III.
METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan di Laboratorium Energi Surya Leuwikopo, serta Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Waktu penelitian berlangsung dari bulan Juli 2009 hingga bulan Agustus tahun 2009
B. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah jamur tiram putih (Pleurotus ostreatus) yang diperoleh dari petani jamur di Ciampea. Mesin yang diuji yaitu mesin pengering efek rumah kaca (ERK)-hybrid tipe rak berputar. Pengering ini terdiri dari bagian-bagian dengan spesifikasi sebagai berikut (Gambar 3 dan Gambar 4) : a. Bangunan berbentuk trapesium dengan atap melengkung agar memudahkan aliran air hujan turun ke bawah. Atap dan dinding dengan tebal 0.0005 m terbuat dari bahan polikarbonat transparan agar dapat meneruskan radiasi matahari yang menjadi sumber energi pengeringan ini. Ukuran dari bangunan dengan panjang x lebar x tinggi adalah : 1100 mm x 860 mm x 1300 mm. b. Penyerap (absorber) yang berupa plat hitam yang sekaligus sebagai lantai pengering terbuat dari plat besi dengan tebal 1 mm. c. Inlet berfungsi untuk memasukkan udara yang akan dipanaskan sebagai media pengeringan dan pembawa uap air hasil pengeringan. d. Outlet dan kipas penghisap dengan daya 60 Watt berfungsi untuk mengeluarkan uap air hasil pengeringan. e. Silinder pengering yang digerakkan oleh motor listrik 40 Watt memiliki kecepatan putaran 1 rpm. f. Rak berputar sebagai wadah produk sekaligus sarana untuk menyeragamkan aliran udara. Rak berputar
ini masing-masing
17
berukuran 600 mm x 200 mm x 30 mm. Tray yang sudah berisi bahan yang akan dikeringkan diletakkan di rak tersebut. g. Radiator digunakan untuk memindahkan panas dari air panas ke udara pengeringan. h. Pemanas tambahan yang terdiri dari tangki air dengan elemen pemanas 1000 W, pompa air 125 W untuk sirkulasi. i. Sistem transmisi terdiri dari sprocket and chain. Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain adalah: 1. Timbangan digital AND Model EK-1200 A. 2. Termokopel tipe T (C-C). 3. Anemometer Kanomax Model 6011. 4. Pyranometer Tipe MS-42. 5. Termometer alcohol. 6. Drying oven tipe SS-204D. 7. Hybrid recorder HR-2500E. 8. Cawan petri. 9. Desikator. Prinsip kerja dari mesin pengering adalah sebagai berikut : Energi matahari berupa gelombang pendek ditransmisikan melalui atap dan dinding diserap oleh absorber dan sebagian dipantulkan. Pantulan dalam bentuk gelombang panjang ini terperangkap dalam ruangan karena tidak dapat menembus dinding transparan sehingga terjadi akumulasi panas yang menyebabkan peningkatan suhu di dalam rumah kaca yang sekaligus sebagai ruang plenum. Energi panas ini dengan bantuan kipas dipakai untuk mengeringkan bahan yang ada dalam rak pengering. Penggunaan rak pengering yang dapat diputar kea arah vertikal dimaksudkan agar bahan yang dikeringkan mendapatkan panas secara merata sehingga hasil pengeringan lebih seragam dan waktunya lebih cepat bila dibandingkan dengan rak yang statis (Wahyudi, 2009). Model pengering ERK-hybrid tipe rak berputar tampak depan dan tampak samping masing-masing dapat dilihat pada Gambar
18
3 dan 4. Gambar teknik alat pengering efek rumah kaca (ERK)-hybrid tipe rak berputar beserta komponen-komponennya dapat dilihat dalam Lampiran 9.
f c
b h
g
Gambar 3. Model pengering ERK-hybrid tipe rak berputar tampak depan.
e
d
Gambar 4. Model pengering ERK-hybrid tipe rak berputar tampak samping.
