ANALISA PERSAMAAN PANAS PADA PROSES STERILISASI MAKANAN KALENG
Heat Equation Analize of Canned Food Sterilization Process Oleh: DEDIK ARDIAN NRP 1202 109 026 Dosen Pembimbing Drs. Lukman Hanafi, M.Sc Dra. Mardlijah, MT
Latar Belakang Masalah
• Bagaimana membawa permasalahan dalam bidang industri ke dalam bentuk matematika sehingga
dapat diselesaikan menggunakan metode matematika
• Persamaan panas pada proses sterilisasi makanan kaleng adalah salah satu masalah dalam bidang
industri yang dapat diselesaikan dengan ilmu perpindahan panas.
• Optimasi proses sterilisasi makanan kaleng
diperlukan untuk dapat menentukan kombinasi suhu dan waktu selama pemanasan yang dapat memenuhi kriteria keamanan pangan dan mutu.
Rumusan Masalah
Bagaimana perhitungan numerik Beda
Hingga dari proses perambatan panas pada
kaleng makanan.
Batasan Masalah
• Benda bersifat homogen sehingga konstanta kalor jenis bahan c, konduktifitas suhu bahan k dan massa jenis bahan ρ tidak bergantung terhadap x, y, dan z.
• Perubahan panjang, lebar dan tinggi benda yang terjadi sangat kecil sekalipun terjadi perubahan suhu, sehingga dapat diabaikan.
• Benda terisolasi sempurna pada seluruh permukaannya.
• Jika panas mengalir dari titik P menuju titik P’ dan suhu T hanya bergantung pada posisi dan waktu, yaitu x, y, z dan t, maka secara matematis dapat ditulis .
• Persamaan Panas yang didapatkan adalah persamaan panas pada kaleng makanan bukan pada makanan
Tujuan
Menyusun persamaan matematika dari proses
sterilisasi dan pertumbuhan mikroorganisme pada makanan kaleng agar dapat diselesaikan secara numerik dengan metode beda hingga.
Manfaat
• Manfaat yang diharapkan setelah penulisan tugas akhir ini adalah memberikan informasi kepada
industri makanan dalam melakukan sterilisasi pada makanan kaleng.
TINJAUAN PUSTAKA
• Hukum Dasar Termodinamika
• Perpindahan Panas
• Konduksi
• Konveksi
• Radiasi
• Kondisi Perpindahan panas
• Kondisi Steady
• Kondisi Unsteady
• Konduktifitas Thermal
• Difusitas Thermal
• Difrensial Numerik
• Metode Beda hingga
• Proses sterilisasi makanan kaleng
Hukum Dasar Termodinamika
• Termodinamika dapat digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah dari
keadaan setimbang ke keadaan setimbang yang lain, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan kalor.
• Hukum pertama dan kedua termodinamika.
• Ilmu tentang perpindahan panas memberikan metode untuk menyelesaikan masalah laju perpindahan kalor.
Perpindahan Panas
• Perpindahan panas adalah berlangsungnya
perpindahan energi karena adanya perbedaan
temperatur antara dua sistem yang bersinggungan.
• Perpindahan panas mengenal tiga cara pemindahan
yang berbeda yaitu :
Konduksi atau hantaran Konveksi
Konduksi
dengan
qkonduksi : laju perpindahan panas (w)
k : konduktifitas bahan (w/m oc) A : luas permukaan (m2) : gradien temperature (k/m)
dx
dT
kA
q
konduksi
x T T dx dT x x x x x x | | lim 0konveksi
Dengan :
qkonveksi : laju perpindahan panas konveksi (w)
H : koefisien perpindahan panas konveksi (w/m2 oc)
A : luas permukaan (m2)
Ts : suhu permukaan (k)
T∞ : suhu fluida lingkungan (k)
HA
T
T
Radiasi
qradiasi =
dengan :
qradiasi : laju perpindahan panas radiasi (w)
ε : sifsat radiatif suatu permukaan yang dinamakan emisivitas, 0 ≤ ε ≤ 1, untuk ε = 1 disebut emisivitas sempurna / black body σ : 5,67 x 10-8 adalah konstanta Stefan Boltzman.
Ts : suhu permukaan (K) T∞ : suhu sekeliling (K) A : luas permukaan (m2)
)
(
T
s4T
sur4A
Kondisi Perpindahan Panas
• Masalah Perrpindahan Panas tidak hanya bergantung pada prosesnya tetapi juga bergantung pada kondisi proses
berlangsungnya perpindahan panas tersebut.
• Umumnya kondisi berlangsungnya proses perpindahan panas ada dua macam yaitu :
Kondisi Steady (Tunak).
Kondisi Steady
• Kondisi steady (Tunak) adalah bila laju perpindahan panas dalam suatu system tidak berubah terhadap waktu, misalnya persamaan Laplace :
0
2 2 2 2 2 2
z
T
y
T
x
T
Kondisi Unsteady
Kondisi Unsteady Adalah kondisi bila
temperatur di berbagai titik dari system
berubah terhadap waktu atau, misalnya
persamaan parabolik :
2 2t
T
t
T
Konduktifitas Thermal
•
Nilai konduktivitas termal menunjukkan
berapa cepat panas yang mengalir pada
bahan tertentu.
Difusitas thermal
α : difusitas thermal (m2/s) k : konduktifitas thermal (W/m oC) c : kalor jenis (Kj/kg OC) ρ : massa jenis (kg/m3)c
k
/
Difrensial Numerik
• Difrensial numerik digunakan untuk memperkirakan bentuk
difrensial kontinu menjadi bentuk diskret. Bentuk tersebut dapat diturunkan berdasarkan deret taylor.
