BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan adalah pemisahan cairan dari suatu bahan padat yang lembab dengan cara menguapkan cairan tersebut dan membuang uap yang terbentuk. Proses ini memerlukan panas. Oleh karena itu disebut sebagai pengeringan termal. Setiap pengeringan termal ditandai dengan adanya perpindahan panas dan massa yang berlangsung secara bersamaan (Bernasconi dkk., 1995).
2.1
Perpindahan Panas pada Pengeringan
Koefisien perpindahan panas dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut:
NC
=
hC
λi
(TG − Ti )
(2.1)
Bila konveksi berperan, Ti = Tw dan λi = λw. NC Keterangan:
=
hC
λW
(TG − TW )
Nc
= laju penguapan (kg/m2.jam)
hc
= koefisien perpindahan panas total (kJ/jam.m2.K)
Ti
=
TG
= temperatur gas (K)
λi
= panas laten penguapan pada Ti (kJ/kmol)
Tw
= temperatur dinding (K)
λw
= panas laten penguapan pada Tw (kJ/kmol)
(2.2)
temperatur pada bidang antar muka (K)
Pertukaran panas dapat terjadi secara langsung ataupun tidak langsung. Kuantitas panas yang dibutuhkan untuk pengeringan terutama terdiri dari: a. panas pemanasan bahan hingga mencapai temperatur pengeringan, b. panas penguapan untuk mengubah cairan menjadi uap, dan c. panas hilang (rugi panas yang terbuang ke lingkungan). B.56.3.33
5
Panas yang diberikan ini tergantung pada: a. tahap proses pengeringan (dapat dengan cara konduksi, konveksi, atau radiasi tergantung lewat permukaan atau bagian dalam bahan), b. temperatur pengeringan (di bawah titik didih cairan yang akan diuapkan atau pada titik didihnya), dan c. cara pencatuan panas (konveksi, kontak, radiasi).
2.1.1
Pengeringan Konveksi
Pada pengeringan konveksi bahan yang akan dikeringkan dapat dikontakkan dengan udara panas dengan cara yang berbeda-beda, misalnya dengan pengaliran atas, pengaliran tembus, fluidisasi, penyeretan, dan penghamburan. Suatu pertukaran panas yang baik dapat dicapai bila antara udara panas dan bahan yang dikeringkan terdapat selisih kecepatan yang besar (Bernasconi dkk., 1995). Proses pengeringan dengan bahan yang digerakkan dapat dibagi ke dalam operasi aliran searah, aliran berlawanan, dan aliran menyilang. Pengeringan dengan aliran berlawanan lebih menguntungkan jika ditinjau dari segi penghematan panas, namun sebaliknya tidak begitu sesuai untuk bahan-bahan yang peka terhadap temperatur. Udara panas tidak hanya digunakan untuk memberikan panas, melainkan juga untuk menyerap dan mengeluarkan uap yang terbentuk. Oleh karena itu, pada saat memasuki alat pengering, udara harus sekering dan sepanas mungkin. Pengeringan konveksi dengan udara pada umumnya hanya dapat digunakan untuk bahan-bahan yang tidak peka terhadap pengaruh kimia (tidak teroksidasi, tidak dapat terbakar, tidak membentuk campuran yang dapat meledak). Penggunaan gas-gas inert sebagai pengganti udara jauh lebih mahal. Selain itu sukar untuk memperoleh kembali cairan organik melalui kondensasi uap.
2.1.2
Pengeringan Kontak
Panas yang dibutuhkan diberikan pada bahan dengan penghantaran panas tak langsung. Dalam hal ini bahan yang dikeringkan diletakkan pada permukaan yang telah dipanasi B.56.3.33
6
(misalnya dalam lemari pengering vakum atau alat pengering drum) atau dilewatkan melalui permukaan serupa satu kali ataupun berulang-ulang. Kombinasi pengeringan ini dengan pengeringan konveksi juga dimungkinkan, misalnya dalam alat pengering piring. Pengeringan kontak biasanya dilakukan dalam kondisi vakum. Pada tekanan yang rendah, titik didih cairan menjadi turun, sehingga bahan-bahan yang peka terhadap temperatur juga dapat dikeringkan. Pada pengeringan dengan kondisi vakum, uap yang terbentuk langsung terhisap ke luar tanpa bantuan gas pembawa. Salah satu jenis pengeringan kontak adalah pengeringan beku. Pada pengeringan ini bahan yang dikeringkan biasanya berupa larutan akuatik yang dibekukan terlebih dahulu. Setelah itu es dikeluarkan dengan proses sublimasi pada kondisi vakum dengan temperatur dibawah 0 oC. Pengeringan beku sesuai untuk pengeringan makanan dan produk farmasi yang sangat peka terhadap temperatur (Bernasconi dkk., 1995).
