Pengeringan Bahan Makanan dan Pertanian dengan Microwave: Dasardasar dan Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa

Lihat diskusi, statistik, dan profil penulis untuk publikasi ini di:https://www.researchgate.net/publication/230728624

Pengeringan Bahan Makanan dan Pertanian dengan Microwave: Dasar-dasar dan Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa

Artikeldi dalamUlasan Teknik Pangan · Juni 2012 DOI: 10.1007/s12393-012-9048-x

KUTIPAN BACA

211 7.023

4 penulis, termasuk:

Hao Feng

Universitas Negeri Pertanian dan Teknik Carolina Utara

Juming Tang

Universitas Negeri Washington

207PUBLIKASI9.083KUTIPAN 527PUBLIKASI27.278KUTIPAN

LIHAT PROFIL LIHAT PROFIL

Semua konten setelah halaman ini diunggah olehHao Fengpada tanggal 21 Mei 2014.

DOI 10.1007/s12393-012-9048-x MENGULAS ARTIKEL

Pengeringan Bahan Makanan dan Pertanian dengan Microwave: Dasar- dasar dan Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa

Hao Feng

^•

Yun Yin

^•

Juming Tang

Diterima: 24 Oktober 2011 / Diterima: 4 Januari 2012 - Springer Sains + Media Bisnis, LLC 2012

AbstrakPengeringan gelombang mikro didasarkan pada mode pemanasan volumetrik unik yang difasilitasi oleh radiasi elektromagnetik pada 915 atau 2.450 MHz. Respon produk makanan yang hilang terhadap pemanasan dielektrik menghasilkan energi yang cepat digabungkan ke dalam kelembapan dan menyebabkan pemanasan dan pengeringan yang cepat.

Pengurangan waktu pengeringan yang signifikan pada pengeringan microwave sering kali disertai dengan peningkatan kualitas produk, menjadikannya teknologi dehidrasi makanan yang menjanjikan. Kebutuhan untuk perbaikan dalam desain teknik dan optimalisasi proses untuk pengeringan gelombang mikro telah mendorong pengembangan teknik simulasi komputer untuk memprediksi riwayat dan distribusi suhu dan kelembaban pada produk yang akan dikeringkan. Pada artikel ini, kami menyajikan dasar-dasar pemanasan dan pengeringan dielektrik, mengkaji model perpindahan panas dan massa yang dikembangkan untuk simulasi proses pengeringan gelombang mikro, dan mendiskusikan sifat dielektrik produk makanan terpilih yang dipengaruhi oleh kelembapan, suhu, dan porositas. Selain itu, kami menganalisis pemanasan tidak seragam yang disebabkan oleh geometri dan komposisi produk, serta distribusi medan elektromagnetik yang tidak seragam dalam rongga gelombang mikro, diikuti dengan diskusi tentang cara meningkatkan keseragaman pemanasan gelombang mikro. Kami memfokuskan diskusi pada model perpindahan panas dan massa yang dikembangkan

bertahun-tahun untuk mensimulasikan pengeringan gelombang mikro, termasuk yang disederhanakan, yang didasarkan pada teori difusi, dan ditambah analisis perpindahan panas dan massa dengan teori Philip dan de Vries, skema Luikov, metode Whitaker, dan model dua wilayah. Pada akhirnya dibahas juga penentuan suku sumber panas dalam persamaan energi, skema numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial parsial, dan validasi model.

Kata kunciMicrowave - Pengeringan - Dehidrasi - Perpindahan panas dan massa - Pemodelan - Pemanasan dielektrik

Perkenalan

Istilah gelombang mikro mengacu pada radiasi elektromagnetik pada rentang frekuensi 300 MHz–300 GHz dengan panjang gelombang 1 m–1 mm. Ini adalah perambatan energi

elektromagnetik melalui ruang melalui medan listrik dan magnet yang berubah terhadap waktu [100]. Yang unik dari gelombang mikro adalah ketika gelombang mikro bergerak melalui media yang hilang, peningkatan suhu di seluruh media dapat diamati. Hal ini telah menyebabkan banyak penerapan dalam industri makanan dan pertanian serta kehidupan kita sehari-hari. Contohnya adalah meluasnya penggunaan oven microwave rumahan sebagai alat pemanas makanan. Permintaan global untuk oven microwave diperkirakan mencapai $9,0 miliar pada tahun 2006 [72]. Jumlah total penjualan oven microwave di Amerika Serikat tetap pada tingkat yang konstan yaitu sekitar 10 juta per tahun [91]. Perkiraan saat ini menyatakan bahwa 95% rumah di Amerika memiliki oven microwave [40].

Timbulnya panas gelombang mikro disebabkan oleh interaksi antara gelombang mikro dan media dimana sebagian energi elektromagnetik dihamburkan secara volumetrik dalam bentuk panas. Mekanisme yang mendasari energi

H.Feng (&)

Departemen Ilmu Pangan dan Gizi Manusia, Universitas Illinois di Urbana-Champaign, Urbana, IL, AS email:

haofeng@illinois.edu H.Feng - Y.Yin

Departemen Teknik Pertanian dan Biologi, Universitas Illinois di Urbana-Champaign, Urbana, IL, AS

J.Tang

Departemen Teknik Biosistem, Washington State University, Pullman, WA, USA

menghilang tergantung pada karakteristik medium dan frekuensi gelombang. Dalam rentang frekuensi yang kami minati, mekanismenya mungkin mencakup polarisasi air bebas (Cdispersi), polarisasi air terikat (Ddispersi), polarisasi Maxwell – Wagner (Bdispersi), dan konduktivitas ionik [103].

Kuantifikasi konversi energi tersebut dapat diwujudkan dengan memanfaatkan pengetahuan teori elektromagnetik bersama dengan pemahaman tentang sifat dielektrik medium. Pembangkitan panas volumetrik dalam

pemanasan gelombang mikro membedakan teknik ini dari metode pemanasan permukaan lainnya dan menghasilkan keuntungan seperti pemanasan yang cepat dan efisiensi energi yang relatif tinggi.

Pengeringan adalah salah satu unit operasi yang paling intensif energi dalam industri proses. Dalam proses pengeringan, sejumlah besar energi diperlukan untuk pemanasan sensibel dan perubahan fasa air. Konsumsi energi yang tinggi disebabkan oleh energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan air melalui perubahan fasa, serta rendahnya efisiensi perpindahan panas selama periode penurunan laju proses pengeringan (udara panas). Pada periode laju

penurunan, pengeringan menjadi tidak efisien karena permukaan produk yang dikeringkan menghasilkan lapisan dengan ketahanan panas dan perpindahan massa yang tinggi, dan gradien suhu mungkin berlawanan arah dengan gradien kelembapan. Selain itu, pada periode laju penurunan, kadar airnya rendah, sehingga molekul air memiliki entalpi penguapan yang lebih tinggi, dan penghilangan molekul-molekul ini melalui penguapan memerlukan masukan energi yang lebih tinggi. Saat mengeringkan makanan dan produk pertanian dengan metode pengeringan udara panas konvensional, efisiensi perpindahan panas dan massa yang rendah ditambah dengan kebutuhan energi yang tinggi untuk perubahan fasa menghasilkan waktu pengeringan yang lama dan karenanya menurunkan kualitas produk akhir.

Keuntungan pengeringan gelombang mikro timbul dari pemanasan volumetrik dan pembentukan uap internal. Pemanasan dari bagian dalam produk makanan menyebabkan penumpukan tekanan uap internal yang mendorong uap air keluar dari produk.

Hal ini menghasilkan pengurangan waktu pengeringan yang signifikan, sehingga menghasilkan peningkatan kualitas produk secara signifikan [91]. Dalam pengeringan makanan dengan microwave, pengurangan waktu pengeringan hingga 25–90% [33, 34,62,77,85,99] dan peningkatan laju pengeringan 4–8 kali [11,62], jika dibandingkan dengan pengeringan konvektif, telah dilaporkan (Gbr.1). Keuntungan lain dari pengeringan microwave meliputi:

25

MW&SB (3,7 w/g, wb) MW&SB (4,9 w/g, wb) MW&SB (6,1 w/1g, wb) Spouted Bed pada 70HaiC 20

15

10

5

menghemat waktu

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Waktu pengeringan (menit)

Gambar 1Microwave dan spouted bed menggabungkan pengeringan apel yang dipotong dadu pada tingkat daya yang berbeda dibandingkan dengan pengeringan udara panas dengan spouted bed

2. Pengerasan lapisan dapat dihindari atau dikurangi karena akumulasi kelembaban permukaan dan fenomena pemompaan cairan. Akumulasi kelembaban permukaan yang unik dalam pemanasan gelombang mikro telah dilaporkan secara luas [[112], [68]].

3. Peningkatan kualitas produk juga dapat tercapai. Retensi aroma yang lebih baik [33,34,70], rehidrasi lebih cepat dan lebih baik [ 28,32,42,77], retensi warna lebih baik [32,99,109], dan porositas lebih tinggi [107] telah dilaporkan untuk produk makanan yang dikeringkan dengan microwave.

Pembangkitan panas gelombang mikro yang cepat dan volumetrik telah dimanfaatkan untuk meningkatkan proses pengeringan konvensional. Namun sebenarnya, pengeringan microwave yang berdiri sendiri tidak ada.

