Kristal NaCl

Sebagian besar praktisi industri akan mengarahkan pikiran mereka pada sistem waste water treatment ketika mendengar istilah membrane. Masih jarang praktisi yang menyadari luasnya bidang aplikasi unit pemisahan ini. Untuk itu dalam kesempatan ini, membrane akan diperkenalkan dari sisi lain yaitu sebagai unit untuk aplikasi kristalisasi.

Pengembangan membran sebagai unit kristalisasi didorong oleh tuntutan konsumen yang semakin tinggi terhadap produk kristal dengan ukuran dan betuk dan  distribusi yang seragam. Tuntutan ini terutama berasala dari pasar kristal untuk aplikasi medis dan komponen elektronika. Tuntuan ini tidak mampu dipenuhi oleh unit kristalisasi yang ada saat ini, seperti  Forced Circulated Crystallizer dan Draft Tube Baffled Crystallizer. Kedua tipe ini menghasilkan bentuk dan ukuran kristal yang tidak seragam.

Ide penggunaan membrane untuk keperluan kristalisasi didasarkan pada pemanfaatan control mixing pada struktur berukuran mikro pada membrane untuk menghasilkan kristal dengan struktur dan ukuran seragam. Kedua dalam penggunaan membrane peningkatan luas permukaan kontak akan meningkatkan laju pembentukan inti kristal. Penggunaan membrane dalam proses kristalisasi diharapkan dapat menghasilkan kristal yang lebih baik dari kedua metode konvensional sebelumnya.

Pengembangan teknologi kristalisasi dengan menggunakan membaran sebagai alat intensifikasi proses ini didasarkan pada lima metode utama, yaitu reverse osmosis, distilasi, antisolvent, membrane reactor, dan cooling contactor. Masing-masing metode ini akan menggunakan tipe membrane yang berbeda sebab mekanisme driving forces pada pembentukan kristal dari kelima metode ini juga berbeda.

Membrane crystallizer yang dikembangkan pertamakali adalah dengan metode reverse osmosis. Pengmebangan metode ini ditujukan untuk mengambil produk samping berupa garam anorganik dari proses desalinasi air laut. Proses ini memanfaatkan driving forces murni beda tekan. Kelemahan metode ini selain fluks air (solvent) rendah, masalah fouling membatasi umur dari membrane dan konsentrasi umpan (air laut) yang diperbolehkan untuk aplikasi. Semakin tinggi konsentrasi garam maka proses fouling pada membrane juga akan berlangsung lebih cepat.

Metode berikutnya adalah dengan sistem membrane distillation. Sistem ini mendapat banyak perhatian dari para pengembang proses. Dalam sistem ini, terjadi tiga tahap utama:

1. Tahap evaporasi solvent dari feed pada permukaan membran 1.
2. Tahap difusi dari uap solvent di sepanjang pori dengan udara yang ada pada pori membran
3. Tahap kondensasi solvent pada permukaan membran 2 dan  masuk ke aliran distilat.

Skema proses ini disajikan pada gambar berikut.

Sistem Mass Transfer pada Membrane Distillation

Membrane yang digunakan dalam proses ini adalah membrane porous hydrophobic. Pemilihan material membrane yang hydrophobic didasarkan pada pertimbangan tekanan operasi. Jika digunakan membrane hydrophilic, tekan osmosis yang terjadi antara sisi distilat dan feed akan besar. Untuk melawan tekanan osmosis ini, membrane diharuskan beroperasi pada tekanan tinggi. Hal ini tidak diharapkan karena dikhawatirkan membrane tidak kuat dan akan pecak ketika operasi dilaksanankan.

Karena sifatnya yang hydrophobic, membrane distilasi ini rentan terhadap fouling. Umur membrane akan semakin pendek jika membrane digunakan pada feed dengan konsentrasi garam yang tinggi. Konsentrasi garam yang tinggi memungkinkan garam menempel pada pori membrane distilasi. Garam masuk pada pori, peluang pori terisi solvent cair semakin besar. Hal ini akan mengganggu proses mass transfer pada pori yang seharusnya berlangsung pada fasa gas.

Metode kristalisasi dengan membrane reactor tidak hanya melibatkan perpindahan massa saja. Aplikasi proses kristalisasi dengan membrane reaktor ini telah diterapkan untuk produksi kristal BaSO₄. Dalam proses ini terjadi reaksi kimia yang menghasilkan garam yang akan terkristalkan. Umumnya tipe membrane yang digunakan di sini berupa shell and tube. Dalam sistem yang ditunjukkan pada gambar membrane reactor, reaksi yang terjadi adalah:

Proses yang terjadi pada membrane ini digambarkan pada skema berikut.

Sistem Kritalisasi pada Membrane Reactor

Kristalisasi dengna menggunakan prinsip antisolvent mendasarkan proses penyingkiran pelarut dengan mengekstrak pelarut dengan pelarut lainnya. Penggunaan membrane dalam proses ini bertujuan meningkatkan luas permukaan kontak antar kedua fasa. Dengan peningkatan luas permukaan kontak, diharapkan mass transfer akan berlangsung lebih cepat dan hambatan perpindahan menjadi lebih kecil. Sistem kristalisasi ini digambarkan pada skema alat berikut

Skema Alat Penggunaan Membrane untuk Kristalisasi dengan Sistem Antisolvent

Pengembangan membrane crystallizer dengan keempat teknik di atas memanfaatkan membrane porous. Masalah yang terjadi dalam pengoperasian dari keempat membrane di atas adalah fouling. Perkembangan modifikasi membrane crystallizer terbaru mengusahakan penanganan masalah fouling untuk meningkatkan umur penggunaan membrane. Sistem yang saat ini dikembangkan adalah membrane crystallizer dengan sistem pendinginan.

