Simulasi Karakteristik Pengeringan Beku Daging Sapi Giling

SIMULASI KARAKTERISTIK

BEKU DAGING

GILING

(Simulation Study on Freeze-drying

of Mashed

Armansyah

H.

,

ABSTRACT

Drying characteristic of a particular product is important in analyzing the appropriateness of the drying method for the product. This is especially important for freeze drying, which is known as the most expensive drying method, asideji-om its good drying quality. The objectives of this experiment are to develop a computer simulation program using

a

retreating drying-front model for predicting freeze drying characteristics of mashed especially for the influence of sublimation temperature and thermal conductivity.

In this work, a quasi steady state analysis was used to describe the heat and mass transfer and movement of the sublimationji-ont during the secondary drying period. A mathematical model was used in a simulation to determine changes in water fraction, thickness of dried layer and

distribution in the dried zone. of the model indicated. the of the model to predict freeze drying characteristics.

Keywords: freeze drying, mashed meat, computer simulation, retreating front model

Untuk menghindari kerugian besar, akibat kesalahan dalam

Pengeringan beku dikenal dengan keunggulan mutu

pengeringannya. Akan tetapi biaya modal dan biaya yang tinggi menyebabkan metoda pengeringan ini hanya digunakan untuk produk- produk ekonomi tinggi. Disarnping itu, kesalahan pemilihan metoda pengeringan dan kondisi operasinya dapat memberi mengakibatkan kerugian bahkan kerusakan bahan yang dikeringkan.

penerapan dan pengoperasian, perlu dilakukan penelaahan rinci terhadap karakteristik pengeringan beku suatu produk tertentu. Penelaahan secara eksperimental (percobaan) memerlukan biaya tinggi dan waktu yang cukup lama, disamping tidak praktis untuk dilakukan oleh para perekayasa di industri. Untuk itu,

perlu model yang

digunakan mensimulasi dan menggambarkan secara karakteristik pengeringan beku.

14, No. 1, April 2000

Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan dan

model permukaan bergerak

(retreating pada proses

simulasi karakteristik pengeringan beku daging sapi giling.

A. Mekanisma Pengeringan

Pengeringan beku merupakan suatu pengeringan yang umumnya terdiri tiga

yaitu pembekuan, pengeringan primer pengeringan sekunder. Air dalam dibekukan, dan selanjutnya dilepaskan dengan sublimasi pada bertekanan

(vakum). Proses sublimasi terjadi pada suhu dan tekanan titik triple, yaitu suhu O°C dan tekanan 6 10 Pa (Garnbar ). Kebutuhan sublimasi adalah sebesar 2.78 kilo joule per gram es.

61 0 Pa

pada pengeringan beku

Gambar 1. Diagram P-T air

B. Model Permukaan (Retreating Front Model)

Mekanisma pindah dan massa di dalam bahan selama proses sublimasi ditunjukkan pada Gambar 2. Model yang pada dapat disebut sebagai

Model Permukaan Bergerak (retreating model).

ini, permukaan sublimasi dianggap bergerak lapis demi lapis dari permukaan terluar hingga

bahan. Permukaan sublimasi ini akan membatasi secara tegas

kering (di bagian dari

beku (di bagian dalam) bahan. Model pada Gambar 2 adalah untuk lempeng hingga dengan perpindahan dan massa satu arah.

I

A A . .-. .

Gambar 2. Retreating Front Model pada proses

beku

Asumsi yang digunakan pada model ini adalah:

-

Permukaan sublimasi seragam dari permukaan menuju bahan.

-

Pengeringan berlangsung dalam kondisi tunak semu

state). Perubahan suhu dan tekanan dalam bahan dan pergerakan permukaan sublimasi dapat diabaikan.

-

Distribusi suhu dan tekanan sepanjang kering dianggap linier, sedangkan suhu

beku dianggap seragam dan sama dengan suhu permukaan sublimasi.

dan massa pada model diatas adalah seperti berikut:

jenis bahan (c,) dianggap dan sebanding dengan kadar air bahan. Bagian pertama dari persamaan menunjukkan besarnya

yang dikonduksikan melalui kering, dan bagian kedua besarnya yang diserap oleh kering

Laju sublimasi

oleh perbedaan antara tekanan uap di bahan kering uap pada permukaan beku (permukaan sublimasi), seperti pada persamaan (2). Besarnya yang diperlukan untuk sublimasi adalah perkalian antara laju dengan

sublimasi.

sublimasi dapat dihubungkan dengan pengeringan, sebagai berikut:

Tekanan keseimbangan uap air dengan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

-

2445.6

+

8.23 1 T,

-

0.01 + 1.205 x

-

6.757

C. Model

persamaan pada model dilakukan dengan mengintegrasi persamaan

sehingga diperoleh:

dimana X adalah fraksi air tersisa, yang dapat didekati dengan persamaan berikut:

Berdasarkan fraksi air tersisa tersebut, dapat ditentukan laju pergerakan kering sebagai berikut:

= -

X)L

Pemecahan persamaan (5) menghasilkan persamaan

yang nyatanya merupakan fraksi air tersisa.

