Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
PRESTASI SEBUAH SISTEM PENGERING POMPA KALOR
Oleh: M. Yahya Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Padang Abstrak Temulawak (curcuma xanthorrhiza Roxb) merupakan salah satu jenis tanaman obat dari famili Zingiberaceae. Rimpang temulawak dapat digunakan untuk mengobati penyakit lever yaitu memperbaiki fungsi hati dan menurunkan kadar SGPT dan SGOT, meningkatkan sistem imunitas tubuh, anti bakteri, anti diabetik, dan anti oksidan. Alat pengering buatan jenis pengering udara panas (hot air drying) masih banyak digunakan masyarakat untuk mengeringkan temulawak, namun waktu pengeringannya sangat bergantung kepada suhu udara pengering, makin tinggi suhu pengeringan semakin cepat waktu pengeringan. Suhu tinggi dapat merusak zat-zat yang dimiliki temulawak karena temulawak sensitif terhadap panas. Tujuan penelitian ini adalah membuat dan menguji prestasi alat pengering pompa kalor untuk mengeringkan temulawak. Alat pengering ini terdiri dari beberapa komponen utama yaitu: pompa kalor, ruang pengering dan blower. Prestasi alat pengering pompa kalor dinyatakan dengan koefisien prestasi (COP) pompa kalor, SMER dan efisiensi termal alat pengering. Dari hasil pengujian diperoleh: temperatur udara rata-rata keluar kondensor dan COP rata-rata pompa kalor dicapai, masingmasing 51,5o C dan 2,27. SMER rata-rata dicapai dan waktu yang dibutuhkan dengan kapasitas pengeringan 30,7 kg, kadar air awal 80%, kadar air akhir 7,5 % dan kecepatan aliran udara 8 m/s, masing-masing sebesar 0,83 kg/kWh dan 12 jam. Efisiensi termal rata-rata alat pengering pompa kalor sebesar 54,6%. Alat pengering pompa kalor sesuai untuk mengeringkan temulawak karena temperatur udara pengeringan tidak tinggi atau tidak merusak zat-zat yang ada pada temulawak. Kata kunci: Pengeringan, Tanaman obat, Temulawak, Sensitif, Pompa kalor
dikeringkan dengan menggunakan pengering pompa kalor lebih baik daripada hasil alat pengering buatan jenis udara panas (Prasertsan dan Saen-Saby, 1998; Rukprang, 1996, dan Strommen, 1994). Filho et al. (1997) melakukan penelitian pada pengering pompa kalor untuk mengeringkan akar tanaman (roots) menggunakan suhu udara antara 22.5C sampai 40C. Dari hasil penelitian ini diketahui bahwa tidak terjadinya perubahan kualitas daripada bahan yang dikeringkan. Seyhan dan Evranus (2000) telah melakukan penelitian terhadap pengeringan cendawan (Mushroom: A. bisporous) dengan pengering pompa kalor dan dengan pengering udara panas. Hasil kajian menunjukkan bahwa pengeringan dengan menggunakan pengering pompa kalor dengan variasi suhu antara 38ºC sampai 43ºC tanpa pre-treatment tidak terjadi perubahan warna (warna terang) dan rasa, sedangkan untuk pengeringan dengan menggunakan
Pendahuluan Pengering buatan jenis udara panas (hot air drying) secara luas digunakan untuk mengeringkan tanaman obat. Namun, memiliki kelemahan yaitu waktu pengeringan tergantung pada suhu udara pengering, makin tinggi suhu pengering semakin cepat waktu pengeringan, demikian pula sebaliknya. Cara ini kurang sesuai untuk mengeringkan bahan yang sensitif terhadap panas (tanaman obat) karena dengan suhu yang tinggi akan merusak atau menurunkan kualitas bahan yang dikeringkan, sedangkan dengan suhu rendah akan memerlukan waktu pengeringan yang lama (kurang ekonomis) (Yahya, 2013). Pengering pompa kalor merupakan sebuah metoda alaternatif untuk mengeringkan tanaman obat dengan rendah konsumsi energi, rendah kelembapan relatif dan rendah temperatur (Vazquez, 1997). Kajian awal mendapatkan bahwa kualitas (warna dan aroma) hasil-hasil pertanian
81 1
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
air dalam rimpang temu lawak sekitar 80% basis basah (Yusnira, 2005), dan agar dapat disimpan dalam jangka waktu lama atau sebelum dipasarkan salah satu cara yang murah adalah dengan dikeringkan. Pengeringan merupakan suatu proses yang bertujuan untuk mengeluarkan atau mengurangi kadar air dari suatu bahan sampai ke tingkat yang diinginkan dan menghilangkan aktivitas enzim yang bisa menguraikan lebih lanjut kandungan zat aktif. Dan juga bertujuan untuk memudahkan dalam pengelolaan dan agar lebih tahan disimpan dalam jangka waktu cukup lama (Hall, 1980). Tujuan dalam penelitian ini adalah membuat dan menguji prestasi pengering pompa kalor untuk mengeringkan bahan yang sensitif terhadap panas (tanaman obattemulawak). Prestasi alat pengering pompa kalor dinyatakan dengan koefisien prestasi (COP) pompa kalor, SMER dan efisiensi termal alat pengering.