Metode yang digunakan pada membrane crystallizer dengan pendinginan ini jauh berbeda dengan membrane crystallizer sebelumnya. Perpindahan yang terjadi pada membrane ini adalah perpindahan panas bukan massa seperti membrane sebelumnya. Prinsip yang digunakan pada membrane ini adalah menghasilkan larutan lewat jenuh melalui prinsip pendinginan hingga akhirnya terbentuk kristal. Luas permukaan membrane yang besar akan mempercepat laju perpindahan panas dari feed ke fluida pendingin. Sistem ini menawarkan beberapa keunggulan. Pertama, membrane ini mampu mengatasi masalah fouling yang terjadi pada metode kristalisasi dengan membrane porous. Kedua, membrane ini dapat mengatasi penyumbatan pada tube membrane akibat terbentuknya kristal pada dinding tube selama proses pembentukan kristal. Disamping itu produk kristal yang dihasilkan berukuran kecil dan distribusi ukurannya juga seragam. Metode ini baik digunakan untuk kristal organik seperti protein yang tidak tahan terhadap temperature tinggi.

Sistem Kristalisasi dengan Membrane Melalui Pendinginan

Pengembangan membrane sebagai alat intensifikasi kini telah melingkupi berbagai bidang aplikasi yang sangat luas bahkan di luar dari perkiraan para pengembangnya di awal. Tuntutan teknologi dan permintaan konsumen yang makin spesifik pada produk dengan kualitas serta keseragaman yang semakin tinggi dari waktu ke waktu menjadi pemicu inovasi dan kreativitas pengembangan metode.  Kristalisasi dengan menggunakan membrane merupakan salah satu buah kerja keras tersebut. Kedepannya pengembangan metode yang makin selektif dengan produktivitas skala produksi yang semakin besar,  biaya operasi yang semakin rendah dengan dampak lingkungan yang semakin minim akan membawa pada pengembangan dan perbaikan proses di berbagai unit. Melalui pengembangan berbagai alat dan metode intensifikasi peralatan baru diharapkan dihasilkan unit pemroses yang semakin baik dari waktu ke waktu .

Daftar Pustaka

1. A.Konig, D. Weckesser.Membrane Based Evaporation Crystalization
2. E. Drioli, A. Criscuoli, E Curcio, Integrated Membrane Operations for Seawater Desalination, Elsevier, 2002
3. A. Gugliuzza, E. Curcio , E.Drioli, G. Di Profio, M.Aceto, S.Simone,R. Madonna, Novel Functional Per-fluofinated Membranes: Suitable, Nucleating Systems for Protein Crystallization
4. E. DrioliA Review on Membrane Crystallization.
5. E. Curcio, G. Di Profio, E. Drioli, A New Membrane Based Crystallization Technique: Test on Lysozyme, Elsevier, 2002
6. E. Curcio, G. Di Profio, E. Drioli, Membrane Crystallization of Macromolecular Solutions, Elsevier, 2002
7. M. Gryta, Direct Contact Membrane Distillation with Crystalization Applied to Na Cl Solutions, 2001
8. E. Curcio, G. Di Profio, E. Drioli, Membrane Conttactors: Fundamentals, Applications, and Potentialities, Journal of Membrane Science and Technology,2006
9. http://www.emeraldbiosystems.com/blog/post/Membrane-Protein-Crystallization-with-Additives-in-LCP.aspx
10. BIWIC 2006: 13th International Workshop on Industrial Crystallization
11. Zhiqian et al.,Synthesis of nanosized BaSO4 Particles with a Membrane Reactor: Effects of Operating Parameters on Particles, Journal of Membrane Science, 2002.
12. Zarkadas et al.,Solid Hollow Fier Cooling Crystallization, 2004.
13. Sirkar, Kamalesh K. et al., Antisolvent Crystallization in Porous Hollow Fiber Devices and Methods of Use Thereof, 2007

Metode pembuatan membran dengan phase inversion with immersion precipitation adalah metode yang paling banyak digunakan dalam pembuatan membran sintetis skala komersial. Pada metode ini polimer akan ditransformasi dari cairan menjadi padat atau yang biasa disebut proses solidifikasi. Proses solidifikasi ini biasanya diinisiasi dengan transisi dari suatu keadaan cair ke dalam dua cairan (liquid-liquid demixing). Selama proses demixing, salah satu fasa cairan (yakni fasa dengan konsentrasi polimer paling tinggi) akan berubah menjadi padatan (solid matrix). Immersion precipitation terjadi ketika lapisan membran disiapkan dengan terlebih dahulu membuat larutan polmer (berisi polimer dan pelarutnya) kemudian larutan tersebut dituangkan di atas permukaan kaca untuk membuat lembaran polimer proses ini disebut casting solution. Setelah itu, casting solution direndam di dalam bak koagulasi yang berisi anti pelarut (non-solvent) dari polimer tersebut. Di dalam bak koagulasi tersebut akan terjadi presipitasi yang disebabkan terjadinya pertukaran antara pelarut (solvent) dengan anti pelarut (non-solvent) pada casting solution. Solvent untuk polysulfone yang sering digunakan diantaranya adalah DMAC, NMP dan PVP. Sementara untuk anti-solvent biasanya digunakan aqua-dm.

Struktur Membrane Polisulfon

Polisulfon adalah polimer yang banyak digunakan sebagai bahan dasar pembuatan membran. Hal ini dikarenakan memiliki ketahanan yang baik terhadap temperatur tinggi, rentang pH yang lebar 1 – 13, memiliki resistansi yang baik terhadap klorin, serta mudah dipabrikasi. Sama seperti membran pada umumnya, membran memiliki usia kerja tertentu, yakni jangka waktu pemanfaatan membran. Usia kerja membran sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti fouling (biofouling). Terjadinya biofouling menyebabkan kinerja membran menurun, serta usia kerja membran pun menurun. Kinerja membran dapat diketahui dari beberapa parameter seperti fluks membran, kemampuan rejeksi, kekuatan membran, dan antifouling.