Laju pengeringan dapat dinyatakan dalam bentuk laju pergerakan kering per waktu. Penentuan pengeringan dilakukan dengan

data secara numerik (Gambar sehingga diperoleh persamaan untuk laju pergerakan kering seperti

pada dan (8b)

masing-masing untuk kondisi dan selainnya.

Gambar 3.

14. No.

+

- 2At) - Af)] 2At

dan

+

At)

-

- At)]

dt 2At

Pendugaan suhu bahan dilakukan dengan menentukan posisi relatif kering dan beku

(If)

terhadap tebal awal bahan, puda tertentu (s)

berikut (Lombrana dan 1996):

yang menghasiikan suhu,

sehingga,

HASIL

DAN

A. Validasi Model

model

dengan membandingkan data hasil pengukuran (Widodo, 1996) dengan hasil simulasi pada kondisi yang sama. Data masukan yang digunakan pada simulasi adalah sebagai berikut:

Ketebalan awal bahan (L) = mm

Diameter (D) = 53 mm

(dt) = 5

konduktivitas bahan kering 0.0686

bahan kering (K)

Massa awal bahan = 0.02 173 kg bahan = 0.00543 kg

Tekanan kerja (P,) = 1.33 Pa

Suhu permukaan = Suhu beku =

Data masukan yang

asikan simulasi adalah, suhu permukaan sublimasi

konduktivitas kering bahan Gambar 4 dan Gambar 5 masing-masing menunjukkan

massa bahan dan pergerakan kering antara hasil pengukuran (Widodo, 1996) dengan hasil pendugaan inelalui proses siinulasi.

Gambar 4. Perbandingan massa bahan antara hasil pengukuran dengan hasil pendugaan

Gambar 5. Perbandingan pergerakan kering bahan antara hasil pengukuran dengan hasil pendugaan

Penurunan massa hasil kecenderungan yang sama dengan

sebesar yang

pengukuran dengan pendugaan. Koefisien determinasi yang

adalah sebesar yang

jukkan kemampuan model dalam dan menduga keadaan sesungguhnya (hasil pengukuran).

Pembandingan yang

terhadap suhu permukaan, suhu bagian tengah dan suhu bagian bawah bahan masing-masing menunjukkan

sebesar dan

detenninasi sebesar

dan 9 Berdasarkan pendekatan statistik tersebut, dapat disimpulkan bahwa model

keeratan pada kisaran hingga dan dapat digunakan untuk menduga keadaan sesungguhnya dengan ketepatan pada kisaran hingga

B.

PENGERINGAN BEKU DAGING GILING

Karakteristik pengeringan beku dapat dinyatakan bentuk

pengeringan selama proses.

1. Suhu Bahan

Pada Gambar 6 ditunjukkan hasil simulasi suhu bahan pada tiga lokasi (permukaan, tengah dan bawah) selama proses pengeringan beku dengan suhu permukaan terkendali pada 30, 40 dan C. Gambar memperlihatkan bahwa jika suhu permukaan dikendalikan pada kenaikan suhu bahan cenderung lebih

daripada jika dikendalikan pada 40°C dan Sebagai akibatnya, yang diperlukan untuk menyelesaikan

Gambar 6.

suhu bahan dari ke bawah: suhu bagian tengah dan bawah) dengan suhu permukaan terkendali pada 40°C dan 50°C.

proses pengeringan lebih panjang. Pada saat suhu tengah bahan mencapai suhu permukaan

telah mencapai kondisi

semu, yang dapat dianggap sebagai salah parameter keberhasilan pengeringan.

Vol. 14, No. 1, April 2000

berlangsung pada kondisi

(unsteady state). Akan tetapi pada selang tertentu, kondisi dapat dianggap sebagai aliran semu (quasi-steady j, yaitu sejak painya suhu permukaan terkendali hingga periode pengeringan primer berakhir. Tipologi profil suhu bahan

I I

Wakt

Gambar 7. Tipologi suhu pada proses pengeringan beku

selama pengeringan beku ditunjukkan pada Gambar 7, yang sekaligus menggarnbarkan terjadinya

seran sublimasi dari permukaan ke bahan.

Hasil simulasi dengan peubah nilai konduktivitas (antara 0,0686 hingga 0,1000 menunjukkan

bahan dari luar ke front sublimasi. selanjutnya digunakan untuk proses sublimasi, sehingga juga laju sublimasi.

sebelumnya, diketahui bahwa konduktivitas kering berpori bahan selama pengeringan beku juga dipengaruhi oleh tekanan kerja pada ruang pengeringan. Dengan demikian, pengendalian laju pengeringan dapat juga dilakukan dengan mengendalikan tekanan dalam ruang pengering.

