Sifat Termofisik Buah Mangga
Kadar air merupakan banyaknya air yang terkandung per satuan berat dari bahan tersebut. Kadar air tidak berpengaruh secara langsung terhadap tingkat ukuran dimensi pada mangga, tingkat kadar air dipengaruhi oleh tingkat kematangan dari suatu buah. Pada saat buah mangga masih dipohon maupun setelah dipanen, buah mangga masih mengalami transpirasi yaitu proses pelepasan air dari buah, tapi pada saat buah semakin matang organisasi pada sel buah mangga terganggu sehingga transpirasi semakin berkurang yang mengakibatkan kadar air semakin tinggi. Adapun pada tabel 1 dimana pada tabel tersebut, mangga dengan ukuran besar memiliki kadar air paling besar yaitu 86.21%, mangga ukuran sedang 84.55% dan mangga ukuran kecil 82.82% dimana semakin besar ukuran mangga maka kadar air semakin tinggi, hal ini disebabkan karena ketiga mangga tersebut berada pada tingkat kematangan yang sama, dimana seharusnya pada tingkat kematangan yang sama kadar air pada mangga tersebut memiliki kadar air yang sama tapi karena ada perbedaan ukuran maka mangga yang memiliki ukuran yang lebih besar memiliki tingkat kadar air yang lebih tinggi. Tabel 1 Sifat termofisik buah mangga gedong gincu pada berbagai tingkat ukuran
dimensi Tingkat Ukuran Dimensi KA %bb Cp kJ/kgoC k Watt/moC ρ kg/m3 α m2/menit Kecil 82.82 3.65288 0.5563026 532.96 0.000286 Sedang 84.55 3.71170 0.5648316 520.72 0.000292 Besar 86.21 3.76814 0.5730153 530.94 0.000286
Cp atau kalor jenis menunjukan berapa banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Semakin besar ukuran mangga maka massa mangga pun semakin besar, pada kondisi dimana kalor yang diberikan sama pada berbagai ukuran mangga, maka untuk menaikkan suhu pada mangga yang memiliki massa paling besar dibutuhkan kalor jenis (Cp) yang lebih
20
besar pula untuk mencapai suhu capaian. Sehingga dapat dilihat pada tabel 1 bahwa mangga ukuran besar memiliki kalor jenis yang paling besar yaitu 3.76814 kJ/kgoC, sehingga dapat dikatakan bahwa semakin besar ukuran mangga maka semakin besar pula nilai kalor jenisnya (Cp). K atau konduktivitas menunjukan kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas. Suatu bahan semakin besar nilai konduktivitasnya maka akan semakin baik menghantarkan panas. Pada saat perlakuan panas, kalor yang mengalir pada mangga dengan berbagai ukuran dimensi memiliki jumlah kalor yang sama, bila melihat pada persamaan 1, kalor berbanding terbalik dengan jarak atau ketebalan, dimana semakin besar jarak atau ketebalan suatu bahan maka kalor yang mengalir pada benda tersebut akan semakin kecil dikarenakan penyebaran dan pemerataan suhu, tapi pada saat perlakuan panas jumlah kalor yang mengalir pada mangga berbagai ukuran dimensi, kalor yang mengalir memiliki jumlah yang sama, mangga ukuran besar memiliki ketebalan yang paling besar yaitu 0.0275m tapi pada mangga tersebut mengalir kalor dengan jumlah yang sama dengan mangga ukuran kecil dengan ketebalan 0.0231m dimana seharusnya jumlah kalor yang mengalir pada mangga ukuran besar lebih kecil dibandingkan dengan mangga ukuran kecil, ini disebabkan karena mangga ukuran besar memiliki konduktivitas panas yang lebih besar.
