KAJIAN ALIRAN UDARA DAN SUHU PADA KEMASAN KOMODITI PEPAYA (Carica papaya L.) MENGGUNAKAN TEKNIK COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) SKRIPSI

KAJIAN ALIRAN UDARA DAN SUHU PADA KEMASAN KOMODITI PEPAYA (Carica papaya L.) MENGGUNAKAN

TEKNIK COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

SKRIPSI

OLEH : FILLI ANDRIANI

130308054/KETEKNIKAN PERTANIAN

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2018

KAJIAN ALIRAN UDARA DAN SUHU PADA KEMASAN KOMODITI PEPAYA (Carica papaya L.) MENGGUNAKAN

TEKNIK COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

SKRIPSI

OLEH : FILLI ANDRIANI

130308054/KETEKNIKAN PERTANIAN

Skripsi sebagai salah satu syarat untuk dapat memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian

Universitas Sumatera Utara

Disetujui Oleh:

Komisi Pembimbing

(Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, PhD)

Ketua Anggota

(Ir. SaipulBahri Daulay, M.Si)

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2018

ABSTRAK

FILLI ANDRIANI: Kajian Aliran Udara Dan Suhu Pada Kemasan Komoditi Pepaya Menggunakan Teknik Computational Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh RISWANTI SIGALINGGING dan SAIPUL BAHRI DAULAY.

Produk hortikultura sangat mudah rusak selama penanganan pasca panen. Buah pepaya salah satunya yang termasuk buah klimaterik yaitu buah dengan kecepatan respirasi yang tinggi. respirasi yang bisa menjadi faktor penyebab kerusaan akibat akumulasi CO2

Hasil penelitian menunjukkan bahwa vektor kecepatan aliran udara dengan waktu simulasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam cenderung memiliki vektor kecepatan aliran yang sama, dengan nilai kelembaban relatif sebesar 99,9 % dan terjadi peningkatan suhu di setiap waktu simulasi. Perhitungan simulasi CFD adalah valid karena nilai rata-rata error validasi <10 %.

dan meningkanya suhu di dalam kemasan. Kemasan berventilasi merupakan solusi untuk mengendalikan gas di dalam kemasan karena udara dapat mengalir ke dalam kemasan sehingga suhu di dalam kemasan dapat dikendalikan. CFD dapat dimanfaatkan untuk mensimulasikan dan menggambarkan secara visual aliran udara dan perubahan suhu yang terjadi di dalam kemasan, sehingga mempermudah mendesain kemasan berventilasi yang sesuai dengan produk yang dikemas. Penelitian yang dilakukan menggunakan waktu simulasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam dengan 12 titik pengukuran suhu di dalam kemasan karton yang digetarkan menggunakan meja simulator dengan frekuensi 3Hz, kemudian disimulasikan dengan menggunakan CFD, dilakukan pada bulan September - Oktober 2017 di Laboratorium Teknik Biosistem Program Studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian, USU, Medan. Parameter yang diamati adalah kecepatan aliran udara, suhu dan kelembaban relatif di dalam kemasan karton.

Kata kunci: aliran udara,suhu, CFD

ABSTRAC

FILLI ANDRIANI: Study of Airflow and Temperature At Papaya Commodity Packaging Using Computational Fluid Dynamics (CFD) Technique. Supervised by RISWANTI SIGALINGGING and SAIPUL BAHRI DAULAY.

Horticultura products are highly damaged during post harvest handling. Papaya is one of which includes climatis fruit is a fruit with high respiration rate. That respiration can be a factor causing the accumulation of CO2

The results showed that the air flow velocity vector with simulation time 1 hour, 3 hours and 5 hours tend to have the same flow velocity vector, the relative humidity value of 99,9 % and an increase in temperature at any time of the simulation. CFD simulation calculations was valid because of the average value of the validation error <10%.

and temperature in the pack.

Ventilated packaging is a solution to control the gas in the packaging because air can flow into the packaging so that the temperature inside the packaging can be controlled.

CFD can be utilized to simulate and visualize the airflow and temperature changes occurring in the packaging,making it easier to design in a well-ventilated packaging to suit the packaged product. The study was conducted using 1 hour, 3 hour and 5 hour simulation time with 12 points of temperature measurement inside carton box vibrated using simulator table with 3Hz frequency, then simulated using CFD, conducted in September - October 2017 in the Laboratory of Biosystems Engineering Study Program of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture, USU, Medan. The observed parameter was velocity from airflow, temperature and relative humidity.

Key words: airflow, temperature, CFD

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Sei Kamah II, Kecamatan Sei Dadap Kabupaten Asahan pada tanggal 31 Desember 1995 dari Bapak Roni Siswanto dan Ibu Sri Sustriana. Penulis merupakan anak ke satu (1) dari empat bersaudara.

Tahun 2013 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Simpang Empat, Kisaran dan pada tahun yang sama masuk ke Fakultas Pertanian USU melalui jalur Seleksi Bersama Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SBMPTN) dan lulus pada pilihan pertama di Program Studi Keteknikan Pertanian.Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian (IMATETA) dan organisasi BKM Al-Mukhlisin FP USU. Penulis melaksanakan Praktek Kerja Lapangan (PKL) di PT. EASTREN SUMATERA INDONESIA BUKIT MARAJA PALM OIL MILL pada bulan Juli sampai Agustus 2016. Kemudian pada tahun 2017 mengadakan penelitian skripsi dengan judul “Kajian Aliran Udara dan Suhu pada Kemasan Komoditi Pepaya (Carica Papaya L.) Menggunakan Teknik Computational Fluid Dynamics (CFD)” di Medan

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Kajian Aliran Udara dan Suhu pada Kemasan Komoditi Pepaya (Carica Papaya L.) Menggunakan Teknik Computational Fluid Dynamics (CFD)” yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada orang tua penulis yang telah mendukung secara moril dan meteril. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, Ph.D selaku ketua komisi pembimbing serta kepada Bapak Ir. Saipul Bahri Daulay, M.Si selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberikan berbagai masukan, saran dan kritik yang bermanfaat bagi penulis sehingga draft penelitian ini dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca yang bersifat membangun untuk kesempurnaan pada masa yang akan datang.

Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan.

Medan, Januari 2018

Penulis

DAFTAR ISI

Hal

ABSTRAK ... i

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... ii

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR GAMBAR ... iii

DAFTAR TABEL ... iv

DAFTAR LAMPIRAN ... v

I. PENDAHULUAN Latar Belakang ... 1

Tujuan Penelitian ... 3

Batasan penelitian ... 3

Kegunaan Penelitian... 3

II. TINJAUAN PUSTAKA Tanaman Pepaya (Carica papaya L.) ... 5

Pengemasan ... 9

KertasKarton ... 10

Kemasan Karton ... 11

Ventilasi ... 13

Metode Computational Fluid Dynamic(CFD) ... 14

Teknik Simulasi CFD ... 16

Perhitungan RH ... 20

Analisis Teknik ... 21

Validasi Model Simulasi ... 21

METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian ... 22

Bahan dan Alat ... 22

Metode Penelitian ... 23

Prosedur Penelitian ... 24

Titik Pengukuran ... 26

Parameter Penelitian ... 26

Asumsi dalam Simulasi CFD ... 27

Kondisi Awal dalam simulasi CFD ... 27

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Kecepatan Aliran Udara Pengukuran Langsung ... 28

