MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA PEMEKATAN JUS JERUK SIAM DENGAN REVERSE OSMOSIS ADETIYA RACHMAN

Transkripsi

1 MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA PEMEKATAN JUS JERUK SIAM DENGAN REVERSE OSMOSIS ADETIYA RACHMAN SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. 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, Januari 2009 Adetiya Rachman NRP: F

3 ABSTRACT ADETIYA RACHMAN. Mass Transfer Model on Concentration of Citrus Siam (Citrus nobilis) Juice in Application of Reverse Osmosis. Supervised by ERLIZA NOOR and SETYADJIT. Reverse Osmosis (RO) has become an effective technique for separation and concentration of ionic component from water, therefore the application is dominated for seawater desalination. More advance RO application is for separation in food and pharmaceutical industries. One of prospective application is for concentrating citrus juice. This research studied the concentration of citrus juice by low pressure reverse osmosis (LPRO) using polyamide spiral wound membrane at various operating conditions. The permeate flux was modeled by modification of Solution-Diffusion (SD) model. Modified solution diffusion model involved adsorption resistance has a better fit to the experimental values compared to modified SD - thin film model. Trans membrane pressure (TMP), flow rate and feed concentration were the important variables as controlling the adsorption process. The application of LPRO was able to concentrated juice up to 76 % and it could be considered as an initial process in concentrating citrus juice. Key words: low pressure reverse osmosis, citrus juice, solution diffusion model, adsorption

4 RINGKASAN ADETIYA RACHMAN. Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis. Dibimbing oleh ERLIZA NOOR dan SETYADJIT Reverse Osmosis (RO) telah menjadi teknik yang efektif untuk pemisahan dan pengkonsentrasian komponen ionik dari air sehingga penerapan aplikasi ini dewasa ini masih didominasi untuk proses desalinasi air laut. Semakin berkembangnya teknologi memperluas penerapan RO untuk pemisahan komponen dalam industri makanan dan farmasi. Salah satu penerapan RO dalam industri makanan yang memiliki prospek menjanjikan adalah pemisahan air untuk pemekatan jus jeruk. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh kondisi operasi RO (tekanan transmembran dan laju alir umpan) yang terbaik, mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi dari proses RO dengan tekanan rendah (LPRO) dan memperoleh faktor-faktor yang berpengaruh untuk pemisahan jus jeruk dari model perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO. Bahan baku yang digunakan dalam penelitian adalah jus jeruk siam Pontianak (Citrus nobillis L var microcarpa) hasil filtrasi membran mikrofiltrasi ukuran pori 0,1 µm dengan komposisi kandungan total padatan terlarut 6.82 o Brix, asam sitrat 0.56 % dan vitamin C sebesar mg per 100 mg. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk lilitan spiral (spiral wound) berbahan poliamida (PA) dengan luas permukaan 0.59 m 2 dan rejeksi NaCl 93%. Aplikasi membran Low Pressure Reverse Osmosis pada penelitian dilihat sebagai proses pra-pemekatan dengan RO. Penelitian dilakukan dengan dua cara yaitu filtrasi tanpa pemekatan dan filtrasi pemekatan. Filtrasi tanpa pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan permeat untuk mendapatkan kondisi operasi terbaik dan data untuk pemodelan. Filtrasi pemekatan dilakukan dengan resirkulasi retentat dan pemisahan permeat untuk mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi. Filtrasi tanpa pemekatan menggunakan kondisi operasi 4 laju alir umpan (0.01, 0.015, 0.02, dan 0.03 m s -1 ) dan 3 tekanan transmembran (4, 6 dan 8 bar). Parameter yang dilihat pada proses ini adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir crossflow terhadap fluksi, tingkat rejeksi dan kualitas konsentrat jeruk yang meliputi kadar gula, derajat Brix, dan total asam. Penelitian filtrasi pemekatan dilakukan dengan menggunakan kondisi operasi terbaik (TMP dan laju alir) yang didapat dari tahapan penelitian sebelumnya. Parameter yang diamati yaitu perubahan fluksi dan konsentrasi total padatan terlarut ( o Brix) selama proses pemekatan. Prediksi fluksi menggunakan model matematik dianalisis berdasarkan model SD (solution-difussion models) pada pemisahan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis) dengan pengembangan model yang dilihat dari dua pendekatan yang berbeda yaitu modifikasi dengan teori film dan tahanan adsorpsi. Model yang dikembangkan mempertimbangkan jus jeruk sebagai larutan multikomponen dan melihat jenis membran yang digunakan. Pemodelan pada akhirnya bertujuan untuk melihat faktor-faktor yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pemekatan jus jeruk dengan RO. Pengujian terhadap model yang telah diperoleh dilakukan dengan menggunakan data-data yang diperoleh dari hasil percobaan. Parameter yang diuji adalah fluksi permeat,

5 dimana fluksi yang diperoleh dari hasil percobaan dibandingkan dengan fluksi yang dihitung berdasarkan model. Hasil penelitian menunjukkan parameter operasi (TMP dan laju alir) berpengaruh terhadap fluksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi yang diperoleh semakin besar. Pengaruh TMP terhadap rejeksi menunjukkan kenaikan rejeksi total gula dengan peningkatan TMP. Peningkatan rejeksi gula dengan meningkatnya TMP terjadi karena perpindahan pelarut dalam hal ini air meningkat dengan peningkatan TMP. Peningkatan TMP lebih mempengaruhi perpindahan pelarut dibandingkan dengan perpindahan solut. Rejeksi total gula dengan peningkatan laju alir pada variasi TMP juga menunjukkan kenaikan nilai fluksi. Berdasarkan nilai fluksi dan rejeksi maka didapatkan kondisi operasi TMP dan laju alir yang terbaik untuk pemekatan jus jeruk dengan menggunakan rangkaian RO dalam penelitian ini adalah TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s -1 yang menghasilkan nilai fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu sebesar 0.73 L m -2 jam -1 dan 76 %. Parameter operasi (TMP dan laju alir) berpengaruh terhadap fluksi dan rejeksi, dimana semakin besar TMP dan laju alir maka fluksi dan rejeksi yang diperoleh semakin besar. Penelitian filtrasi pemekatan jus dilakukan dengan menggunakan kondisi operasi terbaik yang menghasilkan fluksi dan rejeksi tertinggi yaitu pada laju alir 0.03 m s -1 dan TMP 8 Bar. Tingkat pemekatan jus diukur dari proses pemekatan selama 6 jam dengan resirkulasi retentat dan pengambilan permeat. Konsentrasi umpan awal jus jeruk sebesar 6.7 o Brix menghasilkan konsentrat jus sebesar 11.8 o Brix selama 6 jam proses pemekatan atau tingkat pemekatan sebesar 76 %. Tingkat pemekatan untuk waktu yang lebih lama diprediksi dengan persamaan garis yang didapat dari data percobaan. Tingkat pemekatan tertinggi yang dapat diperoleh dihitung ketika pemekatan terhenti karena membran tidak lagi dapat memisahkan air atau fluksi sama dengan nol. Hasil perhitungan menunjukkan fluksi bernilai nol ketika pemekatan berlangsung setelah jam. Konsentrasi konsentrat yang didapat ketika fluksi bernilai nol yaitu sebesar 16.1 o Brix atau tingkat pemekatan sebesar 141 %. Tingkat pemekatan ini cukup baik untuk pemekatan dengan TMP relatif rendah. Penggunaan membran RO dengan tekanan rendah dalam penelitian ini dapat dipertimbangkan sebagai proses pra pemekatan jus jeruk dari rangkaian pemekatan jus jeruk menggunakan RO. Aplikasi ini juga dapat digunakan dalam memproduksi minuman jus jeruk alami tanpa penambahan gula (natural citrus juice with no added sugar). Analisis model menunjukkan nilai fluksi yang dihitung berdasarkan model SD yang dikembangkan dengan melibatkan tahanan adsorpsi menghasilkan kesesuaian yang lebih baik dibandingkan dengan model modifikasi SD teori film. Hal ini menunjukkan bahwa model SD tahanan adsorpsi mampu memprediksi fluksi lebih baik dibandingkan model SD teori film. Nilai fluksi hasil percobaan yang kecil dapat dijelaskan dengan model tahanan adsorpsi. Tahanan adsorpsi memberikan pengaruh yang signifikan terhadap tahanan membran yang pada akhirnya menyebabkan rendahnya nilai fluksi (flux drop) pada pemekatan jus jeruk dengan membran RO yang digunakan. Tekanan transmembran, laju alir dan konsentrasi umpan merupakan variabel penting yang mempengaruhi proses adsorpsi. Kata kunci: reverse osmosis tekanan rendah, jus jeruk, solution diffusion, adsorpsi