Gelombang mikro digunakan untuk membantu atau meningkatkan operasi pengeringan lainnya. Yang paling banyak digunakan adalah kombinasi pemanasan gelombang mikro dengan pengeringan udara panas [4]. Jika gelombang mikro digunakan pada tahap awal pengeringan, pemanasan dan penguapan yang cepat sering kali menghasilkan produk kering berpori tinggi.

Lebih penting lagi, gelombang mikro dapat diterapkan pada tahap pengeringan akhir untuk mengurangi total waktu pengeringan dan mengurangi penyusutan [37]. Pengeringan vakum dengan bantuan gelombang mikro adalah salah satu aplikasi yang berhasil dalam operasi dehidrasi makanan, dan banyak upaya penelitian telah dilakukan selama bertahun-tahun, termasuk yang dilakukan oleh Lin dkk. [58], Gunasekaran [46 ], dan Durance dan Wang [31], diantara yang lain. Untuk makanan yang mengandung partikulat, kombinasi pemanasan gelombang mikro dan pengeringan fluidized bed, terutama dengan spouted bed telah berhasil digunakan untuk mengeringkan makanan yang sensitif terhadap panas.32,34, 119]. Dalam pengeringan beku, penggabungan energi secara langsung dengan inti basah dari makanan setengah kering yang difasilitasi oleh radiasi gelombang mikro telah diselidiki secara intensif [19,30,118]. Microwave juga digunakan untuk mempercepat pengeringan yang relatif lambat

1. Efisiensi energi yang tinggi pada periode laju penurunan dapat dicapai. Hal ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa energi digabungkan secara langsung dengan kelembapan, sehingga menghilangkan kebutuhan untuk memindahkan panas dari permukaan dengan kelembapan rendah ke interior dengan kelembapan tinggi. Hal ini juga merupakan hasil dari peningkatan kekuatan pendorong perpindahan uap air akibat peningkatan tekanan uap internal.

Kadar air % (wb)

proses, dehidrasi osmotik, dalam kondisi vakum dan pada tekanan atmosfer [22,78,81].

Pengurangan waktu pengeringan secara signifikan, peningkatan kualitas produk, dan keuntungan lain dalam pengeringan gelombang mikro tampaknya telah membuka jalan bagi potensi penerapan teknologi yang relatif baru ini secara luas. Namun penerapan teknik ini di industri berjalan lambat. Hal ini mungkin sebagian disebabkan oleh beberapa masalah teknik unik yang terkait dengan desain ruang pengering gelombang mikro [69, 90]. Kelemahan utama adalah ketidakseragaman pemanasan, yang disebabkan oleh distribusi medan gelombang mikro yang tidak merata di rongga yang disebabkan oleh superposisi gelombang mikro sinusoidal.121]. Ini adalah karakteristik yang melekat pada gelombang mikro. Pengendalian laju perpindahan massa menimbulkan persoalan lain. Dalam beberapa kasus, laju perpindahan massa terlalu tinggi sehingga menyebabkan penggembungan dan bahkan disintegrasi produk. Faktor lain yang berdampak negatif terhadap penerapan pengeringan gelombang mikro adalah biaya yang relatif tinggi dan masa pakai magnetron yang rendah.

Metode telah dikembangkan selama bertahun-tahun untuk

meningkatkan keseragaman pemanasan gelombang mikro. Hambatan yang tersisa dalam penerapan pengeringan gelombang mikro mungkin adalah kurangnya pemahaman tentang interaksi gelombang mikro dengan produk, kelangkaan data sifat dielektrik, dan kurangnya cara yang efektif untuk memprediksi sejarah dan distribusi kelembaban dan suhu selama pengeringan gelombang mikro. Keengganan industri untuk mengadopsi teknologi baru juga berperan penting dalam menghambat penerapan pengeringan gelombang mikro. Upaya harus dilakukan untuk meningkatkan pemahaman kita tentang interaksi antara gelombang mikro dan produk makanan. Sarana untuk memprediksi distribusi suhu dan kelembaban menggunakan analisis perpindahan panas dan massa yang digabungkan harus dikembangkan, yang akan membantu meningkatkan pemahaman kita tentang fisika yang mendasarinya dan mengembangkan strategi yang lebih baik untuk mengendalikan proses pengeringan gelombang mikro.

efek yang jauh lebih kuat daripada rotasi dipolar dalam pembangkitan panas. Oleh karena itu, produk yang mengandung ion, seperti garam, akan dipanaskan lebih cepat dengan gelombang mikro dibandingkan produk yang hanya mengandung air.

Sifat Dielektrik yang Dipengaruhi oleh Kelembaban, Suhu, dan Faktor Lainnya

Sifat dielektrik suatu material menentukan berapa banyak panas yang dapat dihasilkan ketika terkena radiasi gelombang mikro dan cara panas tersebut dihasilkan. Parameter kelistrikan bahan dielektrik yang menentukan interaksinya dengan medan

elektromagnetik adalah permitivitas kompleks e = e0-Je00. Ini terdiri dari bagian nyata,e0, disebut konstanta dielektrik, dan bagian imajinernya disebut faktor kerugian, e00. Konstanta dielektrik menyatakan kemampuan suatu bahan untuk menyimpan energi medan listrik di dalam bahan tersebut, sedangkan faktor kerugian menentukan berapa banyak energi yang hilang dalam bentuk panas. Pembangkitan panas gelombang mikro pada titik mana pun dalam suatu material diberikan oleh:

P¼5:56 - 10

4

-Fe

00

E

2

D1TH

Di manaPadalah konversi energi gelombang mikro menjadi energi panas per satuan volume (W/cm3),Fadalah frekuensi (GHz),e00

adalah faktor kerugian relatif (terhadap udara) (tidak berdimensi), dan Eadalah intensitas medan listrik lokal (V/cm). Konstanta 5,56910

-4mempunyai satuan faraday/cm. Ketika gelombang mikro merambat melalui suatu material, intensitasnya berkurang karena sebagian energinya hilang dalam bentuk panas. Pembusukan dapat diukur dengan kedalaman penetrasiDP. Kedalaman penetrasi didefinisikan sebagai jarak dari permukaan produk di mana daya yang tersedia turun hingga 37% (1/e)dari nilai permukaannya.DP

dapat diperkirakan dengan:

2 - - ! 3

0:5

e k

⁰

2PD2e0TH0:5

00 ^{2 0:5}

D

P

¼ 4 1th e

0

15 D2TH

Interaksi Antara Microwave dan Bahan Lossy

Di manak0adalah panjang gelombang di ruang bebas (m). Dari Persamaan.1 Dan2, terlihat bahwa pada frekuensi tertentu, pemanasan gelombang mikro bergantung pada faktor kerugiane00

dan intensitas medan listrik lokalE.Sebaliknya, kedalaman penetrasi merupakan fungsi dari konstanta dielektrik dan faktor kerugian.

Apa yang membuat pemanasan gelombang mikro menjadi rumit adalah kenyataan bahwa sifat dielektrik bergantung pada suhu dan kelembapan.

Interaksi komponen medan listrik energi gelombang mikro dengan molekul yang sebagian besar polar (polarisasi dipolar) dan ion (konduksi ionik) dalam produk makanan diwujudkan dalam bentuk pembangkitan panas. Ketika terkena radiasi gelombang mikro, dipol molekul air mencoba menyelaraskan diri dengan arah medan listrik yang diterapkan. Ketika medan yang diterapkan berosilasi, dipol mencoba mengikuti osilasi, dan energi elektromagnetik diubah menjadi energi panas melalui gesekan molekul dan kehilangan dielektrik. Selain itu, ion bermuatan berosilasi bolak-balik di bawah pengaruh medan listrik bolak-balik. Ion-ion tersebut bertabrakan dengan molekul atau atom tetangganya, mengakibatkan agitasi atau gerakan dan menghasilkan panas. Konduksi ionik pada frekuensi gelombang mikro yang relatif rendah memiliki a

Ketergantungan Kelembaban

Kadar air merupakan faktor yang sangat penting yang mempengaruhi sifat dielektrik. Misalnya, konstanta dielektrik untuk air bebas pada suhu kamar mencapai 78, sedangkan untuk bahan padat nilainya sekitar 2 [89]. Secara umum,

ikut terlibat. Hal ini telah didokumentasikan dengan baik dalam literatur. Matahari dkk. [101] melaporkan bahwa untuk produk makanan, konstanta dielektrik menurun seiring dengan peningkatan suhu, sedangkan faktor kerugian meningkat seiring suhu ketika kandungan garam tinggi tetapi menurun jika kandungan garam rendah. Dalam studi penentuan sifat dielektrik bubur kacang polong, Tong et al. [106]

memperhatikan bahwa pada 915 MHz, faktor kerugian meningkat seiring dengan suhu, sedangkan pada 2.450 MHz, faktor tersebut menurun dengan meningkatnya suhu hingga mencapai minimum pada suhu antara 25 dan 75 -C. Goedeken dkk. [43] menunjukkan bahwa konstanta dielektrik meningkat ketika suhu meningkat dari 20 menjadi 65 -C kemudian menjadi hampir konstan dari 60 menjadi 95 -C, sedangkan faktor kerugian meningkat secara linier dari 25 menjadi 95 -C dan menurun ketika tidak ada garam. Feng dkk. [39] melaporkan bahwa peningkatan suhu pada kadar air rendah

mengakibatkan peningkatan sifat dielektrik, dan respons dielektrik terhadap suhu sulit diprediksi pada kadar air tinggi.