• Deret Taylor dapat dijelaskan sebagai berikut, pandang fungsi
ƒ(x) sedemikian hingga
adalah kontinu dalam selang (a,a+h) dan f(n)(x) dalam selang (a,a+h), maka:
Dengan ; 0<θ<1 , dan bentuk sisa Rn ini disebut suku sisa lagrange.
) ( ),..., ( " ), ( ), (x f ' x f x f ( 1) x f n Rn a f n n h a f h a f h a f n ( ) )! 1 ( ) 1 ( ... ! 2 ) ( '' ) ( ) ( 2 ( 1) ) ( ! ) ( f a n h R n n n
Proses sterilisasi makanan
kaleng
• Sterilisasi (Processing) pada pengalengan adalah proses pemanasan wadah serta isinya pada suhu dan jangka waktu tertentu untuk menghilangkan
atau mengurangi faktor-faktor penyebab kerusakan makanan, tanpa menimbulkan gejala lewat
Nilai sterilisasi
dengan :
N : Jumlah mikroba sisa yang masih hidup
setelah pemanasan
t : Waktu pemanasan
k : laju reaksi
kN
dt
dN
Metode Penelitian
• Menguraikan landasan teori
• Analisa perpindahan panas pada proses sterilisasi
makanan kaleng.
• Membangun solusi numerik menggunakan metode
beda hingga
• Menyusun algoritma dan progam dalam bahasa
pemograman MATLAB.
• Running progam • Analisis hasil
• Menarik kesimpulan dan menyusun laporan tugas
persamaan panas pada benda dimensi tiga dalam koordinat cartesius
Dengan dengan = Konstanta penghambura = operator laplace ) 3 . 4 ( z z y y x x z y x q q q q q q dt dQ ) , , , (x y z t t T z y x c dt dQ x T z y k qx y T z x k qy y x z y T k y y T k qy y z T y x k qz z x y z T k z z T k qZ Z ) 11 . 4 ( 1 2 2 2 2 2 2 2 T z T y T x T t T y y q z q y x x q z x y q z z q x q z y x x T k x x T k qx x k c 1 T 2
persamaan panas pada benda
dimensi tiga dalam koordinat
tabung.
2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 z T T r r T r T r t T L 2 1 L 2 1 kaleng berbentuk tabung yang bersifat simetri sehingga perambatan panas tidak bergantung pada besar sudut θ
maka, dan sehingga didapat
Syarat Awal pada waktu initial time suhu awalnya adalah T0
syarat batas suhu di Sekeliling, dasar dan atas kaleng diberikan oleh
T(r,z,t) = T(t) 0 T , 0 2 2 T 1 1 (4.23) 2 2 2 2 z T r T r T r t T 0 ) , , (r z t T T i ] 2 , 2 [ ) , 0 [ R z L L r ] 2 , 2 [ L L z ) ( , 2 , L t T t r T r [0,R] ) ( , 2 ,L t T t r T r [0,R]
Persamaan panas pada kaleng
dengan bentuk tabung
Dengan mengunakan metode beda hingga, maka diperoleh persamaan panas pada kaleng
N j k N j k
N j k N j k N j k
k j N k j N T T T z t T T r t T T , , 1 , , 2 2 1, , , , 2 , 1, 2 , , , 1, Pergerakan panas pada
pusat kaleng
dengan R = 0,025 L= 0,06 s m / 10 2 , 1 7 2 Kondisi Mikroba pada pusat
kaleng
Kesimpulan
• Solusi numerik yang didapatkan dengan menggunakan metode beda hingga adalah
• Dari simulasi model yang dilakukan untuk beberapa parameter R = 0,025m dan L = 0,06m dapat disimpulkan bahwa suhu pada pusat kaleng dengan kondisi syarat awalnya bernilai nol dan syarat batasnya bernilai satu tak melewati suhu syarat batasnya sepanjang pergerakan waktunya.
• nilai sterilisasi pada waktu t didefinisikan dengan
• Jika diberikan derajat sterilisasi F yang diinginkan pada akhir waktu, maka harus dipastikan F0(t) ≥ F dan suhu akhir harus dipastikan T(0,0,t) ≤ T • dan konsentrasi dari mikroorganisme saat akhir waktu harus memenuhi:
N j k N j k
N j k N j k N j k
k j N k j N T T T z t T T r t T T , 1, , , , 1, 2 , , , , 1 2 , , 1 , , 2 2 t T t T dt F t t ref ref 1 0 , 0 , 0 ) 10 ln( exp 0 c F t c ref ) 10 ln( exp , 0 , 0 0Saran
• Adapun saran dari Tugas Akhir ini adalah masih
terbuka untuk penelitian lanjutan, khususnya
mengenai penyelesaian model kontrol optimal pada nilai sterilisasi makanan kaleng.
DAFTAR PUSTAKA
• Kreith F, Prijono A 1997, Prinsip-prinsip Perpindahan Panas, Edisi ketiga. Erlangga, Jakarta
• Holman J.P., Jasjfi E.1994, Perpindahan kalor. Erlangga, Jakarta
• Basarudin T, 1994, Metode Beda hingga untuk persamaan difrensial, Elex Media Komputindo, Jakarta
• Soehardjo, 1996, Matematika 4, ITS, Surabaya.
• Kannan A, Gourisankar P.Ch., Sandaka 2008 . Heat Transfer
Analysis of canned food Sterilization in a Still Retort. Journal of
Food Engineering 88 213-228.
• Kusnandar F ,dkk . 2008. Aspek Mikrobiologi Makanan
Kaleng,http://www.unhas.ac.id/gdln/dirpan/pengalengan/Topik6