MEMBRAN (Mikrofiltrasi dan Ultrafiltrasi)

TUGAS KIMIA

MEMBRAN (Mikrofiltrasi dan Ultrafiltrasi)

    Oleh :

Adi Santoso

201010220311026

Jurusan Ilmu dan Teknologi Pangan

Fakultas Pertanian-Peternakan

Universitas Muhammadiyah Malang

2011

MEMBRAN

Mikrofiltrasi dan Ultrafiltrasi

Teknilogi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak pertama kali dikomersilkan oleh Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927. Pengembangan adan aplikasi teknologi inisemakin beragam dan penemuan-penemuan baru pun semakin banyak dipublikasikan. Teknologi membran pada akhirnya menjadi salah satu teknologi alternatif yang paling kompetitif saat ini akibatnya adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk aplikasi proses desalinasi.

Membran secara umum didefinisikan sebagai pemisah yang bersifat selektif berada di antara dua fasa yaitu fasa I (umpan) dan fasa II (permeat). Membran bisa tipis atau tebal dan strukturnya bisa homogen atau heterogen serta transpornya bisa aktif atau pasif. Mulder (1996) mendefinisikan membran sebagai penghalang atau pembatas selektif yang diletakkan diantara dua fasa. Membran merniliki kemampuan untuk melewatkan suatu komponcn dengan mudah dan cepat daripada komponen lain. Hal ini disebabkan oleh adanya perbedaan sifat fisik atau kimia diantara komponen yang tertahan (retentat) dengan komponen yang berpermeasi (permeat). Perpindahan melalui membran dapat berlangsung apabila gaya dorong (driving force) yang bekerja pada komponen yang berada di fasa 1. Driving force bisa dalam bentuk beda tekanan (ΔP), beda konsentrasi (ΔC), beda temperatur (ΔT), ataupun beda potensial listrik (ΔE).

Perbedaan stuktur dari membran-membran yang ada saat ini bisa digunakan membedakan mekanisme pemisahan dan aplikasinya. Terdapat banyak sekali proses membran, dimana proses-proses tersebut didasarkan pada perbedaan prinsip pemisahan atau mekanismenya dan masalah spesifik yang dapat mencakup ukuran rentang dari partikel sampai molekul.

Dalam bidang kedokteran, mikrobiologi, fisiologi dan biokimia, membran adalah suatu lapisan tipis yang memisahkan berbagai struktur selular atau organ. Membran berfungsi sebagai penghalang tipis yang sangat selektif diantara dua fasa, hanya dapat melewatkan komponen tertentu dan menahan komponen lain dari suatu aliran fluida yang dilewatkan melalui membran (Mulder, 1996). Proses pemisahan pada membran terjadi karena adanya proses fisika-kimia antara membran dengan komponen yang akan dipisahkan serta adanya gaya dorong yang berupa gradient konsentrasi (ΔC), gradient tekanan (ΔP) dan gradient potensial (ΔE). Menurut Nakao (1994) adanya gaya dorong yang menyebabkan suatu komponen berpindah dari fasa 1 ke fasa 2. Pada fasa 1 masih banyak terdapat partikel-partikel yang kemudian padanya diberikan gaya dorong sehingga partikel yang memiliki ukuran molekul yang lebih kecil dari ukuran pori membran akan masuk dan melewati pori membran, sedangkan partikel dengan ukuran molekul yang lebih besar akan tertahan dan menempel di permukaan pori membran.

Teknologi pemisahan menggunakan membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan proses pemisahan konvensional lain seperti destilasi dan evaporasi. Keunggulan yang dimiliki antara lain :

1.      Pemisahan berdasarkan ukuran molekul, sehingga pemisahan dapat beroperasi pada temperature rendah (temperature ambient). Hal ini dapat menghindari kerusakan zat pelarut maupun partikel terlarut yang sensitif terhadap panas.

2.      Pemakaian energi yang relatif lebih rendah, karena biasanya pemisahan menggunakan membran tidak melibatkan perubahan fasa. Meskipun terjadi perubahan fasa seperti pada destilasi membran, namun temperatur yang dibutuhkan jauh lebih rendah daripada titik larutan yang akan dipisahkan.

