• Tidak ada hasil yang ditemukan

ITP530 PEMBEKUAN PANGAN

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Membagikan "ITP530 PEMBEKUAN PANGAN"

Copied!
33
0
0

Teks penuh

(1)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id ITP530

PEMBEKUAN PANGAN

Purwiyatno Hariyadi

phariyadi.staff.ipb.ac.id

Aspek engineering

Design (keperluan refrigerasi, T)

Laju pembekuan (the rate at which freezing

progress

)

Mutu produk

Produktivitas

PEMBEKUAN

PEMBEKUAN

(2)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

• Penyimpanan produk pada T < suhu beku

• Umumnya pada T < 28 °F (-2 °C), atau khususnya

pada < 0 °F (-18 °C)

• Sebagian besar air (~95%) beku

• daya awet produk beku ` bbrp bulan --- tahun

• Laju pembekuan dipengaruhi oleh bbrp faktor : perlu dikendalikan

• Pertumbuhan mikroorganisme dihambat, bbrp

bahkan inaktif

PurwiyatnoHariyadi/IPN/ITP/Fateta/IPB

PEMBEKUAN

PEMBEKUAN

Things to notice:

• Pressure and temperature 

both affect the phase of 

matter.

• All three phases of matter 

exist at the triple point

Melting/Freezing Boiling/Condensating

PEMBEKUAN

PEMBEKUAN

pembekuan

(3)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

PENGARUH POSITI

F

• Menurunkan/menghambat pertumbuhan m.o.

• Menurunkan laju reaksi kimia/biokimia

• Meningkatkan daya simpan produk

• (3-40 lipat untuk setiap penurunan suhu 10°C)

PENGARUH NEGATIF

• Kerusakan kimia

• Kerusakan fisik (textural)

PEMBEKUAN

– pengaruhnya pd produk pangan

PEMBEKUAN

– pengaruhnya pd produk pangan

– Freezer burn

?

• Package properly 

• Control temperature fluctuations in storage.

– Oxidation?

• Off‐flavors 

• Vitamin loss 

• Browning 

– Recrystallization?

PEMBEKUAN

– pengaruhnya pd produk pangan

PEMBEKUAN

(4)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

- Penurunan titik beku = f (konsentrasi, BM)

m . K T  m . BM T R T f A 2 0 A g f    

 

kg kJ 335 air kg kJ , pembekuan laten panas  K . mol J 314 . 8 gas ta tan kons R K 273 , K air ) A ( murni pelarut beku titik T . pelarut mg 1000 solut mol molalitas m g 0 A                 dimana:

BMA= Berat Molekul pelarut K = konstanta molal titik beku

Lar. X dlm air Tf= (1.86 m)oC A A 0 A g 1 X ln T 1 T 1 R           

XA= fraksi mol air

1= panas laten pembekuan

Sifat Produk Pangan Beku

Sifat Produk Pangan Beku

Ice cream mix dengan komposisi sbb: 10% butterfat 12% solid-not-fat (54.5%: laktosa) 15% sukrosa 0.22% stabilizer 37.22% Air = 62.78% Ditanya Tf= ? L m . BM T R T A 2 0 A g f   m = ? solven kg solut mol m  Solut? sukrosa BM = 342 laktosa BM = 342 solut lain diabaikan !! Asumsi bahwa hanya gula (laktosa + fruktosa) yang memp. Efek

menurunkan titik beku) !!

Sifat Produk Pangan Beku

Sifat Produk Pangan Beku

(5)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

 Fraksi gula = 0.15 + 0.12 (0.545) = 0.2154 g/g Fraksi air = 0.6278

Konsentrasi gula dlm air =

air g 1000 gula g 1 , 343  air g gula g 3431 . 0 6278 . 0 2154 . 0  m 003 . 1 air g 1000 gula mol 342 1 . 343 m  

kg J 335 . 1000 kg mol 003 . 1 mol g 18 K 273 g 18 mol 1 K . mol J 314 . 8 T 2 f                           Tf= 1,86 K

