III. KESETIMBANGAN MASSA
Tujuan Pembelajaran
Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami konsep dasar dari kesetimbangan massa.
Mahasiswa mampu menggunakan analisis kesetimbangan massa yang diaplikasikan dalam proses penanganan dan pengolahan hasil pertanian.
Mahasiswa mampu mendiskripsikan secara konseptual bagaimana cara menentukan dan menghitung kesetimbangan massa dalam proses industri hasil pertanian.
Konsep Perhitungan Kesetimbangan Massa
Istilah kesetimbangan massa berasal dari kata “mass balance” yang ada juga mengartikannya sebagai “neraca bahan” atau “kesetimbangan materi”. Perhitungan kesetimbangan massa dikembangkan dengan cara merunut jumlah bahan yang masuk (inflow) dan jumlah bahan yang keluar (outflow) dari suatu proses, dengan cara menghitung jumlah satuan semua bahan yang digunakan, jumlah satuan produk yang dihasilkan, jumlah satuan bahan yang tertahan dalam sistem, dan jumlah bahan yang terbuang selama proses.
Prosedur perhitungan kesetimbangan massa sangat berguna antara lain untuk mengetahui formulasi bahan, mengetahui komposisi produk yang dihasilkan dari suatu proses pencampuran, mengetahui besarnya rendemen dari suatu hasil produksi, dan atau untuk mengetahui efisiensi pemisahan dalam suatu sistem pemisah mekanik.
Inflow dapat berupa pembentukan produk oleh reaksi kimia atau sebagai akibat dari pertumbuhan mikroba, dan outflow dapat saja berupa kehilangan massa atau zat gizi tertentu akibat reaksi biokimia atau oleh proses mekanik selama pengolahan.
Jika akumulasi = 0, inflow = outflow, maka proses tersebut disebut berada pada
kondisi “steady state”. Jika akumulasi 0 dan jumlah serta konsentrasi komponen
dalam sistem dapat berubah seiring dengan pertambahan waktu, maka proses tersebut disebut berada pada kondisi “unsteady state”.
Kesetimbangan massa merupakan dasar perhitungan untuk proses pencampuran (blending) bahan pangan selama pengolahan dan juga sebagai dasar perhitungan untuk proses-proses pemisahan (separations process) seperti evaporasi, dehidrasi, destilasi, absorpsi, dan ekstraksi.
Langkah-langkah Menyelesaikan Soal-soal Kesetimbangan Massa
1. Tentukan terlebih dahulu alat-alat proses apa saja yang digunakan dalam kegiatanpenanganan atau pengolahan yang dimaksud dalam soal.
2. Gambarkan sketsa atau diagram yang mendiskripsikan jalannya proses dan identifikasi semua informasi yang tersedia.
3. Tentukan batas dari sistem dengan membuat garis putus-putus pada semua kegiatan operasional dalam keseluruhan proses lalu identifikasi semua input (inflows) dan output (outflows) agar semua bagian proses yang mempengaruhi distribusi dari seluruh atau sebagian komponen dapat diketahui secara jelas.
4. Gunakan simbol atau hurup untuk mengidentifikasi parameter-parameter yang belum diketahui jumlah atau kuantitasnya.
5. Tuliskan persamaan kesetimbangan massa yang mungkin, baik persamaan secara total maupun sebagian proses dengan terlebih dahulu menentukan basis perhitungan yang sesuai.
Contoh Soal:
1. Dalam suatu evaporator, larutan encer akan masuk dalam sistem dan larutan pekat akan keluar meninggalkan sistem. Jika E adalah berat larutan encer yang memasuki sistem, A adalah berat air yang teruapkan selama proses, dan P adalah berat larutan pekat yang keluar dari sistem, tuliskan persamaan aljabar yang menggambarkan kesetimbangan massa total untuk sistem tersebut. Asumsikan bahwa sistem berada dalam keadaan steady state.
