Nely Ana Mufarida. pada Spray Dryer. Konsep Dasar Pengeringan

Transkripsi

1 Nely Ana Mufarida PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Konsep Dasar Pengeringan Spray Dryer Perpindahan Panas dan Massa Aplikasi Spray Dryer (Produk Minuman Instan) Metode Penelitian Analisis Hasil Penelitian Penerbit Pustaka Abadi iii

2 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Hak Cipta 2016, Nely Ana Mufarida All rights reserved Penulis Nely Ana Mufarida Penyelaras Aksara Hermawan Septian Abadi Ilustrasi Sampul Tim Penerbit Diterbitkan oleh CV Pustaka Abadi Jl. Agus Salim No. 11 Jombang, Jember, Perpustakaan Nasional RI, Koleksi Dalam Terbitan (KDT) Cetakan pertama, Februari 2016 Halaman: xviii+108 Ukuran: 15cm x 23cm ISBN: Hak Cipta Dilindungi oleh Undang-Undang Dilarang memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini tanpa izin tertulis dari Penerbit iv

3 Kata Pengantar P uji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas rahmat dan kehendak-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan buku referensi ini yang berjudul Perpindahan Panas dan Massa pada Spray Dryer. Penulis sampaikan terima kasih yang sedalam dalamnya kepada semua pihak yang terlibat secara langsung maupun tidak langsung yang telah banyak membantu dalam penyusunan dan penyelesaian buku referensi ini. Mudah-mudahan segala amal yang diberikan mendapat balasan dari Allah SWT, Amin. Penulis menyadari bahwa buku referensi ini tidak luput dari kekurangan baik isi maupun penyajiannya, untuk itu koreksi dan saran sangat penulis harapkan untuk penyempurnaan buku referensi ini. Akhirnya penulis berharap, semoga buku referensi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Jember, Februari 2016 Penulis v

4 Daftar Isi Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Simbol Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Lampiran v vi viii xiii xiv xvi BAB 1 PENDAHULUAN 1 BAB 2 KONSEP DASAR SISTEM PENGERINGAN Klasifikasi Pengeringan Mekanisme Pengeringan 10 BAB 3 SPRAY DRYER Pencampuran Udara Panas dan Droplets pada Spray Dryer Parameter Kritis Spray Dryer 16 BAB 4 PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA Proses Perpindahan Panas Proses Perpindahan Massa Keseimbangan Panas dan Massa pada Spray Dryer 20 BAB 5 APLIKASI SPRAY DRYER (PRODUK MINUMAN INSTAN) 21 BAB 6 METODE PENELITIAN Waktu Penelitian Alat Penelitian Bahan Pembuatan Larutan Proses Pembuatan Bahan (Larutan) Rancangan Spray Dryer Konsep Perancangan Spray Dryer Mekanisme Kerja Spray Drying Rancangan Fungsional Spray Dryer Rancangan Struktural Spray Dryer Metode dan Rancangan Penelitian Utama Metode Penelitian Utama 36 vi

5 Rancangan Penelitian Utama Prosedur Penelitian Prosedur Pengambilan Data Pengolahan Data Analisis Teknik 40 BAB 7 ANALISIS HASIL PENELITIAN Analisis Penelitian Pendahuluan Suhu Udara Pengering Tekanan Pengkabutan Perbandingan Bubuk Kopi dan Air dalam Larutan Analisis Hasil Penelitian Utama Suhu Droplets di dalam Ruang Pengering Suhu Produk Suhu Udara keluar Ruang Pengering Suhu Pengering Bahan Suhu Bola Basah Udara keluar Ruang Pengering Suhu Bola Basah Udara Pengering Berat Produk keluar Ruang Pengering Rekapitulasi Data Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering terhadap Parameter Pengeringan Pengaruh Suhu Udara Pengering terhadap Proses Perpindahan Panas dan Massa pada Pembuatan Bubuk Kopi Instan dengan Spray Dryer 65 BAB 8 PENUTUP 68 Daftar Pustaka 70 Biografi Penulis 73 Lampiran 75 vii

6 Daftar Simbol Latin Letters A Luas penampang ruang pengering, m 2 A o Luas orifise nosel, m 2 A s Luas penampang saluran udara keluar, m 2 b Kekentalan aliran bahan dalam orifise, µm C 1 Konstanta pada Nu 1 C 2 Konstanta pada Nu 2 C DS Panas spesifik produk, kcal/kg. o C C p Panas spesifik (pada tekanan konstan dari udara pengering), kcal/kg. o C C w1 Panas spesifik dari liquid moisture untuk bahan, kcal/kg. o C C w2 Panas spesifik dari liquid moisture untuk produk, kcal/ kg. o C D Diameter saluran udara, m D ch Diameter ruang pengering, m D d Diameter droplets, m D k Daya ideal kipas, Watt D p Diameter produk, µm f Faktor gesekan g Percepatan gravitasi, m/s 2 G a Kebutuhan udara pengering, kg/h Gr Bilangan Grashof GrPr Angka Grashof-Prandtl h r Entalpi udara ruangan, kj/kg h Koefisien perpindahan panas konveksi, kcal/m 2. o C.s h a Koefisien perpindahan panas konveksi alamiah, kcal/ m 2. o C.s h c Koefisien perpindahan panas konveksi paksa, kcal/ m 2. o C.s viii

7 H 1 Rasio kelembaban udara pengering, kg kandungan air/kg udara kering H 2 Rasio kelembaban udara keluar ruang pengering, kg kandungan air/kg udara kering J p Berat produk keluar ruang pengering, gram k Pangkat isentropik K d Konduktifitas termal udara pengering, kcal/m.s. o C K t Konduktifitas termal dinding ruang pengering (baja), kcal/m.s. o C L Panjang saluran udara, m L ch Tinggi ruang pengering, m m Eksponen m a Laju aliran massa udara ruangan, kg/s m air Massa air, kg. m air Laju aliran massa air, kg/h m bahan Massa bahan, kg bahan m bubuk kopi Massa bubuk kopi, kg M b Massa bahan, kg M s total Laju aliran massa total, kg/menit M total Massa total, kg M u Massa udara, kg n Eksponen N Daya pemanas nyata, kcal/h. N k Jumlah droplets keluar atomiser Nu 1 Bilangan Nusselt pada h a Nu 2 Bilangan Nusselt pada h c P b Tekanan udara atmosfir, kpa P c Tekanan droplets keluar atomiser, bar P d Tekanan uap air pada permukaan droplets, kpa Pr Bilangan Prandlt P v Tekanan parsial uap air udara ruangan, kpa P v1 Tekanan parsial uap air udara pengering, kpa P v2 Tekanan parsial uap air udara keluar ruang pengering, kpa P vb Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah udara ruangan, kpa ix

