MODEL SISTEM DAN ANALISA PENGERING PRODUK MAKANAN Abstrak Pengeringan adalah sebuah prses dimana kelembaban dari sebuah prduk makanan dikurangi agar rasa, dan bentuk tetap terjaga dengan meningkatnya kemampuan untuk disimpan lebih lama dan juga kemudahan pengakutannya. Prduk makanan yang sangat membutuhkan prses lanjut seperi prses pengeringan ini adalah antara lain prduk makanan bentuk bubuk seperti susu bubuk, tepung rti, dan juga prduk makanan kering seperti kismis. Berbagai mdel system pengeringan yang telah dikembangkan telah dapat menjaga kualitas prduk makanan seperti yang diharapkan. Pada tulisan ini akan dijelaskan beberapa mdel sistim pengeringan seperti Drum Drier, Tray Dries. Tunnel Drier dan Belt Drier yang telah diterapkan pada industri makanan. 1. Knsep dasar sistem pengeringan Prses pengeringan merupakan prses 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 leh adanya aliran udara panas diatas permukaan benda yang akan dikeringkan yang mempunyai temperatur lebih dingin. Aliran udara panas merupakan fluida kerja bagi sistim pengeringan ini. Kmpnen aliran udara yang mempengaruhi prses pengeringan adalah kecepatan, temperatur, tekanan dan kelembaban relati Prses pengeringan sebuah prduk makanan membutuhkan waktu untuk mendapatkan prduk kering yang diinginkan, bila berat sebuah prduk diperhitungan sebagai fungsi waktu maka akan diperleh bentuk grafik sebagai berikut : 1
1 Misture Cntent 2 3 Gambar 1. Grafik Prses Pengeringan Makanan Dan gambar 1 diatas dapat dijelaskan bahwa prses 1 ke 2 memperlihatkan pada prses awal aliran udara panas dapat menguapkan sejumlah air dalam prduk makanan sebanding lurus dengan bertambahnya waktu pemanasan. Sedangkan pada prses 2 ke 3 dengan bertambahnya waktu kapasitas prses penguapan air malah berkurang disebabkan leh telah menurunnya temperatur aliran udara panas dan naiknya kelembaban relatif udara sehingga udara panas menjadi jenuh dan tidak mampu lagi menguapkan air. Untuk alasan inilah prses pengeringan dengan aliran udara panas ini harus disediakan udara dalam jumlah besar agar kualitas prduk makanan yang akan dikeringkan sesuai dengan yang ditetapkan. Grafik pada gambar 1 dapat dimdifikasi sehingga akan diperleh sebuah grafik yang dapat menjelaskan jenis kndisi pengeringan sehingga akan mempermudah membuat mdel persamaannya. Laju kandungan air yang diuapkan dimdifikasi menjadi laju pengeringan terhadap waktu sehingga diperleh grafik sebagai berikut : 2
Time Gambar 2. Grafik Laju Pengeringan Terhadap Waktu Titik 1 sampai titik 2 pada gambar diatas disebut sebagai cnstant-rate perid, sedangkan titik 2 sampai titik 3 disebut dengan falling-rate perid. Titik 2 disebut sebagai critical misture cntent. Cnstant-rate perid disebut juga sebagai kndisi pengeringan knstan yang dianggap mampu menjelaskan persamaan prses pengeringan pada sistim pengeringan ini. Selama kndisi ini berlangsung, kandungan air selalu mengumpul di permukaan prduk yang akan dikeringkan disebabkan laju difusi ke permukaan benda lebih cepat daripada laju penguapannya serta sifat prduk tidak mempengaruhi laju pengeringan. Laju pengeringan pada kndisi ini dapat dibedakan menjadi dua mekanisme perpindahan panas, yaitu knveksi dan knduksi. Pada pengeringan knveksi panas yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan air dari prduk diberikan leh udara suhu permukaan mendekati suhu wet bulb dari udara masuk. Besarnya laju pengeringan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : M = ha( T T ) α h fg s 3
dimana : M = Laju pengeringan (kj s) h = kefisien knveksi (kw! m2. C) A = Luas pindahan panas (M2) Tα = Temperatur aliran udara ( C) Ts =Temperatur permukaan( C) hfg = Panas laten yang diukur pada suhu TS (kj/ kg) Prses pindahan panas yang lain adalah knduksi. Mdel prses pindahan panas knduksi dapat digambarkan sebagai berikut : Uap air Prduk yang dikeringkan Q knduksi Gambar 3. Mdel Prses Pindahan Panas Knduksi Pada pengeringan knduksi suhu permukaan prduk yang dikeringkan akan mendekati suhu titik didih dari udara masuk. Besarnya laju pengeringan dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini : 4
