti. Sifat ini tergantung pada fraksi volume, distribusi ukuran partikel, dan viskositas fluida yang tersuspensi. Peningkatan viskositas suspensi sangat tergantung pada bentuk serta ukuran

26 partikel dan akan meningkat dengan cepat karena pembentukan agregat (Carreau et al. 1999). 10 Gambar 4 Reogram untuk beberapa tipe fluida (Perry & Green 1999). Menurut Morrison dan Ross (2002), suspensi umumnya merupakan fluida Newtonian sampai tercapai laju geser yang tinggi dimana pada kondisi geseran tinggi sekelompok partikel menunjukkan sifat dilatan. Partikel tidak akan menunjukkan perilaku dilatan sampai tercapai kondisi close packing limit pada fraksi volume 60-70%. Sifat reologi beberapa produk olahan jeruk telah diteliti, jus jeruk jenis orange yang sudah diklarifikasi dan dihilangkan pektinnya pada selang suhu 5 70 ºC dan konsentrasi ºBrix bersifat Newtonian (Ibarz et al. 1994). Produk olahan lainnya yaitu konsentrat jeruk menurut Rouse (1977) dan Kimball (1999) memiliki sifat pseudoplastis Aplikasi Membran pada Industri Pangan Aplikasi membran pada industri pangan terutama bertujuan untuk pemekatan atau penghilangan suatu komponen dalam produk pangan. Pemanfaatan teknologi membran pada industri pangan sangat dimungkinkan karena proses membran tidak menggunakan suhu tinggi sehingga sangat baik bagi produk pangan yang sensitif terhadap perubahan suhu (Liu 2005). Salah satu industri pangan yang menggunakan filtrasi membran adalah industri jus. Aplikasi membran filtrasi terutama bertujuan untuk klarifikasi dan konsentrasi. Mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi merupakan proses membran yang banyak digunakan. Menurut Mans (2006), beberapa sistem ultrafiltrasi telah digunakan untuk menjernihkan jus apel, pir, persik, cranberries, dan anggur.

27 11 Penelitian tentang pemurnian jus dengan menggunakan membran telah dilakukan sejak beberapa dekade yang lalu dan sampai sekarang masih dikembangkan. Pada Tabel 2 dapat dilihat beberapa hasil penelitian terdahulu tentang aplikasi filtrasi membran berbahan baku jus. Tabel 2 Ringkasan hasil penelitian aplikasi membran pada jus Referensi Chamchong & Noomhorm (1991) Venturini et al. (2003) Proses Membran Bahan baku MF Jus jeruk tangerine Jenis dan geometri membran - polisulfon - flat sheet - 25 kda, 50 kda, 100kDa, 0.1&0.2µm - A : 14 cm 2 MF Jus jeruk - keramik - tubular - 0.1, 0.2, 0.8 &1.4 µm - d : 8 mm - L : 0.2 m - A : m 2 Kondisi operasi - TMP : bar - v : m dtk -1 - T : 25 C - perlakuan awal umpan: * penambahan poligalakturo nase * penyesuaian ph menjadi 2 TMP : bar Fluksi yang dihasilkan - Fluksi maksimum : 69 Lm -2 jam -1 pada: * pori 0.1 μm * TMP : 1.94 bar * v : 3.5 m dtk Lm -2 jam -1 Hasil-hasil lainnya Kendala operasi - polarisasi konsentrasi dan fouling terjadi pada tekanan tinggi dan laju alir rendah - TMP limit :1.5 bar (0.8 µm), 2 bar ( 1.4 µm), 2.4 bar (0.1 µm) - tidak ada perubahan total padatan terlarut, pulp, ph, total asam - kehilangan vitamin C : 28 % - peningkatan suhu meningkatkan fluksi penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi dan fouling Cisse et al. (2005) MF Jus jeruk Valencia - keramik - tubular µm - A : 0.22 m 2 - TMP : 4 bar - v : 7 m dtk -1 - T : 20 ±2 C - t : 10 jam 62 Lm -2 jam -1 - tidak ada perubahan vitamin C, total asam, konsentrasi gula, aroma - total padatan terlarut di retentat lebih besar daripada di permeat - padatan tersuspensi, senyawa terpen, karotenoid tertahan Hernandez et al. (1992a) UF Jus Jeruk Grapefruit - polisulfon - hollow fiber Da - d : 0.75 mm - A : 4.68 m 2 TMP : 1.03 bar T : 25 C - - padatan tersuspensi, pektin dan sebagian senyawa aroma terejeksi - alkohol, ester, aldehida lolos - total padatan terlarut tidak berubah penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi Hernandez et al. (1992b) UF Jus Jeruk Grapefruit - polisulfon - hollow fiber Da - d : 0.75 mm - A : 4.68 m 2 TMP : bar Lm -2 jam -1 TMP optimum : 1.38 bar penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi

28 12 Tabel 2 Lanjutan Referensi Proses Membran Bahan baku Jenis dan geometri membran Kondisi operasi Fluksi yang dihasilkan Hasil-hasil lainnya Kendala operasi Capanelli et al. (1994) UF Jus jeruk - PVDF - 15 kda & 80 kda - tubular - d : 25 mm - L : 1500 mm - A : 4.68 m 2 - TMP : bar - v : m dtk -1 - T : 40 ±1 C ± Lm -2 jam -1 - TMP limit : 2 bar - pektin dan pulp terdeposit di membran penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi - keramik µm - tubular - d : 4 mm - L : 0.85 m - A : 4.68 m 2 - TMP : bar - v : m dtk -1 - T : 40 ±1 C ± Lm -2 jam -1 - kinerja membran lebih tinggi dibandingkan dengan PVDF pada laju alir rendah Casani dan Jorgensen (2000) MF Jus ceri - Hollow fiber & 0.5 µm - A : 0.23 m 2 - TMP : bar - v : 0.5 m dtk -1 (retentat) - T : 3-5 C - batch Lm -2 jam -1 penyumbatan pori bukan disebabkan oleh konsentrasi umpan ( Brix), tetapi oleh jumlah jus yang melewati membran - Keramik µm - A :52.6 m 2 - TMP : bar 236 Lm -2 jam -1 - mikrofiltrasi tidak mempengaruhi warna, kandungan gula dan total fenol - Bruijn et al. (2002) UF Jus apel - keramik - 15 kda & 50 kda - tubular - d : 3 mm - L : 1200 mm - A : m 2 - TMP : bar - v : 2 & 7 m dtk -1 - Suhu : C - resirkulasi - umpan : 25 L penurunan fluksi terutama diakibatkan oleh fouling. Kondisi optimum untuk meminimisasi fouling : tekanan trasmembran rendah dan laju alir tinggi Cassano et al. (2003) UF Jus blood orang e & wortel - PVDF - Tubular Da - A : 0.23 m 2 - TMP : 1.03 bar - v : 0.14 m dtk -1 - T : 23.5 C - resirkulasi - tangki : 25 L Wortel : 25 Lm -2 jam -1 - peningkatan suhu umpan meningkatkan fluksi - peningkatan laju alir meningkatkan fluksi penurunan fluksi akibat fouling - TMP : 0.87 bar - v : 0.14 m dtk -1 - Suhu : 25 C - batch Jeruk : 20 Lm -2 jam -1 Wortel : 15 Lm -2 jam -1 Cassano et al. (2006) UF Jus buah kiwi - PVDF Da - tubular - A : 0.23 m 2 - TMP : 0.85 bar - Q : L jam -1 - T : 20 C - resirkulasi TMP limit :0.8 bar Lm -2 jam -1 - TMP : 0.85 bar - Q: 800 L jam -1 - T : 25 C - batch Fluksi menurun dari 15 Lm -2 jam -1 menjadi 7 Lm -2 jam -1 - seluruh padatan tersuspensi tertahan - kehilangan vitamin C :0.5 % % senyawa ester tertahan - rejeksi rendah terhadap senyawa polar seperti alkohol penurunan fluksi yang berangsurangsur selama waktu operasi karena polarisasi konsentrasi dan pembentukan cake.

29 13 Tabel 2 Lanjutan Referensi Proses Membran Bahan baku Jenis dan geometri membran Kondisi operasi Fluksi yang dihasilkan Hasil-hasil lainnya Kendala operasi Cassano et al. (2007a) UF Jus buah kiwi - PVDF Da - tubular - d : 12.7 mm - L : 1500 mm - A : 0.23 m 2 - TMP : 0.9 bar - Q: L jam -1 - T : C - batch - TMP limit :0.9 bar - klarifikasi berhasil mengurangi jumlah padatan tersuspensi dan turbiditas - kehilangan vitamin C : 16 % - lapisan cake dan fouling ireversibel berkontribusi terhadap tahanan total - kontribusi fouling reversibel terhadap total tahanan : 29.4% Cassano et al. (2007b) UF Jus blood orange - PVDF Da - tubular - d : 12.7 mm - L : 1500 mm - A : 0.23 m 2 - TMP : 0.85 bar - Q: 800 L jam -1 - T : 25 C - batch Fluksi menurun dari 11 Lm -2 jam -1 menjadi 9 Lm -2 jam -1 - TMP limit :0.8 bar - peningkatan suhu umpan dari 21 C menjadi 25 C meningkatkan fluksi permeat sebesar 12% - kehilangan vitamin C : 8.41 % - rejeksi antosianin: 9.4% - senyawa flavonon lolos penurunan fluksi yang berangsurangsur selama waktu operasi karena pembentukan lapisan fouling oleh partikel tersuspensi dan ketakmurnian makromolekul yang teradsorb. Keterangan : TMP : tekanan transmemban v : laju alir L : panjang membran T : suhu Q : debit d : diameter membran Dari beberapa hasil penelitian di atas dapat diketahui bahwa parameter operasi seperti tekanan, laju alir, dan suhu mempengaruhi fluksi yang dihasilkan. Berdasarkan perbandingan hasil penelitian Venturini et al. (2003), Cassano et al. (2006), Cassano et al. (2007a), dan Cassano et al. (2007b), kehilangan vitamin C yang lebih besar terjadi pada tekanan yang lebih tinggi. Peningkatan laju alir dan suhu menyebabkan peningkatan fluksi. Mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi umumnya dapat merejeksi padatan tersuspensi dan pektin. Kendala utama operasi umumnya disebabkan oleh polarisasi konsentrasi yang membentuk lapisan cake dan fouling. Perbedaan bahan baku yang digunakan dengan parameter operasi yang sama mengakibatkan perbedaan fluksi yang dihasilkan