pengering udara panas pada suhu tinggi hasil pengeringan menunjukkan bahan mengalami perubahan warna (pencoklatan) dan pengurangan rasa. Soponronnarit et al. (1998) melakukan penelitian terhadap pengeringan buah-buahan seperti pepaya mengunakan pengering pompa kalor dan pengering udara panas. Dari dua tahap pengeringan diperoleh hasil pengeringan dengan menggunakan pengering pompa kalor pada suhu udara 50ºC warnanya lebih terang daripada menggunakan pengering udara panas pada suhu tinggi yang menyebabkan perubahan warna menjadi kuning kemerah-merahan. Phoungchandang et al. (2009); Phoungchandang and Saentaweesuk (2010) melakukan penelitian terhadap pengeringan jahe menggunakan pengering pompa kalor dengan suhu udara 40ºC didapati kandungan 6-gingerol dalam jahe tidak berkurang selama pengeringan. Temulawak (curcuma xanthorrhiza Roxb) merupakan salah satu jenis tanaman obat dari famili Zingiberaceae dan merupakan salah satu dari sembilan jenis tanaman unggulan dari Ditjen POM yang memiliki banyak manfaat sebagai bahan obat. Pemanfaatan tanaman ini cukup banyak, anatara lain digunakan oleh masyarakat dalam pemeliharaan dan peningkatan derajat kesehatan atau pengobatan penyakit maupun oleh produsen obat tradisional dan kosmetika (Hernani, 2001). Rimpang temulawak banyak mengandung berbagai komponen kimia, diantaranya zat kuning kurkumin, protein, pati dan minyak atsiri. Banyak masyarakat yang menggunakan rimpang temulawak sebagai bahan baku obat (hepatoprotector) untuk mengobati penyakit lever yang dapat memperbaiki fungsi hati dan menurunkan kadar SGPT dan SGOT (Endang Hadipoentyanti dan Sitti Fatimah Syahid, 2007). Selain penggunaannya sebagai bahan baku industri seperti minuman dan pewarna alami, manfaat lain adalah dapat meningkatkan sistem imunitas tubuh, berkhasiat anti bakteri, anti diabetik, anti hipototoksik, anti inflamsi, anti oksidan, anti tumor, diuretika, depresan dan hipolipodemik (Purnomowati dan Yoganingrum, 1997). Temu lawak (rimpang) setelah dipanen memiliki sifat mudah rusak (perishable). Sifat mudah rusak ini dipengaruhi oleh kadar
Metoda Penelitian a. Diskripsi alat pengering pompa kalor Alat pengering pompa kalor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu: pompa kalor, ruang pengering dan blower, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (1). Pompa kalor mempunyai daya 1 HP dan terdiri dari berapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, kompressor dan katup ekspansi. Sedangkan ruang pengering terdiri dari rakrak pengering dan sistem ventilasi. Prinsip kerja dari alat pengering pompa kalor adalah udara dari lingkungan dialirkan ke evaporator menggunakan blower. Pada evaporator udara didinginkan sehingga terjadi proses dehumidifikasi yaitu pengurangan kandungan air dalam udara dan mengakibatkan udara yang keluar pada evaporator udara kering dan dingin. Selanjutnya udara dipanaskan pada kondensor dengan mengambil panas dari refrigeran yang mengalir pada kondensor. Kemudian udara yang keluar dari kondensor dialirkan ke ruang pengering untuk proses pengeringan.
