PROSES VACUUM FREEZE DRYING UBUR UBUR DENGAN MEMANFAATKAN UDARA LINGKUNGAN

PROSES VACUUM FREEZE DRYING UBUR – UBUR

DENGAN MEMANFAATKAN UDARA LINGKUNGAN

Arif Hermanza

Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424 Indonesia arif.hermanza@ui.ac.id

Abstrak

Kanker merupakan penyakit keturunan mematikan yang pertumbuhannya diluar kendali. Green Flourescnet Protein yang terdapat pada ubur –ubur dapat mendeteksi kanker. Untuk mengawetkan bahan ini digunakan proses freeze vacuum drying. Freeze vacuum drying adalah metode pengeringan yang terbaik, tetapi tidak hemat energi karena proses pengeringan yang relatif lama. Skripsi ini membahas efek penambahan udara sebagai usaha untuk mempercepat laju pengeringan material. Hasil penelitian membuktikan bahwa waktu pengeringan akibat penambahan udara lingkungan malah memperlama proses pengeringan. Hal ini diakibatkan karena adanya perbedaan temperatur ruang yang menyebabkan laju sublimasi percobaan tanpa udara luar lebih besar dibandingkan dengan penambahan udara yang mana temperatur ruang yang lebih tinggi. Oleh karenanya untuk penambahan udara lingkungan membutuhkan kalor yang lebih besar untuk mengeringkan material.

Abstract

Cancer is a deadly genetic diseases wich it grown out of control. Green Flourescnet protein found in jellyfish can be used to detect cancer. To preserve this material freeze vacuum drying process is used. Vacuum freeze drying is the best drying method, but high energy consumtion because of the relatively long drying process. This thesis discusses the effect of the addition air in an effort to decrease drying process time. The results of the research show that the drying time due to the addition air have increase the drying time. This is caused by the difference in room temperature which causes the rate of sublimation experiment without outside air is greater than the addition of air where ambient temperatures are higher. Therefore, the experiment with additional air need more heat to dry the material.

Key word : Cancer, Green Flourescnet Protein, Freeze Vacuum Drying, Additional Air, Sublimation Rate, Heat Rate

1. PENDAHULUAN

Kanker merupakan penyakit keturunan mematikan yang pertumbuhannya diluar

kendali. Namun untuk mendeteksi

keberadaan kanker pada stadium awal sangatlah susah, dan kanker biasanya terdeteksi setelah stadium empat dimana penanganannya sangatlah susah dan

membutuhkan biaya yang mahal.

Belakangan ini telah ditemukan protein yang dapat mendeteksi kanker, yaitu Green Flourescnet Protein yang terdapat pada ubur -ubur. Roger Tsien, profesor dari Universitas California, San Diego; Martin Chalfie dari

Universitas Columbia; dan Osamu

Shimomura, peneliti Jepang di Laboratorium Biologi Kelautan di Woods Hole, Mass, merupakan ilmuan yang telah meneliti tentang Green Flourescnet Protein.

Banyak cara dilakukan untuk

mendapatkan protein ubur – ubur tersebut. Salah satunya yaitu menggunakan proses freeze vacuum drying. Freeze drying

merupakan proses pengeringan beku dimana air yang terkandung didalam bahan dibekukan kemudian air yang telah membeku tersebut disublimasi dari keadaan padat ke fase gas. Freeze drying memiliki kelebihan dalam menjaga kualitas bahan yang baik, namun memerlukan biaya yang tinggi dan proses yang lama untuk mendapatkan hasil

pengeringan yang optimal. Dengan

menggabungkan proses freeze drying, microwave drying dan vacuum drying dapat mengurangi waktu proses pengeringan dan perubahan struktur yang tidak signifikan [3].

Penelitian ini menerapkan prinsip – prinsip freeze vacuum drying dengan melakukan inovasi pada mesin freeze vacuum drying sebelumnya, dimana menggunakan sistem refrigerasi cascade untuk menurunkan temperatur, dan penggunaan pompa vakum

untuk menurunkan tekanan diruang

2. LANDASAN TEORI

Proses Pengeringan

Pengeringan secara umum menjelaskan proses penghilangan kandungan air pada suatu material menggunakan pemanfaatan panas yang terkontrol. Kandungan air yang terikat secara kimiawi dalam material, merupakan unsur pokok material dan merupakan bagian integral dari material dan dalam banyak kasus tidak diperhitungkan dalam penghitungan rasio kelembaban (moisture ratio) disebut air hidrasi (water of hidration).Air yang terikat secara longgar pada material dan menghasilkan tekanan uap kurang dari tekanan uap air murni disebut air ikatan (bound water), sedangkan air selebihnya yang tekanan uapnya sama dengan tekanan uap air murni disebut air bebas (unbound/free water).

