Nely Ana Mufarida. pada Spray Dryer. Konsep Dasar Pengeringan

PERPINDAHAN

PANAS & MASSA

pada Spray Dryer

◊ Konsep Dasar Pengeringan

◊ Spray Dryer

◊ Perpindahan Panas dan Massa

◊ Aplikasi Spray Dryer (Produk Minuman Instan)

◊ Metode Penelitian

◊ Analisis Hasil Penelitian

Penerbit Pustaka Abadi

PANAS & MASSA

pada Spray Dryer

Hak Cipta ©2016, Nely Ana Mufarida All rights reserved

Penulis Nely Ana Mufarida Penyelaras Aksara Hermawan Septian Abadi

Ilustrasi Sampul Tim Penerbit Diterbitkan oleh CV Pustaka Abadi

Jl. Agus Salim No. 11 Jombang, Jember, 68168 pustakaabadi@yahoo.com

Perpustakaan Nasional RI, Koleksi Dalam Terbitan (KDT) Cetakan pertama, Februari 2016

Halaman: xviii+108 Ukuran: 15cm x 23cm ISBN: 978-602-72754-3-0 Hak Cipta Dilindungi oleh Undang-Undang Dilarang memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini

tanpa izin tertulis dari Penerbit

P

uji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas rahmat dan kehendak-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan buku referensi ini yang berjudul Perpindahan Panas dan Massa pada Spray Dryer.

Penulis sampaikan terima kasih yang sedalam dalamnya kepada semua pihak yang terlibat secara langsung maupun tidak langsung yang telah banyak membantu dalam penyusunan dan penyelesaian buku referensi ini. Mudah-mudahan segala amal yang diberikan mendapat balasan dari Allah SWT, Amin.

Penulis menyadari bahwa buku referensi ini tidak luput dari kekurangan baik isi maupun penyajiannya, untuk itu koreksi dan saran sangat penulis harapkan untuk penyempurnaan buku referensi ini.

Akhirnya penulis berharap, semoga buku referensi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.

Jember, Februari 2016 Penulis

Kata Pengantar v

Daftar Isi vi

Daftar Simbol viii

Daftar Tabel xiii

Daftar Gambar xiv

Daftar Lampiran xvi

BAB 1 PENDAHULUAN 1

BAB 2 KONSEP DASAR SISTEM PENGERINGAN 6

2.1 Klasifikasi Pengeringan ⁹

2.2 Mekanisme Pengeringan ¹⁰

BAB 3 SPRAY DRYER 13

3.1 Pencampuran Udara Panas dan Droplets pada Spray Dryer ¹⁴ 3.2 Parameter Kritis Spray Dryer ¹⁶

BAB 4 PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA 18

4.1 Proses Perpindahan Panas ¹⁸

4.2 Proses Perpindahan Massa ¹⁹

4.3 Keseimbangan Panas dan Massa pada Spray Dryer ²⁰ BAB 5 APLIKASI SPRAY DRYER (PRODUK MINUMAN INSTAN) 21

BAB 6 METODE PENELITIAN 23

6.1 Waktu Penelitian ²³

6.2 Alat Penelitian ²³

6.3 Bahan Pembuatan Larutan ²⁴

6.4 Proses Pembuatan Bahan (Larutan) ²⁵

6.5 Rancangan Spray Dryer ²⁶

6.5.1 Konsep Perancangan Spray Dryer ²⁶ 6.5.2 Mekanisme Kerja Spray Drying ²⁷ 6.5.3 Rancangan Fungsional Spray Dryer ²⁷ 6.5.4 Rancangan Struktural Spray Dryer ³¹ 6.5.5 Metode dan Rancangan Penelitian Utama ³⁶ 6.5.5.1 Metode Penelitian Utama ³⁶

6.5.7 Prosedur Pengambilan Data ³⁸

6.5.8 Pengolahan Data ⁴⁰

6.5.8.1 Analisis Teknik ⁴⁰

BAB 7 ANALISIS HASIL PENELITIAN 56

7.1 Analisis Penelitian Pendahuluan ⁵⁶

7.1.1 Suhu Udara Pengering ⁵⁶

7.1.2 Tekanan Pengkabutan ⁵⁷

7.1.3 Perbandingan Bubuk Kopi dan Air dalam Larutan ⁵⁷ 7.2 Analisis Hasil Penelitian Utama ⁵⁸ 7.2.1 Suhu Droplets di dalam Ruang Pengering ⁵⁸

7.2.2 Suhu Produk ⁵⁸

7.2.3 Suhu Udara keluar Ruang Pengering ⁵⁸

7.2.4 Suhu Pengering Bahan ⁵⁹

7.2.5 Suhu Bola Basah Udara keluar Ruang Pengering ⁵⁹ 7.2.6 Suhu Bola Basah Udara Pengering ⁵⁹ 7.2.7 Berat Produk keluar Ruang Pengering ⁶⁰

7.3 Rekapitulasi Data ⁶⁰

7.4 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering

terhadapParameter Pengeringan ⁶³ 7.4.1 Pengaruh Suhu Udara Pengering terhadap

Proses Perpindahan Panas dan Massa pada Pembuatan Bubuk Kopi Instan dengan

Spray Dryer 65

BAB 8 PENUTUP 68

Daftar Pustaka 70

Biografi Penulis 73

Lampiran 75

Latin Letters

A Luas penampang ruang pengering, m² A_o Luas orifise nosel, m²

A_s Luas penampang saluran udara keluar, m² b Kekentalan aliran bahan dalam orifise, µm C1 Konstanta pada Nu1

C₂ Konstanta pada Nu₂

CDS Panas spesifik produk, kcal/kg.^oC

C_p Panas spesifik (pada tekanan konstan dari udara pengering), kcal/kg.^oC

C_w1 Panas spesifik dari liquid moisture untuk bahan, kcal/kg.^oC

C_w2 Panas spesifik dari liquid moisture untuk produk, kcal/

kg.^oC

D Diameter saluran udara, m Dch Diameter ruang pengering, m D_d Diameter droplets, m

Dk Daya ideal kipas, Watt D_p Diameter produk, µm f Faktor gesekan

g Percepatan gravitasi, m/s²

Ga Kebutuhan udara pengering, kg/h Gr Bilangan Grashof

GrPr Angka Grashof-Prandtl h_r Entalpi udara ruangan, kj/kg

h Koefisien perpindahan panas konveksi, kcal/m².^oC.s h_a Koefisien perpindahan panas konveksi alamiah, kcal/

m².^oC.s

h_c Koefisien perpindahan panas konveksi paksa, kcal/

m².^oC.s

H2 Rasio kelembaban udara keluar ruang pengering, kg kandungan air/kg udara kering

Jp Berat produk keluar ruang pengering, gram k Pangkat isentropik

Kd Konduktifitas termal udara pengering, kcal/m.s.^oC K_t Konduktifitas termal dinding ruang pengering (baja),

kcal/m.s.^oC

L Panjang saluran udara, m Lch Tinggi ruang pengering, m

m Eksponen

ma Laju aliran massa udara ruangan, kg/s m_air Massa air, kg

m_air Laju aliran massa air, kg/h m_bahan Massa bahan, kg bahan mbubuk kopi Massa bubuk kopi, kg M_b Massa bahan, kg

Ms total Laju aliran massa total, kg/menit M_total Massa total, kg

Mu Massa udara, kg

n Eksponen

N Daya pemanas nyata, kcal/h N_k Jumlah droplets keluar atomiser Nu1 Bilangan Nusselt pada h_a Nu₂ Bilangan Nusselt pada h_c Pb Tekanan udara atmosfir, kPa

P_c Tekanan droplets keluar atomiser, bar

Pd Tekanan uap air pada permukaan droplets, kPa Pr Bilangan Prandlt

Pv Tekanan parsial uap air udara ruangan, kPa P_v1 Tekanan parsial uap air udara pengering, kPa

Pv2 Tekanan parsial uap air udara keluar ruang pengering, kPa P_vb Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah udara

ruangan, kPa

.

.