6 Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2009 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 Institut Pertanian Bogor 2. Dilarang mengumumkan atau memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apapun tanpa izin Institut Pertanian Bogor

7 MODEL PERPINDAHAN MASSA PADA PEMEKATAN JUS JERUK SIAM DENGAN REVERSE OSMOSIS ADETIYA RACHMAN Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

8 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Suprihatin

9 Judul Penelitian Nama NRP : Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis : Adetiya Rachman : 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 IPB Dr. Ir. Irawadi Jamaran Prof. Dr. Ir. Khairil A Notodiputro, MS Tanggal Ujian: 07 Januari 2009 Tanggal Lulus:

10 PRAKATA Alhamdulillah wa syukurillah penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia dan anugrah-nya sehingga tesis yang diberi judul Model Perpindahan Massa pada Pemekatan Jus Jeruk Siam dengan Reverse Osmosis ini dapat diselesaikan. Penelitian dilaksanakan pada bulan April hingga Agustus 2008 di laboratorium di lingkungan Departemen Teknologi Industri Pertanian (TIP) IPB dan di laboratorium di lingkungan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pascapanen Pertanian Bogor. Terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu Dr. Ir. Erliza Noor selaku ketua komisi pembimbing dan Bapak Dr. Ir. Setyadjit, M.App.Sc selaku anggota komisi pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan masukan dalam penyusunan tesis ini. Penghargaan dan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Badan Litbang Pertanian Departemen Pertanian yang telah memberikan kesempatan dan dukungan biaya dalam menjalankan studi Program Magister Sains di TIP IPB. Terima kasih juga penulis sampaikan pada Bapak Dr. Ir. Suprihatin sebagai penguji luar komisi atas kritik dan masukannya untuk penyempurnaan tesis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada segenap staf pengajar Sekolah Pascasarjana IPB yang telah memberi ilmu pengetahuan selama studi di IPB. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada staf dan teknisi labolatorium di lingkungan Departemen Teknologi Industri Pertanian dan Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Pasca Panen Pertanian, rekan-rekan S2 dan S3 TIP 2006, 2005 dan 2007 serta semua pihak yang telah membantu kelancaran studi dan penelitian. Ucapan terima kasih juga secara tulus penulis persembahkan kepada mamah, bapak, kakak dan adik serta keluarga besar dari bapak dan mamah yang telah memberikan doa dan dorongan dalam menyelesaikan studi S2 di IPB. Terima kasih juga disampaikan kepada seluruh penghuni wisma galih atas kebersamaannya selama penulis tinggal di Darmaga Bogor. Semoga tesis ini dapat bermanfaat dan memberikan sumbangsih yang nyata bagi dunia pendidikan dan penelitian. Bogor, Januari 2009 Adetiya Rachman

11 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bekasi pada tanggal 20 September 1977 dari Bapak Marsuki dan Ibu Wiwiek Shofia. Penulis merupakan anak kedua dari tiga laki-laki bersaudara. Pendidikan sarjana ditempuh di Program Studi Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, lulus pada tahun Penulis mendapatkan tugas belajar dari instansi kerja pada tahun 2006 dan diterima di Program Studi Magister Sains Teknologi Industri Pertanian (TIP) IPB. Beasiswa pendidikan pascasarjana diperoleh dari Badan Litbang Pertanian Departemen Pertanian Republik Indonesia. Penulis bekerja sebagai staf pengkaji di Balai Pengkajian Teknologi Pertanian (BPTP) Jawa Barat sejak tahun Bidang pengkajian yang menjadi tanggung jawab penulis adalah mekanisasi dan teknologi hasil pertanian.

12 i DAFTAR ISI DAFTAR ISI... i DAFTAR TABEL... iii DAFTAR GAMBAR... iv DAFTAR LAMPIRAN... vi I. PENDAHULUAN Latar Belakang Identifikasi Masalah Tujuan Penelitian Ruang Lingkup... 4 II. TINJAUAN PUSTAKA Produksi dan Potensi Jeruk Indonesia Komposisi Kimia Jus Jeruk dan Produk Filtrasi Membran Proses Pemekatan Jus Jeruk Aplikasi RO untuk Pemekatan Jus Fenomena Osmosis dan Tekanan Osmotik Model Perpindahan Massa RO Model Solution Diffusion (SD) teori film Model SD tahanan adsorpsi Penentuan Koefisien Transfer Massa III. BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan Peralatan Metode Penelitian Persiapan bahan baku Mikrofiltrasi Reverse Osmosis Pemodelan Tahap Pengujian Model IV. HASIL DAN PEMBAHASAN PEMISAHAN JUS JERUK DENGAN REVERSE OSMOSIS Karakteristik Fisik-kimia Umpan Fluksi Air, Permeabilitas dan Tahanan Membran... 31

13 ii Waktu Tunak Larutan Jus Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Fluksi Pengaruh TMP dan Laju Alir terhadap Rejeksi Tingkat Pemekatan Jus Jeruk PEMODELAN REVERSE OSMOSIS JUS JERUK Perhitungan Tekanan osmotik Model Perpindahan Massa a. Model SD Teori Film b. Model SD Tahanan Adsorpsi Neraca Massa Proses Pemisahan Jus Jeruk KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA L A M P I R A N... 62

14 iii DAFTAR TABEL 1 Produksi, kebutuhan, ekspor dan impor jeruk dan surplus jeruk Indonesia ( ) Kandungan gula di dalam jeruk Komposisi gula dalam jus jeruk Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983) Komposisi kimia jus jeruk umpan dan produk konsentrat hasil pemekatan dengan RO penelitian Jesus et al. (2007) Beberapa penelitian penerapan RO pada pemekatan jus buah Tekanan osmotik larutan sukrosa pada suhu 30 o C Tekanan osmotik larutan 1 % pada suhu 30 o C, dihitung dengan persamaan Van t Hoff Spesifikasi membran RO Karakteristik fisik-kimia jus jeruk umpan Nilai D i komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk Nilai k i komponen glukosa, sukrosa dan asam sitrat Tekanan osmosis pada sisi umpan dan permeat pada variasi laju alir dan TMP Perbedaan tekanan osmosis pada variasi laju alir dan TMP Fluksi hasil perhitungan dengan model SD teori film Fluksi hasil perhitungan dengan model SD - tahanan adsorpsi Neraca massa total gula pada pemisahan jus jeruk... 55

15 iv DAFTAR GAMBAR 1 Struktur molekul fruktosa Struktur molekul gluktosa Struktur molekul sukrosa Struktur molekul asam sitrat Fenomena osmosis Rangkaian alat membran mikrofiltrasi Rangkaian alat membran reverse osmosis Skema proses reverse osmosis jus jeruk Diagram alir penentuan kondisi tunak Diagram alir penelitian Pengaruh laju geser terhadap viskositas umpan Fluksi air selama filtrasi pada TMP 0.34 Bar dan laju alir 0.04 m s Grafik hubungan TMP dengan fluksi air pada laju alir 0.01 m s Fluksi jus selama proses filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s Konsentrasi TPT pada umpan dan permeat pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s Rejeksi TPT selama beberapa waktu filtrasi pada TMP 8 Bar dan laju alir 0.03 m s Pengaruh TMP terhadap fluksi pada beberapa laju alir Pengaruh laju alir terhadap fluksi pada variasi TMP Pengaruh TMP terhadap rejeksi total gula pada variasi laju alir Pengaruh TMP terhadap konsentrasi total gula permeat Pengaruh laju alir terhadap rejeksi total gula pada beberapa TMP Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pengambilan permeat pada TMP 8 Bar, laju alir 0.03 m s -1 dan konsentrasi umpan 6.7 o Brix Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD teori film pada variasi laju alir Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD teori film pada variasi TMP Plot garis tahanan membran setelah filtrasi (R m )... 51