Analisa Kecepatan Aliran Udara Simulasi CFD ... 29

Validasi Kecepatan Aliran Udara ... 30

Analisa Suhu Pengukuran Langsung ... 31

Analisa SuhuSimulasi CFD ... 35

Validasi Suhu ... 42

Analisis RH ... 43

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ... 45

Saran ... 46

DAFTAR PUSTAKA ... 47 LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

No Hal

1. Tipe kemasan distribusi ... 12

2. Geometri titik pengukuran ... 23

3. Geometri skenario kemasan ... 24

4. Vektor kecepatan aliran udara di dalam kemasan ... 29

5. Grafik suhu selama simulasi transportasi suhu ... 33

6. Kontur 3D suhu simulasi CFD bidang 1 di dalam kemasan ... 36

7. Kontur 3D suhu simulasi CFD bidang 2 di dalam kemasan ... 39

8. Grafik suhu rata-rata hasil simulasi CFD di 12 titik pengukuran ... 41

9. Grafik rata-rata RH di dalam kemasan dan lingkungan ... 43

DAFTAR TABEL

No Hal

1. Produksi buah pepaya tahun 2011-2013 di Sumatera Utara ... 6

2. Komposisi kimia pepaya per 100 g bahan ... 6

3. Kode ukuran buah pepaya berdasarkan bobot ... 8

4. Susunan flute pada karton gelombang komersial ... 11

5. Koordinat titik-titik pengukurun pada bidang 1 dan bidang 2 ... 26

6. Kecepatan rata-rata aliran udara pengukuran langsung ... 28

7 Rata-rata pengukuran kecepatan aliran udara, simulasi dan validasi ... 31

8. Suhu rata-rata hasil pengukuran langsung ... 31

9. Suhu rata-rata hasil pengukuran langsung di dalam kemasan karton ... 32

10. Hasil rata-rata suhu pengukuran, simulasi dan validasi ... 42

DAFTAR LAMPIRAN

No. Hal

1. Flowchart penelitian ...50

2. Perhitungan Nilai Konveksi Koefisien ...51

3. Perhitungan Nilai Heat Flux konduksi ...54

4. Data Input CFD ...57

5. Hasil Meshing ...58

6. Proses Iterasi ...59

7. Vektor Kecepatan Aliran Udara ...60

8. Data Suhu Pengukuran Langsung ...61

9. Validasi suhu ...62

10. Data Pengukuran Kecepatan Aliran Udara Lingkungan ...63

11. Data pengukuran RH di dalam kemasan ...64

12. Gambar Alat dan Bahan Penelitian ...65

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Pepaya merupakan komoditas buah yang berpotensi dan memiliki peluang usaha yang menjanjikan karena permintaan pasar masih besar,selain itu harganya yang relatif stabil dan panen yang terus-menerus sepanjang tahun. Menurut Rahardi (2004), tanaman pepaya memiliki potensi produksi yang cukup besar dan termasuk urutan lima besar buah-buahan yang potensi produksinya lebih dari 300.000 ton per tahun. Produksi buah pepaya ini tampaknya berlanjut sesuai dengan permintaan pasar, baik pasar dalam negeri maupun luar negeri. Selain itu, produksi buah ini juga dipengaruhi oleh adanya pembangunan agroindustri.

Buah pepaya mempunyai sifat yang mudah rusak setelah panen. Hal ini merupakan salah satu kendaladalam penyediaan buah pepaya dengan mutu prima kepada konsumen. Kualitas buah pepaya diusahakan untuk dipertahankan agar nilai ekonomisnya tidak berkurang, usaha untuk mempertahankan kualitas tersebut salah satunya dengan memberikan perhatian pada pengemasan yang disesuaikan dengan karakteristik buah pepaya.

Untuk pengemasan komoditas holtikultura ada beberapa jenis kemasan yang dapat digunakan, diantaranya berdasarkan sifat kelenturannya, yaitu kemasan fleksibel dan kemasan kaku (rigid). Kemasan fleksibel difungsikan untuk membungkus produk dan tidak untuk melindungi dari kerusakan mekanis, contohnya adalah kantung plastik. Sedangkan kemasan kaku adalah kemasan yang digunakan untuk menahan gaya tekan sehinggga dapat melindungi keadaan fisik produk, contoh kemasan jenis ini yaitu kemasan karton (corrugated box), keranjang bambu dan peti kayu yang umumnya digunakan untuk mengemasan

buah-buahan dan sayuran. Hal ini dikarenakan bobot kemasan yang lebih ringan, mudah dilakukan pencetakan, mudah dilakukan perakitan dan penyimpanan, juga sangat fleksibel. Pada kemasan kaku harus terdapat ventilasi dikarenakan komoditas hortikultura segar adalah produk yang masih mengalami proses respirasi dengan hasil samping berupa panas dan gas CO₂. Ventilasi pada kemasan diperlukan untuk meminimalkan terjadinya akumulasi panas dan gas CO2

Salah satu cara untuk mengetahui distribusi aliran udara dan suhu didalam kemasan adalah dengan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic).

CFD merupakan suatu analisis aliran fluida di dalam sistem dengan menggunakan metode algoritma numerik yang berbasis komputer. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) (Tuakia, 2008). Dengan demikian penggunaan CFD dapat membantu mengetahui keadaan fluida secara visual yang terdapat pada kemasan.

dalam kemasan berisi komoditas.

Sejumlah peneliti telah mempelajari karakteristik aliran udara serta perpindahan panas dan massa sistem kemasan ventilasi menggunakan metode eksperimental (Castro et al., 2004 ). Namun, penelitian eksperimental biasanya mahal dan membutuhkan waktu yang lebih lama. Divalidasi model matematika yang memperhitungkan fisik, kimia dan proses biologi dari hasil menjadi salah satu alternatif. Teknik pemodelan Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah metode pilihan utama untuk pemodelan proses transportasi selama penanganan pascapanen produk hortikultura (Delele et al., 2013).

Penelitian yang telah dilakukan Adhinata (2008) menunjukkan analisis suhu, RH dan aliran udara pada kemasan karton karena pengaruh ventilasi menggunakan CFD, akan tetapi untuk hasil analisis yang lebih signifikan dibutuhkan simulasi kemasan untuk komoditi hortikultura tertentu dengan kondisi transportasi pengangkutan produk. Oleh sebab itu pada penelitian ini akan dilakukan simulasi transportasi pengangkutan kemasan karton komoditi buahpepaya (Carica papaya L.) dengan menggunakan meja simulator getar berfrekuensi 3 Hz, yang kemudian dianalisis aliran udara dan suhu didalam kemasan menggunakan CFD.

Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk :

1. Mengetahui aliran udara dan suhu pada kemasan karton komoditi pepaya (Carica papaya L.) menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD).

2. Mengatahui keakuratan hasil simulasi CFD dengan hasil pengukuran langsung.

Batasan Penelitian

Penelitian ini hanya menggunakan simulasi getaran kendaraan yang diasumsikan sebagai simulasi transportasi darat selama pengangkutan produk.

Kegunaan Penelitian.

1. Sebagai syarat untuk dapat menyusun skripsi yang merupakan syarat untuk menyelesaikan pendidikan di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.

2. Sebagai input informasi yang dapat berguna bagi perkembangan ilmu pengetahuan.

3. Sebagai referensi bagi pihak yang membutuhkan, terutama untuk pengusaha ekspor komoditi pepaya (Carica papaya L.)

TINJAUAN PUSTAKA

Tanaman Pepaya (Carica papaya L.)

Pepaya (Carica papaya L.) merupakan tanaman buah yang berasal dari famili Caricaceae, sistematika tumbuhan pepaya adalah sebagai berikut :

Kingdom/ Kerajaan : Plantae

Subkingdom : Tracheobionta (tumbuhan berpembuluh) Divisi : Magnoliophyta (tumbuhan berbunga) Kelas : Magnoliopsida

Bangsa/ Ordo : Violales Suku/ Suku : Caricaceae Marga/ Genus : Carica

Jenis/ Spesies : Carica papaya

Pepaya (Carica papaya L.) merupakan tanaman herba, bagian batangnya berongga, biasanya tidak bercabang dan tingginya dapat mencapai 10 m. Daunnya merupakan daun tunggal, berukuran besar dan bercangap. Tangkai daun panjang dan berongga. Bentuk buah bulat sampai lonjong,batang, daun dan buahnya mengandung getah yang memiliki daya enzimatis yaitu dapat memecah protein.

Pertumbuhan tanaman pepaya termasuk cepat antara 10-12 bulan setelah ditanam buahnya telah dapat dipanen (Kalie, 2000).

Tanaman pepaya memiliki potensi produksi yang cukup besar dengan produksi yang lebih dari 300.000 ton per tahun dan termasuk urutan lima besar buah-buahan. Produksi buah pepaya dari tahun 2011-2013 di Sumatera Utara dapat dilihat pada Tabel 1. Produksi buah pepaya dari tahun ketahun akan terus bertambah dengan permintaan pasar yang berkelanjutan baik di pasar dalam

negeri maupun luar negeri. Selain itu, produksi buah ini juga dipengaruhi oleh adanya pembangunan agroindustri.

Tabel 1. Produksi buah pepaya tahun 2011-2013 di Sumatera Utara

Tahun Produksi (ton/tahun)

2011 2012 2013

36.056 31.658 27.757

Sumber : Biro Pusat Statistik (2013).