Pvb2 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola basah udara keluar ruang pengering, kPa

Pvs Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara ruangan, kPa

Pvs1 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara pengering, kPa

Pvs2 Tekanan uap air jenuh pada suhu bola kering udara keluar ruang pengering, kPa

P1 Tekanan udara pengkabutan dari kompresor, bar Q Laju perpindahan panas konveksi, kcal/h

Qa Laju alir volume udara ruangan, m³/s Q_a1 Entalpi udara pengering masuk, kcal/kg Qa2 Entalpi udara pengering keluar, kcal/kg

Q_d Kalor yang diserap dinding ruang pengering menuju udara luar, kcal/h

Q_s1 Entalpi bahan, kcal/kg Qs2 Entalpi produk, kcal/kg

Q_u Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan air dari permukaan droplets, kcal/h Q_total Kalor total, kcal/h

R Jari-jari bahan masuk nosel, m R_e Bilangan Reynolds

RH Kelembaban relatif udara ruangan, % RH₁ Kelembaban relatif udara pengering, %

RH2 Kelembaban relatif udara keluar ruang pengering, % R_s Jari-jari saluran, m

r1 Jari-jari aliran bahan masuk orifise, m r₂ Jari-jari orifise, m

tp Waktu pengeringan bahan, detik T_a1 Suhu udara pengering, ^oC

Ta2 Suhu udara keluar ruang pengering, ^oC T_amb Suhu udara ruangan, ^oC

Tb Suhu droplets di dalam ruang pengering, ^oC

Tbb2 Suhu bola basah udara keluar ruang pengering, ^oC T_bk Suhu bola kering udara ruangan, ^oC

Tbk1 Suhu bola kering udara pengering, ^oC

T_bk2 Suhu bola kering udara keluar ruang pengering, ^oC Tf Suhu rata-rata, ^oC

T_s1 Suhu bahan, ^oC Ts2 Suhu produk, ^oC T_w Suhu permukaan, ^oC T_∞ Suhu fluida, ^oC

u_h Kecepatan radial droplets, m/s uv Kecepatan tangensial droplets, m/s V Kecepatan aliran udara di saluran, m/s Va Kecepatan udara pengering, m/s V_air Volume air, liter

Vbahan Volume bahan, m³ V_{bubuk kopi} Volume bubuk kopi, liter

Vc Volume spesifik droplets keluar atomiser, m³/kg V_inlet Kecepatan bahan masuk atomiser, m/s

Vtotal Volume total, m³ V_udara Volume udara, m³

V1 Volume spesifik bahan, m³/kg

w Rasio kelembaban udara ruangan, kg kandungan air/

kg udara kering

W_s1 Kadar air bahan, kg air/kg bahan Ws2 Kadar air produk, kg air/kg produk Greek Letters

α Sudut yang dibentuk droplets keluar atomizer, ^o β Koefisien muai volume, C^-1

∆P Penurunan tekanan fluida/beda tekanan fluida yang mengalir di dalam saluran lurus dan berpenampang bundar, Pa

∆x Tebal dinding ruang pengering, m η_h Efisiensi elemen listrik, %

µ Viskositas udara ruangan, Pa.s µa Viskositas udara pengering, kg/m.s ν Viskositas kinematik, m²/s

ρ Densitas udara ruangan, kg/m³ ρ_a Densitas udara pengering, kg/m³ ρ_air Densitas air, kg/m³

ρ_bahan Densitas bahan, kg/m³ ρ_{bubuk kopi} Densitas bubuk kopi, kg/m³ ρ_p Densitas produk, kg/m³ ρ_total Densitas total, kg/m³ ω Kecepatan sudut, rad/dtk

Tabel 6.1 Spesifikasi Spray Dryer ³² Tabel 7.1 Data suhu droplets di dalam ruang pengering ⁵⁸

Tabel 7.2 Data suhu produk ⁵⁸

Tabel 7.3 Data suhu udara keluar ruang pengering ⁵⁸ Tabel 7.4 Data waktu pengeringan bahan ⁵⁹ Tabel 7.5 Data suhu bola basah udara keluar ruang pengering ⁵⁹ Tabel 7.6 Data suhu bola basah udara pengering ⁵⁹ Tabel 7.7 Berat produk keluar ruang pengering ⁶⁰

Tabel 7.8 Rekapitulasi data ⁶⁰

Tabel 1. P_v1, H₁, RH₁ ⁸⁹

Tabel 2. M_{s total} ⁹²

Tabel 3. V_inlet ⁹³

Tabel 4. α ⁹⁵

Tabel 5. Q_u ⁹⁷

Tabel 6. Gr Pr ⁹⁸

Tabel 7. h_a ⁹⁹

Tabel 8. µ_a, C_p, K_d, dan ρ_a ⁹⁹

Tabel 9. h_c ¹⁰⁰

Tabel 10. Q_d ¹⁰¹

Tabel 11. Q_s1 dan Q_s2 ¹⁰²

Tabel 12. Q_a1 dan Q_a2 ¹⁰³

Tabel 13. G_a ¹⁰⁴

Tabel 14. H₂ ¹⁰⁵

Tabel 15. P_v2 dan RH₂ ¹⁰⁶

Tabel 16. η_th ¹⁰⁷

Tabel 17. N ¹⁰⁸

Gambar 1.1 Teknologi Spray Drying ³ Gambar 2.1 Grafik Proses Pengeringan Makanan ⁷ Gambar 3.1 Arah Aliran antara Droplets dan Udara Pengering ¹⁵ Gambar 4.1 Keseimbangan Aliran Panas dan Massa ²⁰ Gambar 6.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Bahan (Larutan) ²⁵ Gambar 6.2 Konsep Perancangan Spray Dryer ²⁶ Gambar 6.3 Diagram Struktural Spray Dryer ³¹ Gambar 6.4 Diagram Alir Penelitian Utama ³⁸ Gambar 6.5 Diagram Alir Perhitungan Udara Ruangan ⁴¹ Gambar 6.6 Diagram Alir Perhitungan Udara Kipas ⁴² Gambar 6.7 Diagram Alir Perhitungan Udara Pengering ⁴³ Gambar 6.8 Diagram Alir Perhitungan Volume Bahan ⁴⁴ Gambar 6.9 Diagram Alir Perhitungan Densitas Bahan ⁴⁵ Gambar 6.10 Diagram Alir Perhitungan Laju Aliran Massa Total ⁴⁶ Gambar 6.11 Diagram Alir Perhitungan Kecepatan Bahan

Masuk Atomiser ⁴⁷

Gambar 6.12 Diagram Alir Perhitungan Tekanan Droplets

keluar Atomiser ⁴⁸

Gambar 6.13 Diagram Alir Perhitungan Sudut yang dibentuk Droplets keluar Atomiser ⁴⁹ Gambar 6.14 Diagram Alir Perhitungan Jumlah Droplets keluar

Atomiser ⁵⁰

Gambar 6.15 Diagram Alir Perhitungan Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan Kandungan Air dari Permukaan

Droplets ⁵¹

Gambar 6.16 Diagram Alir Perhitungan Kalor yang diserap

Dinding Ruang Pengering menuju Udara Luar ⁵² Gambar 6.17 Diagram Alir Perhitungan Kebutuhan Udara

Pengering ⁵³

Gambar 6.19 Diagram Alir Perhitungan Udara keluar Ruang

Pengering ⁵⁴

Gambar 6.20 Diagram Alir Perhitungan Efisiensi Termal ⁵⁵ Gambar 6.21 Diagram Alir Perhitungan Daya Pemanas Nyata ⁵⁵ Gambar 7.1 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering

terhadap Parameter Pengeringan (T_b, T_s2, T_a2,

dan Efisiensi Termal) ⁶³

Gambar 7.2 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering terhadap Parameter Pengeringan (tp dan Ga) ⁶⁴ Gambar 7.3 Grafik Hubungan antara Suhu Udara Pengering

terhadap Parameter Pengeringan (Jp) ⁶⁴ Gambar 1. Sudut yang dibentuk Droplets keluar Atomiser ⁹⁴

