NERACA MASSA DALAM PENGOLAHAN PANGAN Tujuan Instruksional Khusus : Mahasiswa dapat menjelaskan prinsip dasar hukum kekekalan massa Mahasiswa dapat melakukan analisa aliran bahan yang masuk dan keluar selama proses pengolahan pangan Neraca Massa (Mass Balance) Mengkaji/menganalisa aliran bahan yang masuk (inflow) dan keluar (outflow) unit pengolahan menentukan jumlah bahan dalam setiap aliran proses Berguna dalam perumusan, evaluasi komposisi akhir, rendemen, efisiensi, dll. Prinsip Dasar Hukum Kekekalan Massa Zat tidak diciptakan ataupun dimusnahkan. Sehingga, dalam setiap proses, neraca massa sbb.: Inflow = Outflow + Accumulation IN OUT Diagram Aliran Proses Gambarkan aliran proses dan tentukan batas sistem dimana analisa keseimbangan massa akan dilakukan Informasi berkaitan dg distribusi aliran bahan sangat perlu Accumulation = 0 steady state Accumulation 0 unsteady state jumlah dan konsentrasi bahan dalam sistem berubah dengan waktu EVAPORATOR BLENDER 1
Mengapa Mempelajari Neraca Massa? Penting dalam proses pencampuran ingradient dalam pengolahan pangan Penting untuk proses pemisahan : Evaporasi Dehidrasi Distilasi Adsoprsi Pertukaran ion Contoh : pada proses kristalisasi Masalah : Tentukan jumlah gula (yang bebas air) yang dapat dihasilkan dari 100 kg larutan gula dengan komposisi 20% w/w gula, 1% gula yang larut air serta kotoran yang tidak dapat dikristalisasi. Larutan dikonsentrasikan (dipekatkan) hingga menjadi 75% gula, didinginkan hingga suhunya 20 o C,disentrifusi dan kristalnya kemudian dikeringkan. Gambarkan diagram alir prosesnya. Larutan Gula 20% Evaporator Crystallizer Centrifuge Drier Kristal Kering Gambar 1. Diagram Alir Proses Kristalisasi Gambar 2. Diagram alir proses kristalisasi yang menunjukkan aliran input dan output dari sistem. Tidak lengkap, karena tidak menggambarkan bahan yang masuk dan keluar dari sistem. 2
3 prinsip fisik dalam masalah di atas yang tidak dinyatakan: 1. Kristal akan dikeluarkan dari larutan ketika konsentrasi larutan sudah lewat jenuh 2. Kristal tdd bahan terlarut yang murni serta kotoran 3. Cairan tidak dapat dipisahkan secara sempurna dari bagian padat hanya dengan sentrifugasi. Pindah Massa Total Berlaku Hukum Kekekalan Massa Perlu diketahui : konsentrasi larutan gula jenuh pada suhu 20 o C dan kadar air kristal setelah disentrifugasi. Contoh 1 W Bahan berupa larutan masuk ke dalam evaporator dan keluar dalam bentuk bahan yang sudah dikonsentrasikan. Selama proses air diuapkan. Jika I adalah berat larutan yang masuk ke dalam sistem. W = berat air yang diuapkan, dan C = berat konsentrat, tulislah persamaan yang menunjukkan neraca massa total untuk sistem tsb. Asumsikan bahwa proses berada dalam keadaan steady state (ajeg). Penyelesaian : Total neraca Massa : Aliran Masuk = Aliran Keluar + Akumulasi I = W + C (dalam keadaan ajeg akumulasi = 0) Gambar 3. Aliran masuk dan keluar dari proses evaporasi C 3
