Scale-Up of Food Process

Transkripsi

1 Scale-Up of Food Process Ahmad Zaki Mubarok Materi: ahmadzaki.lecture.ub.ac.id Kajian Peningkatan Skala studi yang mengolah dan memindahkan data hasil percobaan laboratorium untuk merancang proses alat atau mesin ke dalam skala yang lebih besar Ahmad Zaki M., THP UB 1

2 SCALE-UP adalah pekerjaan mendapatkan hasil proses yg identik pada tingkat produksi yg lebih besar dari yang sebelumnya. Peningkatan kapasitas produksi dilakukan dengan peralatan yang secara fisik lebih besar daripada yang dilakukan pada skala kecil / percobaan. Peningkatan skala dilalui dengan 3 tahap yaitu (1) skala laboratorium (2) skala pilot plant (3) skala industri. Skala pilot plant merupakan skala untuk mendapatkan operasi optimal dan kontrol yang tepat sebelum menuju ke produksi secara komersial atau industrialisasi. Ahmad Zaki M., THP UB 2

3 Prinsip Scale-Up Scale-up is not choosing larger equipment from catalogs. Contoh: kasus pemasakan daging rebus 100 gr daging selama 20 menit Bagaimana jika merebus 500 gr daging? memperlama waktu masak Peningkatan skala dengan benar harus dapat: Mendefinisikan hasil proses yang diinginkan Mendefinisikan kriteria utama peningkatan skala dalam parameter (atau sekumpulan parameter) yang menjamin hasil proses tidak tergantung pada skala, hal ini pada umumnya dilakukan dengan eksperimen skala ganda Mendefinisikan kriteria sekunder peningkatan skala. Parameter proses harus rasional dan dapat diukur secara kuantitatif. Ahmad Zaki M., THP UB 3

4 Scale up is not a simple linear increase in size whilst maintaining geometric similarity Landasan peningkatan skala: Kesamaan geometris (dimensi) Kesamaan kinetic (velocity) Kesamaan dinamik (gaya) Kesamaan Geometri Prinsip kesamaan geometri ini merupakan landasan peningkatan skala yang paling banyak digunakan. Two bodies are geometrically similiar when to every point in the one body there exist a corresponding point in the other. The ratio of any two lenghts in the first is the same ratio in the second. Ahmad Zaki M., THP UB 4

5 Contoh Hasil Proses yg diinginkan Subjektif: flavor tekstur aroma rasa Objektif: laju transfer panas laju transfer massa laju reaksi dimensionless number Fundamental: temperatur tekanan konsentrasi laju aliran viskositas Contoh Proses Parameter Fundamental: temperatur tekanan konsentrasi laju aliran kecepatan Hasil perhitungan/pengukuran: tip speed power / daya power per unit volume energi per unit volume shear rate dimensionless number Ahmad Zaki M., THP UB 5

6 Contoh Kasus Scale-Up Kasus Homogenisasi minuman emulsi Definisikan hasil proses yg diinginkan misal: ukuran droplet emulsi Tentukan landasan peningkatan skala: misal: kesamaan geometris Tentukan parameter yg berpengaruh thd proses: misal: jumlah energi yg disuplai energi per unit volume Contoh Kasus Scale-Up: Pemasakan daging dgn oven Asumsi: daging berbentuk bola (sphere) suhu awal daging sama suhu oven konstan transfer panas di luar sistem diabaikan Dapat diselesaikan dgn: Perumusan prinsip dasar proses pemasakan Eksperimen lebih dari satu skala Ahmad Zaki M., THP UB 6

