MEKANISME PENGERINGAN ROSDANELLI HASIBUAN Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara I. Pendahuluan Bagaimana hubungan proses penguapan air dengan proses pengeringan sesuatu bahan? Secara umum proses pengeringan bahan merupakan proses yang amat rumit, karena melibatkan berbagai fenomena. Sampai sekarang ini, penjelasan secara terperinci bagaimana pengeringan dapat terjadi masih belum diketahui (Brenndorfer, 1985), terutama untuk menjelaskan proses pengeringan hasil pertanian yang melibat beberapa proses lain seperti proses peragian, pengoksidaan dan sebagainya. Pengeringan melibatkan proses pelepasan air dari sel-sel bahan yang dikeringkan, sehingga pengeringan tersebut bukan saja melibatkan fenomena fisika tetapi juga melibatkan fenomena biologi dan kimia atau ketiga-tiganya. Walaupun demikian secara umum kita menerima hakikat bahwa apabila berlaku proses pengeringan maka akan berlaku: a. Air akan menguap dari permukaan bahan b. Air akan berpindah dari bagian dalam ke permukaan luar bahan. Fenomena inilah yang akan kita perhatikan dalam mengkaji proses pengeringan sesuatu bahan dan faktor-faktor luar yang mempengaruhi proses pengeringan. 1. Bahan Higroskopik dan Tak Higroskopik Secara umum bahan dapat dibagi dua yaitu: bahan yang dapat mengeluarkan semua air yang dikandungnya seperti tekstil, dan bahan yang tidak dapat mengeluarkan semua air yang dikandungnya seperti biji-bijian. Bahan yang dapat mengeluarkan semua air yang dikandungnya dinamakan bahan tak higroskopik, sedangkan bahan yang masih menyimpan sebagian air yang dikandungnya dinamakan bahan higroskopik. Bahan tak higroskopik dikeringkan sampai semua air yang dikandungnya keluar. Seandainya bahan tersebut masih mengandung uap air, kemungkinan bahan tersebut rusak disebabkan terjadinya proses kimia atau biologi. Misalnya, kain basah atau lembab yang disimpan lama mungkin akan tumbuh jamur yang disebabkan faktor biologi atau mungkin pula mudah lapuk atau kayak akibat terjadi proses kimia. Bahan higroskopik perlu menyimpan sebagian air yang dikandungnya, karena air tersebut akan bertindak sebagai agen pengikat sehingga sel-sel di dalam bahan tersebut tidak pecah. Bahan higroskopik kebanyakan merupakan bahan hasil pertanian, seperti jenis biji-bijian padi, coklat, kopi, dan lada; jenis daun seperti tembakau dan the; jenis buah seperti mangga dan pisang; atau jenis ikan, udang, dan cumi-cumi kering. Di samping mengikat sel-selnya, kandungan air juga memberi rasa sedap apabila bahan tersebut dimakan. Oleh karena itu, kandungan air ini perlu ditetapkan pada kadar tertentu agar mutu bahan tersebut dapat ditetapkan. Misalnya kadar air dalam padi yang sesuai untuk disimpan adalah 12 sampai 14%. Kandungan air yang berlebih akan menyebabkan padi menjadi kemerahan setelah dua atau tiga bulan penyimpanan, sedangkan kandungan air yang kurang akan menyebabkan padi tersebut menjadi beras patah setelah digiling.
©2004 Digitized by USU digital library
1
Apabila kandungan air terlalu rendah sering bahan-bahan tersebut menyerap uap air disekitarnya, hal ini menyia-nyiakan proses pengeringan yang dilakukan. Kandungan air yang sesuai untuk coklat adalah kurang dari 7%. Biasanya bila bahan-bahan ini dipasarkan antara bangsa, pihak pembeli dan penjual akan menentukan nilai kandungan air yang disetujui. 2. Kurva Pengeringan Karakteristik proses pengeringan suatu bahan bergantung pada waktu yang diperlukan, sehingga kurva kandungan air bahan terhadap waktu yang diperlukan untuk mengeluarkan air dari bahan tersebut dapat digambarkan seperti dalam gambar 1, yang dinamakan kurva pengeringan. Pada proses pengeringan berlaku dua proses, yaitu pada permulaan proses air dipermukaan bahan akan diuapkan, seperti yang digambarkan pada kurva pengeringan yang berkemiringan rendah, kemudian barulah berlaku proses pemindahan air dari bahagian dalam bahan ke permukaaannya. Semakin lama semakin sedikit air yang diuapkan. Proses ini berlangsung sampai air yang terikat saja yang tinggal di dalam bahan tersebut, seperti digambarkan oleh kurva asimptot di sebelah kanan grafik.
