BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pasteurisasi Pasteurisasi merupakan suatu proses pemanasan pada suhu di bawah 100 o C dalam jangka waktu tertentu sehingga dapat mematikan sebagian mikroba dalam susu dengan meminimalisir kerusakan protein. Selain ditujukan untuk membunuh mikroba pembawa penyakit (pathogen) seperti bakteri TB; Coli, dll. Proses pasteurisasi yang dilanjutkan dengan pendinginan segera akan menghambat pertumbuhan mikroba yang tahan terhadap suhu pasteurisasi dan akan merusak sistem enzimatis yang dihasilkannya (misalnya enzim phosphatase, lipase, dll) sehingga dapat mengurangi kerusakan zat gizi serta memperbaiki daya simpan susu segar. (Fakhrul Ulum, 2009). Dikenal 2 metoda yang digunakan pada proses pasteurisasi susu yaitu 1) LTLT (Low Temperature Long Time) Metode LTLT pada dasarnya dilakukan dengan pemanasan susu sampai suhu 63-65⁰C dan dipertahankan pada suhu tersebut selama 30 menit. Alat yang digunakan untuk LTLT berupa tangki terbuka (open vat) dengan pemanas tidak langsung atau lebih dikenal dengan Batch Pasteuriser. 2) HTST (High Temperature Short Time). Metoda HTST dilakukan dengan pemanasan susu selama detik pada suhu 76⁰C atau lebih dengan menggunakan alat penukar panas (heat exchanger) dan diikuti dengan proses pendinginan susu dengan cepat agar mikroba yang masih hidup tidak tumbuh kembali. (Fakhrul Ulum, 2009) 5

2 6 2.2 Alat Penukar Panas Alat Penukar Panas (heat exchanger) menjadi alat yang paling esensial dalam proses pasteurisasi karena kebutuhan panas yang digunakan untuk pasteurisasi dihasilkan oleh alat penukar panas. Beberapa jenis alat penukar panas yang dapat digunakan adalah sebagai berikut : 1) Plate Heat Exchanger (PHE) Terdapat 3 komponen yang menyusun PHE, yaitu : a) Lembar baja tahan karat beralur (plate) Alat penukar panas ini terdiri dari lembar (plate) baja tahan karat (stainless steel) yang dicetak menggunakan mesin press berdaya tinggi. Pengepresan tersebut berfungsi membentuk alur-alur dengan motif tertentu dan memperbesar luas permukaan lembar baja sehingga mengakibatkan terjadinya turbulensi aliran cairan. Lembarlembar baja ini disusun dengan jumlah tertentu sesuai kebutuhan dalam suatu kerangka (frame). b) Rangka penyusun (frame) Suatu rangka (frame) berfungsi menjepit seluruh susunan lembar baja sehingga setiap pasangan lembar terdapat celah yang dapat dialiri cairan maka di sekeliling lembar terdapat parit guna meletakkan pita karet (gasket). c) Pita karet (gasket) Pita karet (gasket) terbuat dari bahan yang tahan panas/dingin, tahan karat dan non toksis (food grade). Susunan PHE tersebut dapat terdiri dari beberapa bagian (section), misalnya heating, cooling, regeneration, dll. Pada Gambar 2.1a dapat dilihat contoh plate heat exchanger yang digunakan untuk pasteurisasi.

3 7 2) Tubular Heat Exchanger (THE) Sebelum ditemukan alat penukar panas PHE yang lebih kompak dan dapat diproduksi secara massal, maka alat penukar panas jenis THE telah lebih dahulu digunakan. Double pipe heat exchanger adalah salah satu tipe alat penukar panas jenis Tubular Heat Exchanger (THE) yang kontruksinya sederhana. Pada Gambar 2.1b dapat dilihat Tubular Heat Exchanger (THE) jenis double pipe heat exchanger. Double Pipe Heat Exchanger (DPHE) adalah alat perpindahan panas yang merupakan gabungan 2 buah pipa yang berdiameter berbeda dan dipasang secara konsentris. DPHE ini biasanya digunakan apabila kebutuhan luas pemanasan lebih kecil dari 120 ft 2. Double pipe heat exchanger pada dasarnya terdiri dari dua buah pipa konsentrik, satu fluida mengalir lewat pipa dalam sedangkan fluida yang lain mengalir lewat annulus. Pada Tabel 2.1 dapat dilihat kelebihan dan kekurangan tubular heat exchanger dan plate heat exchanger. (a) Gambar 2.1(a) Plate Heat Exchanger (b) Tubular Heat Exchanger (DPHE) (anonim,1998) (b)