Massa jenis merupakan perbandingan massa terhadap volume suatu benda. Dari hasil pengukuran, massa jenis mangga gedong gincu dengan pengukuran menggunakan metode Apparent Density, massa jenis untuk mangga ukuran kecil 532.96 kg/m3, mangga ukuran sedang 520.72 kg/m3, dan mangga ukuran besar 530.94 kg/m3. Secara nyata perbedaan ukuran pada mangga gedong gincu tidak berpengaruh pada massa jenis gedong gincu bila dilihat dari hasil pengukuran, massa jenis pada mangga lebih dipengaruhi oleh tingkat kematangan buah. Rohadianti (2008) dalam skripsinya menyatakan bahwa pada umumnya semakin matang mangga maka massa jenis akan semakin menurun. Hal tersebut dikarenakan terdapat peristiwa penguapan pada zat-zat volatile ketika buah mangga semakin matang yang mengakibatkan penurunan massa daging buah. Massa jenis pada buah mangga dipengaruhi oleh tebal serat daging buah, semakin tebal serat daging buah maka massa buah akan semakin besar. Untuk varietas yang sama, pada mangga gedong gincu memiliki karakteristik tekstur buah yang sama sehingga pada berbagai ukuran pun massa jenis mangga gedong gincu akan sama.
Bahan yang mempunyai nilai konduktivitas panas yang tinggi atau kapasitas panas yang rendah akan dengan jelas mempunyai nilai difusivitas panas yang besar (Cengel 2003). Tapi dari hasil pengukuran ratio antara konduktivitas panas dan kapasitas panas memiliki nilai rataan ratio yang sama sedangkan massa jenis yang merupakan faktor pembagi juga memiliki nilai rataan yang sama, sehingga nilai difusivitas panas pada mangga gedong gincu memiliki nilai rataan yang sama.
Penyebaran Suhu Buah Selama Proses Vapor Heat Treatment
Simulasi penyebaran suhu buah dan pendugaan lama proses perlakuan uap panas menggunakan program “penyebaran suhu pada bola” yang dibuat oleh Puspitojati (2003) yang digunakan untuk menduga penyebaran suhu pada buah
21 alpukat. Program tersebut dimodifikasi dan diperbaiki sehingga sesuai digunakan untuk menduga lama proses dan penyebaran suhu perlakuan uap panas pada buah mangga gedong gincu. Pada gambar 5 dibawah ini, merupakan tampilan awal dari program penyebaran suhu pada mangga gedong gincu, program ini disusun dan didesain dengan menggunakan program visual basic 6.0.
Gambar 5 Tampilan Awal Program Penyebaran Suhu pada Mangga Gedong Gincu
Pada program ini terdapat 4 (empat) command button dan 6 (enam) text box
yang digunakan sebagai data inputan. Command button terdiri dari command button Hitung, Grafik, Sebaran Suhu dan Selesai. Command button Hitung berfungsi untuk memulai proses perhitungan, command button Grafik berfungsi untuk membuka jendela grafik sebaran suhu seperti pada gambar 6, command button Grafik ini baru bisa digunakan bila command button Hitung sudah ditekan,
command button Sebaran Suhu berfungsi untuk membukan jendela sebaran suhu seperti pada gambar 7 dan command button Selesai berfungi untuk menutup program.
22
Gambar 6 Tampilan Grafik Program Penyebaran Suhu pada Mangga Gedong Gincu
Gambar 7 Tampilan Tabel Sebaran Suhu Program Penyebaran Suhu pada Mangga Gedong Gincu
23 Data nilai inputan yang diperlukan adalah suhu mangga gedong gincu sebelum dilakukan proses heat treatment (Tbhn), suhu media/chamber (Tmedia), dimensi buah mangga gedong gincu, massa jenis mangga gedong gincu (ρ), kadar air mangga gedong gincu (KA bb%), difusivitas panas mangga gedong gincu (α), selang waktu (∆t) dan koefisien udara (h). Untuk suhu mangga gedong gincu sebelum dilakukan proses heat treatment (Tbhn) dianggap sama yaitu 29.0oC dan suhu media/chamber (Tmedia) adalah 47.0oC. Dimensi buah mangga gedong gincu, massa jenis mangga gedong gincu (ρ) dan kadar air mangga gedong gincu (KA bb%) didapat dari hasil pengukuran. Difusivitas panas difusivitas panas mangga gedong gincu (α) didapat dari hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan 2, dan untuk koefisien udara (h) dengan menggunakan persamaan 20, 21, 22 dan 23 sedangkan untuk perhitungan nilai koefisien udara dapat dilihat pada Lampiran 2.
