7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Gabah
Gabah adalah biji padi sebelum di proses menjadi beras. Dalam komoditas perdagangan gabah merupakan tahapan yang paling penting, karena penjualan beras dengan jumlah partai dijual dalam bentuk gabah. Penjualan gabah dapat ditentukan dari kualitas gabah. Kualitas gabah dapat ditentukan oleh kadar air dan kemurnian gabah.
Berdasarkan Instruksi Presiden Nomor 3 tahun 2012 tentang kebijakan pengadaan gabah atau beras dan penyaluran beras oleh pemerintah, terdapat isitilah-istilah khusus dalam penjualan gabah sebagai berikut :
1. Gabah Kering Panen (GKP), merupakan gabah yang baru saja dipanen dari persawahan petani. Pada umunya kadar air gabah setelah panen masih sangat tinggi yakni diatas 24%-27% (Syahrul, 2017) .Hal tersebut dapat dipengaruhi oleh perbedaan kelembapan udara antara musin kemarau dan penghujan. Kandungan kadar hampa atau kotoran maksimum 10%.
2. Gabah Kering Simpan (GKS), seebelum dilakukan penggilingan gabah akan disimpan, oleh karena itu kandungan kadar airnya harus mencapai batas minimum 14% dan maksimum 18% dengan kandungan kadar hampa atau kotoran 3-7%.
Gambar 2. 1 Gabah
3. Gabah Kering Giling (GKG), gabah yang siap untuk digiling mempunyai batas maksimal kadar air 14% dengan kandungan kadar hampa atau kotoran maksimum 3%.
(Sumber : Bulog,2011)
Salah satu karakterisitik suatu produk adalah kadar air. Kadar air dapat mempengaruhi penampakan, tekstur,dan cita rasa produk setelah dilakukan pengolahan. Kadar air juga sangat berpengaruh pada umur ketahanan suatu produk. Produk yang memiliki kadar air yang tinggi akan rentan terhadap serangan bakteri, jamur, dan mikro-organisme lain yang dapat merubah bentuk serta struktur dari produk tersebut. Perubahan bentuk serta struktur suatu produk pada umumnya diakibatkan oleh proses mikrobiologis, kimiawi, enzimatik atau kombinasi antara ketiganya. Berlangsungnya ketiga proses tersebut memerlukan ketersediaan air dalam suatu produk (Lisa, 2015)
Kadar air gabah adalah banyaknya kandungan air yang ada di dalam butiran gabah. Kadar air gabah bisa dinyatakan dalam bentuk presentase (%) dari berat gabah basah. Gabah setelah dilakukan dipanen pada umumnya masih
memiliki kadar air yang cukup tinggi. Pada musim kemarau gabah kering panen memiliki kadar air sekitar 20-23%, sedangkan pada musim penghujan gabah kering panen memiliki kadar air 24-27%. Perbedaan kandungan kadar air pada saat musim kemarau dan musim penghujan bisa terjadi akibat kelembapan udara yang berbeda.
Proses penggilingan gabah sangat dipengaruhi oleh kandungan kadar air yang ada didalam gabah. Saat kadar air yang ada di dalam gabah masih cukup tinggi maka gabah akan menjadi lunak, sehingga saat dilakukan proses penggilingan gabah akan mudah patah. Hal ini akan terjadi sebaliknya apabila kadar air di dalam gabah rendah maka gabah akan kuat saat dilakukan penggilingan, dan hasilnya akan baik. Sedangkan untuk keperluan penyimpanan kadar air gabah harus memenuhi standar simpan sekitar 13-14%
(Millati, 2018)
Oleh karena itu, penting untuk mengetahui kandungan kadar air di dalam gabah gabah. Adpaun metode yang digunakan untuk mengukur kadar air di dalam gabah.
1. Metode Primer, dilakukan secara manual dengan menggunakan oven kering dengan suhu yang tinggi guna menguapkan air. Perhitungan kadar air merupakan berat awal dan berat akhir gabah setelah dikeringkan.
2. Metode Sekunder, menggunakan perangkat digital dengan memanfaatkan karkateristik elektronik gabah. Dalam metode ini alat yang memiliki dua tipe, yakni kapasitansi dan resistensi (Owens et al., 2006).
Selain presentase kadar air yang ada didalam gabah, kualitas gabah dapat dilihat dari kemurnian gabah yang merupakan persentase berat gabah bernas terhadap berat keseluruhan campuran gabah. Semakin banyak benda asing dan butir hampa atau rusak yang tercampur pada gabah, maka tingkat kemurnian gabah makin menurun. Faktor yang dapat mempengaruhi tingkat kemurnian gabah adalah adanya butir yang tidak bernas seperti butir hampa, muda, berkapur, benda asing atau kotoran yang tidak tergolong gabah, seperti debu, butir-butir tanah, batu-batu, kerikil, potongan kayu, potongan logam, tangkai padi, biji-biji lain, bangkai serangga hama, serat karung, dan sebagainya. Termasuk pula dalam kategori kotoran adalah butir-butir gabah yang telah terkelupas (beras pecah kulit) dan gabah patah.
