Penelitian Karakteristik Refrigerant Ruangan Ac.docx

Untuk karakteristik R-502 antara lain sebagai berikut :

Home | Bab 1 | Bab 2 | Bab 3- 4 | Bab 5 | Bab 6 | Bab 7 | Bab 8 | Bab 9 | Bab 10 - 11 | Bab 12 - 13 | Bab 14 | GBPP | BAB 12-13 PEMBEKUAN BAHAN PANGAN Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa mampu menentukan kebutuhan mesin pembeku untuk keperluan pembekuan bahan pangan. Cakupan dari pokok bahasan ini konsep dasar pembekuan, nukleasi dan pertumbuhan kristal, penentuan dan analisa laju pembekuan, konsep dasar pendinginan/pembekuan vakum, konsep dasar pengeringan beku. A. Prinsip Pembekuan Berbagai metode digunakan dalam usaha pengawetan pangan, dan salah satu diantaranya adalah pembekuan. Beberapa bahan pangan dapat dibekukan, dan pada keadaan beku gerakan sel akan berkurang sehingga menghambat reaksi selanjutnya. Keputusan mengenai apakah suatu bahan pangan perlu dibekukan atau cukup didinginkan, ditentukan oleh jenis bahan itu sendiri dan lama penyimpanan yang diinginkan.

Pembekuan menyebabkan perubahan struktur karena pembentukan kristal es didalam sel. Bahkan, struktur bahan setelah pencairan kembali kemungkinan berubah sangat besar. Penurunan suhu produk sampai di atas titik beku dapat mengurangi aktivitas mikroorganisme dan enzim, sehingga dapat mencegah kerusakan produk pangan, akan tetapi air cairan (liquid water) mungkin masih menyediakan aw (aktivitas air) yang masih memungkinkan terjadinya beberapa aktivitas tersebut. Dengan pembekuan, fraksi air tak terbekukan dikurangi, sehingga diharapkan dapat mencegah terjadinya hal tersebut. Pada makalah ini, pembahasan dipusatkan pada pindah panas dan pindah massa yang berhubungan langsung dengan produk. Sedangkan mode pindah panas difokuskan pada pendinginan secara konveksi.

