Tekbik Pengolahan Pangan
     
   
     

" E-learning Mata Kuliah Teknik Pengolahan Pangan "
Untitled Document
 
Home
 
MATERI
 
Bab I. Sistem Pengawetan Pangan

Bab II. Kinetika Reaksi Dalam Pengolahan Pangan

Bab III. Reologi Bahan Pangan

Bab IV. Proses Pemisahan Bahan Pangan

Bab V. Pemanasan Pangan

Bab VI. Termodinamika Pembekuan

 
Bab VII. Proses Pengentalan Pangan

Bab VIII. Pengeringan Bahan Pangan

 
GBPP
 
Pustaka
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BAB VI. PEMBEKUAN


6.1. Sifat-sifat Bahan Pangan Beku

Penurunan titik beku pada bahan pangan ini terjadi karena keberadaan berbagai padatan pada bahan yang mengandung air dalam jumlah yang relatif besar. Titik beku air dalam bahan akan turun dibandingkan dengan titik beku air murni. Besarnya penurunan titik beku tergantung dari berat molekul dan konsentrasi padatan.

Penurunan titik beku dapat diturunkan dari hubungan termodinamika berdasarkan kesetimbangan keadaan dalam sebuah sistem. Perubahan energi bebas pada sebuah sistem dalam keadaan setimbang adalah nol. Potensial energi dari setiap fase dalam keadaan setimbang pada sebuah sistem adalah sama.

dimana a dan b menyatakan dua fase dalam sebuah sistem.

Perubahan potensial kimia dengan tekanan pada suhu tetap harus sama dengan volume molar parsialnya.

pada persmaan tersebuat di atas, potensial kimia pada tekanan 1 atm mempunyai superscrip 0 dan T A adalah suhu absolut. Menurut hukum Raoult's, maka persamaan tersebut dapat dirubah menjadi

persamaan tersebut menggambarkan hubungan antara faksi mol (X A ) dan potensial kimia A dalam campuran. Pada tekanan dan suhu konstan, maka suku kedua dari persamaan tersebut nilainya akan konstan, sehingga persamaan dapat dinyatakan dengan menjadi

Pada kasus kesetimbangan antara padatan dan cairan, maka persamaan dapat ditulis

dengan menggunakan definisi potensial kimia, maka persamaan dapat dirubah menjadi

Karena hubungan antara energi bebas dan enthalpi adalah sebagai berikut

maka perbedaan enthalpi antara fase padat dan cairan atau panas laten pencairan dapat diilustrasikan sebagai berikut

Apabila persamaan panas laten pencairan dintegrasikan maka akan didapat persamaan

dimana T A0 adalah titik beku cairan murni (A) dan X A adalah fraksi mol air pada campuran. Persamaan di atas dapat dimodifikasi menjadi

dimana T A T A0 » T 2 A0

untuk nilai T A -T AO yang kecil. Apabila D T F = T A0 -T A dan , nilai (X B << 1) maka akan didapat

Apabila panas laten pencairan berbasis unit massa, maka akan menjadi

dimana m adalah molalitas yang menyatakan mol per kg pelarut.

6.2. Perubahan Entalphi selama Pembekuan

Pada proses pembekuan terjadi penurunan suhu bahan sampai ke titik yang diinginkan, sehingga akan terjadi penubahan nilai enthalpinya. Perubahan nilai enthalpi total atau nilai panas dibutuhkan untuk menurunkan suhu bahan dari titik di atas titik bekunya sampai suhu penyimpanan yang diinginkan. Perubahan enthalpi tersebut dapat dituliskan rumusnya sebagai berikut.

dimanan H S merupakan panas sensibel yang dikeluarkan dari bahan padat, H V merupakan panas sensibel yang dikeluarkan dari air yang tidak terbekukan, H L merupakan perubahan enthalpi karena panas laten dan H T merupakan panas sensibel yang dikeluarkan dari es.