Kualitas gabah akan mampengaruhi kualitas dan kuantitas beras yang dihasilkan. Kualitas gabah yang baik akan berpengaruh pada tingginya rendemen giling. Rendemen giling adalah persentase berat beras sosoh terhadap berat gabah yang digiling. Proses pengeringan gabah pasca panen sangat berpengaruh pada mutu dan rendemen beras yang akan dihasilkan.
2.2. Pengeringan Gabah
Pengeringan merupakan salah satu penting pasca panen. Tujuan pengeringan adalah menurunkan proses kadar air suatu produk dengan cara menguapkan sebagian zat cair yang ada di dalamnya dengan bantuan energi panas, agar mutu produk terjaga selama penyimpanan. Pengeringan dapat
menjadikan suatu produk aman saat dilakukan penyimpanan dan melindunginya dari serangan serangga, jamur, dan mikro-organisme lainnya (Sahay, 1994)
Pengeringan adalah gabungan antara operasi termo-fisik dan fisika- kimiawi dimana kelebihan kadar air atau kelembapan pada suatu produk dihilangkan (Sahay, 1994). Selama proses pengeringan kadar air atau kelembapan suatu produk mengalami penguapan dan penyebaran ke lingkungan.
Proses penguapan dalam pengeringan membutuhkan dilakukan pada suhu tertentu tergantung pada jenis produk yang akan dikeringkan. Kandungan air pada suatu produk dapat diuapkan menggunakan sumber energi panas dari panas matahari (alami) dan peralatan buatan dengan bantuan listrik.
Menurut (Indriani I., 2009) menyatakan bahwa pengeringan yang kurang sempurna dapat menyebabkan gabah menjamur ketika disimpan.
Pengeringan pada suhu di bawah 45˚ C mikroba dan jamur yang dapat merusak produk masih hidup, sehingga daya awet dan mutu produk rendah. Namun, pada suhu udara pengering di atas 75˚ C menyebabkan struktur kimiawi dan fisik produk rusak, karena perpindahan panas dan massa air berdampak terhadap perubahan struktur sel. Menurut (Djaeni M. R., 2012) pengeringan gabah pada suhu 95% dapat membuat 87.5% gabah rusak saat dilakukan proses penggilingan.
Waktu pengeringan dapat dipersingkat dengan penggunaan suhu udara yang tinggi, akan tetapi hal tersebut dapat menyebabkan transfer panas yang
berlebihan yang dapat merusak gabah saat dilakukan penggilingan. Terjadi sebaliknya apabila suhu udara terlalu rendah akan membutuhkan waktu pengeringan lebih lama dan pengeringan tidak sempurna. Semakin tinggi suhu udara maka akan didapatkan Relative Humaditi (RH) yang rendah dan laju penguapan lebih cepat. Tingginya kapasitas udara yang menampung uap air akan memperbnyak uap air yang diindahkandari produk ke linkungan sekitar.
Proses pengeringan suatu produk itu sendiri dapat dipengaruhi oleh luas permukaan bahan pangan, suhu pengeringan, aliran udara, tekanan uap air dan sumber energi yang digunakan serta jenis produk yang akan dikeringkan.
Kecepatan pengeingan maksimum dipengaruhi oleh kecepatan perpindahan panas dan pindah massa pada proses pengeringan (Mujumdar., 2006). Ada yang mempengaruhi beberapa factor dalam perpindahan massa yaitu.
2.2.1. Faktor yang Mempengaruhi Pengeringan
proses pengeringan suatu produk itu sendiri dapat dipengaruhi oleh luas permukaan bahan pangan, suhu pengeringan, aliran udara, tekanan uap air dan sumber energi yang digunakan serta jenis produk yang akan dikeringkan.
Menurut Estiasih dan Ahmadi (2009:101) Kecepatan pengeringan maksimum dipengaruhi oleh kecepatan perpindahan panas dan pindah massa pada proses pengeringan. Ada yang mempengaruhi beberapa factor dalam perpindahan massa yaitu :
1. Luas Permukaan
Luas permukaan bahan yang akan dikeringkan mempengaruhi kecepatan pengeringan. Semakin besar dan tebal ukuran bahan yang akan dikeringkan maka proses pengeringan akan semakin lambat. Pada bahan tertentu biasanya ukuran bahan akan diperkecil terlebih dahulu agar proses pengeringannya lebih cepat.
1. Kecepatan Aliran Udara
Kecepatan aliran udara akan mempengaruhi pergerakan udara yang ada pada ba k pengering. Ketika udara mengalami pergerakan atau bersikulasi maka proses pengeringan akan semakin cepat. Sedangkan udara yang diam akan menyebabkan kejenuhan udara yang dapat memperlambat proses pengeringan.
2. Temperature
Ketika medium pemanas da bahan memiliki perbedan temperature yang tinggi maka proses pengeringan akan semakin cepat. Hal ini dipengaruhi oleh proses perpindahan panas dan penguapan air dari permukaan bahan. Uap air akan meningkat ketika temprature udara yang diberikan semakin tinggi.