16 28 Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD tahanan adsorpsi pada variasi laju alir Fluksi hasil percobaan (titik) dan hasil prediksi (garis) model SD tahanan adsorpsi pada variasi TMP Perbandingan nilai fluksi percobaan dan fluksi perhitungan dengan kedua model (laju alir 0.03 m s -1 ) v

17 vi DAFTAR LAMPIRAN 1 Perhitungan luas area umpan dan maksimum laju alir Prosedur analisis a Kurva standar total gula b Kurva standar total gula pereduksi Viskositas jus jeruk umpan pada berbagai laju geser a Fluksi air selama filtrasi b Fluksi air pada beberapa TMP (v= 0.01 m s -1 ) Fluksi jus selama filtrasi Konsentrasi TPT umpan dan permeat serta rejeksinya selama filtrasi a Fluksi jus pada variasi TMP dan laju alir b Lampiran 8b Analisis varians (ANOVA) pengaruh TMP dan laju alir terhadap fluksi a Rejeksi total gula pada variasi TMP dan laju alir b Konsentrasi total gula umpan, permeat dan retentat pada variasi TMP dan laju alir c Total Padatan Terlarut (TPT) umpan dan permeat pada variasi TMP dan laju alir a Konsentrasi gula pereduksi umpan dan permeat b Konsentrasi glukosa umpan dan permeat c Konsentrasi sukrosa umpan dan permeat d Konsentrasi asam sitrat umpan dan permeat Fluksi selama pemekatan jus jeruk dengan pemisahan permeat Konsentrasi umpan dan permeat selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat Pengaruh konsentrasi umpan terhadap fluksi selama pemekatan jus dengan pemisahan permeat Penurunan persamaan Shocks dan Miquel s Perhitungan bilangan Reynold Viskositas umpan jus jeruk untuk fluida non-newtonian, D oi asam sitrat Perhitungan koefisien diffusivitas (D i ) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk Perhitungan koefisien perpindahan massa (k i ) komponen glukosa sukrosa dan asam sitrat dalam jus jeruk Konsentrasi pada permukaan membran (C mi ) Perhitungan tekanan osmosis... 85

18 vii 21 Perhitungan fluksi menggunakan model SD Teori Film Fluksi air setelah filtrasi pada beberapa TMP Perhitungan fluksi menggunakan model SD - tahanan adsorpsi... 88

19 1 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Reverse Osmosis (RO) telah menjadi teknik yang efektif untuk pemisahan dan pengkonsentrasian komponen ionik dari air sehingga penerapan RO dewasa ini masih didominasi untuk proses pemisahan garam atau desalinasi air laut. Pengembangan teknologi RO memperluas penerapan aplikasi ini untuk pemisahan komponen dalam industri makanan dan farmasi (White et al. 2002). Salah satu penerapan RO dalam industri makanan yang memiliki prospek baik adalah pemisahan air untuk pemekatan jus jeruk. Teknik yang umum dilakukan pada proses pemekatan jus adalah proses evaporasi, namun kelemahan dari penggunaan suhu yang tinggi pada evaporasi secara umum dapat menurunkan kandungan gizi dan aroma konsentrat sari jeruk (Rao 1995 di dalam Rao dan Rizvi 1995). Selain itu penggunaan suhu tinggi pada proses evaporasi memerlukan energi yang besar. Proses RO dilakukan pada suhu ruang sehingga komponen jus jeruk yang rentan terhadap suhu tinggi dapat tetap dipertahankan dalam kondisi baik. Penerapan RO untuk pemekatan jus jeruk telah dilakukan dan dapat menghasilkan konsentrat jus jeruk dengan total padatan terlarut sebesar o Brix dari total padatan larutan umpan awal sebesar o Brix atau pemekatan sebesar % pada kondisi operasi tekanan transmembran Bar (Silva et al. 1998; Cassano et al. 2003; Jesus et al. 2007). Penelitian pemekatan jus jeruk umumnya menggunakan tekanan tinggi diatas 20 Bar. Penggunaan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis - LPRO) untuk pemekatan jus belum dilakukan. Penerapan LRPO masih terbatas pada pemisahan larutan dengan tingkat padatan terlarut yang rendah. Penggunaan tekanan yang rendah pada LPRO memiliki keuntungan dari sisi penggunaan energi yang lebih efisien. Pada penelitian ini mencoba melakukan pemekatan jus jeruk dengan menggunakan LPRO. Pengembangan model matematis pada RO telah banyak dilakukan untuk memprediksi fluksi pada pemisahan garam dari larutan garam. Pengembangan model yang sesuai menggambarkan kinerja RO sangat penting untuk merancang

20 2 proses RO. Model yang memprediksi karakteristik pemisahan juga meminimalkan penelitian yang harus dilakukan untuk menjelaskan sistem tertentu (Williams 2003). Model matematis perpindahan massa dalam RO secara garis besar dibagi menjadi tiga, yaitu model termodinamika satu arah (irreversible thermodynamics), model membran nonpori atau homogen (nonporous or homogeneous membrane models) dan model pori (pore models) (Williams 2003). Pengembangan model dalam RO pada awalnya hanya terbatas untuk pemisahan garam dari air laut menggunakan larutan garam ideal. Perluasan aplikasi RO mendorong pengembangan model perpindahan massa dengan RO tidak hanya untuk desalinasi air laut, tetapi juga berkembang untuk aplikasi lain terutama untuk industri makanan dan farmasi. Salah satu model perpindahan massa untuk RO yang dikembangkan dari larutan garam untuk untuk aplikasi lain adalah model Solution Diffusion (SD). Model ini telah banyak digunakan dan terbukti mampu memprediksi fluksi larutan ideal dari campuran komponen yang telah diketahui konsentrasinya (multisolute solution) dengan baik. Kimura et al. 1992; Dickson et al menggunakan model ini pada pemekatan campuran larutan ideal dengan RO yang menghasilkan kesesuian antara fluksi percobaan dan fluksi prediksi. Model SD juga telah dikembangkan dan menghasilkan kesesuaian model untuk aplikasi pemekatan jus buah. Alvarez et al. (1997) melakukan penelitian pemekatan jus apel dengan RO dan memprediksi fluksi menggunakan model difusi-larutan (solution-difussion models) yang dikombinasikan dengan teori film. Hasil penelitian menunjukkan model SD yang dikombinasikan dengan teori film mampu memprediksi nilai fluksi pemekatan jus apel dengan akurat. Kendala yang dihadapi dalam pengembangan model perpindahan massa adalah ketidaksesuaian antara nilai fluksi hasil prediksi dan fluksi hasil percobaan. Modifikasi yang dilakukan Alvarez et al. (1997) pada model SD yang dikembangkan adalah dengan mengkombinasikan model SD dengan teori film untuk menjelaskan fenomena polarisasi konsentrasi pada permukaan membran. Pengembangan model SD dengan menggunakan membran LPRO dilakukan oleh Williams (1989); Bhattacharyya and Madadi (1988); Deshmukh (1989); dan

21 3 Kothari (1991) diacu dalam Williams (2003) untuk larutan organik. Pengembangan dilakukan dengan menambahkan tahanan adsorpsi pada model untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi (flux drop). Williams (1989) mengasumsikan larutan organik diadsorpsi oleh permukaan membran pada penerapan kondisi operasi tekanan transmembran (TMP) yang rendah. Peristiwa adsorpsi ini menyebabkan tahanan membran bertambah selain dari tahanan instrinsik membran dan dihitung sebagai tahanan adsorpsi (Williams, 2003). Penelitian pemekatan jus jeruk dengan RO umumnya dilakukan pada skala pilot dengan menggunakan tekanan tinggi (diatas 20 bar). Penggunaan membran RO dengan tekanan rendah dibawah 20 Bar (Low Pressure Reverse Osmosis) pada pemekatan jus dalam skala laboratorium belum dilakukan. Prediksi fluksi melalui model matematis juga belum dikembangkan. Penelitian ini akan mengkaji penerapan RO untuk pemekatan jus jeruk dan perkiraan mekanisme perpindahan massa untuk memprediksi fluksi berdasarkan model RO untuk larutan garam. Kajian proses pemekatan jus jeruk dengan RO merupakan kelanjutan dari penelitian pemisahan limonin dan naringin dari jus jeruk siam (Citrus nobilis Lour var. microcarpa) menggunakan mikrofiltrasi (Aghitsni 2008). Larutan jus jeruk siam hasil mikrofiltrasi selanjutnya dipekatkan dengan RO untuk mendapatkan jus konsentrat Identifikasi Masalah Model perpindahan massa dengan RO yang telah ada pada umumnya dikembangkan menggunakan larutan ideal. Masalah yang timbul dari pengembangan model adalah jus jeruk bukan merupakan larutan ideal, dimana jus jeruk terdiri dari beberapa komponen yang memiliki karakteristik berbeda seperti viskositas, ph, kadar asam serta komposisi komponen didalamnya. Penerapan model yang secara prinsip berbeda perlu diteliti pada pemekatan jus jeruk untuk mendapatkan model yang secara tepat mampu menjelaskan faktor-faktor yang berpengaruh terhadap mekanisme perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO.

