Pengaruh Bentuk Bahan terhadap Pengeringan

Pengeringan

Pengeringan merupakan metode preservasi pangan kuno yang populer. Pengawetan daging, ikan, dan tanaman pangan menggunakan pengeringan matahari atau udara telah dilakukan sejak jaman prasejarah. Hingga saat ini, pengeringan masih menjadi satuan operasi penting dalam kehidupan dan industri. Pengeringan didefinisikan sebagai penghilangan air melalui proses evaporasi, dari bahan padat maupun cairan, dengan tujuan untuk mendapatkan produk akhir berbentuk padat dengan kadar air (ataupun a_w) yang cukup rendah (Berk, 2009).

Di dalam industri pangan, pengeringan ditujukan untuk  maksud sebagai berikut.

1. Pengawetan (sebagai akibat rendahnya a_w).
2. Pengubahan bahan pangan ke bentuk yang lebih nyaman dalam penyimpanan, pengemasan, distribusi, dan pemakaiannya.
3. Pemberian sifat produk pangan yang spesifik (seperti kerenyahan, cita rasa, keuletan, dan sebagainya).

Kepentingan proses pengeringan dalam operasi industri pangan mendorong pengembangan metode pengeringan yang efektif dan efisien. Sayangnya, prinsip fisika fenomena kompleks yang terjadi pada proses pengeringan tidak dapat bekerja untuk seluruh jenis bahan. Pemilihan metode pengeringan dan kecepatannya sangat spesifik terhadap bahan apa yang akan dikeringkan. Sehingga, perlu diketahui pengaruh bentuk bahan terhadap kecepatan pengeringan.

Mekanisme Pengeringan

Pada pengeringan, mekanisme penghilangan air melibatkan dua proses secara simultan, yaitu transfer panas (evaporasi air bahan oleh panas sensible maupun panas laten) dan transfer massa uap air (hasil evaporasi air bahan). Berdasarkan model transfer panas, pengeringan terbagi menjadi: pengeringan konvektif dan pengeringan konduktif. Pada kasus freeze-drying (lyofilisasi), metode penghilangan air bahan didasarkan pada sublimasi air pada pangan beku di bawah kondisi vakum.

Kecepatan transfer panas diekspresikan secara matematis sebagai berikut.

Q = H_s A (θa - θs)

Kecepatan transfer massa uap air diekspresikan secara matematis sebagai berikut.

m_c = K_g A (H_s - H_a)

Karena, selama masa kecepatan konstan, titik keseimbangan terbentuk antara kecepatan transfer panas ke dalam bahan pangan dan kecepatan transfer massa kehilangan uap air dari bahan pangan. Kesetimbangan tersebut dinyatakan dengan model matematis berikut.

-m_c = H_s A (θa - θs) λ^-1

Dimana,

Q            = kecepatan transfer panas (J s^-1)

θ_a            = suhu rata-rata bola kering udara (°C)

θ_s            = suhu rata-rata bola basah udara (°C)

-m_c         = kecepatan transfer massa uap (kg s^-1)

K_g           = koefisien transfer massa (kg m^-2 s^-1)

A             = luas permukaan bahan (m²)

H_s           = kelembaban jenuh pada permukaan makanan (kg air per kg udara kering)

H_a           = kelembaban udara (kg air per kg udara kering) 

λ             = panas laten vaporisasi pada suhu bola basah (J kg^-1)

Dari beberapa persamaan di atas, diketahui bahwa luas permukaan bahan merupakan faktor yang mempengaruhi kecepatan pengeringan. Luas permukaan bahan berkorelasi positif terhadap baik kecepatan transfer massa maupun kecepatan transfer panas. Secara langsung, luas permukaan dipengaruhi oleh bentuk geometris bahan.

Pengaruh Bentuk Bahan secara Umum terhadap Kecepatan Pengeringan

Bentuk bahan pangan tidak bisa dikelompokkan secara sempurna, misalnya kubus atau bulat sempurna. Sangat sulit untuk mendapatkan bentuk-bentuk demikian dan keseragamannya, namun dapat dilakukan estimasi dan perkiraan yang mendekati bentuk sempurnanya. Di industri, bentuk dinyatakan dengan terminologi sphericity. Oleh karena itu, digunakan persamaan berikut untuk menghitung luas permukaan bahan yang memiliki bentuk secara umum.

A = 6m / (Ф ρ_p D_p)

Dimana,

A            = luas permukaan bahan (m²)

m            = massa bahan (kg)

Ф            = kebolaan/sphericity

ρ_p           = densitas partikel (kg/m³)

D_p           = diameter partikel ekuivalen (m)

Berdasarkan persamaan di atas, luas permukaan berkorelasi negatif terhadap diameter bahan ekuivalen. Secara teknis, perluasan permukaan bahan dapat dilakukan dengan cara memperkecil diameter ekuivalen suatu bahan. Kecilnya diameter ekuivalen bahan dapat berimplikasi pada penurunan jarak sumber panas ke titik terdingin bahan (untuk kasus transfer panas) dan jarak titik terjauh bahan dari permukaan bahan untuk mendifusi uap air (untuk kasus transfer massa uap air). Pemendekan jarak ini dapat meningkatkan kecepatan transfer panas dan transfer massa uap air secara simultan.