3. Kelembaban Udara
Semakin rendah kelembapan udara yang terdapat dalam media pengeringan, maka akan semakin cepat proses pengeringan. Udara dengan kelembaban yang rendah (udara kering) hanya sedikit mengandung uap air, sehingga kemampuan udara untuk mengikat uap air akan semakin tinggi.
4. Kadar Air
Kandungan kadar air setiap bahan dinyatakan dalam satuan berat. Kadar air dinyatakan dengan dua jenis yaitu basis basah (wet basic) dan basis kering (dry basic). Secara teoritis batasan maksimum basis basah adalah 100%, dan
basis kering lebih rendah dari 100%. Kadar air basis basah (b,b) dapat ditentukan dengan persamaan 2.1 dimana kadar air basah menyatakan perbandingan antara berat yang ada dalam bahan dnegan total berat bahan.
𝑀 =𝑊𝑡−𝑊𝑑
𝑊𝑑 𝑥100% = 𝑊𝑚
𝑊𝑡 𝑥100% ………. (2.1)
Dimana:
𝑀 = kadar air berat basah (%) 𝑊𝑚 = berat air dalam bahan (gr) 𝑊𝑑 = berat kering mutlak bahan (gr) 𝑊𝑡 = berat total (gr)
Kadar air basis kering (b,k) merupakan kadar air yang dimiliki bahan setelah mengalami proses pengeringan dalam jangka waktu tertentu dan beratnya menjadi konstan. Kadar air basis kering dapat ditentukan dengan persamaan 2.2 𝑀 =𝑊𝑚−𝑊𝑑
𝑊𝑚 𝑥100%……….. (2.2)
Dimana:
𝑀 = kadar air berat basah (%) 𝑊𝑚 = berat air dalam bahan (gr) 𝑊𝑑 = berat kering mutlak bahan (gr)
2.2.2. Metode Pengeringan
Menurut (Sahay, 1994) dalam buku Unit Operation of Agricurtural Processing secara garis besar metode pengeringan produk pertanian dapat
dikelompokkan menjadi dua, yakni pengeringan dengan bantuan sinar matahari secara langsung (tradisional) dan alat buatan secara mekanis.
1. Pengeringan Sinar Matahari
Metode tradisional dalam mengeringkan produk pertanian dengan bantuan panas sinar matahari secara langsung. Metode ini hampir dilakukan oleh semua petani di Indonesia untuk pengeringan produk pasca panen.
Matahari merupakan reactor fusi nuklir yang mampu mengubah 40 lakh ton hydrogen menjadi helium dalam satu detik. Bumi hanya menyerap sebagian kecil energi matahari yakni sekitar 5,4 x 102% Joule/tahun. Akan tetapi jumlah energi ini setara dengan 27000 kali energi yang dapat diproduksi oleh manusia. Pengeringan menggunakan panas sinar matahari secara langsung memiliki kekurangan dan kelebihan.
a) Jika pengeringan tidak terkontrol dengan baik dan tidak merata, maka akan menyebabkan kerusakan gabah saat dilakukan penggilingan.
b) Prosesnya sangat bergantung pada ketersediaan energi matahari, oleh karena itu ketika musim penghujan gabah memerlukan waktu lebih lama untuk pengeringan.
c) Dibutuhkan banyak tenaga manusia.
d) Sekitar 1-2% gabah akan hilang saat dilakukan pengeringan karena serangan burung, serangga, dan hewan pengerat.
e) Tidak memerlukan bahan bakar atau energi mekanis, dan biaya pengeringan rendah dibandingkan pengeringan mekanis
f) Membutuhkan area pengeringan yang luas.
Gambar 2. 2 Pengeringan Tradisional (Sumber : Litbang,2011)
2.2.3 Pengeringan Mekanis
Seiring berkembangnya teknologi untuk mempermudah petani dalam proses pengolahan produk pasca panen maka dibuatlah pengering mekanis.
Proses pengeringan mekanis menggunakan aliran udara dari pemanas alami atau buatan. Adapun kekurangan dan kelebihan penggunaan pengering mekanis.
a. Tingkat pengeringan dapat dikontrol melalui suhu udara yang mengalir.
Oleh karena itu, dapat memeungkinkan untuk mengatur tekanan suhu dan
kelembapan selama proses pengeringan. Hal ini dapat menghasilkan produk yang lebih berkualitas setelah pengeringan.
b. Produk dapat dikeringkan di semua waktu.
c. Prosesnya membutuhkan waktu yang lebih cepat dan sedikit tenaga manusia.
d. Meminimalisir kerugian akibat serangan burung, serangga,dan hewan lainnya.
e. Proses pengeringan mekanis memerlukan bahan bakar berupa gas/listrik, sehingga membutuhkan biaya yang relatif lebih tinggi.