22 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Memperoleh kondisi operasi RO (tekanan transmembran dan laju alir umpan) yang terbaik. 2. Mendapatkan tingkat pemekatan tertinggi dari proses RO dengan tekanan rendah (LPRO). 3. Memperoleh faktor-faktor yang berpengaruh untuk pemisahan jus jeruk dari model perpindahan massa pada pemekatan jus jeruk dengan RO Ruang Lingkup Penelitian menggunakan bahan baku jus jeruk siam Pontianak (Citrus nobillis L var microcarpa) hasil filtrasi membran mikrofiltrasi ukuran pori 0,1 µm dengan komposisi kandungan total padatan terlarut 6.82 o Brix, asam sitrat 0.56 % dan vitamin C sebesar mg per 100 mg. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk lilitan spiral (spiral wound) berbahan poliamida (PA) dengan kondisi operasi tekanan transmembran rendah (4-8 Bar). Aplikasi membran Low Pressure Reverse Osmosis pada penelitian dilihat sebagai proses pra-pemekatan dengan RO. Parameter yang dilihat pada proses ini adalah pengaruh tekanan transmembran dan laju alir crossflow terhadap fluksi, tingkat rejeksi dan kualitas konsentrat jeruk yang meliputi kadar gula, derajat Brix, dan total asam. Selanjutnya dilakukan prediksi fluksi menggunakan model matematik berdasarkan model SD (solution-difussion models) pada pemisahan RO dengan tekanan rendah (Low Pressure Reverse Osmosis) dengan pengembangan model yang dilihat dari dua pendekatan yang berbeda yaitu modifikasi dengan teori film dan tahanan adsorpsi.

23 5 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Produksi dan Potensi Jeruk Indonesia Produksi jeruk Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun dengan jumlah signifikan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Produksi, kebutuhan, ekspor dan impor jeruk dan surplus jeruk Indonesia ( ) Tahun Produksi (ton) Kebutuhan Jeruk nasional (ton) Ekspor (ton) Surplus 1) ton) ) Sumber : BPS (2007), Ditjen Tanaman Pangan (2005) 1) data diolah 2) angka prediksi Produksi jeruk nasional setiap tahunnya secara umum masih jauh diatas konsumsi dan ekspor jeruk Indonesia (Tabel 1). Nilai surplus produksi setiap tahunnya mengalami peningkatan yang signifikan, tetapi disisi lain Indonesia masih mengimpor jeruk dan produk olahannya. Impor produk olahan jus dan konsentrat jeruk mencapai ton dengan nilai mencapai 2,1 juta dolar atau sekitar 19 milyar rupiah (BPS 2001). Nilai surplus dan impor produk olahan jus dan konsentrat jeruk merupakan potensi yang sangat besar dalam pengembangan produk olahan jeruk untuk memberikan nilai tambah yang signifikan Komposisi Kimia Jus Jeruk dan Produk Filtrasi Membran Komponen kimia penyusun terbesar yang terdapat dalam jeruk adalah karbohidrat. Buah jeruk dalam setiap 100 gram bagian yang dapat dimakan (BDD) mengandung, karbohidrat 7,2 gram, protein 0,5 gram dan lemak 0,1 gram dan vitamin C mg. Kandungan kimia lain yang terkandung dalam jeruk yaitu asam organik dan asam amino. Jenis asam organik yang terdapat dalam

24 jeruk antara lain asam sitrat, asam malat, asam suksinat, asam oksalat, asam malonat, dan asam-asam dalam jumlah kecil lainnya (Vandercook 1977). Jenis karbohidrat dalam buah jeruk yaitu karbohidrat yang dapat larut yaitu gula dan karbohidrat yang tidak dapat larut (polisakarida) (Winarno 1992). Komposisi kandungan gula dalam jus dari beberapa varietas jeruk dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kandungan gula di dalam jeruk Varietas Gula (%) Pereduksi Non-pereduksi Total Grape fruit (Marsh) Lemon ( Eureka ) Lime (Tahiti) Valencia orange Navel orange Sumber : Cready (1977) Komposisi gula pada jus jeruk segar maupun yang telah diproses secara umum tidak berbeda dari komposisi jeruk (Tabel 2). Komponen gula utama dalam jus jeruk yaitu fruktosa, glukosa dan sukrosa. Komposisi fruktosa, glukosa dan sukrosa dari total gula berdasarkan Tabel 3 masing-masing sebesar 28, 26 dan 46%. 6 Tabel 3 Komposisi gula dalam jus jeruk Kategori Komposisi (%) Fruktosa Glukosa Sukrosa Total Jus jeruk tanpa gula Minuman jus jeruk + gula Sumber: ACT (2008) Fruktosa dan glukosa merupakan gula pereduksi dengan rumus molekul yang sama yaitu C 6 H 12 O 6 tetapi dengan struktur molekul yang berbeda. Bobot molekul kedua senyawa juga sama yaitu g mol -1. Sukrosa merupakan gula non pereduksi termasuk dalam disakarida dengan rumus molekul C 12 H 22 O 11 dan berat molekul sebesar g mol -1. Asam asetat yang merupakan jenis asam organik yang paling banyak terdapat pada jeruk memiliki rumus molekul C 6 H 8 O 7 dengan berat molekul g mol -1. Struktur molekul fruktosa, glukosa, sukrosa dan asam sitrat dapat dilihat pada Gambar 1, 2, 3 dan 4 (Wikipedia 2008, 2009a, 2009b, 2009c).

25 7 CH 2 OH O OH H OH H CH 2 OH H OH Gambar 1 Struktur molekul fruktosa CH 2 OH H H O OH OH OH H H H OH Gambar 2 Struktur molekul glukosa CH 2 OH H H O CH 2 OH O OH OH OH H O OH H CH 2 OH H OH H OH Gambar 3 Struktur molekul sukrosa O OH OH O O OH OH Gambar 4 Struktur molekul asam sitrat

