BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Gaya Sentrifugal

Gaya sentrifugal (Fs) adalah gaya gerak melingkar yang berputar menjauhi pusat lingkaran dimana nilainya adalah positif. Gaya sentrifugal ini adalah kebalikan dari gaya sentrapetal, yaitu mendekati pusat lingkaran. Gaya sentrifugal dapat kita lihat pada pompa sentrifugal, dinamakan pompa sentrifugal karena gaya atau arah putaran sudu adalah sentrifugal.

Atau untuk contoh kecilnya yaitu sewaktu kita memutarkan tali yang kita ikatkan batu atau benda dan kemudian bandul tersebut kita ayunkan berputar membentuk lingkaran maka gaya yang ditimbulkan oleh batu adalah gaya sentrifugal atau saat kita menari dengan pasangan kita dan kemudian kita melakukan gerakan berputar, maka kita telah melakukan gaya gerak sentrifugal.

Besar gaya sentrifugal pada umumnya adalah Fs = mas dimanaas =v2 / r atau = 4 r3 maka Fs = m v2 / r. dimana m adalah massa dan v adalah kecepatan sentrifugal dan r adalah jari-jari.

2.2 Filtrasi

Filtrasi (penyaringan) adalah cara pemisahan campuran berdasarkan perbedaan ukuran dari partikel-partikel komponen campuran dengan menggunakan penyaring. Partikel yang mempunyai ukuran lebih kecil akan lolos saringan dan partikel yang lebih besar akan tertinggal pada saringan. Cara pemisahan dengan cara penyaringan ini dapat dilakukan untuk memisahkan padatan yang mempunyai ukuran berbeda dan untuk memisahkan padatan dengan cairan.

Pemilihan ukuran penyaring disesuaikan dengan ukuran zat-zat yang akan dipisahkan. Saringan untuk memisahkan pasir dan kerikil akan berbeda dengan saringan untuk memisahkan santan dengan ampasnya.

Hal yang paling utama dalam filtrasi adalah mengalirkan fluida melalui media berpori. Filtrasi dapat terjadi karena adanyagayadorong, misalnya ; gravitasi, tekanan dangayasentrifugal.Fluida yang difiltrasi dapat berupa cairan atau gas; aliran yang lolos dari saringan mungkin saja cairan, padatan, atau keduanya.Seringkali umpan dimodifikasi melalui beberapa pengolahan awal untuk meningkatkan laju filtrasi, misal dengan pemanasan, kristalisasi, atau memasang peralatan tambahan pada penyaring seperti selulosa atau tanah diatomae.

Contoh : penyaringan kerikil dari pasir. Pemisahan zat-zat yang mempunyai perbedaan kelarutan juga dapat dilakukan dengan penyaringan.Misalnya memisahkan garam yang bercampur pasir, dimana garam mudah larut dalam air sedangkan pasir tidak larut. Campuran tersebut dimasukkan dalam air, garam akan larut sedangkan pasir tidak. Setelah disaring pasir akan tertinggal di kertas saring, dan air garam lolos menembus kertas saring. Zat yang tertahan di kertas saring dinamakan residu dan cairan yang dapat menembus kertas saring dinamakan filtrat.

Fluida mengalir melalui media penyaring karena perbedaan tekanan yang melalui media tersebut. Penyaring dapat beroperasi pada:

1. Tekanan di atas atmosfer pada bagian atas media penyaring.2. Tekanan operasi pada bagian atas media penyaring.3. Vakum pada bagian bawah.Penyaring gravitasi dibatasi penggunaannya dalam industri untuk suatu aliran cairan kristal kasar, penjernihan air minum, dan pengolahan limbah cair.

Kebanyakan penyaring industri adalah penyaring tekan, penyaring vakum, atau pemisah sentrifugal. Penyaring tersebut beroperasi secara kontinyu atau diskontinyu, tergantung apakah buangan dari padatan tersaring tunak (steady) atau sebentar-sebentar.Sebagian besar siklus operasi dari penyaring diskontinyu, aliran fluida melalui peralatan secara kontinu, tetapi harus dihentikan secara periodik untuk membuang padatan terakumulasi.Dalam saringan kontinyu buangan padat atau fluida tidak dihentikan selama peralatan beroperasi.