Lampiran 1. Bulk density and moisture content of selected

powdered foods ⁷⁵

Lampiran 2. Range of droplet and particle size obtained in spray

dryers (µm) ⁷⁵

Lampiran 3. Typical operating parameters for spray dryers ⁷⁶ Lampiran 4. Sifat udara pada tekanan atmosfir ⁷⁶ Lampiran 5. Sifat-sifat mekanik air pada tekanan atmosfir ⁷⁷ Lampiran 6. Konstanta untuk persamaan bilangan Re ⁷⁷ Lampiran 7. Air: sifat-sifat cairan dan uap jenuh ⁷⁸ Lampiran 8. Lembab udara: sifat-sifat termodinamik udara jenuh pada tekanan atmosfir 101,325 kPa ⁸⁰ Lampiran 9. Sifat-sifat air (zat cair jenuh) ⁸² Lampiran 10. Properties of saturated water ⁸³ Lampiran 11. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfir ⁸⁴ Lampiran 12. Konstanta untuk permukaan isotermal ⁸⁵ Lampiran 13. Perhitungan proses perpindahan panas dan massa ⁸⁶

A. Udara ruangan ⁸⁶

B. Udara kipas ⁸⁷

C. Udara pengering ⁸⁸

D. Volume bahan ⁹⁰

E. Densitas bahan ⁹⁰

F. Laju aliran massa total ⁹¹

G. Kecepatan bahan masuk atomiser ⁹² H. Tekanan droplets keluar atomiser ⁹³ I. Sudut yang dibentuk droplets keluar atomiser ⁹⁴ J. Jumlah droplets keluar atomiser ⁹⁵ K. Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan

air dari permukaan droplets ⁹⁶

L. Kalor yang diserap dinding ruang pengering menuju

udara luar ⁹⁷

O. Udara keluar Ruang Pengering ¹⁰⁵

P. Efisiensi Termal Spray Dryer ¹⁰⁷

Q. Daya Pemanas Nyata ¹⁰⁷

BAB 1

PENDAHULUAN

Semakin tingginya tingkat kebutuhan terhadap makanan, kesehatan, dan industri polimer membuat permintaan untuk peningkatan kualitas produk juga semakin pesat. Salah satu cara yang digunakan untuk peningkatan kualitas produk adalah dengan cara proses pengeringan. Hasil dari proses pengeringan berupa granular (gumpalan), dan powder. Keuntungan jika produk yang dihasilkan dalam bentuk powder adalah lebih awet dan produk yang telah dikeringkan akan memiliki berat yang lebih ringan dan ukuran yang lebih kecil sehingga meminimalkan biaya distribusi.

Salah satu cara yang digunakan dalam proses pengeringan adalah menggunakan spray dryer. Spray dryer banyak digunakan dalam industri makanan, farmasi, biochemical, plastik, resin, material keramik, detergen, pestisida, pupuk, bahan kimia organik dan anorganik, skim powder, susu, makanan bayi, kopi instan, teh, buah- buah kering, jus, enzim, dan vitamin.

Umumnya spray dryer dipakai pada saat proses akhir karena

alat ini digunakan untuk mengontrol kualitas akhir produk.

Penghilangan air pada produk mempengaruhi kualitas produk.

Proses pada spray dryer terbagi menjadi dua tahap proses yaitu proses pengeringan dan proses pemisahan powder dengan udara panas yang terbawa keluar melalui cyclone. Pada saat proses tersebut akan terjadi perpindahan momentum, perpindahan massa, perpindahan energi, pola aliran, profil distribusi partikel dan panas yang timbul di dalam chamber dryer sehingga mempegaruhi dari kualitas produk yang dihasilkan.

Pengeringan secara umum adalah memindahkan cairan dari bahan dengan cara penguapan. Proses ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban relatif udara di sekitar bahan dengan mengalirkan udara panas pada bahan yang akan dikeringkan secara langsung maupun tak langsung. Kondisi ini mengakibatkan tekanan parsial uap bahan lebih besar daripada tekanan parsial uap air di udara, dan akhirnya menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara melalui proses difusi dan evaporasi. Pada produk makanan sangat membutuhkan proses lanjut seperti proses pengeringan, antara lain produk makanan berbentuk bubuk seperti susu bubuk, tepung roti dan juga produk makanan kering lainnya. Berbagai model sistem pengeringan telah diterapkan pada industri makanan salah satunya adalah spray dryer.

Teknologi spray drying sudah umum digunakan oleh industri proses pembuatan minuman serbuk. Teknologi ini memanfaatkan kemampuan semprot alat tersebut untuk mengubah bahan dasar yang berupa cairan menjadi serbuk kering. Alat untuk melakukan spray drying dinamakan spray dryer.

Selain digunakan untuk pembuatan minuman serbuk instan, spray dryer juga dipakai untuk pembuatan obat-obatan, vitamin, mineral, asam lemak, dan protein. Spray dryer juga mampu untuk membuat senyawa-senyawa fitokimia seperti isoflavon dan likopen. Bahkan teknologi terbaru menjadikan spray drying mampu mengkapsulkan probiotik yang sangat baik bagi sistem pencernaan manusia.

Gambar 1.1 Teknologi Spray Driying

Keuntungan penggunaan spray drying adalah laju kecepatan pengeringan yang tinggi, rentang yang besar untuk temperatur operasi, dan waktu tinggal yang singkat, menghasilkan produk yang bermutu tinggi, berkualitas serta tingkat kerusakan gizi yang rendah.

Selain itu perubahan warna, bau dan rasa dapat diminimalisir.

Mengapa demikian? Karena suhu produk yang dikeluarkan oleh spray dryer relatif rendah dan proses pengeringan bahan menjadi serbuk terjadi sangat cepat. Umumnya suhu produk yang dikeluarkan antara 70 hingga 90 derajat celcius. Hal ini sangat menguntungkan bagi usaha atau industri yang memproduksi berbagai jenis produk instan berbasis serbuk yang mudah mengalami kerusakan (denaturasi).

Kelebihan lain yang dimiliki spray dryer adalah:

Kapasitas pengeringan besar dan proses pengeringan terjadi dalam waktu yang sangat cepat. Kapasitas pengeringan mencapai 100 ton/jam.

Tidak terjadi kehilangan senyawa volatile dalam jumlah besar (aroma).

1.

2.

Cocok untuk produk yang tidak tahan pemanasan (tinggi protein).

Memproduksi partikel kering dengan ukuran, bentuk, dan kandungan air serta sifat-sifat lain yang dapat dikontrol sesuai yang diinginkan.

Mempunyai kapasitas produksi yang besar dan merupakan sistem kontinyu yang dapat dikontrol secara manual maupun otomatis.

Teknologi ini cocok untuk produk yang memiliki nilai ekonomi tinggi dan mudah rusak bila suhu terlalu panas atau terkena kondisi panas dalam waktu yang lama. Dengan teknologi spray drying akan meminimalisir resiko itu semua sehingga bahan-bahan yang mudah mengalami kerusakan seperti susu, sari buah, hingga probiotik dapat tetap mempunyai kualitas yang prima jika diproses dengan mesin spray dryer.

Spray dryer mempunyai prinsip kerja dengan menyemprotkan cairan melalui atomiser. Cairan tersebut akan dilewatkan ke dalam aliran gas panas dalam sebuah tabung. Akibatnya, air dalam tetesan bisa menguap dengan sangat cepat dan yang tertinggal hanyalah serbuk atau bubuk yang kering dengan ukuran homogen, kadar air sangat rendah, kualitas gizi sangat terjaga. Langkah selanjutnya adalah memisahkan serbuk dari sejumlah udara yang mengangkutnya. Pemisahan ini dilakukan oleh separator atau kolektor serbuk. Hasil produk spray dryer tergantung dengan kekentalan larutan atau bahan, jenis bahan suhu masukan hingga kecepatan aliran larutan. Semuanya telah dioptimasi sehingga menghasilkan produk yang berkualitas tinggi.

Pada proses pengeringan terjadi dua proses, yaitu perpindahan panas dan massa. Proses perpindahan panas adalah proses penguapan air dari dalam bahan atau proses perubahan bentuk fase cair ke fase gas akibat adanya perbedaan suhu dan tekanan sekaligus antara bahan dan udara sekelilingnya. Panas yang diberikan akan menaikkan suhu bahan dan menyebabkan tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi daripada tekanan uap air di udara. Akibatnya 3.