26 8 Komposisi jus yang penting mempengaruhi kualitas jus jeruk antara lain padatan terlarut, keasaman, rasio Brix/asam, warna jus, kadar senyawa penyebab rasa pahit rendah dan kadar flavor yang baik (USDA 1983). Standar jus jeruk pasteurisasi menurut USDA dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Standar kualitas jus jeruk pasteurisasi menurut USDA (1983) Standar Grade A Grade B Jus murni Jus + gula Jus murni Jus + gula Brix min min min min.10.5 Rasio brix / asam min max min max min max min max California/arizona 11.5:1 18.0:1 12.5:1 20.5:1 10.5:1 23.0:1 10.5:1 23.5:1 Diluar California/arizona 12.5:1 20.5:1 12.5:1 20.5:1 10.5:1 23.0:1 10.5:1 23.5:1 Proses klarifikasi jus jeruk dengan menggunakan membran menyebabkan perubahan komposisi jus jeruk yaitu penurunan kandungan beberapa komponen utama. Aghitsni (2008) mendapatkan penurunan kandungan jus jeruk hasil mikrofiltrasi membran 0.1 µm sebesar 38 % untuk total padatan terlarut, 44% untuk kandungan vitamin C dan penurunan 10% untuk kandungan asam sitrat. Penurunan kandungan jus jeruk yang mempengaruhi kualitas jus jeruk seperti total padatan terlarut, kadar asam dan vitamin C tidak diharapkan pada proses filtrasi dengan membran. Proses klarifikasi jus jeruk menggunakan filtrasi membran umumnya dilanjutkan dengan proses pemekatan dengan membran RO. Pemekatan dengan RO selain bertujuan untuk menghilangkan kandungan air juga dapat bertujuan untuk meningkatkan kualitas jus jeruk. Produk konsentrat yang dihasilkan dengan RO mampu mempertahankan bahkan meningkatkan komposisi kimia jus jeruk. Tabel 5 memperlihatkan perbandingan komposisi kimia jus jeruk awal dan konsentrat hasil penelitian pemekatan jus jeruk menggunakan RO yang didapat Jesus et al. (2007). Tabel 5 Komposisi kimia jus jeruk umpan dan produk konsentrat hasil pemekatan dengan RO penelitian Jesus et al. (2007) Jus awal Jus konsentrat (TMP) 20 bar 40 bar 60 bar ph Total asam (g asam sitat/ 100 ml) Padatan terlarut (_Brix) Viskositas (mpa s) Vit. C (mg asam askorbat / 100 g)

27 Proses Pemekatan Jus Jeruk Konsentrat jus jeruk adalah produk non fermentasi dan dapat difermentasi setelah direkontitusi (diencerkan kembali) yang diolah melalui proses pemekatan. Jus adalah produk non fermentasi tetapi dapat difermentasi yang ditujukan untuk konsumsi langsung yang diproses secara mekanis dari buah jeruk (Codex Stan 1981). Menurut Cruess (1958) konsentrat jus merupakan cairan kental dari produk jus (sari buah) yang diperoleh melalui proses penguapan pada tekanan vakum pada suhu rendah sehingga kerusakan-kerusakan kimiawi selama proses dapat dihindarkan. Produk konsentrat umumnya dikentalkan sampai mencapai o Brix. Menurut Codex Alimentarius Comission (1981) proses pemekatan jus jeruk adalah penghilangan air hingga produk akhir mencapai total padatan terlarut tidak kurang dari 20% (pengukuran pada refraktometer 20 o C). Produk dapat terdiri dari jus murni atau konsentrat dengan penambahan air serta komponen volatil alami jus jeruk yang hilang pada saat proses untuk mempertahankan kualitas konsentrat komponen penting didalamnya. Kondisi yang perlu dijaga untuk memperoleh konsentrat bermutu tinggi antara lain adalah temperatur proses yang rendah atau waktu kontak yang pendek pada proses dengan temperatur tinggi. Pemekatan jus diusahakan tidak menghilangkan karakteristik komponen jus yang ditentukan oleh komponen volatil dan vitamin yang sangat rentan terhadap perlakuan panas. Proses pemindahan air dari jus diusahakan komponen volatil tidak ikut terbawa atau hilang. Beberapa metoda yang dapat digunakan antara lain evaporasi vakum dan freeze concentration (Thijssen 1974; Jesus et al. 2007). Proses pemisahan seperti klarifikasi dan konsentrasi jus memiliki aturan dasar yang mempengaruhi kualitas. Buah pada umumnya memiliki kandungan air 75% hingga 95%. Penghilangan kandungan air akan mengurangi biaya pengemasan, penyimpanan dan transportasi, disamping juga mengurangi aktivitas air yang akan memperpanjang umur simpan produk yang pada akhirnya meningkatkan kualitas produk. Pemekatan secara sederhana dilakukan dengan penggunaan temperatur tinggi yang mengakibatkan perubahan cita rasa dan kandungan nutrisi yang signifikan (Gomes et al. 2005; Jesus et al. 2007).

28 10 Penggunaan teknologi membran merupakan alternatif dalam pemekatan jus jeruk. Proses membran tidak menggunakan temperatur tinggi dan energi yang dibutuhkan selama proses relatif rendah Aplikasi RO untuk Pemekatan Jus Jenis aplikasi membran yang dapat diterapkan untuk proses pemekatan jus buah-buahan adalah Reverse Osmosis (RO), Distilasi Membran (Membrane Destillation) dan Destilasi Osmotik (Osmotic Distillation - OD). Perbedaan jenis aplikasi terletak pada daya penggerak yang digunakan, dimana pemisahan dengan RO menggunakan prinsip perbedaan tekanan, MD berdasarkan perbedaan temperatur, sedangkan OD berdasarkan perbedaan konsentrasi larutan antara dua sisi membran (Mulder 1996; Cassano et al. 2003). RO adalah membran non-porous dimana hampir hanya air yang dapat melewati membran ini. Garam/ion dan bahan organik dengan ukuran molekul > 50 Da dapat ditahan oleh membran ini. Tekanan yang digunakan dalam operasi RO sebesar bar, tetapi dapat juga mencapai 200 bar (Cheryan 1998). RO dapat digunakan sebagai alternatif pemekatan jus, dimana proses ini produk tidak mengalami perubahan fase atau menggunakan temperatur tinggi. Kelebihan utama dari pemekatan RO adalah menghasilkan produk berkualitas tinggi dimana nutrisi, aroma dan komponen flavor bahan yang diolah dapat dipertahankan. Proses RO bekerja pada temperatur operasi yang rendah sehingga membutuhkan konsumsi energi yang rendah, instalasi yang kompak dan pengoperasian yang mudah (Alvarez et al. 2000; Girard & Fukumoto 2000; Koseoglu et al diacu dalam Jesus et al. 2007). Kekurangan dari proses ini adalah tingkat pemekatan yang lebih rendah dibandingkan evaporasi thermal, karena tekanan osmosis jus buah yang tinggi membatasi efisiensi proses. Proses RO secara prinsip dapat memisahkan air dari jus tetapi dibatasi oleh tekanan osmotik jus yang tinggi. Komponen aroma dan beberapa unsur kimia lain seperti antosianin, vitamin, gula, asam, Kalsium, Kalium, Magnesium dan Fosfor ditahan selama proses RO. Tingkat pemekatan jus buah pada industri jus konvensional mampu mencapai 42 hingga 65 o Brix, dalam hal ini RO harus dilihat sebagai proses awal yang diikuti proses lain seperti evaporasi osmotik

29 (Girard & Fukumoto 2000 diacu dalam Jesus et al. 2007). Operasi proses RO memerlukan tekanan tinggi untuk dapat melewati tekanan osmosis jus (10 hingga 200 bar). Sebagai contoh, jus jeruk dengan total padatan 11% memiliki tekanan osmotik 15 bar, ketika dipekatkan hingga 60%, tekanan osmotiknya meningkat hingga 190 bar (Cassano et al. 2003; Cheryan 1998; Gostoli et al diacu dalam Jesus et al. 2007). Beberapa penelitian penerapan RO dalam proses pemekatan jus buah-buahan dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6 Beberapa penelitian penerapan RO pada pemekatan jus buah No. Peneliti, tahun Bahan baku Membran Kondisi operasi Hasil 1. Galaverna et Jus jeruk UF, RO, P RO: 60 Bar al manis (blood orange) OD 2. Jesus et al. jeruk brazil RO P: 20;40; cv. Pera Bar (Citrus Laju alir 650 sinensis l.jam -1 L.Osbeck) 3. Gomes et al jus acerola UF, RO P RO: 20; 40; 60 Bar o Brix RO: 21,4 o Brix OD: 60,6 11 FP: 2,3; 3,8; 5,8 o Brix 16; 28; 36 Fluksi: 11; 20; 28 liter.jam -1.m -2 o Brix: 9,76; 14,56; 17,36 4. Rodrigues et al Cassano et al Alvarez et al Alvarez et al Silva et al Jus camucamu (Brazil) RO, evaporasi osmotik P RO: 20,40,60 Bar, jeruk UF, RO, P RO: 25; 35 (orange dan MD Bar lemon) dan wortel Jus apel RO P Bar Jus apel UF, RO, PV, evaporasi Jus jeruk UF 50 kda, RO P RO: 70 Bar UF: 1,2 Bar, RO: 20; 40; 60 Bar o Brix: 14,8-25,5 Fluksi rata-rata: 18,2 50,6 liter.jam -1.m -2 RO: o Brix Jeruk: 20, FP: 1,79, Fluksi: 10 2 liter.jam -1.m -2 o Brix 10-22,7, Fluksi 25 liter.jam -1.m -2 RO: o Brix 25,5-26,6, Fluksi 12,5 16 liter.jam -1.m 2 Evaporasi: 72 o Brix Faktor pemekatan (FP): 2,77; 3,53; 3,59, o Brix: 18,15; 23,44; 29,8 Tekanan osmotik pada jus pada proses RO telah diperkirakan akan meningkat secara cepat dengan peningkatan konsentrasi gula (100 dan 200 bar