Penyelesaian:
Dari soal sudah tergambar dengan sangat jelas bahwa alat proses yang dipakai
adalah evaporator yang prinsip kerjanya adalah mengurangi kadar air suatu larutan encer melalui proses penguapan dengan menggunakan panas sehingga dihasilkan larutan yang lebih pekat.
Sketsa atau diagram jalannya proses adalah sebagai berikut:
A
E P
Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
E = A + P
yang ditetapkan berdasarkan arah anak panah pada sistem (hukum kekekalan massa) dengan pengertian bahwa bahan yang masuk sama dengan bahan yang keluar.
2. Buatlah diagram dan tentukan persamaan kesetimbangan massa untuk sebuah counter current conveyor dehidrator jika diketahui bahwa udara kering yang digunakan sebagai sistem pemanas pada alat, masuk kedalam sistem dengan laju U lb/min, bahan yang akan dikeringkan memasuki sistem dengan laju B lb/min, dan bahan kering yang dihasilkan meninggalkan sistem dengan laju K lb/min. Asumsikan bahwa sistem berada dalam kondisi steady state.
Penyelesaian:
Dari soal diketahui bahwa alat yang digunakan dalam proses adalah hanya satu
yaitu dehidrator. Counter current conveyor dehidrator adalah suatu alat pengering dengan sistem ban berjalan dimana bahan yang akan dikeringkan dengan udara panas sebagai alat pengering memasuki sistem dengan arah berlawanan. Dalam sistem ini diketahui bahwa udara panas dan bahan basah “berjalan” memasuki sistem sedangkan bahan kering dan udara basah akan “berjalan” meninggalkan sistem. Air yang hilang dari bahan selama pengeringan akan ditransfer ke udara panas yang kontak dengan bahan sehingga udara yang keluar dari sistem akan mengandung uap air.
Sketsa jalannya proses secara keseluruhan:
Udara basah Udara kering (U)
Bahan basah (B) Bahan kering (K)
Sketsa ini bila digambarkan secara lebih rinci akan menjadi:
Udara kering Udara basah (U)
Dehidrator
(B) (K)
Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
U + B = Udara basah + K
Persamaan kesetimbangan massa untuk udara adalah:
U + Air = Udara basah
Persamaan kesetimbangan massa untuk bahan adalah:
B = Air + K
3. Konsentrat orange juice dibuat dengan cara membagi juice segar dan mengentalkan sebagiannya hingga konsentrasi 65% lalu mengencerkannya kembali dengan sebagian juice segar lainnya hingga diperoleh konsentrasi akhir 45%. Gambarlah diagram alir bahan untuk sistem ini dan tentukan persamaan kesetimbangan massa untuk keseluruhan sistem dan juga untuk semua subsistem-subsistem yang ada. Asumsikan bahwa sistem berada dalam kondisi steady state.
Penyelesaian
Dari soal diketahui bahwa terdapat 3 buah alat proses yang digunakan dalam
sistem, yaitu proportionator, evaporator, dan blender. Pada awal proses juice (J) dibagi menjadi dua bagian, bagian yang akan dikentalkan (K) dan bagian yang akan dijadikan pencampur (pengencer) di akhir proses (P). Bagian yang pertama (K) dikentalkan dengan evaporator sehingga dihasilkan output berupa juice dengan konsentrasi 65% (C-65) dan uap air (A). C-65 ini selanjutnya ditambah dengan juice pengencer (P) dan diblender sehingga dihasilkan produk juice dengan konsentrasi 45% (C-45).
Dari penjelasan di atas, dapat digambarkan sketsa diagram alir proses sebagai
berikut: A
J C-45 K C-65
Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
J = A + C-45
Persamaan kesetimbangan massa untuk proportionator adalah:
J = K + P
Persamaan kesetimbangan massa untuk evaporator adalah:
K = A + C-65
Persamaan kesetimbangan massa untuk blender adalah:
C-65 + P = C-45
4. Pada proses pengeringan wortel menggunakan sistem pengering aliran paralel, bahan berkadar air 85% memasuki sistem pengering dengan laju 500 kg/jam sehingga dihasilkan wortel kering yang berkadar air 20%. Jika diketahui udara panas yang digunakan sebagai media pengering mempunyai rasio kelembaban 0.006 kg air per kg udara kering dan aliran udara panas memasuki sistem dengan laju 200 kg udara untuk setiap kg bahan kering yang dihasilkan, hitunglah rasio kelembaban udara yang keluar meninggalkan sistem dengan mengasumsikan bahwa sistem berada dalam kondisi steady state.