Masa (jam) Gambar 2. Kurva Pengeringan Kurva penting lainnya yang dapat menjelaskan mekanisme pengeringan dengan lebih baik adalah kurva kadar pengeringan, seperti ditunjukkan pada gambar 2, yang menggambarkan kadar perubahan kandungan air bahan terhadap kandungan air bahan mula-mula.
©2004 Digitized by USU digital library
2
Kandungan lembapan, kg/kg udara kering Gambar 2. Kurva Kadar Pengeringan Untuk semua bahan, seperti yang disebutkan di atas, tahap awal pengeringan merupakan tahap kadar pengeringan konstan. Pada keadaan ini air pada permukaan bahan diuapkan pada kadar yang ditentukan oleh kualitas udara yang ditempatinya yaitu suhu, kelembaban relatif, tekanan, dan kadar aliran udara seperti yang telah dibicarakan sebelumnya, oleh sebab itu kadar pengeringan tetap. Tahap berikutnya pemindahan air dari bahan ke permukaan luar, air dipermukaan bahan diuapkan dan air yang dikandung bahan dialirkan keluar melalui proses resapan. Semakin jauh air dipindahkan dari permukaan bahan, kadar resapan semakin berkurang sehingga mengakibatkan kadar pengeringan berkurang. Gambar 2 menunjukkan kadar pengeringan bahan bukan higroskopik berkurang pada peringkat kedua pengeringan dan seterusnya sehingga semua air yang dikandungnya habis keluar. Untuk bahan higroskopik pula, pada awal pengeringan mempunyai bentuk yang sama dengan bahan bukan higroskopik jika kualiti udara sama. Kadar pengurangannya juga akan sama sampai semua air yang tak terikat menguap. Setelah itu kadar pengeringan akan berkurang lagi apabila air yang terikat menguap, sampai tahap air tidak dapat lagi dikeluarkan dari bahan tersebut. Pada tahap ini terjadi kesetimbangan antara uap air yang dikandung oleh bahan dengan medium udara. Pada gambar 2 keadaan ini ditunjukkan dengan kadar pengeringannya menjadi nol. Untuk bahan higroskopik, kadar pengeringan pada tahap ketiga ini harus dikurangi, hal ini penting agar permukaan bahan tidak pecah atau retak akibat resapan air ke permukaan yang terlalu perlahan. Dimana permukaan bahan kering sedangkan air masih ada di dalam bahan. Seandainya hal ini terjadi dalam proses pengeringan hasil pertanian, maka mutu bahan yang dihasilkan akan merosot.