Penyaring dibagi ke dalam tiga golongan utama, yaitu penyaring kue (cake), penyaring penjernihan (clarifying), dan penyaring aliran silang (crossflow). Penyaring kue memisahkan padatan dengan jumlah relatif besar sebagai suatu kue kristal atau lumpur. Seringkali penyaring ini dilengkapi peralatan untuk membersihkan kue dan untuk membersihkan cairan dari padatan sebelum dibuang. Penyaring penjernihan membersihkan sejumlah kecil padatan dari suatu gas atau percikan cairan jernih semisal minuman.Partikel padat terperangkap di dalam medium penyaring atau di atas permukaan luarnya. Penyaring penjernihan berbeda dengan saringan biasa, yaitu memiliki diameter pori medium penyaring lebih besar dari partikel yang akan disingkirkan. Di dalam penyaring aliran silang, umpan suspensi mengalir dengan tekanan tertentu di atas medium penyaring. Lapisan tipis dari padatan dapat terbentuk di atas medium permukaan, tetapi kecepatan cairan yang tinggi mencegah terbentuknya lapisan. Medium penyaring adalah membran keramik, logam, atau polimer dengan pori yang cukup kecil untuk menahan sebagian besar partikel tersuspensi. Sebagian cairan mengalir melalui medium sebagai filtrat yang jernih, meninggalkan suspensi pekatnya. Pembahasan selanjutnya, suatu penyaring ultra, unit aliran silang berisi membran dengan pori yang sangat kecil, digunakan untuk memisahkan dan memekatkan partikel koloid dan molekul besar.

2.3 Filtrasi Sentrifugal (Centrifugal Filtration)

Alat-alat sentrifugasi filtrasi yang paling sederhana dan bekerja secara tidak kontinu, terdiri atas sebuah keranjang ayak yang berputar cepat di dalam sebuah rumah. Keranjang tersebut dapat terpasang vertikal (alat sentrifugasi ayun) atau horizontal (alat sentrifugasi kupas) dan sisi dalamnya dilapis dengan media filter. Keranjang dapat digerakkan dengan listrik atau secara hidraulik, secara langsung atau melalui sebuah kopling penggerak awal.

Gaya sentrifugal digunakan untuk mendapatkan perbedaan tekanan sehingga slurry dalam filter akan mengalir ke penyaring. Pada operasi sentrifugasi dengan cara pengendapan, kecepatan pengendapan dipengaruhi oleh : kecepatan sudut () disamping faktor-faktor lain seperti pada perhitungan kecepatan sedimentasi. laju alir volumetrik umpan dipengaruhi oleh kecepatan sudut (), diameter partikel (Dp), densiti partikel dan cairan, viskositas dan diameter tabung centrifuge.

Pemisahan padatan dari air dengan menggunakan pengendapan sentrifugal prinsipnya sama dengan proses pengendapan secara gravitasi, bedanya pengendapan ini menghasilkan gaya dorong yang lebih besar yang disebabkan oleh putaran air. Dengan memutar air, kecepatan pengendapan dapat meningkat jika dibandingkan dengan pengendapan secara gravitasi pada umumnya. Pengendapan sentrifugal sudah banyak digunakan untuk pemisahan partikel dan cairan atau air dalam proses pengolahan mineral seperti pada proses pengeringan materi dengan ukuran partikel yang berbeda, penyisihan partikel yang sangat kecil dalam pencucian, atau dalam menyisihkan kontaminan yang terlarut dalam larutan.

Namun, penggunaan pengendapan sentrifugal untuk penyisihan partikel atau senyawa lain di dalam proses pengolahan air masih jarang dilakukan dikarenakan tingginya biaya operasional yang dibutuhkan. Maka dari itu, pengembangan pengendapan dengan memanfaatkan gaya senrifuga diarahkan pada pengendapan dengan memanfaatkan aliran air melalui dinding pengendap seperti prinsip kerja hydrocyclone.

Cara pemisahan ini berdasarkan adanya gaya sentrifugal yang diberikan pada partikel partikel yang melayang sehingga partikel tersebut dapat dipaksa untuk bergerak ke dasar bejana dan mengendap, sehingga terjadi pemisahan antara partikel padat dan pelarutnya. Selanjutnya pada campuran yang telah memisah tersebut dapat dipisahkan lebih lanjut dengan cara dekantasi atau memipet cairan yang berada diatas padatannya lalu ipindahkan ke tempat lain. Cara ini sangat cocok untuk untuk memisahkan campuran yang ukuran partikeln ya sangat kecil dan masa jenis partikelnya juga sangat kecil sehingga partikelnya melayang dalam cairannya, misalnya koloid. Gaya sentrifugal diperoleh dengan cara memutar campuran yang akan dipisahkan dengan suatu alat khusus yang disebut centrifuge.

Persamaan untuk centrifuge ialah yang terlihat seperti dibawah. RCF (Relative Centrifugal Force) ialah ukuran kekuatan dari gaya sentrifugalnya setelah mempertimbangkan faktor lain seperti kecepatan angular, Radius rotasi dan gravitasinya.