2.1.3
Pengeringan Radiasi
Panas yang diperlukan dipindahkan secara langsung sebagai radiasi inframerah dari suatu sumber panas ke bahan yang akan dikeringkan. Untuk memindahkan kuantitas panas yang besar, temperatur radiasi harus sangat tinggi (400 – 2000 oC ). Ditinjau dari bahan yang dikeringkan, penggunaan pengeringan radiasi menjadi sangat terbatas karena temperatur yang tinggi. Radiasi inframerah hanya dapat masuk ke dalam bahan dalam jumlah yang kecil. Oleh karena itu cara pengeringan ini hanya digunakan untuk lapisan tipis.
2.2
Perpindahan Massa pada Pengeringan
Koefisien perpindahan massa dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut: Nc B.56.3.33
= k G ( pi − pG ) M A
(2.3)
7
Keterangan:
Nc
= laju penguapan (kg/m2.jam)
kG
= koefisien perpindahan massa dari bidang antar muka ke fasa gas (kmol/jam.m2.atm)
2.2.1
pi
= tekanan parsial uap air pada bidang antar muka (atm)
pG
= tekanan parsial uap air pada fasa gas (atm)
MA
= berat molekul air (kg/kmol)
Kandungan Air dalam Bahan
Kandungan air dalam suatu bahan dapat dinyatakan atas dasar basah (%-berat) atau atas dasar kering, yaitu perbandingan jumlah air dengan jumlah bahan kering. Dasar basah:
x =
Dasar kering: X
=
x =
kg H 2 O × 100% kg H 2 O + kg bahan
kg H 2 O kg bahan
X 1+ X
× 100%
(2.4) (2.5)
(2.6)
Kandungan air dalam bahan dapat dibedakan menjadi empat, yaitu: a. Air bebas Air bebas adalah kandungan air atau jumlah air yang dikandung bahan di atas harga kandungan air kesetimbangan. Air bebas dapat dipisahkan dengan cara pengeringan. b. Air kesetimbangan Air kesetimbangan adalah kandungan air yang terjadi bila tekanan uap yang diberikan bahan sama dengan tekanan uap di udara sehingga tidak ada gaya dorong untuk perpindahan air (Utomo dan Parikesit, 1985). c. Air terikat Air terikat adalah kandungan air dalam bahan yang memberikan tekanan uap yang lebih rendah dari tekanan uap air murni pada temperatur yang sama. Pada operasi pengeringan, penguapan air terikat ditandai dengan laju pengeringan yang makin menurun. B.56.3.33
8
d. Air tak terikat Air tak terikat adalah kandungan air yang memberikan tekanan uap yang sama dengan tekanan uap air murni. Laju pengeringan air tak terikat ini adalah konstan. Perbatasan antara air terikat dengan air tak terikat disebut kandungan air kritik (Xk). Yang berperan dalam pengeringan adalah hubungan kesetimbangan air dalam bahan dengan uap air dalam gas (udara) pengering. Air yang berada dalam suatu bahan akan memberikan tekanan uap tertentu tergantung pada jumlah air dan sifat bahannya. Apabila bahan yang mengandung air dipertemukan dengan suatu aliran udara yang memiliki kondisi tertentu dan tetap, maka dapat terjadi hal-hal berikut: a. Bahan tidak mengalami perubahan kandungan air. Terjadi apabila tekanan uap yang diberikan bahan sama dengan tekanan udara (pA) sehingga tidak ada gaya dorong untuk perpindahan air. Kandungan air dalam bahan mencapai keadaan setimbang. Besarnya kandungan air kesetimbangan tetap selama kondisi udara tetap. Setiap bahan memiliki kandungan air kesetimbangan tersendiri. b. Kandungan air menurun. Terjadi karena penguapan, apabila tekanan uap air yang diberikan bahan lebih besar dari pA. Keadaan ini terus terjadi hingga tekanan uap yang diberikan bahan sama dengan pA. c. Kandungan air bertambah. Terjadi apabila tekanan uap yang diberikan bahan lebih kecil daripada tekanan uap di udara (pA). Keadaan ini terus terjadi hingga tekanan uap yang diberikan bahan sama dengan pA.
B.56.3.33
9
Gambar 2.1 berikut merupakan contoh kurva kandungan air dalam bahan pada temperatur tertentu.