8 P vb1 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah udara pengering, kpa P vb2 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah udara keluar ruang pengering, kpa P vs Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara ruangan, kpa P vs1 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara pengering, kpa P vs2 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara keluar ruang pengering, kpa P 1 Tekanan udara pengkabutan dari kompresor, bar Q Laju perpindahan panas konveksi, kcal/h Q a Laju alir volume udara ruangan, m 3 /s Q a1 Entalpi udara pengering masuk, kcal/kg Q a2 Entalpi udara pengering keluar, kcal/kg Q d Kalor yang diserap dinding ruang pengering menuju udara luar, kcal/h Q s1 Entalpi bahan, kcal/kg Q s2 Entalpi produk, kcal/kg Q u Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan air dari permukaan droplets, kcal/h Q total Kalor total, kcal/h R Jari-jari bahan masuk nosel, m R e Bilangan Reynolds RH Kelembaban relatif udara ruangan, % RH 1 Kelembaban relatif udara pengering, % RH 2 Kelembaban relatif udara keluar ruang pengering, % R s Jari-jari saluran, m r 1 Jari-jari aliran bahan masuk orifise, m r 2 Jari-jari orifise, m t p Waktu pengeringan bahan, detik T a1 Suhu udara pengering, o C T a2 Suhu udara keluar ruang pengering, o C T amb Suhu udara ruangan, o C Suhu droplets di dalam ruang pengering, o C T b x

9 T bb Suhu bola basah udara ruangan, o C T bb1 Suhu bola basah udara pengering, o C T bb2 Suhu bola basah udara keluar ruang pengering, o C T bk Suhu bola kering udara ruangan, o C T bk1 Suhu bola kering udara pengering, o C T bk2 Suhu bola kering udara keluar ruang pengering, o C T f Suhu rata-rata, o C T s1 Suhu bahan, o C T s2 Suhu produk, o C T w Suhu permukaan, o C T Suhu fluida, o C u h Kecepatan radial droplets, m/s u v Kecepatan tangensial droplets, m/s V Kecepatan aliran udara di saluran, m/s V a Kecepatan udara pengering, m/s V air Volume air, liter V bahan Volume bahan, m 3 V bubuk kopi Volume bubuk kopi, liter V c Volume spesifik droplets keluar atomiser, m 3 /kg V inlet Kecepatan bahan masuk atomiser, m/s V total Volume total, m 3 V udara Volume udara, m 3 V 1 Volume spesifik bahan, m 3 /kg w Rasio kelembaban udara ruangan, kg kandungan air/ kg udara kering W s1 Kadar air bahan, kg air/kg bahan Kadar air produk, kg air/kg produk W s2 Greek Letters α Sudut yang dibentuk droplets keluar atomizer, o β Koefisien muai volume, C -1 P Penurunan tekanan fluida/beda tekanan fluida yang mengalir di dalam saluran lurus dan berpenampang bundar, Pa x Tebal dinding ruang pengering, m η h Efisiensi elemen listrik, % xi

10 η th Efisiensi termal, % λ Panas laten penguapan pada titik penguapan, kcal/kg µ Viskositas udara ruangan, Pa.s µa Viskositas udara pengering, kg/m.s ν Viskositas kinematik, m 2 /s ρ Densitas udara ruangan, kg/m 3 ρ a Densitas udara pengering, kg/m 3 ρ air Densitas air, kg/m 3 ρ bahan Densitas bahan, kg/m 3 ρ bubuk kopi Densitas bubuk kopi, kg/m 3 ρ p Densitas produk, kg/m 3 ρ total Densitas total, kg/m 3 ω Kecepatan sudut, rad/dtk xii

11 Daftar Tabel Tabel 6.1 Spesifikasi Spray Dryer 32 Tabel 7.1 Data suhu droplets di dalam ruang pengering 58 Tabel 7.2 Data suhu produk 58 Tabel 7.3 Data suhu udara keluar ruang pengering 58 Tabel 7.4 Data waktu pengeringan bahan 59 Tabel 7.5 Data suhu bola basah udara keluar ruang pengering 59 Tabel 7.6 Data suhu bola basah udara pengering 59 Tabel 7.7 Berat produk keluar ruang pengering 60 Tabel 7.8 Rekapitulasi data 60 Tabel 1. P v1, H 1, RH 1 89 Tabel 2. M s total 92 Tabel 3. V inlet 93 Tabel 4. α 95 Tabel 5. Q u 97 Tabel 6. Gr Pr 98 Tabel 7. h a 99 Tabel 8. µ a, C p, K d, dan ρ a 99 Tabel 9. h c 100 Tabel 10. Q d 101 Tabel 11. Q s1 dan Q s2 102 Tabel 12. Q a1 dan Q a2 103 Tabel 13. G a 104 Tabel 14. H Tabel 15. P v2 dan RH Tabel 16. η th 107 Tabel 17. N 108 xiii

12 Daftar Gambar Gambar 1.1 Teknologi Spray Drying 3 Gambar 2.1 Grafik Proses Pengeringan Makanan 7 Gambar 3.1 Arah Aliran antara Droplets dan Udara Pengering 15 Gambar 4.1 Keseimbangan Aliran Panas dan Massa 20 Gambar 6.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Bahan (Larutan) 25 Gambar 6.2 Konsep Perancangan Spray Dryer 26 Gambar 6.3 Diagram Struktural Spray Dryer 31 Gambar 6.4 Diagram Alir Penelitian Utama 38 Gambar 6.5 Diagram Alir Perhitungan Udara Ruangan 41 Gambar 6.6 Diagram Alir Perhitungan Udara Kipas 42 Gambar 6.7 Diagram Alir Perhitungan Udara Pengering 43 Gambar 6.8 Diagram Alir Perhitungan Volume Bahan 44 Gambar 6.9 Diagram Alir Perhitungan Densitas Bahan 45 Gambar 6.10 Diagram Alir Perhitungan Laju Aliran Massa Total 46 Gambar 6.11 Diagram Alir Perhitungan Kecepatan Bahan Masuk Atomiser 47 Gambar 6.12 Diagram Alir Perhitungan Tekanan Droplets keluar Atomiser 48 Gambar 6.13 Diagram Alir Perhitungan Sudut yang dibentuk Droplets keluar Atomiser 49 Gambar 6.14 Diagram Alir Perhitungan Jumlah Droplets keluar Atomiser 50 Gambar 6.15 Diagram Alir Perhitungan Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan Kandungan Air dari Permukaan Droplets 51 Gambar 6.16 Diagram Alir Perhitungan Kalor yang diserap Dinding Ruang Pengering menuju Udara Luar 52 Gambar 6.17 Diagram Alir Perhitungan Kebutuhan Udara Pengering 53 xiv

13 Gambar 6.18 Diagram Alir Perhitungan Rasio Kelembapan Udara keluar Ruang Pengering 54 Gambar 6.19 Diagram Alir Perhitungan Udara keluar Ruang Pengering 54 Gambar 6.20 Diagram Alir Perhitungan Efisiensi Termal 55 Gambar 6.21 Diagram Alir Perhitungan Daya Pemanas Nyata 55 Gambar 7.1 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering terhadap Parameter Pengeringan (T b, T s2, T a2, dan Efisiensi Termal) 63 Gambar 7.2 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering terhadap Parameter Pengeringan (t p dan G a ) 64 Gambar 7.3 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering terhadap Parameter Pengeringan (J p ) 64 Gambar 1. Sudut yang dibentuk Droplets keluar Atomiser 94 xv

