Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari tiga jenis bahan utama, yaitu :
1. Biji kopi pasar jenis Robusta tingkat mutu IV (Gambar 13) yang berasal dari kebun percobaan Kaliwining yang berlokasi di Kabupaten Jember, Jawa Timur dengan ketinggian tempat 45 m dpl, dan beriklim C-D menurut klasifikasi Schmit & Ferguson. Metode pengolahan yang diterapkan oleh kebun percobaan Kaliwining adalah pengolahan kering (dry process) dengan kadar air biji kering antara13-14%.
2. Air
3. Larutan asam asetat teknis dengan konsentrasi 10%, 30%, 50%, 80% dan 100%.
4. Buah kakao jenis lindak yang sehat dan telah matang (Gambar 14)
Alat yang digunakan dalam kegiatan penelitian ini adalah :
1. Alat utama yang digunakan adalah reaktor kolom tunggal yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses dekafeinasi (Gambar 16 dan 17). Reaktor kolom tunggal dirancangbangun di Laboratorium Pascapanen, Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia. Reaktor dibuat dari bahan aluminium tebal 2 mm dan memiliki ukuran diameter dan panjang masing-masing 300 mm dan 1200 mm. Ruang di dalam reaktor kolom tunggal dibagi dalam 2 kompartemen. Kompartemen atas berfungsi menampung biji kopi yang akan diproses dengan ukuran dimensi panjang dan diameter masing-masing 350 mm dan 300 mm. Kompartemen bawah berfungsi untuk menampung air atau pelarut dengan ukuran dimensi panjang dan diameter masing-masing 800 mm dan 300 mm. Sumber panas yang digunakan adalah kompor bertekanan (burner) berbahan bakar LPG (Liquid Petroleum Gas). Pompa sirkulasi memiliki laju aliran atau debit fluida cair sebesar 1566 liter/jam yang berfungsi untuk mensirkulasi air atau pelarut dari kompartemen penampung air atau pelarut ke kompartemen penampung biji kopi. Sketsa reaktor kolom tunggal ditampilkan pada Gambar 15 dan 16.
2. Alat pendukung terdiri dari seperangkat komputer untuk membangun model matematik dan optimasi proses dekafeinasi, data acquisition FLUKE dengan sensor Ni-Cr Ni tipe K yang berfungsi sebagai pencatu suhu dilengkapi seperangkat komputer dengan penyimpan data, jangka sorong, jam kendali (stopwatch), pH meter, gelas ukur, Gas Chromatography, oven, timbangan analitis dan lain-lain.
Gambar 13. Biji kopi (green beans) jenis Robusta
Gambar 14. Buah kakao jenis lindak (bulk cocoa)
(a) (b)
35
Gambar 17. Reaktor kolom tunggal
Prosedur Produksi Limbah Cair Fermentasi Biji Kakao dan Pelarut Tersier Pulpa Kakao
Tahapan produksi limbah cair fermentasi biji kakao dan pelarut tersier pulpa kakao ditampilkan pada Gambar 18. Deskripsi prosedur produksi limbah cair fermentasi biji kakao dan pelarut tersier pulpa kakao adalah sebagai berikut : Limbah cair fermentasi biji kakao
Buah kakao yang sehat dan telah matang dipecah dengan menggunakan pemukul kayu atau dengan cara memukulkan buah kakao yang satu dengan yang lainnya (Gambar 14). Biji kakao basah dipisahkan dari bagian plasenta dan kulit buahnya (Gambar 15.a). Biji kakao diperam dalam peti fermentasi kotak dangkal (shallow boxes method) selama 48 jam, dan kemudian dilakukan proses pengadukan. Cairan yang keluar dari peti fermentasi ditampung dalam wadah bersih. Proses pemeraman dilanjutkan selama 72 jam. Cairan yang keluar dari peti fermentasi ditampung kembali dalam wadah bersih. Limbah pemeraman berupa cairan diambil dari satu siklus proses fermentasi biji kakao lindak yang diperam selama 5 hari, dengan proses pembalikan dilakukan satu kali setelah 48 jam proses pemeraman berlangsung. Cairan (limbah cair) segera dikumpulkan dan
