PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI KONTROL OTOMATIS PADA PROSES PEMBUATAN SOYGHURT

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI KONTROL OTOMATIS PADA PROSES PEMBUATAN SOYGHURT Efrizon, Djoko Purwanto, Totok Mujiono Pascasarjana Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK Susu kedelai merupakan minuman yang bergizi tinggi, terutama karena kandungan proteinnya. Seperti halnya susu sapi, susu kedelai juga dapat dibuat susu asam atau susu fermentasi. Kalau susu asam yang dibuat dari susu sapi disebut dengan yoghurt maka susu asam yang dibuat dari susu kedelai dinamakan soyghurt. Kendala utama dalam pembuatan susu fermentasi tersebut, yaitu bagaimana menjaga parameter suhu dan ph agar sesuai dengan kriteria yang telah ditentukan, yaitu suhu berkisar antara 40 0 C C dan ph berkisar antara 4-4,5. Kriteria ini diambil karena pada suhu dan ph tersebut bakteri Lactobaccilus bulgaricus dan Streptococcus thermophilus sebagai bibit susu asam akan berkembangbiak dengan baik. Untuk mengawasi dan mengontrol sebuah plant pembuatan soyghurt ini, maka dibuat sistem kontrol otomatis yang mampu menggantikan operator manusia dalam mempertahankan suhu dan mendeteksi ph secara kontinyu. Proses pengontrolan menggunakan metode kontrol digital dengan sistem komputerisasi. Disain perangkat kerasnya terdiri dari unit sensor suhu LM35, sensor ph elektroda, unit pengkondisian sinyal dan akuisisi data, heater, valve selenoid, mixer dan unit komputer. Heater digunakan sebagai penstabil suhu dan sementara sensor ph digunakan sebagai pendeteksi tingkat keasaman serta berfungsi juga sebagai indikator pada proses pembuatan soyghurt telah selesai dan sistem akan off secara keseluruhan bila ph yang diinginkan telah tercapai. Dari hasil penelitian, sensor suhu dan sensor ph telah dapat melakukan pensensoran dengan baik sesuai dengan yang diinginkan pada plant. Pengujian sistem selama proses fermentasi telah berjalan dengan baik, setpoint suhu 45 0 C pada proses fermentasi terjadi perubahan ph. Susu kedelai yang ph awalnya 6,7 setelah difermentasi dengan bibit yoghurt mengalami penurunan ph yakni berkisar antara 4,5 4,69 dalam waktu lebih kurang 7,3 jam Kata kunci : Susu Kedelai, Soyghurt, Suhu, ph, Kontrol Digital PENDAHULUAN Kedelai sebagian besar dikonsumsi dalam bentuk olahan dan hanya sebagian kecil yang dikonsumsi secara langsung. Salah satu produk olahan kedelai adalah susu kedelai. Susu kedelai mempunyai nilai gizi yang mirip dengan susu sapi dan sangat baik digunakan sebagai pengganti susu sapi bagi anak-anak yang menderita intoleransi laktosa. Dengan sedikit suplementasi khusus, susu kedelai dapat menggantikan susu sapi secara baik. Namun demikian, pemanfaatan susu kedelai masih terbatas karena citarasa yang kurang disenangi (langu). Keterbatasan susu kedelai tersebut dapat dikurangi melalui proses fermentasi susu kedelai menjadi yoghurt yang lebih dikenal dengan istilah soyghurt. Soyghurt merupakan produk fermentasi susu kedelai dengan menggunakan bakteri Streptococcus