30 12 untuk konsentrasi 42 dan 60 gram TSS/100 gram). Nilai konsentrasi juga menunjukkan peningkatan kekentalan. Faktor tekanan osmotik dan kekentalan mempengaruhi proses pemekatan sehingga pemekatan dengan RO tidak dapat lebih dari 20% untuk kondisi operasi tekanan transmembran 35 Bar dan pemekatan hingga 36 % pada tekanan transmembran hingga 60 Bar. Keterbatasan ini menyebabkan proses RO hanya dapat dipertimbangkan sebagai proses pemekatan awal (Cassano et al. 2003; Jesus et al. 2007) Fenomena Osmosis dan Tekanan Osmotik Menurut Cheryan (1998) pemisahan membran pada umumnya dibatasi oleh batas tertinggi kandungan padatan (solid) dalam larutan yang dapat diperoleh. Pada RO, tekanan osmotik larutan umpan membatasi proses filtrasi. Tekanan osmotik adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan proses osmosis dalam sistem membran semi permiabel (Park 1996). Fenomena osmosis merupakan peristiwa perpindahan (transport) air atau pelarut melalui membran semipermeabel. Membran semipermeabel didefinisikan sebagai membran yang dapat melewatkan (permeable) pelarut dan tidak dapat melewatkan (impermeable) zat terlarut (solute). Fenomena osmosis berhubungan dengan fraksi mol air, X 1 dan potensial kimia (chemical potential), µ (Gambar 5). Fraksi mol adalah komposisi mol air dalam larutan, bernilai 1 untuk air murni dan bernilai 0<X 1 <1 pada larutan. Potensial kimia adalah gaya dorong yang ditimbulkan karena perubahan energi bebas dalam sistem yang menghasilkan perubahan komposisi pada sistem (Cheryan 1998). Larutan X 1 < 1 µ 1 Membran Air X 1 = 1 µ 1 Gambar 5 Fenomena osmosis. Dua sisi ruang dipisahkan oleh membran semipermeabel ideal. Tanda panah menunjukkan perpindahan air karena perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998)

31 13 Energi tertinggi pada air yang menentukan potensial kimia tertinggi adalah dalam bentuk air murni. Penambahan material atau bahan pengotor dalam air akan meningkatkan entropi yang menyebabkan penurunan energi bebas, sehingga potensial kimia air dalam larutan akan menurun dan selalu lebih kecil dibandingkan air murni. Potensial kimia air pada larutan (µ 1 ) di sisi kiri membran lebih kecil dibandingkan potensial kimia air murni (µ o 1 ) di sisi kanan (Gambar 5). Membran permeabel terhadap air menyebabkan air berpindah dari sisi kanan ke sisi kiri membran hingga mencapai kesimbangan potensial kimia. Secara teori kesetimbangan tidak akan tercapai karena fraksi mol air pada larutan selalu lebih kecil dari satu dan secara teori air akan sepenuhnya berpindah ke sisi kiri membran. Dalam prakteknya, peningkatan ketinggian larutan pada sisi kiri membran menghasilkan tekanan hidraulik terhadap membran. Air akan berhenti berdifusi melalui membran ketika tekanan yang terjadi mencapai keseimbangan dengan perbedaan potensial kimia (Cheryan 1998). Hubungan antara potensial kimia dan fraksi mol dalam sistem membran semipermeabel dituliskan sebagai (Cheryan 1998): ln (1) dimana, P* = tekanan eksternal Po = tekanan standar R = konstanta gas ideal ( atm L g mol -1 o K -1 ) T = temperatur ( o K) V = volume pelarut (L) o Tekanan yang diberikan sehingga menghasilkan nilai µ 1 - µ 1 = 0 disebut tekanan osmotik (π), seperti π = (P* Po) dan dengan asumsi cairan tidak dalam keadaan termampatkan (incompressible), persamaan (1) menjadi: atau ln (2) ln (3)

32 Persamaan (3) merupakan persamaan termodinamik untuk tekanan osmotik atau dikenal sebagai persamaan Gibbs. Persamaan ini berlaku dengan menggunakan 2 asumsi yaitu keadaan larutan ideal, dimana hanya sesuai untuk larutan yang sangat encer, dan cairan tidak dalam keadaan termampatkan, dimana hanya berlaku pada keadaan tekanan yang relatif rendah (Cheryan 1998). Pengembangan persamaan tekanan osmotik dilakukan juga oleh Van t Hoff. Persamaan tekanan osmotik Van t Hoff sebagai berikut (Cheryan 1998): (4) dimana, C = konsentrasi komponen terlarut (g L -1 ) dalam larutan M = berat molekul komponen terlarut i = bilangan ion untuk komponen terionisasi (contoh: i = 1 untuk gula, i = 2 untuk NaCl) Ketepatan kedua model (Gibbs dan Van t Hoffman) dalam memprediksi tekanan osmosis dapat dilihat pada Tabel 7. Model Van t Hoff menghasilkan nilai tekanan osmotik yang memiliki deviasi signifikan dalam semua tingkat konsentrasi. Hal ini disebabkan beberapa asumsi perkiraan yang ditentukan dalam pembuatan model. Persamaan Gibbs lebih akurat dalam memprediksi tekanan osmosis dalam kisaran konsentrasi yang cukup luas, tetapi pada konsentrasi tinggi deviasi nilai tekanan osmotik dari keadaan larutan ideal masih terjadi. Tabel 7 Tekanan osmotik larutan sukrosa pada suhu 30 o C Tekanan osmotik (atm) Konsentrasi Molalitas Persamaan Data (% w/w) Model Gibbs Van t Hoff percobaan Sumber : Cheryan (1998) 14

33 Nilai tekanan osmotik (Tabel 7) terlihat meningkat dengan peningkatan konsentrasi solut. Selain konsentrasi solut, berat molekul solut dalam larutan mempengaruhi tekanan osmotik yang ditimbulkan. Tabel 8 memperlihatkan pada konsentrasi yang sama, tekanan osmotik larutan garam (NaCl) lebih besar dibandingkan tekanan osmotik larutan gula dan protein. Hal ini menunjukkan komponen solut dengan berat molekul lebih kecil memberikan tekanan osmosis yang jauh lebih besar. Tabel 8 Tekanan osmotik larutan 1 % pada suhu 30 o C, dihitung dengan persamaan Van t Hoff Komponen Berat Molekul (M) Bilangan ion (i) Tekanan osmotik (psi) NaCl Laktosa Kasein Sumber : Cheryan (1998) 15 Perhitungan tekanan osmotik pada jus buah-buahan yang terdiri dari beberapa komponen terlarut dalam proses pemekatan menggunakan RO dilakukan oleh Alvarez et al. (1998; 2002). Alvarez et al. (1997; 2002) menggunakan modifikasi dan kombinasi model Gibbs dan persamaaan Van t Hoff untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel sebagai bagian pemodelan dalam memprediksi fluksi. Model Gibbs digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik yang diberikan oleh komponen gula dengan modifikasi perhitungan fraksi mol air, sedangkan persamaan Van t Hoff digunakan untuk memprediksi tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh asam malat. Hasil perhitungan model menunjukkan kesesuaian dengan nilai percobaan. Komponen gula dan asam organik digunakan sebagai komponen utama penentu tekanan osmotik jus karena komponen tersebut merupakan komponen mayor penyusun jus dengan konsentrasi tinggi dan memiliki berat molekul yang rendah (Merson dan Morgan 1968 diacu dalam Alvarez 1997). Pengukuran tekanan osmotik jus apel yang diberikan oleh komponen gula ditentukan oleh komponen glukosa dan sukrosa. Hal ini berdasarkan rata-rata persamaan empirik yang didapat oleh Nabetani et al. (1992) diacu dalam Alvarez et al. (2002) yang menyatakan komponen fruktosa dan sorbitol bersifat sama dengan glukosa dalam kontribusinya terhadap tekanan osmotik.

