pembekuan pangan
Post on 19-Dec-2015
236 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
SATUAN OPERASI INDUSTRI PANGAN IV
PEMBEKUAN
DOSEN : R. Baskara Katri Anandito, S.TP, MP.
THERMODINAMIKA PEMBEKUAN
Termodinamika dapat digunakan untuk menggambarkan perubahan fisik
dalam air dalam suatu produk makanan selama proses pembekuan.
Ada perbedaan pembekuan produk pangan dengan pembekuan air murni.
Pertama, suhu kesetimbangan untuk pembentukan awal kristal es lebih
rendah dari kesetimbangan suhu untuk pembentukan kristal es di dalam air
murni. Meskipun supercooling dapat terjadi dalam produk sebelum kristal
es awal terbentuk, suhu akan berada di bawah sistem pembekuan air murni.
Besarnya penurunan suhu kesetimbangan beku adalah fungsi dari komposisi
produk.
Perbedaan kedua antara pembekuan produk makanan, dibandingkan dengan
air murni, terjadi setelah kristal es awal terbentuk. Pada produk makanan,
pelepasan energi untuk perubahan fase terjadi secara bertahap selama
rentang penurunan suhu produk. Hubungan suhu-waktu selama perubahan
fase adalah fungsi dari keberadaan air yang membeku pada setiap waktu
selama proses pembekuan.
PENURUNAN SUHU PEMBEKUAN
Hubungan antara komposisi produk dan suhu telah diinterpretasikan oleh
Heldman (1974) dan Schwartzberg (1976) dalam persamaan sebagai
berikut:
AAgA T
1 - T1
R Xln
0
............... (1)
dengan (XA) adalah fraksi mol air dalam produk, (TA) adalah suhu
kesetimbangan pembekuan, (λ) adalah panas laten molar peleburan, dan (Rg)
adalah tetapan gas.
Fraksi mol air dalam produk dapat didefinisikan sebagai berikut:
SISIAA
AAA Mm Mm
Mm X
.............. (2)
dengan (mA) adalah berat air dalam bahan; (MA) adalah berat molekul air
dalam bahan; (mSI) adalah berat komponen produk; dan (MSI) adalah berat
molekul komponen produk.
Contoh Soal :
Komposisi orange juice adalah air 88,3 %; protein 0,7 %; karbohidrat 10,4
%; lemak 0,2 %; dan abu 0,4 %. Panas laten pelelehan es adalah 333,5 J/g
dan konstanta gas universal 8,3144 J/mol K. Estimasikan penurunan suhu
pembekuan kesetimbangan dari produk tersebut !
Jawab :
1. Komposisi dan berat molekul komponen produk (USDA, 2004) :
2. Dengan menggunakan persamaan (2), maka didapatkan :
3. Dengan persamaan (1), maka didapatkan :
FRAKSI AIR YANG TIDAK MEMBEKU
Salah satu karakteristik unik dari pembekuan makanan adalah hubungan
antara fraksi air tidak membeku dan suhu. Hubungan tersebut merupakan
dasar untuk merancang sistem pembekuan dan fasilitas penyimpanan beku
pada produk pangan.
Fraksi air yang tidak membeku dalam produk pangan akan menurun secara
bertahap karena suhu turun di bawah suhu pembekuan awal. Hubungan
tersebut dapat dideskripsikan dengan persamaan (1) dan (2)
Contoh Soal :
Estimasikan persentase air yang tidak membeku pada strawberi beku pada
suhu – 10 0C ! Panas laten pelelehan es adalah 333,5 J/g dan konstanta gas
universal 8,3144 J/mol K. Komposisi strawberi sebagai berikut :
Jawab :
Menggunakan persamaan (1) dengan TA = - 10 0C atau 263 K
0,904 X 0,10067 -
2631 -
2731
(8,31441)(18,0) )5,333( Xln
A
A
Menggunakan persamaan (2), maka diperoleh :
Fraksi massa air yang tidak membeku adalah 0,06642, sehingga persentase
air yang tidak membeku :
% 7,3
% 100 x 0,9095
0,06642 ater Unfrozen W
SIFAT-SIFAT PRODUK PANGAN BEKU
1. Densitas Produk
Pengaruh pembekuan terhadap densitas produk relatif kecil tetapi perubahan
yang sangat siknifikan terjadi hanya pada saat dibawah suhu pembekuan.
Perubahan tersebut dapat diprediksi dengan persamaan yang dikemukakan
Heldman (2001) :
SiSi /m1
............... (3)
dengan mSi adalah berat masing-masing komponen bahan dan ρSi adalah
berat jenis masing-masing komponen bahan.