30 14 sebagaimana hasil penelitian Cassano et al. (2003). Hal ini kemungkinan disebabkan karena perbedaan sifat bahan seperti kandungan padatan tersuspensi dan padatan terlarut. Perbedaan kandungan padatan berpengaruh terhadap pembentukan lapisan cake yang terpolarisasi, sehingga dapat menghasilkan fluksi yang berbeda pula Kinerja Membran, Polarisasi Konsentrasi dan Fenomena Perpindahan Massa Ada dua parameter penting yang berpengaruh terhadap kinerja membran, yaitu fluksi permeat dan rejeksi membran (Cheng & Wu 2001). Berdasarkan data eksperimen, fluksi dapat dihitung secara volumetrik dengan menggunakan persamaan (4) : 1 dv J v = ( 4) A dt dimana : J v = volume fluksi (L m -2 jam -1 ) A = luas permukaan membran (m 2 ). dt = waktu (jam) dv = volume permeat (L) (Konieczny & Rafa 2000 ; Bhattacharjee et al. 2003). Menurut Cheryan (1998), parameter operasi utama yang mempengaruhi fluksi, yaitu : tekanan, konsentrasi umpan, suhu, turbulensi di dalam saluran umpan. Pengaruh tekanan terhadap fluksi permeat dari jus jeruk telah diteliti oleh Hernandez et al. (1992b). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa fluksi permeat meningkat seiring dengan peningkatan tekanan transmembran. Peningkatan fluksi berangsur-angsur berkurang dengan peningkatan tekanan dan mencapai suatu titik dimana fluksi menjadi konstan. Pada kondisi ini peningkatan tekanan tidak berpengaruh lagi terhadap peningkatan fluksi. Fenomena ini telah digambarkan oleh Trettin (1980) dalam bentuk skema tahapan proses filtrasi (Gambar 5).

31 15 Gambar 5 Tahapan di dalam proses membran (Trettin 1980). Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi permeat juga telah diteliti oleh Vladisavljevic dan Rajkovic (1999). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa fluksi batas meningkat dengan penurunan konsentrasi umpan dan peningkatan laju alir. Pengaruh suhu terhadap fluksi permeat telah diteliti oleh Cassano et al. (2003). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa peningkatan suhu umpan pada ultrafiltrasi jus jeruk dan wortel dapat meningkatkan fluksi permeat. Pritchard et al. (1995) melakukan penelitian ultrafiltrasi gum xantan dan pektin untuk melihat pengaruh turbulensi terhadap fluksi yang ditunjukkan oleh nilai koefisien perpindahan massa. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa peningkatan viskositas umpan menyebabkan transisi dari aliran turbulen ke aliran laminar. Pada kondisi laminar, peningkatan viskositas umpan meningkatkan tegangan geser pada permukaan membran sehingga menyebabkan peningkatan perpindahan massa. Masalah utama pada aplikasi membran adalah penurunan fluksi karena polarisasi konsentrasi dan fouling yang mempengaruhi kinerja membran (Youravong et al. 2003). Berdasarkan hasil penelitian Bruijn (2002) pada ultrafiltrasi jus apel, polarisasi konsentrasi menyebabkan penurunan fluksi secara cepat pada awal proses ultrafiltrasi. Fenomena polarisasi konsentrasi yang terjadi pada sistem filtrasi oleh Goosen et al. (2004) direpresentasikan dalam bentuk skema sebagaimana yang terlihat pada Gambar 6.

32 16 Gambar 6 Skema polarisasi konsentrasi dan fouling (Goosen et al. 2004). Kromkamp et al. (2006) menyelidiki perilaku polarisasi konsentrasi dari suspensi dengan dua ukuran partikel pada sistem aliran dimana shear induce diffusion merupakan mekanisme perpindahan balik yang dominan. Hasilnya menunjukkan bahwa hanya partikel berukuran kecil yang terdeposit pada membran. Fluksi permeat tidak tergantung pada komposisi suspensi, tetapi karena pemisahan ukuran partikel pada aliran umpan yang ditunjukkan oleh banyaknya partikel kecil dari suspensi di permukaan membran. Casani dan Jorgensen (2000) juga melaporkan bahwa penurunan fluksi dari waktu ke waktu pada mikrofiltrasi jus ceri terutama disebabkan oleh polarisasi konsentrasi dan fouling. Fouling dapat disebabkan oleh beberapa mekanisme, yaitu : adsorpsi, bloking pori, dan pembentukan lapisan cake pada membran. Fouling dapat juga sebagai hasil dari fenomena polarisasi. Ramachandra (2002) menyatakan bahwa terjadinya fouling dalam suatu proses filtrasi membran dapat ditentukan berdasarkan nilai koefisien fouling (FC), yang memiliki rentang nilai 0 (tidak terjadi fouling) sampai dengan 1.0 (terjadi fouling sepenuhnya). Koefisien fouling ditentukan berdasarkan persamaan berikut : J c FC = 1 (5) J o dimana: FC = koefisien fouling J c = fluksi air setelah dilakukan pencucian J o = fluksi air awal sebelum membran digunakan

33 17 Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi polarisasi konsentrasi dan fouling. Menurut Mulder (1996), karena kompleksitas fenomena polarisasi konsentrasi dan fouling, fouling dapat dikurangi dengan beberapa metode antara lain perlakuan awal larutan umpan, modifikasi sifat membran, perbaikan modul, dan kondisi proses serta pencucian. Dalam kaitannya dengan kondisi proses, Bruijn et al. (2002) menyatakan bahwa kondisi optimum untuk meminimisasi fouling adalah pada tekanan transmembran rendah dan kecepatan tangensial tinggi. Wenten (2002) juga melaporkan bahwa kinerja membran dengan sistem cross flow sangat dipengaruhi oleh pembentukan lapisan fouling. Ada dua pendekatan yang dapat digunakan untuk meningkatkan fluksi dalam mikrofiltrasi, yaitu mengaplikasikan laju cross flow tinggi dan menggunakan teknik backflushing. Parameter lain yang mempengaruhi kinerja membran adalah rejeksi Menurut Kovasin (2002), rejeksi solut dari membran (R) tergantung pada konsentrasi solut di dekat permukaan membran yang dinyatakan dengan persamaan (6) : C p R = 1 (6) C w dimana : C p = konsentrasi solut pada sisi permeat (%) C w = konsentrasi solut pada permukaan membran (%) Jika polarisasi konsentrasi terjadi, maka rejeksi membran yang diamati lebih kecil daripada rejeksi membran sebenarnya berdasarkan persamaan (6). Sehingga rejeksi hasil observasi (R obs ) dapat didefinisikan dengan persamaan (7): R obs C p = 1 (7) C b dimana C b = konsentrasi solut pada sisi umpan (%) 2.6. Model Perpindahan Massa Salah satu teori sederhana dan luas penggunaannya untuk modeling fluksi pada kondisi bebas dari pengaruh tekanan atau sistem yang dikontrol oleh perpindahan massa adalah teori film (Cheryan 1998). Jika larutan diultrafiltrasi,

34 zat terlarut dibawa ke permukaan membran dengan perpindahan secara konveksi pada suatu laju, J s yang didefinisikan sebagai : J s JC b (8) dimana J : fluksi permeat C b : konsentrasi umpan (%) Hasil gradien konsentrasi menyebabkan zat terlarut berpindah balik ke larutan umpan karena efek difusi. Dengan mengabaikan gradien konsentrasi, laju perpindahan balik zat terlarut dinyatakan sebagai : dc J s = D (9) dx dimana : D : koefisien difusi (m 2 dtk -1 ) dc/dx : gradien konsentrasi Menurut Cussler (1997), formula umum yang digunakan untuk memperkirakan koefisien difusi pada partikel berbentuk bola adalah persamaan Stokes-Einstein : D k T B = (10) 6πμrs dimana : k B : Konstanta Boltzman = 1.38 X J K -1 μ : viskositas pelarut (10-2 g cm -3 ) T : suhu ( K) r s : jari-jari partikel (m) Pada kondisi tunak, dua mekanisme akan seimbang satu sama lain, sehingga persamaan (8) dan (9) dapat disamakan dan diintegrasikan pada lapisan batas sebagai : D C g C g J = ln = k ln (11) δ C C b b dimana : D k = (12) δ C g : sama dengan C w pada persamaan (6) k : koefisien perpindahan massa (m dtk -1 ) δ : ketebalan lapisan batas (m) 18