4.

5.

terjadi perpindahan massa uap air dari permukaan bahan ke udara. Perpindahan panas pada mesin pengering langsung terjadi karena kontak langsung antara bahan dan udara pengering. Proses pengeringan terjadi jika udara panas bersinggungan langsung dengan bahan. Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air dari bahan hanya diberikan oleh udara pengering dengan memindahkan energi panas secara konveksi. Ketika udara pengering menghembus bahan, maka sebagian panas udara pengering diubah menjadi panas sensibel dan panas laten sampai menghasilkan uap.

Penelitian ini bertujuan untuk membahas proses perpindahan panas dan massa pada pembuatan kopi instan dengan menggunakan spray dryer. Suhu udara pengering adalah salah satu parameter fisik terpenting yang mempengaruhi proses perpindahan panas dan massa pada proses pengeringan. Penggunaan suhu udara pengering yang terlalu tinggi pada proses pengeringan dapat mengakibatkan terjadinya penurunan kualitas produk. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan variasi suhu udara pengering yang sangat berpengaruh terhadap proses pengeringan pada spray dryer.

BAB 2

KONSEP DASAR SISTEM PENGERINGAN

Pengeringan merupakan suatu proses pemisahan sebagian besar air dari bahan dalam bentuk evaporasi maupun sublimasi sebagai hasil dari penyerapan panas. Pengeringan suatu bahan dilakukan dengan tujuan memperpanjang daya simpan produk, mengurangi volume dan berat produk. Pengeringan dilakukan pada suhu tinggi maupun suhu rendah. Pada pengeringan suhu tinggi, penggunaan energi panas untuk merubah fase air menjadi uap dan membuang uap air dalam bahan. Sementara pengeringan suhu rendah merupakan penggunaan energi panas untuk merubah es menjadi uap air dan membuang uap air keluar dari bahan.

Jenis-jenis pengeringan yang banyak digunakan antara lain pengeringan matahari (sun drying), pengeringan atmosferik (solar drying), cabinet drying, tunnel drying, conveyor drying, drum drying, spray drying, dan pengeringan sub atmosferik (vacuum drying, freeze drying). Pemilihan metode pengeringan didasarkan pada kualitas hasil akhir yang diinginkan, sifat bahan dasar dan biaya. Spray drying

menjadi pilihan dalam proses pengeringan produk dengan hasil akhir berupa bubuk. Susu maupun kopi bubuk merupakan salah satu produk yang menggunakan proses pengeringan metode spray drying.

Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke waktu. Perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin pesatnya jumlah penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan penghasil bahan pangan makin menyempit. Hal tersebut menyebabkan dibutuhkannya teknologi-teknologi pemrosesan pangan yang mampu meningkatkan kualitas dan kuantitas produk makanan, salah satunya adalah teknologi pengeringan bahan makanan.

Proses pengeringan merupakan proses perpindahan panas dari sebuah permukaan benda sehingga kandungan air pada permukaan benda berkurang. Perpindahan panas dapat terjadi karena adanya perbedaan temperatur yang signifikan antara dua permukaan. Perbedaan temperatur ini ditimbulkan oleh adanya aliran udara panas di atas permukaan benda yang akan dikeringkan yang mempunyai temperatur lebih dingin.

Aliran udara panas merupakan fluida kerja bagi sistem pengeringan ini. Komponen aliran udara yang mempengaruhi proses pengeringan adalah kecepatan, temperatur, tekanan dan kelembapan relatif. Proses pengeringan sebuah produk makanan membutuhkan waktu untuk mendapatkan produk kering yang diinginkan, bila berat sebuah produk diperhitungkan sebagai fungsi waktu maka akan diperoleh bentuk grafik sebagai berikut:

Gambar 2.1 Grafik Proses Pengeringan Makanan

Dari gambar 2 dapat dijelaskan bahwa pada proses 1 ke 2 memperlihatkan proses awal aliran udara panas dapat menguapkan sejumlah air dalam produk makanan berbanding lurus dengan bertambahnya waktu pemanasan. Sedangkan pada proses 2 ke 3, dengan bertambahnya waktu mengakibatkan kapasitas proses penguapan air malah berkurang disebabkan oleh menurunnya temperatur aliran udara panas dan naiknya kelembapan relatif udara sehingga udara panas menjadi jenuh dan tidak mampu lagi menguapkan air. Sehingga proses pengeringan dengan aliran udara panas ini harus disediakan udara dalam jumlah besar agar kualitas produk makanan yang akan dikeringkan sesuai dengan yang ditetapkan.

Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembapan dari suatu bahan sampai batas kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber panas dan penerima uap cairan. Pengeringan makanan memiliki dua tujuan utama. Tujuan pertama adalah untuk mengeluarkan sebagian air dari suatu bahan pangan yang menggunakan energi panas (sebagai sarana pengawetan makanan) dan untuk mengurangi kadar air bahan padat pada batas tertentu yang menyebabkan bahan tersebut tahan terhadap serangan mikroba, enzim dan insekta sehingga dapat memperpanjang umur penyimpanan. Mikroorganisme yang mengakibatkan kerusakan makanan tidak dapat berkembang dan bertahan hidup pada lingkungan dengan kadar air yang rendah. Selain itu, banyak enzim yang mengakibatkan perubahan kimia pada makanan tidak dapat berfungsi tanpa kehadiran air.

Tujuan kedua adalah untuk meminimalkan biaya distribusi bahan makanan karena makanan yang telah dikeringkan akan memiliki berat yang lebih rendah dan ukuran yang lebih kecil.

Pengeringan merupakan proses penghilangan sejumlah air dari material. Dalam pengeringan, air dihilangkan dengan prinsip perbedaan kelembapan antara udara pengering dengan

bahan makanan yang dikeringkan. Material dikontakkan dengan udara kering yang kemudian terjadi perpindahan massa air dari material ke udara pengering. Pengeringan adalah pemisahan air dari bahan yang mengandung air dalam jumlah kecil dengan mengalirkan udara melalui bahan. Proses dari pengeringan adalah mengeluarkan atau menghilangkan sebagian air dari suatu bahan pangan dengan cara menguapkan sebagian air yang terkandung dalam bahan pangan dengan menggunakan energi panas. Penghilangan kadar air dengan tingkat kadar air yang sangat rendah mendekati kondisi “bone dry”.

Kadar air atau moisture content adalah jumlah air yang terkandung dalam suatu bahan. Kadar air dari padatan akan mengalami penurunan selama proses pengeringan berlangsung, yang kemudian akan menurunkan densitasnya.

Pada beberapa kasus, bahan kering akan menyusut. Air dihilangkan secara mekanik dari material padat dengan cara dipress, sentrifugasi dan lain sebagainya. Cara ini lebih murah dibandingkan pengeringan dengan menggunakan panas.

Kandungan air dari bahan yang sudah dikeringkan bervariasi bergantung dari produk yang ingin dihasilkan. Produk makanan mengandung sekitar 5% air. Biasanya pengeringan merupakan proses akhir sebelum pengemasan dan membuat beberapa produk lebih mudah untuk ditangani.

Metode pengeringan spray drying menjadi pilihan dalam proses pengeringan produk dengan hasil akhir berupa bubuk dan merupakan metode pengeringan yang paling banyak digunakan dalam industri terutama industri makanan. Metode ini mampu menghasilkan produk dalam bentuk bubuk atau serbuk dari bahan-bahan seperti susu, buah buahan, dan lain-lain.

2.1 Klasifikasi Pengeringan

Ditinjau dari pergerakan bahan padatnya, pengeringan dapat dibagi menjadi dua, yaitu pengeringan batch dan pengeringan

kontinu. Pengeringan batch adalah jenis pengeringan dimana bahan yang dikeringakan dimasukan ke dalam alat pengering dan didiamkan selama waktu yang ditentukan. Pengeringan kontinu adalah pengeringan dimana bahan basah masuk dan bahan kering keluar dari alat pengering secara sinambung.

