Optimasi Penggunaan Absorben Pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Biji Kakao (Theobroma Cacao)

Biji Kakao secara teknis adalah bukan kacang melainkan biji dari buah pohon kakao Theobroma. Setiap buah memproduksi sekitar 35-50 biji yang dikelilingi oleh bubur manis. Setelah biji kakao dipanen maka akan segera difermentasikan secara alami oleh mikroba yang menggunakan gula dari pulp manis sebagai sumber energi [10]. Popularitas kakao dari produk kakao yang diturunkan, dalam coklat khususnya, dapat dianggap berasal dari rasa yang unik dan lezat. Rasa dan khususnya, aroma kakao dikembangkan selama pemrosesan utama biji kakao, yaitu fermentasi dan pengeringan. Tentu saja melibatkan tindakan berbagai mikro-organisme dalam pulp kakao dan aksi enzim karbohidrat, protein dan polifenol dalam biji kakao. Tidak ada rasa dalam biji kakao tanpa fermentasi [11]. Fermentasi biji kakao dilakukan untuk menjaga massa biji kakao terisolasi sementara pada saat yang sama udara diperbolehkan untuk melewati biji. Proses ini dilakukan untuk mengembangkan rasa coklat dan aroma di biji. Selama fermentasi, pulp yang menyelimuti biji dihapus dan gula dalam pulpa diubah menjadi asam asetat [12]. Kakao umumnya digunakan untuk membuat cokelat, susu cokelat, minuman, bubuk cokelat dan kosmetik karena mengandung theobromin, lemak, dan vitamin D, sebagai anti-karsinogenik, antiulcer, anti-inflamasi, anti-mikroba dan analgesik [13-14].

2.2 Pengering Surya (Solar Dryer)

2.2.1 Pengeringan Open Sun

menyebabkan peningkatan suhu dan pembentukan uap air di dalam tanaman dan kemudian berdifusi menuju permukaan bentuk penguapan. Pada tahap awal, penghilangan kelembaban cepat karena kelebihan kelembaban pada permukaan produk menyajikan permukaan basah bagi udara pengeringan. Selanjutnya, pengeringan tergantung pada tingkat di mana kelembaban dalam produk bergerak ke permukaan oleh proses difusi tergantung pada jenis produk. Dalam pengeringan terbuka matahari, ada kerugian yang cukup besar karena berbagai alasan seperti tikus, burung, serangga dan mikro-organisme. Hujan badai atau lebih tak terduga memperburuk situasi. Selanjutnya, lebih dari pengeringan, kontaminasi oleh bahan asing seperti kotoran debu, serangga, dan mikro-organisme juga perubahan warna oleh radiasi UV merupakan karakteristik untuk membuka pengeringan matahari. Secara umum, pengeringan matahari terbuka tidak memenuhi standar kualitas internasional dan oleh karena itu tidak dapat dijual di pasar internasional. Dengan kesadaran kekurangan dalam pengeringan terbuka matahari, metode yang lebih ilmiah pemanfaatan energi surya untuk pengeringan tanaman telah muncul diistilahkan atau pengeringan matahari [15].

Gambar 2.1 Prinsip Kerja dari Pengering Open Sun [15]

2.2.2 Pengeringan Tak Langsung (Indirect Solar Dryer)

untuk memanaskan udara yang mengalir melalui produk yang akan dikeringkan dalam pengering ini. Maka kelembaban produk akan berkurang karena adanya konveksi dan difusi. Dalam hal ini kualitas pengering produk ditingkatkan meskipun tingkat pengeringan meningkat. Udara panas ditiupkan melalui ruang pengering. Di bagian atas pengeringan ventilasi ruang yang menyediakan mana kelembaban dihapus. Dalam jenis tidak langsung sistem pengeringan surya kontrol yang lebih baik atas pengeringan dicapai [17-18].

Gambar 2.2 Prinsip Pengering Tak Langsung [17]

2.2.3 Pengeringan Langsung (Direct Solar Dryer)

Pengeringan matahari langsung adalah cara konvensional pengeringan produk. Dalam metode ini produk secara langsung terkena radiasi matahari dan mengurangi

Gambar 2.3 Prinsip Pengering Langsung [16]

2.3 Energi Surya (Solar Energy)

Energi surya adalah bersifat intermittent (tidak kontinu) dan suhu maksimum yang dapat dicapai 35oC. Oleh karena itu perlu ditambahkan sebuah kolektor tipe pelat datar untuk dapat menaikkan temperatur udara pemanas hingga mencapai 45 – 60 °C pada siang hari dan dilanjutkan dengan menyimpan sebagian energi surya ini pada bahan-bahan penyimpan panas (phase change material’s = PCM’s) untuk melanjutkan proses pengeringan pada saat malam hari [2]. Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970-an mendapat perhatian yang cukup besar dari banyak negara di dunia. Di samping jumlahnya yang tidak terbatas, pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan. Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan teknologi sel surya atau fotovoltaik. Matahari merupakan sumber energi yang benar-benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya dapat dikatakan gratis. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk daerah-daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru mencapai 55% - 60% dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik [19].

