BAHAN AJAR SATUAN OPERASI I 2012

UNIVERSITAS GADJAH MADA

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN /

JURUSAN TEKNOLOGI PANGAN DAN HASIL

PERTANIAN/ S1

Jl. Flora, Bulaksumur Yogyakarta 55281 Telp: (0274) 589797; Fax: (0274) 589797

Buku 2: BAHAN AJAR DAN

ASSESSMENT

<Modul Pembelajaran Pertemuan ke 1-16>

AZAS TEKNIK PENGOLAHAN (SATOP

1)

(Semester genap/3 SKS/TPP- 1216)

oleh

Prof. Dr. Ir. Purnama Darmadji, M.Sc.

Dr. Ir. Supriyanto, MS.

Dr. Ria Millati, ST., MT.

Didanai dengan dana BOPTN P3-UGM

Tahun Anggaran 2012

BAHAN AJAR

SATUAN OPERASI 1

Bab. I PENDAHULUAN

Bab.II. DIMENSI DAN SATUAN 1. Diskripsi singkat

Bagian ini mengajarkan sistem dimensi dan satuan, analisis dimensi, dan satuan yang biasa digunakan pada besaran fisik dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian seperti pada besaran kadar air, tekanan, gaya, densitas dan sebagainya. Diajarkan pula cara konversi satuan dari salah satu sistem ke sistem satuan yang lain, dan tentang konsistensi satuan

2. Manfaat

Mahasiswa dapat memberikan ukuran besaran fisik dengan satuan yang benar, dapat melakukan konversi satuan, dan mendapatkan gambaran bahwa suatu persamaan dapat disusun dari analisis dimensi

3. Relevansi

Seorang ahli pengolahan pangan dan hasil pertanian perlu bekerja berdasarkan data kuantitatif. Besaran fisik dan sistem proses yang ditinjau perlu diketahui harga numeriknya dengan satuan yang benar. Karena terdapat beberapa sistem dimensi dan satuan yang telah dikenal pemakaianya, maka penting untuk dikeytahui masing-masing sistem dan cara konversinya

4. Learning outcomes

5. Materi Pembelajaran

Fotokopi buku R.Paul Singh Introduction to Food Engineering, Chapter 1 Toledo,RT. Fundamentals of Food Process Engineering, Chapter 2 Units and Dimensions

6. Penutup

Tes formatif dan kunci tes formatif

Petunjuk penilaian dan umpan balik

Bab.III. NERACA MASA DAN ENERJI 1. Diskripsi singkat

Bagian ini mengajarkan kepada mahasiswa membuat/menyusun kesetimbangan masa dan kesetimbangan enerji yang masuk dan meninggalkan sistem

Mahasiswa dapat mengetahui salah satu atau lebih aliran masa atau enerji yang berkurang, dan juga bisa menentukan atau menghitung jumlah aliran masa atau enerji yang diperlukan dalam suatu sistem

3. Relevansi

Dalam proses pengolahan, banyak terdapat operasi pemisahan dan pencampuran bahan, demikian pula banyak terjadi proses pemanasan dan pendinginan. Data kuantitatif yang menunjukkan jumlah masing-masing bahan masuk dan keluar sistem maupun enerji yang masuk dan keluar sistem perlu diketahui

4. Materi Pembelajaran1.14

Fotocopi buku : R.Paul Singh. Introduction to Food Engineering, Chapt 1.14 Materials Balances, chapter 1.18 Energy balance dan buku Toledo,RT. Fundamentals of Food Process Engineering, chapter 3 Materials balances, Chapter 5 Energy Balances

Bab. IV. THERMODINAMIKA 1. Diskripsi singkat

Bagian ini mengajarkan hukum kekekalan masa dan enerji, neraca enerji total, sifat uap air, terutama berkaitan dengan fungsinya sebagai sumber panas untuk pengolahan, sifat campuran udara dan uap air, siklus carnot

2. Manfaat

Mahasiswa dapat mengetahui dan menghitung kandungan panas uap air (enthalpy), menghitung panas yang bisa diberikan oleh uap air (heating value). Mahasiswa dapat mengetahui dan menghitung kelembaban udara, dan menghitung kemampuan udara membawa uap air. Sifat campuran udara dan uap air yang mengalami pemanasan dan pendinginan

3. Relevansi

Uap air banyak digunakansebagai medium pemanasan pada pengolahan karenasifatnya yang fleksibel, mudah di pindahkan dari sumber pembangkit ke tempat yang memerlukan, sehingga diperlukan pengetahuan tentang sifat-sifat uap air tersebut. Pengetahuan tentang sifat udara diperlukan dalam kaitanya dengan pengeringan bahan pangan dan pendinginan.

