Pemanfaatan Membran Pada Industri Wine

Bir atau wine dibuat melalui 4 tahapan, yaitu malting, wort production, fermentation, dan down-stream processing. 4 tahapan ini adalah tahapan yang umum dijumpai, karena setiap industri wine memiliki jumlah fermentasi, temperatur, penyimpanan, yeast, dan prosedur-prosedur lain yang dirahasiakan untuk memproduksi wine mereka. Pada tahapan terakhir yaitu down-stream processing, wine mengalami proses filtrasi. Pada proses ini, wine harus difiltrasi untuk menghilangkan yeast, protein, dan berbagai substansi yang tidak diinginkan. Metode yang selama ini dipakai adalah metode Kieselguhr, sejenis silika yang berasal dari lapisan tanah. Kieselguhr memiliki efek negatif yaitu menimbulkan debu dan dapat merusak lingkungan, oleh karena itu Kieselguhr dinilai berbahaya bagi keselamatan pekerja.

Filtrasi Kieselguhr

Penggunaan Kieselguhr semakin dihindari dari berbagai aspek. Bahan filter yang digunakan harus selalu diregenerasi, karena bila dibuang membutuhkan biaya treatment yang mahal dan juga tidak ramah lingkungan. Regenerasi bahan filter tidak terlalu efektif, dan hingga saat ini berbagai penelitian dilakukan namun belum menemukan solusi yang tepat. Penanganan bahan filter sendiri menimbulkan polusi berupa debu dan dinilai sangat berbahaya bagi kesehatan pekerja. Bahan filter ini juga mengakibatkan proses batch berjalan rumit dan tidak fleksibel. Karena alasan-alasan inilah, dikembangkan metode baru menggunakan membran. Berbagai industri wine sudah banyak menerapkan teknologi filtrasi menggunakan membran.

Membran, dibandingkan dengan Kieselguhr, tidak menimbulkan polusi debu maupun mengancam keselamatan dan kesehatan pekerja. Metode ini tidak memerlukan pembuangan bahan filter, selain itu prosesnya sangat fleksibel. Umur membran juga sangat panjang bila dibandingkan dengan Kieselguhr. Pori-pori membran dapat dibuat sedemikian sehingga dapat mengontrol partikel apa yang dapat melewatinya. Transportasi melalui membran disebabkan oleh perbedaan aktivitas kimia komponen pada kedua sisi membran, contohnya perbedaan tekanan. Pada filtrasi wine menggunakan membran, digunakan tekanan yang tinggi pada sisi feed dan tekanan lebih rendah pada sisi permeate.  Kekurangan pada proses ini adalah adanya kemungkinan terjadinya fouling pada membran sehingga dibutuhkan bahan kimia untuk membersihkan membran.

Selain menghilangkan protein dan yeast, pada industri wine, membran juga digunakan untuk mengatur kandungan oksigen, karbondioksida, dan nitrogen dalam wine.

·         CO2 Control of Beer

Terkadang fermentasi alami tidak dapat menyediakan CO2 yang cukup untuk menghasilkan rasa dan buih pada produk akhir.

·         Nitrogenation of Beer

Nitrogen terkadang ditambahkan untuk meningkatkan buih yang ada di permukaan bir.

·         Deoxygenation of Beer

Untuk menghilangkan oksigen yang terambil oleh bir selama proses transfer.

·         CO2 scrubbing

CO2 dikontakkan dengan air untuk menghilangkan kontaminan-kontaminan yang berasal dari proses fermentasi (fenol, alkohol, dan senyawa organik lain). Air pengontak harus di-deoksigenasi dahulu untuk mencegah oksigen mengontaminasi CO2.

·         H2S removal

Air dapat mengandung H2S dan harus dihilangkan atau dapat menurunkan kualitas rasa dari produk akhir.

Pemasangan filter

Untuk pemasangan filter, ada dua jenis pemasangan yang digunakan yaitu pad type filter dan cartridge type filter. Pad type filter terdiri atas tumpukan frame-frame stainless steel yang disatukan melalui proses clamping. Setiap kerangka dipisahkan oleh filter pad. Wine mengalir hingga setengah frame, melewati filter pad dan keluar melalui frame yang lain. Pad type filter ini biasanya terbuat dari stainless steel dan plastik. Mekanisme clamping sangat besar, dan material yang dibutuhkan sangat mahal. Frame yang digunakan juga sangat sulit untuk dibuat. Oleh karena itu, pad type filter cukup mahal.

Cartridge type filter terdiri atas material yang berbentuk silinder berlubang. Cartridge silinder ini ditempatkan dalam plastik atau stainless steel. Wine mengalir masuk ke dalam silinder, dan melewati filter cartridge dari bagian luar ke bagian dalam, setelah itu wine mengalir keluar silinder. Cartridge type filter biasa digunakan untuk filtrasi air. Silinder plastik diproduksi dalam jumlah yang besar, dan harganya mahal.