Contoh 2 Buatlah diagram dan persamaan neraca massa untuk sebuah alat pengering (dehidrator). Udara masuk dengan laju A lb/menit, dan bahan basah masuk dengan laju W lb/menit. Bahan kering keluar dari sistem dengan laju D lb/menit. Asusmsikan proses dalam keadaan ajeg. Penyelesaian Contoh 2 Bahan masuk = udara dan air yang keluar juga harus berupa udara dan air Karakteristik dehidrator yang tidak disebutkan di dalam soal adalah bahwa air dikeluarkan dari bahan padat dipindahkan ke udara dan dikeluarkan dari sistem dengan aliran udara. Gambar 4 menunjukkan 2 subsistem yang terpisah, yaitu satu untuk bahan padat dan satu lagi untuk udara. Neraca massa total dapat ditulis : W + A = udara basah + D Subsistem udara : A + air = udara basah Neraca massa untuk subsistem bahan padat : W = air + D Komponen Neraca Massa Udara Bahan Padat Basah (A) (W) Udara Air Bahan Padat (D) Udara basah Bahan Padat kering Sama dengan neraca massa total, tetapi komponen2nya dihitung secara tersendiri Jika ada n komponen dapat dibuat n persamaan independen, 1 persamaan untuk neraca massa total dan n-1 persamaan neraca komponen. Gambar 4. Diagram aliran bahan pada proses pengeringan 4
Bentuk persamaan neraca komponen yang penting dalam menyelesaikan masalah dalam proses konsentrasi atau dilusi adalah persamaan fraksi massa atau persen berat massa komponen A Fraksi massa A = ----------------------------------------------------------- massa total campuran yang mengandung A Massa komponen A Massa total campuran yang mengandung A = ------------------------------ Fraksi massa A Contoh 1 Gambarlah diagram dan tulis persamaan neraca massa total dan neraca massa komponen untuk sebuah kristalizer, dimana 100 kg konsentrat larutan gula yang mengandung 85% sukrosa dan 1% (w/w) kotoran larut air. Larutan gula dikristalisasi pada proses pendinginan. Pemisahan kristal dari fraksi cair (mother liquor) dilakukan dengan menggunakan sentrifus. Fraksi slurry kristal yang diperoleh sebanyak 20% (w/w) dan bagian cairannya mempunyai komposisi yang sama dengan mother liquor. Mother liquor mengandung 60% (w/w) sukrosa. Larutan gula 100kg 85% Sukrosa 14% air 1% kotoran (S) Kristalizer Sentrifus (C) Kristal 20% w/w (M) Mother Liquor 60% Sukrosa Gambar 5. Diagram komposisi dan aliran bahan pada proses kristalisasi Penyelesaian Neraca massa total : S = C + M Neraca massa sukrosa : S(0.85) = M(0.6) + C (0.2)(0.6) + C (0.8) Sukrosa pada sukrosa pada sukrosa pada mother sukrosa pada kristal aliran masuk mother liquor liquor yang dibawa kristal Neraca massa untuk air : Misal x = fraksi massa kotoran dalam mother liquor S(0.14) = M (0.4-x) + C(0.2)(0.4-x) Air masuk air dalam mother liquor air dalam mother liquor yang terdapat pada kristal Neraca massa kotoran : S(0.01) = M(x) + C(0.2) (x) Ada 4 persamaan yang dapat dibuat, tapi hanya 3 yang tidak diketahui (C,M dan x). 5
Contoh 2 Gambarlah diagram dan buatlah persamaan neraca massa total dan komponen untuk sistem pencampuran daging (mengandung 15% protein, 20% lemak dan 63% air) dengan lemak punggung (mengandung 15% air, 80% lemak dan 3% protein) untuk membuat 100 kg campuran yang mengandung 25% lemak. Daging (D) 15% Protein 20% Lemak 63% air Lemak Punggung (B) Mixer 3% Protein 15% Air 80% Lemak (M) 100 kg 25% Lemak Gambar 6. Diagram proses pencampuran Neraca massa total : P + B = 100 Neraca lemak : 0.2P + 0.8 B = 0.25 (100) Substitusi P = 100-B ke pers neraca lemak : 0.2(100-B) + 0.8B = 25 25 20 B = ------------- = 8.33 kg 0.8-0.2 Contoh 3 Untuk memproduksi krim rendah lemak (18% lemak w/w) digunakan double krim (48% lemak w/w) dan susu (3.5% w/w). Berapa banyak double krim dan susu yang dibutuhkan untuk membuat 100 kg krim rendah lemak? P = 100 8.33 = 91.67 kg 6