19
C. Parameter yang Diukur Parameter-parameter yang diukur untuk menentukan performansi alat adalah suhu ruang pengering dan sebarannya, laju pengeringan, lama pengeringan, efisiensi penggunaan energi, dan mutu produk yang dikeringkan. 1. Sebaran suhu Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan thermometer dan termokopel. Suhu yang diukur adalah suhu bola kering dan bola basah lingkungan, suhu bola kering dan bola basah ruang pengering, suhu bola kering dan bola basah di outlet, dan suhu bahan. 2. Laju pengeringan Laju pengeringan adalah banyaknya air yang diuapkan persatuan waktu atau perubahan kadar air bahan dalam satuan waktu (persamaan 3). Data terkait yang dibutuhkan adalah massa awal produk dan kadar air awal produk sebelum dikeringkan, massa akhir dan kadar air akhir produk setelah dikeringkan, kadar air selama proses pengeringan, dan waktu pengeringan. Selain
itu
juga
dilakukan
pengukuran
terhadap
faktor-faktor
yang
mempengaruhi laju pengeringan yaitu kecepatan udara pengering dan kelembaban udara (RH). Kadar air bahan dihitung dengan persamaan berikut ini : Ka (% bb) =
ma x 100% ...................................... .................... ma + m p
(1)
Ka (% bk ) =
ma x 100% .......................................... ........................ mp
(2)
Keterangan :
Ka = kadar air (%) ma = massa air (gram) m p = massa padatan (gram)
Laju pengeringan dapat diketahui dengan persamaan berikut ini :
20
dW wt − wt + Δt .............................................................................. = dt Δt
(3)
Keterangan : dW = laju pengeringan (% bk/jam) dt
wt
= kadar air pada waktu ke t (% bk/jam)
wt + Δt
= kadar air pada waktu ke t + ∆t (% bk/jam)
∆t
= selang waktu (jam)
3. Efisiensi penggunaan energi Efisiensi energi pada proses pengeringan adalah perbandingan antara total output energi yang terpakai oleh produk yang dikeringkan dengan input energi pada sistem pengering ERK tersebut. Data-data input energi yang diperlukan meliputi data iradiasi surya dan jumlah energi listrik yang digunakan. Sedangkan data output energi berupa massa air yang diuapkan dari bahan (selisih berat akhir dan berat awal bahan), suhu bahan, suhu udara pengering, RH, dan kecepatan volumetrik udara pengering. Efisiensi termal adalah perbandingan antara panas yang diterima udara dalam mesin pengering dengan total input energi yang digunakan oleh mesin pengering. Kebutuhan energi spesifik merupakan jumlah energi yang diterima (masuk) dibandingkan dengan satu satuan massa air yang diuapkan dari produk. a. Iradiasi surya dihitung dengan : I =
1000 I P ................................................................................. 7
(4)
Keterangan : I
= iradiasi surya (W/m2)
I P = data iradiasi surya keluaran dari pyranometer (mV)
b. Energi surya yang diterima model pengering Q1 = 3 .6 I R A P (τα ) P t .................................... ..........................
(5)
21
Keterangan : Q 1 = energi surya yang diterima model pengering (kJ) 2
I R = iradiasi surya (W/m ) 2 AP = luas permukaan model pengering (m )
τ
= transmisivitas bahan model pengering (-)
α = absorpsivitas bahan penyerap (-) t
= lamanya penyinaran matahari (jam)
c. Panas yang digunakan untuk menguapkan air produk H
fgw
= ( 2500 − 2 .3775 T ) 1000 .................................................
(6)
Keterangan : T
= suhu (K)
Q2 = mu ap H fgw ........................................ ..................................
(7)
Keterangan : = panas yang digunakan untuk menguapkan air produk (kJ)
Q2
mu ap = massa air yang diuapkan (kg) H
fgw
= panas laten penguapan air bebas (kJ/kg)
d. Panas yang digunakan untuk menaikkan suhu produk Nilai Cp ditentukan dengan persamaan Siebel (Heldman dan Singh, 1989) sebagai berikut : C pb = 0 .837 + 0 ,034 M 0 ................................. ............................
