PENDAHULUAN
● Penting dalam proses pindah panas bahan pangan, misalnya pada pengeringan, pendinginan, pembekuan dan pemanasan.
awalnya analisis didasarkan pada nilai konstanta sifat termal yang seragam
terlalu disederhanakan dan kurang akurat
Penentuan komposisi bahan pangan saat ini
sudah lebih akurat.
Pengaruhnya terhadap sifat termal ???
Sifat-sifat termal bahan pangan dapat diketahui
hanya dengan mengetahui komposisi, suhu,
densitas dan/atau porositas produk
Bahan pangan sangat beragam dalam hal
komposisi dan karakteristik fisik.
Misal : komposisi sayuran tergantung pada
varitas, iklim dll.
Saat ini produksi dan sistem proses produk
pangan sudah lebih seragam dari hari ke hari dan
musim ke musim
menggunakan data sifat
termal yang lebih teliti
Sifat termal bahan pangan meliputi :
Panas jenis (Cp)
Enthalpy
Konduktivitas panas (k)
Difusivitas panas
Koefisien pindah panas
permukaan
Penting dalam
proses
pemanasan
dan
pendinginan
Sifat termal lain yang secara alami terdapat pada bahan :
o Titik leleh/beku
o Panas laten
o Panas respirasi
o Panas adsorpsi
o Koefisien ekspansi panas
o Konstanta dielektrik
o Emisivitas
o Absorpsivitas (pindah panas radiasi)
Kurang
begitu
penting
dalam
aplikasi
pindah panas
Tabel 1. Satuan dan Konversi Sifat-Sifat Termal Bahan Pangan
Sifat Termal Satuan SI Satuan Amerika Satuan Kalori
Panas Spesifik 1.00 kJ/kg.oC =0.239 BTU/lboF =0.239 Kal/goC
Entalpi 1.00 kJ/kg =0.430 BTU/lb =0.239 Kal/g
Konduktivitas panas
1.00 W/m.oC =0.578 BTU/jam.ft.oF
=0.860 kkal/m.jamoC Difusivitas panas 1.00 m2/dt 10.76 ft2/dt =1.00 m2/dt
Koefisien Pindah panas permukaan
1.00 W/m2.oC =0.176 BTU/jam.ft2.oF
=0.860 kkal/m2.jam.oC
Densitas Massa 1000 kg/m3 =62.4 lb/ft3 =1000 kg/m3
A. Panas Jenis (Specific Heat) = C
p• adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu sebesar 1oC atau 1oF
• Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu bahan dengan massa M dari T1 ke T2 =
Q = M Cp (T2-T1)
• Cp tidak tergantung pada densitas bahan • Panas jenis air dalam keadaan cair : 1.00 BTU/lb • Panas jenis air dalam keadaan beku : 0.48 BTU/lb • Rumus :
1. Untuk bahan berkadar air tinggi, rumus cp di atas titik beku : cp = 4.1868 (0.008 m + 0.2)
Tabel 1. Panas jenis beberapa jenis bahan
Jenis Bahan Kadar Air
(%)
Panas Jenis (kal/g/oC)
Di atas titik beku Di Bawah titik beku
Madu 17 0.35 0.26
Es Krim 63 0.80 0.45
Pisang 76 0.80 0.42
Tomat 94 0.95 0.48
Bayam 91 0.94 0.48
Kurma 22 0.36 0.26
Daging segar 48-72 0.70-0.84 0.38-0.43
B. Entalpi
(h)
• adalah tingkat kandungan panas atau energi pada bahan.
• Sangat sulit untuk menentukan nilai absolutnya sehingga nilai entalpi = 0 ditentukan pada suhu – 40oC, 0oC atau pada kisaran suhu lain.
• Lebih banyak digunakan untuk menghitung energi pada uap panas daripada bahan pangan.
• Lebih sesuai untuk produk pangan beku karena pada produk pangan beku sulit dibedakan antara panas laten dan panas sensibel.
• Jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu benda dari suhu T1 ke T2 = M(h2-h1), dimana M = massa bahan, h2
dan h1 = entalpi pada suhu T2 dan T1.