Pepaya (Carica papaya L.) mengandung lemak yang rendah dan non kolesterol, namun pepaya mengandung karbohidrat (9,81g), serta serat 1,80 g atau 4,5% dari total kebutuhan harian yang disarankan. Kandungan beberapa vitamin B kompleks dalam jumlah yang baik, mengandung beberapa mineral penting seperti kalsium, zat besi, magnesium, pospor dan zinc. Fitonutrisi penting yang ditemukan dalam pepaya yaitu Betakaroten (276 μg), Beta Crypto-xanthin (761 μg) dan Lutein-zeaxanthin (75 μg). Komposisi kimia buah pepaya dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Komposisi kimia pepaya per 100 g bahan

Komposisi Jumlah

Vitamin A (SI) Air (g)

Vitamin C (mg) B.d.d (%) Kalori (Kal) Kalsium (mg) Karbohidrat (g) Fosfor (mg) Besi (mg) Protein (g) Vitamin B1 (mg) Lemak (g)

365,00 86,70 78,00 75,00 46,00 23,00 12,20 12,00 2,00 0,50 0,04

-

Sumber: Departemen Kesehatan RI, (2004).

Menurut Kalie (2000), beberapa varietas pepaya yang banyak ditanam di Indonesia adalah sebagai berikut :

a. Pepaya Jinggo

Daging buahnya berwarna merah dan berair banyak, tetapi rasanya masih kalah manis dibandingkan pepaya semangka. Kulit buahnya berwarna kuning dengan bercak samar berwarna kelabu. Berat buah lebih kurang 1,5 kg/buah.

b. Pepaya Semangka.

Mempunyai ciri daging berwarna merah seperti warna buah semangka, rasanya manis dan berair banyak. Bentuk buahnya lonjong, berputing dengan berat buah kurang lebih 1 Kg/buah.

c. Pepaya Bangkok/Thailand

Mempunyai ciri kulit luarnya kasar dan tidak rata atau berbenjol-benjol, cara masak buahnya dimulai dari ujung buah, daging buah berwarna jingga bersemu merah dan keras. Berat buah lebih kurang 3,5 kg.

d. Pepaya Cibinong

Mempunyai ciri kulit buah kasar dan tidak rata, bentuk buahnya panjang besar dan lancip pada bagian ujungnya. Daging buah berwarna merah kekuningan, rasanya kurang manis dan teksturnya agak keras. Berat buah kurang lebih 2,5 kg/buah.

h. Pepaya Ijo

Mempunyai ciri buahnya setelah masak tetap berwarna hijau. Daging buahnya kuning, kurang manis agak tawar, aromanya harum.

e. Pepaya Meksiko

Pepaya Meksiko merupakan varietas hasil persilangan pepaya Solo dan Hawai. Pepaya Meksiko mempunyai ciri bentuk buahnya bulat berleher. Daging

buah berwarna kuning, beraroma, dan rasanya manis. Berat buah kurang lebih 3,5 kg/buah.

f. Pepaya Solo

Mempunyai ciri ukuran buahnya kecil dan berbentuk mirip buah alpukat berleher. Berat buah antara 0,4-1 kg/buah. Daging buah berwarna kuning dan juga ada yang berwarna merah, beraroma dan rasanya manis.

g. Pepaya Mas

Mempunyai ciri buahnya baik mentah maupun masak berwarna kuning.

Daging buah berwarna kuning, manis dan rasanya ada kemiripan dengan buah mangga.

i. Pepaya Item

Mempunyai ciri tangkai buah dan tangkai daun berwarna ungu. Daging buahnya berwarna kuning pucat, rasanya manis dan beraroma.

j. Pepaya California

Berukuran kecil berbentuk lonjong dengan bobot rata-rata 1,3 kg per buah.

Tanaman pepaya california mempunyai ukuran lebih pendek dibanding jenis pepaya lain. Daging buah pepaya california berwarna jingga kemerahan.

Tabel 3. Kode ukuran buah pepaya berdasarkan bobot

Kode ukuran Berat (gram)

1 >2500

2 2001-2500

3 1501-2000

4 1101-1500

5 801-1100

6 701-800

7 601-700

8 501-600

9 401-500

10 301-400

11 200-300

(BSN 4230:2009).

Pepaya california berbunga pada umur 4 bulan setelah bibit dipindahkan ke lahan.

Buahnya dapat dipanen pada umur 180 hari setelah berbunga. Secara fisik tanaman ini memiliki ukuran buah yang seragam (Muktiani, 2011).

Menurut Syukri (2008) kendala yang dihadapi oleh Indonesia dalam ekspor buah pepaya adalah antara lain kurangnya buah pepaya bermutu tinggi yang sesuai selera dan standar pasar Internasional. Oleh karena itu produsen pepaya Indonesia harus berfikir agar mampu bersaing dengan produsen buah pepaya negara lain seperti : Thailand, Philipina dan Malaysia. Untuk mencegah serangan busuk buah selama pengangkutan, buah diangkut pada suhu 10 ^o

Pengemasan

C dan kelembaban 80-90%, dalam kondisi tersebut buah dapat disimpan 3-4 minggu.

Pengemasan dapat diartikan sebagai ilmu pengetahuan dan teknologi persiapan barang untuk pengangkutan dan pemasaran sampai ke konsumen dalam kondisi baik. Pengemasan buah adalah meletakkan buah-buahan ke dalam suatu wadah yang cocok dan baik sehingga komoditi tersebut terlindung dari kerusakan makanis, fisiologi, kimiawi dan biologis. Fungsi utama dari kemasan adalah untuk mewadahi dan melindungi produk dari kerusakan-kerusakan sehingga lebih mudah disimpan, diangkut dan dipasarkan (Maezawa, 1990).

Menurut Lee dan Lye (2003) sistem logistik mencakup 5 komponen yaitu pengemasan, penyimpanan, bongkar muat, transportasi dan informasi. Kelima komponen tersebut saling berkaitan satu sama lain. Pengemasan berfungsi untuk melindungi produk dari kerusakan mekanis, menciptakan iklim mikro yang lebih sesuai dan menekan kerusakan fisik yang mungkin terjadi selama proses penyimpanan dan pendistribusian produk.

Berdasarkan fungsinya pengemasan dibagi menjadi dua, yaitu:

pengemasan untuk pengangkutan atau distribusi (shipping/delivery package) dan pengemasan untuk perdagangan eceran (retail package). Kemasan distribusi adalah kemasan yang bertujuan untuk melindungi produk yang dikemas selama pengangkutan dari produsen ke konsumen dan penyimpanan (Satuhu, 2004).

Setiap produk membutuhkan kemasan yang spesifik sesuai karakteristiknya. Pemilihan jenis kemasan perlu mempertimbangkan kualitas kemasan untuk meningkatkan daya saing produk dan mengurangi biaya bahan kemasan dan distribusi. Masalah dalam pemilihan kemasan di antaranya adalah keterbatasan bahan dan teknologi pengemasan yang sesuai dengan kebutuhan konsumen, inefisiensi desain kemasan dan standardisasi, keterbatasan desain, kemasan kecil untuk sistem rantai dingin (cold chain) dan tingginya biaya distribusi (Qanitah dan Ambarsari, 2011).

Pendistribusian produk hortikultura umumnya menggunakan truk.

Kecepatan truk pengangkutan untuk jalan dalam dan luar kota 60 km/jam sedangkan di jalan buruk aspal dan berbatu 30 km/jam. Dengan kecepatan diatas diperoleh kesetaraan simulasi transportasi darat dengan getaran sebesar 3 Hz maka, di dalam 1 jam terdapat 10.800 getaran (Herwindo, 2014).

Kertas Karton

Berdasarkan banyaknya lapisan kertas (flatsheet) yang menyusunnya, karton gelombang dibagi menjadi single wall board (flute terletak di tengah- tengah flatsheet), double wall board (dua lapis single wall board yang saling berhadapan satu sama lain) dan triple wall board (terdiri dari 3 flute dan 4 flute sheet). Karton gelombang dapat dibagi manjadi 4 tipe, antara lain : (1) single face

dengan single flute, (2) double face dengan single flute, (3) double wall dan (4) triple wall (Limbong, 2010).