82
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
COP
Q CD WC
....(2)
dengan,
b. Analisa kadar air Kadar air menunjukkan banyaknya kandungan air persatuan bobot bahan (Surachman et al. 2008). Kadar air temulawak dianalisa menggunakan metode gravimetri. Sampel dikeringkan dengan oven pada temperatur 105oC sampai tidak terjadi perubahan berat. Kadar air ditentukan dengan menggunakan kadar air basis basah yaitu merupakan perbandingan massa air di dalam bahan dengan massa bahan basah seperti berikut:
WW .
...(3)
WC I.V.cos
...(4)
Di mana: Q CD = Panas yang dilepaskan kondensor (kW) WC = Daya listrik yang dikonsumsi oleh motor kompresor (kW) m ac = laju aliran massa udara pada kondensor (kg/det) Cp = panas jenis udara (kJ/kg K)
Gambar 1. Diagram skematik alat pengering pompa kalor
MC
m acCpTout,c Tin,c Q CD
Tout ,c = suhu udara keluar kondensor (o C) Tin,c = suhu udara masuk kondensor (o C) = arus listrik (Amp) I = tegangan (Volt) V cos = faktor daya d. Analisa laju penyingkiran air spesifik (SMER) Laju penyingkiran air spesifik (Specific Moisture Removal Rate, SMER) didefiniskan sebagai perbandingan air yang disingkirkan dari bahan dalam kg/jam dengan input energi dalam kW dan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti berikut (Chegini et al. 2007):
.…… (1)
WW Wd dengan: MC = Kadar air basis basah (%) WW = Massa air (kg) Wd = Massa padatan (kg)
SMER
W .............(5) E input
dengan,
E input WC WB .... ...(6)
c. Analisa koefisien prestasi (COP) pompa kalor Koefisien prestasi (coefficient of performance, COP) pompa kalor merupakan perbandingan energi termal yang dilepaskan oleh kondensor dengan daya kompresor dan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti berikut (Hawlader et al. 2001):
Di mana: SMER = laju penguapan air spesifik (kg/kWh) W = Jumlah air yang disingkirkan (kg/jam) E input = Total energi yang diperlukan sistem untuk melakukan = pengeringan (kW) WB Daya listrik yang dikonsumsi oleh motor blower (kW)
83
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
ruang pengering untuk proses pengeringan. Penelitian dimulai dari jam 9:00 sampai jam 17:00. Temperatur udara masuk dan keluar pompa kalor dan ruang pengering diukur menggunakan termokopel, kecepatan aliran udara diukur menggunakan flowmeter. Perubahan berat bahan diukur menggunakan timbangan. Bahan ditimbang dan temperatur diukur setiap 30 menit.
e. Analisa efisiensi termal alat pengering Efisiensi termal alat pengering merupakan perbandingan antara energi yang digunakan untuk proses pengeringan terhadap energi yang masuk ke dalam sistem pengering. Untuk menghitung efisiensi termal alat pengering tersebut digunakan persamaan sebagai berikut (Yahya, 2013):
η thp
Q t Q air Q ev E input
Hasil dan Pembahasan Kajian terhadap sebuah alat pengering pompa kalor untuk mengeringkan tanaman obat (temulawak) telah dilakukan dan hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 2 sampai 7. Gambar 2 merupakan hubungan temperatur dan kelembapan relatif udara masuk dan keluar pompa kalor dengan waktu. Udara yang masuk pompa kalor merupakan udara lingkungan, dan udara tersebut kandungan airnya disingkirkan pada evaporator dan kemudian dipanaskan pada kondensor. Temperatur dan kelembapan relatif udara rata-rata masuk pompa kalor, masing-masing sebesar 32,1oC dan 69,3%. Temperatur dan kelembapan relatif udara rata-rata keluar pompa kalor yang dapat dicapai, masing-masing sebesar 51,5o C dan 24,1%. Temperatur dan kelembapan relatif udara pengeringan terhadap waktu ditunjukkan pada Gambar 3. Pada Gambar 3 tersebut dapat dilihat bahwa temperatur dan kelembapan relatif udara yang digunakan untuk proses pengeringan lebih rendah dari pada keluar pompa kalor, hal ini disebabkan adanya kehilangan panas pada sistem pemipaan yang menghubungkan pompa kalor dengan ruang pengering. Temperatur dan kelembapan relatif udara rata-rata masuk ruang pengering untuk proses pengeringan, masing-masing sebesar 48,98o C dan 27,1%. Temperatur udara yang digunakan untuk proses pengeringan tersebut tidak tinggi dan sesuai untuk mengeringkan temulawak (tanaman obat). Gambar 4 merupakan hubungan kadar air bahan terhadap waktu. Untuk mencapai kadar air akhir bahan 7,5% dari kadar air awal 80% dengan temperatur udara 48,98o C, kelembapan relatif udara 27,1% dan kecepatan aliran udara pada pipa 8 m/s dibutuhkan waktu 12 jam.
… (7)
Di mana: η thp = Qt Qair Qev
Efisiensi termal alat pengering (%) = Energi pemanasan padatan temulawak (kJ) = Energi pemanasan air yang dikandung temulawak (kJ) = Energi penguapan air yang dikandung temulawak (kJ)
dengan,
Q t M t .C Pt .(Tto Tti )
... (8)
Q air M air .C Pair .(Tao Tai ) Q ev M air .H fg
…(9)
ISSN : 1693-752X
…(10)
Di mana: Cpt = Panas spesifik padatan temulawak (kJ/kgK) Cpair = Panas jenis air dalam temulawak (kJ/kgK) = Massa padatan/temulawak Mt kering (tanpa kandungan air) (kg) = Massa air yang dikandung Mair temulawak (kg) = Temperatur akhir temulawak Tto (oC) = Temperatur awal temulawak Tti (oC) = Temperatur akhir air dalam Tao temulawak (o C) = Temperatur awal air dalam Tai temulawak (o C) = Panas laten penguapan (kJ/kg) Hfg Tempat dan Prosedur Pengujian Penelitian dilakukan di Institut Teknologi Padang, Sumatera Barat. Temulawak dibeli di Pasar Raya Padang, dibersihkan dan dipotong tipis kemudian sebanyak 30,7 kg dimasukkan ke dalam
84
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
Koefisien prestasi (COP) pompa kalor waktu ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti terlihat pada gambar tersebut bahwa COP pompa kalor cukup tinggi yaitu rata-rata 2,27. Gambar 6 dan 7 merupakan hubungan antara SMER dan efisiensi termal alat pengering terhadap waktu. Dari Gambar 6 dan 7 tersebut dapat dilihat bahwa SMER dan efisiensi termal cenderung merosot terhadap waktu, hal ini disebabkan laju penguapan air bahan selalu menurun dan ini dikarenakan air yang dikeluar dari dalam bahan ke permukaan bahan mengalami peningkatan rintangan/halangan. SMER maksimum dan rata-rata yang dapat dicapai, masing-masing sebanyak 1,39 kg/kWh dan 0,83 kg/kWh. Sedangkan Efisiensi termal rata-rata alat pengering dapat dicapai sebesar 54,6%.
ISSN : 1693-752X
Gambar 4. Kadar air terhadap waktu.
Gambar 5. Koefisien prestasi (COP) pompa kalor terhadap waktu.
Gambar 2.Temperatur dan kelembapan relatif udara lingkungan terhadap waktu.
Gambar 6. SMER terhadap waktu.
Gambar 3.Temperatur dan kelembapan relatif udara pengeringan terhadap waktu.
85
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
ISSN : 1693-752X
roots. Drying Technology 15 (5): 1369-1398. Filho, O.A., Strommen, I. & Thorbergsen. 1997. A Simulation model for heat pump dryer plants for fruits and roots, Drying Technology 15(5): 1369-1398. Hall. CW.1980. Drying and Storage of Agricultural Crops. New York: The AVI Pub. G. Hawlader, M.N.A., Chou, S.K, and Ullah, M.Z. 2001. The performance of a solar assisted heat pump water heating system. Jurnal of Applid Thermal Enggineering, Vol 21:1049-1065. Hernani dan S.I.Syahid. 2001. Kualitas daun Tempuyang (sonchus arvensis L.) dari beberapa daerah. Jurnal Ilmiah Pertanian Gakuryoku, vol. VII (2):1-3. Phoungchandang Singhanat and Saentaweesuk Supawinee. 2010. Effect of two stage, tray and heat pump assisted-dehumidified drying on drying characteristics and qualities of dried ginger. Food and Bioproducts Processing FBP-171; no of page 9. Phoungchandang, S., Nongsang, S.,Sanchai, P. 2009. The development of ginger drying using tray drying , heat pomp dehumidified drying and mixed mode solar drying. Drying Technol. 27 (10), 1123-1131. Prasertsan, S., & Saen-saby, P. 1998. Heat pump drying of agricultural materials. Drying Technology-An International Journal, 16 (1-2), 235-250. Purnomowati, S dan A. Yoganingrum, 1997. Temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb). Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmiah, LIPI, Jakarta. 44p. Rukprang, P. 1996. Fruit drying using heat pump, Master of Engineering Thesis, School of Energy and Materials. King Mongkuts University of Technology Thounburi, Thailand. Seyhan, F.G. & Evranuz, Q. 2000. Low temperature mushroom (A. bisporus) drying with desiccant dehumidifiers. Drying Technology,18(1&2): 433-445. Soponronnarit, S., Wetchacama, S., Nathakaranakule, A., Swasdisevi,T. & Rukprang, P. 1998. Papaya Glace drying using Heat Pump. Proceeding of the 11th International Drying Symposium IDS’98, hlm.1373-1380.
Gambar 7. Efisiensi termal alat pengering terhadap waktu.
Kesimpulan Kajian terhadap alat pengering pompa kalor untuk mengeringkan temulawak (tanaman obat) sudah dilakukan. Dari hasil pengujian diperoleh: temperatur udara ratarata keluar kondensor dan COP rata-rata pompa kalor dicapai, masing-masing 51,5o C dan 2,27. SMER rata-rata dicapai dan waktu yang dibutuhkan dengan kapasitas pengeringan 30,7 kg, kadar air awal 80%, kadar air akhir 7,5 % dan kecepatan aliran udara 8 m/s, masing-masing sebesar 0,83 kg/kWh dan 12 jam. Efisiensi termal rata-rata alat pengering pompa kalor sebesar 54,6%. Alat pengering pompa kalor sesuai untuk mengeringkan temulawak karena temperatur udara pengeringan tidak tinggi atau tidak merusak zat-zat yang ada pada temulawak. Referensi Chegini, G., Khayaei, J., Rostami, H.A, & Sanjari. 2007. Designing of a heat pump dryer for drying of plum. Jurnal of Research and Aplication in Agricultural Engineering, vol. 52 (2):63-65. Endang Hadipoentyanti dan Sitti Fatimah Syahid. 2007 Respon Temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb) Hasil Rimpang Kultur Jaringan Generasi kedua terhadap pemupukan. Jurnal Littri 13(3), September 2007, Hlm 106. Filho, O.A., Strommen, I. & Thorbergsen. 1997. A Simulation model for heat pump dryer plants for fruits and
86
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
Soponronnarit, S., Wetchacama, S., Nathakaranakule, A., Swasdisevi,T. & Rukprang, P. 1998. Papaya Glace drying using Heat Pump. Proceeding of the 11th International Drying Symposium IDS’98, hlm.1373-1380. Surachman, H., Fachrudin, D., Sutopo, dan Sumarsono, M. 2008. Pengembangan dan pengujian kinerja termal pengering lorong hibrid energi surya-biomassa terpadu. J. Sains dan Teknologi Indonesia, 10 (3) 157-164. Vazques, G., Chenlo, F., Moreira, R., & Cruz, E. 1997. Grape drying in a pilot plant with a heat pump. Drying Technology-An International Journal, 15 (3-4), 899-920. Yahya, M. 2013. Uji kinerja alat pengering lorong berbantuan pompa kalor untuk mengeringkan biji kakao. Jurnal Teknik Mesin Institut Teknologi Padang, 3 (1) 14-19. Yusnira. 2005. Pemilihan metoda pemisahan untuk menentukan kadar kurkuminoid pada rimpang temulawak dan korelasinya dengan pola spektrum Ftin. Thesis master, Institut PertanianBogor (IPB
87
ISSN : 1693-752X
Vol.16 No.2. Agustus 2014
Jurnal Momentum
88
ISSN : 1693-752X
