TUGAS PEMROSESAN KERAMIK

APLIKASI KERAMIK MEMBRAN PADA SISTEM PENYARINGAN

DI INDUSTRI GULA

Oleh:

Andre Prabowo

13710039

Program Studi Teknik Material

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

2014

BAB I

PENDAHULUAN

Industri Gula adalah salah satu bagian yang terpenting dalam industri

makanan. Industri ini juga dikenal sebagai salah satu industri yang membutuhkan

energi paling besar dalam industri makanan. Sebagai contoh, pada industri gula

berbahan dasar bit (beet), energi termal yang besar dibutuhkan untuk penguapan

(evaporasi) dan pengeringan beet pulp, begitu juga dengan energi listrik yang

dibutuhkan untuk mengoperasikan pompa dan mesin sentrifugal. Menurut CEFS,

energi yang dibutuhkan dalam pembuatan gula dari bit adalah 31,49 kWh/100 kg bit

pada tahun 1998 (IPPC, 2003), sedangkan air yang dibutuhkan adalah sebesar 15

m3/t gula bit yang di-proses. Industri Gula juga merupakan salah satu penyumbang

polusi terbesar di dunia. Ini dikarenakan dalam proses pembuatan gula,

menggunakan metode pemurnian secara konvensional, yaitu dengan liming,

carbonation, sludge separation, dan sulphitation.

Dengan mengganti metode pemurnian konvensional menjadi metode

pemurnian modern dengan menggunakan membrane separation process (MSP),

dapat diperoleh 4 keuntungan, antara lain: (1) konsumsi energi dapat dikurangi

hingga 50% karena tidak memerlukan evaporasi untuk proses pemurniannya (energi

yang digunakan untuk evaporasi sugar juice hampir 50% energi keseluruhan yang

dibutuhkan), (2) air yang digunakan dalam proses dapat diminimalisir karena tidak

memerlukan proses ekstraksi seperti pada metode konvensional, (3) limbah dapat

dikurangi sehingga akan lebih ramah lingkungan, dan (4) kemurnian gula dapat

meningkat.

Membrane separation process (MSP) yang dapat digunakan antara lain

Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), dan Reverse Osmosis

(RO). Membran keramik dipilih sebagai membran yang terbaik untuk proses

pemurnian gula karena membran keramik dapat beroperasi pada tekanan,

temperatur, dan pH dengan rentang yang besar (dari rendah sampai tinggi).

BAB II

PENGGUNAAN MEMBRAN KERAMIK PADA PROSES PEMBUATAN GULA

Gula pasir (white sugar) dapat dibuat dari 2 jenis bahan baku: tebu (sugar

cane) dan bit (beet). Proses pembuatan gula pasir dari kedua jenis tumbuhan ini

kurang lebih sama, hanya saja pada proses pembuatan gula dari bit, memerlukan

pemurnian yang lebih sulit karena dalam bit terkandung lebih banyak pengotor yang

berbau tidak sedap. Oleh sebab itu, pemurnian dengan menggunakan membrane

separation process akan lebih ekonomis pada proses pembuatan gula berbahan

baku bit. Proses pembuatan gula berbahan baku bit secara sederhana ditunjukkan

oleh Gambar 1, titik berwarna hitam menunjukkan bagian yang memungkinkan untuk

aplikasi membrane separation process (MSP).

Gambar 1. Skema Pembuatan Gula dengan titik hitam merupakan kemungkinan menggunakan MSP

Membrane separation process (MSP) adalah teknik filtrasi dengan

memberikan tekanan pada larutan/cairan ke membran berpori (porous membrane)

sehingga padatan-padatan yang terlarut akan tersaring karena ukuran molekulnya

terlalu besar untuk dapat melalui pori membran. Beberapa jenis MSP berdasarkan

ukuran pori membran-nya antara lain Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF),

Nanofiltration (NF), dan Reverse Osmosis (RO); seperti ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Jenis-Jenis Membrane Separation Process

Pada proses pembuatan gula, keempat jenis MSP ini dapat diaplikasikan.

Cross-Flow Microfiltration (MF) dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa-

senyawa non-sukrosa. Ultrafiltration (UF) dapat digunakan untuk menghilangkan

senyawa-senyawa non-sukrosa, menghilangkan koloida berwarna dari sugar juice,

dan menghilangkan minyak dari air limbah. Nanofiltration (NF) memiliki permeabilitas

yang terbatas untuk beberapa mineral dan beberapa senyawa organik dan

anorganik yang kecil, sehingga NF dominan digunakan untuk pre-demineralization

(penghilangan garam) dari sugar juice dan air limbah pada industri gula. Reverse

Osmosis (RO) memiliki permeabilitas yang baik untuk air, namun tidak untuk

mineral, sehingga RO digunakan untuk menghilangkan logam-logam berat dan

pestisida. RO juga digunakan untuk memurnikan kembali sugar juice yang sudah

melewati membran NF.

