PERANCANGAN PABRIK: PERCOBAAN PILOT PLANT
Dr. Ir. Susinggih Wijana, MS. Lab. Bioindustri, Jur Teknologi Industri Pertanian Universitas Brawijaya Email :
[email protected]
1. PENDAHULUAN - Pengantar - Tujuan
3. APLIKASI DAN DESAIN 4. SCALE UP
2. UKURAN DAN STRUKTUR PILOT PLANT
MODUL
5
Minggu 5 1.1 Pengantar Pilot plant adalah suatu sistem pemprosesan dalam skala kecil yang dioperasikan untuk menghasilkan informasi mengenai perilaku sistem yang digunakan dalam perancangan fasilitas-fasilitas skala besar. Pilot plant digunakan untuk mengurangi resiko terkait dengan konstruksi dari proses skala besar. Keuntungan pembuatan pilot plant pada hakekatnya lebih murah untuk dibangun dibanding proses skala besar. Bisnis itu tidak mengorbankan banyak modal dalam risiko di suatu proyek yang mungkin tidak efisien. Untuk lebih lanjutnya, perubahan desain dapat dibuat lebih murah di skala pilot dan titik temu di dalam proses dapat direncanakan sebelum pabrik skala besar dibangun. Keuntungan lain dari pembuatan pilot plant yaitu menyediakan data yang berharga untuk perancangan pabrik skala penuh. Data ilmiah misalnya tentang reaksi-reaksi, bahan material, korosivitas, bisa tersedia, tetapi sulit untuk memperkirakan perilaku dari suatu proses dengan banyak kompleksitas. Para perancang menggunakan data dari pilot plant untuk memperhalus rancangan fasilitas skala produksi mereka.
1.2 Tujuan a. Memberikan informasi mengenai cara mendesain pilot plant b. Memberikan informasi mengenai cara peningkatan skala (scale up)
SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT (SPEED)
1. PENDAHULUAN
Perancangan Pabrik/ Percobaan Pilot Plant
Brawijaya University
2012
2. UKURAN DAN STRUKTUR PILOT PLANT Pabrik percontohan (pilot plant) adalah unit kecil yang dirancang agar dapat digunakan untuk melakukan berbagai eksperimen untuk mendapatkan data bagi perancangan unit-unit yang lebih besar. Skala pilot plant ini merupakan scale up awal dari skala bench yang tujuannya adalah untuk memastikan operasibilitas proses baru yang data-data awalnya sudah diperoleh dari bench scale. a. Prinsip Pembuatan Skala Dalam pembuatan skala perlu memperhatikan kriteria untuk menentukan ukuran dan bentuk pilot plant. Penentuan skala ini memperhatikan prinsip kesamaan yang telah diformulasikan oleh Newton. Contohnya apabila dalam pilot plant tersebut menangani cairan, maka terdapat 3 tipe kesamaan antara lain: -
Kesamaan Geometrik Kesamaan Kinematik Kesamaan Dinamik
Selain itu, apabila proses yang disimulasikan dalam pilot plant menyangkut reaksi kimia dan biokimia, kesamaan yang harus dipertibangkan adalah: -
Kesamaan Termal Kesamaan Kimia dan Biokimia
Di dalam industri pangan skala besar terdapat beberapa unit operasi yang saling terkait satu sama lain. Namun, untuk itu untuk mendapatkan proses yang ideal dalam membuat produk baru merupakan hal yang sulit. Untuk mendapatkan produk yang sesuai dalam proses pembuatan pabrik pangan, perlu dilakukan tahapan sebagai berikut:
Pada skala laboratrium dilakukan percobaan dengan skala kecil. Apabila kita menggunakan reaktor sebagai media pembuatan produk, maka ita dapat menggunakan kapastas 1 liter. Ketika sudah mendapatkan hasil dari penelitian awal, maka dapat dikembangkan pada unit pilot plant dengan kapasitas 10-100 liter. Berikutnya apabila hasil unit pilot plant memuaskan maka dapat dibangun reaktor dengan ukuran 1 m3. Berikutnya untuk pabrik tahap awal skala besar dapat ditentukan dengan pertimbangan data pilot plant. b. Ukuran Minimal dan Maksimal Beberapa faktor dapat mempengaruhi ukuran dari pilot plant. Umumnya ukuran minimal diambil dari jumlah produk minimal yang dibutuhkan untuk analisa pengontrolan kualitas. Contohnya, apabila tujuan percobaan pilot plant untuk mempelajari pengaruh kondisi proses pada kualitas produk, maka jumlah minimal produk yang diproses pada pilot plant sebaiknya memenuhi jumlah sample yang digunakan untuk analisis fisik dan kimia untuk penentuan kualitas produk. Sedangkan ukuran maksimal dari pilot plant Page 2 of 5
Perancangan Pabrik/ Percobaan Pilot Plant
Brawijaya University
2012
ditentukan dari jumlah kebutuhan produk yang diproses untuk pengujian penerimaan pasar terhadap produk yang akan diproduksi. Untuk proses batch, desain pilot plant yang memproduksi bagian kecil dari sistem pengolahan pangan akan lebih mudah dalam pelaksanaannya. Pada prinsipnya sebuah pilot plant tidak membutuhkan sistem proses pengolahan pangan secara keseluruhan. Sebaliknya apabila pada proses continous, lebih membutuhkan ketelitian dan keseriusan dalam percobaannya. Namun data yang diperoleh akan lebih lengkap apabila dibandingkan pada proses batch.
