Membran Kristalisasi

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

Posted in: Bahan Kuliah