35 19 Menurut Ceng dan Wu (2001), koefisien perpindahan massa pada lapisan polarisasi konsentrasi untuk kondisi aliran laminar dapat ditentukan dari persamaan Leveque, yaitu : 1/ 3 2 vd k = 1.62 (13) Ld h dimana : v = laju alir (m dtk -1 ) A = luas area membran (m 2 ) d h = diameter membran (m) L = panjang membran (m) Untuk modul membran yang bergeometri silinder, laju geser pada dinding membran (γ w ) adalah 8v/d h, sehingga persamaan (13) dapat diekpresikan juga dalam bentuk, k = 0.81 γ w D L 2 1/ 3 (14) dimana : γ w = laju geser pada dinding membran (dtk -1 ) Menurut Zeman dan Zidney (1996), laju umpan melalui lumen di dalam modul hollow fiber bertipe laminar. Dengan asumsi tidak ada akumulasi partikel atau zat terlarut yang tertahan di lapisan batas dan tidak ada slip pada dinding membran, maka perbedaan tekanan aksial ( P) dan laju geser pada dinding membran (γ w ) berhubungan langsung dengan laju alir volumetrik (Q) yang ditunjukkan dengan persamaan matematik : ΔP Q = αμ 4 (15) L Nd h Q γ w = α 3, jika diasumsikan α = 128/π, (16) 4Nd h sehingga persamaan laju geser menjadi : 32vA γ w = (17) πnd 3 h A = luas area membran (m 2 ) N = jumlah fiber (m 2 )

36 20 Jika dihubungkan dengan sifat reologi fluida, laju geser pada dinding membran (γ w ) untuk fluida non-newtonian memenuhi persamaan berikut (Cheryan 1998), 6nb + 2 v γ = w (18) nb d h sehingga koefisien perpindahan massa dapat diekpresikan dalam persamaan, 6nb + 2 k = 0.81 nb v d h D L 2 1/ 3 (19) Penelitian tentang pengembangan teori perpindahan massa telah banyak dilakukan. Modifikasi teori terutama dilakukan berdasarkan pengaruh hidrodinamika sistem filtrasi terhadap fluksi permeat. Faktor hidrodinamika yang memainkan peranan penting dalam membentuk perilaku fluksi antara lain tekanan transmembran dan laju alir (Youravong et al. 2003), ukuran partikel (Song & Elimelech 1995a), konsentrasi dan viskositas umpan (Pritchard et al. 1995), serta sifat reologi umpan (Shen & Probstein 1977). Beberapa ringkasan hasil pengembangan teori dan model semi empiris disajikan pada Tabel 3. Dari uraian hasil pengembangan model pada Tabel 3, difusi zat terlarut memainkan peranan yang penting dalam mekanisme perpindahan massa. Ada beberapa faktor dominan yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada filtrasi membran, yaitu ukuran partikel, konsentrasi partikel, konsentrasi umpan, dan sifat reologi umpan. Model Pritchard et al. (1995) serta model Charcosset dan Choplin (1996) merupakan pengembangan model Shen dan Probstein (1977) yang mempertimbangkan pengaruh konsentrasi umpan terhadap difusi zat terlarut serta sifat reologi umpan. Ketiga model tersebut mengabaikan interaksi antar partikel yang terkandung di dalam larutan sehingga lebih sesuai untuk makromolekul yang memiliki ukuran partikel relatif kecil. Berdasarkan ketiga model tersebut reologi umpan menjadi faktor yang cukup berpengaruh terhadap fluksi. Penggabungan model thin film yang umumnya diekspresikan dalam bentuk persamaan bilangan tak berdimensi dengan sifat reologi umpan menjadi hal yang menarik karena dapat memberikan gambaran perilaku fluksi yang berbeda. Dengan demikian, penggabungan tersebut cukup menarik jika dijadikan sebagai acuan untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk.

37 Tabel 3 Ringkasan hasil penelitian pengembangan teori dan model semi empiris untuk memprediksi fluksi 21 Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Shen & Probstein (1977) UF, plate paralel Makromolekul (bovine serum albumin), aliran laminar, Newtonian. Mengembangkan model untuk fluksi batas menggunakan model Michaels dengan menambahkan pengaruh variabel koefisien difusi dan viskositas sebagai faktor koreksi. Modifikasi model dilakukan dengan mengganti variabel koefisien difusi pada aliran umpan dengan koefisien difusi pada konsentrasi gel. Pengetahuan tentang reologi larutan makromolekul sangat diperlukan untuk menghasilkan metode sederhana dalam penentuan koefisien difusi pada larutan makromolekul yang berkonsentrasi tinggi. Prediksi fluksi berdasarkan model yang dikembangkan sesuai dengan data eksperimen Blatt et al. (1970). Zidney dan Colton (1986) MF Suspensi, sel darah merah, C w = 0.95 Mengembangkan model polarisasi konsentrasi berdasarkan persamaan Leveque, dan koefisien difusi Eckstein. Fluksi berbanding lurus dengan laju geser membran dan pangkat 4/3 dari ukuran partikel. Pada fenomena polarisasi, difusi partikel yang tergantung pada laju geser (shear-induce diffusion) merupakan faktor kritis untuk meningkatkan fluksi. Viskositas suspensi yang tergantung pada konsentrasi berpengaruh kuat terhadap fenomena polarisasi. Prediksi fluksi berdasarkan model yang dikembangkan sesuai dengan data eksperimen. Prediksi fluksi dengan model difusi Brownian menghasilkan nilai prediksi yang lebih rendah. Prediksi dengan model kecepatan angkat (inertial lift) menghasilkan nilai prediksi yang lebih tinggi dari data eksperimen. Davis dan Birdsell (1987) MF Suspensi, partikel acrylic latex berdiameter μm, Newtonian, aliran laminar Menghasilkan model stratified-flow untuk memprediksi fluksi pada kondisi tunak. Laju alir, tekanan dan ketebalan lapisan partikel yang terkonsentrasi sebagai parameter sistem. Ketebalan lapisan gel meningkat dengan meningkatnya jarak dari saluran masuk, konsentrasi partikel dalam suspensi, tekanan transmembran, dan viskositas relatif dari lapisan cake. Ketebalan lapisan cake menurun dengan meningkatnya tahanan membran dan tegangan geser tangensial. Keterbatasan model ini adalah mengasumsikan lapisan cake sebagai fluida Newtonian.

38 22 Tabel 3 Lanjutan Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Davis dan Leighton (1987) MF Suspensi koloid, mikroorganisme, partikel padat berukuran 0.1-1μm, aliran laminar Mengembangkan model untuk menggambarkan mekanisme difusi hidrodinamika yang dipengaruhi oleh geseran. Model ini diperkenalkan untuk menggambarkan migrasi lateral partikel yang meninggalkan dinding berpori jika lapisan yang terbentuk mendapat geseran. Pada kondisi tunak, difusi partikel di dalam lapisan diseimbangkan oleh konveksi partikel menuju dinding berpori. Romero dan Davis (1990) MF Suspensi dianggap Newtonian, aliran laminar, suspensi encer Menghasilkan model transien yang didasarkan pada konsep shear-induce diffusion. Peneliti mengkombinasikan efek shear induce diffusion dan perpindahan lapisan partikel secara konveksi untuk menggambarkan pergerakan lapisan partikel yang terkonsentrasi pada permukaan membran. Profil konsentrasi partikel lokal ditentukan dengan menyeimbangkan pergerakan partikel secara konveksi menuju membran dengan shear-induce diffusion yang meninggalkan membran. Model ini memprediksi bahwa pembentukan awal lapisan yang masih mengalir berlangsung sangat cepat dan berikutnya adalah pembentukan lapisan stagnan yang berkontribusi terhadap penurunan fluksi, terjadi beberapa menit atau beberapa jam tergantung pada kondisi operasi. Davis dan Sherwood (1990) MF Aliran laminar, fine particle sebagai fluida Newtonian, suspensi encer, Φ w = 0.6, partikel berbentuk bulat, kaku, seragam Menghasilkan persamaan yang sama berdasarkan persamaan difusi-konveksi ketika lapisan batas polarisasi konsentrasi mencapai kondisi tunak. Pada kondisi ini, mekanisme perpindahan balik partikel didominasi oleh shear-induce diffusion. Interaksi antar partikel diabaikan. Fluksi permeat menurun jika konsentrasi partikel di dalam suspensi umpan meningkat. Keterangan : UF : ultrafiltrasi L : panjang membran MF : mikrofiltrasi d : diameter membran TMP : tekanan transmemban T : suhu v : laju alir : konsentrasi gel pada permukaan membran C w