... (20) ... (21) ... (22) ... (23) Nilai input pada mangga gedong gincu ukuran kecil, sedang dan besar dapat dilihat pada tabel 2 dan output hasil program dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 2 Input program penyebaran suhu pada buah mangga gedong gincu
Ukuran Mangga Gedong Gincu Tebal (m) Suhu Bahan (oC) Suhu Media (oC) Massa Jenis (kg/m3) KA bb % Difusifitas Panas (m2/menit) Koefisien Konveksi Udara (W/m2 o C) Kecil 0.0231 29 47 532.96 82.82 0.00029 124.32 Sedang 0.0247 29 47 530.72 84.55 0.00029 121.34 Besar 0.0275 29 47 530.94 86.21 0.00029 118.70
Nilai inputan yang terdapat dalam tabel 2 diproses mengikuti alur pada diagram aliran penyebaran suhu pada mangga gedong gincu gambar 4 sehingga didapat hasil seperti pada tabel 2. Cp atau kalor jenis merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius, sedangkan k konduktivitas menunjukan kemampuan suatu bahan menghantarkan panas. Fo atau fourier number merupakan rasio dari diffusifitas atau tingkat laju difusi panas dengan jarak perpindahan panas yang terjadi pada suatu bahan sehingga semakin tebal suatu bahan maka semakin kecil nilai Fo (fourier number) seperti terlihat pada tabel 3 nilai difusifitas panas pada mangga memiliki nilai yang sama yaitu 0.00029 m2/menit sehingga bila tebal bahan semakin besar maka nilai Fo semakin kecil, nilai Fo mangga ukuran besar 0.383 dan mangga ukuran kecil
T D g GRD =ççèæ ÷÷øö 3D 2 2 m br 9 4 10 10 <GRDPR < D k Nu h D D = 4 1 2 Pr 952 . 0 Pr 53 . 0 ÷÷ ø ö çç è æ + = D D GR Nu
24
0.0543. M memiliki nilai berbanding terbalik dengan Fo dimana M=1/Fo yaitu rasio dari jarak perpindahan panas yang terjadi pada suatu bahan dengan diffusifitas atau tingkat laju difusi panas. Sehingga pada tingkat diffusifitas yang sama, bahan yang memiliki memiliki ketebalan paling besar memiliki nilai M yang besar pula seperti terlihat pada tabel 3 dimana mangga ukuran kecil memiliki nilai M adalah 18.4003 sedangkan mangga ukuran besar memiliki M adalah 66.0776.
Tabel 3 Output program penyebaran suhu pada buah mangga gedong gincu
Ukuran dt (menit) Cp (J/kgoC) k (W/moC) M Fo Bi Waktu (menit) Kecil 0.1 3652.88 9.41 18.4003 0.0543 0.3052 40.6 Sedang 0.1 3711.70 9.52 21.0376 0.0475 0.3148 45.7 Besar 0.1 3768.14 9.67 66.0776 0.0383 0.3376 54.1
Bi atau biot number merupakan rasio antar tahanan dalam dan luar, rasio ini akan menentukan apakah suhu yang berada pada bagian dalam dari suatu bahan akan berubah secara signifikan pada saat permukaan bahan tersebut diberikan panas, karena itu nilai biot number tidak boleh lebih dari 1 karena bila nilai biot number lebih dari 1 artinya resistasi tahan luar lebih besar dari tahan dalam sehingga panas yang diberikan pada permukaan bahan sulit untuk merambat kebagian dalam bahan, pada tabel 3 nilai biot number mangga kecil, sedang dan besar adalah 0.3052, 0.3148 dan 0.3376 dari nilai biot number ini dapat dikatakan bahwa perpindahan panas yang terjadi selama proses vapor heat treatment cukup baik karena nilainya mendekati 0, dan untuk mangga ukuran besar memiliki nilai
biot number yang paling besar, walaupun nilai konduktivitas bahannya paling besar 9.67 W/moC dan koefisien konveksi udara pada media/chamber (hmedia) paling kecil 118.70 W/m2oC, mangga ukuran besar memiliki tebal yang selisihnya cukup besar dibandingkan dengan mangga ukuran kecil dan sedang, sehingga dapat dikatakan bahwa ketebalan bahan (dx) dari suatu bahan sangat mempengaruhi nilai biot number, dimana semakin besar ketebalannya maka semakin besar pula biot number.