Sipahioglu dan Pembatas [95] mengukur sifat dielektrik 15 buah dan sayuran pada suhu 5–103 -C. Mereka menemukan bahwa konstanta dielektrik sayuran dan buah-buahan menurun seiring dengan suhu dan kadar abu, dan faktor kerugian berubah secara kuadrat dengan meningkatnya suhu, yaitu pertama menurun dan kemudian meningkat. Untuk memahami sepenuhnya pengaruh suhu, kita perlu memahami dispersi dielektrik akibat air bebas, air terikat, dan konduksi ionik. Angka 3menggambarkan ketergantungan frekuensi dan pengaruh suhu dari mekanisme dispersi yang berbeda dalam pemanasan gelombang mikro. Dari Gambar.3, kita dapat melihat bahwa, dalam frekuensi gelombang mikro (300 MHz–300 GHz), air terikat, air bebas, dan dispersi ionik mungkin terlibat.

Persentase air terikat dan air bebas menentukan respon positif atau negatif sifat dielektrik terhadap perubahan frekuensi dan suhu. Pengaruh konduksi ionik selalu positif bila suhu dinaikkan.

Gambar 2Ketergantungan kadar air pada sifat dielektrik [66]

sifat dielektrik menurun dengan penurunan kelembaban seperti yang diilustrasikan pada Gambar.2. Kadar air kritisM

Cdigunakan untuk membedakan air bebas dan air terikat.

Air yang kadar airnya di bawah kadar air kritis disebut air terikat, sedangkan yang diatasnyaMCadalah air gratis.

Penurunan tajam sifat dielektrik seiring berkurangnya kelembapan disebabkan oleh berkurangnya mobilitas dipol air. Air yang terikat memiliki kemampuan yang terhambat untuk mengikuti rotasi medan elektromagnetik, sehingga mengurangi kemampuan untuk mengekstraksi energi dari medan tersebut. Feng dkk. [39] merancang metode untuk mengukur konstanta dielektrik (mis0) dan faktor kerugian (e

00) apel Red Delicious dengan kisaran kadar air 3,8–87,5%

(basah), seperti ditunjukkan pada Tabel1. Ditemukan bahwa ketika kadar air relatif tinggi ([70%), dispersi air bebas dan konduksi ionik berkontribusi terhadap perilaku dielektrik.

Pada kadar air sekitar 23%, konduksi ionik mendominasi respon frekuensi sifat dielektrik. Pada kadar air rendah sekitar 4%, air terikat bertanggung jawab atas dispersi.

Efek Porositas

Pengaruh porositas terhadap sifat dielektrik disebabkan rendahnya sifat dielektrik udara. Udara memiliki konstanta dielektrik relatif 1 dan faktor kerugian nol. Oleh karena itu, udara dianggap transparan terhadap gelombang mikro. Bahan dengan porositas tinggi memiliki lebih banyak udara yang terperangkap, sehingga sifat dielektriknya lebih rendah.

Keseragaman Pemanasan

Telah diketahui bahwa microwave dapat menjangkau kelembapan di dalam makanan dan memfasilitasi pemanasan volumetrik.

Namun, penting juga untuk diingat bahwa pemanasan gelombang mikro tidak merata. Ada sejumlah skenario di mana pemanasan gelombang mikro yang tidak seragam dapat terjadi.

Efek Suhu

Ketergantungan sifat dielektrik pada suhu sangatlah kompleks karena lebih dari satu mekanisme dispersi dapat melakukannya

Tabel 1Sifat dielektrik apel Red Delicious pada dua suhu (22 dan 60 -C) dan kadar air berbeda (dimodifikasi dari [39]) MC (wb) % 915 MHz (22 -C)

e0

2.540 MHz (22 -C) e0

MC (wb) % 915 MHz (60 -C) e0

2.540 MHz (60 -C) e0

e00 e00 e00 e00

87.5 80.7 79.6 78.0 69.7 55.1 46.6 36.4 30.3 23.8 19.0 14.1 9.2 3.8

56.0 43.03 38.22 38.97 33.03 26.92 22.24 16.21 14.39 5.65 3.70 2.80 2.24 1.695

8.0 54.5 11.2

9.25 8.56 8.49 8.53 8.45 7.83 6.22 5.52 1.58 0,65 0,29 0,14 0,066

68.7 53.6 34.6 22.4 12.7 11.0 5.93 3.8

32.77 28.45 22.48 14.44 7.35 5.34 4.14 3.61

9.11 8.54 6.82 4.50 2.10 1.69 1,00 0,68

30.84 26.03 19.65 11.86 6.23 4.45 3.68 3.56

7.54 6.96

6.06 6.27 6.66 6.87 6.71 6.10 5.94 2.10 0,81 0,33 0,17 0,086

40,98 36.25 37.06 30.32 23.09 18.38 12.27 10.74 4.52 3.30 2.63 2.21 1.710

7.20 6.59 4.45 1.74 1.37 0,72 0,47

benda berbentuk bola dalam oven microwave, gelombang akan terfokus pada pusatnya, dan akan terjadi panas berlebih pada pusatnya.

Akibatnya, pemasakan telur dalam cangkangnya di microwave akan meledak. Oleh karena itu, bahkan medan gelombang mikro pun bisa seragam dalam rongga tanpa muatan; kemungkinan besar akan terjadi panas berlebih yang terlokalisasi akibat geometri produk makanan seperti yang ditunjukkan dalam tiga kasus yang diuraikan di atas. Di sisi lain, banyak produk makanan yang memiliki lebih dari satu komponen.

Perbedaan sifat dielektrik antar komponen dalam makanan akan menyebabkan perbedaan pemanasan dan heterogenitas suhu. Hal ini dapat menimbulkan masalah keamanan pangan untuk aplikasi pasteurisasi dan sterilisasi, dan perhatian harus diberikan untuk menemukan titik dingin dan memastikan pemanasan yang cukup dan mematikan dapat dicapai di sana. Namun, untuk aplikasi pengeringan, pemanasan diferensial ini dapat bermanfaat. Inti basah suatu produk makanan selama pengeringan biasanya memiliki faktor kehilangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan yang sama pada zona kering, yang memungkinkan lebih banyak energi gelombang mikro ditarik ke kelembapan dan dengan demikian energi disuplai hanya ke tempat- tempat yang membutuhkannya.

ionik daya konduksi

Efek meningkat suhu

Efek dari meningkat suhu Maxwell-Wagner

Efek (β)

Air bebas (γ) Air terikat (δ)

0,1MHz 100MHz 20.000MHz

Catatan ( f )

Gambar 3Efek frekuensi dan suhu dari mekanisme dispersi yang berbeda pada faktor kerugian [103]

Ketidakseragaman Karena Geometri dan Komposisi

Gelombang mikro berperilaku seperti seberkas cahaya. Pemantulan dan transmisi dapat terjadi ketika mencapai suatu benda. Gelombang mikro yang ditransmisikan mungkin terfokus pada suatu wilayah objek karena geometri produk. Angka4menunjukkan beberapa kemungkinan situasi dimana pemanasan lokal dan tidak merata dapat terjadi. Dalam kasus (a), gelombang mikro meluruh ketika bergerak ke dalam produk, dan daerah permukaan menerima lebih banyak radiasi gelombang mikro dibandingkan bagian dalam material, sehingga mengakibatkan pemanasan permukaan. Dalam kasus (b), peluruhan gelombang mikro secara eksponensial dari kedua sisi suatu material dapat membentuk area pusat yang terlalu panas melalui superposisi. Dalam kasus (c), gelombang dari dua sisi benda berbentuk persegi panjang dapat menyebabkan sudut menjadi terlalu panas. Selain itu untuk pemanasan

Ketidakseragaman Karena Medan Elektromagnetik

Gelombang mikro adalah gelombang elektromagnetik yang merambat secara sinusoidal. Di setiap titik dalam ruang, besarnya intensitas medan elektromagnetik lokal berubah seiring waktu dan arah. Gelombang mikro dipantulkan pada permukaan logam dan sebagian diserap oleh material yang hilang. Pada rongga pengering berdinding logam, gelombang mikro yang datang dari magnetron akan membentuk pola gelombang kompleks di dalam rongga karena superposisi gelombang pantulan dari dinding sehingga membentuk titik panas dan titik dingin. Angka5menunjukkan

Catatan (ε″)

P^z

Pz fokus

wilayah

(A) (B) (C)

Gambar 4Distribusi kepadatan daya gelombang mikro di dalam suatu material. Panah menunjukkan kejadian gelombang mikro

Gambar 5Kekuatan gelombang mikroA dan suhuBdistribusi di lokasi yang berbeda dalam suatu rongga. [122]

distribusi daya gelombang mikro dan suhu dalam rongga gelombang mikro, disimulasikan dengan skema domain waktu perbedaan hingga (FDTD) dengan menyelesaikan persamaan transien Maxwell untuk menentukan daya gelombang mikro dan dengan metode volume kontrol hingga untuk mendapatkan profil suhu tidak stabil. Perbandingan dilakukan pada tiga lokasi pada rongga dikamu–zbidang, dan distribusi daya dan suhu yang tidak merata dapat terlihat jelas pada ketiga bidang yang diperiksa [122].

