PENDEKATAN TEORITIK
D. Energi proses dekafeinasi dengan pelarut asam asetat
Proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal terdiri dari dua tahapan proses. Tahap pertama adalah pengembangan volume biji kopi dengan proses pengukusan (steaming). Tahap kedua adalah proses pelarutan kafein dari
dalam biji kopi dengan metode pengurasan (leaching). Energi panas merupakan
faktor utama yang sangat menentukan laju peningkatan volume biji dan pelarutan kafein pada proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal. Proses dekafeinasi akan berlangsung efisien jika energi panas yang dihasilkan oleh sumber panas, yaitu kompor bertekanan (burner) berbahan bakar LPG tesedia
Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai efisiensi panas pada proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal berkisar antara 63-77% tergantung pada suhu pelarut dan lama proses dekafeinasi (Lampiran 4). Dengan semakin tinggi suhu pelarut, maka eneji panas yang harus dibangkitkan oleh sumber panas harus semakin tinggi. Namun demikian, dengan semakin tinggi energi panas yang dibangkitkan, efisiensi panas dari proses dekafeinasi semakin menurun (Gambar 32). Hal tersebut menunjukkan bahwa perpindahan panas yang berlangsung lebih lambat pada suhu yang rendah akan berdampak pada pemanfaatan panas yang lebih efisien. Pada proses pengukusan, suhu air meningkat secara perlahan, mengubah fase cair menjadi fase uap, bersentuhan dengan permukaan biji, masuk ke dalam pori-pori biji dan mengembangkan biji dengan interval yang relatif tetap per satuan waktu.
Hal sebaliknya terjadi pada proses pemanasan dengan menggunakan suhu yang lebih tinggi. Pada tahap awal, energi panas yang dibangkitkan oleh sumber panas dapat dimanfaatkan secara maksimum. Namun pada saat suhu biji mendekati suhu air (proses pengukusan) dan suhu pelarut (proses pelarutan), maka penyerapan energi panas akan berlangsung relatif lambat sehingga energi panas yang tersedia tidak termanfaat secara maksimal. Selain itu, energi panas yang hilang akan lebih besar dengan semakin tinggi suhu permukaan reaktor kolom tunggal. Untuk meningkatkan efisiensi proses dapat dilakukan dengan menginsulasi permukaan ekstraktor dan pengendalian pembakaran LPG dalam
burner bertekanan pada saat kadar air biji kopi telah mendekati kejenuhan dan
pengendalian proses agar berlangsung pada suhu pelarut yang tepat. Laju pembakaran dikendalikan dengan mempertahankan debit bahan bakar pada suhu proses yang telah ditetapkan.
Penggunaan burner bertekanan dengan bahan bakar LPG untuk proses
penyangraian biji kopi dalam mesin sangrai tipe silinder horisontal telah dilakukan oleh Mulato (2002) dengan nilai efisiensi pembakaran mencapai 95%. Produksi panas pembakaran LPG akan mendekati nilai maksimum karena kesamaan fase dengan oksigen dan mobilitas yang tinggi sehingga proses pencampuran akan berlangsung cepat dan merata yang menyebabkan proses pembakaran berlangsung lebih sempurna (Smith & Van Ness, 1985).
% % % % % % & ( , #- . +! ! !
Gambar 32. Efisiensi proses dekafeinasi dengan pelarut asam asetat pada beberapa suhu dan konsentrasi pelarut
/ 0 " 1 " % &1 2 %% % 3 0 & % % & ( , #- . ! 4 % % . +! ! ! ."# $ ! ." ! ! .+! ! !
Gambar 33. Energi observasi, energi prediksi dan efisiensi dekafeinasi pada konsentrasi pelarut asam asetat 50%
Tabel 3. Persamaan regresi efisiensi proses dekafeinasi Konsentrasi
pelarut, %
Persamaan regresi R2 Nilai puncak,
% 10% Y = -0.6655X2 + 2.4459X + 71.961 0.9855 70.43 30% Y = -0.664X2 +2.443X +71.935 0.9865 70.41 50% Y = -0.3421X2 – 0.2759X + 77.37 0.9878 74.58 80% Y = -0.432244X2 +0.3998X + 76.532 0.9852 73.64 100% Y = -0.4257X2 + 0.3499X + 76.563 0.9847 73.19
Tabel 3 menampilkan persamaan regresi yang menghubungkan antara nilai suhu pelarut terhadap efisiensi proses prediksi dari beberapa tingkatan konsentrasi pelarut. Persamaan regresi yang terbentuk berupa persamaan kuadratik dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa konsentrasi pelarut 50% akan menghasilkan nilai efisiensi proses tertinggi, yaitu 74.58%. Nilai koefisien determinasi (R2) sebesar 0.9878 menunjukkan bahwa persamaan tersebut cukup valid untuk memprediksi efisiensi proses.