39 23 Tabel 3 Lanjutan Referensi Sistem Parameter operasi Hasil Pritchard et al. (1995) Charcosset dan Choplin (1996) UF, - tubular : * PES, 65 kda, L : 1 m, d : 12.5 mm, A : 392 cm 2 - flat sheet : * PS, 100 kda, L:145 mm, d : 1mm, A: 330 cm 2 - tangki umpan : 2.5 liter - resirkulasi 30 mnt UF, keramik, 50 kda, L : 1.2 m, d : 6 mm, A: m 2, T : 20 ±2 C. Gum xantan dan pektin, aliran laminar dan turbulen, laju alir, * Gum xantan : C w : 250 g/kg, C b : 1g/kg, v : 0.6 m dtk -1 * Pektin : C w : 40 g/kg, C b : 1g/kg, v : 0.6 m dtk -1 Tubular : v = 1.3, 2, 2.7 m dtk -1. T : 45 ± 0.5 C TMP : 2.5 ± 0.1 bar Gum xantan (2x10 6 kda), pektin (2 x 10 6 kda), poliakrilamida (1 x 10 6 kda) Asumsi : permukaan membran seragam, fluksi menuju membran secara konveksi dan laju perpindahan bahan terejeksi oleh kombinasi konveksi dan difusi, perpindahan massa di dalam lapisan batas diabaikan. Prediksi fluksi menggunakan model film, koefisien perpindahan massa dikembangkan berdasarkan perubahan reologi secara alami dari larutan umpan. Prediksi fluksi untuk gum xantan sesuai dengan data eksperimen. Prediksi fluksi untuk pektin pada modul flat sheet tidak sebagus gum xantan. Nilai prediksi lebih tinggi dari nilai eksperimen pada konsentrasi umpan sampai dengan 15 g/kg, konsentrasi > 15 g/kg menghasilkan nilai fluksi prediksi yang lebih rendah dari nilai eksperimen. Koefisien perpindahan massa tergantung pada viskositas umpan. Pada kondisi laminar, koefisien perpindahan massa meningkat jika konsentrasi umpan meningkat karena tingginya tegangan geser pada dinding membran. Fenomena ini dapat terjadi jika lapisan cake telah terbentuk. Mengembangkan model empiris untuk koefisien perpindahan massa dari fluida non-newtonian berdasarkan analogi perpindahan massa untuk kondisi pendinginan dan menyertakan efek indeks perilaku aliran yang tergantung pada konsentrasi. TMP limit : xantan (2 bar), pektin (3 bar), poliakrilamida (4 bar). Ketergantungan fluksi tunak pada kecepatan aksial bervariasi sesuai dengan derajat pseusoplastisitas larutan umpan. Ketergantungan fluksi terhadap kecepatan aksial sama dengan ketergantungan koefisien perpindahan massa terhadap kecepatan aksial Model Zidney-Colton, Davis-Birdsell, Davis-Leighton, Romero-Davis, dan Davis-Sherwood mempertimbangkan pengaruh konsentrasi partikel terhadap perilaku fluksi. Perbedaannya adalah model Zidney-Colton memfokuskan pembahasan pada pengaruh ukuran dan konsentrasi partikel terhadap laju difusi zat terlarut dalam bentuk shear-induce diffusion dengan asumsi bahwa ketebalan lapisan cake pada permukaan membran konstan. Model Davis-Birdsell, Davis- Leighton, dan Romero-Davis memfokuskan pembahasan pada pengaruh konsentrasi partikel terhadap ketebalan lapisan cake yang terbentuk dan ukuran partikel berbanding terbalik dengan fluksi permeat (difusi Brownian). Model

40 24 Davis dan Sherwood (1990) merupakan penggabungan model shear-induce difussion dengan model-model sebelumnya (Davis & Birdsell 1987, Davis & Leighton 1987, Romero & Davis 1990) dengan pertimbangan ketebalan lapisan cake pada permukaan membran bersifat tidak konstan. Berdasarkan uraian di atas, model shear-induce diffusion merupakan model yang umum digunakan pada mikrofiltrasi. Model shear-induce diffusion merupakan pengembangan model thin film yang memfokuskan pada pengaruh difusi karena geseran dan ukuran partikel terhadap peningkatan fluksi. Fenomena shear-induce diffusion pertama kali diperkenalkan oleh Eckstein et al. (1977). Koefisien shear-induce diffusion ditentukan berdasarkan persamaan (20): 2 s D = r γ f ( φ) (20) w dimana : γ w = laju geser pada dinding membran (dtk -1 ) r s = jari-jari partikel (m) f(φ) = fungsi fraksi volume partikel Model Zidney-Colton dan Davis-Sherwood mewakili dua model mikrofiltrasi yang memperlihatkan dua mekanisme perpindahan massa yang agak berbeda, sehingga cukup menarik apabila dijadikan sebagai acuan untuk menggambarkan mekanisme perpindahan massa pada proses mikrofiltrasi jus jeruk. Berikut ini adalah penjelasan tentang model shear-induce diffusion Zidney-Colton dan Davis-Sherwood. Zidney dan Colton (1986) memperkenalkan model polarisasi gel untuk menggambarkan fluksi filtrat selama proses mikrofiltrasi partikel dengan memperhitungkan koefisien difusi berdasarkan persamaan shear-induce diffusion Eckstein dengan menetapkan nilai f(φ) = Jika umpan yang digunakan memiliki fraksi volume partikel Φ b << Φ w atau suspensi bersifat encer, maka diperoleh persamaan (21) : J v = / 3 4 φ w rs γ w (21) φ b L dimana : J v = fluksi permeat (L m -2 jam -1 ) L = panjang membran (m)

41 25 γ w =laju geser pada dinding membran (dtk -1 ) Φ w =fraksi volume partikel pada dinding membran Φ b = fraksi volume partikel pada umpan Untuk umpan yang memiliki fraksi volume Φ w - Φ b << Φ w atau suspensi bersifat pekat diperoleh persamaan (22): 1 / 3 4 r s φ w J = v γ w ln (22) L φ b Beberapa asumsi lain yang digunakan dalam pengembangan model polarisasi konsentrasi Zidney dan Colton adalah : 1. konsentrasi pada dinding membran (C w ) konstan pada nilai maksimum, 2. profil kecepatan adalah linier, 3. laju geser dan konsentrasi umpan tidak tergantung pada posisi aksial, 4. rasio antara laju alir volumetrik filtrat dengan laju alir suspensi yang masuk adalah kecil, 5. partikel berbentuk bola dan kaku. Davis dan Sherwood (1990) melakukan pengembangan persamaan difusikonveksi untuk kondisi dimana lapisan batas yang terpolarisasi konsentrasi berada pada kondisi tunak. Pengembangan persamaan ini dikhususkan untuk mikrofiltrasi suspensi encer (Φ b < 0.1) yang mengandung satu ukuran partikel berbentuk bola, bersifat kaku dan tidak adhesif. Mekanisme perpindahan balik partikel didominasi oleh shear-induce diffusion. Konsentrasi maksimum zat terlarut dalam lapisan batas diasumsikan Φ w 0.6, sehingga menghasilkan persamaan (23): J v 1 / 3 4 φ wrs = γ w (23) φ b L Beberapa asumsi lain yang digunakan dalam pengembangan model shearinduce diffusion Davis-Sherwood adalah : 1. suspensi bersifat Newtonian, 2. komponen kecepatan transmembran lebih rendah daripada karakteristik kecepatan tangensial, 3. lapisan partikel yang mengalir cukup tipis, sehingga nilai tegangan geser adalah konstan, 4. aliran suspensi berkembang penuh dan laminar.

42 III. BAHAN DAN METODE 3.1. Bahan dan Peralatan Bahan Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah jeruk siam Pontianak yang dibeli di pasar tradisional yang terdapat di wilayah Bogor. Bahan-bahan kimia yang digunakan meliputi bahan untuk menganalisa komposisi kimia jus jeruk yaitu standar limonin 70% dan standar naringin 90% (Sigma), kloroform, HClO 4, 4-dimetilamino benzaldehida, CH 3 COOH pekat, dietilen glikol (E.Merck, Darmtadt, Jerman), NaOH, KI, I 2, pati, fenolftalin, HCl pekat, asam oksalat, natrium hipoklorit, dan kertas saring Peralatan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat untuk ekstraksi jeruk yaitu pulper buah-buahan (paten Balai Besar Litbang Pascapanen Pertanian no. S ) dan membran mikrofiltrasi (GDP Filter) dengan modul berbentuk hollow fiber, berbahan baku polipropilena (PP) (Gambar 7). Modul membran berukuran pori 0.1 µm dengan luas area 1 m 2 dan panjang m. Jumlah fiber membran sebanyak 1600 buah berdiameter 0.5 mm. Gambar 7 Rangkaian membran mikrofiltrasi. Alat-alat yang digunakan untuk pengujian produk antara lain refraktometer ABBE, piknometer, mikroskop optik (Zeiss), rheometer (Digital Rheometer DVIII+, Brookfield), spektrofotometer UV (tipe U2010, Hitachi), sentrifus mikro

43 27 (tipe TX-160, Tomy), ph meter, vortex, neraca, pipet dan alat-alat gelas seperti gelas ukur, gelas piala, tabung reaksi, tabung eppendof, pengaduk serta saringan stainless steel 65 mesh, 150 mesh dan 200 mesh Metode Penelitian Penelitian dilakukan mulai bulan April 2007 sampai bulan Desember 2007 yang dilaksanakan di Laboratorium Teknologi Kimia, Laboratorium Bioindustri Departemen Teknologi Industri Pertanian, FATETA, dan Laboratorium Balai Besar Litbang Pasca Panen Pertanian. Penelitian dilakukan dalam dua tahap. Tahap pertama merupakan penelitian pendahuluan yang meliputi penentuan sifat fisikokimia serta reologi jus jeruk, pengukuran fluksi air awal dan tahanan membran awal, dan penentuan kondisi tunak operasi mikrofiltrasi. Tahap kedua adalah penelitian utama yang meliputi proses mikrofiltrasi jus jeruk dan pengujian model. Sebelum dilakukan penelitian pendahuluan, terlebih dahulu dilakukan persiapan bahan baku berupa pembuatan jus jeruk. Proses pembuatan jus jeruk dimulai dengan melakukan sortasi terhadap buah jeruk. Sortasi bertujuan untuk memisahkan buah-buah yang busuk sehingga kontaminasi mikroba terhadap jus dapat dikurangi. Selanjutnya buah jeruk dicuci dengan tujuan untuk membersihkan kulit buah dari kotoran-kotoran seperti tanah, lumpur, mikroba (terutama jamur), dan sisa sisa pestisida yang melekat. Kemudian dilakukan pengupasan kulit buah jeruk. Pengupasan kulit bertujuan untuk menghindari masuknya komponen minyak dari kulit ke dalam jus ketika proses ekstraksi. Setelah proses pengupasan, dilakukan proses ekstraksi dengan cara memasukkan daging buah jeruk ke dalam mesin pulper. Proses ekstraksi ini menghasilkan jus jeruk. Jus jeruk ditampung di dalam wadah, sedangkan ampasnya yang berupa biji dan pulp langsung terpisah dan kemudian dibuang. Selanjutnya dilakukan penyaringan berseri terhadap jus jeruk hasil ekstraksi. Penyaringan bertujuan untuk memisahkan sisa-sisa serat dan partikel berukuran besar yang terikut di dalam jus. Penyaringan dilakukan dalam beberapa tahap. Penyaringan pertama dilakukan dengan menggunakan saringan berukuran sekitar 40 mesh. Tujuannya adalah untuk menyaring partikel partikel yang ukurannya masih sangat besar seperti serat-serat kasar, pulp pembungkus jus, biji kecil yang terikut di jus sehingga dapat mempercepat proses penyaringan selanjutnya. Setelah itu dilakukan penyaringan kembali