©2004 Digitized by USU digital library
3
3. Kesetimbangan Termal Pengeringan Proses penguapan air dari permukaan bahan ke udara memerlukan panas, yaitu panas penguapan yang menukarkan sejumlah air menjadi uap pada suhu dan tekanan tertentu. Udara yang mengandung uap air harus dialirkan keluar untuk dipindahkan ke tempat lain. Dalam keadaan setimbang hanya dua proses yang terlihat, panas diperlukan oleh air untuk menjadi uap dan akibatnya udara disejukkan ketika proses penguapan berlangsung. Oleh karena itu jika Ma = berat air yang diuapkan dari bahan Mu = berat udara yang bertiup ke permukaan bahan L = panas penguapan sewaktu proses penguapan Cp = kapasitas panas udara Taw = suhu awal udara Tak = suhu akhir udara Maka rumus kesetimbangan termal proses pengeringan dapat ditulis sebagai: maL= mu Cp (Tak- Taw)
(i)
Kuantitas ma dikenal sebagai beban pendingin yang mana kuantitas ini dapat diukur berdasarkan berat bahan yang dikeringkan, sedangkan jumlah udara yang digunakan per unit berat uap air yang dihilangkan dari bahan dapat ditentukan dengan psikrometri chart. Misalnya sembarang proses pengeringan dapat digambarkan oleh garis AB seperti yang ditunjukkan di dalam psikrometri chart pada gambar 3. Untuk mendapatkan perhitungannya dapat diambil contoh berikut. Seandainya suhu Taw adalah 45°C, yaitu titik E dalam gambar 3, dan suhu Tak adalah 30°C yang ditunjukkan sebagai titik F. Oleh sebab itu sejumlah air yang diuapkan ialah 0,02732 - 0,02060 = 0,00672 kg air per kg udara, atau 148,8 kg udara per kg air yang diuapkan. Volume udara yang ditempatinya dihitung berdasarkan hukum gas yang diberikan oleh persamaan: pVu = mu RT
(ii)
dimana p = tekanan udara R = konstanta gas Vu = volume udara T = suhu udara Jika bahagian kiri dan kanan persamaan (ii) dibagi dengan ma dan disusun kembali, maka diperoleh: Vu
=
ma
muRT
(iii)
map
Dari keterangan di atas berdasarkan persamaan (iii) dapat ditulis sebagai berikut: Vu ma
148,8xO,291x(273 + 30) =
101,3 = 129,52 m3 udara /kg air
©2004 Digitized by USU digital library
4
Walaupun perhitungan di atas kelihatan mudah, namun nilai panas penguapan L, agak sukar ditentukan karena nilainya berubah apabila suhu berubah seperti yang ditunjukkan pada tabel L1 yang terdapat dalam lampiran. Untuk memudahkan perhitungan biasanya diambil nilai rata-rata L .
Gambar 3. Proses pengeringan berdasarkan suhu awal 450C 4. Pengeringan Bahan Higroskopik Analisa yang diterangkan diatas tidaklah mudah untuk digunakan dalam proses pengeringan bahan higroskopik karena bahan higroskopik mempunyai air terikat. Air terikat biasanya mempunyai tekanan uap air yang lebih rendah daripada tekanan jenuh. Dengan menggunakan psikometri chart, seperti yang telah diterangkan sebelumnya, kelembaban relatif udara dikurangkan kira-kira 35%. Persen kandungan air sampel bahan higroskopik yang dikaji dapat ditulis sebagai: Ma =
mba (maaw – maak)
(iv)
100 – maak dimana: mb = berat bahan basah mk = berat bahan kering Di Laboratorium ma dapat dihitung dengan cara mengeringkan sampel pada suhu 1000C selama beberapa saat. Berat Bahan yang dikeringkan diukur pada selang waktu beberapa jam (menit). Kandungan air juga dapat diukur dengan menggunakan alat pengukur lembaban bijian. Untuk mengukur kandungan lembaban dengan menggunakan alat ini, sedikit
©2004 Digitized by USU digital library
5