Berdasarkan hasil penelitian dari beberapa jurnal, terbukti bahwa

penggunaan MSP mampu meningkatkan kemurnian sugar juice dan mengurangi

konsumsi energi. Dibandingkan sugar juice hasil metode pemurnian tradisional yang

kemurniannya 89%, metode MSP mampu menghasilkan sugar juice dengan

kemurnian 91-92% (Hinkova et al., 2002). Energi yang digunakan dalam metode

MSP juga lebih rendah karena tidak membutuhkan penguapan (evaporasi) untuk

memurnikan sugar juice seperti pada proses tradisional. Penggunaan metode MSP

juga lebih ramah lingkungan karena tidak memerlukan banyak air seperti pada

metode tradisional (pada proses ekstraksi).

Membran dalam proses filtrasi ini juga dapat diklasifikasikan berdasarkan

materialnya, yaitu polymeric membranes, inorganic-ceramic membranes, dan

metallic membranes. Pemilihan jenis membran dalam proses produksi sangatlah

penting karena berhubungan dengan kondisi operasi, seperti tekanan kerja,

temperatur, dan pH. Di antara membran-membran ini, membran yang terbukti paling

baik adalah membran keramik, dengan keunggulan antara lain:

1. Awet dan tahan lama

2. Stabil pada temperatur tinggi

3. Stabil secara mekanik di bawah gradien tekanan yang tinggi

4. Stabil pada rentang pH yang besar

5. Dapat di-backwash dan tahan abrasi

6. Tahan bakteri

7. Dapat mengalirkan fluida yang sangat viskos

8. Kontrol dimensi pore fouling (kotoran pada pori) yang cukup baik

Walaupun terdapat juga beberapa kelemahan membran keramik seperti:

1. Getas, sehingga membutuhkan konfigurasi supporting system yang baik

2. Biaya instalasi yang mahal

3. Biaya modifikasi yang mahal bila terjadi cacat

4. Teknologi sealing pada aplikasi temperatur tinggi yang rumit

BAB III

PROSES PEMBUATAN MEMBRAN KERAMIK

Membran keramik microfiltration (MF) biasanya diproduksi dengan metode

slip casting, untuk mendapatkan porositas, morfologi, dan mikrostruktur yang

diinginkan. Metode slip casting adalah salah satu metode yang dapat menghasilkan

kualitas permukaan, density, dan uniformity yang baik. Pada slip casting, seperti

ditunjukkan pada Gambar 2. (a), suspensi keramik dituangkan ke dalam cetakan dan

dibiarkan menggering. Air pada suspensi akan keluar melalui pori-pori slip sehingga

suspensi akan mengeras.

Sedangkan untuk ultrafiltration (UF) dan nanofiltration (NF), membran-nya

dibuat dengan proses sol-gel dan dip coating atau spin coating. Sol-gel process

adalah teknik yang termasuk dalam wet chemical technique dimana keramik

disiapkan dalam bentuk bubuk (powder). Proses sol-gel meliputi persiapan aqueous

colloidal dispersion (sols) yang akan di-dehidrasi menjadi gels dalam bentuk bubuk

atau coating; gels kemudian dikalsinasi menjadi oksida. Untuk coating, substrat

dapat dicelupkan ke dalam sol dan dikeringkan menjadi gel coating. Proses sol-gel

yang lainnya meliputi hidrolisis larutan alkohol dari senyawa logam-organik seperti

metal-alkoxides. Hidrolisis mengasilkan presipitat bubuk oksida atau spesi koloid

polimer dalam larutan. Ilustrasi ditunjukkan pada Gambar 2. (b). Dalam aplikasi

filtrasi dengan membran keramik pada industri gula, material yang biasanya

digunakan adalah zirconia (ZrO2).

Gambar 2. (a) Slip Casting Process dan (b) Sol-Gel Process

Membran untuk reverse osmosis (RO) dapat dibuat dengan metode chemical

vapor deposition (CVD), yaitu proses kimia dengan mengekspos substrat ke uap

bahan coating dan bahan coating akan terdeposit dalam laju yang sangat lambat

dan jumlah yang sangat sedikit, sehingga dengan mengatur distribusi coating, dapat

diperoleh ceramic membrane dengan ukuran pori sangat kecil, di bawah 1 nm.

Chamber yang digunakan dalam CVD diilustrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Chemical Vapor Deposition (CVD) Chamber

BAB IV

TANTANGAN DALAM APLIKASI MEMBRAN KERAMIK PADA INDUSTRI GULA

Pada jurnal “Membrane Filtration in the Sugar Industry” (Hinkova et al., 2000),

disimpulkan bahwa walaupun membrane separation process (MSP) ini dapat

memurnikan sugar juice dengan lebih baik, namun performa dari proses ini masih

kurang baik, akibat fouling (pengotoran pada pori membran) yang terjadi, sehingga

belum dapat sepenuhnya didukung untuk aplikasi skala industri. Bahkan pada

percobaan mereka, menemukan bahwa pada sistem nanofiltration (NF), retensi

(penahanan) terhadap senyawa sukrosa lebih besar daripada retensi terhadap

senyawa non-sukrosa.