Tabel 4 Rataan Suhu Suhu Media/Chamber pada saat Perlakuan Panas Metode Vapor Heat Treatment
Ulangan 1 oC Ulangan 2 oC Ulangan 3 oC Rataan oC
Suhu Bak Air 60.7 57.6 57.6 58.7
Suhu Control 1 51.2 51.5 51.5 51.4
Suhu Control 2 49.9 47.7 47.7 48.4
Suhu Control 3 45.4 48.7 48.7 47.4
Rataan suhu
25
Gambar 8 Penempatan Suhu Control Media/Chamber pada saat Perlakuan Panas Vapor Heat Treatment
Secara garis besar pada gambar 9-17 dapat dilihat bahwa grafik yang dibentuk dari hasil plot sebaran suhu pada saat mangga gedong gincu diberi perlakuan panas VHT nilainya fluktuatif, hal bisa disebabkan pengkondisian suhu media sehingga terjadi fluktuatif, selain itu tidak menutup kemungkinan pada saat
hybrid recorder merekam nilai suhu pada detik dan titik tertentu mengalami galat sejenak yang disebabkan termokopel yang terpasang goyang.
Gambar 9 Suhu permukaan buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran kecil.
Pada gambar 9, 12, dan 14 dapat dilihat bahwa suhu akhir dari pengukuran tidak menyentuh suhu akhir pada pendugaan. Pada gambar 9 yaitu suhu permukaan pada mangga ukuran kecil, walaupun terdapat selisih waktu capaian yaitu untuk pengukuran mangga kecil 39.3 menit sedangkan pada pendugaan 40.6 menit yang memungkinkan suhu akhir pada suhu permukaan pengukuran lebih besar dibandingkan suhu akhir pada suhu permukaan pendugaan, tetapi perbedaan
Mangga Kecil Mangga Sedang Mangga Besar Control 1 Control 2 Control 3
26
tersebut seharusnya tidak terlalu signifikan karena hanya berbeda satu menit, pada Lampiran 3 dapat dilihat bahwa pada menit 39 suhu permukaan pada pengukuran adalah 48.2oC sedangkan suhu permukaan pada pendugaan adalah 46.1oC. Bila merancu pada gambar 8 yaitu pada penempatan suhu control media/chamber
mangga ukuran kecil penempatannya dekat dengan suhu control 1 dapat dilihat pada tabel 4 rataan suhu control 1 adalah 51.4oC sehingga perbedaan yang terjadi pada suhu akhir pada suhu permukaan antara pengukuran dan pendugaan lebih disebabkan suhu media yang terlalu panas sehingga penyebaran suhu yang terlalu cepat, yang mengakibatkan nilai suhu akhir pengukuran pada suhu permukaan lebih besar dibandingkan dengan nilai suhu akhir pendugaan.
Gambar 10 Suhu tengah buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran kecil.
Sedangkan pada gambar 12 suhu permukaan mangga ukuran sedang, tidak seperti pada mangga ukuran kecil. Waktu capaian mangga ukuran sedang pada saat pengukuran adalah 50 menit sedangkan dari pendugaan adalah 45.7 menit, sehingga hampir terjadi selisih 5 menit yang cukup signifikan membuat perbedaan suhu pada menit ke 45, dimana seharusnya suhu pada pengukuran lebih kecil dari pada suhu pendugaan dikarenakan masih membutuhkan waktu untuk suhu pusat mencapai suhu 46.0oC tapi yang terjadi adalah suhu pengukuran pada permukaan mangga ukuran sedang lebih besar dari pada suhu pendugaan, bila dilihat pada gambar 8 mangga ukuran sedang dekat penempatannya dengan suhu control 2 yang rataan suhu medianya adalah 48.4oC, bila melihat selisih suhu capaian dan rataan suhu media seharusnya suhu pada menit ke 45 untuk pengukuran bisa kuran dari 48.0oC hal ini bisa disebabkan karena adanya variable lain yang belum bisa dijelaskan. Dan untuk gambar 14 suhu pusat mangga ukuran sedang dimana dapat dilihat suhu akhir pada pusat buah mangga ukuran sedang berada dibawah suhu pendugaan, dapat dilihat di Lampiran 4 bahwa pada menit ke 45 suhu pusat dugaan sudah mencapai 46.0oC sedangkan nilai suhu pengukuran baru mencapai
27 44.8oC dan baru mencapai suhu 46.0oC pada menit ke-50. Sehingga dari sini bisa dilihat bahwa perbedaan suhu terjadi karena waktu capaian yang berbeda dimana suhu pendugaan lebih cepat 5 menit dari suhu pengukuran hal ini disebabkan karena program penyebaran suhu mangga gedong gincu masih harus disempurkan kembali, karena masih banyak variable-variable yang harus dimasukkan ke dalam program sehingga bisa mendekati hasil pengukuran.