M = kma(pg - Pv ) dimana : km A Pg Pv = Kefisien pindahan massa (kg/ s.m2.kpa) = Bergantung pada rancangan sistim pengering = Tekanan jenuh air yang diukur pada suhu permukaan (kpa) = Tekanan parsial uap air dalam udara (kpa) Persamaan lain yang dapat digunakan untuk menghitung laju pengering pada prses knduksi adalah sebagai berikut : M UA( Tsumber Ts ) = h fg dimana : U = Kefisien pindahan panas seluruhnya diantara sumber panas dengan permukaan (W/m 2. C) T sumber = Suhu sumber panas ( C) T S = Suhu permukaan ( C) 2. Analisa Mdel Sistim Pengeringan 2.1 Drum Drier Gambaran mdel pengering Drum Drier adalah sebagai berikut : 5
DRUM DRIER Water vapr Knife remves dried prduct Steam cndenses inside drum........................................ Tank cntaining liquid material fr drying Gambar 4. Mdel Pengering Drum Drier Mdel pengering ini menggunakan prses knduksi untuk menguapkan air dari prduk yang akan dikeringkan. Mdel ini terdiri dari tiga kmpnen utama, yaitu : 1. Tangki Fungsi : Sebagai tempat prduk yang akan dikeringkan. Prduk yang akan dikeringkan ditampung dan dikumpulkan di tempat ini. Bentuk tangki dibuat sedemikian rupa agar semua prduk dapat 6
dikeringkan dengan sempurna. 2. Drum Fungsi : Sebagai alat pengering dimana ditempatkan uap panas ke dalam drum MI. Drum mempunyai knstruksi sedemikian rupa sehingga dapat dimasukan uap panas ke dalamnya. Saat drum berputar maka prses pengeringan yang dilakukan pada drum ini merupakan prses pengeringan lapis batas dimana prduk akan bersinggungan dengan permukaan panas dan menempel pada drum sehingga dapat terangkut mengikuti putaran drum. Selama pengangkutan ini kandungan air dalam prduk akan menguap sehingga saat drum berputar menyelesaikan siklus putarnya prduk telah mencapai kadar air yang diinginkan. Putaran Drum dan panas uap yang dimasukkan diatur sedemikian rupa untuk mendapatkan prduk dengan kadar air yang ditetapkan. 3. Pisau Skrap Fungsi: Memisahkan prduk yang telah kering. Prduk yang diinginkan dan masih menempel di drum dipisahkan dan ditampung ke dalam tangki keluaran. Prses pemisahan ini dilah - ukan dengan sebuah pisau skrap yang dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat memisahkan prduk dari drum dengan sempurna. Aliran massa pada sistim Drum Drier dapat dianalisa untuk mendapatkan besarnya ttal energi yang digunakan. Pemasukan material ke sistim dapat dianggap sebagai pemasukkan dua jenis aliran massa, yaitu aliran massa prduk dan aliran massa air. Saat berada dalam sistim kedua aliran terpisah dan kemudian keluar kelingkungannya dengan cara berbeda sesuai dengan sifat-sifat zatnya. Persamaan kesetimbangan aliran massa ini dapat digambarkan dan dijelaskan sebagai berikut : 7
MH2O(cair) M H20(cair) M prduk Drum Drier Q Lss M prduk Q Gambar 5. Aliran Massa Pada Sistim Drum Drier Kesetimbangan Kesetimbangan aliran massa sistim ini adalah sebagai berikut : = M prduk C prduk ( Te T i) + M H 20 ( he hi ) Q dimana : + Q Lss Q M prduk = Laj u pindahan panas = Laju aliran massa prduk jadi C prduk = Panas jenis dari prduk jadi T e T i M h e h i H 20 = Suhu keluar prduk = Suhu masuk prduk = Laju penguapan air = Entalpi air (dalam bentuk uap) saat keluar = Entalpi air (dalam bentuk cair) saat masuk Q Lss = Kerugian panas yang keluar sistim Alat ini dapat menjadi sangat efisien bila besar kerugian panas tidak melebihi 10% dari jumlah ttal enegi yang dibutuhkan. Banyaknya prduk yang akan dikeringkan dibatasi leh tingginya suhu pengeringan yang tersedia dan kemampuan prduk tersebut agar terjadinya prses pengeringan lapisan batas pada drum pengering. 8