Gambar 2.1 Kandungan air dalam bahan
Keterangan:
X0 = kandungan air mula-mula Xk = kandungan air kritik X* = kandungan air kesetimbangan
Cara pembacaan kurva adalah sebagai berikut: a. Bila mula-mula bahan mempunyai kandungan air Xk atau lebih besar, tekanan uap yang diberikan bahan sama dengan tekanan uap air jenuh pada temperatur yang sama. Bahan akan berada dalam kesetimbangan dengan udara hanya apabila udara dalam keadaan jenuh (YR = 1). b. Bila bahan mengandung air < Xk dipertemukan dengan udara jenuh (YR = 1), maka akan tercapai kesetimbangan dicapai setelah kandungan air bahan naik sampai Xk. c. Bahan dengan kandungan air > X2 dipertemukan dengan udara dengan YR = 0,5, kandungan air dalam bahan akan turun sampai X2 dan tercipta harga air kesetimbangan pada YR = 0,5. B.56.3.33
10
d. Kandungan air dalam bahan dapat turun lebih rendah lagi apabila dipertemukan dengan kelembaban relatif yang lebih rendah. Kandungan air lebih besar dari Xk memberikan tekanan uap yang sama dengan tekanan uap air murni, sedangkan kandungan air dalam bahan yang lebih rendah dari Xk akan memberikan tekanan uap yang lebih rendah dari tekanan uap jenuh air murni pada temperatur yang sama (Utomo dan Parikesit, 1985). Hal ini disebabkan oleh: a. keberadaan air dalam pori-pori bahan (kapiler), b. air berupa larutan (ada zat padat yang larut), dan c. adanya ikatan tertentu antara air dengan bahan (air terikat). Oleh karena keadaan cairan yang berbeda-beda untuk setiap bahan, maka waktu dan energi yang dikeluarkan dalam pengeringan berbeda untuk setiap bahan.
2.2.2
Laju Pengeringan
Laju pengeringan diperlukan untuk merencanakan jadwal (waktu) pengeringan dan untuk memperkirakan ukuran alat yang digunakan untuk pengeringan suatu bahan tertentu. Dalam kaitannya dengan hal ini, maka perlu diketahui berapa lama waktu yang diperlukan untuk mengeringkan suatu bahan dari suatu kandungan air tertentu sampai kandungan air yang lebih rendah, dan bagaimana pula pengaruh kondisi udara pengering terhadap waktu tersebut (Bernasconi dkk., 1995). Seperti halnya kandungan air kesetimbangan, laju pengeringan suatu bahan juga tidak dapat diramalkan, tetapi harus diamati dan ditentukan dengan percobaan. Percobaan pengeringan dilakukan dengan cara mengeringkan suatu bahan dengan kondisi (temperatur, kelembaban, dan laju alir) udara yang tetap. Berat bahan diamati pada tiap selang waktu tertentu. Dari data berat bahan pada berbagai waktu selama pengeringan dapat ditentukan laju pengeringan pada berbagai saat (Utomo dan Parikesit, 1985). Percobaan pengeringan ini dilangsungkan sampai bahan tidak lagi mengalami perubahan berat.
B.56.3.33
11
Laju pengeringan (N) didefinisikan sebagai jumlah air yang menguap per satuan waktu per satuan luas. N dihitung dengan mengevaluasi slope (gradien) garis W terhadap waktu. Secara matematik, persamaannya adalah sebagai berikut: N
= −
1 dW A dt
(2.7)
Keterangan: A = luas bidang yang mengalami pengeringan (m2) dan ditentukan secara arbitrary Kurva laju pengeringan seringkali terdiri dari periode pengeringan dengan laju tetap dan periode pengeringan dengan laju menurun (Geankoplis, 1993). Pada periode dengan laju tetap, cairan pada permukaan partikel menguap atau mengabut dengan cepat dan merata sehingga terjadi penurunan kelembaban di dalam partikel, dan cairan berpindah dari bagian dalam partikel ke permukaan dengan cara difusi. Periode pengeringan dengan laju menurun dimulai saat cairan yang berasal dari bagian dalam partikel tidak lagi cukup untuk membasahi permukaan. Cairan tersebut harus berdifusi dalam bentuk uap agar dapat menembus lapisan-lapisan bahan yang telah kering. Tahanan yang harus diatasi makin besar dan laju pengeringan menurun. Hal ini makin nyata bila diameter partikel (tebal lapisan) makin besar dan kapiler dalam partikel makin halus. Pada akhir proses pengeringan (laju pengeringan nol) seringkali masih tertinggal kelembaban sisa bahan yang dikeringkan. Gambar 2.2 berikut merupakan contoh kurva laju pengeringan.