44 28 secara berturut-turut menggunakan saringan stainless steel berukuran 65 mesh, 150 mesh, dan 200 mesh. Penyaringan pada tahap ini bertujuan untuk mengurangi jumlah partikel yang masih cukup besar sebelum jus difiltrasi menggunakan membran. Apabila jus masih mengandung partikel yang sangat besar, ketika proses mikrofiltrasi kinerja membran dapat terganggu, sehingga fluksi yang dihasilkan lebih kecil dan membran menjadi lebih cepat tersumbat. Jus jeruk yang menjadi larutan umpan mikrofiltrasi adalah yang telah lolos saringan 200 mesh. Tahapan akhir dalam pembuatan jus jeruk adalah pasteurisasi. Seperti produk pangan pada umumnya, jus jeruk merupakan media yang sangat baik untuk pertumbuhan mikrorganisme sehingga menyebabkan bahan menjadi cepat rusak. Karena itu, perlu dilakukan pasteurisasi. Pada penelitian ini, pasteurisasi menggunakan metode oleh Sukasih dan Setyadjit (2006) yang dikembangkan dengan modifikasi waktu. Hasil penelitian Sukasih dan Setyadjit (2006) menunjukkan bahwa pasteurisasi jus jeruk tanpa pengawet yang aman dilakukan pada kombinasi suhu dan waktu masing-masing adalah 85 C (10.05 menit), 80 C (12.88 menit), 75 C (16.62 menit), 70 C (21.19 menit) dan 65 C (27.17 menit). Modifikasi waktu dilakukan karena jus yang digunakan tidak untuk disimpan dalam jangka waktu lama, tetapi hanya menunggu proses mikrofiltrasi. Pasteurisasi dilakukan pada suhu 70 ºC selama 10 menit saja. Diagram alir proses pembuatan jus jeruk dapat dilihat pada Gambar Penelitian pendahuluan Penelitian pendahuluan dilakukan untuk menentukan sifat fisikokimia dan reologi jus jeruk, pengukuran fluksi air dan tahanan membran awal sebelum digunakan dan penentuan kondisi tunak operasi mikrofiltrasi. Penentuan sifat fisikokimia jus meliputi : penentuan persentase berat dari masing-masing bagian jeruk (kulit, pulp, jus, dan biji), pengukuran densitas dan viskositas jus, pengukuran partikel jus menggunakan mikroskop optik serta penentuan komposisi kimia jus jeruk (ph, total padatan terlarut, total asam, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin, dan konsentrasi naringin). Pada penelitian ini juga dilakukan analisa komponen kimia mayor yang terkandung di dalam jus jeruk yang meliputi kadar air, kadar abu, kadar lemak, kadar protein, kadar serat kasar, dan kadar pektin. Analisa dilakukan terhadap jus segar dan jus yang telah dipasteurisasi.

45 29 Gambar 8 Diagram alir proses pembuatan jus jeruk Penentuan sifat fisikokimia jus Densitas jus jeruk diukur menggunakan piknometer pada suhu 20 C dan 29 C. Sedangkan pengukuran viskositas jus jeruk dilakukan menggunakan rheometer Brookfield pada kondisi putaran antara rpm dan suhu 25 C - 26 C. Spindel yang digunakan adalah LV2. Penentuan sifat reologi jus jeruk dilakukan dengan cara memplot nilai viskositas terhadap nilai laju geser. Nilai

46 30 indeks perilaku aliran (n) ditentukan dengan memplot nilai ln viskositas terhadap nilai ln laju geser. Pengukuran partikel dilakukan dengan melihat preparat jus hasil penyaringan 65 mesh, 150 mesh dan 200 mesh pada mikroskop optik dengan perbesaran 40 kali. Setelah proses mikrofiltrasi, permeat hasil filtrasi juga dilihat pada mikroskop optik. Total padatan terlarut (º Brix) diukur dengan menggunakan refraktometer, sedangkan ph jus diukur dengan menggunakan ph meter. Total asam yang dinyatakan dalam bentuk persen sitrat anhidrat diukur dengan metode titrasi AOAC (1999), sedangkan rasio ºBrix / asam dihitung menggunakan persamaan (1). Konsentrasi limonin ditentukan dengan menggunakan metode spektrofotometer yang dikembangkan oleh Vaks dan Lifshiftz (1981), Noomhorm dan Kasemsuksakul (1992), serta Abbasi et al. (2005), sedangkan konsentrasi naringin ditentukan dengan menggunakan metode spektrofotometer yang dikembangkan oleh Davis (1947) serta Mishra dan Kahr (2003) yang dimodifikasi oleh Setyadjit (2005). Prosedur pengukuran densitas, viskositas, total padatan terlarut, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin dan konsentrasi naringin secara lebih rinci disajikan pada Lampiran Pengukuran fluksi air Selanjutnya dilakukan pengukuran fluksi air awal dan tahanan membran awal. Pengukuran fluksi dilakukan setiap menit dengan cara mengukur waktu yang diperlukan untuk memperoleh permeat sebanyak 100 ml menggunakan stopwatch (Gambar 9). Nilai fluksi ditentukan dengan cara memasukkan data waktu yang diperoleh ke dalam persamaan (4). Pengukuran fluksi air awal dilakukan dengan cara mengoperasikan membran pada tekanan transmembran 1.26 bar dan laju alir 0.13 m dtk -1 selama 60 menit. Pengaturan tekanan transmembran dilakukan dengan cara menutup secara perlahan katup retentat (V-8) sebagaimana terlihat pada Gambar 10, sampai jarum pada kedua pressure gauge (I-1 dan I-2) menunjukkan perubahan. Pengukuran tahanan membran awal dilakukan dengan cara mengukur fluksi air murni pada tekanan transmembran bar masing-masing selama 20 menit dan laju alir 0.13 m dtk -1. Tahanan membran awal diperoleh dengan cara memplot nilai fluksi yang dihasilkan terhadap nilai tekanan transmembran.

47 31 Gambar 9 Pengukuran fluksi permeat dan retentat Penentuan kondisi tunak Tahapan berikutnya adalah menentukan kondisi tunak mikrofiltrasi jus jeruk yang meliputi waktu dan tekanan transmembran operasi. Mode operasi mikrofiltrasi yang digunakan adalah sistem resirkulasi yang mana aliran permeat dan retentat dikembalikan lagi ke tangki umpan (Gambar 10). Resirkulasi dilakukan dengan cara menutup katup V-2, V-4, V-8 dan V-9, sedangkan katup V-1, V-3, V-5, V-6 dan V-7 dibuka. Umpan yang ada di dalam tangki (E-1) disedot oleh pompa (E-2) menuju membran (E-3) dan keluar dari dua sisi, yaitu sisi permeat dan retentat. Permeat mengalir melalui katup V-5, V-6 dan selanjutnya kembali ke umpan, sedangkan retentat mengalir melalui I-2, V-7 dan kembali ke umpan. Volume umpan yang digunakan sebanyak 1 liter. Penentuan kondisi tunak proses mikrofiltrasi, dilakukan dengan cara mengoperasikan membran pada tekanan transmembran 1.22 bar pada laju alir 0.09 m dtk -1 selama 40 menit dan pada tekanan transmembran 1.35 bar pada laju alir 0.06 m dtk -1 selama 22 menit. Pengukuran fluksi (Gambar 10) dilakukan setiap menit. Waktu tunak operasi adalah waktu ketika nilai fluksi dan rejeksi limonin serta naringin mulai konstan tercapai.