Suhu bahan yang akan dibekukan harus diturunkan hingga titik beku komponenkomponennya, umumnya hingga �18 oC atau lebih rendah karena bahan pangan mengandung garam dan gula. Saat larutan garam dan gula tersebut mulai membeku, kelebihan air akan membeku hingga tercapai campuran eutektik. Jika pembekuan tidak dilakukan dengan cepat, kristal es yang terbentuk akan membesar dan merusak dinding sel, sehingga jika kemudian bahan dicairkan kembali, sel akan bocor dan tekstur bahan akan rusak. Bahan pangan beku seperti es krim dan es loli sangat tergantung pada laju pembekuan untuk memperoleh konsistensi dan tekstur tertentu, sehingga membutuhkan perlakuan khusus. Sekali bahan telah mulai dibekukan maka sebaiknya tidak mengalami pemanasan dan pendinginan kembali, karena saat dilakukan pembekuan ulang dengan laju lambat akan terjadi pencairan sebagian es. Dalam pembekuan terdapat dua masalah yang penting, yakni terbentuknya kristal es dan pertumbuhan kristal tersebut yang menentukan kualitas produk beku. Laju pembekuan merupakan variabel penting pada kedua masalah tersebut. Kualitas produk yang dibekukan secara cepat akan berbeda signifikan dengan produk yang dibekukan secara lambat. Dengan demikian laju pembekuan merupakan dasar untuk rancangan proses pembekuan. Definisi laju pembekuan pangan dari International Institute of Refrigeration adalah: rasio antara jarak minimum dari permukaan ke pusat termal terhadap waktu antara permukaan meraih 0 oC dan pusat termal yang mencapai 5 oC lebih rendah daripada suhu pembentukan es awal dari pusat termal. 1. Kristalisasi Kristalisasi dan pencairan merupakan transisi fase orde pertama yang terjadi antara padatan dan cairan. Panas laten yang dilepas pada saat kristalisasi sama dengan jumlah panas yang diperlukan untuk proses pencairan pada suhu yang sama. Kristalisasi dapat terjadi dari suatu bahan hasil pencairan atau dari suatu larutan. Kristalisasi dari bahan hasil pencairan dapat terjadi pada suhu dibawah titik cair keseimbangan, Tm, sedangkan kristalisasi dari larutan terjadi akibat dari supersaturasi. Kristalisasi umumnya merupakan proses tiga tahap, yang terdiri atas nukleasi (pembentukan nukleat), propagasi (pertumbuhan kristal), dan pematangan (penyempurnaan kristal dan/atau pertumbuhan lanjutan). Nukleasi (Pembentukan Nuklei) Nukleasi adalah proses yang mendahului kristalisasi. Nukleasi merupakan hasil dari status metastabil yang terjadi setelah supersaturasi akibat dari pemisahan zat pelarut atau penurunan suhu larutan. Nukleasi dapat terjadi secara homogen ataupun heterogen. Nukleasi heterogen lebih cenderung terjadi pada bahan pangan akibat dari keberadaan zat lain (impurities). Proses nukleasi homogen dan heterogen dianggap sebagai mekanisme nukleasi primer, dalam hal ini pusat kristal dari zat yang sedang mengalami kristalisasi tidak terdapat pada system yang bernukleasi. Nukleasi homogen terjadi secara spontan, dimana molekul bahan saling menyusun dan membentuk nuklei. Pembentukan fase baru memerlukan energi sebagai akibat dari solubilitas atau tekanan uap yang lebih tinggi. Variasi tekanan uap suatu tetesan kecil dapat dinyatakan dengan persamaan Kelvin berikut, dimana p adalah tekanan uap tetesan tersebut, p µ adalah tekanan uap pada permukaan datar, s adalah tegangan permukaan, n adalah volume molar, R

tetapan gas, dan r adalah jari-jari tetesan tersebut.

.............................................................................(12-1) Persamaan Kelvin merupakan yang paling penting dalam teori kristalisasi kuantitatif, dan dapat dituliskan dalam bentuk persamaan Ostwald-Freundlich, dimana L adalah kelarutan, L adalah kelarutan pada permukaan datar atau kelarutan tipikal bahan, M adalah berat molekul, dan r adalah massa jenis. Besaran p/p atau L/L adalah ukuran kesuper-jenuhan atau kesuper-dinginan,  . Jari-jari kritis, rc , untuk pembentukan kristal dapat diperoleh dari persamaan berikut, yang mendefinisikan bahwa nukleasi spontan dapat terjadi jika terbentuk nuclei berukuran r>rc .

.........................................................................................................................(12-2) Telah diketahui bahwa laju nukleasi meningkat dengan meningkatnya kesuper-jenuhan. Keadaan super-jenuh dapat disebabkan oleh penurunan suhu, pemisahan lanjut zat pelarut pada suhu tetap, atau keduanya. Laju nukleasi dapat dianggap mengikuti persamaan Arhenius yang dipengaruhi oleh suhu, dimana n adalah laju kristalisasi, k adalah factor frekuensi, dan En adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk pembentukan nuclei. .......................................................................................................................(12-3) Van Hook (1961) menunjukkan bahwa kerja yang dibutuhkan untuk membentuk nucleus bulat seukuran kritisnya adalah sepertiga dari kerja yang diperlukan untuk pembentukan permukaannya, sehingga laju kristalisasi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

..............................................................................................................(12-4) Berdasarkan persamaan tersebut, nukleasi dapat meningkat dengan sangat cepat diatas nilai kritis super-jenuh atau super-dinginnya. Sebagaimana definisi ukuran kritis suatu nucleus, syarat untuk terjadinya nukleasi homogen adalah bahwa molekul dapat membentuk klaster sebagai akibat tumbukan molekul. Ukuran klaster tersebut harus cukup besar dan dapat melewati barier energi nukleasi. Nukleasi homogen membutuhkan derajat super-jenuh atau super-dinging yang sangat besar, dan kejadiannya sangat jarang meskipun pada bahan kimia yang sangat murni. Kebanyakan proses kristalisasi terjadi secara tidak homogen karena keberadaan partikel asing yang melakukan kontak dengan bahan tersebut. Nukleasi Heterogen Nukleasi heterogen adalah jalur utama proses kristalisasi yang terjadi pada bahan pangan.