Mekanisme filtrasi

Filtrasi dapat berjalan melalui dua mekanisme. Mekanisme pertama adalah proses adsorpsi, dimana partikel-partikel yang tidak diinginkan tertarik ke dalam material filter berpori. Tenaga elektrostatik dan adhesi bertanggung jawab untuk menjebak partikel. Lubang dan jalur dalam material filter berukuran jauh lebih besar dari partikel-partikel yang terjebak. Mekanisme jenis ini disebut ‘depth filtration’ karena partikel terjebak di dalam ketebalan dari material filter.

Mekanisme kedua adalah proses yang lebih sederhana. Cairan dipaksa melewati membran yang mengandung banyak lubang dan pori. Ukuran pori cukup besar sehingga partikel yang diinginkan bisa melewatinya, namun juga cukup kecil untuk menahan partikel-partikel yang tidak diinginkan. Membran terbuat dari material plastik yang sangat tipis dan diameter pori dapat berukuran sangat kecil. Membran filter ini biasa disebut ‘sterille filter’, karena pori-pori membran cukup kecil untuk menahan mikroba-mikroba pada wine.

1.      Depth Filter

Depth filter digunakan untuk menghilangkan fragmen anggur, kristal tartrate, sel yeast, dan komponen-komponen lain dari wine. Depth filter dibuat dengan penekanan dan pengikatan serat-serat menjadi seperti karpet atau kertas. Dulu, serat asbestos sering digunakan. Namun sekarang depth filter dibuat dari selulosa. Serat-serat selulosa diproses sedemikian sehingga menimbulkan gaya elektrik. Jalur-jalur panjang diperoleh dari serat-serat yang menjebak partikel di dalam membran. Partikel-partikel yang berukuran kecil tertahan ketika pad dibuat lebih rapat dan tebal. Cairan yang mengalir melalui pad menjadi lebih lambat seiring dengan lebih rapatnya pad. Tabel berikut  menunjukkan flow rate air (gal/min/m2) pada tekanan 10 lb/in2.

Filter number	Flow Rate
2	30
3	26
4	20
5	16
6	14
7	11
ek	5
eks	3

Depth filter diproduksi pada beberapa ukuran dan jumlah. 8 by 8, 16 by 16, 36 by 36 in2 adalah ukuran yang paling umum. 16 in adalah yang paling populer untuk produksi wine ukuran kecil. Ketebalan pad tergantung porositas, biasanya berukuran 3/16 in. Depth filter cartridge terbuat dari berbagai material termasuk selulosa dan serat plastik.

2.      Membrane Filter

Membrane filter seperti yang dipelajari disini, adalah material yang sangat tipis, elastis dan fleksibel. Membran filter bekerja seperti ayakan.

Membran terbuat dari material plastik seperti polypropylene, cellophane, dan polyester. Karena membran sangat tipis, lapisan supporting tambahan sangat dibutuhkan, dan membran filter ditempatkan pada bagian permukaan. Membrane filter cartridge jauh lebih mahal dibandingkan depth filter karena konstruksi yang lebih rumit dan material yang lebih mahal.

Porositas membran diurutkan berdasarkan skala tertentu, dan didesain sesuai ukuran lubang ekivalen. Untuk industri wine, porositas yang paling umum digunakan adalah 0.65, 0.45, dan 0.2 mikron. Karena bersifat seperti ayakan, membran mudah tertutup atau tersumbat. Untuk mengurangi masalah ini, semua wine yang akan dilewatkan melalui membran harus melewati depth filter berukuran 1 mikron terlebih dahulu. Membran filter dapat dicuci dan di-backflushing untuk membersihkan partikel-partikel yang menutupinya, sehingga membran filter dapat digunakan berulang kali.

Membran filter digunakan untuk mensterilisasi wine sebelum dikemas dalam botol. Membran filter dengan ukuran 0.45 mikron dapat menghilangkan semua bakteri dan yeast dalam wine.

Filterability

Pada proses filtrasi wine, filterability adalah aspek yang sangat penting, baik pada Kieselguhr maupun pada metode membran. Filterability yang rendah dapat mengakibatkan biaya produksi yang tinggi dan volume produksi yang besar. Menurut Waiblinger (2002), yang menyebabkan 60% dari masalah yang timbul pada proses filtrasi dengan membran adalah β-glucan. Setelah itu barulah muncul masalah-masalah yang disebabkan oleh α-glucan, mikroorganisme, dan material-material partikulat (akibat ketidakmampuan menghilangkan partikel-partikel yang terpecah). β-glucan berasal dari malt, dan jumlahnya tergantung dari kualitas malt dan proses penghalusan. Selama proses penghalusan pada temperatur rendah, β-glucan terpecah menjadi β-glucana. Pada temperatur diatas 60⁰C β-glucan terbentuk dari β-glucan-selobiase. Pada temperatur ini pula β-glucana menjadi tidak aktif dan tidak dapat mengurangi jumlah β-glucan yang ada, sehingga menimbulkan larutan dengan konsentrasi β-glucan yang tinggi. Ketika β-glucan ini dikenai shear stress tinggi, tekanan tinggi, dan rapid cooling, mereka sering memperpanjang rantai glucannya dan melakukan ikatan  hidrogen hingga membentuk gel. Gel ini akan membentuk lapisan pada permukaan membran, menyumbat membran dan akhirnya mencegah terjadinya filtrasi.

Untuk meningkatkan filterability, banyak industri wine menambahkan flocculant sebelum proses filtrasi dan menunggu hingga terjadi sedimentasi untuk memisahkan partikel-partikel besar. PVPP (polyvinylpolypyrrolidone) sering ditambahkan untuk memisahkan polyphenol dalam wine. Silica kadang digunakan untuk memisahkan protein melalui sedimentasi. Waktu sedimentasi juga merupakan aspek penting karena bila tidak akibatnya bagi membran akan lebih buruk dibandingkan tanpa penambahan flocculant.

Membran bekerja sebagai barrier di antara 2 fase cairan dan bekerja sebagai filter yang hanya membiarkan molekul atau partikel tertentu untuk melewatinya. Ada dua mekanisme transportasi partikel melalui membran, yaitu membran berpori menyaring serta menghentikan molekul-molekul yang terlalu besar, dan mekanisme kedua adalah difusi molekul yang terjadi pada larutan. Ada berbagai tipe membran yang dapat digunakan, bergantung pada proses yang diinginkan. Sebagai contoh, yang dibahas di sini adalah membran berpori menggunakan perbedaan tekanan sebagai driving force-nya.

Gambar skematik proses pemisahan menggunakan membran (Mulder)

Kecepatan fluks melalui membran sebanding dengan driving force-nya.

Mikrofiltrasi melalui membran similar dengan filtrasi biasa. Diameter pori yang digunakan selitar 0.05-10 µm dan umumnya digunakan pada emulsi dan suspensi. Massa flux melalui membran dideskripsikan dengan hukum Darcy dan sebanding dengan beda tekanan.

Atau

Dengan J adalah fluks, ΔP adalah beda tekanan, µ adalah viskositas, dan R_T adalah tahanan hidraulik pada membran, dimana kueh terbentuk pada permukaan membran.

Fouling

Fouling pada membran selama terjadi proses filtrasi adalah masalah besar karena dapat menurunkan fluks dan mengakibatkan penambahan biaya. Fouling umumnya dibagi menjadi 3 kasus (fenomena) yang berbeda, yaitu pembentukan kueh, penyumbatan pori, dan absorpsi.

Gambar 3. Berbagai jenis fouling pada membran (Fillaudeau)

Mikrofiltrasi dapat dioperasikan dengan dua cara, yaitu dengan tekanan permeate yang konstan sehingga memberikan penurunan fluks, dan dengan fluks yang konstan sehingga perlu mengubah-ubah tekanan permeate.

Peningkatan hambatan pada membran dapat menyebabkan penurunan fluks dan tekanan. Penurunan kecepatan aliran adalah cara yang paling umum digunakan pada industri wine. Sedangkan pressure drop pada sisi feed biasanya tinggi.

Pengendapan partikel pada pori sangat tergantung pada kecepatan aliran, fluks, tekanan transmembran, hambatan membran, distribusi ukuran partikel, bentuk partikel, agglomerasi, surface effect (elektrostatik), dan sebagainya. Dengan filtrasi crossflow, volume permeate meningkat dibandingkan dengan filtrasi batch, dengan menurunkan pembentukan kueh.

Partikel besar biasanya terjebak dalam pori-pori membran sehingga dapat menutup pori. Penutupan pori ini dapat berupa penutupan parsial sehingga dapat menurunkan fluks, dan dapat berupa penutupan total pori.

Penutupan pori ini meningkatkan tahanan membran, sedangkan pembentukan kueh membuat tahanan tambahan yang baru. Protein terbukti menjadi penyebab hampir seluruh fouling yang dijumpai. Oleh karena itu untuk meningkatkan kinerja mikrofiltrasi, perlu dilakukan pencegahan fouling yang disebabkan oleh protein. Salah satu cara yang dilakukan adalah dengan backwashing.

Gambar 4. Backwashing

Metode lain yang sudah digunakan oleh beberapa industri wine untuk meningkatkan kualitas dan kuantitas produksi mereka adalah metode Crossflow Hollow Fiber Reverse Flow Modes.

Metode ini membutuhkan waktu lebih sedikit untuk membersihkan membran, sehingga menyediakan waktu filtrasi yang lebih lama, dan menghilangkan kebutuhan backflushing.

Kelebihan metode ini antara lain adalah:

• ·         Meningkatkan waktu fltrasi
• ·         Menurunkan biaya dengan menghilangkan peralatan backflushing
• ·         Memperlama umur membran
• ·         Meningkatkan kuantitas hasil