Berdasarkan kondisi fisik yang digunakan untuk memberikan panas pada sistem dan memindahkan uap air, proses pengeringan dapat dibagi menjadi tiga, yaitu:

1. Pengeringan kontak langsung

Menggunakan udara panas sebagai medium pengering pada tekanan atmosferik. Pada proses ini uap yang terbentuk terbawa oleh udara.

2. Pengeringan vakum

Menggunakan logam sebagai medium pengontak panas atau menggunakan efek radiasi. Pada proses ini penguapan air berlangsung lebih cepat pada tekanan rendah.

3. Pengeringan beku

Pengeringan yang melibatkan proses sublimasi air dari suatu material beku.

2.2 Mekanisme Pengeringan

Selama proses pengeringan, perpindahan panas dan massa terjadi antara bahan padat dan gas pengering (udara). Pada awalnya, padatan memiliki kandungan air yang tinggi sehingga semua kapiler terisikan dengan cairan air dan seluruh permukaan padatan jenuh dengan air. Setelah pemanasan singkat, suhu padatan mencapai wet bulb Temperature (Twb).

Ketika benda basah dikeringkan secara termal, ada dua proses yang berlangsung secara simultan, yaitu:

Perpindahan energi dari lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat.

1.

Perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi, konveksi , radiasi, atau kombinasi dari ketiganya.

Proses ini dipengaruhi oleh temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan.

Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film tipis udara.

Perpindahan massa air yang terdapat di dalam benda ke permukaan.

Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat menuju ke permukaan benda padat.

Struktur benda padat tersebut akan menentukan mekanisme aliran internal air.

Beberapa mekanisme aliran internal air yang dapat berlangsung antara lain:

1. Difusi

Pergerakan ini terjadi bila equilibrium moisture content berada di bawah titik jenuh atmosferik dan padatan dengan cairan di dalam sistem bersifat mutually soluble. Contoh:

pengeringan tepung, kertas, kayu, tekstil dan sebagainya.

2. Capillary flow

Cairan bergerak mengikuti gaya gravitasi dan kapilaritas.

Pergerakan ini terjadi bila equilibrium moisture content berada di atas titik jenuh atmosferik. Contoh: pada pengeringan tanah, pasir, dan lain-lain.

Benda padat basah yang diletakkan dalam aliran gas kontinyu akan kehilangan kandungan air sampai suatu saat tekanan uap air di dalam padatan sama dengan tekanan parsial uap air dalam gas. Keadaan ini disebut equilibrium dan kandungan air yang 2.

berada dalam padatan disebut equilibrium moisture content. Pada kesetimbangan, penghilangan air tidak akan terjadi lagi kecuali apabila material diletakkan pada lingkungan (gas) dengan relative humidity yang lebih rendah (tekanan parsial uap air yang lebih rendah).

BAB 3

SPRAY DRYER

Spray dryer merupakan mesin pengering yang berfungsi untuk menghasilkan produk berbentuk butiran halus (bubuk) dari bahan masukan berupa larutan. Spray dryer juga merupakan mesin pemroses produk yang berfungsi untuk mengeringkan bahan dengan metode semprot.

Konsep spray dryer pertama kali dipatenkan oleh Samuel Percy pada tahun 1872. Konsep tersebut diaplikasikan pertama kali di industri pada produksi susu dan detergen pada tahun 1920 an. Spray dryer dirancang menggunakan bahan full stainless steel sehingga aman bagi produk. Menggunakan pemanas dengan tenaga listrik yang relatif aman dengan temperatur terkontrol sehingga produk tidak rusak.

Metode mengeringan spray drying merupakan metode pengeringan yang paling banyak digunakan dalam industri makanan dan produk-produk bubuk. Mesin ini biasanya untuk pengolahan susu bubuk, sari buah instan, kopi tanpa ampas,

maupun pembuatan creamer.

Spray dryer merupakan salah satu jenis mesin pengering buatan yang mempunyai keunggulan yaitu proses pengeringan ini relatif singkat jika dibandingkan dengan proses pengeringan yang lain, sehingga membuat proses ini cocok untuk mengeringkan bahan yang sensitif terhadap panas. Spray dryer banyak digunakan pada industri pangan karena beberapa produk pangan sangat sensitif terhadap panas.

Keunggulan lainnya adalah proses pengeringaan dapat diatur sesuai dengan tingkat kekeringan produk yang diinginkan, kualitas produk dapat dipertahankan (citarasa, nilai gizi dan warna), kapasitas pengeringan dapat ditentukan, tidak memerlukan tempat yang luas, kondisi pengeringaan dapat dikontrol dan kadar air akhir yang dapat dicapai lebih rendah dibandingkan dengan sistem pengeringan lain.

Bagian-bagian spray dryer terdiri dari kipas, pemanas, kompresor, tangki bahan, atomiser, ruang pengering, siklon pemisah, botol penampung produk I dan II, dan kerangka penyangga.

Spray dryer merupakan jenis mesin pengering yang efektif karena adanya perpindahan panas dan massa yang terjadi terus menerus diantara bahan dan udara pengering. Proses pengeringan pada spray dryer meliputi empat tahapan dasar yaitu atomisasi bahan (larutan), pencampuran udara pengering dengan droplets, pengeringan droplets, pemisahan antara produk dengan udara pengering.

3.1 Pencampuran Udara Panas dan Droplets pada Spray Dryer

Pencampuran antara udara pengering dengan droplets merupakan hal yang penting pada rancangan spray dryer.

Pencampuran ini terjadi karena arah aliran antara droplets dan udara pengering. Arah aliran antara droplets dan udara pengering terdiri dari:

1. Co-current flow dryer

Aliran udara pengering dan droplets terjadi dalam satu arah yaitu udara pengering dialirkan dari atas ruang pengering searah dengan droplets yang disemprotkan oleh atomiser. Pada penelitian ini menggunakan konsep perancangan spray dryer co- current flow dryer.

2. Counter-current flow dryer

Aliaran udara pengering dan droplets terjadi berlawanan arah yaitu udara pengering dialirkan dari bawah ruang pengering berlawanan arah dengan droplets yang disemprotkan oleh atomiser.

3. Mixed flow dryer

Aliran udara pengering masuk melalui bagian atas ruang pengering, sedangkan aliran droplets disemprotkan atomiser yang diletakkan di bagian bawah ruang pengering dengan arah ke atas.

Sumber: Master (1985: 29)

Gambar 3.1 Arah Aliran antara Droplets dan Udara Pengering

3.2 Parameter Kritis Spray Drying

Parameter kritis spray drying antara lain:

1. Suhu pengering yang masuk

Semakin tinggi suhu udara yang digunakan untuk pengeringan maka proses penguapan air pada bahan akan semakin cepat, namun suhu yang tinggi memungkinkan terjadinya kerusakan secara fisik maupun kimia pada bahan yang tidak tahan panas.

2. Suhu pengering yang keluar

Suhu pengering yang keluar mengontrol kadar air bahan hasil pengeringan (bubuk) yang terbentuk.

3. Viskositas bahan (larutan) yang masuk

Viskositas bahan yang akan dikeringkan mempengaruhi partikel yang keluar melalui nozzle. Viskositas yang rendah menyebabkan berkurangnya energi dan tekanan dalam menghasilkan partikel pada proses atomisasi.

4. Jumlah padatan terlarut

Jumlah padatan terlarut pada bahan yang masuk disarankan lebih dari 30% agar ukuran partikel yang terbentuk tepat.

5. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan yang tinggi dapat menghambat proses pengeringan. Umumnya untuk menurunkan tegangan permukaan dilakukan penambahan emulsifier. Emulsifier juga dapat menyebabkan ukuran partikel yang keluar dari nozzle lebih kecil sehingga mempercepat proses pengeringan.

6. Suhu bahan yang masuk

Peningkatan suhu bahan yang akan dikeringkan sebelum memasuki alat akan membawa energi sehingga proses pengeringan akan lebih cepat.

7. Tingkat volatilitas bahan pelarut

Bahan pelarut dengan tingkat volatilitas yang tinggi dapat mempercepat proses pengeringan. Namun dalam praktiknya air

menjadi pelarut utama dalam bahan pangan yang dikeringkan.