37
diambil setelah proses fermentasi selesai. Tahapan proses ditampilkan pada Gambar 18. Analisis laboratorium menunjukkan bahwa limbah cair hasil fermentasi biji kakao mengandung senyawa asam asetat sebesar 1.32% (v/v). Pelarut tersier pulpa kakao
Pelarut tersier pulpa kakao diperoleh melalui tahapan proses sebagaimana ditampilkan pada Gambar 18. Buah kakao lindak hasil panen yang sehat dan telah matang dipecah (Gambar 14), selanjutnya biji kakao basah dipisahkan dari bagian kulit buah dan plasentanya (Gambar 15.a). Pulpa atau lendir yang menempel dipermukaan biji basah dipisahkan dari bagian bijinya dengan menggunakan mesin pemeras lendir (cocoa depulper) (Atmawinata et al., 1998). Pulpa kakao (Gambar 15.b) sebanyak 20 kg diperam dalam wadah bersih selama 48 jam, kemudian dilakukan pengadukan. Pemeraman pulpa dilanjutkan selama 72 jam, kemudian ditambahkan larutan H2SO4 pekat sebanyak 0.05% (v/v) dan
pengadukan dilakukan untuk meratakan pencampuran larutan H2SO4 dalam pulpa
kakao. Pemeraman pulpa dilanjutkan selama 24 jam, dan kemudian dilakukan proses pemisahan antara bagian serat dari bagian cairnya yang kemudian disebut sebagai pelarut tersier pulpa kakao. Analisis laboratorium menunjukkan bahwa pelarut tersier pulpa kakao mengandung senyawa etanol dan asam asetat masing- masing sebesar 1.63% (v/v) dan 0.22% (v/v).
! "# $%$&' ()(
"
Gambar 18. Proses produksi limbah cair fermentasi biji kakao dan pelarut tersier pulpa kakao
39
Prosedur Penentuan Proses Dekafeinasi Biji Kopi Robusta Dalam Reaktor Kolom Tunggal
Tahapan ini dilaksanakan di Laboratorium Teknologi Pascapanen, Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia. Proses dekafeinasi dilakukan terhadap biji kopi (green beans) Robusta tingkat mutu IV yang telah dikelompokkan dalam beberapa ukuran, dipisahkan dari kotoran dan benda asing lainnya. Dengan menggunakan mesin sortasi (Widyotomo & Mulato, 2005), biji kopi dikelompokkan dalam beberapa ukuran sebagai berikut ; A1) diameter (δ) lebih
besar dari 7.5 mm; A2) diameter (δ) lebih besar dari 6.5 mm dan lebih kecil atau
sama dengan 7.5 mm; A3) diameter (δ) lebih besar dari 5.5 mm dan lebih kecil
atau sama dengan 6.5 mm; dan A4) diameter (δ) lebih besar dari dan sama dengan
5.5 mm.
Proses dekafeinasi dalam reaktor kolom tunggal dilakukan dalam dua tahapan. Tahap pertama adalah proses pengukusan (steaming) biji kopi (green
beans) dengan menggunakan uap air panas pada suhu 100oC (Gambar 19) di
dalam reaktor kolom tunggal (Gambar 16 dan 17). Proses pengukusan dilakukan terhadap biji kopi yang telah dikelompokkan berdasarkan ukuran tertentu, yaitu A1, A2, A3 dan A4. Proses pengukusan dinyatakan selesai jika selama proses
berlangsung tidak terjadi penambahan kadar air di dalam biji kopi yang signifikan. Proses pengukusan biji kopi dilakukan selama 4 jam, dan contoh biji diambil setiap interval 30 menit untuk mengetahui perubahan ukuran dimensi (panjang, lebar, tebal), peningkatan kadar air, perubahan diameter arimatik dan geometrik, perubahan sperisitas, perubahan luas permukaan, perubahan volume biji, perubahan densitas kamba. Jumlah biji kopi yang digunakan pada setiap perlakuan proses dekafeinasi dari setiap ukuran biji sebanyak 6 kg, dan volume air yang digunakan untuk setiap kali proses pengukusan (steaming) sebanyak 6 liter. Ulangan dari setiap perlakuan proses dilakukan sebanyak 3 kali. Air yang terdapat di dalam reaktor diubah menjadi phase uap dengan menggunakan sumber panas kompor bertekanan (burner) berbahan bakar LPG.