2.4 Desikan

sel elektrolit. Dengan menyerap uap air di atmosfer melalui media berpori, konduktivitas ionik sel-sel berubah dan jumlah kelembaban terdeteksi [21]. Berdasarkan perpindahan panas dan kondisi operasinya, absorben memiliki dampak yang paling signifikan untuk efisiensi perpindahan dan efisiensi entalpi yang sekitar 15,9% lebih tinggi dari adsorben. Kedua metode signifikan mempengaruhi efisiensi pertukaran kelembaban. Pembuatan absorben dapat mencapai 84,5% dari efisiensi pertukaran kelembaban, yang 38,7% dan 28,1% lebih tinggi dibandingkan adsorben [22].

Dalam dekade terakhir, karena biaya energi meningkat, sistem suhu pengeringan rendah menggunakan desikan telah mendapat perhatian besar. Jenis-jenis desikan adalah silika gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves, kalsium klorida, lithium klorida atau bromida, dan asam sulfat dapat digunakan untuk dehumidifikasi udara. Regenerasi suhu yang diperlukan untuk mengeringkan disk penyerap silika gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves adalah sekitar 80 oC, yang relatif tinggi. Desikan seperti kalsium klorida, lithium klorida atau bromida, dan asam sulfat, lebih nyaman dan murah untuk bekerja dan memiliki suhu pengering regenerasi sekitar 60 oC. Untuk sistem dehumidifikasi udara, tekanan uap dari desikan harus lebih rendah dari air. Suhu regenerasi, biaya, dan viskositas harus rendah. Selain itu, juga harus non-toksik, kimiawi stabil, dan tidak akan mempengaruhi kulit. Beberapa bahan desikan, seperti lithium bromida, asam sulfat, kalsium klorida, dan lithium klorida, telah mendapat perhatian. Lithium klorida adalah desikan yang paling stabil dapat mengurangi kelembaban relatif hingga 60% dan memiliki berbagai macam konsentrasi dehidrasi (30JK sampai 45%), tetapi biaya adalah relatif tinggi. Kalsium klorida termurah dan paling mudah tersedia tetapi ada satu kelemahan yaitu tidak selalu stabil. Hal ini tergantung pada kondisi udara inlet dan konsentrasi persentase desikan [8].

2.5 Kinetika Pengeringan

asumsi bahwa biji kakao dapat dianggap sama dengan bola, difusi dinyatakan sebagai :

= (2.2)

dimana r adalah jari-jari (m) dan t adalah waktu (s), De adalah difusivitas efektif (m2

s-1_{). Dengan asumsi kadar air awal seragam dan efektif difusivitas konstan di seluruh}

sampel, Crank (1999) memberikan solusi analitis persamaan untuk objek bola sebagai berikut:

MR= ∑∞ exp − (2.3)

di mana m-ms / mo-ms adalah rasio kelembaban (MR), r adalah jari-jari bola, t adalah waktu dan De adalah difusivitas efektif. Jika n = 1, untuk jangka waktu yang panjang pengeringan Persamaan (2.2) dapat dibuat linear sebagai berikut:

Ln MR = Ln − (2.4)

Difusivitas efektif didapat dari plot data Ln MR terhadap waktu (s) data dengan kemiringan K1, sebagai berikut :

K1 = (2.5)

Koefisien difusi menilai bahwa difusivitas efektif bervariasi dengan suhu sesuai dengan fungsi Arrhenius :

De = D exp − _{( , ")} (2.6)

di mana D adalah koefisien difusivitas untuk suhu yang tak terbatas, E adalah energi aktivasi untuk kelembaban difusi, R adalah konstanta gas (R = 8,314 J mol-1 K-1) dan T adalah suhu pengeringan (º C) [12].