Prinsip kerja pengering mekanis pada umumnya adalah mengalirkan udara panas terhadap produk yang akan dikeringkan. Berdasarkan mekanisme kerja pengering mekanis dapat dibedakan menjadi dua macam, yakni tipe batch (batch drying) dan tipe kontinyu (continous drying). Tipe batch (batch drying) produk akan dikeringkan didalam bak pengeringan kemudian kontak antara produk dan udara panas akan berlangsung lama atau berulang. Pada tipe kontinyu (continuous drying) produk akan mengalir secara kontinyu melalui silinder atau tabung pengeringan sehingga hanya kontak dengan udara panas sekali saja. Salah satu pengering tipe kontinyu adalah roatry dryer.
2.3. Rotary Dryer
Rotary dryer adalah salah satu dari banyak metode pengeringan secara mekanis.
Rotary dryer diklasifikasikan menjadi langsung (direct, tidak langsung (in-direct), dan khusus. Klasifikasi rotary dryer berdasarkan pada proses perpindahan panas secara
langsung apabila aliran udara panas ditambahkan atau dikurangi secara langsung terhadap produk. Secara tidak langsung ketika pemanasan terhadap produk menggunakan media dinding logam silinder (Mujumdar dan Marinos-Kouris., 2006)
Gambar 2. 3 Rotary Dryer (Sumber : Marinos-Kouris et al., 2006)
Direct rotary dryer terdiri dari silinder yang terbuat dari logam dengan pengaduk atau tidak di dalamnya. Rotary dryer dengan pemanasan secara langsung (direct) biasanya di gunakan pada suhu rendah hingga menengah. Suhu udara dapat diukur dan dikendalikan secara tidak langsung melalui lubang masuk atau keluar produk. Pengeringan menggunakan rotary dryer (direct) sangatlah sederhana dan ekonomis. Kontak aliran udara panas suhu rendah hingga menengah dikombinasikan dengan putaran sangat aman untuk pengeringan produk.
2.4. Proses Pengeringan
Pengeringan terjadi melalui proses penguapan cairan yang ada di dalam bahan dengan cara memberikan atau mengalirkan panas pada bahan yang akan dikeringkan.
Panas dapat diberikan melalui cara konveksi (pengeringan langsung), pengeringan
konduksi (pengeringan sentuh), radiasi ataupun secara volumetrik menempatkan bahan tersebut kedalam medan gelombang elektromagnetik mikro (microwave), ataupun dengan gelombang radio (Mujumdar., 2006). Dalam pengertian lain proses pengeringan terjadi dengan cara menguapkan air yang ada di dalam bahan. Proses penguapan ini dilakukan dengan cara menurunkan kelembaban relatif udara melalui proses pemanasan atau dengan cara meningkatkan tekanan udara sehingga tekanan uap air pada bahan lebih besar dari pada tekanan uap air udara. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan terjadinya perpindahan uap air dari bahan menuju ke udara (Nurba, 2008). Menurut (Mujumdar., 2006) ketika sebuah material padat basah dikenai pengeringan termal terdapat dua proses yang timbul secara bersamaan yaitu:
1. Transfer ataupun perpindahan energi (panas) dari lingkungan sekitar untuk menguapkan air yang ada pada permukaan. Proses perpindahan energi panas terjadi karena adanya perbedaan suhu udara pengering dengan suhu bahan yang dikeringkan, dimana suhu udara pengering lebih tinggi dari suhu bahan. Panas yang dialirkan melalui udara pengering akan meningkatkan suhu bahan, sehingga air dalam bahan akan berubah menjadi uap.
2. Perpindahan kelembaban internal kearah permukaan padatan dan penguapan lanjutan karena proses pertama tadi. Peningkatan suhu bahan karena proses perpindahan panas akan menyebabkan tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari tekanan uap air pada udara pengering, perbedaan tekanan uap antara bahan dan udara pengering menyebabkan terjadinya perpindahan massa air dari dalam bahan menuju permukaan bahan.
Gambar 2. 4 Proses Pengeringan Pada Diagram Psikometrik (Sumber : Mujumdar, 2006 )
Keterangan :
1-2 = prose pemansan udara
2-3 = proses terjadinya pengeringan
t = udara masuk ke bak pengering
p = udara pengeringan
o = udara keluar dari bak pengering
Gambar diatas menunjukkan terjadinya proses pengeringan dengan cara memanaskan udara pengering. Selama proses pengeringan nilai entalpi dan suhu bola basah udara berada pada kondisi tetap sementara suhu bola kering secara perlahan akan turun diikuti dengan kenaikan kelembaban relatif, rasio kelembaban, tekanan parsial dan suhu pengembunan udara pengering.
2.5. Laju Pengeringan
Laju pengeringan dalam proses pengeringan suatu bahan mempunyai arti penting, dimana laju pengeringan menggambarkan tentang bagaimana kecepatan pengeringan berlangsung. Laju pengeringan adalah banyaknya jumlah air yang di uapkan tiap satuan waktu atau penurunan kadar air suatu bahan tiap waktu (Nesri, 2016). Laju pengeringan dihitung dengan menggunakan persamaan (Chan, 2016).