Gambar 2.2 Kurva laju pengeringan
B.56.3.33
12
Mula-mula, setelah bahan berkontak dengan udara pengering, terjadi perubahan temperatur bahan padat sampai suatu harga yang mantap (steady). Ini digambarkan oleh bagian AB. Setelah keadaan mantap tercapai, laju pengeringan akan tetap untuk selang waktu tertentu (BC). Periode ini disebut periode pengeringan dengan laju tetap (constant rate periode). Air yang menguap adalah air tak terikat. Dapat dianggap bahwa bahan diselaputi cairan pada permukaannya sehingga penguapan seolah-olah berlangsung dari permukaan cairan. Pada periode ini temperatur bahan kira-kira sama dengan temperatur bola basah udara pengering. Ini berlaku apabila perpindahan panas dari udara ke bahan hanya berlangsung secara konveksi. Bila ada perpindahan panas secara radiasi dan konduksi, temperatur bahan sedikit lebih tinggi daripada temperatur bola basah udara pengering. Laju pengeringan pada periode ini ditentukan oleh laju difusi air dari permukaan bahan ke udara. Periode pengeringan dengan laju tetap ini berlangsung sampai kandungan air pada bahan mencapai kandungan air kritik (Xk). Setelah melewati Xk, laju pengeringan akan menurun terus sampai akhirnya berhenti (N = 0), yaitu pada saat tercapainya kandungan air kesetimbangan (X*). Daerah ini disebut periode pengeringan dengan laju menurun (falling rate periode). Air yang menguap pada periode ini adalah air yang terikat. Laju difusi air dari dalam bahan ke permukaan lebih kecil dibandingkan dengan laju difusi air dari permukaan ke udara. Untuk dapat melaksanakan kedua tahap di atas, terutama pada proses kontinu, lebih baik jika digunakan dua alat yang berbeda. Alat pengeringan awal yang memiliki waktu tinggal yang singkat dan bertemperatur tinggi, dan alat pengeringan kedua yang memiliki waktu tinggal yang lebih lama untuk mengeluarkan kelembaban kapiler. Tidak ada pengeringan yang dapat terjadi secara absolut. Oleh karena itu, proses pengeringan dihentikan setelah persyaratan mengenai kadar kelembaban akhir dalam bahan telah dipenuhi (Bernasconi dkk., 1995).
B.56.3.33
13
2.3
Unjuk Kerja Pengeringan
Proses pengeringan mengikuti hukum kuantitas yang diekspresikan melalui persamaan berikut: kuantitas gaya penggerak = waktu × luas tahanan
(2.8)
Cairan yang diuapkan per satuan waktu per satuan luas dapat dilihat sebagai ukuran untuk unjuk kerja pengeringan. Gaya pendorong pada pengeringan adalah perbedaan tekanan uap antara bahan yang lembab dan sekelilingnya (Bernasconi dkk., 1995). Gaya tersebut harus besar. Adapun syarat untuk memperoleh gaya pendorong tersebut, yaitu: a. Tekanan uap yang tinggi pada cairan yang berada dalam bahan lembab. Hal ini dapat dicapai dengan kondisi temperatur tinggi, yang tentunya dibatasi oleh ketahanan bahan yang dikeringkan terhadap temperatur pengeringan. b. Tekanan uap yang rendah pada sekeliling. Hal ini dapat dicapai pada pengeringan konveksi dengan memasukkan udara kering dalam jumlah besar secara terus-menerus. Pada pengeringan kontak diatur sedemikian rupa sehingga tercapai tekanan absolut yang sangat rendah. Permukaan bahan yang dikeringkan diusahakan seluas mungkin. Hal ini dapat dicapai dengan memperlebar bahan dalam bentuk lapisan tipis. Tahanan yang menghalangi penguapan cairan harus sekecil mungkin. Nilai tahanan ini tergantung pada keadaan bahan yang dikeringkan dan besarnya partikel. Dengan mengurangi ukuran partikel atau tebal lapisan, tahanan dapat diperkecil sehingga unjuk kerja pengeringan menjadi lebih tinggi. Pada pengeringan hasil-hasil alam, seringkali dilakukan penghancuran bahan yang akan dikeringkan agar cairan yang terkandung dalam sel-sel dapat keluar. Berdasarkan hal-hal tersebut, maka keadaan yang ideal untuk pengeringan, yaitu: a. Partikel yang sangat kecil atau lapisan yang tipis. b. Temperatur yang tinggi. c. Keadaan vakum yang baik. d. Menggoyangkan bahan yang dikeringkan, agar tejadi perpindahan panas dan massa yang baik. B.56.3.33
14
2.4
Pengeringan Bahan Pangan
Metode terkuno untuk mengawetkan bahan pangan adalah pengeringan (Troftgruben, 1977). Pengeringan merupakan pemrosesan bahan pangan di mana kandungan cairan (air) dihilangkan dari produk, sehingga keadaannya mendekati kesetimbangan dengan udara normal atmosferik. Fungsinya adalah untuk memperlambat laju degradasi kualitas bahan pangan yang disebabkan proses kimia dan biologi. Menurut Wikipedia, pengeringan bahan pangan didefinisikan sebagai proses perpindahan massa yang menghasilkan penghilangan kadar air. Seringkali juga pengeringan bahan pangan didefinisikan sebagai food dehydration, yaitu penghilangan kadar air dengan mensirkulasikan air panas untuk menghambat pertumbuhan enzim dan bakteri (Bell, 1994).