sampel bijian dimasukkan ke dalam botol yang terdapat pada alat tersebut. Nilai lembaban dipaparkan pada panel digital. Masalah yang dihadapi dalam mereka bentuk suatu chamber pengering adalah untuk mendapatkan suhu awal Taw dan jumlah mu yang sesuai untuk menghilangkan air ma dari bahan yang hendak dikeringkan. Berdasarkan persamaan (iv), jumlah ma yang sebenarnya dapat dihitung dengan persamaan berikut: mba (maaw – maak) ma = 100 – maak dimana: mba = berat bahan basah awal maaw = berat uap air awal maak= berat uap air akhir 5. Contoh Pengeringan Padi Dalam kasus ini diambil contoh pengeringan padi, padi hendak dikeringkan dari keadaan 22% basah menjadi 14% pada suhu ambeien 300C, kelembaban relatif udara 80%, dan udara dipanaskan pada suhu 450C (contoh diambil dari Exell 1980). Tabel 1 menunjukkan kandungan uap air padi yang setara untuk beberapa suhu dan kelembaban relatif udara. Suhu 0 C 10 20 30 40
20 8 7 7 6
Tabel 1. Kandungan uap air setara padi Kelembaban relatif udara (%) 30 40 50 60 70 9 11 12 13 14 9 10 11 13 14 8 9 11 12 13 7 8 10 11 12
80 16 15 15 14
90 19 18 17 17
Dari tabel diatas ternyata untuk menghasilkan padi dengan kandungan uap air 13%, diperlukan kelembaban relatif udara 70% dan suhu ambeien 300C. Untuk proses pengeringan ini dapat dilihat psikometri chart pada gambar 4. Garis AB merupakan proses pemanasan udara dari 300C ke 450C, sehingga kelembaban relatif udara berkurang menjadi 35%. Oleh karena itu kadar kelembaban akan bertambah dari 0,0214 menjadi 0,0276 pada titik C. Pada titik C ini kelembaban akan bertambah lagi menjadi sekitar 90% sampai 100%. Oleh karena kelembaban udara yang diperlukan untuk mengeringkan padi dengan 14% uap air hanya 75% maka proses pengeringan ini akan berakhir pada titik D dengan suhu 340C dankadar kelembaban 0,0262. Secara rata-rata dapat mengatakan bahwa kadar kelembaban udara hasil dari proses pengeringan padi bertambah sebanyak 0,0262 – 0,0214 = 0,005
©2004 Digitized by USU digital library
6
Gambar 4. Proses pengeringan dengan bantuan tenaga surra Jumlah air yang dapat diserap dari 1 kg padi yang dihitung berdasarkan persamaan (v) adalah 0,093 kg. Oleh karena itu massa udara, mu yang diperlukan adalah 0,093/0,005 = 18,6 kg. Dari persamaan (ii) jika tekanan udara 101,3 kPa dan suhu udara 35°C maka volume udara yang diperlukan untuk proses pengeringan padi ini adalah 16,5 m3. Perhitungan seterusnya dibuat berdasarkan kesetimbangan tenaga yang diberikan oleh persamaan (i). Dengan mengambil L = 2,8 MJ/kg, Cp = 1,02 kJ/kgOC, Taw = 45°C dan nilai suhu Tak = 32°C maka akan diperoleh massa udara mu =19,6 kg. Volume udara dapat dihitung dari persaaam (ii), akan memberikan hasil 17,3 m3. Exell (1980) mengatakan hasil ini dapat diterima walaupun perhitungan sebelum ini memberikan hasil 16,5 m3. Hal ini disebabkan ralat bacaan dalam perhitungan menggunakan psikrometri chart yang dianggap tetap pada tekanan 101,325 kPa. Inilah konsep yang berlaku pada suatu bahan, terutama bagi bahan hasil pertanian. Pengeringan amat penting dan pengetahuan mengenai proses ini sangat diperlukan sebelum sesuatu sistem pengeringan direka bentuk. Sekaligus menjawab persoalan yang dikemukakan pada bagian pendahuluan, yaitu berapa lama hasil pertanian harus dikeringkan? Proses pengeringan yang terlalu lama akan menyebabkan bahan rusak, sedangkan proses pengeringan yang terlalu cepat akan memecahkan bahan tersebut, terutama bahan yang berbentuk bijian.
©2004 Digitized by USU digital library
7
Daftar Pustaka Dossat, R.J., 1981. Principle of R-efrigeration, 2nd Bd. New york: Jhon Wiley and Sons Brenndorfer, B. 1985. Solar Dryers- Their Role in Postharvest Processing. London: Commonwealth Science Council. Exell, R.B., 1980. A Simple Solar Rice Dryer: Basic Design Theory, dalam Sunworl, Vol. 4 (6), New York: Pergamon Press. halaman 186-191 Gusdorf, J.M. dan Foulkes, E.O., 1986. Oboe Solar Dryers: Design and Field Testing, dalam Pros. Intersol1985, 2 halaman 1053-1060
©2004 Digitized by USU digital library
8