Packed PSF-membrane

Banyak cara dilakukan untuk meningkatkan kinerja membran polisulfon diantaranya dengan penambahan additive membrane yang ditambahkan saat proses pembuatan casting solution. Berdasarkan penelitian yang dipublis di jurnal internasional (journal of membrane science) telah ditemukan beberapa additive membrane yang dapat meningkatkan kinerja membran polysulfon adalah sebagai berikut:

1. TiO2 (Titanium dioxide)

Nano-TiO2 adalah bahan material aktif dengan ukuran nano yang memiliki beberapa keunggulan yakni resistensi terhadap bakteri yang tinggi dan bersifat sangat hidropilik.

Penambahan TiO2 dilakukan dalam bentuk bubuk TiO2. Komposisi yang terbaik untuk pembuatan casting solution adalah (18 %-wt) Polisulfon; (2 %-wt) TiO2 ; (64%-wt) DMAC; (16 %-wt) NMP.

Penambahan TiO2 tersebut meningkatkan kekuatan fisik membran sehingga membran tidak mudah terdekomposisi, meningkatkan hidropilitas sehingga fluks meningkat.

2. Nanosilver

Perak (silver) memiliki kemampuan anti-bakteria yang baik. Oleh sebab itu, banyak digunakan untuk perlindungan terhadap serangan bakteri salah satunya yang diaplikasikan dalam pembuatan membran polysulfon. Komposisi terbaik yang diperoleh adalah (15%-wt) PSf,( 10%-wt) PVP,( 75%-wt) NMP, and (0.22%-wt) nAg.

Penambahan nanosilver dapat meningkatkan ketahanan membran terhadap biofouling baik yang disebabkan oleh pertumbuhan bakteri di permukaan membran maupun akibat serangan bakteri dari bahan yang melewati membran.

3. Fe3O4

Ferrosoferric oxide (Fe3O4) baik digunakan sebagai additive membrane karena memiliki ketahanan terhadap temperatur tinggi, stabilitas kimia yang baik, kinerja magnetic yang baik, serta anti microbial yang baik pula.

Penambahan Fe3O4 sebanyak (58.3 %-wt) terbukti dapat meningkatkan fluks, kemampuan rejeksi, serta antifouling dari membran polisulfon.

Sumber :
1. M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, 1996
2. http://www.sciencesdirect.com/polysulfone-membrane

Hydrogen Fuel Cell

Fuel cell atau sel tunam adalah sel elektrokimia yang secara sinambung mengkonversi energi kimia suatu bahan bakar dan suatu oksidator menjadi energi listrik dengan proses yang melibatkan sistem elektroda–elektrolit. Fuel cell merupakan suatu bentuk teknologi sederhana seperti baterai yang dapat diisi bahan bakar untuk mendapatkan energinya kembali. Kebutuhan bahan bakar fuel cell bergantung pada jenis elektrolit yang digunakan. Beberapa sel tunam, dengan oksigen dan hidrogen sebagai bahan bakarnya, membutuhkan hidrogen yang murni. Pemenuhan kebutuhan bahan bakar hidrogen murni ini semakin mengalami perkembangan, salah satunya dengan penggunaan reformer metanol.

Reaktor Membran untuk Reforming Metanol

Reaktor membran adalah sistem reaktor baru yang mengkombinasikan pemisahan dengan membran dan reaksi kimia. Reaktor membran memiliki dua tipe, yaitu reaktor membran packed-bed dan reaktor membran katalitik. Reaktor membran dengan katalis packed-bed memiliki area pemisahan yang terpisah dari area reaksi, sedangkan pada reaktor membran katalitik, reaksi dan pemisahan terjadi secara simultan. Membran dalam reaktor ini merupakan penghalang yang hanya dapat melewatkan komponen tertentu. Selektivitas pada membran ini dikontrol oleh ukuran diameter pori membran.

Membran Reaktor

Pada reaktor membran, kombinasi reaksi dan pemisahan dilakukan untuk meningkatkan konversi. Salah satu produk hasil reaksi dipisahkan dari reaktor melalui membran. Hal ini akan menyebabkan kesetimbangan reaksi bergerak ke kanan (menurut Prinsip Le Chatelier), sehingga produk yang dihasilkan semakin banyak.

Membran reaktor banyak digunakan pada reaksi dehidrogenasi (misalnya reaksi dehidrogenasi etana). Pada reaksi ini, hanya salah satu produk, yaitu hidrogen, yang cukup kecil sehingga dapat melewati membran. Hasilnya, desain yang lebih padat dan konversi yang semakin tinggi membuat reaktor tipe ini menunjukkan proses yang lebih efisien. Pemisahan produk akan meningkatkan waktu tinggal untuk volume reaktor yang digunakan sehingga membawa reaksi yang terbatas pada kesetimbangan semakin mendekati penyelesaian reaksi.

Keuntungan yang lebih jauh lagi, reaktor membran dapat meningkatkan rentang temperatur dan tekanan yang diperbolehkan untuk reaksi. Reaktor membran secara fundamental mengubah ketergantungan konversi reaksi dekomposisi fasa gas terhadap tekanan sehingga reaksi lebih disukai jika dilakukan pada tekanan tinggi daripada tekanan rendah. Kondisi tekanan tinggi akan membutuhkan ukuran reaktor yang lebih kecil dan pemurnian yang lebih efisien. Reaktor membran juga berguna bagi reaksi endotermik dan eksotermik yang berurut, dengan menggunakan ekstraksi produk untuk meningkatkan perpindahan panas. Hasilnya adalah reaktor yang lebih kecil, biaya yang lebih rendah, dan reaksi samping yang lebih sedikit.