48 32 Gambar 10 Skema proses mikrofiltrasi jus jeruk. Setelah diperoleh waktu tunak operasi, dilakukan penentuan tekanan transmembran tunak. Penentuan tekanan transmembran tunak dilakukan dengan cara mengoperasikan membran mikrofiltrasi pada kisaran tekanan transmembran 1 2 bar dengan laju alir cross flow umpan 0.08 m dtk -1 selama waktu tunak. Tekanan transmembran tunak adalah tekanan transmembran ketika nilai fluksi mulai mencapai titik konstan. Waktu dan tekanan transmembran tunak yang diperoleh dijadikan sebagai kondisi operasi pada tahapan penelitian selanjutnya. Parameter yang dilihat pada tahapan ini adalah pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi, rejeksi, dan kualitas permeat. Untuk menjaga agar daya tahan dan kinerja membran tetap baik, sebelum dan setelah selesai operasi dilakukan pencucian membran. Metode pencucian yang digunakan adalah metode backwash. Pencucian dilakukan dengan metode backwash menggunakan air hangat (suhu 40 ºC) selama lebih kurang 10 menit. Setelah dilakukan backwash, selanjutnya membran dicuci dengan menggunakan larutan NaOH (0.05 %) dengan selang ph larutan pencuci antara dengan sistem diresirkulasi selama lebih kurang 1 jam. Efektifitas pencucian ditentukan dengan cara mengukur fluksi air sebelum membran digunakan dan setelah membran dicuci. Setelah digunakan membran harus tetap dalam kondisi basah. Karena itu penyimpanan dilakukan dengan cara merendam modul dalam larutan hipoklorit 200 ppm.

49 Penelitian utama Mikrofiltrasi jus jeruk Pada setiap awal proses mikrofiltrasi, terlebih dahulu dilakukan analisa larutan umpan yang meliputi : pengukuran ph, total padatan terlarut (ºBrix), total asam, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin, dan konsentrasi naringin di dalam jus awal. Pada tahapan penelitian utama, mikrofiltrasi jus jeruk dilakukan dengan mengoperasikan membran pada tekanan transmembran tunak selama waktu tunak dengan variasi laju alir cross flow umpan yang berkisar antara m dtk -1. Volume umpan yang digunakan sebanyak satu liter. Parameter yang dilihat pada tahapan ini adalah pengaruh laju alir terhadap fluksi, rejeksi, dan kualitas jus jeruk. Jus jeruk diresirkulasi selama waktu tunak, setelah itu dilakukan pengambilan contoh baik dari sisi permeat maupun sisi retentat secara bergantian, kemudian dilakukan pengukuran fluksi. Pada saat pengambilan contoh permeat, katup V-7 dibuka dan V-9 sedangkan katup V-8 ditutup. Pada saat pengambilan contoh retentat, katup V-7 dan V-9 ditutup sedangkan katup V- 8 dibuka. Analisa terhadap kualitas permeat dan rententat dilakukan meliputi pengukuran ph, total padatan terlarut (º Brix), total asam, rasio ºbrix / asam, kandungan vitamin C, konsentrasi limonin, dan konsentrasi naringin. Hasil terbaik yang diperoleh adalah kondisi proses yang menghasilkan fluksi terbesar dan tingkat rejeksi limonin serta naringin tertinggi atau konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat yang paling rendah. Setelah hasil permeat terbaik diperoleh, dapat diketahui kondisi operasi yang terbaik untuk menghasilkan fluksi dan rejeksi tertinggi. Kondisi operasi ini selanjutnya digunakan untuk memprediksi nilai fluksi berdasarkan model matematik Pengujian Model Pada tahapan ini dilakukan pengujian terhadap model perpindahan massa pada lapisan tipis (thin film) berdasarkan pendekatan analisis bilangan tak berdimensi yang menggunakan dua perhitungan difusi, yaitu difusi Brownian dan shelf-diffusion dan menambahkan sifat reologi jus sebagai faktor koreksi, model shear-induce diffusion Zidney-Colton, serta model Davis-Sherwood. Konsentrasi limonin dan naringin di dalam jus jeruk sangat rendah sehingga konsentrasi gel sangat sulit tercapai. Jus jeruk mengandung berbagai komponen

50 34 kimia salah satunya adalah pektin, maka pada penelitian ini nilai C w limonin dan naringin diasumsikan sama dengan nilai C w pektin menurut Pritchard et al. (1995). Pengujian model dilakukan dengan mengevaluasi variabel yang berpengaruh terhadap fluksi yaitu laju alir cross flow umpan yang disesuaikan dengan sifat reologi jus jeruk. Parameter yang diuji adalah fluksi permeat. Penghitungan fluksi dilakukan dengan cara memasukkan nilai kondisi operasi yaitu laju alir cross flow serta nilai karakteristik jus jeruk seperti ukuran partikel, konsentrasi partikel, dan nilai n (indeks perilaku aliran) ke dalam persamaan matematik dari model yang digunakan. Penghitungan fluksi model didasarkan pada pendekatan nilai koefisien perpindahan massa. Nilai koefisien perpindahan massa dihitung berdasarkan pendekatan nilai koefisien difusi Brownian dan nilai koefisien self-diffusion. Fluksi yang diperoleh dari hasil percobaan dibandingkan dengan fluksi yang dihitung berdasarkan model. Secara lebih rinci tahapan penelitian utama disajikan pada Gambar 11.

51 35 Gambar 11 Diagram alir tahapan penelitian utama.

52 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pemisahan Limonin dan Naringin dari Jus Jeruk dengan Mikrofiltrasi Penyaringan awal Pada proses pembuatan jus, dari buah jeruk dihasilkan jus sebanyak %. Sisanya adalah kulit sebesar %, pulp sebesar % dan biji sebanyak 2.74 %. Kehilangan bagian buah juga terjadi selama proses ini yaitu sebesar 8.27 % (Tabel 4). Kehilangan bagian buah kemungkinan terjadi pada proses ekstraksi. Setelah proses ekstraksi masih terdapat bagian buah (terutama pulp) yang menempel pada sikat serta saringan di dalam mesin pulper dan hanya dapat dibersihkan dengan air, sehingga tidak dapat dimasukkan ke dalam hasil percobaan. Selain itu kehilangan bagian buah juga terjadi karena tercecer, tumpah dan menempelnya pulp pada saringan ketika proses penyaringan berseri. Tabel 4 Persentase berat bagian-bagian buah Bagian buah Persentase (%) Berat awal buah Kulit Pulp Biji 2.74 Sari buah Jumlah Total Loss 8.27 Total Hasil pengamatan terhadap partikel menunjukkan bahwa terjadi pengurangan jumlah partikel besar di setiap tahapan penyaringan. Menurut Mizrahi dan Berk (1970), jus jeruk merupakan suspensi yang terdiri dari partikel yang heterogen. Ukuran partikel bervariasi antara 0.05 μm kurang dari 100 μm. Partikel terbesar yang lolos pada penyaringan 65 mesh (Gambar 12) berdiameter µm, sedangkan yang berbentuk serat memiliki panjang µm dan lebar 99.7 µm. Partikel yang berukuran besar ini kemungkinan merupakan albedo, segmen, dan dinding gelembung jus yang ikut terekstraksi. Penyaringan 150 mesh berhasil mengurangi jumlah partikel besar terutama serat-serat (Gambar 13 dan Tabel 5). Hasil pengukuran terhadap partikel jus

53 37 diperoleh partikel karoten berdiameter µm. Partikel terbesar yang masih lolos pada penyaringan ini berdiameter 7.2 µm. Partikel terkecil yang masih lolos pada penyaringan tahap ini berukuran µm (berwarna putih berbentuk bulat). Gambar 12 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 65 mesh Gambar 13 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 150 mesh. Hasil penyaringan 200 mesh menunjukkan bahwa terjadi pengurangan jumlah karotenoid (Gambar 14 dan Tabel 5). Partikel terbesar yang masih lolos pada penyaringan ini berdiameter µm, sedangkan partikel kecil berukuran µm. Kumpulan partikel putih yang berbentuk seperti rantai ini merupakan cloud yang mana menurut (Cready 1977; Rouse 1977) terdiri dari pektin, lemak dan fosfor dan senyawa-senyawa lainnya yang membentuk agregat dan sangat sulit untuk diidentifikasi. Menurut Mizrahi dan Berk (1970),

54 38 partikel yang berukuran di bawah 2 μm membentuk cloud yang stabil. Fraksi partikel ini terdiri dari kristal hesperidin yang berbentuk seperti jarum, kromoplastida, partikel yang amorf, dan globula minyak yang terikut pada beberapa partikel tersebut. Kristal hesperidin ini sebagian terbentuk karena kristalisasi seketika setelah proses ektraksi jus. 1.8 μm Gambar 14 Partikel jus hasil penyaringan dengan filter 200 mesh. Pada penyaringan dengan menggunakan filter yang ukurannya lebih kecil, yaitu membran milipore berukuran pori 0.45 µm (Gambar 15), terlihat jelas bahwa partikel kecil berwarna putih yang pada jus hasil penyaringan filter 200 mesh masih cukup banyak jumlahnya (± 70%), setelah dilakukan penyaringan dengan membran Milipore ini jumlahnya menjadi jauh berkurang (Tabel 5). Masih ditemukan partikel jus yang berdiameter µm lolos pada penyaringan ini. Gambar 15 Hasil penyaringan dengan membran milipore berukuran 0.45 µm.