34 16 Perhitungan tekanan osmotik yang diberikan asam malat menggunakan persamaan Van t Hoff. Walaupun persamaan ini memberikan nilai deviasi yang besar pada konsentrasi solut yang tinggi, persamaan ini masih dapat digunakan untuk konsentrasi solut dibawah 1%, dalam hal ini sesuai kandungan asam malat dalam jus apel. Perhitungan tekanan osmotik jus apel mengikuti persamaan sebagai berikut (Alvarez et al. 1998; 2002):,, ln (5) dimana: C s2, C g2, C m2 = konsentrasi sukrosa, glukosa, asam malat pada permukaan membran M s, M g, M m = berat molekul sukrosa, glukosa, asam malat M w = berat molekul air V w = volume molar air murni (18.07 X 10-3 kmol -1 ) 2.6. Model Perpindahan Massa RO Menurut William (2003) model perpindahan massa dengan RO secara garis besar dibagi menjadi tiga, yaitu: model termodinamika tidak dapat balik (irreversible thermodynamics) seperti model Kedem-Katchalsky dan Spiegler- Kedem; model membran nonpori atau homogen (nonporous or homogeneous membrane models) seperti model solution-diffusion, solution-diffusionimperfection, dan model extended solution-diffusion; dan model pori (pore models) seperti model finely-porous, preferential sorption capillary flow, dan model surface force-pore flow. Masing-masing model memiliki asumsi yang berbeda dalam memprediksi fluksi dengan menggunakan perhitungan matematik. Perbedaan mendasar terdapat pada asumsi model homogen dan model pori. Model homogen mengasumsikan RO merupakan membran tidak berpori dan perpindahan terjadi melalui ruang antar rantai polimer, umumnya secara difusi. Model pori mengasumsikan perpindahan terjadi melalui pori sepanjang lapisan permukaan membran sehingga perpindahan terjadi akibat proses difusi dan konveksi. Kedua model secara konseptual telah berhasil memprediksi pemisahan

35 17 RO dan asumsi apakah membran RO tidak berpori atau memiliki pori masih merupakan hal yang diperdebatkan. Belum ada teknik yang dapat menjelaskan hal ini (Williams, 2003). Model RO yang dikembangkan umumnya untuk aplikasi pemisahan garam atau desalinasi air laut. Model RO untuk desalinasi air laut umumnya menggunakan larutan ideal yaitu larutan garam dengan satu komponen garam yang diketahui konsentrasinya seperti pengembangan model yang dilakukan Murthy dan Gupta (1997) dan Ghiu (2003). Model yang telah banyak digunakan yaitu model preferential sorption-capillary flow yang pertama kali diperkenalkan oleh Kimoura dan Sourirajan (1970) yang termasuk ke dalam model pori, model Spiegler Kedem dan model solution-diffusion yang termasuk kategori model non pori. Penerapan aplikasi RO yang terus berkembang mendorong pengembangan model perpindahan massa dengan RO tidak hanya untuk desalinasi air laut, tetapi juga berkembang untuk aplikasi lain terutama untuk industri makanan dan farmasi. Salah satu model perpindahan massa untuk RO yang dikembangkan dari larutan garam untuk untuk aplikasi lain adalah model Solution Diffusion (SD). Model ini telah banyak digunakan dan terbukti mampu memprediksi fluksi larutan ideal dari campuran komponen yang telah diketahui konsentrasinya (multisolute solution) dengan baik. Pengembangan model SD untuk larutan multi komponen telah dilakukan Sourirajan et al. (1982), Suarez et al. (1992), Kimura et al. (1992) dan Dickson et al. (1994) yang menghasilkan kesesuaian nilai fluksi hasil prediksi dengan fluksi hasil percobaan. Model SD juga digunakan Sourirajan et al. (1982) dan Kimura et al. (1992) yang masing-masing menggunakan larutan campuran D- glukosa D,L-asam malat dan larutan campuran sukrosa glukosa sebagai simulasi komponen jus dalam rangka mengembangkan model pemekatan dengan RO untuk jus buah-buahan. Kedua penelitian tersebut berhasil mendapatkan kesesuaian antara data percobaan dengan data perhitungan menggunakan model SD. Pengembangan model SD untuk jus buah-buahan telah dilakukan oleh Alvarez et al. (1997). Bahan baku yang digunakan pada penelitian tersebut adalah jus apel yang diperoleh dari buah apel setelah sebelumnya diklarifikasi

36 18 menggunakan membran mikrofiltrasi. Model SD untuk pemekatan jus yang telah dikembangkan didasarkan pada model yang digunakan pada filtrasi larutan multikomponen ideal yang mampu menstimulasi komponen jus yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya (Sourirajan et al. 1982; Kimura et al. 1992). Model SD dikembangkan dengan mengkombinasikan dengan model teori film untuk menggambarkan polarisasi konsentrasi yang terjadi pada permukaan membran. Penggunaan model SD dengan kombinasi teori film mampu menghasilkan kesesuaian dalam memprediksi fluksi pada proses filtrasi jus apel (Alvarez et al. 1997). Pengembangan model SD untuk jus buah maupun larutan organik dengan RO pada umumnya menggunakan jenis membran RO dengan kondisi operasi TMP tinggi diatas 20 Bar. Penerapan model SD untuk kondisi operasi TMP yang relatif rendah (dibawah 10 Bar) belum banyak dipublikasikan. Kendala yang dihadapi dalam pengembangan model perpindahan massa untuk RO dengan tekanan rendah (LPRO) adalah ketidaksesuaian nilai fluksi hasil prediksi dengan nilai fluksi hasil percobaan. Williams (1989) melakukan pengembangan model SD untuk RO dengan tekanan rendah untuk larutan organik. Pengembangan yang dilakukan yaitu dengan menambahkan tahanan adsorpsi ke dalam model SD untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi yang didapat dari hasil percobaan. Hal serupa juga dilakukan oleh Bhattacharyya and Madadi (1988); Deshmukh (1989); dan Kothari (1991) diacu dalam Williams (2003). Pengembangan model untuk jus buah dengan menggunakan RO dengan tekanan rendah belum banyak dipublikasikan. Pada penelitian ini mencoba menerapkan model Solution Diffussion (SD) yang telah terbukti sesuai untuk memprediksi fluksi pada pemekatan jus buah terutama jus apel yang dilakukan oleh Alvarez et al. (1997) yang menggunakan TMP tinggi (diatas 20 Bar) untuk melihat kesuaian model jika menggunakan kondisi operasi TMP yang relatif rendah (dibawah 10 Bar). Pengembangan model SD untuk RO tekanan rendah yang dilakukan Williams (1989) juga digunakan dalam penelitian untuk melihat sejauh mana pengembangan model dengan tahanan adsorpsi mampu memprediksi fluksi pemekatan jus jeruk dengan RO tekanan rendah.