Salah satu penerapan reaktor membran adalah reaksi reforming metanol yang dapat digunakan sebagai sumber hidrogen untuk fuel cell. Reaksi yang terjadi adalah:

CH₃OH + H₂O –>3H₂ + CO₂ (1)

Reaksi ini dapat dimodelkan oleh dua tahap reaksi: reaksi perengkahan endotermik irreversible, dimana satu mol metanol dikonversi menjadi tiga mol produk:

CH₃OH –>2H₂ + CO (2)

dan diikuti oleh water gas shift reaction,

CO + H₂O –> H₂ + CO₂ (3)

yang merupakan reaksi eksotermik dan terbatas pada kesetimbangan.

Kedua reaksi ini biasanya dilakukan pada reaktor aliran sumbat menggunakan katalis tembaga-seng oksida dan diikuti oleh reaksi pemurnian, yaitu oksidasi parsial untuk memisahkan CO yang tak bereaksi. Tanpa reaktor membran, persyaratan kondisi pemanasan dan tekanan pada proses ini menjadi sulit, karena memerlukan reaktor yang besar dan daerah pemanasan yang signifikan. Jika mungkin, reaksi 2 akan berlangsung pada tekanan dan temperatur tinggi untuk mempercepat reaksi dan meningkatkan penggunaan katalis. Selain itu, karena reaksi ini sangat endotermik, temperatur yang digunakan harus sangat tinggi dan panas harus diberikan sepanjang reaktor.

Reaktor Membran untuk Konversi Methanol

Secara kontras, temperatur dan tekanan yang rendah justru dibutuhkan untuk menjalankan reaksi 3 karena reaksi ini bersifat eksotermik. Panas harus dihilangkan antara tahap ini dan tahap akhir, atau di sepanjang reaktor pada bagian reaksi ini. Reaksi seperti ini umumnya menggunakan pemanas internal untuk reaksi 2 dan tiga alat penukar panas eksternal yang memanaskan umpan dan menghasilkan pendinginan antar tahap pada reaksi 3. Tekanan rendah yang digunakan untuk menjalankan reaksi 3 menyebabkan kedua reaksi harus dilaksanakan pada tekanan rendah, di bawah 100 psi. Akibatnya, reaktor yang digunakan menjadi lebih besar daripada reaktor pada kondisi tekanan tinggi. Secara otomatis, biaya peralatan pun meningkat.

Salah satu reaktor membran yang sedang diteliti untuk digunakan pada reaksi konversi metanol ditunjukkan oleh gambar di samping kanan ini. Metanol dan air masuk melalui bagian bawah annulus luar dan diuapkan menggunakan panas yang didapat dari pendinginan produk hidrogen dan shift reaction. Uap ini akan bergerak ke bagian atas. Pemanasan lebih lanjut pada reformer dilakukan dengan pembakaran gas rafinat.

Beberapa inci pertama dalam reaktor tersebut merupakan area dekomposisi, yaitu area saat metanol dikonversi menjadi CO dan H₂ dengan reaksi 2. Reaksi ini diikuti oleh daerah tempat terjadinya reaksi water-gas shift. Seperti yang sudah disebutkan, pemisahan hidrogen membantu melaksanakan reaksi pada tekanan tinggi dengan menjaga tekanan parsial hidrogen di bawah tekanan parsial karbon monoksida dan air. Pembakaran gas buangan juga meningkatkan efisiensi keseluruhan saat memisahkan sisa CO. Dengan membran yang sesuai, unit ini akan menghasilkan hidrogen yang lebih murni daripada hidrogen yang dihasilkan oleh oksidasi parsial.

Sumber:
1. Robert Buxbaum: Membrane Reactors, Fundamental and Commercial Advantages, e.g For Methanol Reforming.
2. Tatang H. Soerawidjaja: Slide kuliah Sel Tunam
3. http://www.engin.umich.edu

Hollow fiber membrane merupakan salah satu jenis membran yang banyak digunakan dalam industri makanan.

Membran? Tentunya teknologi yang satu ini bukan merupakan hal yang asing di telinga teman-teman mahasiswa Teknik Kimia. Aplikasi dari teknologi membran ini tersebar luas mulai dari pengolahan air (yang paling umum), teknologi pengolahan gas (seperti yang telah dibahas oleh teman saya dalam artikel sebelumnya), bahkan pengolahan limbah (contohnya yang sedang ramai dibicarakan adalah membrane bioreaktor dengan banyak variannya).

Secara sederhana membran adalah lapisan yang dapat secara selektif memisahkan satu zat dari zat lainnya dengan driving force pada umumnya adalah beda tekanan, beda temperatur, beda konsentrasi, beda energi potensial listrik atau kombinasi diantara keempatnya. Bila teman-teman tertarik dengan teknologi membran dan ingin mendapatkan pemahaman lebih dalam baik dari konsep dasar teori dan beberapa penerapannya, teman-teman dapat membaca buku “Basic Principle on Membrane Technology” karangan Mulder yang diterbitkan oleh Kluwer Press.

Membran dalam Pemrosesan Pangan

Konfigurasi membran yang telah dipakai dalam teknologi pangan sangat bervariasi mulai dari hollow fiber hingga spiral wound. Aplikasinya pun sangat beragam mulai dari klarifikasi bahan pangan, konsentrasi/pemekatan bahan pangan, pengolahan air limbah industri pangan untuk dipakai kembali (reused water), dan masih banyak macamnya. Secara umum, keunggulan teknologi membran dalam pemrosesan pangan dapat digolongkan menjadi dua yaitu:

1. Peningkatan proses produksi, yang dicapai karena :
   • Tingginya kualitas retentate atau permeat secara konsisten
   • Mengurangi biaya operasi
   • Tidak terlalu ketat dalam maintenance
   • Rendahnya hilang tekan
   • Pada umumnya tidak melibatkan zat kimia dan/atau temperatur yang tinggi (yang dapat menurunkan kualitas makanan)
   • Umur operasi membran yang tahan lama
   • Tidak memakan tempat dan mengurangi biaya lahan
2. Dapat memberikan recovery bahan pangan yang masih berharga yang biasanya terbuang bersama limbah

Nah, apa saja sih teknologi membran yang sudah diterapkan di industri pemrosesan pangan? Marilah kita tinjau satu per satu:

Reverse osmosis. Teknologi reverse osmosis dapat digunakan untuk memproduksi air bersih dengan konsentrasi mineral yang konsisten untuk menjamin kualitas produk pangan.

