PENENTUAN NILAI KONDUKTIVITAS PANAS DAN PERMEABILITAS UAP AIR PADA LAPISAN KERING DAGING SAPI GILING SELAMA PROSES PENGERINGAN BEKU Determination of Thermal Conductivity and Water Vapour Permeability Within the Dried Layer of Minched Beef During Freeze Drying Mukti Widodo 1 dan Armansyah H. Tambunan 2
ABSTRACT
Freeze drying has had a gr2at impact upon the the production of dehydrated food because of the superior quality of the product obtained. However, the process is only feasible if the cost of production can be lowered by optimum plant operations. This requires not only a good engineering design and control to minimize the drying time, but also detail knowledge on the transport properties of material to be dried and its characteristic behavior during freeze drying. The objective of this study was to determine thermal conductivity and permeability within the dried layer of minched beef during freeze drying. Effects of freezing rate of freezing process on tthe drying time were not appearred definitely under experimental condition. The drying time was found to be depended mainly on the heater plate and external coldtrap temperature. The drying time decreased with increasing heater plate temperature and decreasing external coldtrap temperature. Effects of freezing rate of the dried layer on thermal conductivity were not appearred definitely under experimental condition. The average of thermal conductivity with in 4.62 O. 79 em/hour range of freezing rate was assessed to be 0.0563 W/mK. The permeability increased with decreasing freezing rate of freezing process. Water vapor permeability value found in this study was range at 0.0013 - 0.0024 m2 /second. PENDAHULUAN Oaging sapi giling merupakan salah satu hahan pangan yang hanyak dibutuhkan sebagai hahan pembuat jenis makanan tertentu. Pada kondisi normal daging sapi giling, akan mengalami kerusakan atau penurunan mutu. Pengeringan merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk mengawetkan daging. Akan tetapi penggunaan suhu yang terlalu tinggi dalam pengeringan akan menyehabkan kerusakan produk. Pengeringan beku merupakan suatu cara pengeringan yang dapat menghasilkan produk kering hermutu tinggi. Agar penerapan pengeringan beku layak secara ekonomis, maka hiaya operasi harus ditekan serendah mungkin dengan optimalisasi proses. Optimalisasi proses memhutuhkan tidak hanya disain dan sistem kendali yang baik untuk meminimumkan waktu pengeringan, tetapi juga pengetahuan tentang sifat transpor hahan. Sifat transpor adalah sifat perpinda-
han panas dan massa suatu bahan, diantaranya adalah konduktivitas panas dan permeabilitas uap airnya. Sehingga pengukuran konduktivitas panas dan permeabilitas daging sapi selama pengeringan beku merupakan informasi yang diperlukan untuk optimalisasi proses. Tujuan penelitian ini adalah menentukan nilai konduktivittas panas dan permeabilitas uap air pada lapisan kering daging sapi giling selama proses pengeringan beku pada berbagai laju pembekuan dan membandingkan karakteristik pengeringan heku pada herbagai laju pembekuan. BAHAN DAN METODA Bahan dan Alat Bahan dan alat yang digunakan pada penelitian ini adalah : (1) daging sapi giling, 1
Alumnus Jurusan Mekanisasi Pcrtanian IPIl. Tahun 1995
2
Star Pcngajar Jurusan Mckanisasi I'crtanian II'Il
52
(2) wadah eontoh berbentuk siIwder satu alas berdiameter 5.3 em dan tinggi 1 em, (3) termokopel CC (Copper Constantant) tipe T, (4) gabus insulasi siIinder satu alas berdiameter 9 em dan tinggi 5 em, (5) perekam data berupa perangkat NEC, (6) mUltiplexer/ ADC berupa Green kit 88 dan (7) alat pengering beku "KYOWA" tipe RL50 MBW (5).
Pada Gambar 1a dan 1b ditunjukkan model pengeringan beku dan irisan wadah eontoh yang digunakan pada penelitian. Persamaan yang digunakan untuk menghitung laju pindah panas yang melalui lapisan kering bahan pada proses sublimasi
I
. DAERAH ES
r- LAPISAN KERING (
Metoda Penelitian
PERMUKAAN
Tiga eontoh daging sapi giling dengan ketebalan 1 em dibekukan pada kondisi laju pembekuan yang berbeda. Pada proses sublimasi tekanan yang diberikan pada ruang pengeringan adalah 13.3 Pa. Sedangkan suhu kontrol permukaan sublimasinya (Ps) adalah 40°C.
