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