RCF = (rw2)/gr : Radius rotasi

w : Kecepatan angular

g : Gravitasi

Dimana q = laju aliran filtrasi (m3/s) dan v = velocity

Dimana, mc = massa dari cake

Pada bidang sentrifugal, g digantikan r(2

Integralkan r1 dan r2

Ada 2 jenis alat sentrifugasi (centrifuge), centrifuge biasa yang mempunyai kecepatan putar rendah antara 0 3000rpm, alat ini biasa digunakan untuk memisahkan campuran yang ukuran partikelnya relatif besar. Ultra centrifuge mempunyai kemampuan putar tinggi dari 0 20.000 rpm, bahkan ada yang dapat mencapai 120.000 rpm. Centrifuge jenis ini banyak digunakan untuk keperluan biokimia misalnya memisahkan plasma dan serum pada darah.

Fungsi sentrifugasi adalah mempercepat proses pengendapan suspensi dengan memberikan gaya sentrifugasi pada partikel-partikelnya. Contohnya, proses pemisahan minyak dengan air dalam santan. Kecepatan sentrifugasi diatur pada 3000-3500 rpm, maka terjadi pemisahan dan terdapat dua bagian yaitu fraksi kaya minyak (krim) dan fraksi miskin minyak (skim). Selanjutnya krim diasamkan, kemudian diberi perlakuan sentrifugasi sekali lagi untuk memisahkan minyak dari bagian bukan minyak.

Pemisahan sentrifugal menggunakan prinsip dimana objek diputar secara horizontal pada jarak tertentu dengan alat tertentu. Apabila objek berotasi di dalam tabung atau silinder yang berisi campuran cairan dan partikel, maka campuran tersebut dapat bergerak menuju pusat rotasi, namun hal tersebut tidak terjadi karena adanya gaya yang berlawanan yang menuju kearah dinding luar silinder atau tabung, gaya tersebut adalah gaya sentrifugal. Gaya inilah yang menyebabkan partikel-partikel menuju dinding tabung dan terakumulasi membentuk endapan. Selanjutnya, cairan dapat dipisahkan dengan dekantasi (dituang atau dipipet hati-hati).

Filtrasi sentrifugal secara luas dikategorikan sebagai operasi kontinyu dan operasi batch. Kedua filtrasi sentrifugal ini menggunakan beberapa jenis media filtrasi yang dipasang terhadap dinding basket (mangkuk). Dalam campuran padat-cair, filter cairan melalui padatan, melalui media filter, dan biasanya melalui perforasi atau pemberian lubang-lubang di shell keranjang (basket shell) (kecuali dengan desain menyedot berotasi). Filtrasi sentrifugal terutama dipilih daripada jenis sedimentasi di mana kemurnian cake tinggi melalui kebutuhan pencucian cake, atau di mana kelembaban sisa cake diinginkan. Ciri khas waktu penyimpanan padatan berkisar 5-45 s untuk terus filtrasi sentrifugal secara kontinyu dan 5-180 menit untuk filtrasi sentrifugal operasi batch. Biasanya, fase padatan memiliki specific gravity lebih tinggi daripada fase liquid (cair); tapi tidak seperti sedimentasi sentrifugal, ini bukan syarat yang mutlak. Dalam kasus nontypical yang terjadi kebalikannya, maka filtrasi, baik itu sentrifugal (centrifugal), vakum (vacuum), atau tekanan (pressure), adalah satu-satunya pilihan untuk pemisahan padat-cair. Namun, untuk filtrasi sentrifugal batch dengan fase padatan lebih ringan daripada cairan, harus diperhatikan bahwa cairan tidak diperbolehkan terpasang di basket selama tahap pemasukan feed, atau gaya apung (buoyancy forces) mungkin mengpungkan endapan padatan, sehingga filtrasi tidak merata dan getaran yang tinggi. Hal ini tidak menjadi perhatian untuk filtrasi sentrifugal kontnyu karena laju filtrasi harus inheren melebihi laju umpan cair untuk operasi yang stabil. Lihat Tabel 1 untuk rentang operasi filtrasi sentrifugal.

Tabel 1. Rentang operasi untuk filtrasi sentrifugal

Jenis peralatan filtrasi sentrifugal adalah sebagai berikut :

1. Suspended Centrifuge Batch Machine.

Banyak digunakan dalam pengolahan gula yang beroperasi secara batch dengan kecepatan putar 600-1800 rpm. Kondisi operasi dari alat ini 10 s.d 30 menit dengan produk padatan 700-4000 lb/hr. Suspended centrifuge batch machine mempunyai tabung berlubang (perforasi) dengan diameter tabung 30-48 inch (75-120 cm) dan tinggi 18-30 inch (46-75 cm).