* +
,-, ."." "./,0 /.". ≤
1 ≤ 1 ≤
,2 , ,3 ,
Gambar 19. Diagram alur pegukusan (steaming) biji kopi dengan uap air, dan karakterisasi fisik biji kopi pasca pengukusan
Setelah proses pengukusan selesai, massa air dikeluarkan dari dalam reaktor dan diganti dengan pelarut. Tahap kedua adalah proses pelarutan kafein di dalam reaktor yang sama dengan menggunakan pelarut asam asetat. Proses pelarutan senyawa kafein dari dalam biji kopi dapat terjadi karena pelarut bersirkulasi secara kontinyu dengan menggunakan pompa sirkulasi ke dalam tumpukan biji (batch system). Proses pelarutan senyawa kafein dari dalam biji kopi dilakukan dengan perlakuan parameter suhu dan konsentrasi pelarut. Pada saat menggunakan pelarut asam asetat, suhu pelarut divariasi dalam 6 tingkatan, yaitu 50oC, 60oC, 70oC, 80oC, 90oC dan 100oC, dan konsentrasi pelarut terhadap air divariasi dalam 5 tingkatan, yaitu 10%, 30%, 50%, 80% dan 100%. Setiap perlakuan dilakukan ulangan proses sebanyak 3 kali. Contoh biji kopi yang telah diproses diambil setiap waktu proses (tn) untuk dilakukan analisis kadar kafein, dan cita rasa seduhannya. Waktu proses berlangsung pada nilai n sama dengan 2
41
jam, 3 jam, 4 jam, 5 jam, 6 jam, 7 jam, 8 jm, 9 jam, 10 jam, dan 11 jam. Pengamatan waktu pelarutan kafein dari dalam biji kopi dilakukan setiap interval 1 jam sampai diperoleh kadar kafein akhir dalam biji kopi sebesar 0.3% bk. Analisis energi dari proses dekafeinasi biji kopi dilakukan dari proses pelarutan dengan menggunakan senyawa asam asetat.
Gambar 20. Tahapan penelitian prosedur penentuan proses dekafeinasi Langkah pengoperasian reaktor kolom tunggal untuk proses dekafeinasi adalah sebagai berikut :
1. Kompartemen kedua diisi dengan air bersih sebanyak 6 liter 2. Kompartemen pertama diisi dengan biji kopi sebanyak 6 kg 3. Reaktor ditutup rapat
4. Kompor bertekanan (burner) berbahan bakar LPG sebagai sumber panas proses dekafeinasi dihidupkan
5. Suhu air dikondisikan pada nilai 100oC dengan cara mengendalikan panas yang dihasilkan dari kompor bertekanan
7. Contoh biji kopi diambil dengan interval waktu 30 menit 8. Proses pengukusan diakhiri setelah berlangsung selama 4 jam
9. Air dikeluarkan dari dalam reaktor dan diganti dengan pelarut asam asetat berkonsentrasi tertentu sesuai dengan yang telah ditetapkan dalam perlakuan 10.Suhu senyawa pelarut dikondisikan pada nilai yang telah ditetapkan dalam
perlakuan dengan cara mengendalikan panas yang dihasilkan dari kompor bertekanan
11.Pompa sirkulasi pelarut dihidupkan 12.Proses pelarutan kafein berlangsung
13.Contoh biji kopi diambil dengan interval waktu 60 menit
14.Pelarutan kafein dilakukan dengan lama pelarutan yang telah ditetapkan dalam perlakuan
15.Proses pelarutan kafein diakhiri sesuai dengan interval waktu pengamatan 16.Contoh kopi terdekafeinasi diambil dari dalam reaktor untuk dianalisis