Sifat Produk Pangan Beku

Sifat Produk Pangan Beku

Contoh (lanjutan):

Air murni  = 335

Larutan solid x dlm air  = (335 mw)

kg kJ

kgkJ

mw= Fraksi massa air

Contoh: Kadar air  Selada 94.8 316.3 Strawberi 90.8 289.6 Kacang panjang 88.9 297.0 Kentang 77.8 258.0 Daging kambing 58.0 194.0

Kacang merah, biji kering 12.5 41.9

Kurma kering 24.0 79.0       kg kJ Perhitungan berdasarkan pd rumus  = 335 mw kg kJ Air: mol J 6030 mol 1 10 18 kg J 10 335 kg kJ 335  3 3          

Panas Laten Pembekuan

Panas Laten Pembekuan

(6)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

T-t Diagram : A schematic freezing curve for water, displaying sensible heat loss (Regions I and III) and latent heat loss (Region II).

Kurva Pembekuan :

….. untuk Air Murni

Kurva Pembekuan :

….. untuk Air Murni

Removal of heat (Q) from Region I (sensible heat), II (latent heat), and III (sensible heat) :

(1) Q1= mCp1T1

m = weight of food

Cp1=specific heat of food above freezing

T = temperature difference

ENERGY REMOVAL ASSOCIATED WITH FREEZING

(2) Q2= mw  ...> m

w= weight of water ...>  = latent heat

(3) Q3= mCp2T3 ...> m = weight of food ...> C

p2= specific heat of frozen food ...> T

(7)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Titik Beku air

Super cooling

Titik eutetik Air

Larutan Suhu

Waktu

Titik beku = f(waktu)

Driving force for nucleation/crystallization (i.e. T = T – Tf)

Kurva Pembekuan

Kurva Pembekuan

Removal of latent heat Removal of

sensible heat

3-21

Kurva Pembekuan

Kurva Pembekuan

(8)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Ti Tf

T

t

Setelah terjadi pembekuan, konsentrasi solute pada sisa larutan menjadi lebih tinggi

...> penurunan titik beku lebih besar ...> T f

()

Kurva Pembekuan :

….. untuk Produk Pangan

Kurva Pembekuan :

….. untuk Produk Pangan

You can’t freeze all of the water

(Still have unfrozen (unfreezable) water : 5-10%)

You can’t freeze all of the water

(Still have unfrozen (unfreezable) water : 5-10%)

Kurva Pembekuan :

….. untuk Produk Pangan

Kurva Pembekuan :

(9)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Kurva Pembekuan …. for Fish

Kurva Pembekuan …. for Fish

Kurva Pembekuan …. for Fish

Kurva Pembekuan …. for Fish

(10)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Buah anggur (grape) ...> kadar air 84.7% ...> T f= -1.8oC (271.2oK) A A 0 A g 1 X ln T 1 T 1 R           1= 6003 Rg= 8.314 K . molJ molJ XA=? A X ln K 2 . 271 1 K 273 1 K . mol J 314 , 8 mol J 6003       Ln XA= - 0.01755

XA= 0.9826 (effective mol fraction of water )

ml grape m

INTITIAL FREEZING TEMPERATURE

XA= fraksi mol air = 0.9826

XA= 0.9826 = E BM 3 . 15 18 7 . 84 18 7 . 84  BME= 183.61

Juice anggur dapat dianggap bertingkah laku mirip/sama dgn - lar. x dlm air - BMx = 183.61 - XA= 09826 - Xx= ... dst mol g

(11)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

INTITIAL FREEZING TEMPERATURE

100 0 - 40oC 0oC % air beku Suhu

Hubungan antara % air beku vs. suhu

PRODUK BEKU?

(12)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Hubungan antara % air beku vs. suhu

PRODUK BEKU?