(8)
Q 3 = m 0 C pb (T 2 − T1 ) ........................... .....................................
(9)
Keterangan : C pb = panas jenis produk (kJ/kgºC)
M 0 = kadar air awal produk (% bb) Q 3 = panas yang digunakan untuk menaikkan suhu produk (kJ) m 0 = massa awal produk (kg) T1 = suhu produk sebelum dipanaskan (ºC)
22
T2 = suhu produk setelah dipanaskan (ºC)
e. Panas yang diterima udara model pengering Q 4 = m ud C ud (TR − Tl ) 3600 t ............................. .......................
(10)
qu ...................................................................... ............. v
(11)
m ud =
Keterangan : Q4
= panas yang diterima udara model pengering (kJ)
mud = laju aliran massa udara (kg/s) C ud = kalor jenis udara (kJ/kgºC) Tl
= suhu udara lingkungan (ºC)
TR
= suhu udara pengering (ºC)
t
= lama pengeringan (jam)
qu
= debit udara (m3/s)
v
= volume jenis udara (m3/kg)
f. Energi untuk menguapkan air produk dan menaikkan suhu produk Q 5 = Q 2 + Q 3 ...................................................... .......................
(12)
Keterangan : Q5 = energi untuk menguapkan air produk dan menaikkan suhu produk
(kJ) Q 2 = panas yang digunakan untuk menguapkan air produk (kJ)
Q 3 = panas yang digunakan untuk menaikkan suhu produk (kJ)
g. Energi listrik yang digunakan untuk heater, menggerakkan kipas outlet, menggerakkan
kipas
pada
penukar
panas,
motor
listrik
untuk
menggerakkan rak, dan untuk pompa air Q11 = Q6 + Q 7 + Q8 + Q9 + Q10 ...................................................
(13)
Q11 = (3.6 P6 t 6 ) + (3.6 P7 t 7 ) + (3.6 P8 t 8 ) + (3.6 P9 t 9 ) + (3.6 P10 t10 )
...............................................................................................
(14)
23
Keterangan : Q11 =
energi listrik yang digunakan untuk heater, menggerakkan kipas outlet, menggerakkan kipas pada penukar panas, motor listrik untuk menggerakkan rak, dan untuk pompa air (kJ)
Q6 = energi listrik yang digunakan untuk heater (kJ) Q7 = energi listrik yang digunakan untuk menggerakkan kipas outlet (kJ) Q 8 = energi listrik yang digunakan untuk menggerakkan kipas pada
penukar panas (kJ) Q9 = energi listrik yang digunakan motor listrik untuk menggerakkan
rak (kJ) Q10 =
energi listrik yang digunakan untuk pompa air (kJ)
P =
daya (watt)
t
= lama pemakaian (jam)
h. Energi total yang masuk ke sistem Q T = Q1 + Q11 ............................................... ..............................
(15)
Keterangan : QT = energi total yang masuk ke sistem (kJ) Q1 =
energi surya yang diterima model pengering (kJ)
Q11 =
energi listrik yang digunakan untuk heater, menggerakkan kipas outlet, menggerakkan kipas pada penukar panas, motor listrik untuk menggerakkan rak, dan untuk pompa (kJ)
i. Efisiensi Total Sistem Pengeringan
ηT =
Q5 x 100% ......................................................................... QT
(16)
Keterangan : η T = efisiensi total sistem pengeringan (%) Q5 = energi untuk menguapkan air produk dan menaikkan suhu produk
(kJ) QT =
energi total yang masuk ke sistem (kJ)
24
4. Mutu Produk Sangat penting jika suatu pengolahan atau proses yang mengubah suatu bahan adalah mempertahankan kualitas produk itu sendiri. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sayuran jamur tiram putih (Pleurotus ostreatus) yang mengandung cukup protein. Jamur tiram segar mengandung protein sebesar 30.4% per berat kering dengan kadar air 90.8% (Rismunandar, 1982). Pengujian terhadap mutu produk jamur tiram putih dilakukan terhadap kadar
protein
yang
dilakukan
dengan
menggunakan
metode
AOAC.991.20.1999, kadar air awal, dan kadar air akhir dengan menggunakan metode oven.