Penyelesaian:
Dari soal diketahui bahwa alat proses yang digunakan adalah dehidrator atau
dryer yang sistem kerjanya menggunakan udara panas untuk menyerap air dari dalam bahan basah sehingga dihasilkan bahan kering.
Sketsa atau diagram alir proses dapat digambarkan:
Wortel basah (B) Wortel kering (K) Perhitungan didasarkan pada 1 kg basis kering wortel hasil pengeringan.
kadar air wortel kering = 20%
dalam 1 kg basis kering berarti terdapat air sebanyak 20/80 x 1 kg = 0.25 kg
kadar air wortel basah adalah 85%
dalam 1 kg basis kering berarti terdapat air sebanyak 85/15 x 1 kg = 5.67 kg
udara kering yang diperlukan per 1 kg produk kering = 200 kg
kadar air udara panas = 0.006 kg/kg udara panas, berarti jumlah air dalam udara panas yang memasuki sistem adalah 0.006 x 200 = 1.2 kg
Persamaan sistem kesetimbangan di atas adalah:
udara kering + wortel basah = udara basah (Ub) + wortel kering 1.2 kg + 5.67 kg = Ub + 0.25 kg
Ub = 6.87 – 0.25 = 6.62 kg
Laju udara basah meninggalkan sistem diasumsikan sama dengan laju udara
kering memasuki sistem = 200 kg / kg wortel kering dalam basis kering, dengan demikian kadar air udara basah yang meninggalkan sistem adalah:
6.62 kg/200 kg = 0.033 kg air per kg udara basah.
5. Untuk menghasilkan sirup sorgum dengan rasa yang disukai dan biaya produksi yang rendah, dilakukan proses pencampuran dengan sirup jagung dan sirup semi. Jika jumlah sirup campuran yang diinginkan adalah 100 kg, dan karakteristik ketiga jenis sirup seperti terlihat dalam tabel di bawah ini, tentukan berapa banyak masing-masing sirup diperlukan dalam pencampuran tersebut.
Jenis sirup Jumlah Kadar air (%) Kadar gula (%) Kadar flavor (%)
Jagung J 20.0 80.0 0.0
Semi E 40.0 60.0 1.0
---Penyelesaian:
Alat proses yang digunakan dalam sistem ini adalah pencampur atau blender atau
mixer.
Persamaan kesetimbangan yang dapat dibuat dari sistem ini ada 4 macam, yaitu:
Total: S + J + E = 100 ……… (1)
K. air: 0.23 S + 0.2 J + 0.4 E = 25 ……… (2)
K. gula: 0.76 S + 0.8 J + 0.6 E = 75 ……… (3)
K. flavor: 0.015 S + 0 J + 0.01 E = 1 ……… (4)
Dari keempat persamaan tersebut, hanya diperlukan 3 buah persamaan saja untuk menghasilkan suatu penyelesaian, misalnya persamaan 1, 2, dan 4. Dari (4): 0.015 S + 0 J + 0.01 E = 1 0.01 E = 1 – 0.015 S E = 100 – 1.5 S ……….. (5)
Substitusikan nilai E dari (5) ke (1): S + J + E = 100 S + J + (100 – 1.5 S) = 100 J = 0.5 S ………. (6)
Substitusikan nilai E dari (5) dan J dari (6) ke (2):
0.23 S + 0.2 J + 0.4 E = 25
0.27 S = 40 – 25 S = 15/0.27 = 55.56 kg
Dari (6): J = 0.5 S J = (0.5) (55.56) = 27.78 kg