Struktur flute yang digunakan pada karton gelombang komersial terdiri atas 4 ukuran yaitu A (coarse), B (fine), C (medium) dan E (very fine). Flute pada karton gelombang tipe A, B dan C banyak digunakan untuk keperluan industri, sifat bantalan (cushioning) karena ketebalannya dapat meredam daya tekan yang terjadi pada saat kemasan ditumpuk. Flute A memiliki sifat bantalan (cushioning) yang baik. Flute B cocok untuk produk yang sebelumnya telah dikemas dalam kaleng karena memiliki bantalan yang tidak terlalu tinggi, tetapi flute B memiliki ketahanan tekan datar (flat crush resistant) yang paling baik. Flute C dibuat dengan karakteristik berada diantara flute A dan B dengan harga lebih murah, memiliki daya bantalan yang tinggi seperti flute A dan memiliki ketahanan tekan datar yang baik seperti flute B. Sedangkan flute E banyak digunakan untuk kemasan display dengan dinding luar terbuat dari white kraft sebagai karton

printed. Tabel 4 menunjukkan susunan flute pada karton gelombang

(Yulianti, 2009).

Tabel 4. Susunan flute pada karton gelombang komersial Ukuran Flute Banyak gelombang

flute/meter

Tinggi flute (mm)

Tekanan minimum flat (Nm

-2

)

A (Kasar) 104-125 4,5-4,7 140

B (Baik) 150-184 2,1-2,9 180

C (Medium) 120-145 3,5-3,7 165

E (Sangat baik) 275-310 1,15-1,65 185

Sumber : Yulianti (2009).

Kemasan Karton

Setelah melalui pengembangan dan inovasi dalam pembuatan maupun bahan baku yang digunakan kemasan karton memiliki keuntungan multi guna.

Sehingga jenis kemasan ini dapat digunakan sebagai kemasan primer sampai

dengan tertier, bahan baku kemasan ini dapat diproduksi kemasan yang tahan air atau lembab (water/moistureresistance) dan tahan minyak atau lemak (Oil/Grease prool resistance). Kertas umumnya yang digunakan sebagai bahan baku dalam

pembuatan kemasan katon, berdasarkan hal tersebut kemasan dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu :

1. Kemasan Kotak Karton Lipat ( Folding carton box)

Kemasan Kotak Karton Lipat (KKL) umumnya dibuat dari bahan karton dupleks dengan pengembangan dan inovasinya untuk mendapatkan mutu yang diinginkan oleh pelanggan industri atau konsumen.

2. Kemasan Kotak Karton Gelombang (Corrugated Carton Box)

Kemasan Kotak Karton Gelombang (KKG) adalah kemasan yang fungsi utamanya untuk pengangkutan, distribusi dan penyimpanan gudang. Karena ketahanan tekan retaknya memiliki daya yang kuat dan ketahanan retaknya (bursting strenght) menunjukkan mutu performa tahan sobek dalam pengangkutan dan penanganan produk terkemas (Yulianti, 2009).

Ada tiga tipe yang umum digunakan yaitu Regular Slotted Container (RSC), Half Telescopic Container (HTC) dan Full Telescopic Container (FTC).

Ketiga tipe kemasan tersebut dapat dilihat pada Gambar 1. Dari ketiga tipe tersebut, tipe RSC dan FTC paling banyak digunakan sebagai kemasan distribusi produk hortikultura yang ada di Indonesia.

Gambar 1. Tipe kemasan distribusi (A) RSC, (B) HTC dan (C) FTC

Sumber : Direktorat Pengolahan dan Pemasan Hortikultura (2016)

Peraturan Menteri perdagangan No. 71/M-DAG/PER/9/2015 tentang ketentuan impor produk hortikultura harus memenuhi persyaratan kemasan, yaitu:

a. Kemasan yang langsung bersentuhan dengan pangan harus menggunakan bahan yang diijinkan untuk pangan sesuai ketentuan peraturan perundang- undangan.

b. Kemasan yang menggunakan plastik wajib mencatumkan kode daur ulang sesuai dengan ketentuan peraturan perundang-undangan.

c. Kemasan yang menggunakan kayu wajib dikeringkan dan diberi label tanda sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan.

Umumnya persyaratan yang baik untuk kemasan produk holrtikultura adalah cukup kuat untuk melindungi produk selama penanganan, trasportasi dan penumpukan, sesuai dengan persyaratan pemasaran dalam hal ukuran, berat dan bentuk, kekuatan kemasan tidak dipengaruhi oleh kelembaban yang tinggi dan air, kemasan harus mudah dibuka dan ditutup (tertentu), dapat digunakan kembali (recycling) dan harganya murah (Direktorat Pengolahan dan Pemasan Hortikultura, 2016).

Ventilasi

Salah satu yang dapat dilakukan untuk menghindari kerusakan komoditas akibat akumulasi CO2 pada suhu yang tinggi adalah dengan melubangi kemasan untuk produk hasil-hasil pertanian (hortikultura), sehingga sirkulasi udara di dalam kemasan dapat berjalan dengan baik, oleh sebab itu desain kemasan harus diperhatikan. Ventilasi adalah lubang untuk pertukaran udara. Kebutuhan ventilasi

sangat dibutuhkan karena produk hortikultura sebelum dan sesudah dipanen akan masih mengalami proses respirasi (Rundh, 2009).

Ada beberapa variasi ukuran, bentuk dan posisi lubang ventilasi pada kemasan karton, terutama untuk kemasan buah-buhan dan sayur. Kemasan karton yang biasanya digunakan adalah tipe FTC dengan karton pembagi diantara buah.

Perbandingan lubang ventilasi dengan dimensi luar kotak karton adalah 4,5%, Untuk kemasan buah nanas ventilasi dibuat dibagian atas dan bawah kemasan, dengan tambahan ventilasi dibagian samping jika dibutuhkan, kekuatan kemasan sebesar 275 lb/in²

Metode Computational Fluid Dynamic (CFD)

. Kemasan ini biasanya digunakan untuk pengangkutan melalui angkutan laut (Peleg, 1985).

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan pemanfaatan komputer

untuk membuat suatu prediksi yang akan terjadi secara kuantitatif saat fluida mengalir. Secara defenisi CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediski aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) yang menjelaskan tentang hukum-hukum konversi massa, momentum dan energi (Tuakia, 2008).

Teknik pemodelan CFD adalah salah satu metode pilihan untuk pemodelan selama proses transportasi, penanganan pascapanen produk hortikultura. Model CFD telah diterapkan untuk mempelajari udara mengalir serta proses perpindahan panas dan massa produk hortikultura yang dikemas dengan

kontainer. Namun, beberapa model ini terbatas pada spesifik produk (Ferrua dan Singh, 2009).

Beberapa studi telah berfokus pada parameter desain spesifik, beberapa diantaranya tidak divalidasi dengan hasil eksperimental dan yang lainnya dikembangkan berdasarkan model 2D, dilakukan hanya untuk daerah aliran laminar. Tutar et al., (2009) membandingkan hasil prediksi dari model 2D dan 3D kotak berventilasi dan hasilnya menunjukkan bahwa model 3D lebih mampu menangkap kondisi aliran fisik yang nyata dibandingkan dari model 2D.

Prosedur pendekatan program simulasi CFD menurut Tuakia (2008) antara lain :

1. Pembuatan geometri dari model atau problem.

2. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing).

3. Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalphi + konveksi spesies (zat-zat yang akan didefinisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan).

4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas (boundary condition), termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem.

Untuk kasus transient, kondisi awal juga dikondisikan.

5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien.

6. Analisa dan visualisasi dari solusi CFD.

Tiga tahapan yang harus dilakukan dalam simulasi CFD menurut Tuakia (2008) yaitu :

1. Preprocessing

Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan

menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

2. Solving

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi

yang diterapkan pada saat preprocessing.

3. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal

yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva dan animasi.

Sedangkan hal-hal yang harus diperhatikan ketika akan menyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan fluent, yaitu :

1. Menentukan tujuan pemodelan 2. Pemilihan model komputasional 3. Pemilihan model fisik

4. Penentuan prosedur Teknik Simulasi CFD

Anilisa prediksi aliran fluida dalam suatu sistem dapat dilakukan dengan memanfaatkan komputer, dimana teknik tersebut biasa disebut dengan CFD (Computational Fluid Dynamics). Persamaan yang digunakan untuk pengaturan aliran fluida adalah persamaan differensial parsial, persamaan tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu ke persamaan-persamaan aljabar, karena komputer tidak dapat langsung digunakan dengan persamaan tersebut.