2. Panas Spesifik Produk Beku
Panas spesifik produk pangan beku dapat diprediksi menggunakan
persamaan :
SipSip m C C ................ (4)
Persamaan (4) digunakan untuk memprediksi panas spesifik solid dari
produk dengan mengabaikan fraksi air dari produk tersebut.
3. Konduktivitas Thermal Produk Beku
Model persamaan untuk sistem dispersi dua komponen homogen :
V2
V
2V
L M - 1M - 1M - 1
k k ............... (5)
dengan kL adalah konduktivitas thermal fase cair dan MV2 adalah fraksi
volume fase diskontinyu pada produk (solid). Persamaan (5) digunakan
jika konduktivitas thermal fase kontinyu (air) lebih besar dari
konduktivitas thermal padatan (solid) produk.
Jika konduktivitas thermal fase kontinyu dan diskontinyu pada produk
sama, maka persamaannya :
)M - (1 Q - 1Q - 1 k k
VL ............... (6)
dengan
L
S2V k
k - 1 M Q ............... (7)
Persamaan (5) digunakan untuk memprediksi konduktivitas thermal
produk pangan yang memiliki konduktivitas thermal air pada produk
lebih besar dari konduktivitas thermal solid produk tersebut.
Untuk produk dengan kadar air rendah, maka air bukan lagi fase
kontinyu. Untuk produk dengan kadar air rendah, persamaan (6) dan (7)
adalah model yang tepat untuk memprediksi konduktivitas thermal.
WAKTU PEMBEKUAN
Persamaan untuk memprediksi waktu pembekuan dikemukakan oleh Planck
(1913) :
k
2
CFF
Ra hPa
T - TL t
............... (8)
dengan tF adalah waktu pembekuan ; ρ adalah densitas produk beku ; L
adalah panas laten pembekuan; TF adalah suhu pembekuan ; T ͚ adalah suhu
media pembeku; hc adalah koefisien transfer panas konveksi; k adalah
konduktivitas thermal produk ; a adalah ketebalan atau diameter produk ; P
dan R adalah konstanta pengaruh bentuk bahan.
Jika produk tidak berbentuk lempeng, silinder, atau bola, Gambar 6.9
digunakan untuk menentukan konstanta. Koefisien β1 adalah rasio panjang
dan ketebalan produk. Koefisien β2 adalah rasio lebar dan ketebalan produk.
Persamaan Planck (persamaan 8), tidak memperhitungkan waktu yang
dibutuhkan untuk menghilangkan panas sensibel dari bagian produk yang
tidak membeku pada saat di atas suhu awal pembekuan dan juga tidak
memperhitungkan waktu yang dibutuhkan untuk menghilangkan panas
sensible produk beku.
Persamaan Planck dimodifikasi :
H)T - (T C N F0PF
Ste
Pengaruh dari panas sensibel di atas titik beku diakomodasi dengan bilangan
Planck :
H)T - (T C N F0iPu
Pk
Nilai konstanta P dan R ditentukan menggunakan grafik hubungan bilangan
Planck dengan bilangan Stefan (Gambar 6.10 dan Gambar 6.11).
Bentuk dari produk ditetapkan menggunakan equivqlent heat-transfer
dimension (EHTD) :
Nilai W1 dan W2 ditetapkan dari Gambar 6.12 dengan menggunakan
bilangan Biot dan faktor bentuk (β).
Nilai W1 ditetapkan dengan menggunakan :
c11 2dd
dengan d1 adalah lebar produk dan dc adalah ½ ketebalan produk.
Nilai W2 ditetapkan dengan menggunakan :
c22 2dd
dengan d2 adalah panjang produk dan dc adalah ½ ketebalan produk.
CONTOH SOAL
1. Beef steak dengan dimensi panjang 0,1 m; lebar 0,06 m; dan ketebalan 0,02
m dibekukan dengan menggunakan sistem air-blast pada – 20 0C. Suhu
produk awal adalah 10 0C dan suhu akhir produk – 10 0C. Komposisi bahan
sebagai berikut : air 74 % ; protein 21,45 %; lemak 3,56 %; dan abu 0,99 %.
Suhu awal pembekuan – 0,8 0C. Hitung waktu yang dibutuhkan untuk
membekukan produk tersebut !