Nukleasi heterogen terjadi akibat keberadaan zat asing (karena ketidak-murnian) yang dapat bertindak sebagai situs nukleasi. Zat asing tersebut menyebabkan penurunan energy yang dibutuhkan untuk pembentukan nucleus kritis dan karenanya dapat memfasilitasi terbentuknya kristal. Peranan kesuper-jenuhan atau kesuper-dinginan lebih sedikit pada nukleasi heterogen dibandingkan pada nukleasi homogen. Mekanisme nukleasi dan factorfaktor yang mempengaruhi pembentukan nucleus dalam bahan pangan belum dimengerti secara sempurna. Nukleasi sekunder. Nukleasi sekunder, berbeda dengan nukleasi homogen maupun heterogen, terjadi akibat telah adanya kristal zat yang memang diinginkan untuk mengkristal. Nukleasi sekunder membutuhkan gaya dari luar, seperti pengadukan terhadap larutan jenuh. Nukleasi sekunder dapat juga terjadi sebagai akibat pengurangan ukuran kristal secara mekanis, yang dapat terjadi karena adalah gaya regang. Kristal kecil dapat membesar dan melebihi ukuran kritis dari nucleus stabil. Nukleasi sekunder adalah fenomena yang umum pada proses kristalisasi gula. Propagasi (Pertumbuhan Kristal) Langkah selanjutnya dari nukleasi adalah pertumbuhan kristal. Kristal dapat bertumbuh jika molekul-molekul dapat berdifusi ke permukaan nucleus yang sedang bertumbuh tersebut. Laju proses pertumbuhan ini sangat sensitive terhadap tingkat super-jenuh dan super dingin, suhu, dan keberadaan zat asing. Pengaruh keberadaan zat asing sangat penting terhadap laju kristalisasi secara keseluruhan dalam bahan pangan. Laju pertumbuhan suatu nucleus, J, didefinisikan pada persamaan berikut, dimana Ed adalah energi aktifasi difusi dan (A)T adalah kerja yang dibutuhkan untuk membentuk permukaan nucleus.

..............................................................................................................(12-5) 2. Pematangan B. Pindah Panas dan Proses Pembekuan Pengetahuan pindah panas dan massa merupakan salah satu aspek keteknikan yang harus dipenuhi dalam merancang mesin pembeku yang dapat memenuhi laju pembekuan yang dibutuhkan. Dengan perhitungan yang didasarkan pada hal tersebut, diharapkan perancangan alat dapat dilakukan secara tepat. Berdasarkan operasi pindah panas yang dilakukan, jenis mesin pembeku dapat dikelompokkan menjadi mesin pembeku sistem udara, sistem lempeng sentuh dan sistem kryogenik. Pada pembeku sistem udara dan kryogenik, sebagian besar pindah panas berlangsung secara konveksi, sedangkan pada sistem lempeng sentuh pindah panas berlangsung secara konduksi dan konveksi.

Prinsip dari proses pembekuan suatu bahan adalah penurunan suhu bahan tersebut sampai dibawah titik bekunya, sehingga air dalam bahan akan membeku. Dari termodinamika telah diketahui bahwa penurunan suhu merupakan suatu pengambilan energi dalam bentuk panas, oleh karena itu dasar-dasar pindah panas harus diketahui untuk dapat menduga berapa besar panas yang harus dipindahkan hingga tujuan pembekuan dapat dicapai. Secara umum, semakin besar laju pemindahan panas maka semakin cepat proses pembekuan tercapai, akan tetapi tanpa perhitungan yang memadai proses yang optimal tidak dapat dipenuhi. Beberapa pendugaan waktu pembekuan yang didasarkan pada pindah panas telah berkembang diantaranya mencakup persamaan Plank, Neumann dan lain-lain (Heldman and Singh, 1981).