4. Materi Pembelajaran

Foto copi buku : R. Paul Singh, chapter 1.15 Thermodynamics

Bab.V. ALIRAN FLUIDA 1. Diskripsi singkat

Bagian ini mengajarkan mahasiswa tentang cara penanganan bahan cair (fluida) baik dalam keadaan diam maupun bahan cair dalam keadaan bergerak. Mahasiswa mengetahui sifat fluida yang Newtonian dan non Newtonian

Mahasiswa dapat menghitung tekanan yang ditimbulkan oleh bahan cair diam, dapat menghitung kecepatan aliran fluida, dapat menghitung tenaga yang diperlukan untuk mengalirkan fluida Newtonian dan non newtonian pada kecepatan yang dikehendaki.

3. Relevansi

Dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian, banyak bahan dalam bentuk cair yang perlu ditangani, dan perlu dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain, atau dialirkan dalam suatu proses dengan kecepatan tertentu. Sehingga pengetahuan tentang penanganan bahan cair baik dalam keadaan diam maupun bergerak perlu diketahu dan dipahami.

4. Materi Pembelajaran

Fotokopi buku: Toledo,RT, Fundamentals of Food Process Engineering, Chapter 6, Flow of Fluids

TINJAUAN MATA KULIAH

Deskripsi Singkat dan Status Mata Kuliah

Satop I merupakan mata kuliah dasar keteknikan untuk pengolahan pangan dan hasil pertanian yang meliputi : demensi dan Satuan, kekekalan masa dan enersi, hukum thermodinamika, sifat termodinamika air, aliran fluida, transfer panas serta transfer masa.

Kegunaan Mata Kuliah bagi Mahasiswa

Setelah mengikuti mata kuliah ini diharapkan mahasiswa sudah memahami dasar-dasar keteknikan pengolahan pangan dan hasil pertanian serta siap untuk mengaplikasikan dalam proses pengolahan pangan dan hasil pertanian seperti (heat exchanger, pemanasan evaporator, pendinginan-pembekuan, pengeringan, distilasi, kristalisasi dan adsorbsi) serta mahasiswa mampu memahami faktor-mfaktor penentu dalam proses tersebut serta mampu menghitung laju atau kecepatan proses tersebut.

Tujuan Pembelajaran

Mahasiswa mampu amemahami dan menevaluasi faktor dan laju proses secara kuantitatif.

TRANSFER PANAS 1. Deskripsi Singkat

Bagian ini mengajarkan mahasiswa untuk memahami proses perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi serta aplikasinya dalam pengolahan pangan.

2. Manfaat

3. Relevansi

Hampir semua proses pemanasan, pendinginan, pengeringan, evaporasi, sterilisasi, pasteurisasi pangan menggunakan prinsip perhitungan dari gabungan panas konduksi, konveksi dan radiasi.

4. Materi Pembelajaran

Introduction to Food Engineering R. Paul Singh, serta media online-nya.

BAB . TRANSFER MASSA

Deskripsi Singkat

Pokok bahasan transfer massa membahas peristiwa transfer massa yang merupakan prinsip dasar operasi pemisahan secara difusional seperti ekstraksi, distilasi, kristalisasi, dll. Pembahasan lebih rinci mencakup mekanisme transfer massa khususnya difusi molekuler, perhitungan nilai koefisien difusi (difusivitas) pada difusi di fasa cair, gas, dan di dalam padatan.

Pokok bahasan transfer massa diberikan pada minggu ke-14,15, dan 16.

Manfaat

Dengan mengetahui mekanisme transfer massa dan faktor-faktor yang mempengaruhinya, maka kondisi optimum proses pemisahan difusional dapat ditentukan.