Perilaku pengeringan dapat

dikarakteristikkan dengan jalan menghitung perubahan rasio kelembaban (Moisture Ratio) material sebagai sebuah fungsi waktu. Metode yang digunakan adalah metode perbedaan kelembaban, metode penimbangan kontinyu, dan metode penimbangan berselang waktu (Keey, R.B., Introduction to Industrial Drying Operations,1st ed., Pergamon Press, New York, 1978, chap. 2.).

Gambar 1 Kurva laju pengeringan, kondisi pengeringan konstan

Sumber :Arun S Mujumdar Principles, Classification, and Selection of Dryers, In Handbook of Industrial Drying, Arun S Mujumdar.

Gambar 1 memperlihatkan kurva laju pengeringan pada material higroskopis. Material yang mengandung air mempunyai perilaku yang berbeda pada saat pengeringan tergantung pada kadar air yang ada. Selama

tahap pertama pengeringan, laju

pengeringannya adalah konstan. Penguapan dimulai dari permukaan material, penyusutan dapat terjadi pada proses ini karena air

bergerak menuju permukaan material, pada akhir tahap ini air telah dipindahkan dari dalam material menuju permukaan oleh gaya kapilar air dan laju pengeringan masih konstan. Pada akhir tahap pertama pengeringan ini kandungan air akan mencapai kondisi kritisnya, lapisan film di permukaan material akan menipis karena adanya proses evaporasi oleh tahap kedua pengeringan (tahap pertama falling rate period). Pada tahap kedua pengeringan lapisan film pada permukaan material akan terevaporasi seluruhnya. Pada tahap ketiga pengeringan ( tahap kedua falling rate period) air bergerak melalui lapisan solid material dikarenakan perbedaan konsentrasi antara bagian yang dalam material dengan bagian permukaannya.

3. METODOLOGI PENGUJIAN

Gambar 2 Skema alat pengujian Untuk tahapan pengujiannya sesuai dengan diagram alir berikut ini :

Persiapan Benda Uji

Benda uji yang akan digunakan dalam pengujian ini adalah ubur- ubur (Aurella Sp.) . Ubur- ubur memiliki kandungan moisture sebesar 95,6 % dalam 50 g massa spesimen. Namun tidak semua bagian dari ubur- ubur

dapat dimanfaatkan. Bagian yang

dimanfaatkan dari ubur- ubur adalah tentakelnya. Tentakel tersebut dipotong kemudian dipisahkan ke dalam beberapa toples plastik kecil sebanyak 50 g untuk kemudian diblender. Maksud pemisahan tersebut adalah untuk memastikan jumlah kandungan air yang terkandung dalam tiap material yang digunakan untuk pengujian sama banyaknya.Agar tahan lama, toples berisi ubur- ubur tersebut disimpan di dalam freezer.

Variasi pengujian

Pengambilan data terbagi menjadi dua variable, yaitu dengan menambahkan udara dan tanpa penambahan udara. Untuk pengambilan data dengan memberikan udara, prosesnya dimulai dengan membekukan material dengan membuka katup refigerasi ke ruang pengeringan dan setelah beku, maka katup ke cooltrap dibuka. Setelah itu pompa vakum dinyalakan dan katup flow meter dibuka setelah ruang memiliki tekanan sekitar 10 mbar. Untuk pengambilan data dengan memberikan udara, prosesnya dimulai dengan membekukan material dengan membuka katup refigerasi ke ruang pengeringan dan setelah beku, maka katup ke cooltrap dibuka. Setelah itu pompa vakum dinyalakan dan katup flow meter dibuka setelah ruang memiliki tekanan sekitar 10 mbar.