2 thermophillus dan Lactobacillus bulgaricus yang telah umum dipakai dalam proses pembuatan yogurt [8] Untuk menekan jumlah mikroba dalam susu kedelai dapat dilakukan dengan cara pasteurisasi. Pasteurisasi dapat dilakukan pada suhu yang relatif rendah dalam waktu yang relatif lama yaitu 65 o C selama 30 menit, atau pada suhu tinggi dalam waktu singkat yaitu 71,7 o C selama 15 detik. Pasteurisasi tidak mensterilkan susu, tetapi mengurangi angka bakteri terutama bakteri pathogen [7]. Soyghurt adalah produk susu asam diperoleh dari susu kedelai yang dipasteurisasi atau dipanaskan kemudian difermentasikan dengan campuran bakteri Lactobaccilus bulgaricus dan Streptococcus thermophilus hingga diperoleh keasaman, bau dan rasa yang khas, dengan atau tanpa penambahan lain. Paduan kedua bakteri ini akan hidup dengan baik pada suhu berkisar 0 0 antara 40 C 46 C, sehingga proses fermentasinya harus dijaga pada suhu tersebut. Bila suhu dibawah atau diatas kriteria yang telah ditentukan diatas maka campuran kedua bakteri tersebut akan lambat berkembangnya atau kedua bakteri tersebut akan mati. Disamping itu agar susu kedelai menjadi soyghurt dan siap untuk dikonsumsi, maka ph-nya sebaiknya berkisar antara 4-4,5 [1][ 9] Dari uraian diatas, terdapat permasalahan dalam proses pembuatan soyghurt yaitu bagaimana menjaga parameter suhu dan mendeteksi ph secara kontinyu agar sesuai dengan kriteria yang telah ditentukan. Karena tidak mungkin melakukan pengamatan secara manual dalam jangka waktu yang lama, sehingga diperlukan suatu instrumen kontrol yang dapat memberikan informasi secara terus-menerus tanpa harus disertai kehadiran manusia sebagai pengamat. Salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan diatas, maka dibuat suatu sistem kontrol otomatis untuk menjaga agar suhu berada pada kisaran yang telah ditentukan dan mendeteksi ph secara kontinyu dengan menggunakan komputer sebagai pengendali proses dan pengolah data. Teknik kontrol yang banyak digunakan sekarang ini sangat bervariasi yaitu kontrol fuzzy, kontrol digital (on-off) dan kontrol PID. Pada penelitian ini dipilih kontrol digital, karena kontrol ini kebanyakan digunakan pada plant yang berperilaku lamban, maksudnya reaksi perubahan keluaran plant sangat lambat ketika terjadi perubahan masukannya. Pada kontrol suhu, misalnya, begitu diinginkan perubahan suhu ruang pada harga tertentu, aktuator akan menyemburkan udara panas ke ruang sekitarnya. Udara panas yang mengalir itu tentunya membutuhkan waktu dalam orde menit sampai jam untuk memenuhi ruangan tersebut. Waktu inilah yang menentukan prilaku lamban atau tidaknya sebuah plant. METODOLOGI Perencanaan dari perangkat yang akan dibuat didahului dengan mengadakan studi literatur mengenai teori-teori yang berhubungan proses pembuatan soyghurt maupun teori-teori dari rangkaian elektroniknya. Selanjutnya dilakukan perencanaan dan pembuatan perangkat keras dan perangkat lunak. Terakhir dilakukan pengujian alat dengan menguji setiap fungsi alat atau sensor dan selanjutnya pengujian sistem secara keseluruhan. Adapun proses kerja dari pembuatan soyghurt adalah susu kedelai dan bibit dimasukkan kedalam bejana yang telah disediakan dengan kapasitas produksi lebih kurang 1 liter. Pertama valve selenoid 1 dibuka untuk mengalirkan susu kedelai, susu kedelai dipanaskan atau di pasteurisasi dengan menggunakan heater sampai mencapai suhu berkisar 70 o C 90 o C selama menit sambil diaduk menggunakan mixer sampai proses selesai. A-26-2

3 Selanjutnya suhu susu kedelai dalam tabung proses dibiarkan turun secara alami sampai mencapai suhu berkisar antara 40 o C 46 o C, setelah itu valve selenoid 2 yaitu bibit ( culture) membuka selama beberapa menit tergantung setpointnya. Bibit tersebut akan bercampur dengan susu kedelai yang telah didinginkan pada kisaran suhu yang telah ditetapkan (misalnya 40 o C) suhu itu dipertahankan sampai proses selesai. Gambar 1. berikut ini adalah proses pembuatan soyghurt [4] Susu kedelai Dipanaskan (70 o C 90 o C) Didinginkan 45o C Pertahankan suhu 45o C Masukan bibit susu (culture) Tercapai ph ( 4,5) Soyghurt Gambar 1. Proses Pembuatan Soyghurt Sambil dilakukan pengadukan, selanjutnya dimasukan sensor ph, proses memasukan sensor ini tidak dilakukan dari awal karena sensor ph mempunyai batas maksimal suhu 60 o C, bila melebihi suhu tersebut maka sensor akan rusak. Sensor ph dalam tabung proses berfungsi untuk mengetahui ph dari kedua campuran tersebut. Apabila ph yang dikehendaki sudah tercapai atau sesuai dengan setpoint yang diinginkan maka sistem akan off dan hasil akhir dari proses tersebut merupakan soyghurt. Untuk bisa bertahan lama soyghurt disimpan pada suhu dibawah 10 o C atau dipanaskan pada suhu 65 o C. Prinsip utama proses perancangan dan implementasi kontrol otomatis pada proses pembuatan soyghurt yang dikontrol komputer adalah bagaimana menjaga agar suhu yang diinginkan sesuai dengan setpoint dan mendeteksi ph secara kontinyu. Seluruh data yang terjadi diolah dan disimpan dalam komputer dalam bentuk file sgh menggunakan bahasa pemrograman delphi 7. Sistem bekerja dengan pengontrol utama mikrokomputer. Sebagai pengontrol utama peralatan, mikrokomputer memerlukan peripheral-peripheral maupun sistem lain sebagai penunjang, seperti ADC, rangkaian transducer dan pengkondisian sinyal sensor suhu, rangkaian transducer dan pengkondisian sinyal sensor ph, rangkaian driver motor dan perangkat lunak (program). Prinsip kerja sistem secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 2.2 perancangan plant proses pembuatan soyghurt. A-26-3