37 Model Solution Diffusion (SD) teori film Model SD mengasumsikan membran RO tidak memiliki pori, sehingga pendekatan perpindahan massa hanya terjadi akibat proses difusi. Model SD mengasumsikan semua komponen baik pelarut maupun zat terlarut (solute) larut dalam fase keseimbangan dan berdifusi dengan mekanisme yang sama yang membangun difusi melalui cairan dan padatan (Lonslade 1972 diacu dalam Alvarez et al. 1997; Williams 2003). Model difusi larutan pertama kali diperkenalkan oleh Lonslade (1972). Alvarez et al. (1997) menggunakan model ini dikombinasikan dengan teori film untuk memprediksi fluksi permeat pada pemekatan jus apel dengan persamaan sebagai berikut: J = L p (ΔP ΔΠ) (6) dimana : J = fluksi ΔP = tekanan transmembran atau transmembrane Pressure (TMP) L p = permeabilitas air ΔΠ = perbedaan tekanan osmotik antara sisi permeat dan retentat. Perbedaan tekanan osmotik dihitung sebagai: ΔΠ = Π(C m ) Π(C p ) (7) dimana : C m = konsentrasi pada permukaan membran = konsentrasi pada sisi permeat C p Alvarez et al. (1997) mengkombinasikan model ini dengan model teori film untuk melibatkan konsentrasi polarisasi yang terjadi. Pada kondisi tunak, konsentrasi pada permukaan membran (C m ) lebih besar dibandingkan konsentrasi umpan (C b ) karena fenomena polarisasi konsentrasi yang ditunjukkan dengan persamaan berikut: ln (8)

38 dimana k adalah koefisien transfer massa, dihitung sebagai D/d, D = koefiesien difusi solute dan d = ketebalan lapisan polarisasi konsentrasi. Pada penelitian Alvarez et al. (1997), C p dianggap sangat kecil sehingga dapat diabaikan (membran RO yang digunakan memiliki rejeksi NaCl 99%), sehingga persamaan (6) dan (8) ditulis kembali sebagai: J = L p (ΔP Π(C m ) (9) exp (10) 20 Larutan yang mengandung beberapa komponen (i) dirumuskan dengan persamaan i+1 sebagai berikut: J = L p (ΔP Π(C mi ) (11) exp (12) Model ini diterapkan oleh Alvarez et al. (1997) untuk memprediksi fluksi permeat pada pemekatan jus apel dengan RO. Penelitian menggunakan membran RO berbentuk turbular dari bahan poliamida (PA) dengan beberapa kondisi operasi. Nilai fluksi yang didapat dari hasil percobaan menunjukkan nilai yang sesuai dengan prediksi fluksi dengan menggunakan model. Parameter operasi TMP diketahui sebagai variabel yang paling penting dalam mengendalikan proses pemekatan jus apel dengan RO. Parameter ini selanjutnya akan dikaji dan juga akan dilihat parameter lain yaitu laju alir dalam memprediksi fluksi pada pemekatan jus jeruk dengan RO Model SD tahanan adsorpsi Model ini dikembangkan Williams (1989) di dalam Williams (2003) untuk menjelaskan rendahnya nilai fluksi (flux drop) pada pemisahan dan purifikasi larutan organik dengan menggunakan membran RO dengan tekanan rendah. Model mengasumsikan terjadi adsorpsi larutan organik oleh permukaan membran yang menyebabkan peningkatan tahanan membran dalam melewatkan pelarut. Model yang digunakan yaitu:

39 21 dimana: J w R m R ads (13) = fluksi air = tahanan membran = tahanan adsorpsi Model ini juga digunakan oleh Bhattacharyya dan Madadi (1988), Deshmukh (1989), dan Kothari (1991) untuk menjelaskan fluksi air untuk zat organik terlarut yang teradsorpsi oleh membran (Williams, 2003). Pengukuran tahanan adsorpsi didapat dari pengukuran tahanan membran setelah dilakukan filtrasi dengan larutan organik dalam selang waktu tertentu yang dikurangi tahanan instrinsik membran Penentuan Koefisien Transfer Massa Pengembangan model yang dilakukan oleh Alvarez et al. (1997) menggunakan teori film untuk menjelaskan fenomena polarisasi konsentrasi. Fenomena polarisasi konsentrasi menghasilkan persamaan hubungan antara konsentrasi pada umpan dan konsentrasi pada permukaan membran dengan koefisien transfer massa (k). Larutan umpan jus apel yang mengandung beberapa komponen sehingga nilai ini dihitung per komponen karena setiap komponen memiliki sifat yang berbeda seperti sifat difusifitasnya (ditentukan oleh koefisien difusifitas). Perhitungan koefisien perpindahan massa (k i ) pada penelitian Alvarez et al. (2002) mengikuti persamaan Schock dan Miquel s yang secara empirik telah terbukti sesuai untuk modul spiral wound dan larutan dengan bilangan Reynold : Sh i = Re Sc i dimana: Sh i = bilangan Sherwood (k i.d h /D i ) Re = bilangan Reynold (d h.v.ρ/µ) Sc i = bilangan Schmidt (µ /ρ.d i ) k i = koefisien transfer massa komponen i d h = diameter hidraulik ekivalen v = laju alir tangensial (14)

40 22 ρ = densitas larutan µ = viskositas larutan Penentuan bilangan Reynold (Re) dan Schmidt (Sc) untuk fluida dengan viskositas yang dipengaruhi shear rate atau shear stress (apparent viscocity) atau disebut fluida non-newtonian dimodifikasi dengan melibatkan indeks konsistensi (K) dan indeks perilaku aliran (n). Persamaan bilangan Re dan Sc fluida non- Newtonian untuk aliran laminar (Re > 1800) dapat dilihat pada persamaan berikut (Cheryan 1998): (15) Sc K (16) D dimana: n = indeks perilaku aliran K = indeks konsistensi Perhitungan densitas dan viskositas jus apel pada lapisan batas membran sebagai fungsi konsentrasi dan temperatur menggunakan 2 persamaan empirik diteliti oleh Constella et al. (1989) diacu dalam Alvarez et al. (1997; 2002) dengan persamaan sebagai berikut: ρ = exp (0.01C) x 10-4 T (17) ln (18) dengan a = /T dan b = ( x 10-3 T dimana: C μ w = konsentrasi umpan dalam o Brix = viskositas air pada temperatur yang sama Konsentrasi pada lapisan batas ditetapkan sebagai nilai rata-rata konsentrasi pada umpan dan permukaan membran. Koefisien difusi (D i ) glukosa dan sukrosa pada lapisan batas dihitung dengan menggunakan persamaan yang diperoleh Gladen dan Dole (Kimura et al. 1992) sebagai berikut:

41 23 D i = D oi (μ w /μ) 0.45 (19) dimana i menunjukkan komponen glukosa atau sukrosa, D oi adalah koefisien komponen i dalam larutan sangat encer. Nilai D oi untuk glukosa dan sukrosa dari literatur (Weast dan Astle 1981) pada suhu 25 o C adalah 6.9 X dan 5.24 X m 2 s -1. Nilai D oi untuk asam malat pada penelitian Alvarez et al. (2002) dihitung berdasarkan persamaan Wilke dan Chang (1955) sebagai berikut:. Φ.,. (20) dimana: D AB = koefisien difusi solut A dalam pelarut B (m 2 s -1 ) M B = berat molekul pelarut (kg/kmol) V bp,a = volume molar solut pada titik didih normal (m 3 kmol -1 ) Φ = parameter asosiasi pelarut, bernilai 2.6 untuk air

42 24 III. BAHAN DAN METODE 3.1. Bahan dan Alat Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah jus jeruk siam Pontianak hasil mikrofiltrasi ukuran pori 0.1 µm dengan konsentrasi jus sebesar o Brix dan bahan-bahan kimia untuk analisis komposisi kimia konsentrat jus jeruk Peralatan Peralatan yang digunakan dalam penelitian yaitu membran mikrofiltrasi buatan GDP Filter ukuran 0.1 μm dengan modul berbentuk hollow fibre berbahan polypropylene (PP) dan luas permukaan 1 m 2 (Gambar 6), membran RO buatan Saehan Industri Korea tipe RE2012-LP (rejeksi NaCl 93%) berbahan Poliamida (PA), luas permukaan membran 6.4 ft 2 (0.59 m 2 ), bentuk lilitan spiral (spiral wound) dengan aliran umpan silang (crossflow fltration) (Gambar 7) dan alat-alat pengujian produk terdiri dari alat gelas dan peralatan pengujian lainnya seperti: refraktometer, neraca, spektrofotometer, ph meter, dan lain-lain. Skema alat RO dapat dilihat pada Gambar 8. Spesifikasi membran RO dapat dilihat pada Tabel 9. Gambar 6 Rangkaian alat membran mikrofiltrasi