17.Langkah 1-14 diulang untuk setiap perlakuan, dan contoh biji kopi pasca pelarutan di ambil pada setiap interval waktu pengamatan
Tolok ukur yang digunakan untuk analisis perubahan sifat fisik biji kopi selama proses pengukusan dan analisis energi selama proses dekafeinasi adalah sebagai berikut :
a. Kadar air
Kadar air biji kopi basis basah (b.b) selama proses pengukusan ditentukan dengan menggunakan metode gravimetri, yaitu pengurangan bobot biji selama 16 jam pengeringan oven yang terkontrol pada suhu 103°C + 2°C, dan perhitungannya dilakukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Brooker et al., 1974) :
(
)
x100% W W W K i t i a − = (4.1)Dalam hal ini Ka adalah kadar air (%), Wi adalah berat awal biji (g), Wt
43
b. Diameter rerata aritmatik dan geometrik
Diameter rerata aritmatik (da) dan diameter rerata geometrik (dg) dapat
dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Mohsenin, 1978; Dursun & Dursun, 2005) : 3 b b b a T L P d = + + (4.2)
(
)
1/3 b b b g P xL xT d = (4.3)Dalam hal ini Pb adalah panjang biji (mm), Lb adalah lebar biji (mm), dan
Tb adalah tebal biji (mm)
c. Sperisitas
Sperisitas (Φ) adalah hubungan antara suatu dimensi dengan dimensi yang lain dari suatu benda yang mendekati bentuk bulat atau bola. Sperisitas (Φ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan yang diberikan oleh Mohsenin (1978) serta Jain & Ball (1997) sebagai berikut :
(
)
b b b b L T x L x P 1/3 = φ (4.4) d. Luas permukaanLuas permukaan (S) biji kopi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Jain & Ball, 1997; McCabe et al., 1986) :
2 g d x S=π (4.5) e. Volume
Volume (V) biji kopi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Mohsenin, 1978) :
6 b b bxL xT P x V=π (4.6) f. Densitas kamba
Densitas kamba atau bulk density (ρb) dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut (Mohsenin, 1978) :
V mbk b=
Dalam hal ini ρb adalah densitas kamba (kg/m3), mbk adalah bobot sekumpulan biji kopi (kg), dan V adalah volume sekumpulan biji kopi dalam wadah (m3)
g. Kadar kafein
Pengukuran kadar kafein dilakukan dengan menggunakan HPLC, dan GC MS. Pompa HPLC Shimadzu model Lc-9A dengan detektor shimadzu model spd- GA (UV spectrophotometric detector). Sistem injeksi menggunakan Loop (water
717 plus autosampler). Contoh 20µl diset pada tingkat sensitivitas 0.01 AUFS menggunakan panjang gelombang serapan maksimum. Serapan maksimum untuk senyawa kafein adalah 276 nm (Ky et al., 2001; Ky et al, 1997; Williams, 1999). Penentuan kadar kafein (% berat kering atau %bk) dilakukan dalam empat tahap, yaitu persiapan larutan standard kafein, persiapan sampel, persiapan kolom, dan pengukuran (Tejasari et al., 2010; Ky et al., 2001; Ky et al, 1997; Williams, 1999).