JAWAB :
Menggunakan persamaan (4) dan Tabel 6.6 dengan suhu produk 10 0C :
SipSip m C C
Menggunakan persamaan (3) dan Tabel 6.6, dengan suhu produk 10 0C :
SiSi /m1
Konduktivitas thermal ditentukan dengan menggunakan tabel 6.6.
Untuk mengestimasi sifat-sifat dari produk beku, maka fraksi massa air
yang membeku dan air yang tidak membeku harus ditentukan.
Menggunakan persamaan (1), fraksi mol air yang tidak membeku pada
produk – 10 0C adalah 0,904. Menggunakan berat molekul masing-
masing komponen penyusun produk :
maka, fraksi massa air yang tidak membeku pada beef steak – 10 0C
adalah 0,0495 atau 6,69 % dari jumlah air dalam produk.
Jumlah air pada bahan 74 %, sedangkan air yang tidak membeku 6,69 %
-nya, sehingga air yang tidak membeku (6,69 % x 74 %) = 0,0495
Jumlah air yang membeku = ((100 % - 6,69 %) x 74 %) = 0,6905
Menggunakan komposisi dari produk beku (- 10 0C), sifat-sifat produk :
C kJ/kg 2,1445 (1,0924) (0,0099)
(1,9839) (0,0356) (2,008) (0,2145) (2,0629) (0,6905) (4,18) (0,0495) c
0
p
3m / kg 994,665 (1/2426,6) (0,0099) (1/926) (0,0356)
(1/1335,1) (0,2145) (1/918,2) (0,6905) (1/986,8) (0,0495) 1/
W/mC1,57 (0,3433) (0,0099)
(0,2083) (0,0356) (0,1666) (0,2145) (2,167) (0,6905) (0,5528) (0,0495) k
Bilangan Biot (NBi) menggunakan persamaan :
0,14 57,1(0,01) (22)
kd h N cc
Bi
dengan hc adalah koefisien transfer panas (tabel 6.10 dengan sistem air-
blast) ; dc adalah setengah ketebalan produk (0,5 x 0,02 m = 0,01 m) ;
dan k adalah konduktivitas thermal produk beku.
Bilangan Stefan ditentukan dengan persamaan :
0,179 (333,5) (0,6905)
(-20) - 0,8 (- (2,1445)
H)T - (T C N F0PF
Ste
dengan CpF adalah panas spesifik produk beku; T ͚ adalah suhu media
pembekuan ; TFo adalah suhu awal pembekuan ; dan ΔH adalah
perubahan fraksi air ke fraksi beku.
ΔH = fraksi massa air yang membeku x panas laten pembekuan
= 0,6905 x 333,5 J / g
Bilangan Planck menggunakan persamaan :
0,166 (333,5) (0,6905)
(-0,8)) - (10 (3,538)
H)T - (T C N F0iPu
Pk
dengan Cpu adalah panas spesifik produk saat belum membeku ; Ti
adalah suhu awal produk ; TF0 adalah suhu awal pembekuan.
Faktor bentuk dari beef steak :
c11 2dd
c22 2dd
Dengan menggunakan Gambar 6.10 (NPk = 0,166 dan NSte = 0,179, maka P
= 0,57
Dengan menggunakan Gambar 6.11 (NPk = 0,166 dan NSte = 0,179, maka R
= 0,178
Gambar 6.12, digunakan untuk mendapatkan W1 = 0,151 (β1 = 3 dan NBi =
0,14) dan W2 = 0,061 (β2 = 5 dan NBi = 0,14)
Mencari EHTD menggunakan persamaan :
Bilangan Fourier :
23,74 (0,179)(0,178)
(0,179) (0,14)(0,57) NFo
Kemudian, mencari tF (waktu pembekuan) dengan persamaan :
2C
FFo )(d
t N
menit 44,35 s 2661,22 (1,212) (1,57)
(1000) (2,1445) (994,665) (0,01) (23,74) t2
F
dengan
EHTD kC 1
F
PFF
Keterangan : ρF = densitas produk saat beku (kg / m3)
CPF = panas spesifik produk saat beku (J / kg 0C)
kF = konduktivitas thermal produk saat beku (W/m C)
Jadi, waktu yang diperlukan untuk membekukan beef steak tersebut
adalah 44,35 menit.
METODE PHAM
Pham (1986) memperkenalkan perbaikan persamaan Planck untuk
memprediksi waktu pembekuan :
............... (9)
dengan Ef adalah faktor bentuk : 1 untuk infinite slab ; 2 untuk infinite
cylinder ; dan 3 untuk bola.