• Nilai Entalpi tergantung pada komposisi dan jumlah air yang tidak beku pada bahan sulit ditentukan.
C. Konduktivitas Panas (k)
• adalah laju pindah panas (q) melalui permukaan bahan dengan luas A jika pada benda tersebut diberikan panas dengan perbedaan suhu sebesar T1-T2
q L
k = A (T1-T2)k = konduktivitas panas, A = luas permukaan, q = laju pindah panas
• merupakan kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan panas.
• Pada bahan pangan konduktivitas panas tergantung pada komposisi dan faktor-faktor yang mempengaruhi aliran panas ke bahan, misalnya persentase ruang kosong, bentuk, ukuran dan pengaturan ruang kosong, homogenitas dan orientasi serat pada daging beku.
• Penting dalam penyimpanan biji-bijian, proses pengolahan, pendinginan.
Tabel 2. Konduktivitas Panas Beberapa Jenis Bahan
Type Bahan Konduktivitas Panas (Wm-1K-1) Suhu Pengukuran (oC)
Bahan Konstruksi Alumunium Tembaga Stainless Steel 220 388 21 0 0. 20 Bahan Pangan Olive oil Whole milk Freeze-dried foods Frozen beef Apple Juice Orange Green Beans Cauliflower Telur Es Air 0.17 0.56 0.01-0.04 1.30 0.56 0.41 0.80 0.80 0.96 2.25 0.57 20 20 0 -10 20 0 - 15 -12.1 -6.6 -8 0 0 Bahan Pengemas Gelas Polietilen 0.52 0.55 20 20
D. Difusivitas Panas (
D. Difusivitas Panas (
))
Penting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsiPenting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsi
Secara fisik berhubungan dengan kemampuan bahan untuk Secara fisik berhubungan dengan kemampuan bahan untuk mengalirkan panas dan kemampuannya disimpan pada suhu tinggi. mengalirkan panas dan kemampuannya disimpan pada suhu tinggi.
Menentukan kecepatan distribusi panas dalam bahanMenentukan kecepatan distribusi panas dalam bahan
Semakin besar Semakin besar maka semakin cepat pembauran panas dalam maka semakin cepat pembauran panas dalam bahan
bahan Rumus :Rumus :
kk
== cpcp
Dimana :
k = konduktivitas panas
= densitas
cp = panas jenis
E. Koefisien Pindah Panas Permukaan
• Pada dasarnya bukan merupakan sifat bahan pangan atau benda lain.
• Digunakan untuk menghitung laju panas konveksi dari/ ke permukaan objek.
• Diperlukan untuk menghitung pindah panas pada proses pemanasan dan pendinginan
• Defenisi berdasarkan hukum Newton tentang pendinginan : “ konstanta yang berhubungan dengan heat flux ke/dari sebuah
permukaan karena perbedaan suhu antara permukaan dan dan aliran fluida yang melewati permukaan”
SIFAT-SIFAT THERMAL LAIN
Panas Laten (Latent Heat)
adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah
keadaan suatu bahan tanpa merubah suhunya.
Panas Sensibel (Sensible Heat)
adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah
suhu suatu bahan
Elisa Julianti - THP - FP USU
SIFAT-
SIFAT THERMAL LAIN ……….
Emisivitas Panas
Nisbah antara daya emisi dari suatu benda terhadap daya emisi suatu benda hitam.
Berhubungan erat dengan laju pindah panas radiasi dari bahan ke sekelilingnya.
Q = A Fe Fa (T14-T24)
Fe = faktor emisi (-)
Fa = faktor sudut penglihatan (-)
= kosntanta Stefan-Boltzman, 5.6699x10-12 W/cm2K4
T1 = suhu permukaan bahan (oK)
T2 = suhu sekeliling bahan (oK)
Elisa Julianti - THP - FP USU
PENGUKURAN SIFAT-SIFAT TERMAL
BAHAN PANGAN
• Banyak metode yang dapat digunakan untuk penentuan sifat termal • Hal yang perlu dipertimbangkan adalah ketelitian dan ketepatan
angka yang diperoleh.