Menurut Tuakia (2008) persamaan differensial tersebut harus ditransformasikan ke persamaan aljabar yang sederhana dengan metode diskritisasi. Metode yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik CFD yang digunakan atau program software yang ada. Oleh karena itu diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskripsikan model yang digunakan, khusunya cara mengatasi bagian yang kosong. Beberapa metode yang dapat digunakan yaitu :

a. Metode beda hingga (finite difference methode) b. Metode elemen hingga (finite element methode) c. Metode volume hingga (finite volume methode)

d. Metode skema resolusi tinggi (high resolution schema methode) Software pendukung yang digunakan dalam CFD antara lain :

1. Gambit (geometry and mesh building intelegent toolkit)

Gambit dapat menyediakan berbagai macam aplikasi permodelan dan dapat mengimpor dari berbagai format seperti ACIS, STEP, Parasolid, IGES dan lain-lain, sehingga pemodelan yang akan dibuat dapat lebih flesksibel.

2. Auto Cad

Untuk mempermudah penggambaran, perancangan geometri dan pemberian dimensi dapat digunakan software desain auto cad yang merupakan Computer Aided Design (CAD).

3. FLUENT

Dengan menggunakan program fluent, dapat diketahui parameter- parameter aliran dan perpindahan panas yang diinginkan. Fluent

menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga aliran fluida dengan bentuk mesh tertentu dapat terselesaikan dengan cara yang lebih mudah. Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. Ada beberapa elemen utama pada CFD jika menggunakan software fluent untuk analisa pola aliran udara dan suhu yaitu :

1. Pre-prosesor

Pre-prosesor terdapat input masalah aliran ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan solver di dalam program CFD dengan memakai interface yang memudahkan operator. Tahap ini merupakan langkah pertama yang membangun dan menganalisa suatu model CFD.

Hal-hal yang harus dilakukan pada tahap ini meliputi : - Mendefenisikan grid (mesh).

- Pemilihan penomena kimia dan fisik yang diperlukan.

- Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas jenis dan sebagainya).

- Menentukan kondisi batas yang sesuai.

Ketelitian dan ketepatan hasil tergantung dari jumlah sel didalam grid (mesh).

2. Solver

Proses solver biasanya menggunakan batas volume. Algoritma numerik metode ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu :

- Aproksimasi variable aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi sederhana.

- Diskritisasi dengan mensubtitusi hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran dan manipulasi matematis.

- Menyelesaikan persamaan aljabar (Tuakia, 2008).

Persamaan aliran fluida menggunakan hukum kekebalan fisika dalam bentuk matematis, yaitu terdiri dari persamaan-persamaan :

- Hukum kekekalan massa steady state :

Keseimbangan massa untuk elemen fluida dinyatakan sebagai berikut: laju kenaikan massa dalam elemen fluida = laju netto aliran massa kedalam elemen terbatas (Mustafa, 2004). Adapun bentuk matematis dapat ditulis :

∂(ρu)

∂x

+

^∂(ρv)

∂y

+

^∂(ρw)

∂z = 0 ... (1) Di mana, komponen kecepatan arah x, y dan z adalah u,v dan w. Dimensi dx, dy dan dz, ρ adalah massa jenis (kg/m³

- Persamaan momentum steady state

). Persamaan 1, disebut sebagai persamaan kontinuitas untuk fluida yang mempunyai sifat fluida yang tidak berubah terhadap waktu atau ∂ρ/∂t = 0

Persamaan momentum merupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk-bentuk yang sesuaidengan metode finite volume

Momentum arah x :

ρ

�𝑢𝑢

^{𝜕𝜕𝑢𝑢}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+ 𝑣𝑣

^{𝜕𝜕𝑢𝑢}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+ 𝑤𝑤

^{𝜕𝜕𝑢𝑢}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

� =

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+

^µ

�

^∂_∂x^2u2

+

^∂

2u

∂y²

+

^∂

2u

∂z²

�

^R ...

Momentum arah y :

(2)

ρ

�𝑢𝑢

^{𝜕𝜕𝑣𝑣}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+ 𝑣𝑣

^{𝜕𝜕𝑣𝑣}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+ 𝑤𝑤

^{𝜕𝜕𝑣𝑣}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

� =

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+

^µ

�

^∂_∂x^2v2

+

^∂

2v

∂y²

+

^∂

2v

∂z²

�

... (3)

Momentum arah z :

ρ

�𝑢𝑢

^{𝜕𝜕𝑤𝑤}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+ 𝑣𝑣

^{𝜕𝜕𝑤𝑤}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+ 𝑤𝑤

^{𝜕𝜕𝑤𝑤}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

� =

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+

^µ

�

^∂_∂x^2w₂

+

^∂_∂y^2w₂

+

^∂_∂z^2w₂

�

... (4)

Komponen kecepatan arah x, y dan z adalah u,v dan w. Dimensi dx, dy dan dz, ρ adalah massa jenis (kg/m³

- Persamaan energi dalam kondisi steady state

), µ adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas.

Persamaan energi diturunkan dari persamaan termodinamika yang menyatakan bahwa laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada pertikel (Pitts dan Leighton, 2011)

ρ �𝑢𝑢

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+ 𝑣𝑣

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+ 𝑤𝑤

^{𝜕𝜕𝜕𝜕}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

� = 𝜌𝜌 �𝑢𝑢

^{𝜕𝜕𝑢𝑢}_{𝜕𝜕𝑥𝑥}

+ 𝑣𝑣

^{𝜕𝜕𝑢𝑢}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

+ 𝑤𝑤

^{𝜕𝜕𝑤𝑤}_{𝜕𝜕𝜕𝜕}

� +

^K

�

^∂_∂x^2u₂

+

_∂y^∂2v₂

+

^∂_∂z^2w₂

�

... (5)

di mana komponen kecepatan arah x, y dan z adalah u,v dan w. ρ adalah massa jenis, K adalah kondiktivitas termal (W/m ^o

Pengukuran RH

C).

Semua uap air yang ada di dalam kemasan berasal dari penguapan, pada proses penguapan diperlukan adanya panas. Kelembaban udara selalu memiliki kolerasi dengan temperatur dan pada umumnya meiliki kolerasi negatif. Apabila suhu suatu tempat relatif tinggi maka kelembabannya rendah dan sebaliknya apabila suhu rendah maka kelembaban tinggi. Tingkat kelembaban sering erat hubungannya dengan perlakuan suhu. Masalah penyimpanan yang selalu timbul adalah hilangnya air dari produk tersebut, oleh karenanya kelembaban relatif ruangan dipertahankan cukup tinggi (> 95 %) (Hanum, 2013)

Analisis Teknik

Koefisien pindah panas konveksi di dalam kemasan didekati dengan persamaan konveksi alami karena proses pindah panas yang terjadi di dalam sebuah ruangan tanpa pengendalian mekanis adalah proses pindah panas konveksi alam (Zemansky, 1986).

1. Koefisien pindah panas pada permukaan horizontal menghadap ke atas h = 0,596 x 10^-4 (∆T) ^¼

2. Koefisien pindah panas pada permukaan horizontal menghadap ke bawah h = 0,314 x 10

... (6)

-4 (∆T) ^¼

3. Koefisien pindah panas pada permukaan vertikal

... (7)

h = 0,424 x 10^-4 (∆T) ^¼

dimana : h = Koefisien pindah panas konveksi (W/m ... (8)

2oC),

∆T= Perbedaan temperatur antara permukaan padat dengan luas permukaan kontak dengan fluida (^o

Validasi Model Simulasi

C)

Validas model simulasi dilakukan dengan membandingkan antara hasil simulasi suhu dan kecepatan udara pada titik tertentu yang diinginkan dengan hasil pengukuran pada model kemasan. Perhitungan nilai error menggunakan persamaan error mutlak. Persamaan untuk mendapatkan nilai error adalah :

Erorr = ^{ps – uk}

ps x 100 % ... (9) Di mana :ps = nilai pengukuran secara langsung suhu (^oC) dan atau kecepatan udara (m/s). uk = nilai hasil simulasi suhu dan atau suhu (^oC) dan atau kecepatan udara (m/s)

METODELOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan September hingga bulan Oktober 2017 di Laboratorium Teknik Biosistem Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Bahan dan Alat

Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Kemasan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kemasan karton gelombang tipe RSC berventilasi lingkaran dengan diameter 3cm dengan dimensi kemasan 460mm x 300mm x 300mm.