PINDAH PANAS
-
INSULASI
q
PINDAH MASSA
p.fllihan
Pengolahan Data Pada penelitian ini perhitungan fraksi air yang tersisa dalam bahan pada saat t didekati dengan persamaan berikut : m-m II III X=---m 10 -mIn
Gamhar 1a. Model pengering heku untuk analisa sifat transpor (1)
Pergerakan daerah lapisan kering pada bahan selama proses sublimasi dinyatakan dengan persamaan sebagai fungsi waktu (Sagara, 1984). x(t)
=
(l - X) I
(2) /
Persamaan untuk menyatakan aliran massa pada proses sublimasi bahan adalah sebagai berikut (Sagara, 1984) :
KMw
/
rn=---
(3)
R r.rx(t)
"/
Laju pindah massa dapat juga dihuhungkan dengan laju pengeringan dengan persamaan herikut (Sagara, 1984) :
dX
m
= P 1(-) W
dt
/
,I ,/ "
-/
"I
,
"
,
~; I
I'
/
"
(4) Gambar lb. lrisan wadah digunakan
eontoh
yang
53
Dari hasil penelitian didapatkan 3 contoh dengan laju pembekuan yang berbeda, yaitu masing-masing 64.62 cm/jam, 1.82 cm/jam dan 0.79 cm/jam. Ketiganya masing-masing tergolong ke dalam laju pemhekuan cepat, lamhat dan lambat. Laju pemhekuan 4.62 cm/jam didapatkan dengan menyentuhkan contoh ke plat pembeku. Se-
disisipkan bahan isolator plastik dengan ketebalan 2 mm. Kemudian untuk laju pembekuan Q.79 cm/jam didapatkan dengan memeberikan jarak antara contoh dengan plat pembeku sekitar 3 mm. Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa proses sublimasi pada dasarnya dapat diklasifikasikan menjadi dua perioda. yaitu kondisi aliran tidak mantap (unsteady state) dan kondisi ali ran mantap (steady state). Kondisi aliran tidak mantap dimulai pada awal proses pengeringan hingga saat gradien suhu pada permukaan hahan pertama kali meneapai suhu kontrol permukaan sublimasi (T ). Kondisi aliran mantap dimulai pada saat berakhirnya kondisi aliran tidak mantap sampai herakhirnya proses suhlimasi. Kondisi aliran mantap ditandai dengan gradien suhu pada permukaan contoh yang konstan pada suhu kontrol permukaan suhlimasi (T). Dari hasil penelitian ditunjukan adanya perhedaan waktu pada masing-masing contoh. Pada Gamhar 2 dapat dilihat juga hahwa gradien suhu pada bagian tengah contoh akan herangsur naik seiring dengan naiknya gradien suhu pada permukaan bahan. Keherhasilan proses suhlimasi dapat dilihat dari karakteristik suhu pada bagian tengah bahan. Apabila gradien suhu pada hagian tengah hahan sudah meneapai Qoe sementara pada saat bersamaan gradien pada permukaan contoh belum mencapai kondisi ali ran mantap, maka proses sublimasi tidak herhasil atau terjadi pencairan lapisan heku contoh yang disehut Collapse. Sedangkan gradien suhu pada dasar contoh beberapa saat lamanya akan konstan sehelum naik menuju suhu kontrol permukaan sublimasi (T). Suhu pada saat keadaan gradien konstim inilah yang dinamakan suhu kesetimbangan pada saat beku (T f ). Penurunan massa dan fraksi air tersisa dalam bahan dapat dilihat masing-masing pada Gamhar 3 dan 4. Massa dan fraksi air tersisa dalam bahan akan menurun secara tajam sampai saat sublimasi belum herlangsung setengahnya, dan kemudian penurunannya relatif landai sampai konstan. Fraksi air tersisa dalam hahan menggamharkan kandungan air hehas dalam hahan yang
dangkan lInlllk laju pcmhckllan 1.82 cm/jam
hclllm disuhlimasikan pada saar
adalah sebagai berikut (Massey dan Sunderland (1967) dalam Sagara. 1984) : q
=-~
(T -T ) -
X(/)
S
m
ITS C Tf
I
dT
(5)
P
Laju pindah panas pada lapisan kering dapat juga dinyatakan sebagai berikut:
(6)
q=mAH
Dari rumus-rumus di atas dapat diturunkan persamaan yang menunjukan nilai konduktivitas : A
= O!
r
/2 (t. H +
w
Ts
reliT) J Tf P
(7)
dimana: dX (1 - X) ( - - )
dl O! = - - - - - - - -
(8)
Sedangkan permeabilitas dapat dinyatakan dengan persamaan herikut : K=.P
fw P
(9)
R
dimana: dX (l-X) (- - )
dt
.lJ = - - - - - - (Ps
-
(10)
P)
HASIL DAN PEMBAHASAN
didapatkan dengan menyentuhkan bahan dengan plat pemheku, tetapi diantara keduanya
Icrlenlu.