Distribusi energi gelombang mikro dalam rongga gelombang mikro dapat divisualisasikan dengan berbagai metode. Misalnya, Dai dkk. [ 26] menguji penerapan pelat gipsum dengan kobalt klorida sebagai indikator untuk memetakan distribusi energi gelombang mikro dalam rongga gelombang mikro multimode. Mereka mengamati pola pemanasan yang berbeda namun semuanya tidak seragam di lokasi berbeda di dalam rongga.

dimana efek fokus terjadi atau material lokal mempunyai faktor kerugian yang tinggi [41]. Pendekatan lain adalah dengan terus- menerus mengubah lokasi spasial produk selama pemanasan. Desain meja putar pada oven microwave domestik adalah contoh dari strategi ini. Metode ini sangat berguna untuk aplikasi industri microwave pada bidang-bidang seperti pemanasan ulang makanan, pengeringan, pasteurisasi, dan sterilisasi. Ada tiga cara untuk menyediakan pemanasan gelombang mikro homogen spasial rata-rata waktu untuk produk. Salah satunya adalah dengan mengaduk produk yang ditempatkan di rongga microwave. Welt dkk. [116] mencapai distribusi suhu yang seragam dalam makanan cair buatan menggunakan agitasi.

Peralatan ini cocok untuk larutan dengan viskositas kurang dari atau sama dengan 0,2 Pa·s. Keterbatasan metode ini adalah metode ini hanya cocok untuk makanan cair atau makanan yang dapat dipompa. Metode lainnya adalah dengan mengubah lokasi spasial produk secara mekanis.

Torringa dkk. [107] menggunakan poros yang digerakkan oleh motor dalam uji pengeringan gelombang mikro untuk memutar ruang pengering dan meningkatkan keseragaman pemanasan. Banyak desain dapat dikerjakan mengikuti ide ini. Fluidisasi memberikan agitasi pneumatik partikel di dalam unggun terfluidisasi. Kombinasi teknologi fluidisasi dengan gelombang mikro telah dilaporkan menghasilkan peningkatan pemanasan gelombang mikro secara signifikan. Penelitian yang dilakukan di Washington State University [32] melaporkan pemanasan gelombang mikro yang seragam pada apel potong dadu yang diuapkan, tercapai

Sarana Mengatasi Pemanasan Tidak Seragam

Pemanasan yang tidak seragam dalam rongga gelombang mikro akan menyebabkan masalah yang berhubungan dengan penurunan kualitas dan keamanan mikroba. Upaya telah dilakukan dalam beberapa tahun terakhir untuk mengatasi masalah ini. Salah satu cara untuk meningkatkan keseragaman pemanasan gelombang mikro adalah dengan mengubah distribusi radiasi gelombang mikro menggunakan desain kemasan baru [120].

Metode ini mengurangi paparan gelombang mikro di suatu daerah

Meja 2Model perpindahan panas dan massa untuk pengeringan gelombang mikro dan klasifikasi modelnya

Model Contoh Parameter fisik termal dan transportasi yang diperlukan dalam simulasi

Model empiris 1. Model halaman

2. model eksponensial hukum kedua Fick

Pengeringan konstank pengeringan konstankdan eksponen Difusivitas efektifDefektif

Model difusi

(model perpindahan massa) Model perpindahan panas- massa Model media multifase (model media berpori)

Model fisika kontinum Model fisika kontinum (media berpori tak jenuh) Model termo-hidro- mekanis

model Whitaker Sifat fisik termal untuk air, uap dan udara, sifat berpori Model Luikov

Model Philip dan DeVries

Koefisien fenomenologis

Sifat fisik termal dan transportasi medium Model Kowalski Sifat fisik termal dan transportasi medium

dengan semburan semburan, teknik fluidisasi khusus.

Pengering microwave tempat tidur dengan semburan bangku Universitas Negeri Washington ditingkatkan dengan faktor enam dalam penelitian yang lebih baru yang dilaporkan oleh Yan et al. [119]. Dengan sistem baru, penulis menghasilkan kubus kentang kembung dengan rasio ekspansi, kekuatan putus, dan rasio rehidrasi yang diinginkan. Metode lain yang telah diusulkan dan diuji untuk meningkatkan keseragaman pemanasan termasuk teknik frekuensi variabel [80] dan teknik pemanasan kontrol fase [47].

karakteristik dalam pengeringan microwave. Model pengeringan microwave dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori, yang ditabulasikan pada Tabel2. Model numerik ini memungkinkan para ilmuwan dan insinyur mempelajari perilaku pengeringan suatu produk makanan sehubungan dengan distribusi kelembaban dan suhu selama pengeringan, dan memfasilitasi studi parameter untuk mengoptimalkan proses pengeringan. Namun, hampir semua model ini diterapkan hanya pada pengaturan pengeringan tertentu, produk target, dan kondisi pengeringan yang diterapkan. Hasil simulasi dari studi individual tidak dapat langsung diterapkan pada analisis pengeringan produk berbeda atau bahkan pada produk sama yang diproses pada kondisi pengeringan berbeda. Uji validasi harus dilakukan sebelum menerapkan hasil simulasi dalam desain dan optimasi proses.

Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa dalam Pengeringan Microwave

Sejumlah ulasan bagus telah diterbitkan dalam beberapa tahun terakhir untuk merangkum upaya penelitian dalam simulasi pemanasan gelombang mikro dengan penekanan pada pembangkitan panas, perpindahan panas, dan penggabungan medan elektromagnetik dengan pemanasan gelombang mikro [12,15,53,87]. Upaya yang relatif lebih sedikit telah dilakukan untuk mengevaluasi pemodelan matematis dari perpindahan panas dan massa yang terjadi di bidang gelombang mikro untuk aplikasi yang berhubungan dengan pengeringan.87].

Pengeringan dengan gelombang mikro melibatkan pengangkutan panas, massa, dan momentum secara simultan disertai dengan pembangkitan panas volumetrik. Pembangkitan panas internal memfasilitasi gradien tekanan gas total internal yang membedakan pengeringan gelombang mikro dari metode pengeringan lainnya. Hal ini juga menghasilkan gradien suhu positif yang berbeda dengan ketika panas disuplai ke permukaan produk. Estimasi akurat pembangkitan panas internal merupakan suatu tantangan karena rumitnya respons sifat dielektrik terhadap perubahan suhu, kelembaban, porositas, dan komposisi. Gelombang mikro yang bergerak juga dapat meluruh, terfokus, dan bertumpukan sehingga semakin memperumit penghitungan suku sumber dalam persamaan perpindahan panas.

Perhatian khusus harus diberikan ketika menganalisis perpindahan panas dan massa

Model Empiris

Model empiris mudah diterapkan dan sering digunakan untuk menggambarkan kurva pengeringan untuk memperoleh parameter kinetik. Model empiris yang paling umum digunakan adalah persamaan Page [71] dan model eksponensial. Persamaan Page dapat ditulis sebagai:

X X

0

Xe¼pengalamanDktNTH

Xe

D3TH

Di manaX, X0, DanXeadalah kadar air pada waktu tertentuT,waktu t = 0, dan pada kondisi setimbang dengan udara sekitar, dankDanN adalah konstanta. Persamaan ini telah digunakan oleh Prabhanjan et al. [76] dan Tulasidas dkk. [108] untuk menganalisis pengeringan gandum dan anggur dengan gelombang mikro dan untuk mendeskripsikan kinetika pengeringan lapisan tipis daun peterseli [ 99]. McMinn [64] mengevaluasi karakteristik pengeringan bubuk laktosa dengan persamaan Page, bersama dengan 9 model empiris lainnya. Giri dan Prasad [42] menyajikan analisis pengeringan microwave-vakum jamur kancing (Agaricus bisporus) dan menyimpulkan bahwa empiris

Model Page cukup menggambarkan data pengeringan gelombang mikro-vakum. Sejumlah persamaan eksponensial lainnya juga telah digunakan dalam studi pengeringan gelombang mikro, seperti yang dilakukan oleh Adu et al. [1], Skansi dkk. [96], Drouzas dkk. [29 ], Sutar dan Prasad [102], dan Dadali dan Özbek [25] untuk pengeringan berbagai bahan biologis, terutama dengan metode pengeringan lapis tipis. Model empiris diusulkan oleh Andrés dkk. [ 4] untuk memperkirakan laju pengeringan silinder apel yang diberi perlakuan awal dehidrasi osmotik dalam empat periode berbeda dalam kombinasi pengeringan udara panas-microwave. Teknik regresi sering digunakan untuk menyesuaikan tanggal pengeringan dengan model tertentu untuk mengkorelasikan laju pengeringan dengan kadar air, kepadatan daya gelombang mikro, frekuensi gelombang mikro, suhu, laju aliran udara, dan geometri sampel [7,8 ,51].

rebung diselidiki oleh Bal et al. [6]. Model difusi telah digunakan untuk mempelajari pengeringan gelombang mikro pada produk pertanian dan makanan. Ptasznik dkk. [79] menggunakan suku pertama dalam solusi hukum kedua Fick untuk mensimulasikan pengeringan kacang buncis. Penelitian serupa untuk pengeringan kentang dengan microwave dilakukan oleh Bouraoui et al. [10]. 15 suku pertama dalam Persamaan.5digunakan oleh Shivhare dkk. [94]

untuk memodelkan pengeringan kedelai dengan microwave, dan kesepakatan dengan hasil eksperimen tercapai. Adu dan Otten [2]

mempertimbangkan koefisien difusi variabel dalam simulasi pengeringan kacang putih dengan microwave. Model Fick juga digunakan oleh Therdthai dan Zhou [104] untuk mendeskripsikan kinetika pengeringan daun mint (Mentha cordifolia Opiz ex Fresen) untuk pengeringan microwave-vakum dan pengeringan udara panas. Goksu dkk. [44] menerapkan hukum difusi Fick dan menggunakan suku pertama dalam deret tak hingga untuk mendapatkan difusivitas kelembapan yang efektif dalam

pengeringan butiran makaroni dengan bantuan gelombang mikro.

