Penelitian dilakukan secara eksperimental dengan melakukan pengukuran terhadap parameter pengeringan dan penyusutan selama proses pengeringan. Adapun, metode pengeringan yang diterapkan pada penelitian ini adalah pengeringan lapisan tipis untuk bentuk datar (slab). Pengeringan lapisan tipis dilakukan dengan mengeringkan irisan singkong dalam satu lapisan, sehingga seluruh bagian bahan dapat terselimuti udara pengeringan. Dengan demikian, pengeringan lapisan tipis menyebabkan semua bagian bahan pada lapisan tersebut mengalami pengeringan secara seragam. Adapun, perlakuan pada proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong ini terdiri atas dua faktor, yaitu faktor suhu dan faktor RH.
Pada penelitian ini, karakteristik pengeringan lapisan tipis singkong yang diamati meliputi perubahan rasio kadar air irisan singkong terhadap waktu pengeringan, laju pengeringan irisan singkong terhadap waktu pengeringan, dan perubahan laju pengeringan terhadap kadar air. Data yang diperoleh kemudian digunakan untuk menentukan nilai konstanta pengeringan dan menentukan pilihan model yang sesuai untuk pengeringan lapisan tipis singkong. Selain itu, penyusutan luas permukaan irisan singkong yang terjadi selama pengeringan diamati melalui perubahan rasio area terhadap waktu dan perubahan rasio area terhadap rasio kadar air. Sedangkan keterkaitan antara karakteristik pengeringan dengan penyusutan luas permukaan irisan singkong hanya dilakukan sampai penyusunan model persamaan empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air.
3.1. WAKTU DAN TEMPAT
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Pindah Panas dan Massa serta Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB pada bulan Februari 2012 - April 2012.
3.2. BAHAN DAN ALAT
Bahan yang dipakai dalam penelitian ini adalah singkong (Manihot esculenta Crantz) yang berasal dari petani di daerah Cikarawang. Alat - alat yang digunakan antara lain: pengering laboratorium terkendali-terakuisisi, timbangan digital model AQT 200 (kapasitas 200 gram dengan ketelitian 0.01 gram), oven Ikeda Scientific SS204D, desikator, seperangkat komputer, anemometer Kanomax A541, dan webcam.
Pengering Laboratorium Terkendali - Terakuisisi
Mesin pengering laboratorium terkendali - terakuisisi memanfaatkan udara yang dipanaskan oleh elemen listrik berkapasitas 2000 W. Udara panas yang dihembuskan ke ruang pengering memiliki kelembaban relatif dan suhu yang terkontrol dan dapat diatur sesuai kebutuhan. Pengontrolan RH menggunakan humidifier. Udara panas yang basah dari ruang air heater akan didorong oleh blower ke dalam ruang pengering. Apabila suhu dan RH yang dicapai lebih tinggi dari
setpoint, maka dilakukan pembuangan kalor dan pembuangan uap air melalui dehumidifier yang
memiliki efek pendinginan dan pengembunan. Pengontrolan kondisi pengeringan dilakukan dengan kondisi PID dengan akurasi suhu 1 C dan RH 2 % sesuai dengan standar (ASABE 2006).
13 Kondisi pengeringan yang dapat dilakukan berada pada selang suhu 30 C - 80 C dan RH 20 % - 90 %. Kecepatan aliran udara bervariasi dari (0.1 – 1) m/detik. Kecepatan udara yang masuk ke dalam ruang pengering yang berdimensi 35 cm x 35 cm x 35 cm dapat diatur dengan menarik atau mendorong tuas secara manual pada bagian flow controller.
Pengendali utama dari mesin pengering ini menggunakan dua buah mikrokontroler AVR dari Atmel untuk merealisasikan fungsi yang ingin dicapai. Adapun beberapa sensor yang digunakan pada mesin ini yaitu, (1) suhu dan kelembaban, menggunakan SHT15 dari Sensirion dan (2) timbangan digital, menggunakan timbangan digital A&D seri GF-3000 dengan kapasitas maksimum 3 kg (termasuk baki bahan), dengan ketelitian 0.01 gram.
Gambar 4. Skema sistem fungsional pengering laboratorium
3.3. PROSEDUR PERCOBAAN
Kegiatan penelitian ini terdiri atas beberapa tahapan, yaitu persiapan bahan, persiapan peralatan, pengoperasian mesin pengering, dan pengambilan data.
