Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
UJI KINERJA MEMBRAN ULTRAFILTRASI DENGAN BOVINE SERUM ALBUMIN SEBAGAI LARUTAN UMPAN

## SyahrilAhmad
Pusat Penelitian Kimia (P2K)-LIPI Jl. Cisitu 21/154D, Sangkuriang, Bandung 40132 e-mail : syahrilas@yahoo.com

## ABSTRAK
UJI KINERJA MEMBRAN ULTRAFILTRASI DENGAN BOVINE SERUM ALBUMIN SEBAGAI LARUTAN UMPAN . Larutan Bovine Serum Albumin ( BSA ) pada berbagai suhu, pH, laju alir sirkulasi dan tekanan operasi telah dipakai sebagai larutan umpan dalam rangka mempelajari kinerja membran ultrafiltrasi polisulfon. Membran polisulfon yang dipakai adalah membran serat berongga yang mempunyai Molecular Weight Cut Off ( MWCO ) sebesar 60 kDa. Pengamatan difokuskan pada parameter fluks dan koefisien rejeksi membran yang diamati dari harga protein yang lolos dan tertahan oleh membran selama proses berlangsung. Hasil percobaan memperlihatkan bahwa suhu, pH larutan umpan BSA , laju alir sirkulasi dan tekanan operasi dapat mempengaruhi kinerja membran dilihat dari segi fluks dan koefisien rejeksi membran. Suhu larutan umpan yang tinggi akan menurunkan fluks membran tetapi menaikkan koefisien rejeksi membran. Koefisien rejeksi membran semakin besar dan fluks semakin kecil pada pH larutan mendekati titik isoelektris protein. Tekanan larutan umpan yang tinggi akan menaikkan fluks membran tetapi menurunkan koefisien rejeksi membran. Koefisien rejeksi membran semakin kecil dan fluks semakin besar pada kecepatan aliran sirkulasi yang rendah.
Kata kunci : Membran Ultrafiltrasi, Bovine Serum Albumin , Larutan umpan, Fluks, Koefisien rejeksi

## ABSTRACT

## PERFORMANCE STUDY OF ULTRAFILTRATION MEMBRANE WITH BOVINE SERUM
ALBUMIN AS FEED SOLUTION . Bovine serum albumin solutions at different temperature, pH, flow rate and operation pressure have been used as feed solution for studying performance of ultrafiltration membrane. Polysulfone membranes used for this experiment were in form of hollow fibers that have Molecular Weight Cut Off (MWCO) 60 kDa. Observation was focused on flux parameter and rejection coefficient towards protein during the process. Result shows that temperature, pH of BSA feed solution, flow rate and operation pressure can affect the flux and rejection coefficient of membrane. High temperature feed solution tend to decrease the flux but increase rejection coefficient. Rejection coefficient of membrane will increase while flux decreasing at pH of feed solution near to protein isoelectric point. High pressure of feed solution will increase flux but decrease rejection of membrane. Rejection of membrane will decrease and flux will increase when the process operated in slow flow rate.
Key words : Ultrafiltration Membrane, Bovine Serum Albumin, Feed solution, Flux, Rejection coefficient

## PENDAHULUAN
Membran polimer sintetis banyak dipakai dalam industri untuk proses pemisahan baik untuk pemisahan gas maupun pemisahan cairan. Proses membran sangat menarik dalam proses pemisahan makromolekul seperti protein karena memberikan beberapa keuntungan terutama komsumsi energi rendah, tidak membutuhkan aditif dan tidak ada perubahan fasa. Fluks merupakan ukuran kinerja membran yang dikontrol oleh dua fenomena yaitu polarisasi konsentrasi dan fouling . Polarisasi konsentrasi adalah terjadinya penumpukan molekul pada permukaan membran sehingga dapat memperkecil harga fluks, sedangkan fouling adalah
proses dimana solute atau partikel mengendap pada permukaan membran atau dinding pori membran yang juga mengakibatkan pengurangan laju alir fluks [1-4].
Telah banyak riset tentang polarisasi konsentrasi dan fouling dilakukan [4-10], yang mengatakan bahwa fouling dipengaruhi oleh jenis membran, karakteristik larutan umpan dan kondisi operasi. Namun demikian hasil penelitian ini belum dapat mengungkapkan semua hal tentang kinerja membran dan parameter yang mempengaruhinya. Oleh karena itu teknik pemisahan dengan membran masih memerlukan pembuktian untuk mendapatkan hasil terbaik dalam proses pemisahan.
Tujuan penelitian ini adalah mempelajari kinerja membran ultrafiltrasi dalam berbagai kondisi larutan umpan (suhu, pH, tekanan operasi dan laju alir sirkulasi) terhadap fluks dan koefisien rejeksi membran.