Biaya instalasi ceramic membrane untuk MSP juga masih sangat mahal,

sehingga belum sebanding dengan keuntungan dari industri gula yang dapat

dibilang sangat tipis per kilogram-nya. Akibat biaya instalasi yang tinggi ini,

penggunaan ceramic membrane / MSP belum dapat diaplikasikan dalam skala

industri. Oleh sebab itu, membrane filtration process masih memerlukan perbaikan

dan inovasi baru untuk dapat diaplikasikan pada skala industri ke depannya.

BAB V

KESIMPULAN

Industri Gula yang merupakan salah satu bagian yang terpenting dalam

industri makanan dikenal sebagai salah satu industri yang membutuhkan energi

paling besar dan merupakan salah satu penyumbang polusi terbesar di dunia. Ini

dikarenakan dalam proses pembuatan gula, menggunakan metode pemurnian

secara konvensional. Dengan mengganti metode pemurnian konvensional menjadi

metode pemurnian modern dengan menggunakan membrane separation process

(MSP), dapat diperoleh 4 keuntungan, antara lain: (1) konsumsi energi dapat

dikurangi hingga 50% karena tidak memerlukan evaporasi (pada proses pemurnian),

(2) air yang digunakan dalam proses dapat diminimalisir karena tidak memerlukan

proses ekstraksi, (3) limbah dapat dikurangi sehingga akan lebih ramah lingkungan,

dan (4) kemurnian gula dapat meningkat.

Membrane separation process (MSP) yang dapat digunakan antara lain

Microfiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), dan Reverse Osmosis

(RO). MF dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa-senyawa non-sukrosa;

UF dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa-senyawa non-sukrosa,

menghilangkan koloida berwarna dari sugar juice, dan menghilangkan minyak dari

air limbah; NF dapat digunakan untuk pre-demineralization (penghilangan garam)

dari sugar juice dan air limbah; dan RO dapat digunakan untuk memurnikan kembali

sugar juice yang sudah melewati membran NF dan menghilangkan logam-logam

berat dan pestisida.

Membran keramik dipilih sebagai membran yang terbaik untuk proses

pemurnian gula karena membran keramik dapat beroperasi pada tekanan,

temperatur, dan pH dengan rentang yang besar (dari rendah sampai tinggi).

Membran keramik MF biasanya diproduksi dengan metode slip casting, sedangkan

membran UF dan NF biasanya dibuat dengan proses sol-gel dan dip coating atau

spin coating. Membran RO dapat dibuat dengan metode chemical vapor deposition.

Dalam aplikasi filtrasi dengan membran keramik pada industri gula, material yang

biasanya digunakan adalah zirconia (ZrO2).

Walaupun membrane separation process (MSP) dapat memurnikan sugar

juice dengan lebih baik, namun performa dari proses ini masih kurang baik, akibat

fouling (pengotoran pada pori membran) yang terjadi, sehingga belum dapat

sepenuhnya didukung untuk aplikasi skala industri. Biaya instalasi ceramic

membrane untuk MSP juga masih sangat mahal, tidak sebanding dengan

keuntungan dari industri gula yang dapat dibilang sangat tipis per kilogram-nya. Oleh

sebab itu, membrane filtration process masih memerlukan perbaikan dan inovasi

baru untuk dapat diaplikasikan pada skala industri ke depannya.

DAFTAR PUSTAKA

R.L. Wolke, Kalo Einstein Jadi Koki, Gramedia Pustaka Utama, 2005

A. Hinkova, Z. Bubnik, P. Kadlec, V. Pour, H. Starhova, Membrane Filtration in the

Sugar Industry, Chem. Papers 54 (6a) (2000) 375-382

A. Hinkova, P. Kadlec, J. Pridal, Potentials of separation membranes in the sugar

industry, Separation and Purification Tech. 26 (2002) 101-110

Z. Seres, J. Gyura, M. Djuric, G. Vatai, M. Eszterle, The Application of Membrane

Separation Processes as Environmental Friendly Methods in the Beet Sugar

Production, Environmental Technologies (2008)

G. Cueille, V. Thoraval, D. Segal, R. Khan, Murano, A. Byers, S. Mac Grawth,

Minerale Nanofiltration Membranes for Cane Sugar Refining Process, Tech-

Sep (1996)

Manohar, Development & Characterization of Ceramic Membranes, IJMER 2 (4)

(2012) 1492-1506

A. Harabi, F. Bouzerara, Fabrication of Tubular Membrane Supports from Low Price

Raw Materials Using Both Centrifugal Casting and/or Extrusion Methods,

Expanding Issues in Desalination (2011)

Molecular Sieving Hollow Fiber Ceramic Membranes for Reverse

Osmosis/Nanofiltration Applications, Media and Process Technology Inc.

(1998)

http://www.csem-uae.com/pdfs/Ceramic%20membrane%20for%20water%20micro-

filtration.pdf