4 Gambar 2. Perancangan plant proses pembuatan soyghurt Pada tahap awal dilakukan pemeriksaan atau pengkalibrasian terhadap kondisi sensor suhu dan sensor ph. Nilai variabel yang diperoleh dari kedua tranducer ini diteruskan ke pengkondisian sinyal untuk diolah sehingga didapat informasi yang terkalibrasi dan jelas dari objek yang dikontrol. Dari sini sinyal diteruskan ke ADC 0808 untuk diubah menjadi sinyal digital yang dibutuhkan oleh mikrokomputer. Dari mikrokomputer sinyal tersebut diolah data-data tentang suhu dan ph dari cairan. Keluaran dari yang dihasilkan mikrokomputer digunakan untuk mengatifkan rangkaian driver dan selanjutnya akan mengaktifkan pemanas. Selain itu keluaran mikrokomputer juga mengaktifkan mixer dan valve sesuai dengan urutan jalannya proses pembuatan soyghurt yang dirancang melalui program (software). 1. Rangkaian ADC (Analog to Digital Converter) Rangkaian ADC berfungsi untuk mengolah sinyal analog dari rangkaian pengkondisian sinyal menjadi sinyal digital, sehingga dapat diolah oleh sistem komputer. Rangkaian ADC yang dirancang terdiri dari IC ADC 0808, rangkaian clock, buffer latch 74HC574, rangkaian decoder 74HC157 seperti gambar 3. Gambar 3. Rangkaian sistem ADC 0808 A-26-4

5 2. Rangkaian Transduser dan Pengkondisi Sinyal Suhu Transduser yang digunakan untuk suhu adalah LM35 dari National, merupakan suatu sensor suhu terintegrasi dengan keluarannya merupakan tegangan linear terhadap perubahan suhu, dengan faktor skala 10 mv/ o C. Kelebihan sensor ini adalah akurasi tipikal sebesar 0.25 o C pada suhu kamar. Jangkauan suhu mencakup -55 sampai 155 o C, hanya membutuhkan arus yang kecil (60 ), dengan demikian hanya menimbulkan pemanasan diri yang rendah. Gambar 2.4 Rangkaian Tranducer dan Pengkondisi Sinyal suhu. Pada rangkaian menggunakan IC Op-Amp LM324 sebagai penguat operasi. Output dari hasil pembacaan suhu luar yang telah dikuatkan oleh LM324 dapat diatur dengan mengatur potensiometer agar sinyal yang dapat dibaca oleh ADC Gambar 4. Rangkaian Tranducer dan Pengkondisi Sinyal Suhu 3. Rangkaian Transduser dan Pengkondisi Sinyal ph Transduser ph yang digunakan adalah ph elektroda gelas tipe PE-11 yang dapat mengukur ph dari 0 14 dan batas kerja suhu dari 5 o C 60 o C, dimana elektroda ini akan mengeluarkan tegangan yang proposional dengan perubahan ph. Untuk mendapatkan keluaran dari penguat agar dapat diterdeteksi oleh ADC 0808 dan terdeteksi oleh komputer, dapat diatur menggunakan potensiometer agar sinyal tersebut dapat dibaca. Gambar 2.5 rangkaian transduser dan pengkondisi sinyal ph. Gambar 5. Rangkaian Transduser dan Pengkondisi Sinyal ph 4. Rangkaian Kontrol Daya Untuk mengendalikan plant yang menggunakan tegangan AC 220V dengan input berupa sinyal output dari komputer (PC), di sini diperlukan rangkaian kontrol daya. Kontrol daya ini berfungsi menghidupkan dan mematikan heater dan menggerakan valve dalam hal ini digunakan relay. A-26-5