2. Laju pengcringan

Pada laju

pengeringan dalam tiga terminology, yaitu laju penurunan massa, laju penurunan kadar air dan laju pergerakan kering.

Gambar 8

penurunan massa bahan berdasarkan ketiga perlakuan suhu permukaan.

massa bahan pada suhu permukaan sublimasi 50°C cenderung lebih cepat karena beda suhu antara permukaan kering dan permukaan sublimasi besar, sehingga laju perpindahan yang

adanya hubungan yang erat antara konduktivitas bahan dengan waktu pengeringan. Waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proses pengeringan bahan bernilai konduktivitas lebih adalah lebih daripada sebaliknya. Atau dengan kata lain, nilai 0

konduktivitas pada o

kering bahan berbanding

terhadap waktu pengeringan. _{Gambar 8. Grafik}

massa bahan pada suhu sublimasi menunjukkan laju perambatan

diperlukan untuk sublimasi lebih besar.

Uap air yang oleh proses sublimasi selanjutnya dikeluarkan dari bahan dengan penneasi melalui

dipengaruhi oleh laju sublimasi, penurunan kadar air juga dipengaruhi oleh laju

yang ditunjukkan dengan uap air

Pada pengeringan

peristiwa sublimasi dapat diikuti oleh peristiwa ablimasi secara simultan. Ablimasi adalah peristiwa perubahan uap air menjadi es karena udara

lebih jenuh

permukaan sublimasi. Peristiwa ablimasi terjadi karena uap air hasil subliniasi tidak segera dikeluarkan dari kering untuk

sasikan pada permukaan perangkap Peristiwa ini dapat

babkan terjadinya proses rekristalisasi yang diketahui akan mempengaruhi mutu pengeringan.

Sejalan dengan penurunan bahan mengalami penurunan kadar air ditunjukkan pada

Gambar 9. penurunan kadar air bahan pada suhu sublimasi 40°C dan 50°C

Gambar 9. Gambar

bahwa waktu yang diperlukan untuk menurunkan kadar air bahan hingga kisaran 2

sampai 5 yang merupakan kisaran kadar air bahan yang diharapkan dari proses pengeringan beku, berbanding terbalik dengan suhu permukaan terkendali yang Suhu pennukaan kendali tanipak berpengaruh terhadap kelandaian kadar air pada tahap

Pergerakan kering berbanding dengan air bahan berbanding terbalik dengan kadar air (Gambar 10). Pergerakan kering pada suhu 50°C, lebih cepat dibandingkan dengan suhu kendali

sehingga waktu yang diperlukan

untuk seluruh

lebih cepat.

Gambar 10 menunjukkan bahwa untuk mencapai ketebalan kering setengah dari ketebalan seluruh bahan diperlukan waktu pcngeringan yang lebih dibandingkan waktu yang

0

Gambar 10. Pergerakan

Vol. 14, No. 1, April 2000

mencapai ketebalan kering hingga bahan menjadi kering.

Sebagaimana

pengaruh nilai menunjukkan

yang sama dengan perlakukan suhu permukaan. laju pengeringan dengan

konduktivitas

Bada awal pengeringan hingga proses berlangsung penurunan

massa bahan dan

berlangsung landai hingga akhir pengeringan.

Hasil simulasi pengaruh nilai konduktivitas kering terhadap laju pengeringan menunjukkan yang nyata. Hal ini mendapat

karena

nilai konduktivitas yang tinggi dapat memberikan laju pengeringan yang tinggi pula

DAN

1. pendekatan statistik, model yang dikembangkan penelitian ini dapat dianggap valid dengan koefisien korelasi

hingga

dan determinasi antara hingga

2. Hasil simulasi menunjukkan suhu kendali

permukaan dapat meningkatkan laju pengeringan. Sedangkan, konduktivitas mesikipun menunjukkan lcecenderungan yang sama belum

pengaruh yang nyata pada kisaran nilai 0,0686

-

0,1000

S D. B. Smith. 1963. Freeze Drying of Foodstuffs. Columbine Press, Ltd., Manchester.

King, C. 1971. Freeze Drying Of Food. CRC, The Chemical Rubber Co., Cleveland-Ohio Lombrana dan J. 1996.

Eksperimental Estimation Of Effective Transpor

In Freeze Drying For

And Optimization Purposes. J. Drying Technol,

763

Widodo, M., Tambunan, A.H., 1996. Penentuan Nilai Konduktivitas Dan Permeabilitas Uap Air Pada Daging Sapi Giling Selama Proses Pengeringan Beku Bul. Teknik Pertanian Vol. 10 52-60.