Panas sensibel yang dikeluarkan dari bahan padat teridiri dua bagian yaitu

dimana M S adalah fraksi padatan dalam bahan, c pS adalah panas spesifik bahan, (T i -T f ) adalah perbedaan suhu awal bahan dengan titik bekunya dan (T F -T) adalah perbedaan titik beku dengan suhu bahan.

Apabila dinyatakan dengan persamaan integral maka akan menjadi

Perubahan enthalpi untuk fraksi air yang tidak terbekukan adalah

dalam bentuk integral akan menjadi

Panas laten pada saat pembekuan merupakan fungsi dari jumlah fraksi air yang tidak terbekukan dan dinyatakan dengan persamaan

Sedangkan panas sensibel yang dikeluarkan dari air yang membeku adalah

atau dalam persamaan integral adalah

6.3. Pendugaan Laju Pembekuan

Dalam mendisain sebuah proses pembekuan, penentuan waktu pembekuan merupakan hal yang sangat penting. Waktu pembekuan merupakan faktor kritis dalam pemilihan sistem pembekuan untuk mencapai kualitas pembekuan yang optimal.

6.3.1. Persamaan Plank

Persamaan Plank untuk menduga waktu pembekuan dietemukan oleh Plank (1913). Persamaan ini menggambarkan periode perubahan fase pada proses pembekuan untuk air.

Bahan diasumsikan sebagai lempeng tak hingga dengan ketebalan a. Suhu awal bahan adalah sama dengan titik beku bahan, T F . Kemudian bahan dimasukkan ke dalam medium pembeku yang mempunyai suhu T s . Pindah panas yang terjadi adalah pindah panas satu dimensi. Setelah waktu tertentu maka akan ada tiga lapisan; dua lapisan beku dengan ketebalan x dan satu lapisan di tengah yang belum membeku. Jumlah pindah panas, q, yang melewati dua lapisan beku secara konduksi dan konveksi.

Apabila pergerakan daerah beku dinyatakan dengan dx/dt dan panas laten pembekuannya adalah L, maka

Karena semua panas yang dilepas pada saat pembekuan harus dilepaskan ke sekelilingnya maka

Proses pembekuan selesai apabila bahan terbekuakan bergerak dari luar ke titik tengah lempeng, a/2, sehingga

sehingga, waktu pembekuan, t F adalah

Apabila yang dibekukan adalah produk pangan dengan kadar air m m , maka panas laten pembekuan air, L, harus diganti dengan panas laten pembekuan produk, atau

Penentuan waktu pembekuan untuk produk pangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut

dimana r f adalah massa jenis produk beku (kg/m 3 ), Lf adalah perubhan panas laten bahan (kJ/kg), T F adalah titik beku ( o C), h adalah koefisien pindah panas konveksi pada permukaan bahan (W/(m 2 . o C)), a adalah ketebalan/diameter bahan (m), k adalah konduktivitas bahan (W/m. o C) dan P', R' adalah faktor bentuk (lempeng tak hingga, P'=1/2, R'=1/8, silinder tak hingga, P'=1/4, R'=1/16, bola, P'=1/6, R'=1/24).

6.3.2. Metode Pham

Pham (1986) mengajukan metode untuk menduga waktu pembekuan dan thawing. Metode yang dikembangkan dapat digunkan untuk bahan yang bentuk tidak beraturan dengan pendekatan elipsoidal. Keunggulan dari metode ini adalah mudah digunakan dengan tingkat keakuratan yang dapat dipercaya. metode ini menggunakan asumsi sebagai berikut:

• kondisi lingkungan adalah konstan

• suhu awal , Ti, konstan

• nilai suhu akhir, Tc, tetap

• konveksi pada permukaan bahan mengukuti hukum Newton tentang pendinginan.

Text Box: Suhu (oC)

Suhu rata-rata pembekuan (T fm )membagi pembekuan menjadi dua bagian yaitu pre cooling dan post cooling. Dari data penelitian Phan (1986) maka ditemukan

dimana T c adalah suhu akhir ( o C) dan T a adalah suhu medium pembekuan ( o C). Persamaan tersebut cocok untuk bahan pangan yang banyak mengandung air.