2
N 1 TH
TH
hEd t Bi
2
2
1
1
cf
cF
dengan : ρcu adalah densitas produk sebelum membeku ; Cpu adalah panas
spesifik produk sebelum membeku; Ti adalah suhu awal produk ; Tfm adalah
“mean freezing temperature” ; Tc adalah suhu akhir pada pusat produk ; T ͚
adalah suhu media pembeku ; ρF adalah densitas produk saat membeku ; dan
CpF adalah panas spesifik produk saat beku.
CONTOH SOAL :
Hitunglah waktu pembekuan menggunakan persamaan Pham untuk contoh
soal terdahulu ! Asumsi : produk berbentuk infinite slab dengan Ef = 1.
JAWAB :
Menggunakan persamaan (9) maka :
Jika bentuk geometri produk bukan infinite slab, infinite cylinder, atau bola,
maka digunakan β1 dan β2 (yang cara memperolehnya sama dengan pada
metode Planck) :
2
N 1 TH
TH
hEd t Bi
2
2
1
1
cf
cF
dengan G1; G2; dan G3 diperoleh dari tabel :
CONTOH SOAL
Hitunglah waktu pembekuan menggunakan persamaan Pham untuk contoh
soal terdahulu ! Asumsi : beef steak berbentuk “rectangular brick” sehingga
G1 = 1; G2 = 1; dan G3 = 1.
JAWAB :
Menggunakan persamaan (9), maka :
BEBAN PEMBEKUAN BAHAN PANGAN SELAMA PENYIMPANAN
Energi yang dihilangkan untuk menurunkan sehu bahan hingga titik
bekunya :
Q1 = m . Cp1 . (Ti – Tf)
dengan m adalah massa bahan; Cp1 adalah panas spesifik bahan di atas titik
beku ; Ti adalah suhu awal bahan; dan Tf adalah suhu beku bahan.
Energi yang dihilangkan untuk mengubah fase bahan :
Q2 = m . ΔHf
dengan ΔHf adalah panas laten
Energi yang dihilangkan untuk menurunkan suhu bahan dari titik beku
sampai ke suhu penyimpanan beku :
Q3 = m . Cp2 . (Tf – Ts)
dengan Cp2 adalah panas spesifik bahan di bawah titik beku; Ts adalah suhu
penyimpanan beku.
Beban pembekuan :
npendingina ton
Btu 288.000Btu Q Q Q
R 321f
Energi yang harus dihilangkan untuk mempertahankan suhu ruang
penyimpanan dingin / beku :
L)T - (TA k Q 21
dengan k adalah konduktivitas thermal bahan dinding; A adalah luas
permukaan dinding; T1 adalah suhu di luar dinding; T2 adalah suhu di
dalam ruang penyimpanan; L adalah tebal dinding.
Jika dinding tersusun dari beberapa jenis bahan, maka :
n
n
3
3
2
2
1
1
21
kL ... k
L kL k
L1 U
)T - (T .A . U Q
Dengan U adalah “overall heat transfer coefficient” ; L1,2,3,...,n adalah tebal
masing-masing lapisan dinding; dan k1,2,3,...,n adalah konduktivitas thermal
bahan masing-masing lapisan dinding.
CONTOH SOAL
Ruang penyimpanan dingin mempunyai ukuran 8 ft x 10 ft x 8 ft dan
tersusun dari bata (tebal 8 ft), gabus (tebal 8 ft), dan semen (tebal 0,5 ft).
Suhu di dalam ruang penyimpanan dipertahankan – 20 0F, sedangkan suhu
di luar ruang penyimpanan 70 0F. Nilai konduktivitas thermal untuk bata,
gabus, dan semen berturut-turut 4,8 ; 0,33 ; dan 6,0 Btu/jam ft F. Hitunglah
beban pendinginan jika faktor keamanan 25 %.
JAWAB :
F ft jamBtu 0,0386 0,60,5 33,08 8,48
1 U
kL ... k
L kL k
L1 U
02
n
n
3
3
2
2
1
1
A = {(8 ft x 8 ft) x 2} + {(8 ft x 10 ft) x 2} = 228 ft2
Q = U . A . (T1 – T2)
= 0,0386 x 228 x (70 – (-20))
= 999,9 Btu / jam
Faktor keamanan 25 %, sehingga total panas yang harus dihilangkan :
Qtotal = 999,9 + (25 % x 999,9)
= 1249, 9 Btu / jam
Beban pendinginan :
ton0,104 jam
Btu 12.000 ton1 x jam
Btu 1249,9
top related