Teori Difusif

Migrasi uap air dalam media berpori dapat didorong oleh gradien konsentrasi untuk cairan dan gradien tekanan uap parsial untuk uap. Persamaan yang mengatur

pengangkutan uap air adalah hukum kedua Fick:

Model Perpindahan Panas dan Massa

Transportasi panas dan massa secara bersamaan terjadi selama proses pengeringan gelombang mikro, dengan panas yang dihasilkan di seluruh produk makanan dan perpindahan uap air dari dalam ke permukaan produk. Oleh karena itu, analisis gabungan transportasi kelembaban dan energi sering digunakan untuk menjelaskan fisika yang mendasarinya. Analisis numerik dengan model perpindahan panas dan massa yang berbeda juga dapat digunakan untuk membantu desain dan optimalisasi operasi.

Bergantung pada kebutuhan, banyak model perpindahan panas dan massa telah diusulkan sepanjang tahun untuk menganalisis proses pengeringan. Metode representatif untuk analisis tersebut meliputi (1) pendekatan termodinamika ireversibel yang diusulkan oleh Luikov [61]; (2) teori media berpori tak jenuh yang

dikemukakan oleh Philip dan de Vries [74]; dan teknik rata-rata volume yang dikembangkan oleh Whitaker [117], seperti yang ditunjukkan pada Tabel2. Metode yang berasal dari berbagai pendekatan yang disederhanakan juga telah digunakan.

HaiX

HaiT

^{¼divDDefektiflulusanXTH}

D4TH

Di manaDefektifadalah difusivitas kelembaban yang efektif.

Persamaan4dapat diselesaikan dalam bentuk tertutup dengan asumsi difusivitas kelembaban konstan, tidak ada penyusutan, dan laju perpindahan massa permukaan yang cukup, sehingga kadar air dapat mencapai keseimbangan dengan udara setiap saat selama pengeringan. Solusi untuk Persamaan.4dengan berbagai kondisi geometri dan batas telah disusun oleh Crank [23]. Solusi untuk sebuah bola diberikan oleh:

X- X

0

X

^e

X

e

6 P

2

X

¹

1

_4P2DefektifT

¼

N¼1

N

2^pengalaman

N

²

D

2

D5TH

Di manaX-adalah kadar air rata-rata,Dadalah diameter bola, danTwaktunya. Telah ditemukan bahwa dalam kondisi tertentu, hanya suku pertama dalam deret tak hingga yang penting.

Misalnya, pada periode laju penurunan dan ketika rasio kelembaban (X- - Xe)/(X0-Xe) adalah \0,3 [36], hanya suku pertama dalam Persamaan.5dominan dan persamaan yang disederhanakan menghasilkan:

Pendekatan yang Disederhanakan

Model perpindahan panas dan massa yang disederhanakan dengan mempertimbangkan transportasi cairan dan uap dikembangkan oleh Lu et al. [59,60] untuk menganalisis pengeringan microwave pada produk makanan yang diiris dan berbentuk bola. Analisis yang cermat dilakukan untuk memperkirakan pembangkitan listrik gelombang mikro di dalam produk. Model ini divalidasi melalui eksperimen, dan kesepakatan yang baik tercapai. Perbandingan prediksi model mereka untuk kadar air dengan percobaan untuk sampel kentang berbentuk bola diberikan pada Gambar.6. Grolmes dan Bergman [45] mengusulkan model pengeringan gelombang mikro untuk mengkarakterisasi pengeringan bahan nonhigroskopis. Mereka

X- X

⁰

X

e

X

^e

6 P

²

4P2DefektifT

¼

^pengalaman

D6TH

D

²

Persamaan6sering digunakan untuk memperkirakan difusivitas kelembaban efektif bahan yang berbeda dengan uji pengeringan sederhana [ 24]. ItuDefektifdalam Persamaan.6dapat dihubungkan dengan suhu dengan persamaan tipe Arrhenius [92]. Upaya untuk menghubungkan juga telah dilakukanDefektifdengan perubahan kelembaban [105]. Pengaruh daya gelombang mikro terhadap difusivitas kelembapan efektif (Defektif) dari

dengan pengeringan microwave dadu apel dicapai dalam kondisi yang diuji.

Metode Philip dan de Vries

Formulasi dua dimensi berdasarkan teori Philip dan de Vries [74 ] dikembangkan oleh Lian dkk. [57] untuk mensimulasikan pengeringan lempengan dalam rongga gelombang mikro.

Dalam teori Philip dan de Vries, potensi total pengangkutan uap air terdiri dari dua komponen, yaitu potensial suhu dan potensial kapiler. Lian dkk. [57] memperkenalkan kadar air dan suhu untuk menggantikan potensi. Persamaan perpindahan panas dan massa digabungkan diperoleh. Mereka

mengasumsikan distribusi gelombang mikro yang seragam pada permukaan lempengan dan menggunakan hukum Lambert untuk menghitung peluruhan gelombang mikro ke dalam lempengan. Kadar air rata-rata yang diperoleh dalam percobaan sesuai dengan perkiraan.

Metode Luikov

Metode Luikov pada dasarnya adalah model fenomenologis. Ini ringkas dan simetris [114]. bajza [5] menggunakan metode ini untuk menganalisis perpindahan panas dan massa selama pengeringan kulit samak dengan microwave. Persamaan perpindahan panas dan massa satu dimensi yang dikembangkan Bajza adalah:

Gambar 6Perbandingan antara prediksi model dan distribusi kelembapan yang ditentukan secara eksperimental [59]

QCPHaiT

HaiT

^Hai2T

HaiX2

Hai2X

MHaiX2

HaiX

¼K

T

thK thQDH thQ HaiT D7TH HaiX

HaiT

Hai2X Hai2T HaiX2

menggunakan metode keseimbangan makro untuk menghasilkan persamaan diferensial yang mengatur. Mereka mengamati tiga cara pengeringan. Rezim awal terjadi dimana material dipanaskan secara konvektif dan dielektrik, diikuti oleh rezim transisi, dan akhirnya, rezim akhir dimana material dipanaskan secara dielektrik dan didinginkan secara konvektif. Melendez dkk. [65]

mengembangkan model perpindahan panas dan massa

menggunakan metode kurva pengeringan karakteristik. Model ini secara bersamaan memecahkan persamaan keseimbangan energi dan massa untuk udara serta daerah basah dan kering padatan.

McMinn dkk. [63] melaporkan model difusi kelembaban satu dimensi untuk menggambarkan pengeringan dalam lempengan atau silinder tak terbatas. Solusi model yang disederhanakan menggunakan dua konstanta sebagai fungsi bilangan Bi digunakan untuk memprediksi kurva pengeringan (kelembaban vs waktu).

Feng [38] menggunakan model aliran dua fase udara-padat untuk mensimulasikan pengeringan partikulat dalam pengeringan gelombang mikro dengan agitasi pneumatik. Persamaan energi memperhitungkan efek kopling perpindahan massa dalam konveksi paksa, sedangkan persamaan kelembaban didasarkan pada model difusi sederhana. Persamaan yang dihasilkan diselesaikan dengan skema beda hingga implisit, dan kesepakatan yang baik

¼DMHaiX₂

thD

^T

D8TH

Di manaQadalah kepadatan,CPadalah panas spesifik,KTadalah konduktivitas termal,KMadalah koefisien perpindahan panas yang disebabkan oleh gradien kelembaban,DHadalah panas laten,DM

adalah difusivitas kelembaban, danDTadalah koefisien perpindahan kelembaban yang disebabkan oleh gradien suhu. Sumber panasQ dapat dihitung berdasarkan Persamaan.1. Model divalidasi dengan eksperimen dalam kondisi berbeda, dan kesepakatan yang baik dengan prediksi model tercapai. Juni dkk. [50] mengusulkan model serupa untuk transportasi satu dimensi dalam koordinat bola.

Prediksi model mereka sangat sesuai dengan hasil eksperimen pengeringan apel utuh. Diketahui bahwa untuk model Luikov, beberapa koefisien tidak berhubungan langsung dengan fenomena fisik dan oleh karena itu sulit untuk dievaluasi. Koefisien

perpindahan panas yang disebabkan oleh gradien kelembabanKM

dan koefisien perpindahan kelembaban yang diinduksi gradien suhuDTdalam model Bajza seperti yang ditunjukkan pada

Persamaan.7tidak memiliki arti fisik yang jelas, dan maknanya tidak diberikan dalam artikel. Koefisien perpindahan panas dan massa yang sesuai dalam penelitian Jun dan rekan kerjanya juga tidak didokumentasikan dengan baik.