8. Bahan dasar nozzle umumnya terbuat dari stainless steel karena tahan karat sehingga aman dalam proses penggunaannya.

BAB 4

PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA

Spray drying merupakan suatu proses pengeringan untuk mengurangi kadar air suatu bahan sehingga dihasilkan produk berupa bubuk melalui penguapan cairan. Spray drying menggunakan atomisasi cairan untuk membentuk droplets, selanjutnya droplets yang terbentuk dikeringkan menggunakan udara kering dengan suhu dan tekanan yang tinggi. Bahan yang digunakan dalam pengeringan spray drying dapat berupa suspensi, dispersi maupun emulsi. Sementara produk akhir yang dihasilkan dapat berupa bubuk, granula maupun aglomerat tergantung sifat fisik-kimia bahan yang akan dikeringkan, desain alat pengering dan hasil akhir produk yang diinginkan.

4.1 Proses Perpindahan Panas

Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu atau bila dua buah benda yang suhunya berbeda dalam kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda

yang suhunya lebih rendah atau akan terjadi perpindahan energi.

Proses tersebut dikenal sebagai proses perpindahan panas. Proses perpindahan energi panas dibutuhkan pada proses penguapan air dari dalam bahan atau proses perubahan bentuk cair ke bentuk uap.

Proses perpindahan panas yang terjadi pada pembuatan kopi instan dengan mengunakan spray dryer adalah perpindahan panas konveksi. Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan energi panas antara permukaan solid dan fluida atau sebaliknya sebagai akibat dari gerakan fluida. Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

Q = h A (T_w - T_∞)

Klasifikasi perpindahan panas konveksi adalah sebagai berikut:

Konveksi bebas atau alamiah disebabkan oleh perbedaan kerapatan dan adanya selisih suhu antara permukaan padatan dan fluida.

Konveksi paksa terjadi apabila fluida mengalir karena adanya gerakan fluida yang disebabkan oleh gaya luar.

4.2 Proses Perpindahan Massa

Proses perpindahan massa yaitu, aliran unsur larutan fluida dari daerah yang konsentrasinya lebih tinggi ke daerah yang konsentrasinya lebih rendah.

Mekanisme perpindahan massa secara garis besar dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu:

Perpindahan massa secara konveksi, dimana massa berpindah dari suatu tempat ke tempat lain dalam sistem aliran.

Perpindahan massa secara difusi adalah akibat dari suatu campuran gas dan zat yang terkurung sehingga terdapat gradien konsentrasi dalam sistem tersebut, maka akan terjadi perpindahan massa dalam tingkat mikroskopik sebagai akibat 1.

2.

1.

2.

difusi atau pembauran dari daerah konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah.

4.3 Keseimbangan Panas dan Massa pada Spray Dryer

Gambar 4.1 Keseimbangan Aliran Panas dan Massa

1. Persamaan keseimbangan panas pada sistem:

Panas yang masuk = Panas yang keluar + Panas yang hilang G_a . Q_a1 + M_{s total} . Qs1 = G_a . Q_a2 + M_{s total} .Q_s2 + Q_d

2. Persamaan keseimbangan massa pada sistem:

Massa yang masuk = Massa yang keluar G_a . H₁ + M_{s total} . W_s1 = G_a . H₂ + M_{s total} . W_s2

BAB 5

APLIKASI SPRAY DRYER (Produk Minuman Instan)

Aplikasi spray dryer dalam industri biasanya digunakan untuk mengeringkan suatu cairan dengan produk akhir berupa bubuk atau serbuk butiran. Spray dryer ini banyak dimanfaatkan untuk mengeringkan susu bubuk, ekstrak kopi, tepung, dan lain sebagainya. Pengeringan menggunakan metode ini juga banyak dimanfaatkan untuk membuat produk-produk instan terenkapsulasi, seperti misalnya pembuatan yoghurt instan, ataupun minuman instan mengandung vitamin C dan sebagainya.

Aplikasi spray drying yang luas dapat dijumpai hampir di semua industri, terutama produksi bahan-bahan kimia, obat-obatan, kosmetika dan pestisida.

Pembuatan minuman dalam bentuk instan merupakan salah satu cara pengolahan untuk meningkatkan nilai tambah produk, mengurangi kerusakan akibat serangan mikroba, mempermudah penyimpanan dan pengangkutan. Bentuk pangan tanpa air ini, mudah dicampur dengan air (dingin/panas) dan mudah larut

sehingga siap untuk dihidangkan. Kriteria tertentu supaya produk pangan bersifat instan dan optimal yaitu bersifat hidrofilik; tidak ada lapisan gel; pembasahannya harus cukup baik dan segera turun (tenggelam) tanpa menggumpal; mudah terdispersi;

tidak menjadi sedimen atau mengendap dibawah terus. Proses instan yang sempurna merupakan urutan dari proses sebagai berikut: bubuk aglomeret atau granul (butiran) bersentuhan dan menyerap air, menjadi basah dan dalam beberapa saat tenggelam;

segera terdispersi merata dalam mediumnya dibantu dengan pengadukan. Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah produk minuman instan yaitu kopi instan.

BAB 6

METODE PENELITIAN

6.1 Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Jember Jalan Karimata No. 49 Jember.

6.2 Alat Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

Pengeringan ini dilakukan dengan menggunakan alat spray drying skala laboratorium (mini spray dryer) dengan tipe aliran searah co-current. Proses pengeringan metoda spray drying dilakukan dengan cara menyemprotkan massa cair (dapat berupa larutan, emulsi atau suspensi) dengan atau tanpa bahan tambahan pada medium kering yang panas (udara). Pada larutan dengan kandungan gula tinggi, perlu ditambahkan bahan pengisi agar hasil akhirnya berupa serbuk halus yang tidak 1.

lengket dan produk tidak akan menempel pada permukaan alat atau terjadi penggumpalan. Melalui kontak panas dari aliran udara kering-panas, cairan yang telah diatomisasi dengan menggunakan roda berputar (nozzle) akan menguap dengan cepat dan menghasilkan massa berupa padatan atau serbuk. Walaupun proses penguapan memerlukan suhu tinggi, tetapi karena berlangsung secara cepat diharapkan tidak mempengaruhi kualitas produk akhir yang dihasilkan. Kualitas hasil yang diperoleh pada metode spray drying dipengaruhi oleh dua hal, yaitu proses selama pengeringan (suhu inlet, kecepatan semprot, kondisi tabung, kecepatan aliran udara, dan lain-lain) dan kondisi bahan larutan yang akan dikeringkan (sifat bahan, jenis dan konsentrasi bahan pengisi, dan lain-lain).

Pengukur tekanan (pressure gauge) digunakan untuk mengukur tekanan udara yang diperlukan dari kompresor.

Termometer dinding digunakan untuk mengukur suhu udara ruangan.

Termometer bola basah digunakan untuk mengukur suhu bola basah udara. Termometer bola basah yaitu termometer raksa yang dibalut dengan kain yang dibasahi dengan air. Air di termometer bola basah menguap bila ada aliran udara yang lewat. Air yang ada pada kain basah menguap sesuai dengan kemampuan serap udara sekitar.

Termometer digital untuk mengukur suhu bahan, suhu droplets di dalam ruang pengering, suhu produk, dan suhu udara keluar ruang pengering.

Stopwatch digunakan untuk mencatat waktu pengeringan bahan.

Timbangan digunakan untuk menimbang berat produk yang keluar dari ruang pengering.

6.3 Bahan Pembuatan Larutan

Penentuan konsentrasi bahan yang akan dikeringkan 2.

3.

4.

5.

6.

7.

harus tepat dan kandungan bahan yang terlarut sebesar 30%

hingga 50%. Jika bahan yang digunakan sangat encer dengan total padatan terlarut yang sangat rendah maka harus dilakukan pemekatan terlebih dahulu melalui proses evaporasi. Jika kadar air bahan yang akan dikeringkan terlalu tinggi maka proses spray drying kurang maksimal dimana bubuk yang dihasilkan masih mengandung kadar air yang tinggi. Selain itu juga menyebabkan kebutuhan energi yang tinggi dalam proses pengeringan.