Persamaan Plank Ekspresi untuk perhitungan waktu pembekuan telah diturunkan oleh Plank. Persamaan ini berguna untuk menghitung berbagai bentuk geometri produk. Pada Gambar 1 dilukiskan perhitungan pembekuan untuk bentuk lempeng satu dimensi. Tiga persamaan dasar digunakan dalam penurunan persamaan perhitungan waktu ini. Persamaan yang digunakan adalah persamaan konduksi panas untuk daerah beku:

............................................................................................................(12-6) dimana Tf titik beku awal dan mewakili suhu seluruh daerah yang tidak beku.

Persamaan yang kedua adalah pindah panas pada permukaan bahan dengan lingkungan secara konvektif yang diekspresikan ke dalam persamaan berikut: ................................................................................................(12-7) Kombinasi kedua persamaan diatas adalah sebagai berikut:

.............................................................................................(12-8) Persamaan yang ketiga merupakan laju pembentukan panas pada front pembekuan yang merupakan efek perubahan fase, yaitu:

.........................................................................................................(12-9) dimana L merupakan panas laten pembekuan. Dengan menyamakan persamaan 12-9 dan 12-10, maka dapat ditulis sebagai berikut

..............................................................................................(12-10) Integrasi dari persamaan diatas dari 0 sampai ketebalan ½ a adalah

........................................................................................(1211) dengan memasukkan nilai tersebut dan mengubah posisi, maka persamaan diatas dapat ditulis sebagai:

..........................................................................................................(12-12) Persamaan diatas dapat berlaku umum untuk bentuk geometri yang lain, dengan menggantikan nilai ½ dan 1/8 dengan konstanta P dan R. Konstanta P dan R ini mempunyai nilai sebagai berikut: • untuk bola P=1/6 dan R = 1/24 • untuk silinder tak berhingga P = 1/4 dan R = 1/16 dimana a merupakan diameter dari bola / silinder. Penggunaan persamaan Plank terbatas karena alasan-alasan sebagai berikut: • Asumsi panas laten tidak mempertimbangkan pemindahan panas laten secara gradual pada selang suhu selama proses pembekuan.

• Harga menggunakan titik beku awal dalam perhitungan persamaan dan mengabaikan kebutuhan waktu untuk pemindahan panas sensibel di atas titik beku. • K diasumsikan konstan untuk daerah beku, sedangkan seharusnya k berubah sejalan dengan perubahan suhu dengan daerah beku. Masalah Neumann Pada pemecahan ini, pendekatan dilakukan dengan menggunakan pindah panas satu dimensi untuk benda yang semi tak hingga. Pertimbangan untuk kedua fase ( cair dan beku) dimasukkan, oleh karena itu dua persamaan parsial digunakan yaitu:

...............................................................................................(12-13)

...............................................................................................(12-14) Selain itu, perbedaan panas antara porsi padatan dengan porsi cairan harus sama dengan panas pada front pembekuan, yang ekspresinya dinyatakan sebagai berikut:

......................................................................................(12-15) Dengan menggunakan kondisi awal dan kondisi batas sebagai berikut: Pada x(t) : T1 = T2 = TF Pada x - ~ : T2 = TI Pada x = 0,t > 0 : T1 = 0 Pada x(t) = 0 : T2 = T1 Dengan demikian pemecahan persamaan dan persamaan dapat ditulis sebagai berikut:

..................................................................................................(12-16)