Relevansi

Proses pemisahan difusional sangat penting dan banyak diaplikasikan di bidang teknologi pangan dan hasil pertanian. Pengetahuan tentang mekanisme transfer massa sangat diperlukan agar lulusan dapat memilih operasi pemisahan yang sesuai dan mampu berkomunikasi baik dengan engineer di industri untuk memecahkan permasalahan yang melibatkan operasi pemisahan difusional.

Learning Outcomes

1. Mahasiswa mempunyai kemampuan menjelaskan mekanisme transfer massa pada unit-unit operasi pemisahan dan perhitungan koefisien transfer massa (difusi)

2. Mahasiswa mempunyai ketrampilan dalam pendekatan dan penggunaan rumus dalam penyelesaian soal-soal transfer massa

Ria Millati

Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Three principles of mechanism: 1. Molecular diffusion

2. Interphase mass transfer (one-film theory) 3. Interphase mass transfer (two-film theory)

1. Molecular Diffusion

Consider the following figure:

When the partition is removed, gas A is diffused into gas B.

General formula:





dz dx D C x N N

N A

AB A

B A

where:





) time area in B ( ient of A on coeffic or diffusi y diffusivit the D B A mol mol A on mol fracti X volume mol ion concentrat total C time. area mol A N AB A A B) (A                        

Three special cases:

1. Diffusion through stagnant medium (NB = 0)





dz dx D C x N N N A AB A B A

A    . .





dz

dx x D C N A A AB A . 1 .   

Example: water evaporating into air, volatile oil evaporating into air

2. Equimolar counter diffusion (NA= -NB) Illustration:

A NB NA B





dz dx D C x N N N A AB A B A

A    . .

dz dx D C N A AB A  . .

Example: diffusion of vapor and liquid in the distillation column

3. Diffusion within dilute solution (xA  0, thus C is constant)





dz dx D C x N N N A AB A B A

dz dx D C

N A

AB A  0 . .





dz x C d D

N A

AB A

. . .  





Fick's law dz

C d D

N A

AB

A   . . ...

Note: Diffusion can occur in gases, liquids, and there is also diffusion in solids. For diffusion in solids, the the equiation follow Fick’s law.

2. Interphase mass transfer (one-film theory) for two immiscible phases System/Phase:

Solid-liquid (crystallization)

Solid-gas (sublimation, adsorption)

Illustration:

As an approximation of the mass transfer rate of A, the following equation can be applied:















A



S A g A AS y A AS x A AS c

A k C C k x x k y y k P P

N        

t A

A y P

P  .

where:

) area.time

mol A (

sfer of A mass tran

N_A 

ion of A concentrat

saturated CAS 

) (

B inliquidoringas n fluid

ion of A i concentrat

C_A 

Solid A (capable of being dissolved)

C_AS

•

C_A

Fluid B (liquid or gas) N_A

ce) s

(film resi oefficient

transfer c mass

k k k

kc, x, y, g   tan

Contoh aplikasi:

Suatu padatan A (misal: kapur barus atau es kering) berbentuk bola jari-jari R0 = 0,8 cm berada di udara yang ventilasinya cukup

baik. Rapat massa A 1,1g 3

cm

  . Suhu system T = 300 K. tekanan uap murni zat A

pada 300 K adalah _1,14.10 4

AS

P   atm. Koefisien transfer massa A dari permukaan ke

udara kc2000cm _jam. Ingin diperkirakan waktu yang diperlukan sampai zat A

tersebut habis menyublim. Diketahui berat molekul A, M 128g_mol.

Analisis :

Neraca massa A padatan :





2 3

... 4 1

0 .4 . . . 3

AS A

rate of rate of rate of massa A

input output accumulation waktu

d

kc r C C r

dt M

  

� � �_ � �_ �

� � � � � �

���

� �

   _{� �}

� �

Dimana r = berubah sehingga :





2 4 1 3

.4 . . . 3

AS A

d

kc r C C r

M dt

  

  

Dimana :

3 3

2

.

3

d d dr

r r

dt dr dt

dr r

dt





Sehingga :









2 4 2

.4 . . 3 3

.