• Karena variasi sifat-sifat bahan pangan seperti komposisi, ukuran dan bentuk maka tingkat ketelitian yang lebih besar dari ±2-5% masih dapat diterima.
• Untuk perhitungan pindah panas pada pemanasan/pendinginan bahan pangan secara komersial, ketelitian > 2-5% jarang digunakan karena kesalahan dalam penentuan kondisi seperti suhu dan kecepatan aliran udara biasanya disebabkan karena ketidak telitian dalam penentuan sifat termal.
Elisa Julianti - THP - FP USU
• Diukur dengan menggunakan : - Kalorimeter
- Differential Scanning Calorimeter (DSC)
Kalorimeter
• Kalorimeter terdiri dari botol (thermos) vakum yang sederhana, alat pengaduk dan termometer.
• Cara pengukuran :
Sumber panas ditempatkan pada kalorimeter Air diaduk hingga tercapai keseimbangan Peningkatan suhu dibaca melalui termometer.
Kapasitas panas dari kalorimeter telah diketahui sebelumnya atau dapat diukur dengan menggunakan sumber panas standard. • Idealnya : keseimbangan energi merupakan hal yang sangat sederhana • Kenyataannya : panas yang masuk dan yang hilang dari botol vakum
karena kontak dengan bahan/contoh (atau air) sulit untuk dikuantifikasi
Bomb Calorimeter
DSC :
DSC :
Mudah mengukur dan mengamati kisaran suhu yang luas Mudah mengukur dan mengamati kisaran suhu yang luas sehingga dapat digunakan untuk menentukan pengaruh suhu sehingga dapat digunakan untuk menentukan pengaruh suhu terhadap panas jenis bahan pangan
terhadap panas jenis bahan pangan
Kelemahannya :Kelemahannya :
1. 1. MahalMahal 2.
2. Merupakan alat yang komparatif sehingga harus dikalibrasiMerupakan alat yang komparatif sehingga harus dikalibrasi 3.
3. Memerlukan ukuran sampel yang kecil (5Memerlukan ukuran sampel yang kecil (5--15 mg) sehingga 15 mg) sehingga
sulit mendapatkan sampel yang homogen dan mewakili sulit mendapatkan sampel yang homogen dan mewakili sampel
sampel
4.
4. Cenderung menimbulkan “error”, misalnya sering Cenderung menimbulkan “error”, misalnya sering
menghasilkan data yang salah atau tidak menghasilkan menghasilkan data yang salah atau tidak menghasilkan data sama sekali tanpa sebab yang jelas
DSC……….
DSC……….
DSC 200 F3 Maia® - Differential Scanning Calorimeter DSC 204 HP Phoenix® - High-pressure DSC
DTA 404 PC Ёos– Differential Thermal Analyzer DSC 404 C Pegasus® High-Temperature DSC
Aplikasi DSC :
Aplikasi DSC :
Melting Points/profilesMelting Points/profiles
Glass Transition (softening point)Glass Transition (softening point)
Thermal History/processing conditionThermal History/processing condition
Crystallization temperature, rates, timeCrystallization temperature, rates, time
Percent crystallinityPercent crystallinity
Additive (plastisizers, etc)Additive (plastisizers, etc)
Polymer blendsPolymer blends
Specific heat caapcitySpecific heat caapcity
Degree of cureDegree of cure
ASTM MethodsASTM Methods
Thermal safety/stability studiesThermal safety/stability studies
Protein denaturationProtein denaturation
Polymorphic transitionPolymorphic transition
Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU
Elisa Julianti
Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU
B. Pengukuran Entalpi
• Pengukuran entalpi secara langsung sangat sedikit dilakukan
• Heldman and Gorby (1975) mengembangkan teknik pendugaan jumlah air yang tidak dibekukan pada sampel bahan pangan.
• Untuk tujuan praktis maka dapat digunakan DSC untuk mengukur entalpi produk pangan dengan pengamatan pada kisaran suhu -60oC
(dimana diharapkan semua air sudah membeku) – 1oC (semua air
sudah mencair).