2. Buah pepaya (Carica papaya L.)

Buah pepaya yang digunakan yaitu pepaya jenis california dengan berat rata-rata 1-1,5 kg/buah

Adapun alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:

1. Sensor suhu DS18B20

Yang digunakan untuk mengukur suhu di dalam kemasan dan titik-titik tertentu yang diinginkan pada kemasan.

2. Data logger

Alat ini digunakan untuk menyimpan hasil pengukuran suhu yang diperoleh dari sensor suhu.

3. Sensor RH DHT22

Sensor ini digunakan untuk mengambil data RH dalam kemasan dan lingkungan (di luar kemasan).

4. Hand Anemometer

Alat ini digunakan untuk mengukur besarnya kecepatan aliran udara 5. Personal computer (PC)

PC digunakan untuk mengoperasikan program Auto Cad 2015, serta program CFD dengan menggunakan ANSYS.

6. Meja simulator

Digunakan untuk simulasi trasportasi dengan frekuensi 3 Hz 7. Termometer bola basah dan bola kering

Digunakan untuk mengukur RH lingkungan Metode Penelitian

1. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimentatif yaitu dengan melakukan pengamatan dengan 12 titik penyebaran suhu yaitu 6 buah sensor diletakkan di bidang 1 dan 6 buah sensor lainnya diletakkan di bidang 2. 1 buah sensor ditempelkan pada dinding kemasan bagian dalam, 1 buah sensor lainnya diletakkan di luar kemasan untuk mengukur suhu lingkungan sedangkan 1 buah sensor RH ditempelkan di dalam kemasan karton. Variable penelitian yang digunakan adalah waktu simulasi getar yaitu 1 jam, 3 jam dan 5 jam. Geometri titik-titik pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Geometri titik pengukuran

BIDANG 1 TITIK SENSOR

BIDANG 2

2. Metode Simulasi CFD

Simulasi pada kemasan dilakukan dengan sebuah skenario yaitu dilakukan dengan mengkondisikan letak inlet berada pada bagian samping kiri kemasan dan ventilasi yang lain sebagai outlet. Masukkan data input untuk setiap waktu simulasi. Contoh geometri skenario kemasan dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Geometri skenario kemasan 3. Metode validasi

Validasi dilakukan untuk membandingkan hasil dari simulasi CFD dengan hasil pengukuran langsung di laboratorium. Hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa akurat hasil perhitungan menggunakan program CFD dibandingkan dengan pengukuran langsung. Untuk mengetahui error mutlak dapat menggunakan Persamaan 9.

Prosedur Penelitian

- Pengukuran langsung

1. Menyusun 11 buah pepaya (Carica papaya L.) dengan berat 14,2 kg ke dalam kemasan karton.

2. Meletakkan pepaya yang telah dikemas tersebut di atas meja simulasi dan disimulasikan masing-masing selama 1 jam, 3 jam dan 5 jam dengan frekuensi 3 Hz.

3. Melakukan pengukuran kecepatan aliran udara, suhu dan RH secara langsung di kondisi suhu ruang.

4. Mencatat masing-masing hasil pengukuran.

- Metode simulasi

1. Menggambar geometri kemasan karton yang digunakan dengan perangkat lunak Solid Works2015.

2. Menentukan inlet dan outlet udara pada kemasan.

3. Menentukan kondisi batasan dan domain model kemasan, kemudian dilakukan proses grid (meshing) dengan interval tertentu.

4. Setelah itu geometri yang sudah dibuat diekspor ke program Fluent untuk dilakukan analisa lebih lanjut. Proses yang dilakukan pada program fluent antara lain :

a. Mendefenisikan model, di mana ditentukan solver dan pemakaian energi

b. Menentukan jenis fluida dan material penyusun bangunan kemasan yang digunakan serta sifat termosfisiknya.

c. Menentukan kondisi operasi (operating condition) yang terlibat.

d. Memasukkan nilai kondisi-kondisi batas (boundary condition) terhadap domain yang sudah dibuat dengan program Solid Works 2015.

e. Melakukan proses inisialisasi.

f. Melakukan proses iterasi.

g. Dilihat tampilan hasil simulasi dalam bentuk grid, kontur (suhu, dan kecepatan), vektor (suhu, kecepatan).

Titik Pengukuran

Koordinat titik-titik pengukuran di dalam kemasan adalah sama untk setiap waktu simulasi. Hasil pengukuran dari titik-titik yang telah ditentukan kemudian dibandingkan dengan hasil simulasi CFD dan dilakukan validasi.

Tabel 5. Koordinat titik-titik pengukurun pada bidang 1 dan bidang 2

Bidang Titik Koordinat

X (mm)

Y (mm)

Z (mm)

1 1 153,3 75 100

2 153,3 150 100

3 153,3 225 100

4 153,3 75 200

5 153,3 150 200

6 153,3 225 200

2 7 306,6 75 100

8 306,6 150 100

9 306,6 225 100

10 306,6 75 200

11 306,6 150 200

12 306,6 225 200

Parameter Penelitian 1. Suhu

Pengukuran suhu menggunakan sensor suhu dan data loger untuk membaca hasil pengukuran suhu dari sensor suhu yang digunakan.

Pengukuran dilakukan pada beberapa titik di dalam kemasan, di lingkungan dan dinding kemasan

2. Kecepatan aliran udara

Pengukuran kecepatan aliran udara dilakukan dengan menggunakan anemometer pada saluran inlet

3. RH (kelembaban udara)

RH udara yang diukur meliputi RH di dalam kemasan dan RH lingkungan (bagian luar kemasan). Pengukuran dilakukan secara langsung menggunakan sensor RH kemudian dilakukan kalibrasi menggunakan termometer bola basah-bola kering untuk RH lingkungan

Asumsi dalam Simulasi CFD

Asumsi yang digunakan dalam simulasi suhu, aliran udara dan RH yaitu : 1. Udara bergerak dalam kondisi steady

2. Aliran udara dianggap linear

3. Udara tidak tertekan (incompresible), ρ konstan

4. Panas jenis, konduktifitas dan viskositas udara konstan

5. Udara lingkungan pengukuran langsung diasumsikan sebagai kondisi simulasi transpotasi darat dan dianggap konstan selama simulasi

Kondisi Awal Dalam Simulasi CFD

Untuk semua simulasi dilakukan pada kondisi awal sebagai berikut : 1. Kecepatan udara awal baik pada koordinat X, Y dan Z adalah 0 m/s

2. Suhu udara awal sama dengan suhu udara akhir pada pengukuran sebelumnya

3. Tekanan udara adalah 1 atm (101,325 kPa)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisa Kecepatan Aliran Udara Pengukuran Langsung

Kecepatan aliran udara lingkungan diukur dengan menggunakan anemometer dengan rentang waktu 15 menit setiap pengukurannya selama 5 jam pengukuran. Hasil rata-rata kecepatan aliran udara lingkungan dapat dilihat pada Tabel 6.

Tabel 6. Kecepatan rata-rata aliran udara lingkungan Waktu (menit) Kecepatan udara (m/s)

0 0,41

30 0,43

60 0,51

90 0,48

120 0,49

150 0,51

180 0,06

210 0,71

240 0,54

270 0,43

300 0,63

Tabel 6 menunjukkan bahwa kecepatan aliran udara terbesar terjadi di menit 210 dengan kecepatan aliran udara sebesar 0,71 m/s, sedangkan kecepatan aliran udara terkecil terjadi di menit 180 dengan kecepatan aliran udara sebesar 0,06 m/s. Besarnya kecepatan aliran udara lingkungan akan mempengaruhi kecepatan udara yang akan masuk ke lubang ventilasi pada kemasan dan suhu di dalam kemasan. Kecepatan rata-rata aliran udara lingkungan yang diperoleh di waktu 1 jam, 3 jam dan 5 jam akan digunakan sebagai data input simulasi CFD Simulasi CFD

Data input yang digunakan untuk simulasi kecepatan aliran udara didalam kemasan untuk waktu simulasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam secara berturut-turut yaitu

0,473 m/s, 0,413 m/s dan 0,486 m/s. Vektor pengukuran kecepatan aliran udara dapat dilihat pada Gambar 4. Sedangkan kecepatan vektor aliran udara untuk waktu simulasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam dapat dilihat pada Lampiran 7.