7 1. Perumusan Prinsip Dasar Unsteady state heat transfer Fourier Number: N Fo kt = ρ C D p 2 α t = 2 D α = difusivitas termal D = karakteristik dimensi Dengan asumsi suhu awal daging dan suhu oven konstan, maka hubungan suhu, waktu, dan dimensi daging dapat direduksi menjadi: T = f (t/d 2 ) T = suhu titik tengah bola daging t = waktu pemasakan / oven Jika massa daging: m D 3 Volume bola: 4/3. π. r 3 Maka: T = f (t/m 2/3 ) m = massa bola daging Jika suhu akhir titik tengah bola daging telah ditentukan, persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi aturan scale-up. (t/m 2/3 ) = konstan Ini adalah contoh kasus dimana kajian scale-up tidak memerlukan eksperimen lebih dari satu skala karena proses-proses fisik yang terjadi dipahami dengan baik. Ahmad Zaki M., THP UB 7

8 2. Desain Eksperimen Asumsikan bahwa pengetahuan yg dimiliki adalah bahwa kuantitas panas yg diperlukan utk memasak daging proporsional thd massa daging tsb. Rumuskan beberapa hipotesis mengenai pemasakan daging atau mengenai transfer panas ke dalam daging Hipotesis 1 : Semua energi radiasi dari oven diserap oleh bola daging. Hipotesis 2: Kuantitas panas yang terserap proporsional dengan luas permukaan bola daging. Hipotesis 3 : Pergerakan panas analog dengan pergerakan aliran listrik. Hipotesis 1 Hipotesis 1 menyatakan bahwa semua energi radiasi dari dinding, coil, atau burner terserap oleh bola daging. Shg waktu pemasakan daging merupakan panas yang dibutuhkan dibagi dengan input panas, dimana input panas adalah output daya dari oven. t m/p atau (t/m) = konstan Ahmad Zaki M., THP UB 8

9 Hipotesis 2 Hipotesis 2 menyatakan bahwa laju penyerapan panas proporsional terhadap luas permukaan penyerapan panas. Shg waktu pemasakan menjadi proporsional thd massa daging dibagi dengan luas permukaannya. Luas permukaan penyerapan panas proporsional thd diameter kuadrat dari bola daging. t m/d 2 atau (t/m 1/3 ) = konstan Hipotesis 3 Hipotesis 3 berhubungan dengan perilaku pergerakan panas terhadap perilaku laju aliran listrik. Dlm kasus ini, laju panas digambarkan sbg rasio driving force thd resistansi. Resistansi listrik didefinisikan sbg karakteristik dimensi materi dibagi dengan area dimana listrik mengalir. Menggunakan analogi yg sama, maka resistansi bola daging: r D/D 2 atau r m -1/3 Ahmad Zaki M., THP UB 9

10 Hipotesis 3 (cont..) Driving force : perbedaan suhu antara bola daging dan oven. Dlm kasus ini driving force = konstan. Total transfer panas yg dibutuhkan proporsional thd massa bola daging. Shg waktu untuk mentransfer panas tsb menjadi: t mr atau (t/m 2/3 ) = konstan Experiments Percobaan dilakukan untuk mendapatkan waktu pemasakan daging pada ukuran yg berbeda. Massa daging (kg) Waktu masak (jam) 4,5 4 6,5 5 Ahmad Zaki M., THP UB 10

11 Experiments Menggunakan pertengahan nilai dari data sebelumnya, data pada tabel berikut didapatkan sbg kandidat kriteria utama. Massa daging Parameter hipotesis ,5 kg 0,400 1,86 0,862 6,5 kg 0,357 2,07 0,861 Persentase perubahan 10,8 11,2 0,1 Hipotesis 3 merupakan satu-satunya parameter yg memberikan hasil proses independen thd skala proses. Experiments Kriteria utama telah dapat ditentukan, yaitu: (t/m 2/3 ) = 0,86 Jika data suhu versus waktu pemasakan tersedia, kemudian suhu diplotkan dengan parameter kriteria utama akan didapatkan kurva scale-up pemasakan daging yg independen thd skala proses. Ahmad Zaki M., THP UB 11

12 Thank You Ahmad Zaki M., THP UB 12