Prosedur Pengambilan Data

Langkah- langkah pengambilan data pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menyiapkan benda uji

2. Menghubungkan alat- alat ukur digital seperti thermocouple dan pressure transmitter ke DAQ National Instrument 3. Meletakkan benda uji ke dalam ruang

material dan kemudian ditutup 4. Menyalakan software LabView 5. Menyalakan sistem HS

6. Mengatur needle valve HS sistem hingga didapat suhu evaporator HS yang diinginkan

7. Membuka katup sistem LS yang ke ruang pengeringan yang mana awalnya semua katup LS dalam keadaan tertutup

8. Menyalakan sistem LS

9. Mengatur needle valve LS sistem hingga didapat suhu evaporator LS yang diinginkan

10. Setelah material membeku secara visualisasi, katup ke cooltrap dibuka sampai

11. Setelah sistem LS setimbang, maka pompa vakum dapat dinyalakan

12. Untuk percobaan dengan penambahan udara, katup flow meter dibuka setelah tekanan ruang pengeringan sekitar 10 mbar

13. Percobaan selesai ketika material sudah kering secara visualisai

14. Mematikan pompa vakum dan sistem refrijerasi.

4. HASIL DAN ANALISA

Pengolahan Data

Temperatur Terhadap Waktu

Gambar 4 Grafik temperatur terhadap waktu Pada grafik variasi 1 terlihat waktu pembekuan sekitar 5.5 jam dan 5 jam untuk variasi 2, kemudian material divakum dan terjadilah proses pengeringan primer selama kurang lebih 12 jam pada variasi 1 dan 13 jam pada variasi 2. Proses selanjutnya yaitu pengeringan sekunder sampai material kering secara visual. Total waktu pengeringan sekitar 23 jam untuk variasi 1 dan 24 jam untuk variasi 2. Pada grafik perbandingan variasi 1 dan 2 terlihat ada perbedaan waktu proses pembekuan, hal ini dimungkinkan karena perbedaan suhu yang dihasilkan oleh sistem refrigerasi yang mana sulit untuk diseting agar konstan. Proses sublimasi variasi 2 lebih lama 2 jam dibandingkan variasi 1, hal ini dimungkinkan karena adanya perbedaan suhu di ruang pengering.

Temperatur Material Terhadap Tekanan

Gambar 7 grafik kalor sublimasi

Pada grafik variasi 1, material cair dibekukan hingga suhu kurang lebih -4°C yang mana secara visual telah beku. Proses sublimasi terjadi pada tekanan 5 mbar dan suhu -3°C. proses pengeringan terjadi akibat adanya heat transfer dan mass transfer. Perbandingan yang terlihat antara variasi 1 dan variasi 2 terlihat keadaan vakum yang berbeda, hal ini kemungkinan diakibatkan oleh penambahan udara yang masuk ke ruang pengering saat percobaan 2. Dan seperti yg dibahas sebelumnya waktu pengeringan variasi 2 lebih lama 1 jam secara keseluruhan dibandingkan variasi 1 dimungkinkan juga diakibatkan oleh perbedaan tekanan ruang pengering.

Laju Sublimasi Material

Gambar 5 grafik temperatur terhadap tekanan Pada grafik perbandingan laju pengurangan massa material terlihat laju sublimasi variasi 1 lebih cepat dibandingkan dengan laju variasi 2. Dimana laju sublimasi massa variasi 1 sebesar 4.58 x 10-2 gr/menit dan laju sublimasi variasi 2 sebesar 4.21 x 10-2 gr/menit, sehingga untuk variasi 1 membutuhkan waktu 16.68 jam dan 19.03 jam untuk varisai 2.

Kalor Sublimasi

Gambar 6 grafik kalor sublimasi

Pada grafik perbandingan kalor sublimasi terlihat variasi 1 memerlukan kalor sublimasi yang lebih rendah dibandingkan kalor sublimasi yang dibutuhkan oleh variasi 2. Jumlah kalor total yang dibutuhkan oleh variasi 1 untuk mengeringkan 50 gram material ubur – ubur yaitu sebesar 2728.879 joule, dan variasi 2 membutuhkan 4158.847 joule.

Moisture Konten

Kandungan air pada ubur- ubur adalah 95,6 % dalam 50 g massa ubur- ubur (Uji kandungan air Pusat Penelitian Sumberdaya Hayati dan Bioteknologi IPB, Juni 2011 ), artinya material kering atau produk yang dihasilkan seharusnya mempunyai massa sebesar 2,2 g.

Pada percobaan tanpa pemberian udara panas, massa ubur-ubur adalah sebagai berikut :

Variasi 1 Massa Awal : 50 g Massa Akhir : 1,34 g

Artinya masa yang hilang dari percobaan ini sebesar 0,86 g.

Variasi 2 Massa Awal : 50 g Massa Akhir : 1,48 g

Artinya masa yang hilang dari percobaan ini sebesar 0,72 g.