Gambar 4. Vektor kecepatan aliran udara di dalam kemasan

Gambar 4 menunjukkan vektor kecepatan aliran udara yang masuk melewati ventilasi inlet. Udara yang melewati ventilasi inlet dan outlet memiliki kecepatan aliran udara yang lebih besar dibandingkan dengan kecepatan aliran udara yang berada di dalam kemasan. Hal ini dikarenakan udara yang melewati lubang ventilasi inlet akan menekan udara sekitarnya masuk kedalam kemasan dan udara di dalam kemasan akan menekan udara disekitar outlet keluar melalui lubang ventilasi outlet. Hal ini diasumsikan sama dengan fluida yang melewati penampang pipa yang lebih kecil. Sesuai dengan pernyataan Young dan Freedman (2002) yang mengatakan bahwa kecepatan aliran fluida dipenampang besar (v1) lebih kecil dari pada kecepatan aliran fluida pada pipa berpenampang kecil (v₂).

Adapun, tekanan dipenampang besar (P1) lebih besar dari pada tekanan pipa berpenampang kecil (P2

Hasil simulasi CFD kecepatan aliran udara di dalam kemasan yang melewati ventilasi inlet untuk waktu simulasi tranportasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam masing-masing sebesar 0,468 m/s, 0,398 m/s dan 0,512 m/s sedangkan vektor kecepatan aliran udara dengan waktu simulasi 1, 3 dan 5 jam cenderung memiliki vektor kecepatan aliran yang sama (Lampiran 7). Garis-garis lintasan yang di perlihatkan dari hasil simulasi CFD menunjukkan udara yang mengalir di dalam kemasan. Vektor aliran udara yang dihasilkan menunjukkan bahwa udara yang mengalir di dalam kemasan lebih banyak melewati bagian atas kemasan dibandingkan bagian tengah dan bawah kemasan dikarenakan bagian atas kemasan lebih banyak memiliki ruang kosong atau jarak antara permukaan dinding dengan permukaan kulit buah, sehingga udara yang masuk dari ventilasi inlet akan lebih mudah tersebar dan mudah bergerak di bagian atas di dalam kemasan menuju ventiasi outlet. Hal ini sesuai dengan sifat fluida yang dinyatakan oleh Young dan Freedman (2002) bahwa salah satu sifat fluida adalah akan berkembang dan bergerak mengisis seluruh wadah, karena fase yang tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap sehingga fluida mempunyai kemampuan untuk mengalir.

).

Validasi Kecepatan Aliran Udara

Kecepatan aliran udara pada pengukuran langsung dan simulasi CFD yang diperoleh akan dilakukan validasi. Hasil rata-rata pengukuran kecepatan aliran udara yang masuk melalui ventilasi inlet, simulasi dan validasi dengan waktu simuasi transportasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam dapat dilihat pada Tabel 7.

Tabel 7. Rata-rata pengukuran kecepatan aliran udara, simulasi dan validasi

Waktu simulasi Kec. Udara (m/s) Error (%)

Ukur Simulasi

1 jam 0,473 0,468 1,01

3 jam 0,413 0,398 3,48

5 jam 0,486 0,512 5,34

Rata-rata 3,27

Dari Tabel 7 dapat diketahui bahwa nilai rata-rata error dari tiga waktu simulasi transportasi sebesar 3,27 %, yang artinya nilai error tersebut masih berada di atas batas nilai error toleransi sehingga perhitungan simulasi CFD dikatakan valid karena nilai error yang diperoleh <10%. Sebagaimana dinyatakan oleh Lomauro dan Baskhi (1985), dalam Widodo (2009) bahwa model dikatakan cukup valid apabila simpangan dan error mutlak <10%.

Analisa Suhu

Pengukuran Langsung

Faktor penting yang harus diperhatikan pada sistem pengemasan produk hortikultura untuk menjaga mutu dan kualitas salah satunya adalah suhu, hal ini dikarenakan suhu mempengaruhi proses respirasi produk. Tabel 8 menunjukkan suhu rata-rata hasil pengukuran langsung selama proses simulasi transportasi.

Tabel 8. Suhu rata-rata hasil pengukuran langsung

Titik pengukuran Suhu awal (^oC) Suhu simulasi (^oC)

1 jam 3 jam 5 jam

Lingkungan 27,46 27,46 27,62 27,73

Dinding 27,55 27,59 27,69 27,74

Dalam kemasan 27,18 27,20 27,38 27,43

Tabel 8 menunjukkan bahwa selama proses simulasi transportasi suhu dinding kemasan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu dalam kemasan. Hal ini dikarenakan penyerapan panas secara konveksi dari lingkungan ke dinding kemasan dan penyerapan panas secara konduksi yang dialami oleh dinding

kemasan ke dalam kemasan. Welty et al., (2002) menyatakan bahwa transfer energi melalui interaksi molekuler dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat energi (temperatur) yang lebih tinggi memberikan energi ke molekul- molekul yang didekatnya pada tingkat energi yang lebih rendah. Transfer ini bisa terjadi dalam sebuah sistem yang mempunyai gradien temperatur dan yang di dalamnya terdapat molekul zat padat, zat cair dan udara. Sedangkan suhu dinding kemasan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu di dalam kemasan yang disebabkan karena suhu di dalam kemasan telah tersebar di ruang dalam kemasan.

Pengukuran suhu didalam kemasan dilakukan menggunakan sensor suhu di 12 titik berdasarkan koordinat pengukuran (Tabel 5), dengan lama waktu simulasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam.

Tabel 9. Suhu rata-rata hasil pengukuran langsung di dalam kemasan karton Bidang Titik

pengukuran

Waktu

0 jam 1 jam 3 jam 5 jam

1 T1 27,22 27,23 27,58 27,62

T2 27,16 27,21 27,40 27,45

T3 27,50 27,53 27,62 27,63

T4 27,12 27,15 27,33 27,19

T5 26,69 26,76 27,05 27,35

T6 27,33 27,42 27,45 27,48

2 T7 27,06 27,13 27,25 27,27

T8 27,10 27,12 27,21 27,22

T9 27,40 27,55 27,48 27,33

T10 27,00 27,20 27,00 27,45

T11 26,57 26,69 27,37 27,13

T12 27,24 27,31 27,44 27,47

Tabel 9 menunjukkan suhu rata-rata dari 12 titik pengukuran di dua bidang dalam kemasan. Dari lama simulasi transportasi darat dengan waktu 1 jam, 3 jam dan 5 jam, diketahui suhu tertinggi di bidang 1 dan bidang 2 sama-sama diperoleh ketika lama waktu simulasi 5 jam. Untuk bidang 1 suhu tertinggi berada di titik

T3 dengan suhu 27,63 ^oC dan suhu terendah di titik T4 dengan suhu 27,19 ^oC sedangkan pada bidang 2 suhu tertinggi berada di titik T9 dengan suhu 27,93 ^oC dan suhu terendah di titik 11 dengan suhu 27,13 ^o

Gambar 5 menunjukkan selama simulasi transportasi darat dengan waktu 1, 3 dan 5 jam terjadi kenaikan suhu di dalam kemasan untuk setiap waktu simulasi.

C. Suhu tertinggi untuk bidang 1 berada di titik 3 dan 6, hal ini dikarenakan titik tersebut berada dibagian bawah di dalam kemasan dimana panas di dalam kemasan lebih banyak terjebak di bagian bawah kemasan dikarenakan buah pepaya yang menempel ke dinding kemasan bagian bawah, sehingga panas pada dinding kemasan akan terakumulasi dengan panas dari buah pepaya dan aliran udara yang lebih sulit melewati celah antara buah pepaya dan dinding kemasan sehingga panas di bagian bawah kemasan tidak tersebar meluas di dalam kemasan .

Gambar 5. Grafik suhu selama simulasi transportasi darat

Suhu tertinggi diperoleh ketika waktu simulasi 5 jam di 12 titik di dalam kemasan yang berisikan buah pepaya yang disimulasikan menggunakan meja simulasi. Hal ini mengindikasikan pengaruh lama simulasi terhadap suhu di dalam

0

kemasan, dikarenakan semakin lama komoditi berada di dalam kemasan maka semakin banyak uap air yang dilepaskan dari komoditi ke udara yang kemudian terjebak di ruang kemasan, sehingga suhu di dalam kemasan semakin meningkat.