Pengaruh Bentuk Bahan secara Teoritis terhadap Kecepatan Pengeringan

Secara realita, bentuk bahan mempengaruhi kecepatan pengeringan melalui rasio luas permukaan (A) terhadap volume bahan (V). Diinginkan bahan dengan luas permukaan yang tinggi dan volume bahan yang rendah (rasio luas permukaan:volume tinggi) sehingga kecepatan pengeringan dapat meningkat. Berikut adalah contoh beberapa bentuk geometris yang biasa ditemui di industri pangan.

Gambar	Nama	Rumus A	Rumus V	Rasio A:V per unit volume
	Tetrahedron			7,210
	Kubus	6a	a3	6,000
	Bola	4πa2	(4/3)πa2	4,836

Dari perbandingan di atas, pada satuan volume bahan yang sama, diketahui bahwa urutan bentuk bahan yang memiliki kecepatan transfer massa dan transfer panas berturut-turut adalah tetrahedron, kubus, dan bola. Namun, sangatlah sulit untuk medapatkan bahan-bahan pangan berbentuk dadu/kubus. Misalnya, pada pengeringan biji pala, pengeringan susu, ataupun pengeringan sayur-sayuran. Sehingga, untuk mendapatkan rasio luas permukaan:volume bahan yang tinggi dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu: (1) meningkatkan luas permukaan bahan; dan (2) menurunkan volume bahan. Dengan demikian, diharapkan dapat mempercepat pengeringan bahan-bahan non-kubikal.

Pengaruh Bentuk Bahan secara Aplikasi terhadap Kecepatan Pengeringan

Dalam industri pangan, banyak usaha yang dilakukan untuk meningkatkan rasio luas permukaan terhadap permukaan. Misalnya, pada pembuatan keripik singkong. Bahan adonan yang awalnya menyerupai silinder diiris-iris sehingga menghasilkan bahan adonan yang berbentuk slab. Pada bentuk slab, jarak titik terdingin adonan dengan sumber panas menjadi sangat pendek. Sehingga, lintasan yang dilalui oleh panas (dari lingkungan/udara ke bahan) maupun uap air (dari bahan ke lingkungan/udara) diminimalisir dan berakibat pada peningkatan kecepatan pengeringan adonan.

Peningkatan rasio luas permukaan:volume juga dapat dicapai melalui proses pengecilan ukuran. Misalnya pada sayur-sayuran. Untuk membuat bubuk sayur (ataupun bubuk buah), dilakukan proses pengecilan ukuran pada perlakuan pendahuluannya, seperti pengirisan, pendaduan, shredding, dan lain sebagainya. Sehingga, luas kontak permukaan bahan terhadap udara pengering dapat meningkat. Hal ini dapat meningkatan kecepatan transfer panas maupun transfer massa uap air pada pengeringan bahan-bahan tersebut.

Pada industri susu bubuk, pengeringan dilakukan dengan metode spray drying. Metode ini melibatkan pengecilan ukuran susu dalam bentuk cairan atau droplet susu. Ukuran droplet berkisar 10-200 μm. Dengan diameter partikel susu yang relatif kecil dan kombinasi suhu udara pengering yang tinggi, pengeringan dapat dilakukan dalam beberapa detik saja. Berdasarkan persamaan matematis untuk perhitungan luas permukaan bahan secara umum, diameter partikel ekuivalen memiliki korelasi negatif terhadap luas permukaan bahan. Dengan demikian, luas permukaan susu menjadi meningkat dalam volume susu yang sama.

Secara lebih konvensional, perluasan area kontak bahan terhadap udara pengering dapat dicapai dengan pemerataan bahan. Misalnya, pada industri rempah, pengeringan biji lada ataupun pods vanili dapat dilakukan lebih cepat dengan meratakan bahan-bahan tersebut di bawah sinar matahari pada lahan yang luas. Pemerataan bahan-bahan dapat dianalogikan sebagai proses pembentukan slab. Dengan pemerataan bahan, bahan tidak saling menumpuk dan menghalangi transfer massa dan transfer panas dari matahari menuju rempah.

Pada penelitian mengenai pengeringan serbuk kayu, bahan berbentuk flake-like dan cylinder-like dapat memberikan kecepatan pengeringan lebih tinggi dibanding bentuk near spherical. Menurut Lu (2002), jarak dari permukaan terjauh mengalami peningkatan suhu yang paling rendah. Hal ini terjadi karena lintasan transfer panas dari udara pengering menuju ke titik terdingin bahan relative panjang pada bentuk near spherical. Selain itu, dibandingkan ketiga bentuk diatas, kehilangan massa sepanjang pengeringan lebih banyak terjadi pada bentuk flake-like dan cylinder-like. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan luasan permukaan kontak bahan terhadap udara pengering dapat mempercepat transfer massa uap air dan transfer panas (prose pengeringan).

Referensi

Beals, M. (2000). Sizes of Organisms: The Surface Area:Volume Ration. New York: Cambridge University Press.

Berk, Z. (2009). Food Process Engineering and Technology. New York: Elsevier Inc.

Brennan, J. G. (2006). Evaporation and Dehydration. In J. G. Brennan, Food Processing Handbook (pp. 71-121). Weinheim: Willey-VCH.

Fellows, P. J. (2000). Food Processing Technology. Cambridge: Woodhead Publishing Limited.

Lu, H. (2002). Effects of Particle Shape and Size on Black Liquor and Biomass Reactivity. Provo: Brigham Yong University Press.

Sahin, S. (2006). Physical Properties of Foods. New York: Springer.

United Nations Industrial Development Organization. (2005). Herbs, Spices, and Essential Oils: Post-Harvest Operations in Developing Countries. Rome: Food and Agriculture Organization of The United Nations.