Model Matematik Proses Dekafeinasi Biji Kopi
Dekafeinasi kopi merupakan proses ekstraksi padat-cair, dan kadar kafein terlarut sangat tergantung pada waktu proses. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa laju pelarutan kafein dari dalam biji kopi ke pelarut maupun penambahan kadar kafein ke dalam pelarut akan mengikuti persamaan eksponensial Arrhenius sebagaimana dilaporkan Doran (1995), Mulato et al. (2004), Espinoza-Perez et al.
(2007) dan Widyotomo et al. (2009). Selain bentuk bulat (sperichal) dan lempeng
(slab), biji kopi dapat diasumsikan dalam bentuk elipsoidal. Namun, model
matematika kinetika kafein selama proses ekstraksi phase padat-cair dalam biji kopi dengan asumsi bentuk elipsoidal belum pernah dilakukan. Kesetimbangan materi dan energi mutlak terjadi dalam proses tersebut sebagai fungsi suhu dan konsentrasi pelarut yang ditentukan oleh lamanya waktu proses.
Model mekanistik untuk ekstraksi kafein harus meliputi perhitungan difusi kafein di dalam biji biji, konveksi kafein pada kondisi batas pelarut dan padatan dalam hal ini permukaan biji kopi, dan hubungan kesetimbangan yang terjadi antara konsentrasi kafein dalam biji kopi dan pelarut. Perpindahan senyawa kafein dari dalam massa bahan berbentuk bulat (spherical) memiliki hambatan internal
yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan hambatan eksternal. Berdasarkan hal tersebut laju perpindahan massa kafein dapat diprediksi dengan persamaan difusi kondisi tak mantap (unsteady-state) yang dikontrol oleh mekanisme difusi
sebagaimana ditampilkan pada persamaan (3.1) dan (3.2).
Solusi analitis untuk profil konsentrasi keadaan tak mantap cA (r, t)
diperoleh dengan teknik pemisahan variabel (Gambar 12). Rincian solusi analitik dalam koordinat bundar telah dijabarkan oleh Crank (1975), Saravacos &
Maroulis (2001), Welty et al. (2001) dan Anderson et al. (2003) sebagaimana
ditampilkan pada persamaan (3.5), (3.6) dan (3.11). Solusi analitis ini dinyatakan sebagai suatu penjumlahan deret infinit yang konvergen bila “n” mendekati takhingga. Namun, konvergensi ke suatu nilai numerik tunggal sulit dicapai dengan melakukan penjumlahan deret, terutama jika nilai parameter tak berdimensi Dk.t/R2 relatif kecil.
Metode pengurasan (leaching) atau ekstraksi zat padat (solid extraction)
merupakan mekanisme yang digunakan dalam reaktor kolom tunggal untuk mengeluarkan (ekstraksi) senyawa kafein dari dalam partikel padat biji kopi. Pada proses pengurasan, kuantitas zat mampu larut (soluble) yang dapat dikeluarkan
umumnya lebih banyak dibandingkan dengan proses pengurasan filtrasi biasa. Pelarutan senyawa kafein terjadi dengan mekanisme pengurasan atau mengalirnya senyawa pelarut melalui rongga-rongga dalam hamparan biji kopi yang tidak teraduk. Metode tersebut dilakuan dalam sistem batch di dalam silinder
tegak tunggal yang memiliki dasar berlubang yang berfungsi untuk mendukung zat padat tetapi masih dapat melewatkan pelarut keluar (McCabe et al., 1999).
Persamaan (3.12) digunakan untuk menentukan laju pengurasan (leaching) yang
terbukti mampu menggambarkan kinetika proses ekstraksi sistem padatan-cairan dalam hal ini larutan kafein-biji kopi di mana kafein akan diekstrak dari biji kopi.