...........................................................................(1217) dimana  merupakan suatu konstanta yang harus dievaluasi secara trial dan error. Perhitungan

diatas cukup kompleks dan mencakup masalah trial dan error, sehingga sering dihindari, dengan demikian apabila memungkinkan, penggunaan persamaan yang lebih sederhana lebih digunakan. Perhitungan kebutuhan total waktu untuk pembekuan tidak terlepas dari waktu prefreezing/cooling dari suhu awal ke suhu di atas titik beku. Terdapat tiga metode yang didasarkan pada asumsi yang berbeda dalam perhitungan yang berbeda: • Perhitungan dengan mengabaikan tahanan dalam (internal) • Perhitungan dengan mengabaikan tahanan permukaan • Perhitungan dengan memperhitungkan keduanya. Untuk lebih jelasnya diuraikan di bawah ini. a. Perhitungan dengan mengabaikan tahanan dalam (internal) Pada situasi ini, diasumsikan bahwa tahanan permukaan jauh lebih besar daripada tahanan intrernal. Dengan demikian suhu permukaan ini adalah seragam. Untuk suatu objek, keseimbangan energi dapat dinyatakan sebagai berikut:

................................................................................................................................(12-18)

.......................................................................................................................................(12-19)

................................................................................................................................(12-20) Dengan mengekspresikan bentuk diatas dalam bilangan tak berdimensi, maka:

...................................................................................................................................(12-21)

dimana

dan

b. Perhitungan dengan mengabaikan tahanan permukaan Perhitungan ini didasarkan panda asumsi tahanan internal yang jauh lebih besar daripada tahanan produk. Ini mengakibatkan laju pendinginan produk sangat ditentukan oleh jenis

produk, selain geometri produk juga merupakan faktor yang mempengaruhi. Ekpresi dikembangkan dari persamaan energi dalam suatu sistem, yang dalam bentuk satu dimensi bentuk lempeng dinyatakan sebagai berikut:

.............................................................................................................(12-22) Pemecahan dari persamaan diatas adalah sebagai berikut:

.............................................................................(12-23) Pemecahan juga telah dilakukan untuk bentuk silinder dan bola, yang masing-masing ditunjukkan pada persamaan berikut:

Bentuk silinder tak-hingga :

.................................................................................(12-24) Bentuk bola :

.....................................................................(12-25) • Perhitungan dengan memperhitungkan tahanan internal dan permukaan Perhitungan dengan asumsi ini digunakan apabila nilai bilangan Biot berada pada 0.1 sampai 40. Nilai bilangan ini menyiratkan bahwa kedua tahanan, baik internal maupun permukaan mempunyai besar yang cukup berarti, sehingga perhitungan dilakukan dengan mencakup kedua tahanan tersebut. Untuk maksud tersebut, digunakan bagan yang mempermudah dalam perhitungan pindah panas. • Perpindahan Uap Air Migrasi uap air adalah perubahan fisik yang sangat prinsipal yang selalu terjadi dalam bahan pangan beku dan mempunyai efek terhadap sisfat-sifat kimia dan biokimia bahan pangan beku. Migrasi uap air dapat terjadi melalui proses sublimasi, absorbsi dan redistribusi uap air dalam bahan pangan atau komponen-komponen bahan pangan, rekristalisasi es dan kehilangan selama proses thawing. Migrasi uap air selama penyimpanan harus dihindarkan,

karena menyebabkan berbagai kerugian dari dalam bahan beku, antara lain, terjadinya freezer burn , penampakan glassy pada produk Perbedaan utama antara pembeku mekanik dengan pembeku kriogenik adalah pada sistem peralatan dan refrigeran yang digunakan. Peembekuan mekanik menggunakan peralatan mekanik yang permanen dan dapat beroperasi secara curah (batch) maupun kontinyu. Sistem refrigerasi yang diterapkan pada pembeku mekanik biasanya adalah berdasarkan sistem kompresi uap dengan refrigeran freon (amonia, R-22, R-134a, dll), atau sistem absorbsi dengan sistem fluida air-amonia. Pembekuan kriogenik biasanya dilakukan dalam suatu lemari pembeku atau ruang terinsulasi dan berlangsung secara kontinyu. Terdapat berbagai kriteria yang dapat digunakan untuk pengelompokan metoda pembekuan yang digunakan untuk bahan pangan. Secara sederhana pengelompokan metoda pembekuan bahan pangan yang umum digunakan adalah: 1. Metoda Pembekuan Mekanik  

Pembeku Udara Sembur (Air blast freezer) Pembeku Udara Sembur Impingiment (Impingiment air blast freezer)

1. Pembeku udara-sembur menggunakan udara dingin berkecepatan tinggi sebagai media pembekunya 2. Konfigurasi yang digunakan yang digunakan pada rancang bangun pembeku jenis ini tergantung pada bahan pangan yang akan dibekukan dan kapasitas sistem 3. Bahan pangan dengan massa jenis tinggi biasanya dibekukan dalam kemasankemasan besar yang diletakkan pada rak-rak atau sabuk-angkut (conveyor), dan dipaparkan terhadap udara dingin berkecepatan tinggi 4. Sistem pembeku ini dapat juga beroperasi secara curah, dimana rak-rak bahan dibongkar-muat dari lemari pembeku 5. Untuk operasi curah seperti ini, kapasitas sistem ditentukan oleh ukuran lemari pembeku, sedang waktu pembekuan ditentukan berdasarkan proses pindah panas. 6. Suhu -30C and -40C pada laju udara 1.5 - 6.00 m/s 7. Terdapat berbagai konfigurasi. Salah satu contoh pembeku air-blast jenis terowongan ditunjukkan pada Gambar 6.4. 8. Laju pembekuan cepat Catatan: - kemungkinan terjadi freezer burn dan dehidrasi (dapat diatasi dengan aliran berlawanan)

Mesin pembeku air-blast

Mesin pembeku air-blast tipe terowongan (atas) dengan pola aliran udara pembeku (bawah)

Mesin pembeku spiral

Contoh mesin pembeku tipe terowongan



Pembeku Lempeng Sentuh (Contact plate freezer)

Keuntungan: 1. 2. 3. 4.

tidak menggunakan luasan lantai yang terlalu besar biaya operasi rendah dehidrasi bahan pangan kecil laju pindah panas tinggi kemasan dapat mempertahankan ukuran bahan yang dibekukan

Kerugian: 1. biaya investasi tinggi 2. dibatasi oleh ukuran produk 2. Metoda Pembekuan Kriogenik  

 

Pembekuan kriogenik mengalami perkembangan yang sangat pesat pada dekade belakangan ini dan telah diterima dengan baik oleh industri pangan Keuntungan yang dapat diperoleh dari teknik pembekuan ini adalah sifatnya yang dapat membekukan bahan pangan secepat dan sesegera mungkin hingga suhu –196 oC, sehingga dehidrasi yang terjadi selama proses pembekuan pangan tersebut dapat ditekan hingga sekecil mungkin Laju pembekuan kriogenik yang sangat cepat menghasilkan bentuk kristal es yang kecil-kecil dan lembut seperti salju, sehingga kerusakan sel bahan dapat dikurangi Pembekuan kriogenik dapat juga digunakan untuk pengawetan sel-sel atau kultur bakteri. Semakin segera suatu bahan pangan dibekukan, maka semakin segera pula bakteri mati sehingga kerusakan alamiah bahan pangan tersebut dapat langsung dihambat.

Keunggulan pembekuan kriogenik:      

Peralatan yang relatif ringkas dan dapat beroperasi secara kontinyu, sehingga biaya modal relatif rendah (sekitar 30% dari biaya modal pembekuan mekanik) Kehilangan bobot karena dehidrasi sangat kecil, sekitar 0.5% (dibandingkan dengan 1-8% pada pembeku air blast). Pembekuan terjadi sangat cepat, sehingga memberikan perubahan karakteristik nutrisi dan sensori yang lebih kecil. Terjadi pengeluaran oksigen selama proses pembekuan. Waktu “start-up” cepat dan tidak memerlukan waktu khusus untuk menghilangkan es yang beku (defrost). Konsumsi energi lebih rendah

Kelemahan pembekuan kriogenik:  

Biaya operasi relatif tinggi, khususnya untuk penyediaan zat kriogen. Kurang cocok digunakan untuk pembekuan sayuran hijau berdaun (leafy vegetables)

Refrigeran atau zat kriogen yang paling sering digunakan untuk pembekuan kriogenik adalah nitrogen cair (LN2) dan karbon dioksida (CO2) cair atau padat