Teknologi Membran. Implementasi teknologi membran pada industri pangan akan memberikan banyak keuntungan baik secara teknis maupun ekonomis.

1. Mikrofiltrasi (MF)

   Ini adalah salah satu teknologi pangan yang sudah dipakai secara luas di industri pemrosesan pangan umumnya dipakai dalam proses klarifikasi bahan pangan, bisa juga untuk sentrifugasi, alat sterilisasi, pemisahan suspended solid dan penyingkiran High Molecular Protein (HMW). Contoh aplikasi dari Teknologi MF ini adalah pada industri susu dan produk susu, dimana membran digunakan mengklarifikasi dadih keju, menghilangkan lemak (de-fat) dan mengurangi kandungan mikroba di dalam susu.

2. Ultrafiltrasi (UF)

   Teknologi UF dipakai dalam proses fraksionasi, konsentrasi/pemekatan, dan purifikasi. Contohnya dalam industri susu. UF dipakai untuk memfraksionasi susu untuk memproduksi susu dimana di dalam permeatnya terkandung protein, lemak, dan garam tak larut sedangkan di dalam retentate /konsentratnya terkandung laktosa dan garam terlarut. Contoh lainnya, masih dari industri susu, adalah konsentarasi dari susu skim sehingga mempunyai kandungan protein dan kalsium yang tinggi. Aplikasi lain yang juga populer (selain dalam industri susu) adalah dalam pengolahan jus buah. Dalam hal ini, teknologi UF digunakan untuk mengklarifikasi jus buah dari kontaminan-kontaminan seperti ragi, kapang, dan bakteri untuk meningkatkan kualitas dari jus buah tersebut.

3. Nanofiltrasi (NF)

   NF umumnya dipakai jika kita ingin memisahkan campuran komponen (desirable component dari undesirable component) yang pada umumnya akan sulit dipisahkan karena kecilnya ukuran partikel. Contohnya adalah pada proses pemekatan sirup jagung (corn syrup). Penerapan lain teknologi NF adalah untuk proses demineralisasi parsial dan pemekatan secara simultan, misalnya pada proses demineralisasi dari dadih susu.

4. Reverse Osmosis (RO)
   Pada umumnya teknologi RO digunakan dalam proses pemurnian air (tawar dan laut) serta desalinasi air laut, hal ini dikarenakan membran jenis RO dapat merejeksi partikel garam hingga 99% konsentrasi. Akan tetapi bagaimana penerapannya di dalam teknologi pangan? Dalam pemrosesan pangan, teknologi RO digunakan untuk proses pemekatan, pemurnian, dan recovery dari valuable product dalam bahan pangan. Keunggulan teknologi RO dibandingkan teknologi lainnya adalah:
   • Diperoleh produk yang berkualitas tinggi tanpa perlu melalui proses pemanasan (karena dapat merusak bahan pangan)
   • Mengurangi volume limbah, sehingga biaya pengolahan limbah berkurang secara signifikan
   • Biaya modal yang cenderung lebih murah dibandingkan proses untuk aplikasi sejenis
5. Electrodialysis (ED)
   Teknologi ED digunakan dalam proses demineralisasi susu dan dadih susu, pengurangan keasaman (de-acidfy) dalam jus buah, penghilangan komponen terlarut (de-ash) dari larutan gula (dextrose). ‘Saingan’ dari teknologi ED adalah teknologi ion-exchange (IEX). Akan tetapi, pada proses yang bersifat kontinyu, ED cenderung dipakai karena lebih ekonomis. Perkembangan terbaru dari teknologi ED adalah kombinasi/hybrid dari ED dengan IEX yang dikenal dengan istilah electrodeionization.

Selain teknologi-teknologi yang telah dijabarkan diatas masih banyak lagi teknologi membran di dalam industri pemrosesan pangan. Salah satu yang sedang populer sekarang ini adalah teknologi pervaporasi yang banyak dipakai dalam pemisahan campuran alkohol (etanol) dengan air dan campuran azeotrop lainnya.

Since water is a natural resource – one in limited supply – many communities are recognizing that they have to act today to ensure they’ll have enough water for tomorrow. Enter water recycling, a two-step process that uses advanced technologies to turn wastewater into clean water. First, a technology called membrane filtration filters harmful solids and bacteria from wastewater through thousands of straw-like micro-porous filters. Then, the clean water passes through an even finer membrane filter. The result: water that is purified above drinking water standards.

This water is then used for other purposes – such as watering golf courses and parks, as well as industrial and construction projects.

Recycled water has saved the region more than 65 billion gallons of drinking water since 1995 and water recycling plants are popping up more and more around the country.

Produced for Siemens Water Technologies

This video is co-provided by YouTube. If you experience errors playing the video, check you Internet connection. The video needs a high speed DSL/Broadband connection. To avoid lag times when playing the video, click the play button and let your Internet browser cache the video. Re-play after the video has been cached completely.

And anyway, here is a brief interview with him.

Majari: “Hi, Wahyu! You are December’s Author of The Month! How do you feel about that?”
Wahyu: “Hi, Majari! Of course I feel so glad and surprise too!”