EQUIPMENT RELATED

rate of heat transfer

size of refrigeration unit

FOOD/PRODUCT QUALITY

slow freezing

result in formation of few, large ice crystals

damaging to cell structure/quality

rapid freezing

results in many small ice crystals

gives best product quality

water  ice: ~ 9% increase in volume

(13)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

LAJU PEMBEKUAN

LAJU PEMBEKUAN

(14)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

LAJU PEMBEKUAN

Rapid Freezing

(15)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

LAJU PEMBEKUAN

(16)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

- Pendugaan keperluan pembekuan

ukuran sistem “mechanical

compression”

evaluasi beban refrigerasi/pembekuan

- Disain peralatan + proses, untuk :

memperoleh pembekuan yg diinginkan

- koef pindah panas

- laju pembekuan

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN

Time-temperature method

Time required to freeze between two temperatures (usually T = -5oC or –10oC)

Velocity of ice front

-

rate of freezing

-

must be able to see ice front

Appearance of specimen

-

internal conditions

Thermal methods

-

calorimetric techniques

-

not real-world condition

+

Time-temp. methods most common

+

many people use time to freeze to – 10oC as standard.

(17)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

panas laten adalah energi utama yang hrs

diperhitungkan pada proses pembekuan

~ 75% total energi pd proses pembekuan

333.3 kJ/kg air

144 BTU/lb air

Terjadi perubahan sifat fisik bahan selama proses

pembekuan ~ f (T,m)

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Plank’s Method (for infinite slab)

Plank’s equation is an approximate analytical solution

for a simplified phase-change model.

• Plank assumed that the freezing process:

(a) commences with all of the food unfrozen

but at its freezing temperature.

(b) occurs sufficiently slowly for heat transfer

in the frozen layer to take place under

steady-state conditions.

(18)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Tf

T1

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Plank’s Method (for infinite slab)

x frozen frozen Tf Tf Ts T1 Ts T1 q q unfrozen a

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(19)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id Convection: q       hr BTU = Qt = h (Ts– T1) ... Pers. 1

h = convective heat transfer coeff. at the product surface. Conduction:

f s

f T T x A . k q  ... Pers. 2 Tf= initial freezing point

x = x (t) Combine 1&2:

h 1 k x T T q f 1 f    ... Pers. 3

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Plank’s Method (for infinite slab)

Jumlah energi yang dibebaskan selama proses pembekuan qdt = mif= fdV f qdt = ffA dx so, q = ffA dx/dt ... Pers. 4 Ingat Pers 3 :

h 1 k x T T q f 1 f   

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(20)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

T T

dt dx h 1 k x 1 f f f f           

           Tf 0 1 f 2 a 0 f f f h dx T T dt 1 k x            h 2 a k 8 a T T t 2 i f f f f

Pembekuan selesai lempeng jika x = a/2

Ti = Suhu Pembekuan Suhu ruang pembeku

h 1 k x A T T dt dx A f 1 f f f      Kombinasi Pers. 3 dan 4 ……….>

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Plank’s Method (for infinite slab)

T

T

Ra

k

Pa

h

t

f 2 i f f f f Where:

Infinite slab Sphere Infinite sylinder Cube

P 1/2 1/6 1/4 1/8

R 1/8 1/24 1/6 1/24

a Thickness Diameter Diameter Edge

 f= latent heat of fusion [=] kJ kg kg kJ  water = 333.22 = 144 lb BTU

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(21)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

a

b c

P dan R untuk bentuk bata a : dimensi terpendek c : dimensi terpanjang B2= c/a

B1= b/a

Lihat chart/diagram :

dengan diketahui nilai B2dan B1maka dapat dibaca nilai P dan R

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

General Plank’s Equation

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

General Plank’s Equation

In this figure,

β1and β2are the ratios of the two longest sides to the shortest.

It does not matter in what order they are taken.

(22)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Limitation of Plank’s method:

• no superheating or supercooling

• thermal properties are constant

• can’t incorporate a variable heat transfer

coeff.

• can’t handle varying freezing point

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

General Plank’s Equation

Pham (1986): improved Plank’s equation :

• The mean freezing temperature is defined as

a c fm

T

T

T

1

.

8

0

.

263

0

.