Bahan (terlarut) yang digunakan dalam pembuatan larutan dalam penelitian ini adalah bubuk kopi dari jenis kopi arabika. Bahan (pelarut) yang digunakan dalam pembuatan larutan adalah air.

6.4 Proses Pembuatan Bahan (Larutan)

Gambar 6.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Bahan (Larutan)

6.5 Rancangan Spray Dryer

6.5.1 Konsep Perancangan Spray Dryer

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan konsep perancangan spray dryer tipe co-current sebagai berikut:

Gambar 6.2 Konsep Perancangan Spray Dryer

Keterangan:

Pemanas

Termometer raksa Kipas

1.

2.

3.

Kerangka peralatan Siklon pemisah

Botol penampung produk Ruang pengering

Termokontrol dan switch on pemanas + kipas Kran nosel dan kran campuran udara + bahan Tangki bahan

6.5.2 Mekanisme Kerja Spray Drying

Prinsip dasar spray drying adalah memperluas permukaan cairan yang akan dikeringkan dengan cara pembentukan droplets yang selanjutnya dikontakkan dengan udara pengering yang panas.

Udara panas akan memberikan energi untuk proses penguapan dan menyerap uap air yang keluar dari bahan.

Bahan (cairan) yang akan dikeringkan dilewatkan pada suatu nozzle (saringan bertekanan) sehingga keluar dalam bentuk butiran (droplets) yang sangat halus. Butiran ini selanjutnya masuk ke dalam ruang pengering yang dilewati oleh aliran udara panas.

Hasil pengeringan berupa bubuk akan berkumpul dibagian bawah ruang pengering yang selanjutnya dialirkan ke bak penampung.

6.5.3 Rancangan Fungsional Spray Dryer

Spray Dryer ini terdiri dari bagian-bagian yang berfungsi sebagai berikut:

1. Kipas (Blower)

Kipas berfungsi untuk menghisap udara luar dan mengalirkan ke dalam pemanas.

2. Pemanas udara (Heater)

Heater berfungsi sebagai pemanas udara yang akan digunakan sebagai pengering. Panas yang diberikan harus diatur sesuai dengan karakteristik bahan, ukuran droplets yang dihasilkan dan jumlah droplets. Suhu udara pengering 4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

yang digunakan diatur agar tidak terjadi over heating. Pemanas berfungsi untuk memanaskan udara yang akan digunakan untuk proses penguapan air dari bahan. Udara pengering selanjutnya dialirkan menuju ruang pengering melalui ruang distribusi udara panas. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan termokontrol untuk mengatur suhu udara yang akan digunakan sebagai pengering droplets. Adanya kontak droplets dengan udara panas menyebabkan evaporasi kadungan air pada droplets hingga 95% sehingga dihasilkan bubuk. Bubuk yang telah kering jatuh ke bawah drying chamber (ruang pengering) dari atas chamber hingga mencapai dasar hanya memerlukan waktu selama beberapa detik.

3. Kompresor

Kompresor menghasilkan udara bertekanan yang berfungsi untuk mendorong larutan dalam tangki bahan menuju atomiser. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan kran campuran udara dan bahan untuk mengatur campuran udara dan bahan dalam tangki menuju atomiser.

4. Tangki pengisian bahan

Tangki pengisian bahan digunakan untuk menampung bahan (larutan) yang akan dialirkan menuju atomiser. Spray dryer ini juga dilengkapi dengan kran nozzle yang digunakan untuk mengatur besarnya sudut penyemprotan droplets.

5. Atomiser

Atomiser merupakan bagian terpenting pada spray dryer yang berfungsi untuk menghasilkan droplets dari cairan yang akan dikeringkan. Droplets yang terbentuk akan didistribusikan (disemprotkan) secara merata pada alat pengering agar terjadi kontak dengan udara panas. Ukuran droplets yang dihasilkan tidak boleh terlalu besar karena proses pengeringan tidak akan berjalan dengan baik. Disamping itu ukuran droplets juga tidak boleh terlalu kecil karena menyebabkan terjadinya

over heating. Pada tengah atomiser disemprotkan udara panas bertekanan. Udara panas dan droplets hasil atomisasi disemprotkan ke bawah. Kondisi ini menyebabkan terjadinya kontak antara droplets dengan udara panas sehingga terjadi pengeringan secara simultan. Bahan yang akan dimasukkan dalam alat spray dryer harus dihomogenisasikan terlebih dahulu agar ukuran droplets yang dihasilkan seragam dan tidak terjadi penyumbatan atomiser. Homogenisasi dilakukan dengan cara pengadukan, selanjutnya bahan dialirkan kedalam atomiser. Atomisasi merupakan proses pembentukan droplets, dimana bahan cair yang akan dikeringkan dirubah ukurannya menjadi partikel (droplets) yang lebih halus. Tujuan dari atomiser ini adalah untuk memperluas permukaan sehingga pengeringan dapat terjadi lebih cepat. Pada Industri makanan, luas permukaan droplets setelah melalui atomiser adalah mencapai 1-400 mikrometer. Atomiser dengan menggunakan nozzle berfungsi untuk mengatomisasi bahan (larutan) menjadi bentuk droplets yang disemprotkan ke dalam ruang pengering.

6. Ruang pengering

Proses pengeringan droplets menjadi bubuk berlangsung di dalam ruang pengering (chamber) merupakan ruang dimana terjadi kontak antara droplets cairan yang dihasilkan oleh atomiser dengan udara panas untuk pengeringan. Kontak udara panas dengan droplets akan menghasilkan bahan kering dalam bentuk bubuk. Bubuk yang terbentuk akan turun ke bagian bawah chamber dan akan dialirkan dalam botol penampung.

Udara hasil pengeringan dipisahkan dengan pengambilan udara yang mengandung serpihan serbuk di dalam chamber, selanjutnya udara akan memasuki separator.

7. Siklon pemisah

Yang perlu mendapat perhatian dalam sistem spray dryer adalah ruang pengeringan yang umumnya berbentuk siklon.

Hendaklah memilih material siklon yang tepat, kehalusan permukaan dinding bagian dalam siklon harus memenuhi syarat termasuk dimensi dan sebagainya, sehingga tidak menghambat kelangsungan proses pengeringan seperti bahan dapat mengalir turun tanpa hambatan, waktu pengeringan yang cukup, separasi udara dengan bahan dapat berlangsung secara sempurna, dan sebagainya. Cyclone berfungsi sebagai penampung hasil proses pengeringan. Bubuk yang dihasilkan akan dipompa menuju cyclone. Siklon pemisah berfungsi untuk memisahkan droplets yang masih terikat dengan udara pengering. Droplets diproses menjadi bubuk dan ditampung dalam tabung penampung produk, sedangkan udara pengering akan melewati saluran keluar menuju udara bebas. Udara hasil pengeringan dan serpihan serbuk dipisahkan dengan menggunakan gaya sentrifugal. Selanjutnya udara dibuang dan serpihan bahan dikembalikan dengan cara di blow sehingga bergabung lagi dengan produk dalam line prosses.

8. Botol penampung produk 1 dan 2

Botol penampung produk 1 untuk menampung produk yang jatuh dari ruang pengering. Botol penampung produk 2 untuk menampung produk yang jatuh dari siklon pemisah.

9. Kerangka penyangga

Kerangka penyangga digunakan sebagai tempat untuk meletakkan dan menyangga spray dryer. Kerangka penyangga juga dilengkapi dengan empat roda untuk memudahkan pergerakan spray dryer.

6.5.4 Rancangan Struktural Spray Dryer

Gambar 6.3 Diagram Struktural Spray Dryer

Udara luar pada suhu ruangan dihisap oleh kipas dan didorong menuju ke dalam saluran. Kemudian di dalam saluran tersebut udara dipanaskan oleh pemanas dan suhunya diatur oleh termokontrol.