4 8 Tabel 2.1 Perbandingan kelebihan dan kekurangan dari PHE dan THE Pembanding Plate Heat Exchanger Tubular Heat Exchanger Kelebihan Mudah dibersihkan Investasinya lebih murah Pemindahan panas lebih efisien (diatas 85 %) Mudah diperbesar kapasitasnya Dapat difabrikasi di dalam negeri Secara mikrobiologis lebih aman, karena tidak memakai gasket Biaya Perawatan murah Kekurangan Investasinya mahal Pemidahan panas dibawah 85 % Tidak/Belum dapat dibuat di dalam negeri Penambahan kapasitas lebih sulit Biaya perawatan tinggi (anonim, 2009) Dari Tabel 2.1 dapat dilihat bahwa alat penukar panas jenis PHE merupakan alat penukar panas yang paling efektif dan efisien untuk proses pasteurisasi karena memiliki luas permukaan panas yang lebih tinggi dibandingkan THE (Double Pipe Heat Exchanger). Hal itu juga mengakibatkan efisiensi panas yang dihasilkan oleh alat penukar panas PHE lebih dari 85%. Namun apabila dilihat dari segi investasi yang diperlukan dan skala penggunaan alat tersebut, yaitu laboratorium maka alat jenis THE lebih memiliki keunggulan dibandingkan PHE.

5 9 2.3 Dasar Perpindahan Panas Perpindahan panas terjadi karena perbedaan temperatur dan aliran panas dari daerah yang tinggi ke daerah yang rendah. Perpindahan panas dapat terjadi oleh satu atau lebih dari mekanisme dasar perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Pada proses industri perpindahan panas diantara dua fluida secara umum dikerjakan oleh alat perpindahan panas (heat exchanger). Pemindahan panas terjadi dari fluida panas ke dinding tabung oleh konveksi, melalui dinding tabung atau plate dengan konduksi lalu dengan konveksi ke fluida dingin. (Geankoplis, 1983). 2.4 Jenis Perpindahan Panas Seperti yang telah disebutkan di atas, mekanisme perpindahan panas dibagi kedalam 3 jenis, yaitu konveksi, konduksi, dan radiasi. Dibawah ini terdapat penjelasan singkat mengenai 3 jenis mekanisme perpindahan panas tersebut Perpindahan Panas Konduksi Jika dalam suatu bahan kontinyu terdapat gradien (landaian) suhu, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Pada logam-logam padat, konduksi termal disebabkan oleh gerakan elektron yang tak terikat dan konduktivitas termal ini mempunyai hubungan yang erat sekali dengan konduktivitas listrik. pada dinding Konduksi adalah perpindahan panas melalui material yang tetap, misalnya (lihat Gambar 2.2). arah perpindahan panas tegak lurus pada dinding apabila permukaannya isotermal, sedangkan benda tersebut homogen dan isotropik. Untuk mengetahui besarnya konduksi yang mengalir melalui suatu bahan digunakan Hukum Fourier. Besarnya perpindahan panas secara konduksi adalah berbanding langsung dengan luas yang dilalui, beda suhu dan sifat bahan (konduktivitas panas) serta berbanding terbalik dengan tebal bahan yang dilaluinya.

6 10 Besarnya aliran panas adalah : Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konduksi pada dinding Sumber : (Geankoplis, 1983) dq = k A [- ] 2.1 Tanda negatif pada (-dt/dx) menunjukkan bahwa suhu pada muka panas adalah lebih tinggi dari pada suhu pada muka dinding. Konstanta proporsional k diperoleh dengan percobaan berdasarkan persamaan 2.1 dan harganya besar untuk material perambat panas, tetapi kecil untuk isolator panas. Persamaan 2.1 berlaku untuk luas permukaan yang konstan, dan karenanya bersifat khusus. Secara umum persamaan 2.1 dapat ditulis sebagai berikut : Q = k A [ - ] 2.2 Q = Laju perpindahan panas (Watt) k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m 2.K) A = Luas area (m 2 ) Perpindahan Panas Melalui Dinding Pipa Dalam aliran panas melalui dinding datar, luas yang dilaluinya adalah konstan untuk seluruh jarak yang ditempuhnya. Hal yang demikian tidak terjadi dalam aliran panas melalui dinding pipa (lihat Gambar 2.3), luas untuk aliran