Majari: “Great! Anyway, can you tell us in a nutshell what the membrane technology are all about? Any advantages that it may have compared to prior technologies?”
Wahyu: “Sure, basically membrane is a separation technology. The components will be separated based on size and shape, using pressure and semipermeable membrane. Separation using membrane need less energy and less chemical additives.”

Majari: “Have the technology already been in Indonesia?”
Wahyu: “Yes, it has. It has been used for water purification process.”

Majari: “Can you tell us more about water purification? What exactly the membrane do in that process?”
Wahyu: “The membrane act as a filter to water impurities, such as suspended particles, organic material, even bacteria and virus, depend on type of membrane we use.”

Majari: “So you’re talking about making all the water purification process into one single membrane filtering??”
Wahyu: “Water purification consist a number of stages: sediment filter to trap particles including rust and calcium carbonate, activated carbon filter to trap organic chemical, then RO filter which trap carbon, metals (As, Hg, Pb, etc), even virus and bacteria; depend on size of the pores, and then second activated carbon filter to capture chemicals not removed by reverse osmosis filter, but it’s optional, and finally ultra violet lamp for disinfection any microbes that may escape the reverse osmosis filter.”

Majari: “Ohh.. so some of the traditional equipments may be substituted with membrane and the whole process will be better?”
Wahyu: “Yes, because by using membrane; in this case the RO membrane; we can remove particles up to 1 angstrom. It’s a small unit for particles, I think”

Majari: “Emm.. in the article you’ve mentioned about the hemodialysis process with membrane.. Can you elaborate more about that?”
Wahyu: “Hemodialysis is a process that is used to help people with kidney failures. The membrane acts like a human kidney. It filters the waste product in the human blood like urea.”

Majari: “Wow.. that’s interesting.. Anyway, can you tell us what is your next article? Maybe you can give us a bit info about it.”
Wahyu: “Hmm… actually in the past 3 days, when I studied for my chemurgy final exam, I read about biohydrogen. I was interested in that topic. So, I will find out all about it, and then write you all fellow readers an article, hehehe.. just wait..”

Majari: “OK, then.. And, last but not least.. What are you going to do with the prize?”
Wahyu: “Well, I will go to a restaurant and spend the money to buy a lot of foods!”

Congratulations, Wahyu! The prize is yours! Happy eating then!

And, is it your turn next? Submit your quality articles and see what others think about you opinion!

Salam Majari Kanayakan.

CO2 dibutuhkan dalam jumlah kecil untuk siklus karbon di alam, seperti yang kita ketahui tumbuhan membutuhkan CO2 untuk proses fotosintesis. Tapi, CO2 dalam jumlah besar juga dimanfaatkan di dalam industri kimia. Beberapa aplikasi gas CO2 antara lain :

1. Minuman berkarbonasi
2. Proses pembuatan urea
3. Produksi etanol
4. Fire extinguisher
5. Dry ice
6. Supercritical carbon dioxide

Gas CO2 dalam jumlah besar dapat ditemukan pada gas buang yang dihasilkan dari peralatan industri seperti steam generator, furnace, blast furnace pada industri besi dan baja, rotary kiln pada industri semen, dan lain sebagainya. Secara prinsip, berbagai cara dapat digunakan untuk pemisahan CO2. Pemilihan metoda yang cocok tergantung pada beberapa parameter, seperti konsentrasi CO2 di aliran umpan, sifat alami komponen umpan, tekanan dan temperatur. Pemilihan proses pemisahan CO2 dapat dilihat pada gambar dibawah.

Berdasarkan diagram tersebut, proses yang paling banyak digunakan untuk pemisahan CO2 adalah absorpsi cairan. Absorben yang digunakan harus mempunyai kapasitas yang besar terhadap CO2 dan harus bisa diregenerasi.

Membran Kontaktor untuk Pemisahan CO2

Membran Kontaktor versus Kontaktor Gas/Cair
Secara umum proses absorpsi dilakukan menggunakan kontaktor gas-cair. Perpindahan massa kontaktor gas-cair diperoleh dengan kontak langsung dan dispersi satu fasa ke fasa yang lainnya. Kontaktor industri diklasifikasikan ke dalam tiga kategori tergantung pada fasa terdispersinya.

1. Kontaktor dimana cairan mengalir sebagai film tipis (contoh: packed column, disc contactors, dll).
2. Kontaktor dimana gas didispersikan ke dalam fasa cairan (contoh: plate column, bubble column, mechanically agitated contactors, dll).
3. Kontaktor dimana cairan didispersikan ke dalam fasa gas (contoh: spray column, venturi scrubbers, dll).

Sayangnya kontaktor konvensional ini memiliki beberapa kekurangan, antara lain: konsumsi energi yang besar, susah dioperasikan karena seringnya muncul masalah seperti flooding, foaming, channeling, dan entrainment. Keterbatasan teknologi ini menyebabkan proses menjadi kurang efisien dan biaya yang mahal.

Membran Hollow Fiber

Teknologi alternatif yang tepat untuk menggantikan proses kontaktor konvensional adalah membran kontaktor hollow fiber. Sekarang pertanyaannya ialah, mengapa demikian? Untuk menjawab hal tersebut, marilah kita meninjau beberapa keuntungan membran kontaktor dibandingkan dengan kontaktor konvensional, antara lain:

1. Kontak bersifat non-dispersif sehingga tidak mungkin terjadi flooding dan entrainment
2. Laju alir gas dan cairan lebih rendah dari kontaktor konvensional dan dapat bervariasi secara bebas
3. Luas permukaan kontak yang sangat besar, yaitu 500-1500 m2/m3. Luas ini jauh lebih besar dari pada luas permukaan kontaktor konvensional yaitu 100-250 m2/m3
4. Hold up pelarutnya rendah, sangat atraktif untuk pelarut yang mahal
5. Scale-up dapat dilakukan dengan mudah

Keuntungan yang diberikan oleh membran kontaktor menyebabkan ukuran kontaktor menjadi jauh lebih kecil daripada kontaktor konvesional.