55 39 Tabel 5 Pengurangan jumlah partikel pada hasil penyaringan berseri dan membran milipore 0.45 µm dibandingkan dengan hasil penyaringan 65 mesh Tahapan penyaringan Panjang = µm Lebar = 99.7 µm (serat) Pengurangan jumlah partikel Diameter : µm (kromoplas) Diameter : µm (karotenoid) Diameter : µm (partikel putih) 150 mesh 100 % ± 30 % ± 30% ± 10 % 200 mesh 100 % 100 % ± 60% ± 40 % Membran milipore 0.45 µm 100 % 100 % 100 % ± 99 % Analisis terhadap jus jeruk hasil proses penyaringan awal sampai dengan pasteurisasi memperlihatkan terjadinya perubahan konsentrasi limonin, konsentrasi naringin, total asam, dan kandungan vitamin C, sedangkan ph dan total padatan terlarut tidak mengalami perubahan (Tabel 6). Selama proses penyaringan, konsentrasi limonin dan naringin serta total asam mengalami penurunan dan meningkat kembali setelah proses pasteurisasi. Peningkatan konsentrasi limonin setelah pasteurisasi menurut Mozaffar et al. (2000) disebabkan oleh esterifikasi senyawa prekursor limonoate A-ring lactone acid di dalam jus yang berasa tidak pahit menjadi senyawa limonin akibat peningkatan temperatur jus sehingga jus yang dihasilkan menjadi sangat pahit. Tabel 6 Perubahan ph, vitamin C, total padatan terlarut, total asam, konsentrasi limonin dan naringin selama penyaringan awal. Sampel ph Vitamin C (mg as.askorbat /100 ml ) Total padatan terlarut ( Brix) Total asam (%) Rasio Brix/asam Konsentrasi limonin (µg ml -1 ) Konsentrasi naringin (µg ml -1 ) Jus awal Saringan 65 mesh Saringan 150 mesh Saringan 200 mesh Pasteurisasi Vitamin C mengalami penurunan sebesar % sampai akhir proses penyaringan. Sebagian vitamin C kemungkinan terikut dengan partikel pulp yang tersaring pada proses penyaringan awal, dan sebagian lagi mengalami kerusakan ketika pasteurisasi. Pasteurisasi jus jeruk diperlukan untuk dua alasan, yaitu untuk inaktivasi enzim yang dapat menyebabkan kehilangan cloud

56 40 dan membunuh mikroorganisme yang dapat menyebabkan fermentasi dan kerusakan pada sari jeruk (Chen & Chen 1998; Bates et al. 2001). Walaupun telah mengalami degradasi akibat penyaringan dan pemanasan, kandungan vitamin C pada jus jeruk yang digunakan sebagai umpan mikrofiltrasi tidak berbeda dengan nilai yang dilaporkan pada literatur, yaitu kandungan vitamin C di dalam jeruk segar sebesar mg per 100 ml jeruk (Araujo 1977). Rasio brix/asam dari jus yang dihasilkan masih sangat rendah (4.8 : 1) dibandingkan dengan standar USDA (1983), yaitu minimal sebesar 11.5 : 1. Karena total padatan terlarut telah sesuai dengan standar USDA yaitu 11 Brix, maka rendahnya kualitas jus jeruk siam kemungkinan disebabkan oleh kandungan asam sitrat di dalam jus yang masih cukup tinggi yaitu di atas 1 %, Analisis terhadap komponen kimia mayor pada jus jeruk (Tabel 7), menunjukkan bahwa kadar abu, kadar lemak, dan kadar serat kasar cenderung meningkat setelah dipasteurisasi, sedangkan kadar protein cenderung menurun. Peningkatan kadar abu, kadar lemak, dan kadar serat kasar kemungkinan disebabkan oleh menguapnya sebagian komponen air akibat pemanasan pada saat pasteurisasi yang ditunjukkan dengan berkurangnya sedikit kadar air jus setelah pasteurisasi. Penurunan kandungan protein kemungkinan disebabkan oleh terdenaturasinya sebagian protein akibat pemanasan. Tabel 7 Hasil analisa komponen kimia mayor pada jus jeruk Kadar Jus Jeruk Segar Pasteurisasi Air (% bb) Abu (% bb) Lemak (% bb) Pektin (% bb) Serat kasar (% bk) Protein (%) Kandungan pektin di dalam jus jeruk siam sebesar 0.05 % tidak berbeda jauh dengan nilai dari literatur yang menyatakan bahwa konsentrasi pektin di dalam jus cukup rendah, yaitu antara % (Rouse 1977). Proses pasteurisasi tidak menyebabkan perubahan kandungan pektin di dalam jus.

57 Densitas dan sifat reologi jus Hasil pengukuran densitas menunjukkan bahwa densitas jus jeruk pada suhu 20 C dan 29 C tidak berbeda yaitu 1.04 gram cm -3. Nilai ini sesuai dengan yang dinyatakan oleh Fellow (1988) bahwa densitas jus jeruk pada suhu 20 ºC adalah 1.04 gram cm -3. Hasil pengukuran viskositas menunjukkan bahwa viskositas jus jeruk berkisar antara 5.12 cp 7.15 cp pada rentang laju putaran 100 rpm 200 rpm. Hasil pengukuran viskositas diekspresikan pada Gambar 16, menunjukkan bahwa viskositas jus jeruk meningkat seiring dengan peningkatan laju geser. Menurut Rao ( 1995 ), viskositas pangan non-newtonian dipengaruhi oleh laju geser, sehingga jus jeruk dapat dikategorikan sebagai fluida non-newtonian dan bersifat dilatan (shear thickening) karena peningkatan laju geser meningkatkan viskositas jus viskositas (cp) laju geser (detik -1 ) Gambar 16 Pengaruh laju geser terhadap viskositas jus. Sifat dilatan ini juga ditunjukkan oleh meningkatnya tegangan geser akibat peningkatan laju geser (Gambar 17). Jika dibandingkan dengan reogram beberapa tipe fluida (Gambar 6), Gambar 17 memiliki kesamaan dengan fluida dilatan. Berdasarkan penghitungan nilai indeks perilaku aliran, jus jeruk memperlihatkan perilaku dilatan dengan nilai (n) yang dihasilkan sebesar Menurut Perry dan Green (1999), nilai n < 1 menunjukkan bahwa fluida bersifat pseudoplastis, sedangkan nilai n > 1 menunjukkan bahwa fluida tersebut bersifat dilatan.

58 Tegangan geser (cp dtk -1 ) Laju geser (dtk -1 ) Gambar 17 Pengaruh laju geser terhadap tegangan geser. Komponen utama yang mempengaruhi perubahan viskositas jus jeruk adalah padatan yang tersuspensi seperti pektin dan pulp. Menurut Capannelli et al (1994), kandungan pektin dan pulp merupakan sifat penting dari jus jeruk yang menentukan viskositas umpan sehingga mempengaruhi dinamika fluida pada proses ultrafiltrasi. Walaupun jumlah kandungan pektin di dalam jus cukup kecil yaitu 0.05 %, tetapi komponen ini cukup mempengaruhi sifat reologinya yang ditunjukkan oleh perubahan viskositas jus akibat adanya geseran Penentuan fluksi air Sebelum membran penyaringan jus jeruk oleh membran, ns awal membran diukur terlebih dahulu. ns awal membran digunakan sebagai pembanding terhadap kinerja membran setelah digunakan, sehingga setelah proses mikrofiltrasi dapat diketahui tingkat penurunan kinerja membran. Selama proses mikrofiltrasi, fluksi air relatif konstan yaitu rata-rata sebesar L m -2 jam -1 sebagaimana yang terlihat pada Gambar 18. Fluksi yang relatif konstan menunjukkan bahwa air destilata yang digunakan relatif bersih dan tidak mengandung partikel maupun senyawa pengotor yang dapat menurunkan fluksi. Pengukuran fluksi air ini dilakukan sebelum membran digunakan, setelah membran digunakan dan setelah membran dibersihkan. Perlakuan ini bertujuan untuk mengukur kinerja membran dan efektifitas pencucian yang dilakukan.

59 Fluksi air 50 (L m -2 jam -1 ) TMP=1.26 bar, v = 0.13 m/dtk Waktu filtrasi (menit) Gambar 18 Fluksi air selama proses mikrofiltrasi Waktu tunak Pengoperasian mikrofiltrasi pada tekanan 1.35 dan laju alir 0.06 m dtk -1 menunjukkan bahwa fluksi jus menurun tajam pada awal proses pengoperasian sampai 2 menit filtrasi, sedangkan pada tekanan 1.22 dan laju alir 0.09 m dtk -1 menunjukkan fluksi jus yang relatif konstan (Gambar 19). Ketika awal proses mikrofiltrasi, partikel-partikel tersuspensi dapat menempel di permukaan membran dengan cepat pada aplikasi tekanan transmembran tinggi sehingga menyebabkan penurunan fluksi. Fenomena ini menurut Belfort et al. (1994) dinyatakan sebagai periode penyerapan internal makromolekul secara cepat. Selama fase awal operasi, membran seketika berinteraksi dengan makromolekul tak terlarut dan terserap pada permukaan membran. Hal ini merupakan alasan utama untuk menyatakan bahwa fluksi menurun. Kinetika penyerapan makromolekul ini sangat cepat dan membentuk ikatan yang kuat dan tidak berubah.