14 Daftar Lampiran Lampiran 1. Bulk density and moisture content of selected powdered foods 75 Lampiran 2. Range of droplet and particle size obtained in spray dryers (µm) 75 Lampiran 3. Typical operating parameters for spray dryers 76 Lampiran 4. Sifat udara pada tekanan atmosfir 76 Lampiran 5. Sifat-sifat mekanik air pada tekanan atmosfir 77 Lampiran 6. Konstanta untuk persamaan bilangan Re 77 Lampiran 7. Air: sifat-sifat cairan dan uap jenuh 78 Lampiran 8. Lembab udara: sifat-sifat termodinamik udara jenuh pada tekanan atmosfir 101,325 kpa 80 Lampiran 9. Sifat-sifat air (zat cair jenuh) 82 Lampiran 10. Properties of saturated water 83 Lampiran 11. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir 84 Lampiran 12. Konstanta untuk permukaan isotermal 85 Lampiran 13. Perhitungan proses perpindahan panas dan massa 86 A. Udara ruangan 86 B. Udara kipas 87 C. Udara pengering 88 D. Volume bahan 90 E. Densitas bahan 90 F. Laju aliran massa total 91 G. Kecepatan bahan masuk atomiser 92 H. Tekanan droplets keluar atomiser 93 I. Sudut yang dibentuk droplets keluar atomiser 94 J. Jumlah droplets keluar atomiser 95 K. Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan air dari permukaan droplets 96 L. Kalor yang diserap dinding ruang pengering menuju udara luar 97 xvi

15 M. Kebutuhan udara pengering 102 N. Rasio Kelembapan Udara keluar Ruang Pengering 105 O. Udara keluar Ruang Pengering 105 P. Efisiensi Termal Spray Dryer 107 Q. Daya Pemanas Nyata 107 xvii

16

17 Nely Ana Mufarida BAB 1 PENDAHULUAN Semakin tingginya tingkat kebutuhan terhadap makanan, kesehatan, dan industri polimer membuat permintaan untuk peningkatan kualitas produk juga semakin pesat. Salah satu cara yang digunakan untuk peningkatan kualitas produk adalah dengan cara proses pengeringan. Hasil dari proses pengeringan berupa granular (gumpalan), dan powder. Keuntungan jika produk yang dihasilkan dalam bentuk powder adalah lebih awet dan produk yang telah dikeringkan akan memiliki berat yang lebih ringan dan ukuran yang lebih kecil sehingga meminimalkan biaya distribusi. Salah satu cara yang digunakan dalam proses pengeringan adalah menggunakan spray dryer. Spray dryer banyak digunakan dalam industri makanan, farmasi, biochemical, plastik, resin, material keramik, detergen, pestisida, pupuk, bahan kimia organik dan anorganik, skim powder, susu, makanan bayi, kopi instan, teh, buahbuah kering, jus, enzim, dan vitamin. Umumnya spray dryer dipakai pada saat proses akhir karena 1

18 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer alat ini digunakan untuk mengontrol kualitas akhir produk. Penghilangan air pada produk mempengaruhi kualitas produk. Proses pada spray dryer terbagi menjadi dua tahap proses yaitu proses pengeringan dan proses pemisahan powder dengan udara panas yang terbawa keluar melalui cyclone. Pada saat proses tersebut akan terjadi perpindahan momentum, perpindahan massa, perpindahan energi, pola aliran, profil distribusi partikel dan panas yang timbul di dalam chamber dryer sehingga mempegaruhi dari kualitas produk yang dihasilkan. Pengeringan secara umum adalah memindahkan cairan dari bahan dengan cara penguapan. Proses ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban relatif udara di sekitar bahan dengan mengalirkan udara panas pada bahan yang akan dikeringkan secara langsung maupun tak langsung. Kondisi ini mengakibatkan tekanan parsial uap bahan lebih besar daripada tekanan parsial uap air di udara, dan akhirnya menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara melalui proses difusi dan evaporasi. Pada produk makanan sangat membutuhkan proses lanjut seperti proses pengeringan, antara lain produk makanan berbentuk bubuk seperti susu bubuk, tepung roti dan juga produk makanan kering lainnya. Berbagai model sistem pengeringan telah diterapkan pada industri makanan salah satunya adalah spray dryer. Teknologi spray drying sudah umum digunakan oleh industri proses pembuatan minuman serbuk. Teknologi ini memanfaatkan kemampuan semprot alat tersebut untuk mengubah bahan dasar yang berupa cairan menjadi serbuk kering. Alat untuk melakukan spray drying dinamakan spray dryer. Selain digunakan untuk pembuatan minuman serbuk instan, spray dryer juga dipakai untuk pembuatan obat-obatan, vitamin, mineral, asam lemak, dan protein. Spray dryer juga mampu untuk membuat senyawa-senyawa fitokimia seperti isoflavon dan likopen. Bahkan teknologi terbaru menjadikan spray drying mampu mengkapsulkan probiotik yang sangat baik bagi sistem pencernaan manusia. 2

19 Nely Ana Mufarida Gambar 1.1 Teknologi Spray Driying Keuntungan penggunaan spray drying adalah laju kecepatan pengeringan yang tinggi, rentang yang besar untuk temperatur operasi, dan waktu tinggal yang singkat, menghasilkan produk yang bermutu tinggi, berkualitas serta tingkat kerusakan gizi yang rendah. Selain itu perubahan warna, bau dan rasa dapat diminimalisir. Mengapa demikian? Karena suhu produk yang dikeluarkan oleh spray dryer relatif rendah dan proses pengeringan bahan menjadi serbuk terjadi sangat cepat. Umumnya suhu produk yang dikeluarkan antara 70 hingga 90 derajat celcius. Hal ini sangat menguntungkan bagi usaha atau industri yang memproduksi berbagai jenis produk instan berbasis serbuk yang mudah mengalami kerusakan (denaturasi) Kelebihan lain yang dimiliki spray dryer adalah: Kapasitas pengeringan besar dan proses pengeringan terjadi dalam waktu yang sangat cepat. Kapasitas pengeringan mencapai 100 ton/jam. Tidak terjadi kehilangan senyawa volatile dalam jumlah besar (aroma). 3