g.1 Persiapan larutan standard
100 mg kafein (USP anhydrous) dimasukkan ke dalam 100 ml labu ukur, ditambah kloroform, dilarutkan dan ditera sampai batas volume (larutan 1 mg/ml). 10 ml larutan diencerkan 1/10nya dengan penambahan 100 ml kloroform (larutan 100 µg/ml). Selanjutnya encerkan lagi 10, 20 dan 15 ml larutan di atas menjadi 100, 100 dan 150 ml dengan kloroform untuk mendapatkan konsentrasi standard 10, 20 dan 30 µg kafein/ml. Tentukan kurva hubungan antara konsentrasi dan absorbansi pada spektrofotometer (λ=276 nm), dan kloroform sebagai referensi.
g.2 Persiapan sampel
Sampel dimasukkan ke dalam 100 ml beaker glass, ditambah 5 ml NH4OH,
dipanaskan di atas penangas air yang mendidih selama 2 menit. Larutan didinginkan, dipindahkan ke dalam labu ukur 100 ml, dan ditera sampai batas volume dengan H2O. Ambil 5 ml aliquot dan ditambah 6 g celite 545 dan
dicampur sampai merata.
Selanjutnya dipakai pada lapisan II pembuatan kolom basa.
Persiapan kolom asam : glasswool diletakkan di dasar kolom ukuran 2.5×2.5 cm. Sejumlah 3 g celite 545 ditambahkan 3 ml 4N H2SO4 , diaduk dengan
45
spatula sampai menjadi adonan. Adonan dipindahkan ke dalam kolom dan dipadatkan dengan tekanan kecil. Lembaran glasswool (atau kertas saring) ditempatkan di atas celite.
g.3 Persiapan kolom basa
Lapisan I : sejumlah 3 g celite dicampur dengan 2 ml 2N NaOH, dan ditempatkan pada kolom. Lapisan II : setiap penambahan 2 g campuran sampel dan celite ditempatkan di atas lapisan I, diratakan dan ditekan secara berurutan sampai semua sampel berada di atas lapisan I, kompak dan homogen. Elusi dan bilas (kering) wadah beaker dengan 1 g celite dan dituangkan di atas lapisan II.
g.4 Pengukuran
Kolom basa ditumpangkan di atas kolom asam. Sejumlah 150 ml diethyl ether jenuh dengan H2O dilewatkan pada kolom basa lalu pada kolom asam dan
buang larutannya, lalu lepaskan kolom basa. Sejumlah 50 ml diethyl ether jenuh dilewatkan pada kolom asam, dan cairannya dibuang. Sejumlah 48 ml kloroform jenuh dilewatkan secara bertahap pada kolom asam. Kolom basa dicuci dengan mencelupkan ujung kolom ke dalam cairan yang keluar dari kolom asam tersebut. Dilanjutkan dengan sisa kloroform jenuh air sampai habis. Lalu ditera dengan penambahan kloroform jenuh air ke dalam labu dan dikocok. Kuantifikasi kafein berdasarkan absorbansi pada 276 nm dengan referensi kloroform jenuh air. Lakukan scanning pada 350-250 nm. Kadar kafein dihitung sebagai sepersepuluh konsentrasi absorbansi.
h. Uji cita rasa
Uji citarasa kopi minimal dilakukan oleh 3 panelis ahli dengan gambaran tingkat penilaian 0 (none), 1 (low), 2 (low-medium), 3 (medium), 4 (medium-high) dan 5 (high) untuk sensoris aroma, flavor, bodi dan bitterness. Untuk finish
appreciation (FA) gambaran tingkat penilaian 0 (undrinkable), 1 (very bad), 2
(bad), 3 (acceptable), 4 (good) dan 5 (very good). Tahapan uji cita rasa kopi rendah kafein hasil proses pelarutan kafein dalam reaktor kolom tunggal dengan pelarut air, asam asetat, limbah cair fermentasi biji kakao dan pelarut tersier pulpa kakao adalah sebagai berikut (Atmawinata, 2001) :
h.1 Persiapan panelis
Koordinasikan pelaksanaan uji dengan para panelis, minimum jumlah panelis sebanyak 3 orang
h.2 Persiapan contoh
1. Ambil cuplikan contoh secara random sebanyak 120 g
2. Beri kode sesuai nomor analisa. Hindari memberikan informasi terhadap identitas asal contoh sebelum pengujian.
3. Panaskan alat mesin sangrai sampai suhu 175oC, dan untuk kopi Robusta gunakan suhu sangrai 175oC. Sangrai biji kopi sampai tingkat sangrai sedang (medium roast).