Gambar 11 Suhu pusat buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran kecil.
28
Gambar 12 Suhu permukaan buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran sedang.
Gambar 13 Suhu tengah buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran sedang.
29
Gambar 14 Suhu pusat buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran sedang.
Gambar 15 Suhu permukaan buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran besar.
30
Gambar 16 Suhu tengah buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran besar.
Gambar 17 Suhu pusat buah hasil pengukuran dan pendugaan secara proses VHT: mangga ukuran besar.
Verifikasi Model
Model matematika diuji dengan mempelajari pangaruh perubahan peubah inputan terhadap peubah output/hasil. Besar kecilnya pengaruh perubahan peubah
31 tersebut digunakan untuk menilai batasan berlakunya model matematika tersebut. Perhitungan terhadap nilai kesalahan dilakukan dengan membandingkan besarnya suhu di masing-masing titik pengukuran dan pendugaan. Besarnya tingkat kesalahan dapat dinyatakan dalam bentuk kesalahan relative yaitu membandingkan kesalahan yang terjadi dengan nilai sebenarnya. Hasil perbandingan antar suhu pengukuran dan pendugaan dapat dilihat pada Lampiran 3 bahwa, nilai galat suhu pada tiap menit mangga ukuran kecil memiliki range
nilai galat 1-16% dengan nilai galat rata-rata total adalah 5.18%, sedangkan pada mangga ukuran sedang dapat dilihat pada Lampiran 4 yaitu nilai galat suhu memiliki range yang paling besar yaitu 1-23% dengan nilai galat rata-rata total adalah 7.61% dan pada Lampiran 5 dapat dilihat, pada mangga ukuran besar nilai galat suhu pada tiap menit memiliki range nilai galat 1-18% dengan nilai galat 5.52%.
Pada buah mangga gedong gincu ukuran kecil nilai galat suhu yang paling besar yaitu terjadi pada suhu permukaan menit ke-3 dengan nilai galat 16%, sedangkan pada suhu tengah dan pusat nilai galat suhu yang terjadi kesemuanya memiliki nilai galat dibawah 11%. Pada buah mangga gedong gincu ukuran sedang nilai galat suhu paling besar terdapat pada suhu permukaan pada menit ke-3 dengan nilai galat 2ke-3% sedangkan suhu tengah nilai galatnya dibawah 10% dan suhu pusat memiliki nilai galat dibawah 16% pada setiap menitnya. Pada buah mangga gedong gincu ukuran besar nilai galat suhu yang paling besar 18% terjadi pada menit awal simulasi sedangkan suhu tengah nilai galatnya dibawah 14% dan untuk suhu pusatnya dibawah 16%. Nilai galat yang terjadi ini bisa disebabkan oleh kurang sempurnanya model matematika, karena variable yang digunakan masih terbatas bila dibandingkan dengan nyata. Selain itu seperti terlihat pada tabel 4 untuk suhu media diberikan 3 control suhu pada setiap ulangannya dan dari hasil pengukuran dapat dikatakan bahwa penyebaran suhu pada ruang
chamber tidak merata yang mengakibatkan perbedaan suhu pada ruang chamber
di beberapa titik. Pengkondisian suhu tidak bisa dilakukan secara otomatis karena
control suhu yang terdapat pada panel control unit VHT hanya mengatur secara otomatis suhu pada bak air, bukan pada ruang chamber. Pada tabel 4 dapat dilihat bahwa untuk mendapatkan suhu media dengan range 47.0-51.0oC suhu bak air harus di-setting pada suhu 58.0oC, sulitnya men-setting suhu media mengakibatkan overheating pada perlakuan panas yang mengakibatkan perbedaan suhu pengukuran dengan suhu dugaan.