AS A

AS A

dr

kc r C C r

M dt

dr kc M

C C

dt



 



  

  

Karena ventilasi baik maka CA ≈ 0

. AS

dr kc M

C

dt  



AS AS

P C

RT



. P_AS

dr kc M

dt    RT

0

0 0

0

0 0

. .

. .

t ts r

AS

t r R

ts

R AS

RT

dt dr

kc M P RT

t dr

kc M P





 

 

 

 

�

�

0

0

. . .

. .

AS

AS

RT

ts R

kc M P RTR kc M P





  



3 3

4

.

1,1 0,082 _. 300 0,8 ₁ 1000

24 2000 128 1,14.10

30,907 31

g _{x L atm x K x cm}

cm hari

mol K cm

ts x x

g L jam

cm _{x x atm}

jam mol

hari





 �

3. Interphase mass transfer (two-film theory) for two immiscible phases System/Phase:

Gas-liquid (absorption, aeration) Liquid-liquid (extraction)

Assumption:

Film layer is very thin, therefore no accumulation of A within the films, and this gives: a. CA1i is in equilibrium with CA2i



CA1



i H.



CA2



_i...Henry'slaw

b. Equal flux from phase I and to phase II







1 1



2





2



2



1 A A i c A i A

c

A k C C k C C

N    

CA1i and CA2i are not measurable, thus the equation above is difficult to be used. Hence, the two films can be imagined to be represented as “one film” only (as combination of the two films)

1. The combination film is in phase I Illustration:

Analysis:

Mass transfer equation is defined as:



1 1



1

1 C C ; K overall mass transfer in phase I

K

N * _c

A A c

A    

Phase I _•

N_A film2 •(CA1)i

(C_A2)_i

C_A2

film1 f

Phase II Interface

Phase I

•

N_A •

C_A1

C*_A1

C_A2

film

Phase II

CA1

Hence, C*A1 is in equilibrium with CA2

2 1

*

.

A A

H

C

Calculation in order to get the value of Kc1 is done by mathematics manipulation as follows:



















*



1 1 1 1 * 1

1 A A A i A i A

A C C C C C

C     



















*



2 2 1 1 * 1

1 A A A i . A i A

A C C C H C C

C     

2 1 1 . . c A c A c A k N H k N K N   2 1 1 1 1 c c c k H k

K  

2. The combination film is in phase II Illustration:

Analysis:

With the same method, the mass transfer and the overall mass-transfer coefficient in phase II are determined as follows:



2



2

* 2

2 C C ; K overall mass transfer in phase II

K

N_A  _{c A}  _{A c} 

* 2 1 . A

A HC

C  1 2 2 H. 1 1 1 c c

c k k

K  

Contoh aplikasi :

Phase I _•

N A film •

C_A1

(C*_A2)

C_A2

Phase II

REAKSI

Mixed flow Transfer O₂ ke udara

V,C_A





. .

A A A

N



kc S C



C



angin

Volume air V = 10000 m3_{, luas permukaan air S = 2500 m}2_{. Suatu saat danau tercemar} minyak yang volatile (A) sampai kadar CA0 = 100 mg/l. Transfer massa A dari air ke

udara: N_A Kc luas.



 

. C_AC_A*



dimana NA = massa A/waktu. Nilai Kc = 0,9 cm.jam. Kesetimbangan Y_A H C. _A*. Ingin diperkirakan waktu sampai kadar A di air menjadi CA1 = 10 mg/l.

Analisis:

Neraca massa A di air danau:













.

0 . . * . .

* .

A A A

A

A A

A A

mg Rin Rout R acc

jam d

Kc S C C V C

dt

dC Kc S

C C dt V Y Kc S C V H         � �   _�  _� � �

K K K K K K K K

Karena banyak angin maka YA ≈ 0

1 0 0 1 0 . . . A A A A A A A A C C t tp A A

t C C

C A

A C

dC Kc S

C

dt V

dC V

dt

Kc S C

dC V

Kc S C

        

�

�

�

0 1 3 2 ln .

10000 100 1 ln 100 10 24 0,9 2500 42,64 A A C V tp

Kc S C

m cm jam

x x

cm _{x m} m hari

jam hari