4. Biji kopi pasca sangrai digiling sampai pada tingkat kehalusan 120 mesh. h.3 Persiapan sarana uji
1. Siapkan laboratorium uji
2. Siapkan mangkuk uji, beri kode contoh dan setiap contoh dilakukan 3 ulangan.
3. Siapkan sendok uji, air kumur, tissue, dan form isian hasil uji yang sesuai 4. Masukkan 10 g contoh bubuk kopi ke dalam mangkuk yang disediakan 5. Didihkan air penyeduh
h.4 Pelaksanaan uji cita rasa
1. Informasikan kepada panelis bahwa persiapan telah selesai
2. Jika panelis sudah siap, tuangkan 150 ml air mendidih ke dalam mangkuk yang sudah berisi contoh
3. Panelis menguji dan mengisi data uji dalam form yang telah disediakan h.5 Kompilasi data
1. Kompilasikan data uji dalam form yang sudah diisi oleh panelis
2. Cetak data hasil rekapitulasi dan serahkan kepada Koordinator panelis untuk diperiksa kebenaran pemindahan dan penghitungan data
h.6 Pembuatan laporan hasil uji
1. Setelah diperiksa koordinator panelis, pindahkan data ke Laporan Hasil Uji
47
i. Energi
Selain analisis terhadap biji kopi selama proses dekafeinasi dengan pelarut asam asetat, juga dilakukan analisis kebutuhan energi untuk proses pengukusan (steaming) dan pengurasan (leaching) dengan menggunakan persamaan- persamaan sebagai berikut :
i.1 Energi pengukusan teoritis (Qsteaming, kJ) evaporasi kopi air conv reaktor g stea Q Q Q Q Q Q min = + + + + (4.8)
1. Energi untuk memanaskan reaktor (Qreaktor, kJ)
T Cp
m
Qreaktor= reaktor× reaktor×∆ (4.9)
Dalam hal ini mreaktor adalah massa reaktor (kg), Cpreaktor adalah panas spesifik reaktor (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu reaktor (oC).
2. Energi untuk memanaskan air (Qair, kJ)
T Cp m
Qair= air× air×∆ (4.10)
Dalam hal ini mair adalah massa air yang dipanaskan (kg), Cpair adalah
panas spesifik air (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu air (oC)
3. Energi untuk memanaskan biji kopi (Qkopi, kJ)
T Cp
m
Qkopi= bk× kopi×∆ (4.11)
Dalam hal ini m adalah massa biji kopi yang dipanaskan (kg), Cpkopi
adalah panas spesifik kopi (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu biji kopi (oC)
4. Energi untuk proses penguapan air (Qevaporasi, kJ)
air fg air evaporasi m h
Q = × . (4.12)
Dalam hal ini mair adalah massa air yang menguap (kg), dan hfg.air adalah
panas laten penguapan air (kJ/kg)
5. Energi panas hilang melalui dinding reaktor (konveksi) (Qconv, kJ)
T h
A
Qconv= reaktor× conv×∆ (4.13)
Dalam hal ini Areaktor adalah luas selimut reaktor (m2), hconv adalah koefisien panas hilang (kJ/kg. oC ), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu reaktor (oC)
i.2 Energi pengukusan aktual (Qsteaming-aktual, kJ) LPG g stea LPG aktual g stea m h Q min − = − min × (4.14)
Dalam hal ini mLPG-steaming adalah massa gas LPG yang dikonsumsi selama proses pengukusan (kg), dan h-LPG adalah kapasitas panas gas LPG (52 000 kJ/kg).
i.3 Energi pelarutan teoritis (Qleaching, kJ)
pump conv kopi pelarut reaktor leaching Q Q Q Q Q Q = + + + + (4.15)
1. Energi untuk memanaskan reaktor (Qreaktor, kJ)
T Cp
m
Qreaktor= reaktor× reaktor×∆ (4.16)
Dalam hal ini mreaktor adalah massa reaktor (kg), Cpreaktor adalah panas
spesifik reaktor (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu reaktor (oC).
