KULIAH 02 NME 2023
NM TANPA REAKSI
Neraca Massa & Energi Bioproses (ENBE600009) Prof. Dr.-Ing. Misri Gozan, M.Tech. IPU
Program Studi Teknik Bioproses, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik – Universitas Indonesia
CAPAIAN PEMBELAJARAN MATA KULIAH (CPMK) 1.2
CPMK-1 Mampu mengimplementasikan konsep neraca massa dalam
menyelesaikan permasalahan Teknik Kimia terutama yang terkait Bioproses
• CPMK 1 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Matematika, Kimia, Fisika dan Biologi dalam neraca Massa dan Energi
• CPMK 2 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip system dalam neraca Massa dan Energi
• CPMK 3 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Neraca massa tanpa reaksi kimia/hayati
• CPMK 4 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Neraca massa dengan Sistem Multi-Unit
• CPMK 5 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Neraca Massa dengan Reaksi kimia/hayati sederhana
• CPMK 6 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Neraca Massa Reaksi Hayati berbasis Respirasi
• CPMK 7 Mahasiswa memahami dan menggunakan prinsip Neraca Massa dengan Recycle/Purge/Bypass
CPMK-2 Mampu mengimplementasikan konsep neraca energi dalam menyelesaikan permasalahan Teknik Kimia
KULIAH 02
Istilah
Sistem
Block Flow Diagram
Sistem tanpa Reaksi
Sistem Multi Unit
SISTEM
Nama Proses atau
Nama Alat Input 1
Emisi/
Gas buang
Produk 1
Produk 2
Limbah Padat/Cair Input 2
Energi
Sistem
Neraca Massa Glukosa
Kg h-1 glukosa
Mi Mo
Kg h-1 glukosa
Laju aliran massa glukosa ke dalam sistem adalah Mi kg h-1; Laju alran massa keluar adalah Mo kg h-1;
HUKUM KONVERSI MASSA
JIKA M
IDAN M
OBERBEDA,
terdapat empat kemungkinan, yaitu :
1. Pengukuran M input dan M output salah;
2. Sistem memiliki sebuah lubang yang tidak terdeteksi
tempat masuknya glukosa atau keluar dari sistem tanpa terdeteksi.
3. Glukosa digunakan atau dihasilkan oleh reaksi kimia di dalam sistem;
4. Glukosa terakumulasi di dalam sistem
BLOCK FLOW DIAGRAM
BLOCK FLOW DIAGRAM
REPRESENTASI KESELURUHAN PROSES DAN ALIRAN
BFD adalah hal yang berguna dalam
menyederhanakan diagram alir proses terperinci yang sangat rumit .
Model ini memungkinkan pembaca untuk
mendapatkan gambaran keseluruhan tentang apa
yang dilakukan pabrik dan bagaimana semua proses berinteraksi.
BFD harus dapat dipahami oleh orang-orang yang tidak berpengalaman dalam membaca atau
membuat diagram alir (Towler and Sinnott, 2013).
BLOCK FLOW DIAGRAM
REPRESENTASI KESELURUHAN PROSES DAN ALIRAN
Prosedur/proses/Alat diwakili blok
Aliran material:
Garis lurus bersentuhan proses, horizontal/vertikal
berpanah (arah aliran) dari kiri ke kanan (kecuali recycle)
Jika berbelok maka sudut harus 900
Garis bersilangan garis horizontal (kontinu) dan garis vertikal (putus)
Aliran ringan (gas) biasanya ke bagian atas
Aliran berat (cairan atau padatan) ke kanan atau ke bawah (limbah/proses lain)
Informasi penting yang harus disediakan (Seider et al., 2004):
yang unik untuk proses (seperti reaksi kimia)
Keseimbangan material yang disederhanakan
NM TANPA REAKSI
PRINSIP NERACA MASSA SEDERHANA
Jika proses kontinyu berada pada keadaan tunak, jumlah akumulasi adalah nol.
Sistem tidak berubah terhadap waktu, tidak ada akumulasi massa.
Massa masuk +
Massa yang dihasilkan
= Massa keluar +
Massa yang dihasilkan
PROSEDUR PERHITUNGAN NERACA MASSA
Langkah pertama adalah memahami masalah .
Pembuatan BFD sangat membantu pemahaman
Gunakan prosedur standar untuk menerjemahkan informasi proses ke bentuk yang dapat digunakan untuk langkah perhitungan.
Neraca massa dapat dilakukan di dalam sebuah
cara yang terorganisir; mudah untuk diikuti, dicek, atau digunakan orang lain.
7 LANGKAH DASAR PERHITUNGAN NM
1. Tentukan system
2. Gambar diagram aliran proses (BFD) 3. Pilih basis
4. Lengkapi dengan Asumsi 5. Buat neraca massa
6. Lengkapi Perhitungan
7. Teliti (jangan lupa penaksiran)
2. GAMBAR DIAGRAM ALIRAN PROSES
YANG MENUNJUKKAN SELURUH INFORMASI YANG RELEVAN.
Pilih sejumlah peralatan dan nyatakan dengan jelas.
Diagram kotak sederhana menunjukan seluruh aliran yang memasuki atau meninggalkan sistem mengikuti informasi
mengenai proses yang terorganisir dan diringkas dalam cara yang mudah dipahami.
Seluruh informasi kuantitatif harus ditunjukan pada diagram.
Catat variabel penting dalam neraca massa, laju aliran massa dan komposisi massa;
Jika informasi mengenai perincian aliran diberikan
menggunakan volume atau kuantitas molar, laju aliran molar dan komposisi harus dihitung sebelum melabeli aliran.
3. BASIS
Basis adalah referensi yang Anda pilih untuk
perhitungan yang Anda rencanakan untuk masalah tertentu,
Pilihan basis yang tepat sering kali dapat membuat masalah lebih mudah dipecahkan daripada pilihan yang buruk.
Dasarnya mungkin periode waktu seperti jam, atau massa material tertentu, atau kuantitas lain yang sesuai.
3. MEMILIH BASIS
Pilihlah basis untuk perhitungan dan nyatakan dengan jelas.
Dalam melakukan pendekatan permasalahan neraca massa, langkah tersebut sangat membantu untuk
memfokuskan kuantitas spesifik material yang memasuki atau meninggalkan sistem.
Untuk proses kontinyu pada keadaan tunak, biasanya digunakan perhitungan dasar untuk sejumlah material yang memasuki atau
meninggalkan sistem pada periode waktu tertentu.
3. MEMILIH BASIS (LANJUT)
Ada kalanya basis ditentukan dalam soal atau sangat jelas terlihat, misalnya: basis produksi per 100 kg etanol
Namun adaka kalanya dalam beberapa masalah basis tidak begitu jelas terlihat/terungkap
Gunakan tiga pertanyaan berikut untuk menentukan basis:
1. Apa yang harus saya mulai (misalnya, saya punya 100 pon minyak;
saya punya 46 kg pupuk)?
2. Jawaban apa yang diminta (misalnya, jumlah produk yang dihasilkan per jam)?
3. Apa dasar yang paling nyaman untuk digunakan?
Misalnya, anggaplah komposisi bahan tertentu diketahui dalam persen mol. Maka pemilihan 100 kg mol bahan sebagai basis akan masuk akal. Sebaliknya, jika komposisi bahan dalam hal massa diketahui, maka 100 kg bahan akan menjadi dasar yang tepat.)
4. ASUMSI
Tempatkan seluruh asumsi yang diberlakukan pada masalah tersebut.
Identifikasi komponen dari sistem, jika ada, yang terlibat dalam reaksi.
Untuk menyelesaikan masalah, diperlukan kemampuan ‘engineering judgement’.
Situasi yang sebenarnya biasanya lebih rumit, dan terdapat suatu waktu dimana satu atau lebih asumsi yang diperlukan sebelum melakukan perhitungan.
CONTOH SOAL
NM TANPA REAKSI
CTH 1. PEMISAHAN AIR
Suatu alat press akan memisahkan air dari suatu suatu adonan bahan pangan yang hampir jadi.
Produk pangan yang akan dimasukkan ke kemasan kardus tidak boleh mengandung air lebih dari 20%.
Adonan masuk ke mesin press dengan kandungan 60% air dan sisanya adalah padatan tak bereaksi.
Hitunglah berapa massa air yang harus dikeluarkan per basis perhitungan anda ?
Pemisahan air/
Mesin Press
Adonan awal = I Adonan Akhir =
P
Air buangan = W
60% air <20%
air
1. Buat Sistem dengan
2. BFD
Basis = 10 kg Adonan awal
3. Tambahkan basis
Pemisahan air/
Mesin Press
Adonan awal
= I
Adonan Akhir = P
Air buangan = W
<20%
air
= 10
= 6 kgkg Bahan Kue = 4 kg
60% air
4. Buat Asumsi-asumsi
100%
air
5. Buat Neraca Massa (NM)
NM bahan kue paling mudah dibuat!
Bahan Kue = 80%
Bahan Kue masuk = Bahan kue keluar
Dan informasi tambahan yang diperlukan
Pemisahan air/
Mesin Press
Adonan awal
= I
Adonan Akhir = P
Air buangan = W
<20%
air
= 10
= 6 kgkg Bahan Kue = 4 kg
60% air
100%
air
Bahan Kue = 80%
6. Lengkapi Perhitungan
Bahan Kue masuk = Bahan kue keluar4 kg = 80% x
P
P = 100/80 x 4
7. Teliti/Taksir
Hasil harus > 4! P = 5
kg Air di P = 20% = 1 kg
Neraca Air I = P
+ W W = I – P W = 10-5 = 5 kg
Jadi, massa air yang dikeluarkan = 5 kg per basis 10 kg
Adonan Awal
CTH 2: CONTINUOUS FILTRATION
Sebuah fermentasi slurry mengandung sel Streptomyces
kanamyceticeus difiltrasi menggunakan sebuah continuous rotary vacuum filter. 120 kg h-1 slurry dimasukan pada filter, 1 kg slurry mengandung 60 g sel padat.
Untuk meningkatkan laju filtrasi, partikel diatomaceous-earth filter ditambahkan dengan laju 10 kg. h-1. konsentrasi kanamycin di dalam slurry adalah 0,05% berat.
Filtrat liquid dikumpulkan pada laju 112 kg h-1; konsentrasi kanamycin di dalam filtrat adalah 0,045% (w/w). Filter cake mengandung sel dan filter digunakan secara kontinyu untuk menghilangkan filter cloth.
a) Berapa persen liquid di dalam filter cake?
b)Jika konsentrasi kanamycin di dalam filter cake sama dengan filtrat, berapa banyak kanamycin yang diserap per filter?
Jawaban Cth 2.
i. Sistem telah dirumuskan dalam soal, yaitu system Filtrasi kontinyu
ii. Gambar BFD yang menunjukan semua data dan unit.
FILTER
Batasan Sistem
Filter cake
120 kg h-1 6% sel 0,05%
kanamycin Fermentasi slurry
Filter aid 10 kg h-1
Filtrat 112 kg h-1
0,045%
kanamycin
2. Analisis
i. Letakan berbagai asumsi
Proses berjalan pada keadaan tunak
Sistem tidak memiliki lubang bocor
Filtrat tidak mengandung material solid
Sel tidak menyerap atau melepaskan kanamycin selama filtrasi
Filter bersifat kering
Fasa liquid slurry, tidak termasuk kanamycin, dapat dipertimbangkan kadungan airnya.
ii. Kumpulkan dan letakan data tambahan yang dibutuhkan Tidak ada data tambahan yang diperlukan.
iii. Pilih dan letakan basis.
iv. Perhitungan didasarkan pada 120 kg slurry yang memasuki filter, atau 1 jam.
v. Buat Daftar komponen, jika ada, yang terlibat dalam reaksi.
vi. Tulis persamaan umum neraca massa.
Sistem berada dalam keadaan tunak dan tidak ada reaksi yang terjadi;
karena itu, digunakan persamaan berikut Massa masuk = massa keluar
3.Gunakan tabel perhitungan yang menunjukan seluruh komponen aliran yang melewati batasan sistem. Carilah unit yang digunakan pada tabel. Masukan seluruh nilai yang
diketahui.
Aliran Masuk Keluaran
Sel Kana-
misin Filte
r Air Total Sel Kana-
misin Filte
r Air Total
Fermentation
Slurry 7,2 0,06 0 ? 12
0 - - - - -
Filter Aid 0 0 10 0 10 - - - - -
Filtrate - - - - - 0 0,05 0 ? 11
2
Filter cake - - - - - ? ? ? ? ?
Total ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
FILTER Filter cake 120 kg h-1
6% sel 0,05%
kanamycin Fermentasi slurry
Filter aid 10 kg h-1
Filtrat 112 kg h-1
0,045% kanamycin
Aliran Masuk
Sel Kana - misin
Filte r
Ai r
Total
Fermentation
Slurry 7,2 0,0
6 0 ? 12
0
Filter Aid 0 0 10 0 10
Filtrate - - - - -
Filter cake - - - - -
Total ? ? ? ? ?
Aliran Keluaran
Sel Kana - misin
Filte r
Ai r
Tota l
Fermentation Slurry
- - - - -
Filter Aid - - - - -
Filtrate 0 0,0
5 0 ? 11
2
Filter cake ? ? ? ? ?
Total ? ? ? ? ?
Neraca massa total
Total massa masuk 130 kg = total massa keluar
→ Total massa keluar = 130 kg
Neraca filter aid
Filter aid masuk 10 kg = filter aid keluar
→ Filter aid keluar = 10 kg Neraca sel
Sel masuk 7,2 kg = sel keluar
→ Sel keluar = 7,2 kg Neraca kanamycin
Kanamycin masuk 0,06 kg = kanamycin keluar
→ Kanamycin keluar = 0,06 kg
Neraca air
Air masuk 112,74 kg = air keluar
→ Air keluar = 112,74 kg
iii.Pastikan hasil yang didapatkan logis dan dapat diterima.
NERACA MASSA LENGKAP
Aliran Masuk Keluaran
Sel Kana-
misin Filter Air Total Sel Kana-
misin Filter Air Total
Fermentation
Slurry 7,
2 0,06 0 112,
74 120 - - - - -
Filter Aid 0 0 10 0 10 - - - - -
Filtrate - - - - - 0 0,05 0 111,
95 112
Filter cake - - - - - 7,2 0,01 10 0,79 18
Total 7,
2 0,06 10 112,
74 130 7,2 0,06 10 112,
74 130
Jawaban(i) : Jawaban (ii) :
4.Langkah akhir
i. Jawablah pertanyaan dengan spesifik
Persentase liquid di dalam filter cake dapat dihitung berdasarkan
table 4E3.2.
UNIT JAMAK
(MULTI UNIT) SEDERHANA
BFD UNIT TUNGGAL
Proses
Operasi/Reaksi/Nama unit
Asupan
Input/Feed/Inlet/
Influent Raw Material
Luaran
Output/Product/Outlet/
Effluent
Campuran Gas (2.500 kg/h)
Residu
(3.320 kg/h)
BFD UNIT JAMAK (MULTI UNIT)
Sistem
Sistem 2
1 Sist
em 3
Ada 4 sistem berarti ada 4 Neraca Massa dapat dibuat
NM Sistem Total (Input = Output):
Toluena + Hidrogen = Campuran Gas + Benzena + Residu Basis: kg per jam
10.000 + 820 = 2.500 + 5.000 + 3.320
Demikian pula dengan
Neraca massa (sub)sistem 1:
Toluena + Hidrogen = Efluent
Neraca massa (sub)sistem 2:
Efluent = Campuran Gas + Cairan Bawah
Neraca massa (sub)sistem 3:
Cairan Bawah = Benzena + Residu
Benzena (5.000 kg/h)
Sistem
Total
PENGERJAAN MULTI UNIT
Sama seperti mengerjakan Neraca Massa Unit Tunggal.
Setiap sistem dikerjakan satu persatu
Setiap sistem saling berhubungan (variable dari satu sistem bisa digunakan untuk sistem lainnya)
CTH MULTI UNIT: PRODUKSI ASAM LAKTAT
Sebuah industri penyedap rasa mencampur gula, asam laktat (C3H6O3) dan vitamin lalu
memisahkan menjadi produk dan air limbah secara bertahap dalam sistem tunak dan terbuka.
Tidak ada reaksi yang terjadi.
Komposisi massa masing-masing aliran adalah sebagai berikut:
1. Air (A): 100%
2. Gula (G): 100%
3. Pada campuran air gula, konsentrasi diketahui : xaC = 0,800 dan xgC = 0,200
I II III
Air
Gula
Campura n Air Gula
(C)
Asam Laktat Vitamin
Produk
Air Buangan
(W)
4. Asam laktat (L): 100%
5. Campuran AGL (M)
xaM = 0,769, xgM = 0,192, xlM = 0,0385 6. Vitamin: asam amino dan fosfat (V):
100%
7. Pada air limbah (W) xaW = 0,962, xvW = 0,0385
8. Produk (P) xgP = 0,833, xlP = 0,167.
Berapa produksi per hari?
Campuran Air Gula-
Laktat (M)
PENYELESAIAN PERSAMAAN NM
Subsystem I:
NM aliran: Air + Gula = Campuran Air Gula (C) A + G = C xaC +xgC = 1
neraca elemen Air xaA .A + xaG .G = xaC.C A = xaC.C
neraca elemen Gula xgA .A + xgG .G = xgC.C G = xgC.C C = G/ xgC.
Subsystem II:
NM aliran: Campuran Airgula + Asam Laktat = Campuran AirGulaLaktat (M) C + L = M xaM +xgM +xlM = 1
neraca elemen Air xaC .C + xaL .L = xaM.M xaC .C = xaM.M (= A) M = A/xaM.
neraca elemen Gula xgC .C + xgL .L = xgM.M xgC .C = xgM.M (= G)
neraca elemen Laktat xlC .C + xlL.L = xlM.M L = xlM.M
Subsystem III:
NM aliran: Campuran Air GulaLaktat (M)+ Vitamin = Produk (P) + Air Limbah (W) M + V = P + W
(P) xgP +xlP = 1 & (W) xaW +xvW = 1
neraca elemen Air xaM .M + xaV .V = xaP.P + xaW.W xaM .M = xaP.P + xaW.W (= A) W = (A + xaP.P)/ xaW.
neraca elemen Gula xgM .M + xgV .V = xgP.P + xgW.W xgM .M = xgP.P (= G) P = G/ xgP
neraca elemen Laktat xlM.M + xlV.V = xlP.P + xlW.W xlM.M = xlP.P (= L)
neraca elemen Vitamin xvM.M + xvV.V = xvP.P + xvW.W V = xvW.W
Air I
Gula
Campura n Air Gula
(C)
II
Asam Laktat
III Vitamin
Produk
Air Buangan
(W) Campuran
Air Gula- Laktat
(M)
Campura n Air Gula
(C)
Campuran Air Gula-
Laktat (M)
MENULIS NM DENGAN LEBIH SEDERHANA
Subsystem I:
NM aliran: Air + Gula = Campuran Air Gula (C) A + G = C aC +gC = 1
neraca elemen Air aA .A + aG .G = aC.C A = aC.C
neraca elemen Gula gA .A + gG .G = gC.C G = gC.C C = G/ gC.
Subsystem II:
NM aliran: Campuran Airgula + Asam Laktat = Campuran AirGulaLaktat (M) C + L = M aM +gM +lM = 1
neraca elemen Air aC .C + aL .L = aM.M aC .C = aM.M (= A) M = A/aM.
neraca elemen Gula gC .C + gL .L = gM.M gC .C = gM.M (= G)
neraca elemen Laktat lC .C + lL.L = lM.M L = lM.M
Subsystem III:
NM aliran: Campuran Air GulaLaktat (M)+ Vitamin = Produk (P) + Air Limbah (W) M + V = P + W
(P) gP +lP = 1 & (W) aW +vW = 1
neraca elemen Air aM .M + aV .V = aP.P + aW.W aM .M = aP.P + aW.W (= A) W = (A + aP.P)/ aW.
neraca elemen Gula gM .M + gV .V = gP.P + gW.W gM .M = gP.P (= G) P = G/ gP
neraca elemen Laktat lM.M + lV.V = lP.P + lW.W lM.M = lP.P (= L)
neraca elemen Vitamin vM.M + vV.V = vP.P + vW.W V = vW.W
PENYELESAIAN PERSAMAAN NM
Subsystem I:
NM aliran: Air + Gula = Campuran Air Gula (C) A + G = C aC +gC = 1
neraca elemen Air aA .A + aG .G = aC.C A = aC.C
neraca elemen Gula gA .A + gG .G = gC.C G = gC.C C = G/ gC.
Subsystem II:
NM aliran: Campuran Airgula + Asam Laktat = Campuran AirGulaLaktat (M) C + L = M aM +gM +lM = 1
neraca elemen Air aC .C + aL .L = aM.M aC .C = aM.M (= A) M = A/aM.
neraca elemen Gula gC .C + gL .L = gM.M gC .C = gM.M (= G)
neraca elemen Laktat lC .C + lL.L = lM.M L = lM.M
Subsystem III:
NM aliran: Campuran Air GulaLaktat (M)+ Vitamin = Produk (P) + Air Limbah (W) M + V = P + W
(P) gP +lP = 1 & (W) aW +vW = 1
neraca elemen Air aM .M + aV .V = aP.P + aW.W aM .M = aP.P + aW.W (= A) W = (A + aP.P) aW.
neraca elemen Gula gM .M + gV .V = gP.P + gW.W gM .M = gP.P (= G) P = gM .M/gP atau P = G/gP
neraca elemen Laktat lM.M + lV.V = lP.P + lW.W lM.M = lP.P (= L)
neraca elemen Vitamin vM.M + vV.V = vP.P + vW.W V = vW.W
Biru = diketahui Merah = 0 Kuning = 1
SAMPAI JUMPA PEKAN DEPAN
DI KUIS 01
Bahan:Menentukan system (lingkupan, Proses, Input, Output); Neraca massa tanpa Reaksi (Tunggal & Jamak)