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Semua bahan yang dipakai dalam percobaan ini berkualitas pro analisis yaitu : Bovine Serum Albumin ( Merck ), Asam sulfat ( Merck ), Reagent Lowry , Epoksi resin, larutan penyangga ( buffer solution ) pH 3, pH 5, pH 7, pH 9, pH 11dan Glycerine . Membran yang dipakai adalah membran serat berongga yang mempunyai MWCO sekitar 60 kDa.

## Peralatan
Satu unit alat uji membran, spektrofotometer UV-Vis ( Novaspec 1201 ), waterbath , pompa peristaltik dan stopwatch .

## Cara Kerja
Pengujian membran dilakukan dalam bentuk bundel yang terdiri dari 10 lembar hingga 20 lembar membran dengan panjang sekitar 50 cm dan pada kedua ujungnya dilem dengan epoksi resin. Waterbath dipakai untuk mengatur suhu larutan umpan BSA dan larutan penyangga dipakai untuk mengatur pH larutan BSA . Pada percobaan ini variasi kondisi yang diamati adalah suhu larutan umpan (16 o C, 21 o C , 25 o C , 31 o C dan 36 o C), pH larutan umpan (pH 3, pH 5, pH 7, pH 9 dan pH 11), tekanan operasi (0,5 atm, 1,0 atm, 1,5 atm, 2,0 atm dan 2,5 atm) dan kecepatan aliran sirkulasi larutan umpan (88,95 mL/menit, 108,34 mL/menit, 128,75 mL/menit, 171,18 mL/menit dan 276,88 mL/menit).
Pompa peristaltik dipakai untuk menggerakkan cairan untuk masuk ke dalam membran. Selama pengujian, membran larutan umpan mengalir masuk membran dan permeat ditampung pada beaker glass sedangkan retentat yang tidak dapat menembus membran dikembalikan ke tangki semula. Setelah tercapai kondisi stabil, diukur laju fluks dan koefisien rejeksi membran dengan mengukur konsentrasi protein dalam permeat dan retentat . Konsentrasi protein dalam permeat dan retentat diukur dengan alat spektrofotometer UV-Vis.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Gambar 1 hingga Gambar 8 dapat dilihat hubungan antara fluks dan koefisien rejeksi membran terhadap perubahan suhu dan pH larutan umpan, tekanan operasi dan laju alir sirkulasi.
Pada Gambar 1 terlihat bahwa kenaikan suhu larutan umpan BSA dapat menurunkan fluks membran. Penurunan yang sangat tajam terlihat pada suhu dari 16 o C ke 21 o C dan kenaikan suhu selanjutnya perubahan fluks mulai menurun. Perubahan harga fluks membran pada berbagai suhu larutan umpan ini disebabkan karena terjadi perubahan sifat protein, dimana pada suhu tinggi larutan protein akan mengalami perubahan struktur karena molekul protein berbenturan satu sama lain sehingga ada kecenderungan protein akan membentuk molekul yang lebih besar. Disamping itu juga akan terjadi denaturasi protein pada suhu yang lebih tinggi. Kedua faktor ini mengakibatkan solubilitas protein dalam larutan berkurang sehingga menyebabkan terjadinya penurunan fluks.
Pada Gambar 2 dapat dilihat pengaruh kenaikan suhu larutan umpan BSA terhadap koefisien rejeksi membran. Dapat terlihat bahwa kenaikan suhu larutan umpan BSA diikuti dengan kenaikan koefisien rejeksi membran. Pada suhu tinggi protein yang terdapat dalam larutan BSA cenderung membentuk molekul besar sehingga tidak dapat melewati membran dan fenomena ini dikenal dengan denaturasi protein. Kalau larutan BSA dipanaskan maka akan terlihat larutan menjadi keruh karena kelarutan protein pada kondisi ini berkurang dan molekul protein membentuk aggregate sehingga molekul protein menjadi lebih besar dari ukuran molekul sebelumnya. Inilah yang menyebabkan kenaikan koefisien rejeksi kalau suhu larutan umpan BSA dinaikkan.
5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 35 40 Temperatur BSA ( o C) F lu ks (L /a tm .m 2 .ja m )
Gambar 1 . Pengaruh suhu larutan BSA terhadap fluks membran
88 90 92 94 96 10 15 20 25 30 35 40 Temperatur BSA ( o C) R e je ks i( % )
Gambar 2 . Pengaruh suhu larutan BSA terhadap koefisien rejeksi membran
Pengaruh pH larutan BSA terhadap fluks dapat dilihat pada Gambar 3. Fluks terendah didapatkan pada pH 5 dan fluks terbesar didapatkan pada pH 3 dan pH 7. Pada pH 5 kondisi protein dalam larutan berada dalam keadaan netral, tidak bermuatan atau titik ini disebut sebagai titik isoelektris protein. Karena pada pH ini protein netral kelarutan protein menjadi rendah dan protein cenderung membentuk aggregate menjadi molekul besar dan protein dengan mudah diserap pada permukaan membran.