Contoh 4 Puree buah dikeringkan dengan alat pengering kontiniu. Puree buah basah mengandung 0.80 kg H 2 O/kg puree, masuk ke dalam alat pengering dengan laju aliran 100 kg/jam, dan keluar dari alat pengering dengan laju aliran 25 kg/jam. Puree buah kering mengandun 0.20 kg H 2 O/kg puree. Kadar air udara panas yang masuk = 0.01 kg H 2 O/kg, dan kadar air udara keluar = 0.02 kg H 2 O/kg. Hitunglah laju aliran udara kering. BASIS AND TIE MATERIAL Basis perhitungan : Penting jika tidak diberikan jumlah awal secara kuantitatif Penting untuk proses kontiniu Tie material : Komponen yang digunakan untuk menghubungkan jumlah dari satu aliran proses dengan jumlah proses lainnya Biasanya : komponen yang tidak berubah selama proses contoh : solid pada proses pengeringan dan evaporasi MATERIAL BALANCE PROBLEMS INVOLVED IN DILUTION, CONCENTRATION, AND DEHYDRATION STEADY STATE dipecahkan dengan membuat persamaan formulasi massa total dan neraca komponen kemudian diselesaikan secara simultan. Contoh 1 : 15 kg Larutan NaCl 20% dilarutkan dengan air sehingga diperoleh larutan NaCl dengan konsentrasi 10%. Berapa banyak larutan NaCl 10% yang dihasilkan? Contoh 2 : Berapa besarnya penurunan berat yang terjadi jika bahan dengan kadar air 85% dikeringkan hingga kadar airnya menjadi 50%? PERUBAHAN VOLUME DALAM PENCAMPURAN Jika 2 larutan dicampur volumenya tidak selalu bersifat aditif (terutama pada larutan dan cairan yang saling larut). Contoh : larutan NaCl, larutan gula, larutan etanol mengalami perubahan volume Neraca massa harus didasarkan pada massa (bukan volume) konsentrasi berbasis volume harus diubah menjadi berbasis massa sebelum dilakukan perhitungan neraca massa. Contoh 1 : Kandungan alkohol pada minuman dinyatakan sebagai % volume. Sebuah proof adalah 2 kali persentase volume alkohol. Densitas etanol absolut 0.7893 g/cm 3. densitas larutan yang mengandung etanol 60% w/w adalah 0.891 g/cm 3. Hitunglah volume etanol absolut yang harus dilarutkan dengan air untuk memroduksi 1 L larutan etanol 60% w/w. Hitunglah proof dari larutan etanol 60%. 7
Kontiniu vs Batch Pada sistem Batch : massa total diperhitungkan (masuk dan keluar) dalam satu waktu. Pada sistem kontiniu : basisnya adalah 1 unit waktu operasi, kemudian neraca bahan dibuat berdasarkan jumlah yang masuk dan keluar selama periode tsb misal kg/jam (jika basisnya 1 jam, maka prosesnya Batch). Contoh : Sebuah evaporator memiliki kapasitas evaporasi air 500 kg/jam. Hitunglah laju produksi konsentrat juice yang mengandung padatan total 45% dari juice awal dengan kandungan padatan total 12%. Recycle Dievaluasi sebagaimana contoh sebelumnya, tapi dibuat pembatas (boundary) di sekitar subsistem untuk mengisolasi aliran proses yang dievaluasi. Sistem didefenisikan sebagai sistem dengan pembatas di sekitar sistem yang menyederhanakan masalah dalam neraca bahan. Contoh : Falling film evaporator memmiliki kapasitas evaporasi 10 kg air/jam. Pompa resirkulasi memindahkan 20 kg fluida/jam. Jika bahan masuk memiliki padatan 5.5% dan konsentrat yang diinginkan adalah dengan kandungan padatan 25%, hitunglah : a) laju aliran bahan masuk dan laju aliran keluar produk, b) jumlah konsentrat yang direcycle, dan c) konsentrasi campuran dari bahan baku dan konsentrat yang direcycle. Gambar 7. Single-effect falling film evaporator Gambar 8. Upper section of a falling film evaporator 8
Recycle + Feed 20 kg, x% Solid Recycle (R) Recirculating pump Liquid Receiver Heater Vapor (V) 10 kg Concentrate recovery pump Condensor Condensate (V) Feed (F) 5.5% Solids Concentrate (C) 25% Solids Gambar 9. Diagram aliran bahan pada Falling Film Evaporator dengan recycle produk Basis : 1 kg/jam Neraca massa dan neraca bahan padat dari bahan masuk (feed) dan konsentrat dihitung Massa total : F = C + V ; F = C + 10 Solids : F (0.055) = C (0.25) ; F = C (0.25/0.055) = 4.545 C Substitusi nilai F : 4.545 C = C + 10; C = (10/(4.545-1)) = 2.82 kg a. F = 4.545 (2.82) = 12.82 kg/jam C = 2.82 kg/jam b. Neraca bahan pada pompa resirkulasi : R + F = 20; R = 20-12.82 = 7.18 laju recycle = 7.18 kg/jam c. Neraca bahan yang dapat dibuat pada bagian sistem dimana uap dipisahkan dari fluida yang dipanaskan dapat dilihat apda Gambar 10. Neraca solid : 20(x) = 10(0.25); x = 2.5/20 = 0.125 fluida yang masuk ke pemanas mengandung 12.5% solid Feed + recycle 20 kg x% Solids Heater Concentrate 25% solids 20-10 = 10 kg Vapor 10 kg Unsteady State Akumulasi ikut dihitung Akumulasi = diferensial laju dari variabel per waktu Perhitungan neraca massa sama dengan kondisi steady state persamaan diferensial diintegrasikan untuk mendapat persamaan dari nilai variabel dependen sebagai fungsi dari waktu. Contoh : Sebuah tanki berpengaduk dengan volume 10 L berisi larutan garam dengan konsentrasi 100 g/l. Jika garam bebas air dimasukkan secara kontiniu ke dalam tanki dengan laju 12 L/jam, dan volume selalu konstan berapa konsentrasi garam setelah 90 menit? Gambar 10. Diagram neraca bahan pada heater dari sebuah Falling Film Evaporator 9
Blending of Food Ingredients Meliputi neraca massa total dan komponen dan persamaan diselesaikan secara simultan Contoh 1: Hitunglah jumlah konsentrat juice (dengan padatan 65%) yang harus dicampurkan dengan single-strength juice (padatan 15%) untuk menghasilkan 100 kg konsentrat dengan padatan 45%. Contoh 2: Hitunglah jumlah daging, lemak dan air yang digunakan untuk membuat formulasi 100 kg frankfurter. Komposisi bahan mentah dan frankfurter adalah sbb : - Daging : 14% lemak, 67% air, 19% protein - Lemak : 89% lemak, 8% air dan 3% protein - Frankfurter : 20% lemak, 15% protein, 65% air Multistage Processes Contoh : Dalam pembuatan jam, digunakan buah dengan kandungan padatan terlarut 10% dan ditambahkan pektin grade 100. Hitunglah berat buah, gula dan pektin yang dibutuhkan untuk menghasilkan 100 kg jam. Standard pembuatan jam adalah buah : gula = 45 : 55, dan jam harus memiliki nilai TSS 65%. (Pektin grade 100 = pektin yang akan membentuk gel pada perbandingan pektin dan gula 1 kg : 100 kg). 10