𝐿𝑎𝑗𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 =𝑀𝑎𝑤𝑎𝑙−𝑀𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟
𝑡 ……….(2.3)
Dimana :
Laju Pengeringan = laju pengeringan (g/menit) 𝑀𝑎𝑤𝑎𝑙 = massa bahan awal (g)
𝑀𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 = massa bahan akhir (g)
t = waktu pengeringan (menit)
Laju pengeringan dibedakan menjadi dua tahap yaitu laju pengeringan konstan dan laju pengeringan menurun. Laju pengeringan konstan terjadi pada awal proses pengeringan, proses ini terjadi pada lapisan air bebas yang terdapat pada permukaan produk bahan. Laju pengeringan konstan terjadi dalam waktu yang sangat singkat, besarnya laju pengeringan pada tahap ini dipengaruhi oleh a) Lapisan yang terbuka, b) Perbedaan kelembaban antara aliran udara dan produk, c) Koefisien perpindahan massa, dan d) Kecepatan aliran udara pengering (Nurba, 2008).
Gambar 2. 5 Diagram Laju Pengeringan ( Sumber : Mujumdar, 2006 )
Keterangan:
A = periode pemanasan
B = periode laju pengeringan konstan
C = periode laju pengeringan menurun pertama
D = periode laju pengeringan menurun kedua 𝑋𝐶 = batas laju pengringan konstan
𝑋𝑐 = batas laju pengeringan menurun
Periode laju pengeringan menurun dibagi menjadi dua proses. Proses pertama adalah perpindahan air dari dalam bahan kepermukaan dan dilanjutkan dengan perpindahan uap air dari permukaan bahan ke udara sekitar (Henderson and Perry, 1976 dalam Hani, 2012:9). Laju pengeringan menurun terjadi setelah periode pengeringan konstan selesai, pada tahap ini kadar air bahan lebih kecil dari kadar air kritis. Kadar
air kritis adalah batas antara laju pengeringan konstan dan laju pengeringan menurun.
Pada tahap laju pengeringan menurun kecepatan aliran air bebas dari dalam bahan kepermukaan lebih kecil dari kecepatan pengambilan uap air maksimum dari bahan (Nurba, 2008). Proses pengeringan dengan laju menurun bergantung pada sifat alami bahan yang dikeringkan, perubahan volume
bahan, bentuk serta tekstur bahan tersebut. Pada periode menurun laju perpindahan massa dikendalikan oleh perpindahan internal (Istadi et al., 2002:2). Tahap awal proses pengeringan dimulai dengan periode pemanasan pada tahap ini laju pengeringan berlangsung secara maksimum. Tingkat pengeringan bahan dalam hal ini sangat dipengaruhi oleh karakteristik bahan, suhu, kelembaban relatif udara dan kecepatan udara pengering. Sementara proses pengeringan akan terus berlangsung sampai terjadi kesetimbangan antara permukaan bahan dan bagian dalam bahan serta permukaan bahan dengan udara pengering (Sitkei and Gyorgy, 1986 dalam Hani, 2012:9).
Laju pengeringan pada biji-bijian dan bahan basah dapat dirumuskan dengan persamaan berikut (Bala, 2017:42):
𝑑𝑊
𝑑𝑡 = 𝑚𝑎(𝐻2− 𝐻1) ………. (2.4) Dimana :
𝑑𝑊
𝑑𝑡 = kecepatan kelembapan (kg/s)
𝑚𝑎 = laju aliran massa udara kering (kg/s) 𝐻1,2 = rasio kelembaban (kg,kg)
2.6. Sifat-Sifat Udara
2.6.1 Rasio Kelembaban (Humidity Ratio)
Rasio kelembaban (Humidity Ratio) didefinisakan sebagai perbandingan massa uap air (Ww) dengan massa udara kering (Wa). Untuk menghitung rasio kelembaban digunakan persamaan gas ideal. Udara dianggap gas ideal karena temperaturenya lebih tinggi dibandingkan dengan temperature jenuhnya dan uap air dianggap gas ideal karena tekanannya dianggap lebih rendah dari tekanan jenuhnya.