20 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Cocok untuk produk yang tidak tahan pemanasan (tinggi protein). Memproduksi partikel kering dengan ukuran, bentuk, dan kandungan air serta sifat-sifat lain yang dapat dikontrol sesuai yang diinginkan. Mempunyai kapasitas produksi yang besar dan merupakan sistem kontinyu yang dapat dikontrol secara manual maupun otomatis. Teknologi ini cocok untuk produk yang memiliki nilai ekonomi tinggi dan mudah rusak bila suhu terlalu panas atau terkena kondisi panas dalam waktu yang lama. Dengan teknologi spray drying akan meminimalisir resiko itu semua sehingga bahan-bahan yang mudah mengalami kerusakan seperti susu, sari buah, hingga probiotik dapat tetap mempunyai kualitas yang prima jika diproses dengan mesin spray dryer. Spray dryer mempunyai prinsip kerja dengan menyemprotkan cairan melalui atomiser. Cairan tersebut akan dilewatkan ke dalam aliran gas panas dalam sebuah tabung. Akibatnya, air dalam tetesan bisa menguap dengan sangat cepat dan yang tertinggal hanyalah serbuk atau bubuk yang kering dengan ukuran homogen, kadar air sangat rendah, kualitas gizi sangat terjaga. Langkah selanjutnya adalah memisahkan serbuk dari sejumlah udara yang mengangkutnya. Pemisahan ini dilakukan oleh separator atau kolektor serbuk. Hasil produk spray dryer tergantung dengan kekentalan larutan atau bahan, jenis bahan suhu masukan hingga kecepatan aliran larutan. Semuanya telah dioptimasi sehingga menghasilkan produk yang berkualitas tinggi. Pada proses pengeringan terjadi dua proses, yaitu perpindahan panas dan massa. Proses perpindahan panas adalah proses penguapan air dari dalam bahan atau proses perubahan bentuk fase cair ke fase gas akibat adanya perbedaan suhu dan tekanan sekaligus antara bahan dan udara sekelilingnya. Panas yang diberikan akan menaikkan suhu bahan dan menyebabkan tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi daripada tekanan uap air di udara. Akibatnya 4

21 Nely Ana Mufarida terjadi perpindahan massa uap air dari permukaan bahan ke udara. Perpindahan panas pada mesin pengering langsung terjadi karena kontak langsung antara bahan dan udara pengering. Proses pengeringan terjadi jika udara panas bersinggungan langsung dengan bahan. Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air dari bahan hanya diberikan oleh udara pengering dengan memindahkan energi panas secara konveksi. Ketika udara pengering menghembus bahan, maka sebagian panas udara pengering diubah menjadi panas sensibel dan panas laten sampai menghasilkan uap. Penelitian ini bertujuan untuk membahas proses perpindahan panas dan massa pada pembuatan kopi instan dengan menggunakan spray dryer. Suhu udara pengering adalah salah satu parameter fisik terpenting yang mempengaruhi proses perpindahan panas dan massa pada proses pengeringan. Penggunaan suhu udara pengering yang terlalu tinggi pada proses pengeringan dapat mengakibatkan terjadinya penurunan kualitas produk. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan variasi suhu udara pengering yang sangat berpengaruh terhadap proses pengeringan pada spray dryer. 5

22 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer BAB 2 KONSEP DASAR SISTEM PENGERINGAN Pengeringan merupakan suatu proses pemisahan sebagian besar air dari bahan dalam bentuk evaporasi maupun sublimasi sebagai hasil dari penyerapan panas. Pengeringan suatu bahan dilakukan dengan tujuan memperpanjang daya simpan produk, mengurangi volume dan berat produk. Pengeringan dilakukan pada suhu tinggi maupun suhu rendah. Pada pengeringan suhu tinggi, penggunaan energi panas untuk merubah fase air menjadi uap dan membuang uap air dalam bahan. Sementara pengeringan suhu rendah merupakan penggunaan energi panas untuk merubah es menjadi uap air dan membuang uap air keluar dari bahan. Jenis-jenis pengeringan yang banyak digunakan antara lain pengeringan matahari (sun drying), pengeringan atmosferik (solar drying), cabinet drying, tunnel drying, conveyor drying, drum drying, spray drying, dan pengeringan sub atmosferik (vacuum drying, freeze drying). Pemilihan metode pengeringan didasarkan pada kualitas hasil akhir yang diinginkan, sifat bahan dasar dan biaya. Spray drying 6

23 Nely Ana Mufarida menjadi pilihan dalam proses pengeringan produk dengan hasil akhir berupa bubuk. Susu maupun kopi bubuk merupakan salah satu produk yang menggunakan proses pengeringan metode spray drying. Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke waktu. Perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin pesatnya jumlah penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan penghasil bahan pangan makin menyempit. Hal tersebut menyebabkan dibutuhkannya teknologi-teknologi pemrosesan pangan yang mampu meningkatkan kualitas dan kuantitas produk makanan, salah satunya adalah teknologi pengeringan bahan makanan. Proses pengeringan merupakan proses perpindahan panas dari sebuah permukaan benda sehingga kandungan air pada permukaan benda berkurang. Perpindahan panas dapat terjadi karena adanya perbedaan temperatur yang signifikan antara dua permukaan. Perbedaan temperatur ini ditimbulkan oleh adanya aliran udara panas di atas permukaan benda yang akan dikeringkan yang mempunyai temperatur lebih dingin. Aliran udara panas merupakan fluida kerja bagi sistem pengeringan ini. Komponen aliran udara yang mempengaruhi proses pengeringan adalah kecepatan, temperatur, tekanan dan kelembapan relatif. Proses pengeringan sebuah produk makanan membutuhkan waktu untuk mendapatkan produk kering yang diinginkan, bila berat sebuah produk diperhitungkan sebagai fungsi waktu maka akan diperoleh bentuk grafik sebagai berikut: Gambar 2.1 Grafik Proses Pengeringan Makanan 7

24 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Dari gambar 2 dapat dijelaskan bahwa pada proses 1 ke 2 memperlihatkan proses awal aliran udara panas dapat menguapkan sejumlah air dalam produk makanan berbanding lurus dengan bertambahnya waktu pemanasan. Sedangkan pada proses 2 ke 3, dengan bertambahnya waktu mengakibatkan kapasitas proses penguapan air malah berkurang disebabkan oleh menurunnya temperatur aliran udara panas dan naiknya kelembapan relatif udara sehingga udara panas menjadi jenuh dan tidak mampu lagi menguapkan air. Sehingga proses pengeringan dengan aliran udara panas ini harus disediakan udara dalam jumlah besar agar kualitas produk makanan yang akan dikeringkan sesuai dengan yang ditetapkan. Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembapan dari suatu bahan sampai batas kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber panas dan penerima uap cairan. Pengeringan makanan memiliki dua tujuan utama. Tujuan pertama adalah untuk mengeluarkan sebagian air dari suatu bahan pangan yang menggunakan energi panas (sebagai sarana pengawetan makanan) dan untuk mengurangi kadar air bahan padat pada batas tertentu yang menyebabkan bahan tersebut tahan terhadap serangan mikroba, enzim dan insekta sehingga dapat memperpanjang umur penyimpanan. Mikroorganisme yang mengakibatkan kerusakan makanan tidak dapat berkembang dan bertahan hidup pada lingkungan dengan kadar air yang rendah. Selain itu, banyak enzim yang mengakibatkan perubahan kimia pada makanan tidak dapat berfungsi tanpa kehadiran air. Tujuan kedua adalah untuk meminimalkan biaya distribusi bahan makanan karena makanan yang telah dikeringkan akan memiliki berat yang lebih rendah dan ukuran yang lebih kecil. Pengeringan merupakan proses penghilangan sejumlah air dari material. Dalam pengeringan, air dihilangkan dengan prinsip perbedaan kelembapan antara udara pengering dengan 8