D. Percobaan Pengeringan Bahan Pada penelitian ini unjuk kerja mesin pengering ERK tipe rak berputar dilihat dari keefektifan mesin dalam mengeringkan jamur tiram sesuai dengan tujuan penelitian. Salah satu parameter keberhasilan mesin pengering ini dapat dilihat dari mutu jamur tiram kering yang dihasilkan. Mutu jamur tiram kering tersebut dapat dinilai di antaranya dari kadar protein dan keseragaman kadar air akhir jamur tiram. Tingkat keseragaman kadar air dapat dicapai dengan memutar rak pada selang waktu tertentu. Hasilnya akan dibandingkan dengan penjemuran biasa (kontrol) dan tanpa pemutaran rak. Dalam penelitian ini dikondisikan dalam lima percobaan sebagai berikut : 1. Percobaan I : pengeringan dengan kapasitas 1.8 kg jamur pada pagi hingga sore hari (pukul 08:00 WIB-16:00 WIB). Setiap 1 jam, rak digeser sebesar 45º dan tanpa diputar. Perlakuan ini digunakan sebagai pembanding percobaan berikutnya yaitu dengan pemutaran terhadap rak. 2. Percobaan II : pengeringan dengan kapasitas 1.8 kg jamur pada pagi hingga sore hari (pukul 08:00 WIB-16:00 WIB). Setiap 1 jam, rak digeser sebesar 45º dan diputar selama 5 menit di awal dan di akhir jam. Adanya pemutaran rak dimaksudkan untuk meratakan suhu udara di dalam ruang pengering sehingga penurunan kadar air lebih cepat dan lebih seragam.
25
3. Percobaan III : pengeringan dengan kapasitas 1.8 kg jamur pada pagi hingga sore hari (pukul 08:00 WIB-16:00 WIB). Setiap 1 jam, rak digeser sebesar 45º dan diputar selama 10 menit di awal dan di akhir jam. Percobaan ini untuk membandingkan dengan percobaan II ditinjau dari keseragaman kadar air. 4. Percobaan IV : pengeringan dengan kapasitas 4 kg jamur pada pagi hingga malam hari (pukul 08:00 WIB-20:00 WIB). Setiap 1 jam, rak digeser sebesar 45º dan diputar selama 10 menit di awal dan di akhir jam. Pengeringan yang dilakukan hingga malam hari ini dimaksudkan untuk membandingkan nilai efisiensi penggunaan energi jika dilakukan pengeringan dengan kapasitas pengeringan yang lebih banyak daripada percobaan sebelumnya. 5. Pengeringan dengan kapasitas 4 kg jamur pada pagi hingga sore hari (pukul 08:00 WIB-16:00 WIB). Setiap 1 jam, rak digeser sebesar 45º dan diputar selama 10 menit di awal dan di akhir jam. Percobaan ini dimaksudkan untuk membandingkan nilai efisiensi penggunaan energi jika dilakuan pengeringan sampai sore hari dengan pengeringan yang dilakukan sampai malam hari.
E. Metode Pengambilan Data Proses pengeringan dilakukan secara kontinyu sampai kadar air bahan konstan. Metode pengambilan data untuk masing-masing parameter kinerja mesin adalah sebagai berikut : 1. Suhu Pengukuran suhu dilakukan untuk mengetahui profil suhu dan sebarannya di dalam ruang pengering. Alat yang digunakan antara lain termokopel tipe CC, Chino recorder Yokogawa, dan thermometer alcohol. Waktu pengukuran suhu dilakukan secara periodik setiap satu jam sekali. Titik pengamatan suhu dan kecepatan udara dapat dilihat pada Gambar 5.