𝑃𝑤𝑉 = (𝑊𝑤
𝑀𝑤)𝑅0𝑇𝑎𝑏………...………..(2.5)
𝑃𝑎𝑉 = (𝑊𝑎
𝑀𝑎)𝑅0𝑇𝑎𝑏 ………..(2.6)
Dimana :
𝑃𝑤 = tekanan uap air (Pa)
𝑃𝑎 = tekana udara kering (Pa)
V = volume (m3) 𝑊𝑤 = massa udara (kg)
𝑀𝑤 = massa uap air (kg)
𝑊𝑎 = temperature (˚K)
𝑀𝑎 = konstanta gas (Nm/kg mol ˚K)
𝑅0 = berat mol udara kering (kg/mol)
𝑇𝑎𝑏 = berat mol air (kg/mol)
Menurut hukum tekanan parsial Dalton, tekanan total adalah jumlah dari tekanan uap air (𝑃𝑤) dan tkanan udara kering (𝑃𝑎)
𝑃 = 𝑃𝑎− 𝑃𝑤 ……….. (2.7)
Dimana :
P = tekanan total (Pa)
𝑃𝑎 = tekanan udara kering (Pa)
𝑃𝑤 = tekanan uap air (Pa)
Persamaan 2.7 di subtitusikan dengan persamaan 2.5 dan 2.6, sehingga menjadi
(𝑃 − 𝑃𝑎)𝑉 = (𝑊𝑤
𝑀𝑤)𝑅0𝑇𝑎𝑏 ………..(2.8)
(𝑃 − 𝑃𝑤)𝑉 = (𝑊𝑎
𝑀𝑎)𝑅0𝑇𝑎𝑏 ………..(2.9) Berdasarkan definisi rasio kelembaban dinotasikan dengn H sehingga persamaannya adalah
𝐻 = (𝑊𝑤
𝑊𝑎) ………. (2.10)
Dimana :
H = rasio kelembaban ( Kg uap air/ kg udara) 𝑊𝑤 = massa uap air (kg uap air)
𝑊𝑎 = massa udara kering (kg udara)
Dengan mensubtitusikan persamaan 2.10 dengan persamaan 2.8 dan 2.0 maka persamaannya menjadi
𝐻 =𝑊𝑤 𝑊𝑎
=𝑀𝑤
𝑀𝑎 (𝑃 − 𝑃𝑤 𝑃 − 𝑃𝑎)
=𝑀𝑤
𝑀𝑎 ( 𝑃 − 𝑃𝑤 𝑃 − (𝑃 − 𝑃𝑤))
=𝑀𝑤 𝑀𝑎 ( 𝑃
𝑃 − 𝑃𝑤)
Dengan nilai 𝑀𝑤
𝑀𝑎 = 0,622 maka persamaan rasio kelembaban menjadi
𝐻 =0,622 𝑃𝑤
(𝑃−𝑃𝑤) ……… (2.11)
Dimana :
H = rasio kelembaban (kg uap air/kg udara) 𝑃𝑤 = tekanan parsial uap aor (Pa)
𝑃𝑎𝑡𝑚 = tekanan atmosfer (Pa)
P = tekanan total (Pa)
2.6.2 Kelembaban Relatif (RH)
Didefinisikan sebagai perbandingan tekanan uap parsial (Pw) terhadap tekanan uap jenuh (Ps), pada suhu konstan yang hasilnya dinyatakan dalam satuan %.
Berdasarkan definisi tersebut maka kelembaban relatif dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut
𝑅𝐻 =𝑃𝑤
𝑃𝑠 ………...……….. (2.12) Dimana :
RH = Realtife humidity
Pw = tekanan parsial uap air (Pa)
Ps = tekanan uap saat terjadi saturasi (Pa)
2.6.3 Volume Spesifik
Volume spesifik adalah volume ruang yang diisi oleh 1 kg udara kering.
Sedangkan volume spesifik udara lembab didefinisikan sebagai volume total 1 kg udara keringdan uap air yang menyertainya. Berat spesifik udara lembab sama dengan kebalikan dari volume spesifik. Dengan menggunakan hukum Amagat volume spesifik udara lembab dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑖𝑓𝑖𝑘= (0.00283 + 0,00456𝐻)(𝑇𝑎+ 273,15)……….(2.13)
Dimana :
H = rasio klemebaban (kg/kg)
Ta = temperature udara kering (C)
2.6.4 Tekanan uap
Tekanan uap didefinisiakan sebagai tekanan parsial yang diberikan oleh uap air yang ada di udara lembab. Tekanan yang diberikan udara sepenuhnya jenuh dengan uap air disebut tekanan uap jenuh dinotasikan dengan Ps. Persamaan tekanan uap jenuh sebagai fungsi suhu dirumuskan oleh Chambell (1977)
𝑃𝑠 = exp{52,576 −6795,5
𝑇𝑎𝑏 − 5,028𝐼𝑛( 𝑇𝑎𝑏)] ……….. (2.14) Dimana :
Ps = tekanan uap jenuh (Pa) 𝑇𝑎𝑏 = temperature (K)
2.6.5 Entalpi
Entalpi adalah kandungan panas pada suatu zat tertentu. Entalpi pada udara lembab adalah kandungan panas pada udara lembab per berat udara kering pada suatu suhu tertentu.
ℎ = 1,0048𝑇𝑎 + 𝐻(2501,64 + 1,88𝑇𝑎) ………. (2.15)
dimana :
h = entalpi udara lembab (kj/kg)
Ta = temperature ( C)
H = rasio kelembaban (kg/kg)
2.7 Diagram Psikometrik
Grafik psikrometri dapat digunakan untuk mengetahui sifat termodinamika udara pada satu atmosfer yang meliputi suhu bola kering, suhu bola basah, temperatur titik embun, rasio kelembaban, kelembaban relatif, volume lembab dan nilai entalpi.