Waktu pembekuan untuk beberapa bentuk beraturan adalah sebagai berikut

dimana : d c adalah karakteristik dimensi, jarak terdekat ke pusat bahan atau jari-jari (m), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/[m 2 .K]), E f adalah faktor bentuk (E f =1 untuk lempeng tak hingga, E f =2 untuk silinder tak hingga dan E f =3 untuk bola), Bi adalah angka Biot.

D H1 adalah perubahan enthalpi secara volumetrik untuk periode pre cooling (J/m3).

dimana c u adalah panas spesifik untuk bahan yang tak terbekukan (J/[kg.K]), T i adalah suhu awal bahan ( o C).

D H 2 adalah perubahan enthalpi secara volumetrik pada periode perubahan fase dan post cooling .

dimana c f adalah panas spesifik untuk bahan beku (J/[kg.K]), L f adalah panas laten pembekuan (J/kg) dan r f adalah massa jenis bahan beku.

Gradien suhu D T 1 dan D T 2 diperoleh dari

6.4. Disain Peralatan Beku

Peralatan pembekuan untuk produk panga dikategorikan menjadi tiga yaitu a) Pembeku Semburan Udara, b) Pembeku Lempengan, dan c) Pembeku Pencelupan.

6.4.1. Pembeku Semburan Udara (Air Blast Freezers)

Sistem pembeku dengan udara dingin yang berkecepatan tinggi dapat didesain dengan beberapa konfigurasi, yang tergantung dari produk yang akan dibekukan dan kapasitas sistem.

Produk pangan yang mempunyai massa jenis tinggi dan dikemas besar diletakkan dalam sistem rak atau konveyor yang dihembus dengan udara dingin berkecepatan tinggi. Sistem pembekuan dapat dilakukan secara batch atau kontinyu.

Modifikasi dari pembekuan semburan udara ini adalah fluidized bed, dimana produk pangan dibekukan difluidasi dengan udara yang bersuhu rendah. Istilah komersial untuk pembeku ini adalah Instant-Quick-Frozen (IQF). Buah-buahan dan sayuran dapat dibekuka dalam 3 5 menit dengan IQF.

Untuk spiral air blast freezer dapat dilihat pada R. Paul Singh (rpaulsingh.com)

6.4.2. Pembeku Lempengan

Produk pangan atau dalam kemasannya disentuhkan langsung dengan lempengan yang dijaga pada suhu pembekuan. Pembekuan ini akan berjalan cepat. Produk akan kontak dengan lempeng pembeku pada dua sisinya.

Pembeku ini dapat didesain baik secara batch maupun kontinyu. Pergerakan udara tidak diperlukan sehingga akan menghemat tenaga apabila dibandingkan dengan pembeku semburan udara. Pembkeu ini biasanya digunkan untuk membekukan ikan atau daging.

Untuk pembeku lempengan dapat dilihat pada R. Paul Singh (rpaulsingh.com)

6.4.3. Pembeku Pencelupan

Konsep pembeku ini adalah produk pangan bersentuhan langsung dengan refrigeran pembeku yang mempunyai suhu rendah. Refrigeran yang umum dipakai untuk pembeku ini adalah caira nitrogen. Nitrogen mempunyai titik didih yang sangat rendah (-196 o C) sehingga laju pembekuan menjadi sangat cepat. Pembekuan akan cepat apabila produk pangan dipindahkan berlawanan arah dengan aliran refrigeran.

Dua refrigeran lain yang sudah digunkan dalam pembekuan pencelupan adalah karbon dioksida cair dan R-12. Karbon dioksida cair mempunyai titik didih -98 o C. Sedangkan R-12 mempunyai titik didih yang lebih tinggi (-30 oC).

Untuk pembeku pencelupan dapat dilihat pada R. Paul Singh (rpaulsingh.com)