60 Fluksi jus (Lm -2 jam -1 ) TMP= 1.22 bar, v = 0.09 m/dtk TMP =1.35 bar ; v = 0.06 m/dtk waktu filtrasi (menit) Gambar 19 Fluksi jus selama proses filtrasi. Setelah menit ke-2 penurunan fluksi jus cenderung berkurang dan relatif konstan setelah filtrasi dilakukan selama 10 menit. Ini berarti bahwa setelah 10 menit membran dioperasikan, proses mikrofiltrasi sudah mencapai suatu kondisi yang dinamakan tunak (steady state), dimana fluksi jus tidak berubah lagi (konstan) seiring dengan berjalannya waktu. Walaupun fluksi sudah konstan setelah 10 menit, namun rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin belum tentu konstan. Berdasarkan hasil penelitian terhadap rejeksi limonin dan naringin yang dibahas pada bagian lain, rejeksi konstan tercapai setelah 30 menit filtrasi. Oleh sebab itu, pada penelitian ini waktu tunak operasi ditentukan selama 30 menit. Pada Gambar 19 terlihat bahwa fluksi permeat pada tekanan transmembran tinggi dan laju alir rendah lebih rendah daripada fluksi permeat pada tekanan transmembran rendah dan laju alir tinggi. Fenomena ini mungkin saja terjadi karena menurut Hong et al. (1997), pada tekanan transmembran tinggi, laju deposisi partikel pada permukaan membran menjadi tinggi dan membentuk lapisan cake yang padat. Kondisi ini menyebabkan peningkatan tahanan fouling sehingga fluksi permeat menurun. Sebaliknya, pada laju alir tinggi menurut Bruijn et al. (2002), gaya geser pada dinding membran menjadi tinggi sehingga laju perpindahan partikel yang tertahan pada permukaan membran menjadi tinggi pula. Kondisi ini dapat mengurangi fouling dan meningkatkan fluksi permeat.

61 Profil rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin Proses mikrofiltrasi terhadap jus jeruk mampu merejeksi senyawa limonin dan naringin. Konsentrasi limonin menurun selama proses mikrofiltrasi. Konsentrasi limonin menurun tajam pada menit - menit pertama mikrofiltrasi dan cenderung fluktuatif (Gambar 20). Setelah 10 menit filtrasi, penurunan konsentrasi limonin mulai konstan. Profil rejeksi yang fluktuatif mungkin saja terjadi karena sifat limonin yang cenderung tidak stabil. Rejeksi membran terhadap limonin menunjukkan kestabilannya setelah 30 menit filtrasi dan mampu merejeksi limonin rata-rata sebesar 96 % dengan konsentrasi di dalam permeat sebesar ± 0.51 µg ml -1 (Gambar 21). Dengan demikian, konsentrasi limonin di dalam permeat berada di bawah batasan konsentrasi yang dapat diterima konsumen, yaitu 6 µg ml -1 (Chandler & Kefford 1966; Puri 1984; Mozaffar 1998) TMP=1.27 bar; v = 0.06 m/dtk Konsentrasi limonin (µg ml -1 ) < Waktu filtrasi (menit) Gambar 20 Perubahan konsentrasi limonin dalam permeat selama mikrofiltrasi. Perubahan konsentrasi naringin di dalam permeat selama mikrofiltrasi relatif stabil (Gambar 21). Konsentrasi naringin menurun tajam pada menit pertama filtrasi dan setelah itu cenderung konstan (Gambar 22), dimana rejeksi terhadap naringin relatif konstan, yaitu ± 80 % dengan konsentrasi di dalam permeat sebesar ± 69 µg ml -1. Penurunan konsentrasi limonin dan naringin serta peningkatan rejeksi berkaitan erat dengan penurunan fluksi permeat. Penurunan fluksi dan peningkatan rejeksi secara cepat menunjukkan bahwa pada awal proses mikrofiltrasi, terjadi deposisi sebagian besar partikel tersuspensi di permukaan

62 46 membran dan membentuk lapisan cake. Lapisan cake ini dapat menurunkan porositas membran (Grandison et al. 2000) sehingga menyebabkan senyawa limonin dan naringin tertahan. Penurunan fluksi secara cepat pada awal proses mikrofiltrasi juga dilaporkan oleh Bruijn et al. (2002) pada ultrafiltrasi jus apel TMP=1.27 bar; v=0.06 m/dtk Konsentrasi 200 naringin (µg ml -1 ) < Waktu filtrasi (menit) Gambar 21 Perubahan konsentrasi naringin dalam permeat selama mikrofiltrasi Rejeksi (%) ` 20 Limonin Naringin 0 < Waktu filtrasi (menit) Gambar 22 Rejeksi membran terhadap senyawa limonin dan naringin selama mikrofiltrasi pada TMP =1.27 bar dan v = 0.06 m dtk -1.

63 47 Terdepositnya limonin dan naringin pada membran juga dibuktikan oleh konsentrasi limonin dan naringin di dalam retentat yang rendah masing-masing sebesar ± 2 µg ml -1 dan ± 50 µg ml -1. Hasil ini menunjukkan bahwa konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat dan retentat tidak berbeda. Dalam kaitannya dengan rejeksi membran, molecular weight cut off (MWCO) yang berhubungan dengan ukuran pori membran biasanya digunakan untuk merepresentasikan karakteristik rejeksi dari membran (Jonsson 1986). Pada penelitian ini, ukuran pori membran mikrofiltrasi yang digunakan adalah 0.1 µm dan berdasarkan spektrum yang dikeluarkan oleh Osmonics (2007) setara dengan ± Dalton. Jika efektifitas pori membran untuk merejeksi didasarkan pada MWCO, maka seharusnya limonin dan naringin lolos karena berukuran jauh lebih kecil yaitu masing-masing Dalton dan 580 Dalton. Namun demikian, hasil penelitian menunjukkan bahwa membran mikrofiltrasi mampu merejeksi senyawa limonin dan naringin. Hasil yang sama telah dilaporkan oleh Rai et al. (2006a). Dalam pengamatannya, efek MWCO terhadap fluksi permeat pada jus Citrus sinensis (mosambi). Hasil analisa menunjukkan bahwa penurunan fluksi permeat pada ultrafiltrasi mosambi hasil depektinasi terutama disebabkan oleh lapisan cake yang terbentuk selama proses filtrasi. Ketika filtrasi dikendalikan oleh pembentukan lapisan cake, efek MWCO dan ukuran pori tidak signifikan jika ultrafiltrasi dioperasikan dalam jangka waktu lama. Mekanisme penyumbatan pori sebagian atau keseluruhan terjadi dalam menit-menit pertama ketika filtrasi dimulai. Selain karena pengaruh pembentukan lapisan cake pada permukaan membran akibat polarisasi konsentrasi, tingginya rejeksi limonin dan naringin kemungkinan disebabkan karena molekul limonin dan naringin membentuk rantai yang panjang dan bercabang atau teragregat dengan senyawa kimia lainnya seperti pektin. Menurut Joslyn (1962) diacu dalam Hernandez (1992a), rejeksi pektin tidak berkorelasi langsung dengan berat molekul jika molekul pektin membentuk rantai linier atau bercabang dan menurut Hernadez (1992a) MWCO biasanya diperhitungkan untuk partikel yang berbentuk globular. Agregasi limonin dan naringin dengan pektin sangat mungkin terjadi karena menurut Rouse (1977) pektin merupakan hidrokoloid yang memiliki sifat pengemulsi dan thickener. Ini berarti bahwa pada struktur molekul pektin terdapat gugus polar (OH - ) dan non polar (gugus amida). Gugus polar molekul pektin dapat berikatan dengan senyawa polar seperti air, sedangkan gugus non

64 48 polar pektin dapat berikatan dengan senyawa non polar termasuk di dalamnya limonin dan naringin. Sifat hidrokoloid pektin juga dimanfaatkan oleh Shandu (2004) untuk mengurangi limonin di dalam jus jeruk Kinnow. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa pektin mampu mengurangi limonin di dalam jus. Menurut Rouse (1977), pektin merupakan koloid alami yang bersifat penstabil dan membuat kekentalan pada jus. Ketika koloid terdegradasi, jus menjadi bening dan encer serta terjadi pengendapan bahan koloid yang tersuspensi menjadi padatan tak terlarut berukuran besar yang dinamakan pulp. Dalam penelitian ini, pulp merupakan partikel putih berbentuk bulat sebagaimana terlihat pada Gambar 14 dan cukup banyak terdapat di dalam jus. Partikel tersebut membentuk rantai yang terlihat sambung menyambung serta bertumpuk-tumpuk. Partikel-partikel tersebut tidak terlihat lagi pada jus hasil mikrofiltrasi sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 23. Hasil penelitian menunjukkan adanya korelasi positif antara kandungan padatan tersuspensi dengan konsentrasi limonin dan naringin di dalam permeat. Ketika sebagian besar limonin dan naringin terejeksi, partikel warna serta partikel putih yang tersuspensi juga tidak terlihat lagi di dalam permeat hasil resirkulasi yang ditunjukkan oleh warna permeat hasil resirkulasi yang bening (Gambar 23). Keterkaitan antara padatan tersuspensi dengan limonin dan naringin semakin diperkuat oleh hasil pengamatan terhadap permeat resirkulasi menggunakan mikroskop. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa tidak terlihat lagi adanya partikel di dalam permeat (Gambar 24). Gambar 23 Jus hasil mikrofiltrasi.

65 49 Gambar 24 Pengamatan dengan mikroskop terhadap permeat hasil mikrofiltrasi yang diresirkulasi Pengaruh tekanan transmembran terhadap fluksi jus dan rejeksi Menurut Cheryan (1998), salah satu parameter operasi utama yang mempengaruhi fluksi adalah tekanan. Mikrofiltrasi jus jeruk selama 90 menit pada dua tekanan transmembran yaitu 1.27 dan 1.34 bar menghasilkan fluksi yang sedikit berbeda (Gambar 25). Fluksi permeat pada transmembran 1.34 bar sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan fluksi permeat pada tekanan transmembran 1.27 bar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan tekanan transmembran meningkatkan fluksi permeat TMP = 1.27 bar TMP = 1.34 bar Fluksi jus (L m -2 jam -1 ) < Waktu filtrasi (menit) Gambar 25 Fluksi jus selama mikrofiltrasi pada berbagai tekanan transmembran pada v=0.06 m dtk -1.