• Masalah dalam pengukuran entalpi :
pengukurannya tergantung pada laju pembekuan sehingga nilainya dapat berubah selama penyimpanan beku pada suhu yang konstan tetapi banyaknya air yang tidak membeku berubah.
Istilah konstan perlu ditegaskan karena suhu biasanya berfluktuasi pada fasilitas penyimpanan beku secara komersial, sehingga menyebabkan perubahan struktur kristal, difusi massa dan persentase air yang tidak beku.
C. Pengukuran Konduktivitas Panas
•
Tergantung pada struktur atau pengaturan fisik sampel
(ruang kosong, nonhomegenitas kontak antar partikel
dll) dan komposisi kimia
lebih sulit dari panas jenis
•
Teknik hot plate
baik untuk bahan non biologi tapi
tidak cocok untuk bahan pangan karena lamanya waktu
untuk mencapai keseimbangan suhu, adanya migrasi
uap air dari sampel dan memerlukan ukuran sampel
yang kecil.
•
Aplikasi pada bahan pangan menggunakan rangkaian
Heater leads
3.9 cm
0.6 mm o.d.
termocouple
Gambar 1. Penampang melintang dari alat pengukur konduktivitas panas
Dari Gambar 1 :
- Gagang probe berupa thermocouple komersial
- Jarum probe mempunyai o.d. 0.66 mm dan tekanan 23
gauge
- Pemanas berupa konstantan berdiameter dalam 0.077
mm dan diinsulasi dengan selonsong plastik spagheti
- Pada tabung juga terdapat termokopel konstantan yang
dilapisi dengan chrom dengan diameter 0.051 mm
(termokopel terletak di tengah-tengah antara gagang
dan jarum probe)
- Jarum, termokopel dan pemanas diinsulasi dari listrik
dengan menggunakan tabung plastik.
Cara pemakaian alat :
o Alat dimasukkan ke dalam sampel dengan suhu awal yang seragam
o Probe dipanaskan dengan laju pemanasan yang konstan dan suhunya diamati
o Setelah periode waktu tertentu, dibuat plot antara ln t Vs ln T (t= waktu, T=suhu), dan diperoleh slope = Q/4k
o Konduktivitas panas dapat dihitung dengan rumus :
ln[t2-to)/(t1-to)]
k = Q
4(T2-T1)
dimana : k = konduktivitas panas [W/(m.oC)
Q = tenaga yang dihasilkan oleh pemanas probe (W/m) to = faktor koreksi waktu (detik)
T1 dan T2= suhu termokopel (oC) pada waktu t1 dan t2
(dtk)
D. Pengukuran Difusivitas Panas
• Metode pengukuran yang sudah dikembangkan : 1. Teknik pemanasan singkat (Dickerson, 1965)
2. Menggunakan probe yang dihubungkan dengan sumber panas dan termokopel (Choi and Okos, 1983)
3. Teknik pemanasan singkat dengan menggunakan komputer (Gaffney et al., 1980)
• Metode Dickerson sangat kreatif, tapi memerlukan waktu dan sampel yang besar
• Metode Choi and Okos baik untuk sampel cair
• Metode Gaffney merupakan metode yang terbaik tapi kondisi suhu dan jarak harus benar-benar terkontrol.
E. Pengukuran Koefisien Pindah Panas Permukaan
• Cara pengukurannya berbeda dengan sifat-sifat termal lain, karena koef.pindah panas permukaan buka sifat alami bahan, tetapi merupakan pengukuran pindah panas konveksi antara permukaan dan medium pemanas.
• Hukum Newton tentang pendinginan menggambarkan pindah panas konveksi dapat digunakan untuk menunjukkan koefisien pindah panas permukaan :
Pindah panas permukaan sama dengan heat flux yang melalui permukaan dibagi dengan perbedaan antara suhu permukaan dan suhu media pemanasan.
• Secara praktis heat flux dan suhu permukaan sulit diukur tanpa mengganggu pindah panas.