25 Nely Ana Mufarida bahan makanan yang dikeringkan. Material dikontakkan dengan udara kering yang kemudian terjadi perpindahan massa air dari material ke udara pengering. Pengeringan adalah pemisahan air dari bahan yang mengandung air dalam jumlah kecil dengan mengalirkan udara melalui bahan. Proses dari pengeringan adalah mengeluarkan atau menghilangkan sebagian air dari suatu bahan pangan dengan cara menguapkan sebagian air yang terkandung dalam bahan pangan dengan menggunakan energi panas. Penghilangan kadar air dengan tingkat kadar air yang sangat rendah mendekati kondisi bone dry. Kadar air atau moisture content adalah jumlah air yang terkandung dalam suatu bahan. Kadar air dari padatan akan mengalami penurunan selama proses pengeringan berlangsung, yang kemudian akan menurunkan densitasnya. Pada beberapa kasus, bahan kering akan menyusut. Air dihilangkan secara mekanik dari material padat dengan cara dipress, sentrifugasi dan lain sebagainya. Cara ini lebih murah dibandingkan pengeringan dengan menggunakan panas. Kandungan air dari bahan yang sudah dikeringkan bervariasi bergantung dari produk yang ingin dihasilkan. Produk makanan mengandung sekitar 5% air. Biasanya pengeringan merupakan proses akhir sebelum pengemasan dan membuat beberapa produk lebih mudah untuk ditangani. Metode pengeringan spray drying menjadi pilihan dalam proses pengeringan produk dengan hasil akhir berupa bubuk dan merupakan metode pengeringan yang paling banyak digunakan dalam industri terutama industri makanan. Metode ini mampu menghasilkan produk dalam bentuk bubuk atau serbuk dari bahan-bahan seperti susu, buah buahan, dan lain-lain. 2.1 Klasifikasi Pengeringan Ditinjau dari pergerakan bahan padatnya, pengeringan dapat dibagi menjadi dua, yaitu pengeringan batch dan pengeringan 9

26 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer kontinu. Pengeringan batch adalah jenis pengeringan dimana bahan yang dikeringakan dimasukan ke dalam alat pengering dan didiamkan selama waktu yang ditentukan. Pengeringan kontinu adalah pengeringan dimana bahan basah masuk dan bahan kering keluar dari alat pengering secara sinambung. Berdasarkan kondisi fisik yang digunakan untuk memberikan panas pada sistem dan memindahkan uap air, proses pengeringan dapat dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Pengeringan kontak langsung Menggunakan udara panas sebagai medium pengering pada tekanan atmosferik. Pada proses ini uap yang terbentuk terbawa oleh udara. 2. Pengeringan vakum Menggunakan logam sebagai medium pengontak panas atau menggunakan efek radiasi. Pada proses ini penguapan air berlangsung lebih cepat pada tekanan rendah. 3. Pengeringan beku Pengeringan yang melibatkan proses sublimasi air dari suatu material beku. 2.2 Mekanisme Pengeringan Selama proses pengeringan, perpindahan panas dan massa terjadi antara bahan padat dan gas pengering (udara). Pada awalnya, padatan memiliki kandungan air yang tinggi sehingga semua kapiler terisikan dengan cairan air dan seluruh permukaan padatan jenuh dengan air. Setelah pemanasan singkat, suhu padatan mencapai wet bulb Temperature (Twb). Ketika benda basah dikeringkan secara termal, ada dua proses yang berlangsung secara simultan, yaitu: 1. Perpindahan energi dari lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat. 10

27 Nely Ana Mufarida Perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi, konveksi, radiasi, atau kombinasi dari ketiganya. Proses ini dipengaruhi oleh temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan. Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film tipis udara. 2. Perpindahan massa air yang terdapat di dalam benda ke permukaan. Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat menuju ke permukaan benda padat. Struktur benda padat tersebut akan menentukan mekanisme aliran internal air. Beberapa mekanisme aliran internal air yang dapat berlangsung antara lain: 1. Difusi Pergerakan ini terjadi bila equilibrium moisture content berada di bawah titik jenuh atmosferik dan padatan dengan cairan di dalam sistem bersifat mutually soluble. Contoh: pengeringan tepung, kertas, kayu, tekstil dan sebagainya. 2. Capillary flow Cairan bergerak mengikuti gaya gravitasi dan kapilaritas. Pergerakan ini terjadi bila equilibrium moisture content berada di atas titik jenuh atmosferik. Contoh: pada pengeringan tanah, pasir, dan lain-lain. Benda padat basah yang diletakkan dalam aliran gas kontinyu akan kehilangan kandungan air sampai suatu saat tekanan uap air di dalam padatan sama dengan tekanan parsial uap air dalam gas. Keadaan ini disebut equilibrium dan kandungan air yang 11

28 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer berada dalam padatan disebut equilibrium moisture content. Pada kesetimbangan, penghilangan air tidak akan terjadi lagi kecuali apabila material diletakkan pada lingkungan (gas) dengan relative humidity yang lebih rendah (tekanan parsial uap air yang lebih rendah). 12

29 Nely Ana Mufarida BAB 3 SPRAY DRYER Spray dryer merupakan mesin pengering yang berfungsi untuk menghasilkan produk berbentuk butiran halus (bubuk) dari bahan masukan berupa larutan. Spray dryer juga merupakan mesin pemroses produk yang berfungsi untuk mengeringkan bahan dengan metode semprot. Konsep spray dryer pertama kali dipatenkan oleh Samuel Percy pada tahun Konsep tersebut diaplikasikan pertama kali di industri pada produksi susu dan detergen pada tahun 1920 an. Spray dryer dirancang menggunakan bahan full stainless steel sehingga aman bagi produk. Menggunakan pemanas dengan tenaga listrik yang relatif aman dengan temperatur terkontrol sehingga produk tidak rusak. Metode mengeringan spray drying merupakan metode pengeringan yang paling banyak digunakan dalam industri makanan dan produk-produk bubuk. Mesin ini biasanya untuk pengolahan susu bubuk, sari buah instan, kopi tanpa ampas, 13