105

 

2

1

2 2 1 1 Bi f c F

N

T

H

T

H

h

E

d

t

where T

c

is final center temperature and T

a

is

freezing medium temperature. The freezing time is

given by

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(23)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

where dc= characteristic dimension ‘r’ or shortest distance Ef = a shape factor (‘1’ for slab, ‘2’ for cylinder and

‘3’ for sphere)

)

(

1 u

c

u

T

i

T

fm

H

)]

(

[

2 f

L

f

c

f

T

fm

T

c

H

a fm i T T T T          2 1 a fm T T T    2

ΔH1 = Enthalpy change during pre-cooling, J/m3

ΔH2= Enthalpy change during phase change and post-cooling period, J/m3

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Pham’s Equation

 

2

1

2 2 1 1 Bi f c F

N

T

H

T

H

h

E

d

t

In Pham’s method, the value of Efis adjusted (Eq. 7.16): Ef= G1+ G2E1+ G3E2

where the values of G1, G2and G3are given in Table 7.1 and E1 and E2are calculated from Eqs. 7.17 & 7.19 and Eqs. 7.18 & 7.20, respectively.

We can now follow Example 7.2 (Singh and Heldman) and compare the freezing time calculations based on Pham’s approach and Plank’s equation.

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(24)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

• Alternate approach to determine the shape factor Efin the calculation of  freezing time:

– For infinite slab, the shape factor E = 1 (since 1=infinite, 2=infinite) – For an infinite cylinder, the shape factor E=2 (since 1=1, 2=infinite)  – For a sphere, the shape factor, E = 3 (1=1, 2=1)

)

2

(

)

2

1

(

)

2

(

)

2

1

(

1

2 2 2 1 2 1 Bi Bi Bi Bi

N

N

N

N

E

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

Pham’s Equation

• For different shapes e.g. ellipsoid, rectangular brick, finite cylinder etc., the  shape factor can be calculated: • Same characteristic dimension R: shortage distance from thermal center to  the surface of the object. • Smallest cross‐sectional area A ; the smallest cross‐section that incorporates  R. • Same volume V • 1and 2can be determined:  ) 2 ( ) 2 1 ( ) 2 ( ) 2 1 ( 1 2 2 2 1 2 1 Bi Bi Bi Bi N N N N E           2 1 R A    ) 3 4 ( 3 1 2 R V     k R h N c Bi

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(25)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Lean beef with 74.5% moisture content and 1 m length, 0.6 m width, and 0.25 m thickness is  being frozen in an air‐blast freezer with hc= 30 W/m2.K and air temperature of ‐30 oC. If the 

initial product temperature is 5 oC. Estimate the time required to reduce the product 

temperature to ‐10 oC. An initial freezing temperature of ‐1.75 oC has been measured for the 

product.  The thermal conductivity of frozen beef is 1.5 W/m.K, and the specific heat of  unfrozen beef is 3.5 kJ/kg.K.  A product density of 1050 kg/m3 can be assumed, and a specific  heat of 1.8 kJ/kg.K for frozen beef can be estimated from properties of ice. – Product length d2= 1 m – Product width d1= 0.6 m – Product thickness a = 0.25 m – Convective heat‐transfer coefficient hc= 30 W/m2.k – Air temperature T= ‐30 oC – Initial product temperature Ti= 5 oC – Initial freezing temperature TF= ‐1.75  oC – Product density  = 1050 kg/m3 – Enthalpy change (H) = 0.745333.22 kJ/kg = 248.25 kJ/kg (estimate) – Thermal conductivity k of frozen product = 1.5 W/m.K – Specific heat of product (Cpu) = 3.5 kJ/kg.K – Specific heat of frozen product (Cpf) = 1.8 kJ/kg.