3.3.1. Persiapan Bahan
Persiapan bahan dilakukan berdasarkan pengolahan pascapanen singkong yaitu, proses pengupasan, pencucian, pengirisan, dan blanching. Singkong yang sebelumnya telah dikupas kulit arinya, kemudian dicuci dan diiris melintang dengan ketebalan sekitar 3 mm. Lalu, irisan singkong tersebut direndam dalam air bersuhu 90 C selama 5 menit sebelum dilanjutkan dengan proses pengeringan.
14
3.3.2. Pengoperasian Alat
Pada setiap percobaan, alat pengering dihidupkan sekitar setengah hingga satu jam sebelum percobaan dimulai untuk menstabilkan ruang pengering sesuai dengan kondisi percobaan yang diinginkan. Kondisi percobaan pengeringan lapisan tipis singkong yang dilakukan adalah pada level suhu 40, 50, 60, dan 70 C dengan kondisi RH 30, 40, 50, dan 60 %, serta laju udara pengering (0.5 - 0.7) m/detik. Kondisi percobaan yang dilakukan pada penelitian ini dijelaskan pada Tabel 2, dimana perlakuan pada proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong terdiri atas dua faktor, yaitu faktor suhu dan faktor RH.
Tabel 2. Kondisi percobaan pengeringan lapisan tipis singkong
Suhu RH 30 % 40 % 50 % 60 % 40 C 50 C 60 C 70 C = dilakukan
Massa, suhu, dan kelembaban udara pengering dimonitor secara kontinu dan direkam datanya setiap 5 menit selama percobaan. Perubahan massa sampel diukur langsung secara otomatis dengan menggunakan timbangan digital GF-3000 A&D (kapasitas sampai dengan 3000 gram dengan ketelitian 0.01 gram). Pada saat penimbangan, blower akan mati sehingga tidak ada udara yang masuk ke ruang pengering. Percobaan dihentikan setelah massa sampel konstan. Data massa, suhu, dan kelembaban yang terekam, dicatat secara manual hingga pengeringan berakhir.
Demikian juga perekaman citra diukur setiap 5 menit dengan kamera yang ditempatkan pada bagian atas pengering dengan jarak sekitar 15 cm dari bahan. Selama pengeringan berlangsung, citra irisan singkong direkam secara konsisten oleh komputer dengan resolusi 640 x 480 pixels; faktor skala dari 36 cm2 sama dengan 61297 pixels. Citra irisan singkong yang telah direkam, kemudian disimpan dalam bentuk .jpeg dan dikumpulkan menjadi sebuah arsip (file). Secara umum, pemrograman pengolahan citra dibedakan menjadi dua, yaitu program tunda, dimana program yang dibuat melakukan manipulasi dan analisis citra yang sudah direkam atau disimpan dalam bentuk file sebelumnya yang langsung ditangkap kamera. Jenis program lainnya adalah real-time program, yaitu program yang menangkap citra, memindahkan bingkai ke dalam memori komputer, melakukan analisis, dan menghasilkan citra lain tergantung tujuannya.
3.3.3. Pengambilan Data
Pada pengujian menggunakan pengering laboratorium terkendali - terakuisisi ini, parameter yang diukur meliputi massa dan kadar air, suhu (ruang pengering dan bahan), kelembaban relatif (RH) ruang pengering, waktu pengoperasian alat, dan data perekaman citra menggunakan webcam.