30 maupun pembuatan creamer. PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Spray dryer merupakan salah satu jenis mesin pengering buatan yang mempunyai keunggulan yaitu proses pengeringan ini relatif singkat jika dibandingkan dengan proses pengeringan yang lain, sehingga membuat proses ini cocok untuk mengeringkan bahan yang sensitif terhadap panas. Spray dryer banyak digunakan pada industri pangan karena beberapa produk pangan sangat sensitif terhadap panas. Keunggulan lainnya adalah proses pengeringaan dapat diatur sesuai dengan tingkat kekeringan produk yang diinginkan, kualitas produk dapat dipertahankan (citarasa, nilai gizi dan warna), kapasitas pengeringan dapat ditentukan, tidak memerlukan tempat yang luas, kondisi pengeringaan dapat dikontrol dan kadar air akhir yang dapat dicapai lebih rendah dibandingkan dengan sistem pengeringan lain. Bagian-bagian spray dryer terdiri dari kipas, pemanas, kompresor, tangki bahan, atomiser, ruang pengering, siklon pemisah, botol penampung produk I dan II, dan kerangka penyangga. Spray dryer merupakan jenis mesin pengering yang efektif karena adanya perpindahan panas dan massa yang terjadi terus menerus diantara bahan dan udara pengering. Proses pengeringan pada spray dryer meliputi empat tahapan dasar yaitu atomisasi bahan (larutan), pencampuran udara pengering dengan droplets, pengeringan droplets, pemisahan antara produk dengan udara pengering. 3.1 Pencampuran Udara Panas dan Droplets pada Spray Dryer Pencampuran antara udara pengering dengan droplets merupakan hal yang penting pada rancangan spray dryer. Pencampuran ini terjadi karena arah aliran antara droplets dan udara pengering. Arah aliran antara droplets dan udara pengering terdiri dari: 14

31 Nely Ana Mufarida 1. Co-current flow dryer Aliran udara pengering dan droplets terjadi dalam satu arah yaitu udara pengering dialirkan dari atas ruang pengering searah dengan droplets yang disemprotkan oleh atomiser. Pada penelitian ini menggunakan konsep perancangan spray dryer cocurrent flow dryer. 2. Counter-current flow dryer Aliaran udara pengering dan droplets terjadi berlawanan arah yaitu udara pengering dialirkan dari bawah ruang pengering berlawanan arah dengan droplets yang disemprotkan oleh atomiser. 3. Mixed flow dryer Aliran udara pengering masuk melalui bagian atas ruang pengering, sedangkan aliran droplets disemprotkan atomiser yang diletakkan di bagian bawah ruang pengering dengan arah ke atas. Sumber: Master (1985: 29) Gambar 3.1 Arah Aliran antara Droplets dan Udara Pengering 15

32 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer 3.2 Parameter Kritis Spray Drying Parameter kritis spray drying antara lain: 1. Suhu pengering yang masuk Semakin tinggi suhu udara yang digunakan untuk pengeringan maka proses penguapan air pada bahan akan semakin cepat, namun suhu yang tinggi memungkinkan terjadinya kerusakan secara fisik maupun kimia pada bahan yang tidak tahan panas. 2. Suhu pengering yang keluar Suhu pengering yang keluar mengontrol kadar air bahan hasil pengeringan (bubuk) yang terbentuk. 3. Viskositas bahan (larutan) yang masuk Viskositas bahan yang akan dikeringkan mempengaruhi partikel yang keluar melalui nozzle. Viskositas yang rendah menyebabkan berkurangnya energi dan tekanan dalam menghasilkan partikel pada proses atomisasi. 4. Jumlah padatan terlarut Jumlah padatan terlarut pada bahan yang masuk disarankan lebih dari 30% agar ukuran partikel yang terbentuk tepat. 5. Tegangan permukaan Tegangan permukaan yang tinggi dapat menghambat proses pengeringan. Umumnya untuk menurunkan tegangan permukaan dilakukan penambahan emulsifier. Emulsifier juga dapat menyebabkan ukuran partikel yang keluar dari nozzle lebih kecil sehingga mempercepat proses pengeringan. 6. Suhu bahan yang masuk Peningkatan suhu bahan yang akan dikeringkan sebelum memasuki alat akan membawa energi sehingga proses pengeringan akan lebih cepat. 7. Tingkat volatilitas bahan pelarut Bahan pelarut dengan tingkat volatilitas yang tinggi dapat mempercepat proses pengeringan. Namun dalam praktiknya air 16

33 Nely Ana Mufarida menjadi pelarut utama dalam bahan pangan yang dikeringkan. 8. Bahan dasar nozzle umumnya terbuat dari stainless steel karena tahan karat sehingga aman dalam proses penggunaannya. 17

34 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer BAB 4 PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA Spray drying merupakan suatu proses pengeringan untuk mengurangi kadar air suatu bahan sehingga dihasilkan produk berupa bubuk melalui penguapan cairan. Spray drying menggunakan atomisasi cairan untuk membentuk droplets, selanjutnya droplets yang terbentuk dikeringkan menggunakan udara kering dengan suhu dan tekanan yang tinggi. Bahan yang digunakan dalam pengeringan spray drying dapat berupa suspensi, dispersi maupun emulsi. Sementara produk akhir yang dihasilkan dapat berupa bubuk, granula maupun aglomerat tergantung sifat fisik-kimia bahan yang akan dikeringkan, desain alat pengering dan hasil akhir produk yang diinginkan. 4.1 Proses Perpindahan Panas Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu atau bila dua buah benda yang suhunya berbeda dalam kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda 18

35 Nely Ana Mufarida yang suhunya lebih rendah atau akan terjadi perpindahan energi. Proses tersebut dikenal sebagai proses perpindahan panas. Proses perpindahan energi panas dibutuhkan pada proses penguapan air dari dalam bahan atau proses perubahan bentuk cair ke bentuk uap. Proses perpindahan panas yang terjadi pada pembuatan kopi instan dengan mengunakan spray dryer adalah perpindahan panas konveksi. Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan energi panas antara permukaan solid dan fluida atau sebaliknya sebagai akibat dari gerakan fluida. Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: Q = h A (T w - T ) Klasifikasi perpindahan panas konveksi adalah sebagai berikut: Konveksi bebas atau alamiah disebabkan oleh perbedaan kerapatan dan adanya selisih suhu antara permukaan padatan dan fluida. Konveksi paksa terjadi apabila fluida mengalir karena adanya gerakan fluida yang disebabkan oleh gaya luar. 4.2 Proses Perpindahan Massa Proses perpindahan massa yaitu, aliran unsur larutan fluida dari daerah yang konsentrasinya lebih tinggi ke daerah yang konsentrasinya lebih rendah. Mekanisme perpindahan massa secara garis besar dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu: Perpindahan massa secara konveksi, dimana massa berpindah dari suatu tempat ke tempat lain dalam sistem aliran. Perpindahan massa secara difusi adalah akibat dari suatu campuran gas dan zat yang terkurung sehingga terdapat gradien konsentrasi dalam sistem tersebut, maka akan terjadi perpindahan massa dalam tingkat mikroskopik sebagai akibat 19

36 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer difusi atau pembauran dari daerah konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. 4.3 Keseimbangan Panas dan Massa pada Spray Dryer Gambar 4.1 Keseimbangan Aliran Panas dan Massa 1. Persamaan keseimbangan panas pada sistem: Panas yang masuk = Panas yang keluar + Panas yang hilang G a. Q a1 + M s total. Qs1 = G a. Q a2 + M s total.q s2 + Q d 2. Persamaan keseimbangan massa pada sistem: Massa yang masuk = Massa yang keluar G a. H 1 + M s total. W s1 = G a. H 2 + M s total. W s2 20