• Pindah panas konveksi berhubungan dengan pindah massa pada bahan dengan kadar air tinggi pengukurannya lebih kompleks
MODEL-MODEL YANG DIGUNAKAN DALAM PENDUGAAN SIFAT TERMAL BAHAN PANGAN
A. Model Pendugaan Panas Jenis
Tabel 2. Model sederhana pendugaan panas jenis bahan pangan (kJ/kgoC)
No. Model Referensi
Suhu di atas titik beku 1
2 3 4 5 6 7 8
Cp = 0.837 + 3.349 W Cp = 1.200 + 2.990 W Cp = 1.256 + 2.931 W Cp = 1.381 + 2.930 W Cp = 1.382 + 2.805 W Cp = 1.400 + 3.220 W Cp = 1.470 + 2.720 W Cp = 1.672 + 2.508 W
Siebel (1982)
Backstrom and Emblik (1965) Comini et al., (1974) Fikiin (1974)
Domininguez et al., (1974) Sharma and Thompson (1973) Lamb (1976)
Riedel (1956)
9
Suhu di bawah titik beku
• Model-model lain :
- Leninger and Beverloo (1975) : Cp = (0.5 Xf + 0.3 Xs+ Xw) 4.180
- Heldman and Singh (1981) :
Cp = 1.424 Xc + 1.549 Xp + 1.675 Xf + 0.837 Xa + 4.187 Xw - Choi and Okos (1983) :
Cp = 4.180 Xw + 1.711 Xp + 1.9218 Xf + 1.547 Xc + 0.908 Xa
subskrip f = lemak, s = padatan, w = air, c = karbohidrat, p = protein, a = abu.
• Model lain yang menghubungkannya dengan suhu adalah model Fernandez-Martin and Montes (1972 ) :
Cp = 4.190Xw + [(1.370+0.0113T)(1-Xw)]
T = suhu (oC)
digunakan untuk susu pada suhu di atas titik bekunya.
B. Model Entalpi
Data entalpi diperlukan untuk bahan pangan beku dengan suhu di bawah 0oC.
Data entalpi dapat dilihat pada tabel-tabel entalpi bahan, dan jika tidak terdapat maka entalpinya dilihat dari bahan dengan komposisi yang mirip dengan bahan yang diuji terutama kadar airnya. Jika tidak memungkinkan juga, maka entalpi dapat diduga dari perbedaan 2 suhu :
h = MCp(T2-T1) +MXwL
M = massa produk Xw = fraksi air
L = panas laten air Cp = panas jenis produk T2-T1 = perbedaan suhu
C. Model Konduktivitas Panas
Tabel 3. Model sederhana penentuan konduktivitas panas(W/m.oC)
No. Model Referensi
1 k = 0.46 (untuk daging) Sweat (1975)
2 k = 0.50 (untuk daging) Backstrom and Emblik (1965)
3 k = 0.18 (untuk lemak) Backstrom and Emblik (1965) 4 k = 0.26 + 0.34 W Backstrom and Emblik (1965)
5 k = 0.056 + 0.567 W Bowman (1970) 6 k = 0.081 + 0.568 W Bowman (1970)
7 k = 0.564 + 0.0858W (untuk sorgum) Sharma and Thompson (1973) 8 k = 0.140 + 0.42 W (untuk juice buah) Kolarov and Gromov (1973)
9 k = 0.26 + 0.33 W Comini et al., (1974) 10 k = 0.148+0.493W (untuk buah &sayur) Sweat (1974) 11 k = 0.0324+0.329W (untuk ikan) Annama and Rao (1974)
12 k = 0.096+0.34W (untuk daging giling) Sorenfors (1974) 13 k = 0.080 + 0.52W (untuk daging&ikan) Sweat (1975)
W = kadar air (bentuk desimal)
• Model lain untuk penentuan konduktivitas panas bahan pangan dengan komposisi yang kompleks :
- Dominguez et al., (1974) :
k = 0.60Xw + 0.20Xp+ 0.245Xc + 0.18Xf
- Choi and Okos (1983) :
k = 0.61Xw + 0.20Xp + 0.205Xc + 0.175Xf + 0.135Xa
- Sweat (1994) :
k = 0.58Xw + 0.155Xp + 0.25Xc + 0.16Xf + 0.135Xa