7 11 panas berubah-ubah dari dinding dalam sampai dinding luar pipa. Dengan memperhatikan Gambar 2.3, maka luas perpindahan panas pada jari-jari r adalah 2 π r L, dan seandainya panas mengalir dari dalam ke luar, maka gradien suhu adalah (-dt/dr). Dengan demikian persamaan 2.2 berubah menjadi : Q = 2πrLk [- ] 2.3 Q = Laju perpindahan panas (Watt) k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m 2.K) L = Panjang silinder (m) r = Jari jari (m) Gambar 2.3 Perpindahan panas konduksi pada pipa Sumber : (Geankoplis, 1983) Perpindahan Panas Konveksi Konveksi ialah perpindahan panas di antara fluida yang lebih panas dan lebih dingin karena keduanya bercampur. Fluida dingin yang dekat kepada permukaan panas menerima panas dan kemudian memberikannya kepada bulk fluida dingin ketika bercampur, hal ini terjadi karena adanya gerakan fluida. Dalam konveksi dikenal 2 cara yaitu konveksi bebas atau konveksi alami dan konveksi paksa. Peristiwa perpindahan panas ini dapat dinyatakan dengan sebuah persamaan berikut :

8 12 dq = h A dt 2.4 dimana, h adalah koefisien perpindahan panas (Btu/jam.ft 2. o F) yang dipengaruhi oleh sifat-sifat fluida dan pengadukan. Persamaan 2.4 dapat ditulis dalam bentuk hasil integrasi, yaitu : Q = h A t 2.5 Q = Laju perpindahan panas (Watt) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2.K) A = Luas area (m 2 ) t = Perbedaan suhu (K) (a) Gambar 2.4 Perpindahan panas secara konveksi (a) pada dinding (b) silinder Sumber : Geankoplis,1983 (b) Perpindahan Panas Radiasi Radiasi adalah peristiwa perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain dari energi dan tidak pula terbelok dari lintasannya. Tetapi sebaliknya, bila terdapat zat pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi, refleksi dan absorpsi. Hanya energi yang diserap saja yang muncul sebagai kalor, dan bersifat kuantitatif. Secara umum, radiasi menjadi sangat penting pada suhu tinggi. Daerah panjang gelombang yang dapat disebut radiasi panas terutama terletak

9 13 antara 0,1-10 mikron. Daerah ini hanya sebagian kecil dari keseluruhan radiasi elektromagnetik. Perpindahan panas secara radiasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut : 4 Q AT 2.6 Q = Laju perpindahan panas (W) = Konstanta Boltzman = 5,676 x 10-8 (W/m 2..K 4 ) ε = Emissivity (=1 untuk benda hitam) A = Luas permukaan benda (m 2 ) T = Temperatur (K) Gambar 2.5 Perpindahan panas secara radiasi Sumber : Geankoplis, Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan Koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah kemampuan keseluruhan dari serangkaian hambatan konduksi dan konveksi untuk perpindahan panas. Hal ini umumnya diterapkan pada perhitungan perpindahan panas dalam alat penukar panas. Untuk kasus penukar panas, dapat digunakan untuk menentukan perpindahan panas total antara dua aliran dalam penukar panas oleh hubungan sebagai berikut : Q = U A Tlm 2.7

10 14 Q = Laju perpindahan panas (Watt) U = Koefisiensi perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K) A = Luas area (m 2 ) Tlm= Beda suhu rata rata logartmik (K) 2.6 Log Mean Temperature Difference (LMTD) Pada double pipe heat exchanger fluida dapat mengalir dengan laju alir searah atau berlawanan arah. Selain itu, pada masukan dan keluaran fluida panas dan dingin terdapat perbedaan suhu yang berbeda beda (lihat Gambar 2.6) maka diperlukan perumusan suhu rata rata logaritmik (LMTD). Persamaan yang digunakan untuk mencari suhu rata rata logaritmik sebagai berikut : Untuk aliran berlawanan atau counter current : Δt 1 >Δt 2 Δt = LMTD = = 2.8 Untuk aliran searah atau cocurrent : Δt = LMTD = = 2.9 (a) (b) Gambar 2.6 Profil temperatur double pipe heat exchanger (a) countercurrent flow (b) cocurrent flow Sumber :Geankoplis, 1983 Log Mean Temperature Difference (LMTD) digunakan untuk menentukan seberapa besar gaya dorong untuk perpindahan panas dalam suatu sistem aliran,