2. Energi untuk memanaskan pelarut (Qpelarut, kJ)
T Cp
m
Qpelarut= pelarut× pelarut×∆ (4.17)
Dalam hal ini mpelarut adalah massa pelarut yang dipanaskan (kg), Cppelarut
adalah panas spesifik pelarut (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu pelarut (oC)
3. Energi untuk memanaskan biji kopi (Qkopi, kJ)
T Cp
m
Qkopi= bk× kopi×∆ (4.18)
Dalam hal ini m adalah massa biji kopi yang dipanaskan (kg), Cpkopi
adalah panas spesifik kopi (kJ/kg.oC), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu biji kopi (oC)
4. Energi panas hilang (Qconv, kJ)
T h
A
Qconv= reaktor× conv×∆ (4.19)
Dalam hal ini Areaktor adalah luas selimut reaktor (m2), hconv adalah koefisien panas hilang (kJ/kg. oC ), dan ∆T adalah beda suhu lingkungan dan suhu reaktor (oC)
5. Energi untuk pompa sirkulasi pelarut (Qpump)
leaching pump
pump P t
Q = ×. (4.20)
Dalam hal ini Ppump adalah daya pompa sirkulasi (kW), dan tleaching adalah waktu proses pelarutan (jam)
49
i.4 Energi pelarutan aktual (Qleaching-aktual, kJ) LPG leaching LPG aktual leaching m h Q − = − × (4.21)
Dalam hal ini mLPG-leaching adalah massa gas LPG yang dikonsumsi selama proses pelarutan (kg), dan h-LPG adalah kapasitas panas gas LPG (52 000 kJ/kg).
i.5 Efisiensi proses pengukusan (Eff-steaming)
% 100 min min min = × − − aktual g stea g stea g stea ff Q Q E (4.22)
i.6 Efisiensi proses pelarutan (Eff-leaching)
% 100 × = − − aktual leaching leaching leaching ff Q Q E (4.23)
Dalam hal ini Qsteaming adalah jumlah energi teoritis untuk proses pengukusan (kJ), Qleaching adalah jumlah energi teoritis untuk proses pelarutan (kJ), Qsteaming-aktual adalah jumlah energi aktual untuk proses pengukusan (kJ), Qleaching adalah jumlah energi aktual untuk proses pelarutan (kJ), Eff-steaming adalah efisiensi proses pengukusan (%), dan Eff-leaching adalah efisiensi proses pelarutan (%).
j. Penurunan kafein pada lapisan tipis biji kopi
Analisis penurunan kafein juga dilakukan terhadap 5 lapis biji kopi yang diproses dengan menggunakan pelarut air. Proses dekafeinasi dilakukan terhadap biji kopi (green beans) Robusta tingkat mutu IV yang telah dikelompokkan dalam beberapa ukuran, dipisahkan dari kotoran dan benda asing lainnya. Dengan menggunakan mesin sortasi (Widyotomo & Mulato, 2005), biji kopi dikelompokkan dalam beberapa ukuran sebagai berikut ; A1) diameter (δ) lebih
besar dari 7.5 mm; A2) diameter (δ) lebih besar dari 6.5 mm dan lebih kecil atau
sama dengan 7.5 mm; A3) diameter (δ) lebih besar dari 5.5 mm dan lebih kecil
atau sama dengan 6.5 mm; dan A4) diameter (δ) lebih besar dari dan sama dengan
5.5 mm. Ketebalan setiap lapisan terdiri dari 2-3 butir biji kopi.