Metode Whitaker gradien tekanan gas dalam pemanasan gelombang mikro telah didokumentasikan dengan baik dalam studi pengeringan gelombang mikro. Turner dan Rudolph [111] menggunakan pendekatan ini untuk mensimulasikan pengeringan manik-manik kaca. Torringa dkk. [107]

menggunakan persamaan uap sebagai pengganti persamaan tekanan gas total untuk menganalisis pengeringan produk makanan. Konstan dkk. [21] mengembangkan model perpindahan panas dan massa berpasangan untuk mempelajari pengeringan gelombang mikro pada beton ringan dengan memperhitungkan pengaruh kelembaban, suhu, dan gradien tekanan total dalam persamaan model. Mereka

meramalkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan fenomena pemompaan cairan. Sebuah penelitian yang dilakukan oleh Turner dkk. [ 112] memperluas model sebelumnya ke media higroskopis. Rumusan yang mereka usulkan adalah sebagai berikut:

Persamaan diferensial parsial untuk permasalahan pengeringan biasanya diturunkan dari volume kendali yang sangat kecil dan oleh karena itu sering disebut sebagai persamaan titik. Mereka

dimaksudkan untuk menggambarkan perilaku transportasi dalam skala mikro. Namun, ada kebutuhan untuk menentukan skala dalam suatu analisis. Materi yang homogen pada skala makro mungkin heterogen pada skala mikro. Untuk produk makanan berpori seluler, bahan bersifat heterogen jika kita memeriksanya pada tingkat sel. Penjelasan yang tepat tentang transpor bahan- bahan tersebut pada tingkat sel memerlukan persamaan transpor untuk fase gas, cair, dan padat di dalam dan di luar sel secara terpisah. Kompleksitas dan heterogenitas matriks makanan menghalangi solusi umum untuk bidang kelembaban dan suhu terperinci pada tingkat ini. Untuk mengatasi masalah ini, fenomena fisik dalam media berpori umumnya digambarkan dengan persamaan ''makroskopik'', berlaku pada skala panjang yang disebut volume dasar representatif (REV) [9,75]. Sebuah metode berdasarkan ide ini pertama kali diusulkan oleh Whitaker [117] dan telah banyak digunakan dalam analisis perpindahan panas dan massa pengeringan. Whitaker memberikan derivasi ketat persamaan pengaturan pengeringan melalui teknik rata-rata volume. Persamaan tersebut mewakili REV terhadap nilai rata-rata variabel mikroskopis. Keuntungan dari metode ini adalah makna fisik model dan parameter transportasi terdefinisi dengan baik, asumsinya jelas, dan yang terpenting, parameter transportasi terdefinisi dengan baik dan terukur. Namun, derivasi ketat yang mengikuti metode Whitaker jarang digunakan dalam studi pengeringan baru-baru ini karena kompleksitasnya. Banyak model pengeringan pada penelitian-penelitian selanjutnya dikembangkan dengan memanfaatkan konsep rata-rata volume Whitaker tanpa melalui proses derivasi yang panjang dan rumit untuk

mendapatkan persamaan diferensial parsial.67].

Studi awal pengeringan gelombang mikro menggunakan konsep rata-rata volume Whitaker dilakukan oleh Wei et al. [115]

dan Jolly dan Turner [49]. Model yang mereka kembangkan adalah untuk media berpori nonhigroskopis. Wei dkk. memperhatikan peningkatan fraksi volume cairan dan kepadatan udara terhadap permukaan sampel. Tekanan maksimum terbentuk di dalam sampel sebelum turun hingga mendekati tekanan atmosfer. Jolly dan Turner melaporkan pengaruh signifikan ukuran sampel terhadap prediksi profil suhu dan kelembaban.

Pentingnya gradien tekanan gas dalam pengeringan gelombang mikro tidak sepenuhnya diketahui sampai Turner dan Jolly [4].110]

memperhatikan bahwa tanpa mempertimbangkan efek tekanan, sulit untuk menjelaskan fenomena ''pemompaan air'' dalam pengeringan gelombang mikro. Mereka juga menyadari pentingnya kontribusi tekanan gas terhadap kualitas produk. Mereka

memperkenalkan persamaan transpor ketiga, persamaan tekanan gas total, ke dalam model pengeringan. Sejak itu, pentingnya tambahan tenaga penggerak akibat

AX1HaiT

HaiX HaiT ooX HaiT Haiz

HaiPGthK

Haiz

^gr1

D9TH thA

T1HaiT

¼ Haiz K

X1

Haiz thK

^T1

th K

P1

AX2HaiT

HaiX HaiT

^HaiPG

thA

T2HaiT

thA

thK

P2HaiT

D10TH

Hai HaiX Haiz

HaiT

^HaiPG

¼ K Haiz

Haiz

^{X2 T2Haiz}

thK

^P2

thK

gr2 ^thkamu

AX3HaiT

HaiX thA

T3HaiT

HaiT thA

P3HaiT^HaiPG

D11TH

Hai HaiX

Haiz HaiT

thKT3Haiz ^HaiPG

¼ K thK

P3

Haiz

thKgr3

Hai z

^X3

Di manaAaku jDanKaku jadalah kapasitas dan koefisien kinetik, masing- masing. BerlanggananSayabisa mewakili kelembaban, suhu, tekanan, dan gravitasi, sementaraj =1, 2, dan 3.PGadalah tekanan gas total. Turner dkk. juga dengan cermat memeriksa distribusi daya gelombang mikro di rongga pengeringan dengan menyelesaikan persamaan medan elektromagnetik berdasarkan asumsi gelombang bidang. Prediksi model sesuai dengan

eksperimen mereka yang dilakukan dengan kayu. Turner dan Perré [113] melakukan simulasi pengeringan vakum kayu gubal dan teras kayu dengan pemanasan radiasi menggunakan dua model, model pertama adalah model perpindahan panas dan massa

komprehensif yang dikembangkan dengan pendekatan rata-rata volume dan model lainnya adalah model yang disederhanakan.

Sejumlah studi simulasi pengeringan gelombang mikro yang menerapkan pendekatan REV telah dilaporkan meskipun penulis tidak secara eksplisit merujuk pada konsep rata-rata volume. Chen dkk. [14]

menerapkan model perpindahan panas dan massa berpasangan untuk mempelajari perilaku pengeringan partikulat berbentuk bola di medan gelombang mikro dengan mempertimbangkan aliran kapiler air berdasarkan hukum Darcy dan aliran uap difusif berdasarkan hukum Fick. Dalam studi pola pemanasan gelombang mikro, mereka

mempertimbangkan mode pemanasan seragam, sinusoidal, dan persegi panjang. Pemanasan yang terputus-putus terbukti menghemat waktu pengeringan sebesar 2/3, namun disertai dengan peningkatan konsumsi energi sebesar 26–37%. Model empiris untuk menghitung difusivitas kelembaban digunakan dalam pekerjaan

Sanga dkk. [88] untuk simulasi pengeringan gelombang mikro konvektif pada sepotong wortel berbentuk silinder. Persamaan kelembaban dan suhu yang diperoleh diselesaikan dengan teknik elemen hingga, dan kesepakatan yang baik dicapai jika dibandingkan dengan hasil eksperimen. Penyusutan

dipertimbangkan dalam model mereka dengan terus mendefinisikan ulang domain komputasi masalahnya. Upaya dilakukan oleh Dinčov dkk. [27] untuk secara bersamaan mempertimbangkan distribusi medan elektromagnetik dalam rongga gelombang mikro serta perpindahan panas dan massa yang disebabkan oleh pemanasan gelombang mikro. Analisis domain waktu perbedaan hingga dilakukan untuk menghitung medan elektromagnetik, dan skema volume hingga digunakan untuk menyelesaikan pengangkutan produk makanan dengan dua cairan (air-uap). Penggabungan antara dua rangkaian perhitungan dilakukan oleh perubahan sifat dielektrik sampel.

Aliran yang didorong oleh tekanan juga dipertimbangkan oleh hukum Darcy. Satu set persamaan perpindahan panas dan massa satu dimensi diusulkan oleh Salagnac et al. [86] untuk memeriksa pengeringan udara panas, inframerah, dan gelombang mikro pada bahan beton seluler. Hasil simulasi mereka sesuai dengan pengukuran eksperimental. Model perpindahan panas dan massa yang dikembangkan oleh Abbasi Souraki dan Mowla [97] digunakan untuk menyelidiki

pengeringan bawang putih dalam media inert dalam fluidized bed. Model ini hanya mempertimbangkan aliran difusif, namun terdapat kesesuaian yang relatif baik antara prediksi dan penentuan kadar air rata-rata partikulat secara eksperimental.