2.4.1
Tujuan Pengeringan Bahan Pangan
Tujuan pengeringan bahan pangan antara lain, yaitu: a. Mengawetkan bahan pangan. b. Mengurangi kadar air yang terkandung dalam bahan pangan. c. Memudahkan dalam hal transportasi, distribusi, dan penyimpanan. d. Mengurangi biaya transportasi, distribusi, dan penyimpanan. e. Memenuhi kebutuhan dan kepuasan konsumen.
2.4.2
Keuntungan Pengeringan Bahan Pangan
Beberapa keuntungan yang dapat diperoleh dari pengeringan, di antaranya: a. Bahan pangan lebih tahan lama. b. Tidak ada mikroorganisme yang mampu tumbuh dan berkembangbiak dalam bahan pangan. c. Nilai rasa dan kandungan gizi dari suatu bahan pangan meningkat. d. Bahan pangan yang dikeringkan akan memiliki berat yang lebih ringan jika dibandingkan dengan bahan pangan yang tidak dikeringkan. B.56.3.33
15
e. Bahan pangan menjadi lebih mudah disiapkan dan digunakan. f. Energi masukan yang dibutuhkan lebih sedikit jika dibandingkan dengan proses pengawetan lainnya (pendinginan, pengalengan, dll). g. Nutrisi yang terpengaruh akibat proses pengeringan sangat minimal.
2.4.3 Dasar-Dasar Pengeringan Bahan Pangan
Pengeringan merupakan metode konvensional yang digunakan secara luas untuk mengawetkan suatu bahan pangan. Dibandingkan dengan metode lainnya, pengeringan merupakan metode yang relatif lebih mudah. Bahan pangan yang telah dikeringkan akan tetap terjaga dengan baik karena kandungan cairan dalam bahan pangan sudah rendah, sehingga tidak memungkinkan pertumbuhan mikroorganisme (Troftgruben, 1977). Mikroorganisme akan terbunuh ketika temperatur internal bahan pangan mencapai temperatur 145 oF (Bell, 1994). Pengeringan juga menurunkan, bahkan menghilangkan aktivitas enzim yang menyebabkan bahan pangan, seperti buah-buahan menjadi masak, dan akhirnya busuk. Selain untuk pengawetan, metode pengeringan ini juga dapat meningkatkan varietas (jenis) bahan pangan dan meningkatkan kelezatan serta kandungan gizi dari bahan pangan itu sendiri (Troftgruben, 1977). Pengeringan bertujuan untuk menghilangkan kadar cairan yang berada dalam bahan pangan. Akibatnya, bahan pangan mengerut dan beratnya makin bekurang seiring berkurangnya kadar cairan dalam bahan pangan. Setelah proses pengeringan dilakukan, maka selanjutnya dilakukan proses pendinginan. Hal ini biasanya dilakukan untuk mencegah proses kondensasi. Tidak semua bahan pangan dapat diawetkan dengan cara dikeringkan. Pada umumnya, bahan pangan yang memiliki kandungan air dapat dikeringkan. Jenis bahan pangan tertentu dapat dikeringan menggunakan bantuan sinar matahari, oven, dan dehidrator makanan dengan menggunakan kombinasi yang tepat antara panas, kelembaban yang rendah, dan aliran udara. Berbagai macam cara untuk mengeringkan suatu bahan pangan, tergantung dari segi efisiensi dan faktor ekonomis (harga). Pengeringan bahan pangan dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan bantuan sinar matahari. Pengeringan bahan B.56.3.33
16
pangan dengan menggunakan bantuan sinar matahari ini merupakan cara yang mudah dan tidak membutuhkan biaya besar. Namun, untuk pengeringan dengan cara ini, hal yang perlu diperhatikan adalah kondisi temperatur lingkungan, kelembaban udara lingkungan, dan waktu pengeringan. Selain itu, ada juga cara pengeringan lain, yaitu dengan menggunakan alat pengering, seperti oven. Pengeringan dengan cara ini terlihat lebih praktis dan cepat, namun tidak ekonomis karena membutuhkan biaya dan energi yang besar (Troftgruben, 1977). Dalam proses pengeringan bahan pangan perlu diperhatikan beberapa hal, antara lain: a. Efek temperatur Dalam proses pengeringan bahan pangan, salah satu hal yang perlu diperhatikan adalah temperatur. Pada proses awal pengeringan, temperatur udara relatif tinggi, antara 110 – 130 °F untuk buah-buahan dan sayuran atau 140 – 150 °F untuk daging dan ikan, sehingga cairan