3.      Tidak menggunakan zat bantu kimia dan tidak ada tambahan produk buangan.

4.      Bersifat modular, artinya di scale-up dengan memperbanyak unitnya.

5.      Dapat digabungkan dengan jenis operasi lainnya (Wenten, 2001).

Berdasarkan gradient tekanan sebagai gaya dorongnya dan pemeabilitasnya, membran dapat dibedakan menjadi beberapa jenis yaitu (Mulder,1996):

a.       Mikrofiltrasi  (MF), Membran jenis ini beroperasi pada tekanan berkisar 0,1-2 Bar dan batasan permeabilitas-nya lebih besar dari 50 L/m².jam.bar

b.      Ultrafiltrasi (UF), Membran jenis ini beroperasi pada tekanan antara 1-5 Bar dan batasan permeabilitas-nya adalah 10-50 L/m².jam.bar

c.       Nanofiltrasi, Membran ini beroperasi pada tekanan antara 5-20 bar dan batasan permeabilitas-nya mencapai 1,4 – 12 L/m².jam.bar

d.      Reverse Osmosis (RO), Membran jenis ini beroperasi pada tekanan antara 10-100 Bar dan batasan permeabilitas-nya mencapai 0,05-1,4 L/m².jam.bar.

A.    Mikrofiltrasi

Proses mikrofiltrasi merupakan salah satu proses berbasis membran yang berkembang sangat pesat di awal perkembangan teknologi membran. Pertumbuhan dan perkembangannya pada tahun-tahun tcrakhir hanya mampu disaingi oleh reverse osmosis, akibat adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk aplikasi proses desalinasi. Secara umum, miktofiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur partikulat dari larutannya. Membran ini dapat menahan koloid, mikroorganisme, dan padatan tersuspensi.

Tabel 1. Aplikasi Industri Membran Mikrofiltrasi

Membran	Asimetrik, porous
Ketebalan	10 - 200 μm, polimer
Pori	0,05 – 10 μm
Driving force	Tekanan, (<2 bar, 3 bar max)
Pemisahan	Sieving
Material	Polimer, keramik
Aplikasi	Analitis, sterilisasi, klarifikasi, pre-treatment,plasmapheresis, MBR.

Mikrofiltrasi adalah proses membran dengan menggunakan tekanan sebagai gaya dorong, menggunakan membran umumnya dengan ukuran pori berkisar antara 0,01 sampai 1 mu m. Proses ini cocok untuk melakukan fraksionasi atau penyisihan makromolekul dari suspensi atau emulsi. Hal yang paling membatasi mikrofiltrasi khususnya untuk umpan berupa suspensi adalah apa yang disebut polarisasi konsentrasi dan fouling. Kedua fenomena tersebut diasosiasikan dengan penurunan flux terhadap waktu.

Secara umum, mikrofiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur partikulat dari larutannya.

Membran dapat dari sejumlah besar material yang berbeda-beda dan dengan bermacam-macam tehnik pembuatan antara lain sintering, track etching, stretching, dan inverse fasa. Membran mikrofiltrasi dapat dibuat dari berbagai macam material baik organic maupun anorganik. Hal ini memungkinkan untuk membuat membran dengan konfigurasi dan ukuran seperti yang diinginkan. Pada proses sintering ini material ditekan dan dipanaskan hingga melewati titik didihnya.

Tabel 4. Porositas dan distribusi ukuran pori membran.

Proses	Porositas	Distribusi ukuran pori
Sintering	Rendah/sedang	Sempit/luas
Stretching,	Sedang/rendah	Sempit/luas
Track etching	Rendah	Sempit
Inverse fasa	Tinggi	Sempit/luas

     Sumber : Wenten 2001

Membran mikrofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,02 sampai 10μm dan tebal antara 10 sampai 150μm. Membran mikrofiltrasi juga memiliki dua struktur geometri pori, yaitu : simetrik dan asimetrik. Namun umumnya membran mikrofiltrasi berstruktur pori asimetrik. Pada membran asimetrik terdapat lapisan atas yang sangat tipis (skin) dengan tebal 0,1-1 μm. Untuk memberikan kekuatan mekanik, lapisan skin ini ditunjang oleh lapisan berikutnya yang dikenal sebagai support. Lapisan support memiliki ketebalan antara 50-150 μm dan sangat berpori.