Berbeda dengan kondisi larutan BSA pada pH lain, larutan akan bermuatan positif atau negatif. Pada kondisi larutan BSA berada pada pH di bawah 5 larutan protein akan bermuatan positif, dan pada kondisi larutan BSA berada pada pH di atas 5 maka larutan protein akan bermuatan negatif. Sifat protein tergantung pada kondisi disekitarnya dan kondisi ini akan mempengaruhi fluks membran.
Pengaruh pH larutan BSA terhadap koefisien rejeksi membran dapat dilihat pada Gambar 4. Pada larutan BSA yang berada pada pH 5 didapatkan koefisien rejeksi membran terbesar, karena protein berada pada kondisi netral, kelarutannya rendah dan cenderung ber agregate membentuk molekul yang lebih besar sehingga selektifitas membran semakin tinggi. Pada pH 3 dan pH 7 larutan protein bermuatan sehingga kelarutannya bertambah dan koefisien rejeksinya menurun lagi.
Pada Gambar 5 terlihat bahwa kenaikan tekanan larutan umpan BSA juga akan menimbulkan kenaikan pada fluks membran. Kenaikan tekanan operasi dalam proses ultrafiltrasi terlihat berbanding lurus dengan kenaikan fluks membran dan dari persamaan regresi didapatkan persamaan linier dengan persamaan sebagai berikut :
Y = 3,762 X + 4,382 dengan koefisien korelasi (R 2 ) = 1 dimana : Y = Fluks membran X = Tekanan operasi
Kenaikan fluks akibat kenaikan harga tekanan disebabkan karena tekanan yang besar akan mendorong cairan lebih cepat melewati pori-pori membran. Berbeda dengan koefisien rejeksi membran, kenaikan tekanan larutan umpan BSA mengakibatkan turunnya koefisien rejeksi (Gambar 6). Pada tekanan tinggi molekul-molekul protein yang terdapat dalam larutan BSA terdorong dengan kuat memasuki pori-pori membran sehingga tidak banyak yang tertahan oleh membran. Penurunan yang sangat tajam dari koefisien rejeksi membran terlihat dari kenaikan tekanan operasi dari 0,5 atm sampai tekanan operasi 1,5 atm sedangkan kenaikan selanjutnya penurunan koefisien rejeksi tidak begitu tajam.
Seperti tertera pada Gambar 7 kenaikan aliran sirkulasi larutan BSA akan menaikkan fluks membran karena terjadinya peningkatan dorongan cairan diatas permukaan membran sehingga memudahkan larutan
4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 pH F lu x (L /a tm .m 2 .ja m ) Gambar 3 . Pengaruh pH larutan BSA terhadap fluks membran
Gambar 4 . Pengaruh pH larutan BSA terhadap koefisien rejeksi membran 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 pH R e je ks i( % ) 85 86 87 88 89 90 91 92 93 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tekanan (atm) R e je ks i( % ) Gambar 6 . Pengaruh tekanan terhadap koefisien rejeksi membran
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tekanan (atm) F lu x (L /a tm .m 2 .ja m )
Gambar 5 . Pengaruh tekanan terhadap fluks membran
melintasi membran. Perubahan yang signifikan tampak diawal kenaikan kecepatan aliran sirkulasi yaitu antara 88 mL/menit sampai kecepatan aliran 128 mL/menit. Untuk kecepatan aliran sirkulasi lebih dari 128 mL/menit, tetap terjadi kenaikan fluks namun tidak signifikan. Arah aliran sirkulasi selama proses ultrafiltrasi larutan BSA adalah sejajar dengan arah permukaan membran sedangkan arah aliran permeat tegak lurus terhadap membran. Hal ini akan menghalangi penumpukan molekul besar pada permukaan membran sehingga memudahkan molekul kecil melewati membran.
Keunggulan pemisahan secara membran dibanding dengan proses pemisahan secara konvensional dimana arah aliran fluks dan larutan umpan sama yaitu vertikal terhadap permukaan membran sehingga mudah terjadi penyumbatan karena penumpukan molekul besar pada permukaan membran.
Pengaruh kecepatan aliran sirkulasi larutan BSA terhadap koefisien rejeksi membran dapat dilihat pada Gambar 8. Penurunan koefisien rejeksi sangat tajam terjadi dari kecepatan sirkulasi 88 mL/menit hingga 150 mL/menit, dimana penurunan fluks terlihat linier hingga titik ini dengan persamaan regresi sebagai berikut :
Y = -0,047X + 99,441 dimana :
R 2 = 0,9991 Y = Koefisien Rejeksi
X = Kecepatan aliran sirkulasi
Terjadinya penurunan koefisien rejeksi pada peningkatan aliran sirkulasi disebabkan karena adanya peningkatan dorongan cairan diatas permukaan membran yang memaksa solute melewati membran dengan mudah dan kesempatan untuk terjadinya penyumbatan membran ( fouling ) akan berkurang.