2. Automatic Short Cycle Centrifuge Batch Machine.

Kecepatan putar dari alat sentrifugasi ini beroperasi secara kontinu dengan satu siklus yaitu pemasukan umpan, pemutaran, pembilasan dan pengeluaran. Satu siklus operasi ini beroperasi selama 35-90 detik dengan kecepatan 150 mesh.

3. Continuous Conveyer Filter Centrifuge.

Alat sentrifugasi ini beroperasi secara kontinu dengan kapasitas operasi 50.000 lb padatan/hr dengan diameter 12-48 inch (30-120cm).

2.3.1 Filtrasi Sentrifugal Batch

Meskipun filtrasi sentrifugal secara kontinyu lebih disukai karena alasan biaya rendah, kapasitas unit yang tinggi, dan kemudahan integrasi ke dalam proses hulu dan hilir terus menerus, filtrasi sentrifugal secara batch dengan operasi siklik akan selalu memiliki peran dalam CPI untuk alasan yang kemungkinan kemurnian produk tertinggi, kelembaban cake terendah, dan recovery produk tertinggi. Sifat fisik slurry seperti distribusi ukuran partikel atau viskositas cairan mungkin memerlukan waktu retensi (penyimpanan) yang lama dan memaksa pilihan dari operasi kontinyu menuju batch. Secara umum, ketika nilai produk yang tinggi, filtrasi sentrifugal operasi batch yang lebih disukai.

Perkembangan selama 10 sampai 20 tahun adalah pengenalan desain cGMP yang cocok untuk kemurnian bahan kimia yang tinggi dan aplikasi pada bidang farmasi. Persyaratan di sektor ini biasanya mendukung operasi batch karena tuntutan identitas batch; sifat khas slurry mengharuskan operasi secara batch, persyaratan pencucian tinggi, cleanability dan inspectability, menghindari kontaminasi silang untuk penerapan multi-tujuan, dan penghapusan paparan operator ke proses. Kebanyakan filtrasi sentrifugal batch modern dilengkapi dengan dorongan variabel-frekuensi atau variable-frequency drive (VFD) untuk variasi kecepatan, sering dengan daya pengereman regeneratif. Bahkan dalam kasus sentrifugal peeler (peeler centrifuges) yang mampu operasi kecepatan konstan seluruh siklus, di sebagian besar kasus mereka masih dilengkapi dengan VFD untuk memenuhi persyaratan awal (mempercepat beban inersia tinggi), fleksibilitas operasi, dan pengereman regeneratif di daerah berbahaya. Namun, masih ada unit yang tersedia yang menggunakan baik motor dua kecepatan (umumnya dianggap usang) atau dorongan hidrolik. Subkategori utama filtrasi sentrifugal batch adalah vertical sentrifugal basket (baik bongkar muat atas bawah dari variasi konfigurasi), horizontal peeler centrifuges, dan horizontal inverting filter centrifuges.

Gambar 1. Top unloading vertical basket centrifuges

2.3.2 Filtrasi Sentrifugal KontinyuDimana kondisi pengolahan dan tujuan memungkinkan, filtrasi sentrifugal secara kontinyu menawarkan kombinasi kapasitas pengolahan tinggi dan kemampuan pencucian yang baik. Tetapi, mereka kurang fleksibel dibandingkan filtrasi sentrifugal secara batch, terutama dibatasi oleh waktu retensi lebih pendek, dan dalam beberapa kasus kapasitas penanganan cair membutuhkan prakonsentrasi hulu (upstream) dari slurry. Kerugian filtrat juga lebih besar dengan desain yang kontinyu dibandingkan dengan batch.

Gambar 2. Scroll screen centrifuges

4.Penyaring sentrifugal ( Centrifugal filters)

Padatan yang membentuk kue berpori dapat dipisahkan dari cairan dengan penyaringan berpusing. Umpan dimasukkan ke dalam keranjang berputar yang memiliki dinding bercelah atau berlubang yang disampuli suatu medium penyaring seperti kanvas atau kain logam. Tekanan yang dihasilkan dari gaya sentrifugal memaksa cairan melewati medium penyaring, meninggalkan padatannya. Jika umpan yang masuk keranjang dihentikan dan padatan kue diputar untuk waktu yang singkat, kebanyakan cairan residu di dalam kue mengalirkan partikel sehingga padatan lebih kering daripada hal yang sama untuk mesin pres bersaringan (filter press) atau penyaring vakum (vacuum filter). Ketika material yang tersaring harus dikeringkan secara berurut dengan alat pemanas, pemakaian penyaring ini dapat dipertimbangkan sebagai langkah ekonomis.