15 Gambar 5. Diagram alir prosedur percobaan dan pengambilan data
3.4. ANALISIS DATA
Data - data hasil pengamatan yang diperoleh kemudian digunakan untuk menentukan: 1. Laju penurunan kadar air untuk masing - masing perlakuan
2. Hubungan perubahan rasio kadar air terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan 3. Hubungan laju pengeringan terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan
4. Hubungan laju pengeringan terhadap kadar air untuk masing - masing perlakuan
5. Model persamaan matematis yang dapat menggambarkan secara tepat karakteristik pengeringan lapisan tipis singkong
6. Hubungan konstanta pengeringan terhadap faktor suhu dan faktor RH
7. Perubahan luas permukaan sampel irisan singkong untuk masing - masing perlakuan 8. Perubahan rasio area terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan
9. Perubahan rasio area terhadap rasio kadar air untuk masing - masing perlakuan 10. Penyusunan model persamaan empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air
Persiapan peralatan
Singkong umur 9 bulan, 4-6 cm
Pengupasan dan pencucian
(10 menit) Waktu
Pengirisan dengan ketebalan sekitar 3 mm
(15 menit)
Blanching dengan air bersuhu 90 C
(5 menit)
Penimbangan massa awal bahan
(2 menit) Menstabilkan ruang
pengering sesuai kondisi percobaan 30 menit Start pengeringan Perekaman data: suhu, RH, massa tiap 5 menit Perekaman citra Analisis data pengeringan Analisis data
penyusutan Analisis data Penirisan
16
3.4.1. Analisis Data Pengeringan
1. Perhitungan Perubahan Kadar Air
Pengukuran kadar air dilakukan dengan mengukur massa bahan sesudah dikeringkan dengan menggunakan oven drying. Data hasil penimbangan massa bahan selama proses pengeringan diolah untuk mengetahui kadar air bahan selama proses pengeringan. Persamaan yang digunakan:
= (8) = (9) m = x 100 % (10) M = x 100 % (11) Penentuan kadar air untuk mendapatkan mutu singkong yang sesuai dengan standar (SNI 01-345-1994) dilakukan dengan cara menimbang dengan teliti kira - kira 5 gram sampel, kemudian menempatkannya dalam cawan porselen, silika, atau platina untuk dipanaskan dalam oven dengan suhu (105 ± 1) °C selama 5 jam. Didinginkan dalam desikator sampai tercapai suhu kamar, lalu ditimbang hasilnya. Kemudian dipanaskan lagi 30 menit dan didinginkan dalam desikator. Pekerjaan tersebut diulangi 3 - 4 kali sampai diperoleh selisih hasil penimbangan berturut-turut lebih kecil dari 0.001 gram.
Besarnya nilai kadar air yang diperoleh dari setiap percobaan, kemudian dikonversi ke dalam bentuk rasio kadar air dengan persamaan sebagai berikut:
MR =
(12)
2. Perhitungan Laju Pengeringan
Laju pengeringan selama percobaan dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: Laju Pengeringan =
(13)
dimana dan masing - masing adalah kadar air pada saat t dan kadar air pada saat t+dt (dalam kg uap air/kg bahan kering), t adalah waktu pengeringan (dalam menit), dt adalah selang waktu pengeringan (menit).
3. Pemodelan Pengeringan Lapisan Tipis
Pemodelan pengeringan lapisan tipis dilakukan dengan menentukan model persamaan yang sesuai dengan hasil uji keabsahan model. Model persamaan digambarkan pada grafik MR terhadap waktu dan membandingkannya dengan grafik hasil percobaan. Nilai k, a, dan n hasil pemodelan digunakan untuk menghasilkan nilai MR model.
17 Adapun, persamaan pengeringan lapisan tipis yang diturunkan secara semi teoritis untuk menyederhanakan penyelesaian persamaan difusi dan pengeringan. Beberapa model persamaan yang digunakan dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Tabel 3. Model matematika pengeringan lapisan tipis
No Model Persamaan
1 Lewis MR = = exp (- kt)
2 Henderson & Pabis MR =
= a exp (- kt)
3 Page MR =
= exp (- ktn)
Ketiga model dipilih sebagai pembanding dengan data percobaan karena model - model tersebut merupakan model yang umum digunakan untuk menggambarkan karakteristik pengeringan lapisan tipis dan merupakan penyederhanaan model teoritis yang diperoleh dari persamaan difusi (Hukum II Fick). Dimana MR (moisture ratio) mewakili data kadar air, M merupakan kadar air saat t pengeringan berlangsung, M0 merupakan kadar air awal, Me adalah kadar air keseimbangan, k adalah konstanta pengeringan, serta n dan a adalah konstanta.
Konstanta - konstanta dari model pengeringan lapisan tipis kemudian ditentukan secara eksperimental dari penormalisasian kurva pengeringan, kemudian dievaluasi berdasarkan koefisien determinasinya (R2). Konstanta pengeringan (k) merupakan suatu besaran yang dapat digunakan sebagai indikator seberapa cepat proses pengeringan dapat berlangsung pada suatu bahan. Menurut Wartono (1997), konstanta pengeringan (k) merupakan suatu besaran yang menyatakan tingkat kecepatan air atau massa air untuk terdifusi keluar meninggalkan bahan yang dikeringkan.
Berikut adalah bentuk persamaan model Lewis yang dinormalisasi
ln (MR) = - kt (14)
dan bentuk persamaan dari model Henderson & Pabis
ln (MR) = - kt + ln a (15)
dimana, k dan a berturut - turut ditentukan sebagai slope dan intercept dari ln (MR) terhadap waktu (t). Pada persamaan Lewis, intercept diatur sama dengan 0.
Sedangkan bentuk persamaan model Page yang dinormalisasi
ln [-ln (MR)] = ln (k) + n ln (t) (16)
dimana, k dan n berturut-turut ditentukan sebagai intercept dan slope dari ln [-ln (MR)] terhadap ln (t). Pemodelan yang dilakukan dalam hal mengetahui perilaku pengeringan dari produk pertanian yang berbeda - beda sering memerlukan metode statistikal yang berupa analisis regresi dan analisis korelasi (Yadollahinia et al. 2008). Adapun, model regresi linier dan non lnier dapat menjadi suatu
tools yang penting untuk menemukan hubungan diantara variabel - variabel yang berbeda, terutama
yang tidak mempunyai hubungan secara empiris. Oleh karena itu, data percobaan yang diperoleh akan dianalisis menggunakan regresi secara linier dan non linier dengan harapan koefisien - koefisien pada persamaan empiris (Tabel 3) diperkirakan dapat memposisikan secara tepat untuk data hasil pengeringan percobaan.
Kriteria pembanding yang dipakai untuk menentukan model persamaan yang terbaik selain koefisien determinasi (R2), yaitu reduced chi - square χ2, root mean square error (RMSE) (Yadollahinia et al. 2008; Shen et al. 2011). Nilai R2 digunakan sebagai kriteria pembanding untuk menentukan ketepatan model. Reduced chi - square merupakan kuadrat rata - rata dari penyimpangan
18 antara hasil percobaan dengan hasil perhitungan model. Nilai RMSE merupakan deviasi antara nilai prediksi dari model dengan nilai hasil percobaan. Semakin tinggi nilai R2 dan semakin rendah nilai
reduced chi - square χ2, root mean square error (RMSE) maka model akan semakin tepat. Kriteria pembanding tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
R2 = (17) χ2 = (18) RMSE = (19)
dimana: MRexp,i merupakan rasio kadar air percobaan ke-i; MRpre,i merupakan rasio kadar air model ke-i; mrexp adalah nilai rata - rata dari rasio kadar air percobaan; mrpre adalah nilai rata - rata dari rasio
kadar air model; N adalah jumlah pengamatan; z adalah jumlah konstanta dalam model pengeringan. Analisis regresi linier dan non linier dilakukan dengan bantuan Microsoft Excel spreadsheet (Microsoft Office 2007).
19 Gambar 6. Bagan alir proses analisis data pengeringan untuk setiap perlakuan
Mulai
Perhitungan kadar air
M = x 100 %
= MR =
Penentuan nilai k dan konstanta n, a (pendekatan model Lewis, Henderson &
Pabis, Page)
MR Lewis MR H & P MR Page
MR: MR Lewis MR: MR H & P MR: MR Page
R2, χ2, RMSE (Lewis) R2, χ2, RMSE (H & P) R2, χ2, RMSE (Page)
Jika R2 mendekati 1; χ2 dan RMSE mendekati 0 ya Tidak Model Terbaik Selesai Bukan model terbaik
20
3.4.2. Analisis Data Penyusutan
Adanya penyusutan pada bahan mengindikasikan bahwa terjadi pengecilan dimensi volume, luas permukaan, ataupun ketebalan. Penyusutan luas permukaan sampel irisan singkong tersebut diamati dan direkam menggunakan webcam yang dihubungkan ke komputer. Hasil citra irisan singkong yang telah direkam tersebut kemudian dianalisis menggunakan MATLAB 7.1 Release 14 (The MathWorks, Inc.). Analisis ini dilakukan terhadap area atau luas permukaan bahan. Berikut ini merupakan diagram alir dari proses pengolahan citra dengan menggunakan MATLAB 7.1 Release 14 (The MathWorks, Inc.):
Gambar 7. Diagram alir proses pengolahan citra
Data hasil pengolahan citra tersebut kemudian dihitung untuk mendapatkan nilai penyusutan luas permukaan sampel irisan singkong yang terjadi selama pengeringan berlangsung.
S = (20)
Kemudian disusun berdasarkan model empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air. Pada penelitian ini, model penyusutan luas permukaan menggunakan persamaan linier dengan persamaan sebagai berikut:
= C1 + C2
(21)
Mulai
Membaca dan menampilkan citra pertama
Ekstraksi nilai pixel red, green, and blue (RGB)
Membuat citra dengan background yang seragam
Konversi citra ke citra biner
Menyimpan data citra biner ( .jpeg) dan data area (pixels) pada sebuah file dan menutup semua citra
yang telah dikonversi
Apakah semua citra sudah terkonversi? Selesai ya Tidak Membuka citra selanjutnya
21