Grafik psikometri yang ditunjukkan pada gambar 2.3 dapat mengilustrasikan bagaimana kondisi suatu udara dapat ditentukan melalui dua garis propertis untuk menentukan propertis lainnya.
Gambar 2. 6 Diagram Psikometrik ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
Untuk mendapatkan analisa sifat termodinamika udara pada diagram psikometrik, maka dapat dianalisa berdasarkan proses pengeringan sebagai berikut (Sahay, 1994) ;
1. Sensible Heating and Cooling : selama proses sensible heating and cooling terjadi tidak ada perubahan pada pada nilai rasio kelembaban. Pemanasan
diberikan ke udara kering atau pendinginan dilakukan pada pertukaran udara.
Proses heating and cooling ditunjukkan pada gambar dimana terjadi perubahan nilai temperature pada bola kering dan basah, entalpi, volume spesifik, dan kelembaban relative. Namun rasio kelembaban, temperature titik embun, dan tekanan uap udara lembab tidak mengalami perubahan.
Gambar 2. 7 Sensible Heating and Cooling ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
2. Sensible Heating and Humidifiying : dalam banyak sistem pengeringan udara panas, energi diangkut ke udara pengering melalui penyalaan lagsung burner.
Pada proses ini panas tidak hanya diberikan pada udara kering tetapi dalam jumlah kecil uap air juga ditambahkan pada udara kering. Dalam proses ini terjadi peningkatan nilai entalpi, rasio kelembaban, tekanan uap air, temepratur
bola basah dan kering, temperature titik embun, dan volume spesifik udara, dan kelembaba relative. Hal ini tergantung pada jumlah energi dan uap air yang diberika pada udara. Proses ini dapat dijelaskan pada gambar 7.
Gambar 2. 8 Sensible Heating and Humidifying ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
3. Cooling with Dehumidifiying : udara didinginkan dibawah titik embun untuk mendinginkan bahan. Karena pada titik embun udara sudah jenuh terhadap uap air. Pada proses ini nilai kelemababan relatif, temperatur bola basah dan kering, entalpi, dan volume spesifik akan menurun. Proses ini dapat dijelaskan pada gambar 8.
Gambar 2. 9 Cooling and Dehumidifying ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
4. Drying : untuk pengupan uap air, energi energi yang dibutuhkan hanya melalui uadara kering. Tidak ada jumlah energi dalam bentuk konduksi atau radiasi yang ditransimiskan ke dalam bahan dari lingkungan. Saat udarakering melewati bahan bsah, panas sensible diubah menjadi panas laten. Oleh karena itu terjadi peningkatan uap air di udara. Pada proses pengeringan terjadi
penurunan pada temperatur bola kering, tetapi nilai rasio kemebaban, kelembaban realtiv, tekanan uap air, dan titik embun akan mengalami kenaikan.
Proses pengeringan ditunjukka pada gambar 9. Dalam proses pengeringan entalpi temperature bola basah tetap konstan.
Gambar 2. 10 Drying ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
5. Mixing of Air Streams : dalam banyak sistem pengeringan berkelanjutan, penacampuran dua aliran udara dari kondisi yang berbeda. Kondisi udara campuran daapat diketahui melalui diagram psikometrik. Kondisi ini dapat ditunjukkan pada gambar 10. Terdapat perbedaan kecepatan aliran udara, temperature dan rasio kelembaban pada kedua aliran.
Gambar 2. 11 Mixing of Air Streams
( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
2.8. Konsentrasi Massa
Konsetntrasi basis massa merupakan salah satu gaya pendoron (driving force) terjadinya perpindahan massa. Untuk mendefinisikan konsentrasi basis massa didalam suatu ruang volume (V) maka dapat dimisalkan menjadi dua zat jenis, yaitu zat A dan B, yang masing-masing zat dapat dinotasikan sebagai 𝑀𝑎 dan 𝑀𝑏, dan ketika dijumlahkan menjadi 𝑚. Pemisalan ini dapat diilustrasikan pada gambar dibawah.
Gambar 2. 12 Zat A dan Zat B dalam Satu Ruang Volume ( Sumber : KM Sahay, n.d., 1994 )
Untuk mengetahui nilai konsentrasi basis massa zat A maka dapat dinyatakan menggunakan persamaan sebagai berikut (Edition, 2015):
𝜌𝑖 = 𝑚𝑎
𝑉 ……….. (2.20)
Dimana :
𝜌𝑖 = Kerapatan atau density (𝑘𝑔/𝑚3)
𝑀𝑎 = Massa zat A (kg)
V = Volume (𝑚3)
Dengan cara yang sama konsentrasi basis massa zat B dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :
𝜌𝑖 = 𝑚𝑏
𝑉 ……….. (2.21)
Dimana :
𝜌𝑖 = Kerapatan atau density (𝑘𝑔/𝑚3)
𝑀𝑏 = Massa zat B (kg)
V = Volume (𝑚3)
Berdasarkan pernyataan diatas maka dapat disimpulkan bahwa konsentrasi basis massa didalam satu ruang volume merupakan penjumlahan dari zat yang ada didalamnya.