Kontak Non-Dispersif pada Membran Kontaktor

Membran Kontaktor Hollow fiber
Aplikasi membran ini menggunakan modul hollow fiber. Apakah hollow fiber itu sebenarnya? Hollow fiber dapat diartikan sebagai membran kapiler yang terdiri dari bagian tube dan shell, persis seperti heat exchanger. Pada membran kontaktor, absorben mengalir didalam tube sedangkan aliran gas akan mengalir di bagian shell atau bisa juga sebaliknya. Jenis membran yang digunakan bisa berupa membran porous maupun membran non-porous. Pada membran non-porous, membran berfungsi sebagai batas antara fasa gas dan fasa liquid. Sedangkan pada membran porous, terjadi proses selektif dan perpindahan partikel yang terkontrol dari fasa gas ke fasa cairan. Akan tetapi, membran porous menyebabkan transfer perpindahan massa dari gas ke cairan menjadi kecil akibat tahanan dari membran. Sehingga,membran porous lebih disukai pada aplikasi membran kontaktor.

Seperti yang dijelakan di atas, pada membran kontaktor terjadi kontak non-dispersif, yang artinya tidak terjadi kontak secara langsung antara absorben dan gas. Permukaan (interface) fluida/fluida terbentuk pada mulut pori membran, dan perpindahan massa akan terjadi melalui difusi pada permukaan fluida di dalam pori membran. Berbeda dengan jenis membran reverse osmosis ataupun nanofiltrasi yang menggunakan tekanan sebagai gaya dorong karena pada membran kontaktor gaya dorong yang digunakan adalah perbedaan konsentrasi. CO2 akan berpindah dari gas yang memiliki konsentrasi CO2 tinggi menuju cairan absorben yang memiliki konsentrasi CO2 rendah.

Perpindahan Massa dan Modelling pada Membran Kontaktor Gas/Cair

Perpindahan massa suatu komponen dari fasa gas ke dalam cairan yang mengalir di dalam membran hollow fiber terdiri dari tiga tahap, yaitu difusi solute dari fasa bulk gas ke permukaan membran, difusi melalui pori membran ke permukaan cairan, dan difusi dari permukaan cairan ke fasa bulk cairan. Koefisien perpindahan massa overall tergantung pada resisten perpindahan massa individual, untuk fasa gas (1/kg), membran (1/km), fasa cairan (1/mkLE) dengan persamaan sebagai berikut [Kreulen et al]:

E adalah enhancement factor yang menunjukkan peningkatan laju absorpsi karena reaksi kimia dan m adalah kelarutan fisik komponen gas di dalam cairan absorben. Sedangkan g ialah koefisien perpindahan massa berhubungan dengan hidrodinamik.

Target dalam proses membran kontaktor adalah terjadinya perpindahan massa yang besar dari aliran gas menuju cairan absorben. Permasalahan utama yang muncul pada membran absorber adalah wetting.

(a) Membran kontaktor gas/cair non-wetted ; (b) Membran kontaktor gas/cair wetted

Peristiwa wetting disebabkan karena masuknya cairan absorben ke dalam pori membran yang menyebabkan terjadi peningkatan hambatan pada peristiwa perpindahan CO2 menuju cairan absorben sehingga terjadi penurunan koefisien perpindahan massa secara siginifikan. Untuk membran berpori, tekanan minimum dibutuhkan oleh cairan untuk melakukan penetrasi ke dalam pori. Tekanan ini disebut tekanan breakthrough dan untuk menghidari wetting, tekanan cairan harus berada di bawah tekanan breakthrough. Selain itu, ada faktor lain yang harus diperhatikan seperti ukuran pori membran, dan sifat material dari membran.

SEM. Hollow Fiber in Detail. OD=0.6 mm

Aplikasi Komersial Membran Kontaktor

Beberapa perusahaan yang telah menggunakan membran kontaktor gas/cair untuk pemisahan CO2 secara komersial:

• Kvaerner Oil & Gas and W.L. Gore & Associates GmbH mengembangkan membran gas absorpsi untuk pemisahan gas asam dari gas alam dan gas buang dari turbin gas offshore. Pada proses ini, membran hollow fiber PTFE digunakan dengan pelarut fisik (Morphysorb) dan kimia (alkanolamine)
• TNO Environment Energy and Process Innovation (Belanda) telah mengembangkan proses MGA untuk pemisahan CO2 dari gas buang menggunakan membran PP hollow fiber. Pelarut yang digunakan disebut CORAL yang merupakan campuran garam dan asam amino.

Saat ini, teknologi membran kontaktor bergerak ke arah pemakaian dual hollow fiber membrane untuk proses absorsi dan desorpsi secara simultan. Saat ini, pemakaian membran kontaktor hanya digunakan pada proses absorpsi, sedangkan proses regenerasi dilakukan dengan menggunakan temperatur tinggi untuk melepaskan gas CO2 dari cairan absorben. Dari sisi energi, hal ini sangat tidak efisien. Oleh karena itu,dikembangkan proses desorpsi yang juga dilakukan melalui membran.

Dual Hollow Fiber Membrane for CO2 Separation

Demikian ialah salah satu dari sekian banyak fungsi membran yang berguna untuk melengkapi dan meningkatkan perfomansi teknologi pemisahan CO2 yang sudah ada. Anda tertarik??

Referensi: The membrane contactors: environmental applications and possibilities, State of the art and recent progress in membrane contactors

Definisi

Membrane separation yaitu suatu teknik pemisahan campuran 2 atau lebih komponen tanpa menggunakan panas. Komponen-komponen akan terpisah berdasarkan ukuran dan bentuknya, dengan bantuan tekanan dan selaput semi-permeable. Hasil pemisahan berupa retentate (bagian dari campuran yang tidak melewati membran) dan permeate (bagian dari campuran yang melewati membran).