11 15 terutama dalam alat penukar panas. Semakin besar LMTD, semakin banyak panas yang ditransfer. (Wikipedia, 2012). 2.7 Bilangan Tak Berdimensi Dalam analisis dimensional, bilangan tak berdimensi adalah bilangan yang tidak memiliki unit fisis melainkan hanyalah bilangan. Bilangan itu pada umumnya didefinisikan sebagai produk atau rasio atau satuan yang memiliki unit. Contoh dalam ilmu keteknikan dan fisika adalah pengukuran sudut bidang miring. Sudut umumnya diukur menggunakan rasio panjang dan tinggi yang selalu spesifik setiap sudut. Rasio tersebut, panjang dibagi tinggi, adalah satuan tak berdimensi Bilangan Grashof Bilangan Grashof, N Gr adalah parameter non dimensional yang digunakan dalam korelasi perpindahan panas dan massa karena induksi termal konveksi alami pada permukaan padat yang terendam didalam cairan. (Wikipedia, 2012). Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Grashof adalah : (Pelat pipih vertikal) (Pipa) (Bluff Bodies) g = Percepatan gravitasi β = Volumetric thermal expansion coefficient (1/T, untuk fluida ideal, dimana T adalah temperatur absolut) (1/K) T s = Temperatur permukaan (K) T = Temperatur bulk (K) L = Panjang (m) D = Diameter (m)

12 16 ν = Viskositas kinematik (m 2 /s) Bilangan Grashof adalah bahwa hal itu merupakan rasio antara kekuatan daya apung akibat variasi dalam densitas fluida (yang disebabkan oleh perbedaan suhu) dengan kekuatan penahanan karena viskosistas fluida Bilangan Nusselt Dalam perpindahan panas di batas (permukaan) dalam cairan, Bilangan Nusselt adalah rasio konvektif untuk perpindahan panas konduktif di (normal) batas. Dalam konteks ini, konveksi meliputi adveksi dan konduksi. (Wikipedia, 2012). Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Nusselt adalah : 2.13 L = Panjang (m) h =Koefisien panas konveksi cairan (W/m 2 K) k f = Koefisien konduksi termal (W/m 2 K) Bilangan Prandtl Bilangan Prandtl, N Pr adalah parameter non dimensional yang menyatakan rasio difusivitas momentum (viskositas kinematik) terhadap difusitas termal. Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Prandtl adalah : 2.14 v = Viskositas kinematik (m 2 /s) α = Thermal diffusivity (m 2 /s)

13 17 Dalam masalah perpindahan panas, nilai Bilangan Prandtl mengontrol ketebalan relatif momentum dan lapisan batas termal. Ketika N Pr kecil itu berarti bahwa panas berdifusi sangat cepat dibandingkan dengan kecepatan (momentum), maka untuk logam cair yang memiliki Bilangan N Pr kecil ketebalan lapisan batas termal jauh lebih besar dari lapisan batas kecepatan. Pada Tabel 2.2 dapat dilihat nilai Bilangan Prandtl dari berbagai zat. (Wikipedia, 2012). Tabel 2.2 Bilangan Prandtl dari berbagai zat. Jenis Zat Bilangan N Pr Gas 0,7 1,0 Air 1 10 Liquid Metals 0,001 0,03 Minyak (anonim, 2012) 2.8 Denaturasi Protein Denaturasi protein dapat diartikan suatu perubahan atau modifikasi terhadap struktur sekunder, tersier dan kuartener molekul protein tanpa terjadinya pemecahan ikatan-ikatan kovalen. Karena itu denaturasi dapat diartikan suatu proses terpecahnya ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, ikatan garam dan terbukanya lipatan molekul protein. Denaturasi protein meliputi gangguan dan kerusakan yang mungkin terjadi pada struktur sekunder dan tersier protein. Faktor yang menyebabkan protein terdenaturasi adalah pemanasan, pengadukan, ph, dan pengaruh garam. Pemanasan dan pengadukan yang diberikan akan menyebabkan kekacauan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik non polar. Hal ini terjadi karena suhu tinggi dapat meningkatkan energi kinetik dan menyebabkan molekul penyusun protein bergerak atau bergetar sangat cepat sehingga mengacaukan ikatan molekul tersebut. Pada Tabel 2.3 dapat dilihat waktu dan suhu yang diperlukan agar protein pada susu tidak banyak terdenaturasi.

14 18 Tabel 2.3 Waktu dan temperatur yang dibutuhkan agar protein tidak banyak terdenaturasi Temperature Time Pasteurization Type 63 o C 30 minutes Vat Pasteurization 72 o C 15 seconds High Temperature Short Time (HTST) 89 o C 1,0 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST) 90 o C 0,5 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST) 94 o C 0,1 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST) 96 o C 0,05 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST) 100 o C 0,01 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST) 138 o C 2,0 seconds Ultra Pasteurization (UP) (sumber: IDFA, 2009) Ciri ciri susu yang telah terdenaturasi dapat dilihat secara visual, yaitu terlihat menggumpal karena berkurangnya kelarutan pada protein. Pada Gambar 2.7 dapat dilihat susu yang telah terdenaturasi. Gambar 2.7 Susu terdenaturasi