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

CONTOH

(1) Determine shape factor: (2) The Biot number is : (3)  Shape factor E: 056 . 3 ) 125 . 0 ( 6 . 0 25 . 0 ) 2 25 . 0 ( 6 . 0 25 . 0 2 2 2 1           R A 999 . 5 ) 125 . 0 ( 3 4 056 . 3 1 6 . 0 25 . 0 ) 3 4 ( 3 3 1 2            R V 5 . 2 5 . 1 125 . 0 30   k R h NBi c 197 . 1 ) 5 . 2 999 . 5 2 999 . 5 ( ) 5 . 2 2 1 ( ) 5 . 2 056 . 3 2 056 . 3 ( ) 5 . 2 2 1 ( 1 ) 2 ( ) 2 1 ( ) 2 ( ) 2 1 ( 1 2 2 2 2 2 1 2 1                  Bi Bi N N N N E    

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(26)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id (4) T3 : (5)  H1:  Cu(Ti‐T3) (6)  T1and T2: C T3  1.80.263(10)0.105(30) 3.98 o 3 3 3 1 / 33001500 ] ) 98 . 3 ( 5 [ ) / 1050 ( ) . / 3500 ( ) ( m J C m kg K kg J T T C H u i o         

3 3 3 3 2 / 145 , 039 , 272 )) 10 ( 98 . 3 ( ) / 1050 ( . / 1800 ) / 1050 ( ) 745 . 0 ( ) / 1000 / 22 . 333 ( ) ( m J m kg K kg J m kg kJ J kg kJ T T C L H f f               C T T T C T T T T o a o a i 02 . 26 ) 30 ( 98 . 3 51 . 30 ) 30 ( 2 ) 98 . 3 5 ( 2 ) ( 3 2 3 1                 

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

CONTOH/CEK!!!

(7) tslab : (8)  t   =   tslab/E; s N T H T H h R t Bi slab 156 , 108 ) 2 5 . 2 1 ]( 02 . 26 272039145 51 . 30 33001500 [ 30 125 . 0 ) 2 1 ]( [ 2 2 1 1            hr s E t t slab 90355 25.1 197 . 1 156 , 108  

Required time for lean beef (1 m  0.6m 0.25 m) will be 25.1 hours to freeze.

PERHITUNGAN WAKTU PEMBEKUAN:

(27)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

METODE PEMBEKUAN

1. AIR FREEZING - Products frozen by either "still" or "blast" forced air.

• cheapest (investment)

• "still" slowest, more changes in product • "blast" faster, more commonly used

2. INDIRECT CONTACT - Food placed in direct contact with cooled metal surface.

• relatively faster • more expensive

3. DIRECT CONTACT - Food placed in direct contact with

refrigerant (liquid nitrogen, "green" freon, carbon dioxide snow) • faster

• expensive

• freeze individual food particles

• Blast freezing – a very cold air blasted on 

the food cools food very quickly.  

• Close indirect contact – food is placed in a 

multi‐plate freezer and is rapidly frozen.

• Immersion – food is placed into a very cold 

liquid (usually salt water – brine) or liquid 

nitrogen, this is known as cryonic freezing. 

(28)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

• Mechanical Freezers

‐ Evaporate and compress the refrigerant in 

a continuous cycle

• Cryogenic Systems

‐ Use solid and liquid CO

2

, N

2

directly in 

contact with the food

METODE PEMBEKUAN --- freezing equipment

• Slow Freezers 0.2 cm/h

‐ Still air and cold stores

• Quick Freezers 0.5‐3 cm/h

‐ Air blast and plate freezers

• Rapid Freezers 5‐10 cm/h

‐ Fluidized bed freezers

• Ultra rapid Freezers 10‐100 cm/h

‐ Cryogenic freezers

KLASIFIKASI PEMBEKUAN

(29)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

ALAT PEMBEKU

A typical fluidized bed freezer

ALAT PEMBEKU

(30)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

ALAT PEMBEKU

Batch Freezer

Source: Unit operations for food the food industries by: W.A. Gould

Blast Type

(31)

ITP530/2015 Source: Unit operations for food the food industries by: W.A. Gouldphariyadi.staff.ipb.a.id

Hydraulic

Pump Top Pressure plate Connecting Linkage Corner Headers Refrigerant hoses Trays Contact plates

Polyurethane and polystyrene insulated doors

ALAT PEMBEKU

(32)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

ALAT PEMBEKU

(33)

ITP530/2015 phariyadi.staff.ipb.a.id

Referensi

Dokumen terkait