3. APLIKASI DAN DESAIN Apabila produksi produk membutuhan jumlah yang besar untuk menentukan penerimaan pasar, pilot plant disebut semi komersial. Sebelum membangun pilot plant semi komersial diperlukan sebuah percobaan dengan ukuran kecil dengan tujuan untuk mendapatkan data awal yang dapat digunakan sebagai acuan. Pada beberapa kasus, pembuatan skala pada pilot plant merupakan media pembelajaran untuk medapatkan informasi dan data mengenai teknik produksi (pada industri pegolahan pangan yang sudah ada) dan teknik desain (industri pengolahan pangan yang baru). Umumnya, hal-hal yang perlu dipelajari pada pembuatan pilot plant antara lain: 1. Studi mengenai produk, meliputi karakterisasi kualitas, pengaruh kondisi proses pada kualitas produk, pengembangan produk baru, studi penerimaan pasar 2. Studi mengenai Bahan Bau, meliputi karakterisasi bahan baku, evaluasi perencanaan dengan menggunakan materi bahan baku yang berbeda. 3. Studi mengenai teknologi proses, meliputi kondisi proses yang paling sesuai secara segi ekonomi (biaya yang mininal) dan segi kualitas produ (mendapatkan prosuk berkualitas), studi mengenai alternatif peralatan proses, pengembangan teknologi baru, pengembangan peralatan baru. 4. Studi kebutuhan pelengkap, meliputi evaluasi kesetimbangan massa dan kesetimbangan energi, studi mengenai energi, dan pengembangan dan evaluasi sebagai alternatif sistem kontrol. Desain pilot plant yang tepat merupakan hal penting untuk mendapatkan hasil yang sesuai selama program percobaan pilot plant. Sebagai bahan pertimbangan atas dasar prinsip kesamaan, faktor yang dikontrol atau dirubah selama percobaan sebaiknya dievaluasi lebih dahulu. Contohnya pada proses pengeringan buah dan sayur dengan menggunakan udara panas yang melewati wadah pengeringan, maka faktor yang dikontrol meliputi: -
Kecepatan udara antara 0,2 - 3 m/s Temperatur udara antara 50 - 100oC Densitas wadah pengering antara 40 – 50 kg/m2 Kelembaban relatif udara antara 20 – 100%
Selain penentuan faktor yang dikontrol juga perlu untuk ditentukan interval dari variasi percobaan yang dilaksanakan. Sedangkan bentuk dan ukuran pilot plant dapat Page 3 of 5
Perancangan Pabrik/ Percobaan Pilot Plant
Brawijaya University
2012
diambil dari data dan prinsip kesamaan yang telah didapatkan. Aspek lain yang perlu diperhitungkan dalam desain pilot plant adalah ketersediaan sistem penunjang, bahan baku, dan spesefikasi produk.