54
r-------------------------------
150
,......
100
lfl
::J
lJ)
-
50
Q)
U I...J
0
:;)
I :;)
VJ
-50
--------------------------------------.... PEr··'oJI.XA-..N eAH6..N
+TENGAH BA.HA.N
*1l4.5AR B"HI
. . PEAANGt::AP 01 NG I N LU4.R
~PL"T PE"''''''S AADIASI
_100L-------L-----------------------------------L-----~
o
50
100
300
250
200
150
350
400
WAKTU SU8LIMASI ( menit )
Gambar 2. Karakteristik gradien suhu eontoh pada saat sublimasi dengan laju pemhekuan 1.82 em/jam
7 r-------,--------------------------------------,-------.25 f"""'\
--lAwU PENGERINGAN
~
~6
+
MASSA BAHAN
---------------------------------20
'"
-------------------------
.g,s
(
~
~
.><
'"~"1
c6
,-
:;:) (/)
x
'-'3
-------~c ~
~
« CD
~2 UJ
a. 1
3o~-----------------------------------------------------=~o o
50
100
150
WAKTU
:200
:250
SU8L I MAS I
300
350
.,00
.,50
500
C men I t )
Gambar 3. Penurunan massa dan laju pengeringan eontoh dengan laju pemhekuan 4.62 em/jam
55
1
21~'-r1--------------------------------------~12 ~FRAI:SI ;',IR TERSISA +TEB;',L L,A,PIS';" KERING
E
~
~ 1 O~~----------------------~------~++++tti-1 0 ~,
i
08
--~.=~-------------'
0,6
--------
~ ~
O
iJ5
----
-------------------- 0
6
w
~
65 ~
0,4
-~-------------------- 0 4 ~
--------
'.~_
4:
~
-------------~------------ 0,2
&
~
~
CiS w ~
o,~~------------------------------~::~~~--jo o
100
50
150
250
200
300
350
0
400
WAKTU SUBLIMASI C menit )
Gambar 4. Pergerakan lapisan kering dan fraksi air tersisa dalam bahan selama proses sublimasi eontoh dengan laju pemhekuan 1.82 em/jam.
~1T~
LA.JU
PEMBEKU ....
N
-"',152 ern/Jam +1,82 crrVJaJn *0.79 cnvJ&m
0,8'--T--- ----------------
~o
6
~
--~.
------------------
~
0 0 ,2
'"'
o,o~~~~ o
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
WAI:TU SU8LlMASI C rnQnft )
Gambar 5. Sebaran nilai konduktivitas panas selama proses suhlimasi
56
lumlah keseluruhan kandungan air bebas pada bahan dapat dicari dari selisih massa awal bahan dan massa kering bahan pada akhir proses sublimasi. Proses sublimasi pada suatu bahan dianggap selesai bila bahan tersebut sudah tidak memiliki kandungan air bebas yang ditandai dengan tidak adanya penurunan massa bahan. Pergerakan lapisan kering pada bahan berbanding lurus dengan jumlah fraksi air bebas yang dilepaskan dari bahan. Sehingga pada saat tidak ada pelepasan air bebas dari bahan maka pergerakan lapisan kering telah mencapai dasar bahan. Pada Gambar 3 ditunjukkan hubungan penurunan massa bahan dengan laju pengeringan selama proses sublimasi. Besarnya laju pengeringan sebanding dengan jumlah penurunan massa bahan pada saat tertentu. Laju pengeringan meningkat sampai suhu pada permukaan eontoh mencapai suhu kontrol permukaan sublimasi (T). Setelah mencapai nilai maksimum. selahjutnya menurun seeara perlahan sampai meneapai nilai no\. Dari hasil penelitian tidak dapat hubungan yang pasti an tara laju pemhekuan dengan waktu yang dibutuhkan untuk proses sublimasi. Sedangkan untuk suhu perangkap dingain luar. besarnya mempengaruhi laju perpindahan massa selama proses suhlimasi. Semakin rendah suhu perangkap dingin luar akan semakin mempercepat waktu sublimasi. Hal ini