2.2. Sistim Pengering Knveksi Sistim pengering knveksi menggunakan aliran udara panas untuk mengeringkan prduk. Prses pengeringan terjadi saat aliran udara panas ini bersinggungan lansung dengan permukaan prduk yang akan dikeringkan. Mdel pengering yang menggunakan sistim pengering ini adalah : 2.2.1. Tray Drier Gambaran mdel pengering Tray Drier adalah sebagai berikut : Gambar 6. Mdel Pengering Tray Drier Pada mdel ini, prduk ditempatkan pada setiap rak yang tersusun sedemikian rupa agar dapat dikeringkan dengan sempurna. Udara panas sebagai fluida kerja bagi mdel ini diperleh dari pembakaran bahan bakar, panas matahari. atau listrik. Kelembaban relatif udara yang mana sebagai faktr pembatas kemampuan udara menguapkan air dari prduk, diperhatikan dengan mengatur pemasukan dan pengeluaran udara ke dan dari alat pengering ini melalui sebuah alat pengalir. 9
2.2.2. Tunnel Drier Gambaran mdel pengering Tunnel Drier adalah sebagi berikut :. Gambar 7. Mdel Pengenng Tunnel Drier Knstruksi mdel pengering ini hampir serupa dengan Tray Drier. Perbedaan mendasar terletak pada penempatan prduk yang akan dikeringkan. Pada mdel ini prduk yang akan dikeringkan ditempatkan pada sebuah rak yang tersusun sedemikian rupa dan susunan rak ini ditempatkan diatas sebuah kereta drng sehingga mempermudah pemasukan dan pengelurannya. Prses pemasukan dan pengeluran udara panas hampir mirip dengan Tray Drier tetapi sedikit berbeda dalam hal pengaturan aliran udara didalam sistim. Pada mdel ini aliran udara dapat diatur sehingga mempunyai aliran dalam arah yang sama (aliran paralel), aliran lawan arah (aliran cunter) atau aliran silang (aliran crss) dengan letak susunan kereta.. 10
2.2.3. Belt Drier Gambaran mdel pengering Belt Drier adalah sebagai berikut : Gambar 8. Mdel Pengering Belt Drier Mdel pengering ini menggunakan penghantar sabuk yang ergerak secara kntinu membawa prduk yang akan dikeringkan- Knstruksi sabuk dibuat berlubang pada sisi-sisinya agar aliran udara panas yang bergerak menyilang paralel atau cunter dapat mencapai semua permukaan prduk sehingga kering dengan sempurna. Untuk prses pengeringan knveksi ini, besar energi yang dibutuhkan dapat dihitung bila semua kmpnen dari aliran massa yang masuk dan keluar sistim dapat diketahui. Gambaran aliran massa dari sistim ini adalah sebagai berikut : Udara Drier Udara Uap air Prduk basah Prduk kering Q Gambar 9. Aliran Massa Pada Sistim Pengeringan Knversi Kesetimbangan aliran massa sistim ini adalah sebagai berikut : 11
Q = M pe C [ Ca ( Tae Tai ) + ai ( hve hvi )] + M evap ( hve hli ) + Q lss pe ( TPe TPi ) + M a ω dimana : Q M pe = Energi panas yang dibutuhkan = Laju aliran massa prduk yang keluar sistem Cpe = Panas j enis prduk yang keluar sistim Tpe = Suhu keluar prduk = Suhu masuk prduk T pi M a = Laju aliran massa udara kering yang masuk sistim C a = Panas jenis udara kering pada tekanan knstan T ae = Suhu keluar udara. T ai = Suhu masuk udara ω ai = Kelembaban abslut udara masuk h ve = Entalpi uap air dari udara keluar = Entalpi uap air dari uadara masuk h vi M evap h li Q lss = Laju penguapan dalam sistim = Entalpi air dari prduk yang masuk = Kerugian panas pada dinding dan kebcran udara Untuk sistim ini kerugian panas yang mencapai 20% dari ttal energi yang digunakan dianggap sebagai kerugian yang signifikan dan menurunkan efisiensi sistim. Memanfaatkan udara buang untuk digunakan kembali sebagai fluida kerja dapat menurunkan ngks perasinal, tetapi akan menaikkan kelembaban dalam sistim sehingga laju penguapan akan turun dan prses pengeringan tidak sempurna. Perhitungan yang akurat dan teknik yang tepat dibutuhkan untuk mendapatkan prses pengeringan yang sempurna dengan biaya perasinal yang tidak tinggi. 12
Referensi : 1. Batty, J. Clair, Steven L. Flkman, Fd Engineering Fundamentals, Jhn Wiley & Sns, New Yrk, 1983. 2. Incrpera, Frank P., David P. Dewitt, Fundamental f Heat and Mass Transfer, Jhn Wiley & Sns, Singapre, 1981. 13