## KESIMPULAN
Dari hasil percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa besarnya harga fluks dan koefisien rejeksi suatu membran sangat tergantung pada sifat dan kondisi larutan umpan itu sendiri disaat proses pemisahan berlangsung.Untuk larutan umpan BSA yang di dalamnya terdapat protein yang sifatnya sangat sensitif terhadap panas, perubahan suhu larutan sangat berpengaruh pada harga fluks dan koefisien rejeksi. Senyawa protein yang terdapat dalam larutan umpan BSA kondisinya dapat berubah dengan perubahan pH larutan dan hal ini akan berpengaruh pada harga fluks dan koefisien rejeksi membran.
Pada larutan umpan bersuhu tinggi dan mengandung protein atau larutan umpan yang mengandung protein tetapi berada pada pH titik isoelektris protein, akan terjadi penurunan fluks dan cenderung mendorong terbentuknya fouling. Kenaikan tekanan operasi dan kecepatan aliran sirkulasi selama proses ultrafiltrasi berlangsung mengakibatkan naiknya harga fluks membran tetapi menurunkan koefisien rejeksi membran itu sendiri.

## DAFTAR ACUAN
[1]. HAIOU HUANG, THAYER A. YOUNG and JOSEPH G. JACANGELO, Environ. Sci. Technol , 42 (2008) 714-720
[2]. J. BRUIJN, A. VENEGAS and R. BORQUEZ, Desalination , 148 (2002) 131-136
[3]. T. CHAABANE, et al, Desalination , 200 (2006) 406 - 408
[4]. CHIEN-HWA YU, Separation and Purification Technology , 64 (2008) 206-212
[5]. J.S. VROUWENVELDER, Journal of Membrane Science , 326 (2009) 36-44
[6]. LI GAO, BEIBEI TANG and PEIYI WU, Journal of Membrane Science , 326 (2009) 168-177
[7]. XINCHENG XUA et al, Journal of Membrane Science , 326 (2009) 103-110
[8]. ZHAO-QI TANG, Separation and Purification Technology , 64 (2009) 332-336
[9]. C. TORRAS et al, Desalination , 235 (2009) 122 - 138
[10]. SAYYED SIAVASH MADAENI and SHAHRAM SHARIFNIA, Iranian Polymer Journal , 3 (2000) 143 - 151
4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 50 100 150 200 250 300 Sirkulasi (mL/min) F lu x (L /a tm .m 2 .ja m ) Gambar 7 . Pengaruh kecepatan aliran sirkulasi terhadap fluks membran
Gambar 8 . Pengaruh kecepatan aliran sirkulasi terhadap koefisien rejeksi membran
92 93 94 95 96 0 50 100 150 200 250 300 Sirkulasi (mL/min) R e je ks i( % )