Proses diawali dengan tahapan pengukusan (steaming) biji kopi selama 1.5 jam agar diperoleh pengembangan biji yang maksimum, dan dilanjutkan dengan
pelarutan kafein dengan menggunakan air pada suhu 60oC, 70oC, 80oC, 90oC, dan 100oC. Proses pengukusan dan pelarutan dilakukan terhadap biji kopi yang telah dikelompokkan berdasarkan ukuran tertentu, yaitu A1, A2, A3 dan A4. Waktu
proses berlangsung pada nilai n selama 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam, 5 jam, 6 jam, dan 7 jam. Pengamatan waktu pelarutan kafein dari dalam biji kopi dilakukan setiap interval 1 jam. Ulangan dari setiap perlakuan proses dilakukan sebanyak 3 kali. Perubahan kadar kafein dihitung per lapisan biji dan diplotkan dalam bentuk grafik.
Pengembangan Model Matematik Waktu (t-0,3) Dekafeinasi Biji Kopi
Rangkaian kegiatan penelitian selanjutnya adalah pengembangan model matematis waktu proses dekafeinasi biji kopi Robusta dalam reaktor kolom tunggal dengan metode pengurasan (leaching). Pengembangan model dilaksanakan di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan dan Hasil Peranian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Beberapa persamaan yang mendiskripsikan proses pelarutan kafein telah dilakukan oleh Welty et al. (2001), Hulbert et al. (1998), Udaya-Sankar et al. (1983), Bichsel (1979) dan Bird et al. (1960). Mekanisme pelarutan senyawa kafein dalam reaktor kolom tunggal merupakan proses pengurasan atau pengurasan (leaching) (Mulato et al., 2004) dan persamaan (3.14) dari Geankoplis (1983) dapat digunakan untuk memprediksi waktu pelarutan dengan metode pengurasan (leaching).
Beberapa asumsi yang diambil dalam proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal adalah sebagai berikut :
a) Proses dekafeinasi diasumsikan terjadi dalam siklus tertutup tanpa adanya massa yang hilang.
b) Pelarutan kafein berlangsung seragam (homogen) dalam setiap lapisan biji kopi.
c) Biji kopi diasumsikan sebagai benda bulat sempurna sehingga pelarutan kafein di dalam biji kopi berlangsung seragam (homogen) dalam radius yang sama.
51
Waktu prediksi (t-prediksi) pelarutan kafein yang diperlukan untuk mencapai kadar kafein akhir 0.3% bk (t-0.3) dapat dijabarkan sebagai berikut :
− − − = − − 3 . 0 3 . 0 ln . . 0 1 A AS p p L prediksi c c V A k t (4.24)
Pada persamaan (4.24), nilai koefisien laju perpindahan massa (kL) sangat dipengaruhi oleh nilai difusivitas kafein (Dk) sebagaimana dijabarkan dalam persamaan (3.22). Difusivitas senyawa kafein (Dk) merupakan variabel penting dalam proses pelarutan. Nilai difusivitas (Dk) dalam proses pelarutan kafein biji kopi menggunakan reaktor kolom tunggal merupakan fungsi suhu pelarut (T) dan konsentrasi pelarut (c). Diasumsikan bahwa tekanan dalam reaktor selama proses pelarutan berlangsung adalah tetap.
Untuk menentukan nilai difusivitas (Dk) dapat dilakukan dengan menggunakan metode grafik sebagai berikut (Sutarsih et al., 2009):
(
k t)
a R cA. g= .exp− f. (4.25) ) ( . ln ) . .( ln cARg = a− kf t (4.26)Ploting rasio kadar kafein ln cA.Rg terhadap waktu (t) merupakan laju
pelarutan kafein (kf). Karena nilai koefisien laju pelarutan kafein merupakan fungsi dari konsentrasi (c) dan suhu pelarut (T) yang secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut :
