PENENTUAN WAKTU TINGGAL OPTIMUM PASTEURISASI SUSU DENGAN PLATE HEAT EXCHANGER Ninik Lintang Edi Wahyuni Teknik Kimia - Politeknik Negeri Bandung Jl Gegerkalong Hilir Ciwaruga, Bandung 40012 Telp/fax : (022) 2016 403 Email : niniklintang@yahoo.com Abstrak Pasteurisasi adalah proses preservasi produk makanan dan minuman dengan pemanasan pada temperatur dan waktu tertentu untuk membunuh bakteri patogen. Untuk meningkatkan kapasitas produksi, pasteurisasi dapat dilakukan pada temperatur relatif tinggi dengan waktu pemanasan singkat sehingga tidak merusak karakteristik produk. Penukar panas pelat (plate heat exchanger/phe) adalah alat yang banyak digunakan di industri makanan karena mudah dibersihkan, sehingga sangat higienis. Permukaan pelat pada PHE bergelombang dan jarak antar pelat yang sangat kecil memberikan efek turbulensi, sehingga meningkatkan koefisien perpindahan panas dan mempersingkat waktu pertukaran panas. Penelitian dengan judul Penentuan Waktu Tinggal Optimum Pasteurisasi Susu dengan Plate Heat Exchanger bertujuan mendapatkan waktu tinggal yang paling singkat untuk memperoleh susu (cair) dengan kualitas/karakteristik yang baik (tidak terdenaturasi) dan jumlah kandungan bakteri patogen dalam batas aman. Susu (cair) mendapat pemanasan awal hingga temperatur 56 o C, kemudian di pasteurisasi dalam plate heat exchanger dengan laju alir bervariasi antara 60-200 L/jam, dan temperatur keluar 72 o C, menggunakan air pemanas pada temperatur 78-80 o C dan laju alir 500 L/jam. Hasil penelitian menunjukkan waktu tinggal pasteurisasi optimum 17,5 detik dengan hasil susu yang secara substansi tidak berubah dan kandungan bakteri patogen 17.500 sel/ml, yang dicapai pada laju alir 112,5 ml/jam. Kata kunci: Pasteurisasi, patogen, Plate heat exchanger, susu, waktu tinggal Pendahuluan Susu sapi adalah produk minuman yang memiliki nilai gizi tinggi karena mengandung komponen yang sangat diperlukan oleh tubuh manusia, yaitu air 87%, lemak 4,1%, protein 3,6%, laktosa 4,7% dan lain-lain. Susu cair membutuhkan penanganan khusus agar aman dikonsumsi, salah satunya adalah dengan pasteurisasi untuk membunuh bakteri pathogen. Pasteurisasi adalah proses pemanasan pada suhu sekitar 65 0 dalam waktu sekitar 30 menit untuk mencegah kontaminasi bakteri, misalnya bakteri tuberkulosis, bruselosis atau streptokoki grup A ( Streptococcus pyogens ) tanpa mengubah substansi atau karakteristik susu, sehingga produk stabil selama 16 hari. Mengingat proses pasteurisasi membutuhkan waktu yang cukup lama, untuk meningkatkan kapasitas produksi maka pasteurisasi dapat dilakukan pada plate heat exchanger dalam waktu yang lebih singkat dengan suhu tinggi tanpa merusak substansi atau karakteristik susu. Plate Heat Exchanger adalah suatu alat penukar panas untuk fasa cair-cair yang banyak digunakan pada industri makanan. Alat ini cukup higienis karena komponennya yang berupa pelat mudah dilepaskan, mudah dibersihkan dan dipasang kembali. Plate Heat Exchanger mempunyai koefisien perpindahan panas cukup tinggi sehingga proses perpindahan panas dapat berlangsung dalam waktu singkat. Plate Heat Exchanger terdiri dari lempeng logam sebagai permukaan berlangsungnya perpindahan panas dilengkapi dengan rangkaian penyangga sebagai tempat penyusunan lempeng tersebut. Permukaan pelat bergelombang sehingga meningkatkan luas permukaan pemindah panas dan memberikan efek turbulensi aliran. Susunan pelat tersebut dipisahkan oleh gasket pada sekeliling pelat untuk mencegah terjadinya kebocoran atau pencampuran kedua fluida. Pressure Drop yang terjadi pada penukar panas pelat relatif kecil (Palen,1986). Susunan komponen pada Plate Heat Exchanger ditunjukkan di gambar 1. Koefisien Perpindahan Panas overall ( U ) yaitu jumlah panas yang dipindahkan persatuan waktu dalam satuan luas permukaan perpindahan panas dan satuan temperatur, dapat dihitung dengan persamaan : U = 1 1/h h + 1/h c + r w + r fh + r fc
Tabel 2 Temperatur dan Waktu Pasteurisasi Temperatur ( 0 C) Waktu tinggal 63 30,00 72 15,00 89 1,00 90 0.50 94 0.01 96 0.05 100 0.01 Sumber - http://www. niroin.com/gea_liquid_processing/ pasteurization.asp Gambar 1. Susunan pelat pada Plate Heat Exchanger dimana : U = Koefisien perpindahan panas overall r w, r fh, r fc = tahanan pelat logam dan kerak h c = Koefisien perpindahan panas cairan dingin h h = Koefisien perpindahan panas cairan panas Koefisien pindah panas individual (h) dipengaruhi oleh sifat fisik cairan pada temperatur operasi, dimensi alat dan jumlah lintasan aliran. Plate Heat Exchanger mempunyai beberapa keungggulan dibanding tipe shell & Tube seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 Perbedaan Kinerja Plate Heat Exchanger dengan Tipe Shell & Tube Karakteristik Plate Heat Exchanger Shell & Tube Re aliran >10 >2100 turbulen Kecepatan 0.5 m/s 1m/s rerata Koeficien perpindahan 18600 W m 2 K 5500 W m 2 K panas T minimum 1 0 C 5 0 C Sumber : Palen, 1986 Pasteurisasi susu dapat dilakukan pada suhu relatif rendah dalam waktu relatif panjang, yaitu 65 0 C selama 30 menit, atau pada suhu tinggi dalam waktu yang singkat yaitu 72 0 C selama 15 detik. Berbagai tingkat temperatur dan waktu tinggal pada pasteurisasi disajikan pada Tabel 2. Protein yang merupakan komponen utama dalam susu dapat mengalami denaturasi (susunan ruang atau rantai polipeptida pada molekul protein berubah) jika terpapar pada panas, ph, bahan kimia, dan mekanik (Winarno, 1991:69). Air susu yang mengandung lebih dari 30.000 mikroorganisme per milliliter atau 10 koloni bakteri per milliliter dipandang kurang baik. Syarat mutu susu segar sesuai dengan Standar Nasional Indonesia yaitu: 1. Berat jenis (pada 27,5 C) minimum 1,0280 2. Kadar lemak minimum 3,0% 3. Kadar bahan kering tanpa lemak, minimum 8,0% 4. Kadar protein minimum 2,75% 5. Warna, bau, rasa dan kekentalan tidak ada perubahan (SNI, 1998) Pewarnaan Gram dan Identifikasi Bakteri Pewarnaan Gram dimaksudkan untuk memilah bakteri menjadi kelompok Gram positif dan Gram negatif. Bakteri Gram positif berwarna ungu sedangkan bakteri Gram negatif berwarna merah. Perbedaan hasil pewarnaan ini disebabkan perbedaan struktur kedua kelompok bakteri tersebut. Pewarnaan Gram memberikan hasil yang baik, apabila sampel susu yang digunakan masih segar, yaitu berkisar antara 24-28 jam dari saat pemerahan. Pada sampel yang sudah terlalu lama, bakteri akan mengalami kerusakan pada dinding selnya, sehingga menyebabkan zat warna keluar sewaktu dicuci dengan larutan pemucat. Hal ini berarti bakteri Gram positif dengan dinding yang rusak tidak dapat mempertahankan kompleks warna kristal violet yodium sehingga hasilnya akan terlihat sebagai bakteri Gram negatif. Metodologi Sebelum proses pasteurisasi, air susu mendapat perlakuan pemanasan awal hingga 56 o C dalam bejana steril secara batch, kemudian masuk ke plate heat exchanger dengan media pemanas air pada temperatur 78-80 o C dan laju alir konstan 500 liter/jam. Alat penukar panas yang digunakan terdiri atas 25 pelat stainless steel dengan permukaan bergelombang, berdimensi 47 cm x10 cm, luas perpindahan panas 1 m 2, dengan 3 lintasan aliran. Laju alir air susu divariasikan antara 60 hingga 200 liter/jam, berdasarkan hasil percobaan pendahuluan. Air susu keluaran dari
plate heat exchanger dengan temperatur antara 70 o C- 72 o C diamati tampilan visualnya, jika terjadi penggumpalan merupakan indikasi terjadinya denaturasi protein, sedangkan jumlah bakteri pathogen yang masih hidup diperiksa dibawah mikroskop. Laju alir air susu yang bervariasi akan memberikan koefisien pindah panas overall dan waktu tinggal yang bervariasi, demikian pula dengan temperatur produk, dan pada gilirannya akan mempengaruhi jumlah bakteri hidup yang terkandung di dalam produk. Waktu tinggal optimum adalah waktu pemanasan minimum yang memberikan jumlah mikroba hidup pada rentang standar yang diijinkan. Tahapan penelitian disajikan di gambar 2. Hasil dan Pembahasan Proses pasteurisasi susu bertujuan untuk mendapatkan kualitas susu yang bagus, yaitu secara fisik tidak terjadi kerusakan dan jumlah bakteri tidak melampaui batas aman yang diizinkan, dengan waktu proses yang singkat. Pada proses pasteurisasi susu ini, laju alir air pemanas 500 liter/jam, sesuai data percobaan pendahuluan. Jumlah bakteri pada susu sebelum dipasteurisasi adalah 155.000 sel/mililiter. Koefisien Perpindahan Panas Overall Dengan laju alir cairan pemanas tetap, semakin besar laju alir susu maka panas yang diserap oleh susu juga semakin besar, demikian juga koefisien pindah panas overall semakin besar. Hubungan antara laju alir volumetrik dengan koefisien perpindahan panas dapat dilihat pada gambar 4 atau dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan : Uo = 3,4865 In G + 0,3211 Gambar 2 Skema Tahapan Penelitian Susunan peralatan pasteurisasi disajikan pada gambar 3. Gambar 4. Pengaruh Laju Alir Volumetrik Susu terhadap Koefisien Pindah Panas Overall Uji Denaturasi Produk Untuk mengetahui denaturasi produk sesudah proses pemanasan hingga temperatur 70 o C- 72 o C, dilakukan uji fisik secara visual, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3. Gambar 3. Skema Susunan Peralatan Pasteurisasi Susu dengan Plate Heat Exchanger Tabel 3 Hasil Uji Fisik Susu Waktu Tinggal Tampilan visual Keterangan 10 Homogen Baik 13 Homogen Baik 15 Homogen Baik 20 Homogen Baik 25 Tidak Homogen (penggumpalan) Terdenaturasi 30 Tidak Homogen (penggumpalan) Terdenaturasi
Pasteurisasi pada waktu tinggal 10 hingga 20 detik memberikan produk susu tanpa perubahan fisik (tampilan visual homogen), sedangkan pada waktu tinggal 25 dan 30 detik produk susu mengalami penggumpalan. Hal ini sesuai dengan teori bahwa susu akan terdenaturasi jika dipanaskan pada suhu 72 o C selama 15 detik. Waktu Tinggal Optimum dan Jumlah Mikroorganisme Hidup dalam Produk Susu Pada operasi penukaran panas yang ideal, dengan laju alir dan temperatur media pemanas konstan, peningkatan laju alir volumetrik umpan akan menurunkan temperatur produk, tetapi pada penelitian ini temperatur produk berfluktuasi (pada rentang 70 o C - 72 o C). Sementara jumlah mikroba yang hidup di dalam produk semakin besar dengan peningkatan laju alir umpan. Hal ini terjadi karena jumlah mikroba yang hidup tidak hanya dipengaruhi oleh temperatur, tetapi juga dipengaruhi oleh lamanya pemanasan (waktu tinggal). Kondisi pemanasan optimum adalah temperatur dan waktu pemanasan minimum yang memberikan jumlah mikroba hidup pada rentang standar yang diijinkan. Jumlah mikroba hidup pada susu hasil pasteurisasi ditunjukkan pada gambar 5. Pada waktu tinggal antara 10-30 detik jumlah bakteri hidup berada pada batas aman, yaitu kurang dari 30.000 bakteri per milliliter. bakteri Gram negatif adalah bakteri E.Coli yang dapat menyebabkan penyakit. Tabel 4. Pewarnaan Bakteri Waktu Tinggal Gram Bentuk 30 Positif Kokus 25 Positif Kokus 20 Positif Kokus 15 Positif Kokus 13 Positif Batang 10 Negatif Batang Pada waktu tinggal 15 hingga 30 detik, bakteri yang diamati termasuk dalam Gram positif dengan bentuk kokus (streptococcus dan staphylococcus) yang dapat menyebabkan tuberculosis, penyakit tenggorokan dan tipus. Sedangkan pada waktu tinggal 13 detik bakteri yang diamati adalah bakteri Gram positif yang berbentuk batang (baccilus atau clostridium). Bakteri ini dalam jumlah yang melebihi batas standar dapat menyebabkan pembusukan pada susu. Bakteri-bakteri tersebut merupakan bakteri yang sering terdapat di air susu, dan pada batas aman maka susu masih diperbolehkan untuk dikonsumsi. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Gambar 5. Pengaruh Waktu Tinggal susu di dalam PHE terhadap Jumlah Mikroorganisme Pada waktu tinggal 10 detik jumlah bakteri lebih besar dari batas aman yang diinginkan. Hal ini diperkirakan karena kontak dengan fluida panas terlalu singkat, sehingga masih banyak bakteri yang belum mati. Dari gambar 5 didapat hasil optimum, yaitu pada waktu tinggal 17 detik dengan jumlah bakteri 17.500 sel /ml Hasil pewarnaan bakteri ditunjukkan pada tabel 4. Pada waktu tinggal 13-25 detik bakteri yang teridentifikasi dalam sampel sebagian besar adalah bakteri Gram positif. Pada waktu tinggal 10 detik sebagian besar bakteri termasuk Gram negatif. Salah satu jenis dari Dengan laju alir volumetrik dan temperatur fluida pemanas konstan, semakin besar laju alir volumetrik susu menyebabkan panas yang diserap oleh susu semakin besar. Koefisien pindah panas overall semakin besar sesuai dengan persamaan Uo = 3,4865 log G + 0,3211 Jumah bakteri yang mati pada pasteurisasi susu tidak hanya dipengaruhi oleh tingginya tempertur pemanasan, tetapi juga dipengaruhi oleh waktu tinggal pemanasan. Waktu tinggal pasteurisasi optimum adalah 17,5 detik pada laju alir susu 112,5 liter/jam dengan jumlah bakteri hidup 17.500 sel/ml dan kualitas produk secara visual bagus (tidak menggumpal). Saran Untuk mendapatkan data temperatur yang akurat, termometer yang digunakan harus dikalibrasi, karena kesalahan pada pengamatan temperatur akan sangat berpengaruh pada perhitungan laju perpindahan panas. Sistem pemanasan media pemanas dan pemanasan awal umpan seharusnya menggunakan pemanas koil dan dilengkapi dengan pengendali temperatur (thermostat) sehingga set point yang diinginkan dapat dipertahankan.
Perangkat alat seharusnya dilengkapi detektor waktu tinggal di PHE, sehingga diperoleh data yang akurat. Pada perhitungan jumlah bakteri dengan menggunakan mikroskop, harus diperhatikan kebersihan dari objek dan lensa yang digunakan supaya bakteri yang teramati adalah yang berasal dari susu. Daftar Pustaka Palen, J.W, 1986, Heat Exchanger Source Book, California: Heat Transfer Research Institute Standar Nasional Indonesia 01-3141-1998: Badan Standarisasi Nasional. Winarno, F.G.,1991, Kimia Pangan dan Gizi, Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. http://www. niroin.com/gea_liquid_processing/pasteurization.asp