6 HASIL DAN DISKUSI Gambar 6. Rangkaian Kontrol Daya Pengujian ini dilakukan dengan cara menggabungkan semua bagian yaitu rangkaian elektronik (hardware) dan program (software) serta mekanik pada proses pembuatan soyghurt. Sebelum dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan terlebih dahulu dilakukan kalibrasi terhadap sensor suhu dan sensor ph. Pengujian terhadap kedua sensor suhu dan sensor ph serta mekanik berjalan dengan baik. Hal ini dapat dilihat dari hasil grafik hasil uji coba sistem plant. Semua data yang telah dikalibrasi dan data-data hasil percobaan disimpan dalam bentuk file extension sgh dengan program Delfhi 7. Dari data pengamatan dan pengujian yang dilakukan menunjukkan indikasi bahwa semua alat dapat berjalan dengan normal dan baik sesuai dengan yang diharapkan. Data dari hasil grafik proses kontrol yang telah dilakukan pada percobaan proses pembuatan soyghurt dapat dilihat pada gambar 3.1 Hasil Pengujian Gambar 7. Grafik hasil pengujian proses pembuatan soyghurt A-26-6

7 Data hasil pengujian adalah sebagai berikut: Waktu Mulai : 07/01/ :02:33 Waktu Selesai : 08/01/ :25:29 Jumlah Produksi = 1000 ml Perbandingan (Kedelai : Bibit) = 10 : 1 Seting Point 1 = 70 ( 15 Menit Pasteurisasi) Seting Point 2 = 45 (Fermentasi) Seting Point 3 = 4,5 (Batas/ Akhir Proses) Dari hasil sampling data dan hasil grafik terlihat bahwa sensor suhu dan sensor ph dapat bekerja dengan baik sesuai dengan yang diinginkan dan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai setpoint ph 4,5 adalah 7,3 jam. Dari hasil pensamplingan data terdapat kesalahan (error), namun errornya masih dalam batas toleran si.misalnya pada saat suhu mencapai setpoint 45 o C (steady state) pembacaan suhu aktual berosilasi pada suhu tertinggi 45,60 o C dengan error 1,3 %. Karena suatu sistem kontrol digital tidak akan pernah mencapai keadaan mantap (steady state). Keluarannya sen antiasa berosilasi pada nilai yang diinginkan. Hal ini dapat dilihat dari grafik dan hasil pensamplingan data setiap detik dimana harganya selalu berosilasi tapi masih disekitar setpoint yang diinginkan. Dari hasil pengamatan proses fermentasi ini susu terlihat berubah menjadi kental dan terasa asam. KESIMPULAN Berdasarkan data dan analisa data yang telah diperoleh maka dapat ditarik kesimpulan bahwa: 1. Respon kontrol digital berbasis komputer telah dapat bekerja dengan baik dalam mengontrol suhu dan pendeteksian ph. Kesalahan (error) yang terjadi sangat kecil dari setpoint yang diinginkan pada proses fermentasi susu kedelai dengan bibit yoghurt menjadi soyghurt. 2. Selama proses fermentasi susu kedelai menjadi soygurt terjadi perubahan ph. Susu kedelai yang awalnya mempunyai ph 6,7 setelah difermentasi selama 7,3 jam dengan menggunakan bakteri bibit yoghurt Streptococcus thermophilus dan Lactobacillus bulgaricus mengalami penurunan ph yakni berkisar antara 4,5 4,69 DAFTAR PUSTAKA Hamann. W.T and E.H. Marth, Survival of Streptococcus thermophilus and Lactobacillus bulgaricus in Commercial and Experimental Yoghurt, Tamime, A.Y. and R.K Robinson, Yoghurt : Science and Technology. Pergamon Press, Oxford, Ogata, Katshuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid 1, diterjemahkan oleh Edi Laksono, Erlangga, Bandung, Hieronymus Budi Santos, Teknologi Tepat Guna, Susu dan Yoghurt Kedelai, Penerbit Kanisius, National Semiconductor, National Data Acquitions Databook, USA, National Semiconductor Buckle K.A., R.A. Edwar., G.H. Fleet dan M. Wootton, Ilmu Pangan. Terjemahan Hari A-26-7

8 Purnomo dan Adiono. Cetakan Kedua. Penerbit Universitas Indonesia Jakarta, Koswara, S. Teknologi Pengolahan Kedelai. Jakarta: Pustaka Sinar Harapan, 1995 Rachmawan, O., Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophilus dari Susu Sapi Perah Daerah Istimewa Yogyakarta serta Kemampuannya Memproduksi Yoghurt. Fakultas Pascasarjana UGM, Yogyakarta, Carr. Joseph. J, Sensor and Circuits: Sensors, Transducers, And Supporting Circuit for Electronic Instrumentation, Measurement and Control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, Bateson, Robert, N, Introduction To Control System Technologi, Prentice-Hall, New Jersey, 1996 A-26-8