Data kadar air eksperimental biji kakao yang diperoleh dipasang ke 3 model pengeringan yang ditampilkan dalam Tabel 2.1 berikut ini :

Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan [13]

No Model Persamaan Nama

1 MR = exp(-kt) Newton

2 MR = a exp (-kt) Eksponensial

3 MR = exp (-ktn) Page

4 MR = a exp(-kt+c) Logarithmique

kriteria utama untuk memilih model terbaik untuk menggambarkan kurva pengeringan. Selain R², parameter statistik, seperti berkurangnya chi-square (x²), root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE), dan t dihitung untuk

mengevaluasi pemasangan sebuah model untuk data eksperimen. Nilai tertinggi R² dan nilai terendah x², RMSE, MBE, nilai t yang digunakan untuk menentukan yang terbaik cocok [13].

di mana MRexp,i adalah ith rasio eksperimen yang diamati, MRpred,i adalah ith rasio

kelembaban prediksi, N jumlah pengamatan dan n adalah jumlah konstanta [23].

2.6 Konsumsi Energi Spesifik

Konsumsi energi spesifik ditentukan dengan membandingkan total energi yang diterima selama pengeringan terhadap jumlah air yang diuapkan, dinyatakan dalam MJ/kg air teruapkan. Jumlah energi yang diserap adalah energi radiasi yang diterima kolektor surya dan energi kimia yang dilepas absorben.

Besarnya energi yang diterima selama siang hari ditentukan dengan cara menghitung energi surya yang masuk dikurangi besarnya kehilangan panas kolektor surya. Profil susunan isolator yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.

(a) (b)

Gambar 2.4. (a) Rancangan Isolator dan (b) Gradien Perpindahan Panas Kolektor Surya

(2.7) (2.8) (2.9)

Kehilangan panas keseluruhan dihitung berdasarkan besarnya total kehilangan panas konveksi melalui udara lingkungan terhadap permukaan kayu, kehilangan panas konveksi melalui udara didalam kolektor terhadap permukaan plat, kehilangan panas pada sisi alas dan sisi atas dan kehilangan panas radiasi.

Kehilangan panas pada sisi dinding-dinding dan sisi bawah/alas masing-masing dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: Kehilangan panas pada sisi atas dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: Kehilangan panas radiasi dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:

S ;% = /.H . ( :TG 0R

Jumlah energi kimia absorben yang diterima/dilepas selama malam hari dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut [2] :

S;,= ^;,. ∆` (2.20)

2.7 Psikometrik di Dalam Pengeringan

air bebas pada 101,325 kPa menguap dalam suasana steam 100 % pada 100 ° C. Untuk tujuan pengeringan, grafik psikometrik sangat berguna [24].

Berikut adalah grafik psikometrik :

Gambar 2.5 Grafik Psikometrik : Sifat Campuran Udara dan Air-Uap [24]

Tekanan parsial air di udara sama dengan tekanan uap air pada suhu tersebut dan kelembaban jenuh didefinisikan oleh :

(2.21) Humiditas relatif adalah :

(2.22) Perbedaan antara udara kering volume spesifik dan volume udara lembab pada suhu tertentu adalah volume uap air. Data entalpi diberikan atas dasar kilojoule per kilogram udara kering.

Tidak ada garis untuk memanaskan lembab pada Gambar 2.3 dan dapat dihitung dengan :

ab = 1,0 + 1.87` (2.23)

`b - ` = cd_λ () - )b) (2.24) Kemiringan kurva saturasi adiabatik adalah (ab / λ_{). Garis-garis ini menunjukkan}

hubungan antara suhu dan kelembaban udara yang melewati pengering terus menerus beroperasi adiabatik. Suhu bola basah didirikan oleh keseimbangan dinamis antara panas dan perpindahan massa ketika cairan menguap dari massa yang kecil, seperti bola basah termometer, menjadi massa yang sangat besar seperti gas sehingga mengalami terakhir tidak ada suhu atau kelembaban perubahan , dan dinyatakan oleh hubungan:

ℎf () - )g) = hi 'λ ₍`g <sub>-</sub> `<_{) (2.25)}

Sebuah kelembaban grafik yang diberikan tepat hanya pada tekanan yang dievaluasi dan sebagian grafik udara-air-uap didasarkan pada tekanan 1 atm. Kelembaban dibaca dari grafik ini untuk diberikan nilai basah-bola dan suhu kering-bola hanya berlaku pada tekanan atmosfer dari 760 mmHg. Jika tekanan total berbeda, kelembaban pada diberikan basah-bola dan suhu kering-bola harus dikoreksi sesuai dengan hubungan berikut [24]:

(2.26)

2.8 Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Laju Pengeringan