Konsentrasi basis massa juga dapat dinyatakan dalam bentuk fraksi massa.
Menggunakan persamaan yang sebelumnya maka fraksi massa zat A dapat dituliskan menjadi persamaan sebagai berikut :
𝑊𝐴 = 𝑚𝑎
𝑚 = 𝜌𝑎
𝜌 ……….. (2.22)
Dimana :
𝑊𝐴 = Fraksi massa
M = massa (kg)
Ρ = kerapatan atau density (𝑘𝑔/𝑚3)
2.9 Konsentrasi Basis Mol
Pada zat A dan B pada ruang volume juga dapat dinyatakan dalam bentuk konsentrasi basis mol. Zat A dan B dapat dinotasikan sebagai 𝑁𝐴 dan 𝑁𝑏, dan jika dijumlahkan akan menjadi N. untuk menentukan nilai konsentrasi basis molnya maka dapat digunakan persamaan sebagai berikut ;
𝐶𝐴 = 𝑁𝐴
𝑉 dan 𝐶𝐵 =𝑁𝐵
𝑉
Dimana :
C = Konsentrasi basis mol (𝑚𝑜𝑙/𝑚3)
N = jumlah mol (mol)
Sedangkan untuk fraksi mol dinyatakan dengan persamaan berikut
𝑦𝐴 = 𝑁𝐴
𝑁 = 𝐶𝐴
𝐶
Dimana :
y = fraksi mol
N = jumlah mol
C = konsentrasi basis mol (𝑚𝑜𝑙/𝑚3)
Konsentrasi basis massa dan konsentrasi basis mol dapat dihubungkan dengan parameter molekul, yang dinotasikan dengan MR. Parameter molekul dapat dinyatakan dengan ersamaan sebagai berikut :
𝑁 = 𝑚
𝑀𝑅 Dimana :
N = jumlah mol (mol)
m = massa (kg)
MR = berat molekul (kg/mol)
Konsetntrasi massa merupakan salah satu gaya pendorong (driving force) terjadinya perpindahan massa.
2.10 Perpindahan Massa
Perpindahan massa terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi antara dua medium yang berbeda. Proses perpindahan massa sama seperti perpindahan panas.
Massa yang berdifusi dianggap sebagai panas yang bergerak dan tempat massa berdifusi disebut medium tempat panas bergerak. Perpindahan panas dapat dijelaskan dengan hukum fourier sedangkan perpindahan massa dapat dijelaskan dengan hukum fick’s. Perpindahan massa terjadi melalui dua hal yaitu perpindahan massa secara konduksi dan perpindahan massa secara konveksi (Hazwi, 2014).
2.10.1 Perpindahan Massa Konduksi
Hukum fick’s menyatakan bahwa laju perpindahan massa disuatu tempat dalam campuran gas, larutan cair atau padatan sebanding dengan perbedaan konsentrasi pada tempat tersebut (Cengel, 2013). Perpindahan massa akan terjadi pada tempat yang memiliki konsentrsai tinggi menuju tempat berkonsentrasi rendah.
Gambar 2. 13 Perpindahan Massa Konduksi ( Sumber : Bergmen, Theodore L. and Lavine, 2017 )
Untuk menghitung laju perpindahan massa secara konduksi digunakan hukum ficks, sehingga laju perpindahan massa secara konduksi dapat dirumuskan dengan persamaan berikut (Cengel, 2013).
𝑁 = −𝐷𝐴 𝑑𝜌
𝑑𝑥= 𝐷𝐴(𝜌𝐴−𝜌𝐵)
𝐿 ……… (2.20)
Dimana :
N = laju penguapan (kg/s)
D = koefisien difusi suatu zat pada mediumnya (m2/s)
A = luas penampang perpindahan massa (m2) 𝜌𝐴 = kerapatan atau density zat A (kg/m3)
𝜌𝐵 = kerapatan atau density zat B (kg/m3)
L = ketebalan dinding benda (m)
2.10.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan massa secara konveksi adalah mekanisme perpindahan massa antara permukaan suatu benda dan fluida bergerak, yang melibatkan difusi massa dan gerakan fluida. Semakin cepat pergerakan fluida maka akan semakin besar massa air pada bahan yang diuapkan. Laju perpindahan massa konveksi dirumuskan dengan persamaan berikut (Cengel, 2013).
𝑀𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ𝑚𝐴(𝜌𝑎,𝑠− 𝜌∞) ………. (2.21)
Dimana :
𝑀𝑒𝑣𝑎𝑝 = laju penguapan (kg/s)
ℎ𝑚 = koefisien perpindahan massa konveksi (m/det)
A = luas penampang perpindahan panas (m2) 𝜌𝑎,𝑠 = massa jenis pada permukaan benda (kg/m3)
𝜌∞ = massa jenis fluida yang mengalir (kg/m3)