dapat diuapkan secara cepat dari bahan pangan. Oleh karena makanan mengalami hilang panas selama proses evaporasi, maka temperatur udara dapat meningkat tanpa meningkatkan temperatur dari bahan pangan. Namun, segera setelah cairan dihilangkan (bagian luar bahan pangan terasa kering) dan laju penguapan menurun, maka bahan pangan menjadi panas. b. Efek kelembaban udara Efek lain yang mempengaruhi pengeringan bahan pangan adalah kelembaban. Makin tinggi temperatur dan makin rendah kelembaban udara, maka makin cepat pula proses pengeringan yang berlangsung. Udara yang lembab akan menurunkan evaporasi. Oleh karena itu, nilai kelembaban udara pada saat pengeringan perlu diatur. c. Efek dari jenis bahan pangan itu sendiri Faktor yang paling mudah diamati adalah ketebalan. Jenis bahan pangan yang makin tebal tentunya akan membuat proses pengeringan lebih sulit dilakukan jika dibandingkan dengan bahan pangan yang lebih tipis. Bahan pangan tertentu seperti sayuran perlu dijadikan pucat terlebih dahulu untuk mencegah penurunan rasa dan warna. Untuk bahan pangan yang memiliki luas penampang besar, sebaiknya diperkecil untuk memudahkan pengeringan. Hal ini dikarenakan makin besar luas penampang, maka pengeringan makin lama. B.56.3.33
17
2.4.4
Bahan Pangan yang Dapat Dikeringkan
Tidak semua jenis bahan pangan dapat dikeringkan. Hal ini disebabkan bahan pangan memiliki karakteristik masing-masing. Berbagai jenis bahan pangan (terutama sayuran) yang dapat dikeringkan dan pengaruhnya terhadap proses pengeringan dapat dilihat dalam Tabel 2.1. Tabel 2.1 Kemampuan sayuran untuk dikeringkan Vegetable Suitability For Drying Vegetable Suitability For Drying Artichokes Fair Okra Fair to good Asparagus Poor to fair Onions Good to excellent Beans, green Fair to good Parsley Good Beans, lima Fair Parsnips Good Beets Fair to good Peas Fair to good 1 Broccoli Not recommended Peppers, green or red Good Brussels sprouts Poor2 Peppers, chili Excellent Cabbage Fair Popcorn Good Carrots Good Potatoes Good Cauliflower Poor Pumpkins Fair to good Celery Poor Radishes Not recommended5 Collard greens Poor Rutabagas Fair to good Corn, sweet Good Spinach Poor Cucumbers Poor Squash, summer Poor to fair Eggplant Poor to fair Squash, winter Not recommended Garlic Good Sweet potatoes Fair Horseradish Good3 Swiss chard Poor Kale Poor Tomatoes Fair to good6 Kohlrabi Fair Turnips Fair to good Lettuce Not recommended4 Turnip greens Poor Mushrooms Good Yams Fair Mustard greens Poor Zucchini Poor to fair 1. Difficult to dry because of small size and layered leaves; strong flavor.2. Cabbage readily absorbs moisture from the air. Keeps well only if stored at extremely cold temperature. 3. Odor extremely strong during processing; place dryer outdoors or in basement area. 4. High water content; product will be undesirable for use. 5. Product would be of low quality. 6.Dried tomatoes re-absorb moisture readily which causes undesirable color and flavor changes; and shortens shelf life. Package tightly. Black color can develop because of oxidation.
(Sumber: www.healthgoods.com)
2.4.5
Jenis Pengeringan Bahan Pangan
Banyak sekali jenis pengeringan yang dapat dilakukan terhadap bahan pangan. Namun, bahan pangan merupakan bahan yang sensitif terhadap perubahan temperatur, terutama pada temperatur tinggi sehingga treatment yang dilakukan harus lebih berhati-hati. Beberapa jenis bahan pangan mudah mengalami kerusakan dan penurunan kualitas pada B.56.3.33
18
temperatur tinggi. Ada juga bahan pangan yang menjadi matang jika dioperasikan pada temperatur tinggi, seperti jagung. Untuk mengatasi masalah-masalah tersebut, maka operasi pengeringan dilakukan pada temperatur rendah dan tekanan di bawah satu atmosfer. Operasi pengeringan yang mungkin dilakukan dengan cara ini adalah metode freeze drying dan vacuum drying.