4. SCALE UP Peningkatan skala (scale up) merupakan suatu tindakan atau kegiatan yang menggunakan hasil-hasil yang diperoleh dari studi laboratorium untuk merancang prototype dan proses di pilot plant, serta membangun pilot plant dan menggunakan data pilot plant untuk merancang dan membangun pabrik skala penuh atau memodifikasi pabrik yang sudah ada. Percobaan pada peningkatan skala merupakan percobaan pada laboratorium ukuran besar yang dirancang untuk bersifat fleksibel bagi penggunaan peralatan dan penyesuaian operasi. Peningkatan skala merupakan salah satu target penelitian sebagai basis untuk perancangan industri. Oleh karena itu, peningkatatan skala (scale up) merupakan kunci penghubung antara laboratorium dan industri. Definisi scale-up atau peningkatan skala merupakan tindakan menggunakan hasil yangdiperoleh dari laboratorium untuk mendesain prototype dan proses sebuah pilot plant untukmerancang dan membangun pabrik skala penuh atau memodifikasi pabrik yang sudah ada. Langkah pertama dalam pengembangan sebuah produk pangan baru adalah mendefinisikan proses yang dibutuhkan untuk membuat produk. Dalam beberapa kasus, terdapat banyak produk yang telah diproduksi pada skala kecil dan para pengusaha menginginkan untuk memperbesar skala proses untuk menyediakan jumlah produksi yang lebih besar. Salah satu perangkat yang berguna dalam hal ini adalah pengembangan diagram aliran proses. Diagram ini menunjukkan laju produksi yang diinginkan dan materi yang dibutuhkan pada setiap tahapan proses. Kebutuhan peralatan ditunjukkan secara skematis pada diagram yang berguna bagi para ahli teknik dalam menghitung biaya dan menyeleksi serta mengukur peralatan untuk proses. Langkah kedua adalah memecahkan masalah yang masih terdapat dalam proses peningkatanskala. Kebutuhan ini memerlukan uji coba terhadap peralatan penting di dalam laboratorium pilot plant. Berdasarkan proses dan tingkat produksi yang diinginkan, scale-up merupakan proses yang cukup sulit untuk diaplikasikan. Oleh karena itu, perlu dilakukan percobaan-percobaan yang bersifat kontinyu. Percobanpercobaan ini dibutuhkan untuk menentukan parameter optimum untuk skala besar dan untuk menentukan desain peralatan yang dimodifikasi. Selain itu, percobaan juga dilakukan karena di dalam produk pangan sendiri terdapat interaksi kimia dan fisik yang bersifat kompleks. Oleh karena itu, pengetahuan dasar tentang interaksi kimia fisik diantara komponenproduk penting untuk dipahami. Apabila tidak diperhatikan sifat kimia dan fisik, kemungkinan besarakan terjadi kerusakan produk terutama pada formulasi yang digunakan. Beberapa peralatan akan membantu dalam penentuan ukuran dan ciri-ciri peralatan yang dibutuhkan atau spesifikasi alat yangakan menjadi referensi untuk pembelian alat. Untuk dapat melakukan peningkatan skala perlu adanya pengembangan produk dan servis yang terintegrasi. Diantaranya yaitu pengembangan produk (sumber dan formulasinya), menguji unit operasi, mengembangkan kinerja kerja dari spesifikasi alat, dan menentukan titik kritis proses. Produk pangan yang ditingkatkan skalanya akan mempunyai karakteristik yang berbeda dengan produk aslinya. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan rasa, tekstur, aroma dan penampakan Page 4 of 5
Perancangan Pabrik/ Percobaan Pilot Plant
Brawijaya University
2012
visual. Proses skala besar tidak akan menghasilkan produk yang identik dengan produk aslinya, akan tetapi menghasilkan produk yang menyerupai produk aslinya. Proses peningkatan skala membutuhkan kekuatan analisis dalam menentukan langkah-langkah yang akan dilakukan. Beberapa analisis tersebut diantaranya analisis terhadap kondisi operasi, kondisi desain dan proses optimum. Metode untuk melakukan proses peralihan akan dikembangkan dan diujicobakan sebagai kerja praktek. Data dan info-info yang berhubungan lainnya akan berguna untuk ketelitian proses yang dilakukan dalam skala pilot plant. Tahap pilot plant merupakan tahap pertengahan penelitian atau pembuatan produk sebelum masuk ke dalam produksi lebih besar. Tahap pilot plant ini merupakan jembatan yang dapat membantu produksi skala besar karena skala produksi besar terlalu sulit dilakukan apabila mendesain proses mulai dari skala laboratorium. Tahap pilot plant dapat mengevaluasi hasil dari laboratorium dalam pembuatan produk, mengkoreksi dan mengembangkan proses. Selain itu, tahap pilot plant juga dapat menyediakan informasi yang digunakan untuk mengambil keputusan dalam pengembangan proses skala besar.
REFERENSI Gomez, A.L and G.V.B. Canovas. 2005. Food Plant Design. Taylor and Francis Group; New York. Helmus F P. 2008. Process Plant Design. Project Management from Inquiry to Acceptance. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. ISBN: 978-3-52731313-6
PROPAGASI A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal) Buatlah dan jelaskan proses scale untuk pembuatan industri susu dengan kapasitas akhir 5000 L per hari!
B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri) 1. Jelaskan Prinsip Pembuatan Skala! 2. Bagaimana cara minimal dan maksimal dalam pembuatan skala? 3. Jelaskan Proses Scale Up!
Page 5 of 5