37 Nely Ana Mufarida BAB 5 APLIKASI SPRAY DRYER (Produk Minuman Instan) Aplikasi spray dryer dalam industri biasanya digunakan untuk mengeringkan suatu cairan dengan produk akhir berupa bubuk atau serbuk butiran. Spray dryer ini banyak dimanfaatkan untuk mengeringkan susu bubuk, ekstrak kopi, tepung, dan lain sebagainya. Pengeringan menggunakan metode ini juga banyak dimanfaatkan untuk membuat produk-produk instan terenkapsulasi, seperti misalnya pembuatan yoghurt instan, ataupun minuman instan mengandung vitamin C dan sebagainya. Aplikasi spray drying yang luas dapat dijumpai hampir di semua industri, terutama produksi bahan-bahan kimia, obat-obatan, kosmetika dan pestisida. Pembuatan minuman dalam bentuk instan merupakan salah satu cara pengolahan untuk meningkatkan nilai tambah produk, mengurangi kerusakan akibat serangan mikroba, mempermudah penyimpanan dan pengangkutan. Bentuk pangan tanpa air ini, mudah dicampur dengan air (dingin/panas) dan mudah larut 21

38 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer sehingga siap untuk dihidangkan. Kriteria tertentu supaya produk pangan bersifat instan dan optimal yaitu bersifat hidrofilik; tidak ada lapisan gel; pembasahannya harus cukup baik dan segera turun (tenggelam) tanpa menggumpal; mudah terdispersi; tidak menjadi sedimen atau mengendap dibawah terus. Proses instan yang sempurna merupakan urutan dari proses sebagai berikut: bubuk aglomeret atau granul (butiran) bersentuhan dan menyerap air, menjadi basah dan dalam beberapa saat tenggelam; segera terdispersi merata dalam mediumnya dibantu dengan pengadukan. Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah produk minuman instan yaitu kopi instan. 22

39 Nely Ana Mufarida BAB 6 METODE PENELITIAN 6.1 Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Jember Jalan Karimata No. 49 Jember. 6.2 Alat Penelitian 1. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Pengeringan ini dilakukan dengan menggunakan alat spray drying skala laboratorium (mini spray dryer) dengan tipe aliran searah co-current. Proses pengeringan metoda spray drying dilakukan dengan cara menyemprotkan massa cair (dapat berupa larutan, emulsi atau suspensi) dengan atau tanpa bahan tambahan pada medium kering yang panas (udara). Pada larutan dengan kandungan gula tinggi, perlu ditambahkan bahan pengisi agar hasil akhirnya berupa serbuk halus yang tidak 23

40 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer lengket dan produk tidak akan menempel pada permukaan alat atau terjadi penggumpalan. Melalui kontak panas dari aliran udara kering-panas, cairan yang telah diatomisasi dengan menggunakan roda berputar (nozzle) akan menguap dengan cepat dan menghasilkan massa berupa padatan atau serbuk. Walaupun proses penguapan memerlukan suhu tinggi, tetapi karena berlangsung secara cepat diharapkan tidak mempengaruhi kualitas produk akhir yang dihasilkan. Kualitas hasil yang diperoleh pada metode spray drying dipengaruhi oleh dua hal, yaitu proses selama pengeringan (suhu inlet, kecepatan semprot, kondisi tabung, kecepatan aliran udara, dan lain-lain) dan kondisi bahan larutan yang akan dikeringkan (sifat bahan, jenis dan konsentrasi bahan pengisi, dan lain-lain). Pengukur tekanan (pressure gauge) digunakan untuk mengukur tekanan udara yang diperlukan dari kompresor. Termometer dinding digunakan untuk mengukur suhu udara ruangan. Termometer bola basah digunakan untuk mengukur suhu bola basah udara. Termometer bola basah yaitu termometer raksa yang dibalut dengan kain yang dibasahi dengan air. Air di termometer bola basah menguap bila ada aliran udara yang lewat. Air yang ada pada kain basah menguap sesuai dengan kemampuan serap udara sekitar. Termometer digital untuk mengukur suhu bahan, suhu droplets di dalam ruang pengering, suhu produk, dan suhu udara keluar ruang pengering. Stopwatch digunakan untuk mencatat waktu pengeringan bahan. Timbangan digunakan untuk menimbang berat produk yang keluar dari ruang pengering. 6.3 Bahan Pembuatan Larutan Penentuan konsentrasi bahan yang akan dikeringkan 24

41 Nely Ana Mufarida harus tepat dan kandungan bahan yang terlarut sebesar 30% hingga 50%. Jika bahan yang digunakan sangat encer dengan total padatan terlarut yang sangat rendah maka harus dilakukan pemekatan terlebih dahulu melalui proses evaporasi. Jika kadar air bahan yang akan dikeringkan terlalu tinggi maka proses spray drying kurang maksimal dimana bubuk yang dihasilkan masih mengandung kadar air yang tinggi. Selain itu juga menyebabkan kebutuhan energi yang tinggi dalam proses pengeringan. Bahan (terlarut) yang digunakan dalam pembuatan larutan dalam penelitian ini adalah bubuk kopi dari jenis kopi arabika. Bahan (pelarut) yang digunakan dalam pembuatan larutan adalah air. 6.4 Proses Pembuatan Bahan (Larutan) Gambar 6.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Bahan (Larutan) 25

42 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer 6.5 Rancangan Spray Dryer Konsep Perancangan Spray Dryer Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan konsep perancangan spray dryer tipe co-current sebagai berikut: Gambar 6.2 Konsep Perancangan Spray Dryer Keterangan: 1. Pemanas 2. Termometer raksa 3. Kipas 26

43 Nely Ana Mufarida 4. Kerangka peralatan 5. Siklon pemisah 6. Botol penampung produk 7. Ruang pengering 8. Termokontrol dan switch on pemanas + kipas 9. Kran nosel dan kran campuran udara + bahan 10. Tangki bahan Mekanisme Kerja Spray Drying Prinsip dasar spray drying adalah memperluas permukaan cairan yang akan dikeringkan dengan cara pembentukan droplets yang selanjutnya dikontakkan dengan udara pengering yang panas. Udara panas akan memberikan energi untuk proses penguapan dan menyerap uap air yang keluar dari bahan. Bahan (cairan) yang akan dikeringkan dilewatkan pada suatu nozzle (saringan bertekanan) sehingga keluar dalam bentuk butiran (droplets) yang sangat halus. Butiran ini selanjutnya masuk ke dalam ruang pengering yang dilewati oleh aliran udara panas. Hasil pengeringan berupa bubuk akan berkumpul dibagian bawah ruang pengering yang selanjutnya dialirkan ke bak penampung Rancangan Fungsional Spray Dryer Spray Dryer ini terdiri dari bagian-bagian yang berfungsi sebagai berikut: 1. Kipas (Blower) Kipas berfungsi untuk menghisap udara luar dan mengalirkan ke dalam pemanas. 2. Pemanas udara (Heater) Heater berfungsi sebagai pemanas udara yang akan digunakan sebagai pengering. Panas yang diberikan harus diatur sesuai dengan karakteristik bahan, ukuran droplets yang dihasilkan dan jumlah droplets. Suhu udara pengering 27