2.5
Pengeringan Beku (Freeze Drying)
Freeze drying merupakan cara khusus pengeringan yang menghilangkan semua kandungan cairan dan menjaga agar rasa makanan hanya mengalami sedikit efek perubahan dibandingkan dehidrasi normal pada umumnya. Dalam proses freeze drying ini, bahan pangan dibekukan dan ditempatkan dalam ruangan bertekanan vakum yang tinggi. Kandungan air dalam bahan pangan mengalami sublimasi, di mana keadaannya berubah dari padat (es) menjadi uap (Liapis dan Bruttini, 1995). Proses ini biasa digunakan untuk membuat kopi instan, es krim, dan juga dapat dilakukan pada buahbuahan seperti apel. Hal yang perlu diperhatikan adalah makin tipis bagian yang ingin di-freeze-drying, maka waktu yang diperlukan makin singkat pula. Keuntungan yang didapat dari proses freeze drying adalah bahan pangan menjadi tahan lama (bahkan bisa sampai bertahun-tahun) dan dapat dilakukan proses rekonstitusi. Proses rekonstitusi adalah keadaan di mana bahan pangan yang telah di-freeze-drying, dapat kembali ke bentuk semula dengan menggunakan air panas. Untuk sayur-sayuran, proses rekonstitusi akan menghasilkan rasa dan tekstur yang sama dengan keadaan aslinya. Inilah yang menyebabkan proses freeze drying menjadi salah satu cara pengawetan bahan pangan yang populer. Salah satu contoh proses rekonstitusi ditunjukkan oleh Gambar 2.3 berikut.
B.56.3.33
19
Gambar 2.3 Proses rekonstitusi pada freeze drying
Bahan pangan yang telah di-freeze-drying akan menjadi tahan lama karena metode freeze drying menghilangkan kandungan air dalam bahan pangan sehingga dapat mencegah terjadinya perusakan bahan pangan oleh mikroorganisme dan enzim (Menyhart, 1995). Keuntungan lain yang didapat dari proses freeze drying ini adalah mengurangi berat total dari bahan pangan. Hal ini tentunya akan memudahkan dalam proses transportasi, sehingga banyak digunakan oleh kelompok militer dan mereka yang melakukan kegiatan berkemah. Proses freeze drying juga banyak dilakukan untuk kepentingan farmasi. Secara umum, freeze drying merupakan proses evaporasi kadar air ke udara secara langsung dalam keadaan dingin. Proses evaporasi yang terjadi dalam freeze drying tidak dapat menghilangkan kandungan air sepenuhnya, kira-kira hanya 90 – 95% air yang dapat dihilangkan. Ini menandakan aktivitas bakteri dan enzim tidak sepenuhnya dapat dihentikan. Panas yang terlibat dalam proses evaporasi akan mengubah bentuk, tekstur, dan komposisi dari material (bahan pangan). Oleh karena itu, proses freeze drying diaplikasikan tanpa menggunakan panas untuk evaporasi. Sebagai gantinya, proses freeze drying akan
B.56.3.33
20
mengkonversi secara langsung air padat (es) menjadi uap air (sublimasi). Proses sublimasi yang terjadi ini sangat dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur proses (Liapis dan Bruttini, 1995).
Kelemahan dari proses freeze drying adalah tidak dapat menggunakan sembarang alat, melainkan membutuhkan seperangkat alat yang dapat beroperasi pada tekanan sangat vakum. Peralatan seperti ini tentunya berharga sangat mahal. Proses yang terjadi pada freeze drying adalah pembekuan bahan yang dilanjutkan dengan penurunan tekanan dan kenaikan temperatur sehingga terjadi sublimasi. Tekanan yang digunakan pada operasi ini adalah tekanan dibawah 0,006 atm (di bawah titik triple air). Titik triple air ditunjukkan pada Gambar 2.4 berikut.
Gambar 2.4 Triple point air
2.6
Pengeringan Vakum (Vacuum Drying)
Pengeringan vakum merupakan salah satu metode pengeringan sederhana, yaitu proses yang mengubah moisture dari keadaan cair menjadi uap. Dalam hal ini, moisture yang dimaksud adalah air yang berada di dalam bahan yang akan dikeringkan. Dengan menggunakan metode ini, sumber panas tidak boleh bersentuhan langsung dengan bahan yang akan dikeringkan atau seringkali disebut dengan indirect-heat drying. Hal ini disebabkan untuk mencegah kelebihan pemanasan dan hangus.