Perlu disebutkan bahwa sebagian besar studi perpindahan panas dan massa dalam pengeringan gelombang mikro ditujukan untuk bahan nonhigroskopis. Analisis pengeringan gelombang mikro yang

komprehensif untuk media berpori higroskopis yang terkait dengan makanan dan produk pertanian merupakan hal yang menantang dan jarang dilaporkan. Untuk bahan pangan dan pertanian yang bersifat higroskopis, pengangkutan air yang terikat tidak dapat diabaikan, karena air yang terikat, atau air yang tidak dapat dibekukan, dapat mencapai 16-28% dari total kelembaban [55]. Untuk memperoleh produk kering dengan aktivitas air dibawah 0,6 agar terhindar dari pertumbuhan mikroba maka diperlukan penghilangan air terikat pada pengeringan. Tidak banyak model pengeringan yang

mempertimbangkan pengangkutan air terikat. Salah satu alasannya adalah aliran air terikat dalam produk berpori rumit dan tidak dapat dianggap sebagai aliran difusi saja.16]. Ketika gradien potensial kimia dianggap sebagai kekuatan pendorong air terikat

tekanan,Sayadalah saturasi,Mayadalah massa molar uap,Tadalah suhu, danQayadalah kepadatan uap. Dalam model perpindahan panas dan massa komprehensif yang dikembangkan oleh Feng et al. [37], air ada di jaringan tanaman, dan pengangkutan air tersebut selama pengeringan pertama kali dianalisis. Jaringan tanaman dapat dianggap sebagai media berpori kapiler higroskopis yang terbagi secara internal menjadi beberapa unit berulang.56]. Air dalam jaringan tumbuhan dapat

diklasifikasikan menurut keadaan fisikokimianya menjadi (a) air cair di dalam sel (dalam protoplasma dan vakuola), jaringan pembuluh darah, dan ruang antar sel, (b) uap dalam ruang antar sel dan jaringan pembuluh darah, dan (c) air konstitutif yang terikat secara kimia di dinding sel. Air cair yang ada di dalam sel dan di jaringan pembuluh darah atau ruang antar sel berbeda dalam ketahanannya terhadap migrasi. Air di dalam sel harus menembus dinding sel untuk mencapai ruang pembuluh darah atau antar sel. Air seluler dalam makanan disebut sebagai air terikat dalam literatur pengeringan.16,84], sedangkan air dalam jaringan pembuluh darah dan ruang antar sel disebut sebagai air bebas. Model Feng dkk. [37] dianggap transportasi massal air bebas dan air terikat, dan ditunjukkan dalam Persamaan.13,14, Dan15.

HaiXaku

HaiT 1Hai

R2HaiR

HaiPG

¼

Dr_X2HaiXakuthDTR2HaiT

thDr

2

HaiR

D13TH

HaiR

¼

HaiR

^P

HaiX

HaiT Hai HaiT T 1Hai

C

terima kasih ^aku

thC

TT

R2HaiR

2HaiT ^D14TH

D R

terima kasih^2HaiX

HaiR

^aku

thD

TT

R HaiR th

DdllR2HaiP

HaiR

^{G thkamu}

HaiX

HaiT

Hai T T

HaiP HaiT

^G

1Hai

R2HaiR

C

PX ^akuthCPTHai thChal

¼

D15TH

thDAR2

HaiT D

A_XR2HaiXaku

HaiR

^T

HaiR

^thDARP2HaiP

HaiR

^G

Persamaan13adalah persamaan kelembaban total dimana koefisiennyaDX,DT, DanDPtermasuk perpindahan air yang disebabkan oleh air bebas, air terikat, dan uap air yang masing- masing didorong oleh gradien kelembaban, suhu, dan tekanan.14 Dan15adalah persamaan suhu dan persamaan tekanan total. Model Feng dan rekan kerjanya diselesaikan dengan skema perbedaan terbatas, dan prediksi model kelembaban dan suhu sesuai dengan hasil eksperimen untuk microwave dan pengeringan spouted bed (MWSB) bahan partikulat. Untuk pertama kalinya, tekanan yang terbentuk di dalam produk makanan selama pengeringan microwave diukur oleh Feng dkk. [37] di mana tekanan yang diukur dan yang diprediksi berada dalam kesesuaian yang relatif baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.7.

transportasi, aliran air terikat diberikan oleh

-

FRPay

-

HaiakuB¼

Haiz M S

^ayay

RT

NB¼DBD1F0TH

DD1F

_B 0

TH Q

ay

D12TH

Model Dua Wilayah Di manaDBadalah difusivitas air terikat,F0adalah porositas

(volume gas/volume total),Fadalah porositas ((gas? cair)/volume total),akuBadalah potensi kimia air terikat,Payadalah uap

Model matematika dikembangkan oleh Chen dan Pei [16] untuk menganalisis perpindahan panas dan kelembapan secara simultan selama

persamaan kelembaban. Selain itu, koefisien transisi fasa digunakan dalam persamaan ''suhu bebas'', yang bentuknya berbeda dalam dua periode pengeringan, dan juga ketika kadar air berada di bawah kadar air kesetimbangan. (Xe) dari sampel. Dalam simulasi model, percobaan pengeringan gelombang mikro dengan sampel berbahan kaolin terlebih dahulu dilakukan untuk

menentukan koefisien perpindahan uap konvektif dan koefisien perpindahan panas konvektif. Dengan memasukkan parameter yang ditentukan secara eksperimental ke dalam model, kesepakatan yang baik antara perkiraan distribusi suhu dan kelembapan dan hasil eksperimen dapat dicapai.

Pertimbangan Penting dalam Simulasi Pengeringan Microwave

Mekanisme Transportasi Gambar 7Tekanan berlebih dalam pengeringan lapisan semburan berbantuan

microwave dari apel potong dadu dengan daya gelombang mikro 10 W/g dan suhu

udara panas 70 -C [37] Apresiasi yang tepat terhadap mekanisme transpor yang terlibat

dalam pengeringan gelombang mikro merupakan aspek terpenting dalam analisis perpindahan panas dan massa. Pengamatan lebih dekat terhadap literatur pengeringan mengungkapkan bahwa, dalam arti tertentu, sejarah pemodelan pengeringan merupakan catatan kronologis pemahaman mekanisme transportasi. Studi klasik yang dilakukan oleh Sherwood [93], Ceaglske dan Hougen [13 ], dan Raja [52] menggunakan mekanisme tunggal, seperti difusi cairan, difusi uap, dan aliran kapiler untuk menggambarkan pengeringan padatan. Untuk mengatasi kompleksitas masalah pengeringan dan agar dapat diterapkan pada spektrum bahan yang luas, model yang lebih rumit dikembangkan dengan menggunakan pendekatan multimekanisme. Studi yang paling banyak dikutip dalam kategori ini adalah karya Krischer, Luikov, dan Whitaker.

Teori Philip dan de Vries serta teori front surut juga digunakan dalam studi perpindahan panas dan massa berpasangan. Dalam beberapa tahun terakhir, sebuah konsensus telah dicapai bahwa proses pengeringan adalah proses yang melibatkan perpindahan panas, air bebas, air terikat, uap air, dan udara secara simultan dan bahwa penjelasan lengkap mengenai masalah pengeringan memerlukan penggunaan tiga metode nonlinier berpasangan.

persamaan diferensial parsial untuk memperhitungkan pengaruh medan kelembaban, suhu, dan tekanan [[9], [67]]. Mekanisme yang berbeda telah ditetapkan untuk pengangkutan fluks cair dan gas yang berbeda. Dimasukkannya atau dikecualikannya perpindahan air terikat menentukan apakah model dapat digunakan untuk menganalisis bahan higroskopis atau tidak. Ringkasan mekanisme transportasi massal yang digunakan dalam analisis pengeringan gelombang mikro diberikan dalam Tabel3.

pengeringan. Mereka mengasumsikan adanya zona penguapan yang surut yang memisahkan material menjadi zona basah dan zona kering. Antarmuka antara dua zona ditentukan oleh S(t)yang merupakan fungsi waktu pengeringan. Di zona basah atau wilayah basah (0\x\S(t)),mekanisme utama perpindahannya adalah aliran kapiler air bebas selama berada di zona kering (daerah serapan,S(t)

\x\L),pengangkutan uap air disebabkan oleh pergerakan air terikat dan perpindahan uap. Istilah sumber panas yang

memperhitungkan pemanasan dielektrik diperkenalkan dalam persamaan energi. Dengan menggunakan model yang dikembangkan, mereka menyelidiki perilaku pengeringan batu bata, kayu gelondongan, dan biji jagung dengan memprediksi distribusi suhu dan kadar air dalam bahan. Metode ini diterapkan pada analisis pengeringan gelombang mikro bahan higroskopis dan nonhigroskopis dalam penelitian selanjutnya [17]. Prediksi kelembaban dan suhu ditemukan sesuai dengan eksperimen pelet polimer, manik-manik kaca, dan bola alumina. Jansen dan Van der Wekken [48] menerbitkan analisis serupa menggunakan metode dua wilayah.