Ashari (2008) menyatakan bahwa kemasan yang berisikan suatu jenis komoditi akan mengalami peningkatan suhu dikeranakan proses respirasi yang masih dialami komoditi di dalam kemasan.

Meningkatnya suhu di dalam kemasan dengan semakin lamanya waktu simulasi juga disebabkan getaran dari simulasi getar transportasi darat dengan frekuensi 3Hz. Getaran yang berlangsung secara kontinu sampai 5 jam mempengaruhi buah pepaya yang ada di dalam kemasan sehingga terjadi gesekan antar buah pepaya yang terus-menerus kemudian menimbulkan panas pada kulit buah pepaya. Reynolds (1982) menyatakan getaran dan menggosok-gosokan suatu benda sehingga terjadi gesekkan akan menyebabkan energi kinetik antara partikel- partikel penyusun materi yang bergerak. Gerakan partikel pada benda tersebut bertambah kecepatannya sehingga akan timbul panas.

Selain getaran simulasi transportasi darat, yang mempengaruhi pergerakan buah pepaya di dalam kemasan adalah porositas (ruang kosong di dalam kemasan). Dari hasil penelitian yang dilakukan nilai porositas buah pepaya pada kemasan karton yang digunakan mencapai 47,16%. Dengan ruang kosong yang cukup besar di dalam kemasan menyebabkan terjadinya gesekan yang akan mempercepat kerusakan mekanis dan timbulnya panas di dalam kemasan sehingga suhu di dalam kemasan akan bertambah tinggi dengan semakin lamanya gesekan yang terjadi diantara buah pepaya. Menurut Desmet et al., (2002) pemuatan di dalam kemasan yang tidak penuh dan pengemasan yang tidak rapih selama

pengangkutan (banyaknya ruang kosong diantara komoditi sehingga bergesekan ketika kemasan diangkut) menyebabkan kerusakan akibat goncangan dan semakin besar porositas pada pepaya maka kerusakan mekanisnya juga semakin tinggi.

Simulasi CFD

Suhu udara lingkungan yang digunakan sebagai input sumlasi CFD untuk masing-masing waktu simulasi transportasi 1 jam, 3 jam dan 5 jam yaitu 27,46 ^oC, 27,62 ^oC dan 27,73 ^o

C. Kontur 3D simulasi CFD bidang 1 dan 2 di dalam kemasan untuk waktu simulasi 1 jam, 3 jam, 5 jam dapat dilihat pada Gambar 6 dan 7.

(a)

(b)

(c)

Gambar 6. Kontur 3D suhu simulasi CFD bidang 1 di dalam kemasan : (a) 1 jam (b) 3 jam dan (c) 5 jam

Gambar 6 menunjukkan bahwa terjadi perbedaan bentuk kontur 3D dari bidang 1 untuk masing-masing waktu simulasi transportasi darat 1 jam, 3 jam dan

5 jam. Dari kontur yang dihasilkan terlihat bahwa suhu tertinggi untuk bidang 1 dengan waktu simulasi 1 jam dan 3 jam berada di bagian bawah kemasan. Hal ini dikarenakan suhu di dalam kemasan lebih banyak terjebak di bagian bawah kemasan yang dipengaruhi oleh aliran udara yang lebih sulit melewati celah antara buah pepaya karena rapat dengan permukaan dinding di bagian bawah kemasan, sehingga panas di bagian bawah kemasan tidak tersebar meluas di dalam kemasan dibandingkan bagian atas kemasan yang lebih banyak dilewati aliran aliran udara.

Hal ini di dukung oleh Delele., et al (2013) menyatakan bahwa uap air bahan, terutama pada daerah permukaan bahan akan naik sejalan dengan arah udara dan kenaikan suhunya. Pada saat itu terjadi perpindahan massa dari bahan ke udara dalam bentuk uap air, wilayah tumpukan kemasan dengan suhu hasil terendah berhubungan dengan daerah tertinggi kecepatan pendinginan dan aliran udaranya.

Sedangkan untuk waktu simulasi 5 jam di bidang 1 terlihat suhu tertinggi berada di bagian atas dan bawah. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu simulasi maka akan semakin banyak uap air yang dilepaskan buah pepaya di dalam kemasan, karena adanya aliran udara sebagian uap air akan dibawa keluar melalui lubang ventilasi inlet, tetapi sebagian uap air yang terkumpul di dinding atas kemasan dan bawah kemasan akan tertahan sehingga panas yang dari bagian bawah kemasan juga akan tejebak oleh uap air yang ada di bagian atas kemasan sehingga menyebabkan suhu di bagian atas dan bawah kemasan lebih tinggi.

Herudiyanto (2008) menyatakan bahwa permeabilitas atau kemampuan kertas karton mengirimkan, menahan cairan atau gas melalui pori-pori kertas sebagai bahan kemasan tinggi sehingga uap air dapat terkumpul di dalam kemasan.

Apabila ke dalam udara yang suhu dan tekanannya tetap dimasukkan uap air

sebanyak-banyaknya, maka semakin tinggi suhunya dan semakin tinggi tekanan uap air maksimum yang dapat dicapai, oleh sebab itu bagian atas kemasan dan bawah kemasan memiliki suhu yang lebuh tinggi.

Dari bentuk kontur yang ada terlihat bahwa dari ketiga waktu simulasi suhu tertinggi di bidang 1 tercapai ketika simulasi dengan waktu 5 jam. Suhu rata- rata di waktu 1 jam, 3 jam dan 5 jam masing-masing sebesar 27,38 ^oC, 27,54 ^oC dan 27,66 ^oC. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu simulasi yang dilakukan maka suhu di dalam kemasan juga akan semakin meningkat akibat beberapa faktor seperti suhu udara yang masuk melalui ventilasi, gesekan buah pepaya dengan kemasan, respirasi yang masih berlangsung dari buah pepaya, sehingga panas di dalam kemasan akan semakin bertambah dan menyebabkan suhu menjadi tinggi.

(a)

(b)

(c)

Gambar 7. Kontur 3D suhu simulasi CFD bidang 2 di dalam kemasan : (a) 1 jam (b) 3 jam dan (c) 5 jam

Gambar 7 memperlihatkan bahwa terjadi perbedaan bentuk kontur 3D dari bidang 2 untuk masing-masing waktu simulasi transportasi darat 1 jam, 3 jam dan 5 jam. Sama halnya dengan bidang 1, untuk waktu simulasi 1 jam dan 3 jam kontur yang dihasilkan terlihat bahwa suhu tertinggi berada di bagian bawah kemasan. Hal ini dikarenakan suhu di dalam kemasan lebih banyak terjebak di bagian bawah kemasan yang dipengaruhi oleh aliran udara yang lebih sulit melewati celah antara buah pepaya karena rapat dengan permukaan dinding di bagian bawah kemasan, sehingga panas di bagian bawah kemasan tidak tersebar meluas di dalam kemasan dibandingkan bagian atas kemasan yang lebih banyak dilewati aliran aliran udara. Hal ini di dukung oleh Delele., et al (2013) menyatakan bahwa uap air bahan, terutama pada daerah permukaan bahan akan naik sejalan dengan arah udara dan kenaikan suhunya. Pada saat itu terjadi perpindahan massa dari bahan ke udara dalam bentuk uap air, wilayah tumpukan kemasan dengan suhu hasil terendah berhubungan dengan daerah tertinggi kecepatan pendinginan dan aliran udaranya.

Sedangkan untuk waktu simulasi 5 jam di bidang 1 terlihat suhu tertinggi berada di bagian atas dan bawah. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu simulasi maka akan semakin banyak uap air yang dilepaskan buah pepaya di dalam kemasan, karena adanya aliran udara sebagian uap air akan dibawa keluar melalui lubang ventilasi inlet, tetapi sebagian uap air yang terkumpul di dinding atas kemasan dan bawah kemasan akan tertahan sehingga panas yang dari bagian bawah kemasan juga akan tejebak oleh uap air yang ada di bagian atas kemasan sehingga menyebabkan suhu di bagian atas dan bawah kemasan lebih tinggi. Herudiyanto (2008) menyatakan bahwa permeabilitas atau kemampuan