Udara pengering selanjutnya dialirkan menuju ruang pengering melalui ruang distribusi udara panas. Di dalam ruang pengering, udara panas digunakan untuk mengeringkan droplets yang keluar dari nozzle. Volume udara dari kompresor yang bertekanan menekan larutan dalam tangki bahan dan mendorongnya menuju atomiser dan kemudian diatomisasi menjadi bentuk droplets dan disemprotkan ke dalam ruang pengering. Droplets bertemu dengan udara panas sehingga droplets menjadi bubuk, jatuh kedalam botol penampung produk 1. Droplets yang masih terikat udara pengering dipisahkan di dalam siklon pemisah yaitu droplets diproses menjadi bubuk dan ditampung dalam botol penampung produk 2, sedangkan udara pengering akan melewati saluran keluar menuju udara bebas.

Tabel 6.1 Spesifikasi Spray Dryer

No. Spray Dryer Spesifikasi

1. Kipas (Blower) - Bahan kipas - Tipe kipas - Ukuran

- Kecepatan putar kipas - Daya kipas

- Diameter saluran udara - Panjang saluran udara - Voltase listrik kipas - Arus listrik kipas - Cycles

- Fase

- Alumunium - VS 54230 - 2”- 3600 rpm - 220 W, 50 Hz - 0,0508 m - 0,33 m - 220 V - 1 A - 50/60 - 1 2. Pemanas Udara (Heater)

- Bahan dinding pemanas - Badan pemanas

- Tutup atas

- Bahan elemen pemanas - Diameter elemen pemanas - Voltase listrik pemanas - Bahan isolator pemanas - Model termokontrolK-3 - Voltase listrik termokon- - Arus listrik termokontroltrol - Suhu maksimum termo-

kontrol

- Bahan ruang distribusi udara panas

- Diameter ruang distribusi udara panas

- Tinggi ruang distribusi udara panas

- Diameter lubang udara panas

- Pipa dalam - Pipa keluar

- 120 x 300 mm

- Plat stainless steel dop1,2 mm - Plat stainless steel dop 1,2 x 300

x 376,8 mm

- Plat stainless steel dop 1,2 x diameter 120 mm

- Neklin 7,5 m - 0,9 mm - 220 V, 1500 W

- K-3 Keramik (1000 buah) - I L – 80 EN TEW

- 110/220 V - 3 A - 400o C

- Plat stainless steel tebal 1,2 mm - 20 cm

- 8 cm - 3 mm

- 1,5” x 330 mm - 2” x 330 mm

No. Spray Dryer Spesifikasi - Tall

- Panel - Saklar

- Diameter 10 mm Asbes 15 m - 140x 200x150 mm Carbon Steel - Plastik 2 buah 3. Tangki Pengisian Bahan

(Larutan)

- Bahan dinding tangki - Diameter tangki - Tinggi tangki - Badan - Tutup atas - Kerucut - Kran - Pipa nozzle - Nozzle

- Pressure gauge - Ring

- Baut dan mur - Nipple ¼

- Plat stainless steel tebal 2 mm - 10 cm

- 17 cm

- Plat stainless steel dop 1,2x120x314 mm - Plat stainless steel dop

1,2 x diameter 120 mm - Plat stainless steel dop

1,2 x 0,018 m²

- Krom/Kuningan ¼” 2 buah - Stainless steel kilap ½” x170 mm - Kuningan½”, lubang diameter - Krom/Gelas diameter 50 mm1 mm - Stainless steel dop 1,2x diameter - Stainless steel dop M6 x 12 mm 60mm

3 buah

- Stainless steel dop 4. Kompresor

- Merk kompresor

- Tekanan maksimum kom- presor

- Voltase listrik kompresor - Panjang tabung kompresor - Diameter tabung kom-

presor - Volume udara

- Shark - 6 kg/cm² - 220/240 V - 70 cm - 30 cm - 95 liter 5. Nozzle

- Bahan nozzle

- Diameter orifise nozzle - Kuningan - 1 mm

No. Spray Dryer Spesifikasi 6. Ruang Distribusi Udara

Panas - Badan - Tutup atas - Flens

- Plat distribusi

- 200 x 80 mm

- Plat stainless steel dop 1,2x80x628 mm - Plat stainless steel dop

1,2xdiameter 200 mm - Plat stainless steel dop

3xdiameter 250/200 mm - Plat stainless steel dop 1,2 x diameter 200/19 mm 7. Ruang Pengering

- Bahan dinding ruang pengering

- Bentuk - Sudut kerucut - Diameter silinder - Tinggi silinder - Flens

- Badan - Kerucut - Pipa produk - Flens - Pipa buang - Flens

Siklon Pemisah - Bahan dinding siklon

pemisah

- Diameter siklon pemisah - Tinggi siklon pemisah - Badan

- Tutup atas

- 200x600 mm

- Plat stainless steel tebal 1,2 mm - Conical-based

- 60^o - 20 cm - 60 cm

- Plat stainless steel dop 3 x diameter 250/200 mm - Plat stainless steel dop

1,2x600x628 mm

- Plat stainless steel dop 1,2x0,073 mm²

- Plat stainless steel dop 1,5” x 40 - Plat stainless steel dop mm

1,5”xdiameter 60/48 mm - Plat stainless steel dop 2”x40mm - Plat stainless steel dop 3 x

diameter 90/50 mm - 125 x 400 mm

- Plat stainless steel tebal 1,2 mm - 12,5 cm

- 40 cm

- Plat stainless steel dop 1,2x200x392,5 mm - Plat stainless steel dop

1,2xdiameter 125mm

No. Spray Dryer Spesifikasi - Flens

- Pipa masuk - Flens - Kerucut - Pipa produk - Flens - Pipa buang

- Plat stainless steel dop

3xdiameter 165/125mm, 2 buah - Plat stainless steel dop

2”x200mm

- Plat stainless steel dop 3xdiameter90/5mm - Plat stainless steel dop 1,2 x

0,072 mm²

- Plat stainless steel dop 1,5”x15mm

- Plat stainless steel dop 1,5xdiameter 60/48 mm - Plat stainless steel dop 1,5” x 200

mm 8. Botol Penampung Produk

1 dan 2

- Bahan botol penampung produk

- Diameter botol penampung produk - Tinggi botol penampung

produk

- 70 x 125 mm

- Gelas/kaca transparan - 7 cm

- 12,5 cm 9. Kerangka Penyangga

- Bahan kerangka penyangga - Bentuk kerangka penyangga - Ukuran kotak kerangka

penyangga

- Jumlah kotak kerangka penyangga

- Bahan lantai kerangka penyangga

- Ukuran lantai kerangka penyangga

- Bahan tapak kerangka penyangga

- Ukuran tapak kerangka penyangga

- Jumlah tapak kerangka penyangga

- 550x550x1145mm

- Carbon steel tebal 2 mm 1 lonjor - Profil kotak

- 55 x 3 x 3 cm - 11 buah

- Plat carbon steel tebal 1,2 mm - 55 cm x 55 cm

- Plat carbon steel tebal 3 mm - 9 cm x 10 cm

- 4 buah

No. Spray Dryer Spesifikasi - Bahan roda kerangka

penyangga

- Diameter roda kerangka penyangga

- Jumlah roda kerangka penyangga

- Carbon steel dan karet - 4”

- 4 buah (1 set)

6.5.5 Metode dan Rancangan Penelitian Utama 6.5.5.1 Metode Penelitian Utama

Metode penelitian yang digunakan adalah metode eksperimen.

Teknik pengambilan data dilakukan dengan observasi langsung.

Penelitian yang dilaksanakan terdiri dari penelitian pendahuluan dan penelitian utama. Tujuan dari penelitian pendahuluan adalah untuk menentukan suhu udara pengering, tekanan pengkabutan, dan perbandingan bubuk kopi dengan air dalam larutan. Hasil terbaik dari penelitian pendahuluan digunakan pada penelitian utama.

6.5.5.2 Rancangan Penelitian Utama

Rancangan penelitian terdiri dari tujuh perlakuan dengan lima kali ulangan. Perlakuan tersebut adalah:

1. Suhu udara pengering 70^o C 2. Suhu udara pengering 75^o C 3. Suhu udara pengering 80^o C 4. Suhu udara pengering 85^o C 5. Suhu udara pengering 90^o C 6. Suhu udara pengering 95^o C 7. Suhu udara pengering 100^o C

6.5.6 Prosedur Penelitian