Dapat terlihat bahwa massa akhir pada material relatif lebih sedikit dibandingkan daripada yang seharusnya. Kemungkinan adalah akibat material material masih menempel pada wadah sehingga mengurangi massa pada material. Perbedaan massa variasi 1 dan variasi 2 dimungkinkan akibat keadaan kering material yang berbeda, karena keadaan kering hanya berdasarkan keadaan visual.

Gambar 6 Hasil Pengeringan Variasi 1

Gambar 7 Hasil Pengeringan Variasi 2

5. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Setelah dilakukan analisis dari data yang diperoleh, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1 Pengeringan freeze vacuum drying melalui tiga fase yaitu dari fase cair ke fase padat, dan kemudian ke fase gas. 2 Waktu pembekuan material berkisar

antara 5 – 6 jam dengan menggunakan sistem refrigerasi cascade.

3 Waktu pengeringan total untuk percobaan berkisar antara 23 – 24 jam, dimana waktu pengeringan antara

pengeringan dengan dan tanpa

penambahan udara pada percobaan menunjukan perbedaan waktu selama 1 jam yang mana dengan udara tambah lebih lama dibandingkan tanpa udara tambah.

4 Laju sublimasi massa percobaan tanpa penambahan udara sebesar 4.54 x 10-2 gram/menit dengan kalor sublimasi total 2728.879 joule sedangkan untuk laju sublimasi untuk penambahan udara lingkungan sebesar 4.21 x 10-2 gram/menit dengan kalor sublimasi total 4158.847 joule.

5 Proses pengeringan terjadi akibat proses penyubliman pada tekanan dibawah 6,11 mbar.

6 Massa material hasil proses freeze vacuum drying berkurang dari hasil yang

seharusnya sekitar 30% dari jumlah yang seharusnya.

Saran

Adapun beberapa saran yang dapat diberikan penulis untuk kemajuan dan perbaikan ke depannya adalah sebagai berikut:

1. Untuk mempercepat laju pengeringan, ruang pengering harusnya berubah fungsi sebagai pemanas dengan memanfaatkan panas kondenser pada sistem HS yang memiliki suhu kondenser yang lebih tinggi.

2. Katup ekspansi pada sistem refrigerasi

dapat diubah dari needle valve menjadi TXV, supaya temperatur yang dihasilkan oleh sistem refrigerasi dapat seragam pada percobaan yang berbeda.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Dr. Ir. Engkos A. Kosasih MT, selaku dosen pembimbing yang sudah meluangkan waktu memberikan pengarahan, diskusi dan bimbingan, Pak Yulianto yang telah ikut membantu dan membimbing dalam menyelesaikan alat uji, serta seluruh teman-teman satu bimbingan skripsi; Rekky S.P, Ferry I.S, Yanuar K., Hendsy, Alfiandi dan Wuwut Rija.

DAFTAR ACUAN

1. http://teknologitinggi.wordpress.com/200 8/10/09/penemu-protein-yang-bisa-bersinar-meraih-nobel-kimia-tahun-2008/ 2. George-Wilhelm Oetjen, Peter Haseley, 2004. Freeze Drying Second Edition, Completely Revised and Extended

Edition. WILEY-VCH Verlag

GmbH&Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-30620-6.

3. S. Litvin, C. H. Mannheim & J. Miltz, 1997. Dehydration of Carrots by a Combination of Freeze Drying, Microwave Heating and Air or Vacuum Drying. Journal of Food Engineering 36 (1908) 103- 111.

4. Maswan, Achmad, 2012. Model Simulasi Pengeringan Beku Vakum dengan Kombinasi Pembekuan Internal dan Pemanfaatan Panas Buang Kondenser. 5. http://thermo.sdsu.edu/testhome/Test/sol

ve/basics/tables/tablesPC/TSatH2OicO.h tml

6. ASHRAE Handbook, 2009,

Fundamentals (SI), American Society of Heating, Refrigerating, and

7. ASHRAE Handbook, 2006,

Refrigeration (SI), American Society of Heating, Refrigerating, and

Air-Conditioning Engineer, Atlanta, Georgia. 8. Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2005).

Thermodynamics–an engineering

approach (5th ed.). New York: McGraw-Hill Companies

9. Engkos A. Kosasih, M. Idrus Alhamid, Nasruddin, 2011,Pengembangan Mesin

Pengeringan Beku Vakum Compact dengan Kombinasi Pembekuan Internal,Laporan Akhir Hibah Riset Strategis Nasional.

10. Incropera, DeWitt, Bergman, Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, sixth edition.

11. Holman J.P, 2010. Heat Transfer, tenth edition.