44 yang digunakan diatur agar tidak terjadi over heating. Pemanas berfungsi untuk memanaskan udara yang akan digunakan untuk proses penguapan air dari bahan. Udara pengering selanjutnya dialirkan menuju ruang pengering melalui ruang distribusi udara panas. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan termokontrol untuk mengatur suhu udara yang akan digunakan sebagai pengering droplets. Adanya kontak droplets dengan udara panas menyebabkan evaporasi kadungan air pada droplets hingga 95% sehingga dihasilkan bubuk. Bubuk yang telah kering jatuh ke bawah drying chamber (ruang pengering) dari atas chamber hingga mencapai dasar hanya memerlukan waktu selama beberapa detik. 3. Kompresor Kompresor menghasilkan udara bertekanan yang berfungsi untuk mendorong larutan dalam tangki bahan menuju atomiser. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan kran campuran udara dan bahan untuk mengatur campuran udara dan bahan dalam tangki menuju atomiser. 4. Tangki pengisian bahan Tangki pengisian bahan digunakan untuk menampung bahan (larutan) yang akan dialirkan menuju atomiser. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan kran nozzle yang digunakan untuk mengatur besarnya sudut penyemprotan droplets. 5. Atomiser PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Atomiser merupakan bagian terpenting pada spray dryer yang berfungsi untuk menghasilkan droplets dari cairan yang akan dikeringkan. Droplets yang terbentuk akan didistribusikan (disemprotkan) secara merata pada alat pengering agar terjadi kontak dengan udara panas. Ukuran droplets yang dihasilkan tidak boleh terlalu besar karena proses pengeringan tidak akan berjalan dengan baik. Disamping itu ukuran droplets juga tidak boleh terlalu kecil karena menyebabkan terjadinya 28

45 Nely Ana Mufarida over heating. Pada tengah atomiser disemprotkan udara panas bertekanan. Udara panas dan droplets hasil atomisasi disemprotkan ke bawah. Kondisi ini menyebabkan terjadinya kontak antara droplets dengan udara panas sehingga terjadi pengeringan secara simultan. Bahan yang akan dimasukkan dalam alat spray dryer harus dihomogenisasikan terlebih dahulu agar ukuran droplets yang dihasilkan seragam dan tidak terjadi penyumbatan atomiser. Homogenisasi dilakukan dengan cara pengadukan, selanjutnya bahan dialirkan kedalam atomiser. Atomisasi merupakan proses pembentukan droplets, dimana bahan cair yang akan dikeringkan dirubah ukurannya menjadi partikel (droplets) yang lebih halus. Tujuan dari atomiser ini adalah untuk memperluas permukaan sehingga pengeringan dapat terjadi lebih cepat. Pada Industri makanan, luas permukaan droplets setelah melalui atomiser adalah mencapai mikrometer. Atomiser dengan menggunakan nozzle berfungsi untuk mengatomisasi bahan (larutan) menjadi bentuk droplets yang disemprotkan ke dalam ruang pengering. 6. Ruang pengering Proses pengeringan droplets menjadi bubuk berlangsung di dalam ruang pengering (chamber) merupakan ruang dimana terjadi kontak antara droplets cairan yang dihasilkan oleh atomiser dengan udara panas untuk pengeringan. Kontak udara panas dengan droplets akan menghasilkan bahan kering dalam bentuk bubuk. Bubuk yang terbentuk akan turun ke bagian bawah chamber dan akan dialirkan dalam botol penampung. Udara hasil pengeringan dipisahkan dengan pengambilan udara yang mengandung serpihan serbuk di dalam chamber, selanjutnya udara akan memasuki separator. 7. Siklon pemisah Yang perlu mendapat perhatian dalam sistem spray dryer adalah ruang pengeringan yang umumnya berbentuk siklon. 29

46 PERPINDAHAN PANAS & MASSA pada Spray Dryer Hendaklah memilih material siklon yang tepat, kehalusan permukaan dinding bagian dalam siklon harus memenuhi syarat termasuk dimensi dan sebagainya, sehingga tidak menghambat kelangsungan proses pengeringan seperti bahan dapat mengalir turun tanpa hambatan, waktu pengeringan yang cukup, separasi udara dengan bahan dapat berlangsung secara sempurna, dan sebagainya. Cyclone berfungsi sebagai penampung hasil proses pengeringan. Bubuk yang dihasilkan akan dipompa menuju cyclone. Siklon pemisah berfungsi untuk memisahkan droplets yang masih terikat dengan udara pengering. Droplets diproses menjadi bubuk dan ditampung dalam tabung penampung produk, sedangkan udara pengering akan melewati saluran keluar menuju udara bebas. Udara hasil pengeringan dan serpihan serbuk dipisahkan dengan menggunakan gaya sentrifugal. Selanjutnya udara dibuang dan serpihan bahan dikembalikan dengan cara di blow sehingga bergabung lagi dengan produk dalam line prosses. 8. Botol penampung produk 1 dan 2 Botol penampung produk 1 untuk menampung produk yang jatuh dari ruang pengering. Botol penampung produk 2 untuk menampung produk yang jatuh dari siklon pemisah. 9. Kerangka penyangga Kerangka penyangga digunakan sebagai tempat untuk meletakkan dan menyangga spray dryer. Kerangka penyangga juga dilengkapi dengan empat roda untuk memudahkan pergerakan spray dryer. 30

47 Nely Ana Mufarida Rancangan Struktural Spray Dryer Gambar 6.3 Diagram Struktural Spray Dryer Udara luar pada suhu ruangan dihisap oleh kipas dan didorong menuju ke dalam saluran. Kemudian di dalam saluran tersebut udara dipanaskan oleh pemanas dan suhunya diatur oleh termokontrol. Udara pengering selanjutnya dialirkan menuju ruang pengering melalui ruang distribusi udara panas. Di dalam ruang pengering, udara panas digunakan untuk mengeringkan droplets yang keluar dari nozzle. Volume udara dari kompresor yang bertekanan menekan larutan dalam tangki bahan dan mendorongnya menuju atomiser dan kemudian diatomisasi menjadi bentuk droplets dan disemprotkan ke dalam ruang pengering. Droplets bertemu dengan udara panas sehingga droplets menjadi bubuk, jatuh kedalam botol penampung produk 1. Droplets yang masih terikat udara pengering dipisahkan di dalam siklon pemisah yaitu droplets diproses menjadi bubuk dan ditampung dalam botol penampung produk 2, sedangkan udara pengering akan melewati saluran keluar menuju udara bebas. 31