B.     Ultrafiltrasi

Ultrafiltrasi adalah teknik proses pemisahan membran untuk menghilangkan berbagai zat terlarut dengan BM (berat molekul) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air larutan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul dari larutan. Ukuran dan bentuk molekul terlarut merupakan faktor penting.

Membran	Asimetrik, porous
Ketebalan	~ 150 μm (monolitik untuk beberapa keramik)
Pori	1 – 10 bar
Driving force	1 – 100 nm (1000 – 106 MWCO)
Pemisahan	Sieving
Material	Polimer ,Keramik
Aplikasi	Dairy, food, metalurgi, tekstil, farmasi,water treatment

Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan berat molekul membran (MWC) 1000 – 20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan berat molekul membran (MWC) 80.000- 100.000 untuk pemakaian penghilangan koloid. Terkadang pirogen (BM 10.000- 20.0000) dapat dihilangkan oleh membran 80.000 karena adanya membran dinamis. Tekanan sistem ultrafiltrasi biasanya rendah, 10-100 psi (70-700 kPa), maka dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Membran ultrafiltrasi sehubungan dengan pemurnian air dipergunakan untuk menghilangkan koloid (penyebab fouling) dan penghilangan mikroba pirogen dan partikel dengan modul higienis. Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak polimer selulosa acetate (CA) sebagai lembaran tipis. Fluks maksimum bila membrannya anisotropic, ada kulit tipis rapat dan pengemban berpori. Membran selulosa acetate (CA) mempunyai sifat pemisahan yang bagus namun dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia, rentan pH. Ada pula membran dari polimer polisulfon, akrilik, juga polikarbonat, PVC, poliamida, piliviniliden fluoride, kopolimer AN-VC, poliasetal, poliakrilat, kompleks polielektrolit, PVA ikat silang. Juga dapat dibuat membran dari keramik, aluminium oksida, zirconium oksida, dsb.

UF adalah membran yang spektrum filtrasinya terletak antara nanofiltrasi dan mikrofiltrasi dan memisahkan konstituen yang berukuran 1 – 100 nanometer, atau beratnya sekitar 500-500.000 dalton. Mekanisme kerja membran UF berdasarkan perbedaan ukuran molekul dengan tekanan. UF dapat mengontrol mikroorganisme pathogen kecil seperti virus dengan sangat efektif dan mengurangi kekeruhan air (Ingmar, 2004 dan Guigui, 2002).

UF bekerja dengan model crossflow yaitu aliran umpan mengalir paralel terhadap membran filtrasi. Crossflow bekerja pada ”sweep steam” yang terus membersihkan permukaan membran dari endapan. Ada 2 produk dari UF yaitu permeat yang mengandung komponen yang kecil yang sanggup melewati membran, dan konsentrat yang mengandung endapan. Pada proses pemisahan crossflow, aliran umpan searah dengan permukaan membran dan permeat keluar tegak lurus dengan arah aliran umpan. Hal ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya fouling pada membran, mengurangi polarisasi konsentrasi, adsorpsi dan pembentukan cake. Crossflow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan driving force beda tekanan berskala besar. Sebagian besar membran-membran ultrafiltrasi yang digunakan secara komersial akhir-akhir ini disiapkan dari bahan – bahan polymer misalnya:

·         polysulfone/ poly (ether sulfone)/ sulfonated polysulfone

·         poly vinylidene fluoride

·         polyacrylonitrile (dan block-copolymer yang berhubungan)

·         cellulocies (misalnya, asetat selulose)

·         aliphatic polyamides

·         polyetheretherketone

Selain bahan-bahan tersebut, keramik juga telah digunakan untuk membran-membran ultrafiltrasi, khususnya alumina (Al2O3) dan zirconia (ZrO2) (Mulder, 1996).