26
Gambar 5. Titik-titik pengukuran Keterangan : T1-T8 : Suhu bahan rak 1- rak 8, T9 : suhu bola basah lingkungan, T10 : suhu bola kering lingkungan, T11 : Suhu bola basah di outlet, T12 : suhu bola kering di outlet, T13 : suhu bola basah ruang pengering , T14 : suhu bola kering ruang pengering , TA-TB : Suhu bahan kontrol, T15 : Iradiasi surya, V1 : Kecepatan udara masuk, V2 : Kecepatan udara keluar. 2. Iradiasi surya Iraduiasi surya merupakan laju energi per satuan luas (W/m2) di suatu lokasi (Abdullah et all, 1998). Pengukuran radiasi surya dilakukan dengan menggunkan alat pyranometer. Pyranometer ini akan ditempatkan di sekitar alat pengering yang tidak terhalang sinar matahari. Data keluarannya berupa tegangan (mV) yang terlihat pada digital multimeter. Nilai 1 mV keluaran pyranometer setara dengan 1000/7 W/m2. Pengambilan data dilakukan setiap satu jam sekali. 3. Kadar air bahan Kadar air bahan yang diukur merupakan kadar air awal, kadar air akhir, dan kadar air bahan pada suatu waktu selama proses pengeringan.
27
Metode yang digunakan untuk mengukur kadar air awal bahan adalah metode oven. Sampel produk awal dikeringkan di dalam oven selama 24 jam dalam suhu 100oC-105oC. Penentuan kadar air bahan selama proses pengeringan didasarkan pada metode
penurunan
massa
produk
selama
proses
pengeringeringan.
Pengambilan data massa sampel dilakukan setiap satu jam sekali. Sampel bahan yang akan diambil berjumlah 10 buah yaitu sampel control (TA & TB), sampel pada rak 1-8 (T1-T8). Peralatan yang digunakan antara lain timbangan digital, timbangan duduk, dan oven. 4. Kelembaban udara Pengukuran kelembaban udara relative (RH) dilakukan mengikuti pengukuran suhu. Nilai RH yang diukur meliputi RH ruang pengering, RH outlet, dan RH lingkungan. Nilai RH diperoleh dengan cara memplotkan data suhu bola basah (Tbb) dan suhu bola kering (Tbk) pada psychometric chart (Gambar 6).
Gambar 6. Psychometric chart
28
5. Kecepatan Udara Kecepatan udara diukur dengan menggunakan anemometer. Kecepatan udara yang diukur meliputi kecepatan udara inlet dan kecepatan udara outlet. Pengambilan data dilakukan setiap satu jam sekali mengikuti pengambilan data suhu dan radiasi. 6. Lama pengeringan Lama pengeringan merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengeringkan produk sampai kadar akhir konstan. Lama pengeringan dihitung saat alat mulai dioperasikan sampai massa bahan konstan. 7. Kebutuhan energi listrik Energi listrik digunakan untuk menggerakka kipas, motor penggerak rak, kipas radiator, dan untuk menyalakan heater. Kebutuhan diukur berdasarkan daya dan waktu efektif selama proses pengeringan. 8. Mutu produk Analisis mutu dilakukan terhadap kadar protein jamur tiram hasil pengeringan dan kadar air akhir dari jamur tiram kering.
F. Prosedur Penelitian Diagram alir kegiatan penelitian dapat dilihat pada Gambar 7. Tahap pengeringan jamur dapat dilihat pada Lampiran 7.
29
Persiapan bahan Persiapan alat
Pengukuran massa bahan sebelum pengeringan
Pengukuran kadar air awal bahan
Pengeringan bahan
Pengukuran massa bahan setelah pengeringan
Pengukuran kadar air akhir bahan
Gambar 7. Diagram alir kegiatan penelitian.
30