dikarenakan semakin rendah suhu perangkap dingin luar. semakin besar pula kemampuan untuk mengembunkan uap air hasil suhlimasi. Hubungan lain yang didapatkan adalah semakin tinggi suhu plat pemanas semakin eepat pula proses sublimasi berlangsung. Seharan nilai konduktivitas panas selama proses pengeringan sublimasi dapat dilihat pada Gambar 5. Seharan nilai konduktivitas panas tersehut meliputi kondisi aliran tidak mantap dan kondisi aliran man tap . Sementara itu hubungan nilai konduktivitas panas dan suhu bahan dapat dilihat pada Gamhar 6. Dari Gamhar 6 dapat dilihat hahwa konduktivitas panas suatu hahan akan menurun dengan meningkatnya suhu hahan. Nilai konduktivitas selama proses sekitar 0.05 - 0.07 W /mK pada suhu 40°C. Selama itu konduktivitas panas lapisan kering tiap-tiap eonttoh adalah 0.0499
W /mK. 0.0686 W /mK dan 0.0503 W /mK. Hubungan antara konduktivitas panas lapisan kering dan laju pembekuan tidak tampak pada penelitian ini. Nilai rata-rata konduktivitas lapisan kering adalah 0.0563 W/mK. Sebaran nilai permeahilitas selama proses sublimasi dapat dilihat pada Gamhar 7. Nilai permeabilitas ini meliputi nilai pada kondisi aliran tidak manttap dan ali ran mantap. Nilai permeabilitas lapisan kering tiap-tiap eontoh adalah 0.0013 m'!/detik. 0.0018 m2 /detik dan 0.0024 m2 /detik herturut-turut untuk eontoh dengan laju pemhekuan 4.62 em/jam. 1.82 em/jam dan 0.79 em/jam. Nilai permeabilitas lapisan kering diperoleh dari rata-rata nilai permeahilitas pada kondisi ali ran mantap. Dari hasil penelitian terlihat adanya huhungan yang herhanding terhalik antara permeahilitas dengan laju pemhekuan.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Nilai konduktivitas panas dan permeahilitas uap air pada lapisan kering adalah 0.0499 W/mK dan 0.0013 m'!/detik. 0.0686 W/mK dan 0.0018 m.!/detik. serta 0.0503 W/mK dan 0.0024m.!/detik, masing-masing untuk eontoh dengan laju pembekuan 4.62 cm/jam, 1.82 em/jam dan 0.79 cm/jam. 2. Dari hasil penelitian tidak tampak huhungan antara laju pembekuan dengan nilai konduktivitas panas lapisan kering daging sapi giling. Sementara itu semakin eepat laju pemhekuan akan cenderung menurunkan nilai permeabilitas lapisan kering daging sapi giling. Saran Laju pembekuan sedang sehaiknya juga didapatkan untuk melihat pengaruh laju pembekuan terhadap nilai konduktivitas dan permeabilitas. Kemudian untuk menghindari tluktuasi suhu permukaan hahan pada kondisi aliran manttap penyangga termokopel sehaiknya dihuat dari hahan isolator.
57
0.0.------------------------------------------------------,
o~----------------------------------------------------~
-20
-15
-10
o
-5
5
10
15
20
25
30
35
40
SUHU BAHAN ( celelus )
LAJU PEI\1BEKUAN ....... 0 . 79 em! jam
+ 4 .62
em! j am
*
1 . 82 em! j am
Gambar 6. Hubungan konduktivitas dan suhu bahan selama sublimasi
10r----------------------,--------. -- 4 62 em! Jam
"-
~
8
---------
-----
+182 em/jam
*"
''7" ~
0.79 em! J6m
~x
o~~~----------------~-X~~~~
o
50
100
150
200
250
300
'N1o.I(TU SUBL 1"¥oSI (
3:;0
400
450
SOD
men i t )
Gambar 7. Sebaran nilai permeabilitas selama proses sublimasi
58
Tabel 1.