Struktur Membran

Berdasarkan jenis pemisahan dan strukturnya, membran dapat dibagi menjadi 3 kategori:

Membran. Sweep (berupa cairan atau gas) digunakan untuk membawa permeate hasil pemisahan.

• Porous membrane. Pemisahan berdasarkan atas ukuran partikel dari zat-zat yang akan dipisahkan. Hanya partikel dengan ukuran tertentu yang dapat melewati membran sedangkan sisanya akan tertahan. Berdasarkan klasifikasi dari IUPAC, pori dapat dikelompokkan menjadi macropores (>50nm), mesopores (2-50nm), dan micropores (<2nm). Porous membrane digunakan pada microfiltration dan ultrafiltration.
• Non-porous membrane. Dapat digunakan untuk memisahkan molekul dengan ukuran yang sama, baik gas maupun cairan. Pada non-porous membrane, tidak terdapat pori seperti halnya porous membrane. Perpindahan molekul terjadi melalui mekanisme difusi. Jadi, molekul terlarut di dalam membran, baru kemudian berdifusi melewati membran tersebut.
• Carrier membrane. Pada carriers membrane, perpindahan terjadi dengan bantuan carrier molecule yang mentransportasikan komponen yang diinginkan untuk melewati membran. Carrier molecule memiliki afinitas yang spesifik terhadap salah satu komponen sehingga pemisahan dengan selektifitas yang tinggi dapat dicapai.

Reverse Osmosis

Salah satu teknologi membran yang banyak digunakan saat ini yaitu reverse osmosis (RO). Proses ini merupakan kebalikan dari osmosis. Pada osmosis, pelarut berpindah dari daerah berkonsentrasi rendah (hipotonik) ke daerah berkonsentrasi tinggi (hipertonik) sehingga konsentrasi di kedua daerah menjadi berimbang. Proses ini terjadi secara alami sehingga tidak membutuhkan energi. Contoh osmosis yang terjadi di alam yaitu penyerapan air oleh akar tanaman. Berbeda dengan osmosis, RO terjadi dengan arah yang berlawanan yaitu dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Untuk melawan gradien konsentrasi, dibutuhkan energi eksternal berupa tekanan.

Keunggulan dan Aplikasi Reverse Osmosis

Menurut Ir. Teuku Zulkarnain, MT, kandidat doktor teknik lingkungan Institut Teknologi Bandung, Keunggulan RO yang paling superior dibandingkan metode-metode pemisahan lainnya yaitu kemampuan dalam memisahkan zat-zat dengan berat molekul rendah seperti garam anorganik atau molekul organik kecil seperti glukosa dan sukrosa. Keunggulan lain dari RO ini yaitu tidak membutuhkan zat kimia, dapat dioperasikan pada suhu kamar, dan adanya penghalang absolut terhadap aliran kontaminan, yaitu membran itu sendiri. Selain itu, ukuran penyaringannya yang mendekati pikometer, juga mampu memisahkan virus dan bakteri.

Teknologi RO cocok digunakan dalam pemurnian air minum dan air buangan. Di bidang industri, teknologi RO dapat digunakan untuk memurnikan air umpan boiler. Selain itu, Karena kemampuannya dalam memisahkan garam-garaman, teknologi reverse osmosis cocok digunakan dalam pengolahan air laut menjadi air tawar (desalinasi). Pengolahan ini terdiri dari beberapa tahap:

• Pre-treatment untuk memisahkan padatan-padatan yang terbawa oleh umpan. Padatan-padatan tersebut jika terakumulasi pada permukaan membran dapat menimbulkan fouling. Pada tahap ini pH dijaga antara 5,5-5,8.
• High pressure pump digunakan untuk memberi tekanan kepada umpan. Tekanan ini berfungsi sebagai driving force untuk melawan gradien konsentrasi. Umpan dipompa untuk melewati membran. Keluaran dari membran masih sangat korosif sehingga perlu diremineralisasi dengan cara ditambahkan kapur atau CO₂. Penambahan kapur ini juga bertujuan menjaga pH pada kisaran 6,8-8,1 untuk memenuhi spesifikasi air minum.
• Disinfection dilakukan dengan menggunakan radiasi sinar UV ataupun dengan cara klorinasi. Sebenarnya, penggunaan RO untuk desalinasi sudah cukup jitu untuk memisahkan virus dan bakteri yang terdapat dalam air. Namun, untuk memastikan air benar-benar aman (bebas virus dan bakteri), disinfection tetap dilakukan.

Sea Water Desalinantion: Concept Drawing of Membrane Distillation Sea Water Desalination.

Selain untuk desalinasi, RO juga digunakan dalam dialisis untuk proses cuci darah penderita penyakit ginjal. Ginjal berfungsi sebagai penyaring darah terhadap pengotor-pengotor hasil metabolisme tubuh seperti urea, yang kemudian dikeluarkan melalui urin. Mesin dialisis berfungsi sebagai “ginjal” tersebut. Darah dikeluarkan dari tubuh menuju mesin dialisis yang di dalamnya terdapat membran. Darah yang telah melewati membran dikembalikan lagi ke dalam tubuh.

Teknologi membran berkembang dengan sangat pesat. Dewasa ini, banyak membran dapat dioperasikan pada tekanan rendah sehingga memungkinkan dioprerasikan di rumah tinggal, tempat pengungsian, bahkan dapat digerakkan dengan genset berskala kecil. Selain itu, kemajuan dalam bidang material membran juga memungkinkan proses pemisahan menggunakan membran dapat dilakukan dengan lebih ekonomis.

Sumber: KOMPAS, Wikipedia