B.56.3.33
21
Gambar 2.5 Diagram fasa air
Perbandingan unjuk kerja freeze drying dan vacuum drying dapat dilihat melalui diagram fasa air pada Gambar 2.5. Gambar tersebut memperlihatkan bahwa pengeringan vakum bekerja pada tekanan di atas 4,6 torr (di atas triple point dari air), di mana terjadi perubahan fasa cair menjadi uap seiring dengan kenaikan temperatur. Berbeda dengan pengeringan dengan metode freeze drying, yaitu terjadi perubahan dari fasa padat menjadi fasa uap, atau disebut proses sublimasi (Liapis dan Bruttini, 1995). Sistem pengeringan vakum menggunakan panas dan kondisi vakum untuk memindahkan moisture dari komponen rasa. Pengeringan ini baik untuk digunakan pada matriks rasa yang mengandung banyak asam amino dan protein. Sistem vakum juga berkontribusi pada rasa akhir dan pembentukan warna. Peralatan pengeringan vakum biasanya memindahkan air atau memindahkan dan mengganti solvent dari material yang lembab. Peralatannya disebut sebagai dryer. Peralatan ini terkadang digunakan untuk mengubah molekul material dan sifat fisik kimia (perubahan fasa) terutama untuk operasi seperti reaksi kimia dan polimer. Operasi pengeringan vakum sederhana dilakukan secara berkala (batch).
B.56.3.33
22
Prinsip dasar dari metode ini adalah menurunkan tekanan di dalam dryer hingga keadaan vakum sehingga menurunkan titik didih moisture. Oleh karena terjadi perbedaan temperatur dan konsentrasi antara air yang berada dalam bahan dengan lingkungan (dalam hal ini oven vakum), maka air yang berada dalam bahan akan menguap. Uap yang terbentuk akan terhisap keluar sehingga uap air yang berada dalam oven tidak akan jenuh. Untuk lebih jelas mengenai proses pengeringan, dapat dilihat pada Gambar 2.6. Pada pengeringan vakum dibutuhkan desain sistem tertutup. Sistem tertutup ini berguna untuk mencapai dan mempertahankan tekanan yang berada di dalam dryer serta bermanfaat pada proses pengeringan bahan kimia yang berbahaya.
Gambar 2.6 Proses pengeringan
Proses pengeringan terjadi secara termal, tidak melibatkan pemisahan cairan dari bahan dengan cara mekanik seperti pada filtrasi dan sentrifugasi. Pada proses ini juga terjadi perpindahan panas secara konduksi. Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut: Q Keterangan : Q
= U A ΔT
(2.9)
= panas total (BTU)
U
= koefisien perpindahan massa overall (ft2/ oF)
A
= luas permukaan perpindahan panas (ft2)
ΔT = perbedaan temperatur antara titik didih cairan (temperatur penguapan) dengan temperatur media pemanas Tujuan dari proses pengeringan ini adalah memperoleh perpindahan panas efektif dari bahan sehingga kandungan cairan dapat diuapkan. Koefisien perpindahan massa overall B.56.3.33
23
(U) dan luas permukaan perpindahan panas (A) ditentukan oleh sifat material dan jenis dryer yang digunakan. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan panas total (Q), maka harus dilakukan manipulasi ΔT. Dengan mengontrol tekanan, vacuum dryer meningkatkan ΔT efektif pada proses. Vacuum drying menurunkan titik didih atau temperatur uap yang dibutuhkan untuk memindahkan cairan. Pengontrolan tekanan dan panas yang dimasukkan ke dryer dapat meningkatkan ΔT efektif dan mengeringkan bahan dapat lebih cepat daripada saat tekanan atmosfer. Contoh produk yang menggunakan pengeringan vakum adalah makanan, vitamin, antibiotik, dan bahan kimia lainnya. Adapun kelebihan dari pengeringan vakum, yaitu: a. Waktu pengeringan lebih singkat daripada pengeringan dengan kondisi atmosferik. b. Dapat digunakan untuk bahan yang memiliki karakteristik sebagai berikut: •
Sensitif terhadap temperatur
•
Mudah terdegradasi pada temperatur tinggi
•
Membutuhkan waktu/siklus pengeringan yang lama
c. Peralatan yang dibutuhkan untuk pengeringan vakum tidak semahal peralatan yang dibutuhkan pada pengeringan beku. d. Menghemat energi Pengeringan pada temperatur yang lebih rendah menurunkan konsumsi energi. e. Melindungi pekerja Sistem pengeringan ini merupakan sistem tertutup sehingga sehingga material yang berbahaya dan uap tidak dibebaskan ke udara sekitar. Batasan-batasan dalam penggunaan pengeringan vakum adalah sebagai berikut: a. Kuantitas bahan yang dikeringkan tidak terlalu banyak b. Kecepatan pemanasan lebih lama dibandingkan direct heating
B.56.3.33
24