Data-data hasil penelitian pengeringan beku daging sapi giling·)
Data-data Laju pemhekuan (cm/jam) Waktu suhlimasi (menit) Lama aliran tak l11antap (l11enit) Lama aliran mantap (l11enit) Suhu rata-rata lapisan kering ("C) Suhu kesetil11hangan lapisan heku ("C) Suhu rata-rata perangkap dingin luar ee) * selama proses suhlil11asi * selal11a aliran mantap Suhu rata-rata plat pemanas radiasi ("C) * selal11a proses suhlil11asi * selamH aliran l11antap Ketehalan awal (cm) Massa awal (g) Massa akhir (g) Densitas awal (g/Cl11~) Densitas akhir (g/cm~) Kandungan air hehas (g) Konduktivitas lapisan kering (W/mK) Permeahilitas lapisan kering (m 2/detik)
eontoh I
eontoh "
C ontoh '"
4.62 500 310 190 40.62 -20
I.lQ
0.79 450 195 255 39.60 -25
405 220 IX5 40.60 -20
-3R.66 -33.76
-42.94
90.73 76.94 1.0 20.36 6.19 0.921 0.2XO 14.17 0.0499 0.0013
95 ..16 XI.X5
" Pad a kOIldisi tekanan ruang 13.3 Pa dan suhu suhlil11asi 40"C
-44.9~
-42.X6 -44.55 XX.J 1
1.0
X 1.03 1.0
21.7:' 5.51 O.9X:' 0.249 16.22 0.06XII 0.001 X
21.91 5.90 0.991 0.267 16.01 0.0503 0.0024
r DAFTAR PUSTTAKA 1. Buckle, K.A., R.A. Edwars, G.H. Flee dan M. Wooton. 1985. Ilmu Pangan. Terjemahan Hari Purnomo dan Adiono. UI-Press, Jakarta. 2. Cotson, S. dan D.B. Smith. 1963. Freeze Drying of Food Stuffs. Columbine Press Ltd., Manchester.
11.
King, c.l. 1971. Freeze Drying of Food. CRC, The Chemical Ruhher Co., Cleveland-Ohio.
12.
Slade, F.H. 1967. Food Processing Plantation. Leonard Hills Books, London.
13.
Sagara, Y. 1984. Freeze drying characteristic and transpor properties in concentrated coffee solution system. Proceedings of Fourth International Drying Symposium, 2. 443-450.
3. Desroiser, N.W.
1988. Teknologi Pengawetan Pangan (The Technology of Food Preservation). Diterjemahkan oleh M. Muljoharjo. UIPress, Jakarta.
14.
4. Fellows, P.J. 1990. Food Processing Technology : Principle and Practice. Ellis Horwood. 5. Fennema, o.R.. M. Karel dan D.B. Lund. 1975. Principles of Fond Science Part II. Physical Principles of Food Preservation. Marcel Dekker Inc., New York.
6. Gaman,
P.M. and K.B. Sherrington. 1981. The Science Food, An Introduction to Food Science, Nutrition and Microbiology. Pergamon Press pic.
7. Harper, J.C., C.O. Chichester and T.E. Roberts. 1962. Freeze drying of food : Dielectric heating applied to dehydrated food production. Journal of Agricultural Engineering, February, 78-90. 8. Heldman, D.R. and R.P. Singh. 1981. Rekayasa Proses Pangan (Food Processing Engineering). Diterjemahkan oleh M.A. Wirakartakusumah. Penerbit Pusa Antar Universitas Pangan dan Gizi IPB, Bogor. 9.lIyas, S. 1993. Teknologi Refrigerasi Hasil Perikanan. Penerbit Paripurna, Jakarta. 10.
Kamil, S. 1983. Termodinamika dan Pindah Panas. Melton Putra, Jakarta.
Wirakartakusumah, M.A .. D. Hermanianto dan N. Andarwulan. 1989. Prinsip Teknik Pangan. Pusat Antar Universitas Pang an dan Gizi IPB, Bogor.
DAFTAR SIMBOL Cp K 1 Mw Tf m
: panas spesifik uap air (J/kg K) : permeahilitas bahan (m 2 /detik) : tehal awal hahan (m) : berat molekul air (kg/Mol) : suhu setimbang heku (K) : laju pindah massa/laju pengeringan bahan (kg/detik) mt : massa hahan terukur pada akhir pengen ringan (kg) mit : massa bahan terukur pada saat t (kg) mt : massa hahan terukur pada awal pengeo ringan (kg) Pf : tekanan keseimbangan dalam hentuk es (Pa) Ps : tekanan pada permukaan bahan kering heku (Pa) t : waktu (detik) q : laju pindah panas (J/detik) R : tetapan universal gas (Jm/kg Mol) suhu pada permukaan bahan (K) h : fraksi air tersisa dalam bahan (.) x(t) : tebal lapisan kering saat t (m) a : nilai rata-rata sifat pindah panas per perioda 13 : nilai rata-rata sitat pindah massa per perioda H : panas laten sublimasi (J/kg) : kondukttivittas panas (W /mK) f : massa jenis air dalam bentuk es w (kg/m3)
:.s :
60
.