Model Termo-Hidro-Mekanis Berkelanjutan

Model pengeringan Kowalski dkk. [54] memperhitungkan

keseimbangan massa, momentum linier, momentum sudut, energi, entropi, dan termodinamika ireversibel. Persamaan keseimbangan diturunkan mulai dari deskripsi Euler, dan setelah disederhanakan, diperoleh satu persamaan energi dan satu persamaan kelembaban cair. Yang unik adalah bahwa koefisien transpor kelembaban diasumsikan mempunyai bentuk yang berbeda-beda pada laju pengeringan yang konstan dan periode laju pengeringan yang menurun. Hasilnya, secara eksperimental diperoleh kelembaban kritis (Xkr) diperkenalkan ke dalam

Penentuan Jangka Waktu Sumber Panas Akibat Timbulnya Panas Gelombang Mikro

Dalam pemanasan dan pengeringan gelombang mikro, analisis pembangkitan panas sangat penting untuk memperkirakan jangka waktu sumber panas secara akurat

Tabel 3Model perpindahan panas dan massa dikembangkan untuk analisis proses pengeringan gelombang mikro Teori ReferensiMekanisme transportasiKekuatan perkiraanMetode numerikValidasi modelKekuatan pengukuran Bebas air

Melompat airUap airUdara Kowalski dkk. [54]termo- hidro- mekanis

Difusif mengalir TIDAKTIDAKTIDAKEmpirisMetode beda hingga (FDM)Distribusi suhu di sampel dari kamera thermovision dan kurva pengeringan

TIDAK Dinčov dkk. [27]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir

TIDAKAliran kapilerAliran kapilerMedan listrik analisisWaktu perbedaan terbatas- domain untuk gelombang mikro bidang dan volume terbatas untuk perpindahan panas dan massa Tidak dilakukanTIDAK Sanga dkk. [88]Whitaker (secara implisit)Difusif mengalir

TIDAKTIDAKTIDAKhukum LambertMetode elemen hingga (FEM)Kelembapan rata-rataTIDAK Chen dkk. [14]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir TIDAKhukum FickTIDAKEmpirisFDMTidak dilakukanTIDAK Feng dkk. [37]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalirBahan kimia potensiKapiler mengalir ? difusiKapiler mengalir ? difusiEmpirisFDM Engkol-Nicolson

Kelembapan rata-rata, suhu dan tekanan diukur

Insiden dan tercermin Juni dkk. [50]LuikovTIDAKATIDAKTIDAKTIDAKTIDAKFEMKelembaban rata-rata dan suhuKejadian Ni dkk. [68]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir

TIDAKKapiler mengalir ? difusiKapiler mengalir ? difusiEmpirisFDM Engkol-Nicolson FDM Teknik kontrol volume

Tidak dilakukanTIDAK bubut dkk. [112]

Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalirMolekuler difusiAliran kapilerKapiler mengalir ? difusiMedan listrik analisis

kelembabanKejadian Lian dkk. [57]Philip dan de virus teori

milik Darcy hukum

TIDAKhukum Fickhukum LambertFEM; Menggunakan komersial perangkat lunak CFDKelembapan rata-rataKejadian bajza [5]LuikovTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKkelembabanNilai daya dari oven Konstan dkk. [21]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir TIDAKKapiler mengalir ? difusiKapiler mengalir ? difusiEmpirisFDM Teknik kontrol volume FDM

Kelembapan rata-rata, suhu, dan tekananInsiden dan tercermin Torringa dkk. [107]

disatukan difusi

milik Fick hukum TIDAKTIDAKTIDAKSeragam selama contoh Kelembaban dan suhuInsiden dan tercermin Adu dan sering [3]disatukan difusi

milik Fick hukum TIDAKTIDAKTIDAKSeragam selama contoh FDMKelembaban dan suhuInsiden dan tercermin Konstan dkk. [20]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir

TIDAKAliran kapilerKapiler mengalir ? difusiMedan listrik analisisVolume Kontrol FDM teknikTidak dilakukanTIDAK

dalam persamaan energi. Ada tiga aspek ketika

mempertimbangkan penentuan sumber panas dalam simulasi pengeringan gelombang mikro. Yang pertama adalah bahan yang digunakan dalam uji pengeringan. Istilah sumber panas dalam pengeringan gelombang mikro merupakan fungsi dari lokasi produk, suhu lokal, kadar air lokal, porositas lokal, dan komposisi lokal. Kompleksitasnya juga berasal dari interaksi antar parameter di atas. Misalnya, peluruhan energi gelombang mikro menentukan intensitas medan elektromagnetik lokal dan karenanya

menghasilkan panas. Peluruhan ini merupakan fungsi dari konstanta dielektrike0dan faktor kerugiane00

produk, sementarae0Dane00sendiri merupakan fungsi kompleks dari suhu dan kadar air. Di sisi lain, suhu dan kelembapan di dalam makanan yang akan dipanaskan dengan gelombang mikro bergantung pada lokasi. Untuk memprediksi distribusi suhu dan kelembaban pada produk pangan, diperlukan pengetahuan tentang perubahane0Dane00

karena dipengaruhi oleh suhu dan kadar air juga penting. Jika perubahan porositas selama pengeringan cukup besar, kita juga perlu mengetahui ketergantungan kelembaban pada porositas produk (Tabel3).

Sebelum melakukan perhitungan sumber panas, distribusi gelombang mikro pada permukaan dan bagian dalam material harus diketahui terlebih dahulu. Pemanasan microwave tidak seragam di ruang pengering. Terdapat titik panas dan dingin yang disebabkan oleh distribusi medan elektromagnetik yang tidak seragam di dalam rongga. Akibatnya, distribusi

gelombang mikro baik di permukaan maupun di dalam produk tidak seragam. Perhitungan akurat dari pembangkitan panas dikaitkan dengan distribusi medan elektromagnetik. Estimasi distribusi elektromagnetik dapat dilakukan dengan

menyelesaikan persamaan Maxwell. Analisis elektromagnetik lengkap untuk produk makanan heterogen dengan geometri berbeda masih menjadi tantangan. Berbagai pendekatan sederhana telah diusulkan untuk mengatasi masalah ini.

Asumsi terpenting dalam analisis yang disederhanakan adalah distribusi energi gelombang mikro yang seragam pada permukaan produk. Berdasarkan asumsi ini, distribusi medan elektromagnetik di dalam produk diasumsikan (1) seragam [3, 17]; (2) membusuk secara eksponensial [57,115]; (3) membusuk mengikuti hubungan empiris [14,21,37,68]; (4) membusuk mengikuti relasi Lambert [88]; dan (5) peluruhan dihitung dengan menyelesaikan persamaan medan listrik [20, 27,112].

Kemampuan untuk secara eksperimental menentukan daya gelombang mikro yang diserap oleh produk juga penting.

Penyerapan daya terukur ini dapat digunakan untuk menghitung rata-rata kepadatan daya gelombang mikro permukaan, yang merupakan titik awal penghitungan sumber panas [21]. Estimasi akurat daya serap bergantung pada instrumentasi dan sistem eksperimental yang digunakan dalam penelitian. Sistem pengukuran daya serap perlu memiliki penggandeng arah untuk mengukur daya datang dan pantulan Tabel 3lanjutan Teori ReferensiMekanisme transportasiKekuatan perkiraanMetode numerikValidasi modelKekuatan pengukuran Bebas air

Melompat airUap airUdara Turner dan riang [110]

Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir

TIDAKAliran kapilerKapiler mengalir ? difusiMedan listrik analisisFDM Teknik kontrol volumeTidak dilakukanTIDAK Chen dan Schmidt [17]

Dua wilayah modelKapiler mengalir TIDAKKapiler mengalir ? difusiKapiler mengalir ? difusiSeragam selama contoh Metode integralKelembaban dan suhu diukurInsiden dan tercermin Periang dan Tukang bubut [49]

WhitakerTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAKTIDAK Chen dan Pei [16]Dua wilayah modelKapiler mengalir milik Darcy hukumKapiler mengalir ? difusiKapiler mengalir ? difusi

TIDAKMemindahkan FEMHanya tes pengeringan udara panas dilakukan

TIDAK Wei dkk. [115]Whitaker (secara implisit)Kapiler mengalir

TIDAKAliran kapilerTIDAKhukum LambertFDMTidak dilakukanTIDAK ATidak tersedia atau tidak berlaku

kekuatan. Sistem ini juga memerlukan stub turner untuk mengatur kesesuaian antara impedansi pandu gelombang dan ruang gelombang mikro dengan beban, sirkulator untuk melindungi magnetron, dan magnetron yang berdiri sendiri untuk menghasilkan daya. Daya serap adalah selisih antara daya datang dan daya pantul jika rugi-rugi pada pandu gelombang dan rongga dapat diabaikan.35]. Namun, dalam beberapa penelitian pengeringan gelombang mikro, informasi tentang penentuan daya serap tidak dilaporkan. Beberapa kelompok penelitian hanya melaporkan kekuatan insiden atau daya terukur dari oven microwave, mungkin karena

keterbatasan sistem eksperimental mereka.

pengukuran. Dalam pengeringan microwave, tekanan internal yang dihasilkan akibat pemanasan volumetrik tidak dapat diabaikan.

Beberapa penelitian komprehensif tentang pengeringan gelombang mikro telah memasukkan persamaan tekanan total untuk mengatasi transportasi yang disebabkan oleh tekanan. Pengukuran penumpukan tekanan di dalam produk yang akan dikeringkan telah dilakukan oleh Constant et al. [21] dan Feng dkk. [37] dengan probe serat optik.

Analisis numerik

Persamaan pengeringan gelombang mikro yang dihasilkan berpasangan dan sangat nonlinier. Teknik numerik harus digunakan untuk menyelesaikan persamaan ini. Chen dan Schmidt [18] memberikan ringkasan yang bagus tentang teknik numerik yang digunakan dalam simulasi pengeringan

gelombang mikro. Metode tersebut antara lain (1) metode kolokasi ortogonal yang dikemukakan oleh Wei et al. [115]; (2) metode beda hingga volume kendali [110]; (3) metode elemen hingga bergerak [16]; dan (4) metode integral [17]. Metode beda hingga volume kendali diusulkan oleh Patankar [73] dan telah banyak digunakan dalam studi