ANALISA PERSAMAAN PANAS DAN NILAI STERILISASIPADA PROSES STERILISASI MAKANAN KALENG(Heat Equation Analize and Sterilized Value of Canned Food Sterilization Process : A review)Dedik Ardian

Oleh :Fauziyyah Pucitraningrum(1)NIM : 12/39520/TP/10308(1) Jurusan Teknologi Industri Pertanian, Fakultas TeknologiPertanian, Universitas Gadjah Madafauziyyahpucit@gmail.com

ABSTRAKSI

Perpindahan energi terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Ilmu perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lainya, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Salah satu dari beragam masalah yang dapat diselesaikan dengan ilmu perpindahan panas adalah persamaan panas pada proses sterilisasi makanan kaleng. Optimasi proses sterilisasi makanan kaleng diperlukan untuk dapat menentukan kombinasi suhu dan waktu selama pemanasan yang dapat memenuhi kriteria keamanan pangan dan mutu. Penyelesaian dan simulasi model dari permasalahan menggunakan metode beda hingga untuk mendapatkan solusi numeriknya. Metode beda hingga merupakan salah satu bentuk penyelesaian numerik yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan difrensial.Pentingnya penggunan perpindahan panas untuk proses sterilisasi makanan kaleng mempunyai harapan untuk memberikan konsumen makanan kaleng yang sehat, aman dan jauh dari bakteri kontaminan. Kata kunci : heat transfer, kaleng, makanan, persamaan panas, sterilisasi

Transfer Panas

12

I. Pendahuluan Dalam kehidupan sehari-hari banyak dijumpai hal-hal yang berkaitan dengan perpindahan panas, terutama dalam bidangindustri. Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Ilmu perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lainya, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisikondisi tertentu. Salah satu dari beragam masalah yang dapat diselesaikan dengan ilmu perpindahan panas adalah persamaan panas pada proses sterilisasi makanan kaleng. Menurut Cengel (1997) aplikasi perpindahan panasdapat dijumpai pada berbagai bidang keteknikan diantaranya pada industri permesinan, pesawat terbang, sistem permesinan dan pendinginan, yang mana selalu melibatkan ketiga mekanisme perpindahan panas pada berbagai bentuk penampang yakni konduksi, konveksi danradiasi (Pieter W. Tetelepta, 2009)Suatu benda tidak dapat memiliki panas, akan tetapi panas dapat dikenali pada saat melalui batas sistem. Sedangkan perpindahan panas adalah berlangsungnya perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur antara dua sistem yang bersinggungan, dimana arah perpindahannya dari daerah yang bertemperatur lebih rendah didalam suatu medium baik padat, cair maupun gas. Perpindahan panas mengenal tiga cara pemindahan yang berbeda yaitu: 1. Konduksi atau hantaranq konduksi = - kADengan :q konduksi: laju perpindahan panas(w)k :konduktifitas bahan(w/moC)A : luas permukaan (m2) : gradien temperatur (k/m) 2. Konveksiq konveksi = HA (Ts-T)Dengan :q konveksi : laju pindah konveksi (w)H: koefisien konveksi (w/m2oC)A: luas permukaan (m2)Ts: suhu permukaan (k)T: suhu fluida lingkungan (k)

3. Radiasi atau Pancaran.q radiasi = A(Ts4-Tsur4)Dengan :q radiasi: laju pindah panas radiasi (w): sifat radiatif 0 1, + 1 emisivitas sempurna: 5,67 x 10-8 adalah konstanta Sefan BoltzmanTs : suhu permukaan (k)Tsur : suhu keliling (k)A: luas permukaan (m2)

Masalah Perpindahan Panas tidak hanya bergantung pada prosesnya tetapi juga bergantung pada kondisi proses berlangsungnya perpindahan panas tersebut. Umumnya kondisi berlangsungnya proses perpindahan panas ada dua macam yaitu :1. Kondisi Steady (Tunak), adalah bila laju perpindahan panas dalam suatu system tidak berubah terhadap waktu, misalnya persamaan Laplace2. Kondisi Unsteady (Tidak tunak), kondisi bila temperatur di berbagai titik dari system berubah terhadap waktu atau, misalnya persamaan parabolikPersamaan laju perpindahan panas konduksi merupakan persamaan dasar konduktivitas termal. Konduktivitas termal tergantung pada temperature, bila aliran panas dinyatakan dalam satuan watt, maka satuan konduktivitas termal adalah watt per meter per derajatcelcius/Kelvin. Angka konduktivitas termal menunjukkan panas yang mengalir pada bahan tertentu. Konduktivitas yang dimaksud karena kaleng merupakan benda logam yang dapat menghantarkan panas secara konduksi sehingga diperlukan konduktivitas termal yang tepat untuk setiap bahan (logam)Proses sterilisasi makanan kaleng dengan pemanasan dilakukan untuk penentuan jaminan keselamatan bahan makanan. jaminan ini meliputi tepat atau tidaknya tanggal kadaluwarsa yang tercantum pada label, rusak tidaknya kualitas makanan dan jumlah kandungan nutrisi yang ada. Namun demikian, proses sterilisasi makanan yang diberikan tidak semata-mata membunuh mikroba, tetapi juga harus mempertimbangkan mutu akhir dari produk, dimana kerusakan mutu oleh pemanasan harus diminimalkan. Dengan demikin optimalisasi sterilisasi makanan kaleng perlu untuk dapat menentukan kombinasi suhu da waktu selama proses pemanasan yang memenuhi kriteria keamanan dan mutu pangan. Tujuan dari review ini adalah mengkombinasikan beberapa ilmu yang berkaitan dengan proses sterilisasi makanan kaleng, dimana makanan kaleng merupakan makanan yang mudah dijumpai di hampir seluruh pelosok negeri. Kemudian sterilisasi merupakan suatu tahapan yang sangat menentukan kualitas dan keamanan pangan suatu produk terutama makanan kaleng yang tergolong makanan instan, makan setengah jadi atau bahkan makanan siap saji. Beberapa contoh makanan kaleng adalah ikan kaleng, daging kaleng, minuman kaleng bersoda, cincau, koktail buah dan susu.Batasan masalah pada penelitian ini adalah :1. Benda bersifat homogen sehingga konstanta kalor jenis bahan c, konduktifitas suhu bahan k dan massa jenis bahan tidak bergantung terhadap x, y, dan z.2. Perubahan panjang, lebar dan tinggi benda yang terjadi sangat kecil sekalipun terjadi perubahan suhu, sehingga dapat diabaikan.3. Benda terisolasi sempurna pada seluruh permukaannya.4. Jika panas mengalir dari titik P menuju titik P dan suhu T hanya bergantung pada posisi dan waktu, yaitu x, y, z dan t, maka secara matematis dapat ditulis .5. Persamaan Panas yang didapatkan adalah persamaan panas pada kaleng makanan bukan pada makanan.6. Kaleng makanan berbentuk silinder

II. MetodologiMetode perhitungan yang digunakan berupa : 2.1 Metode Numerik Digunakan metode dasar berupa metode numerik yang merupakan teknik untuk menyelesaikan masalah- masalah yang diformulasikan secara matematis dengan cara operasi hitungan. Pada metode Numerik dilakukan operasi hitungan dalam jumlah besar dan berulang-ulang. Oleh karena itu, diperlukan bantuan komputer untuk melakukan operasi hitungan tersebut. Sedangkan difrensial numerik digunakan untuk memperkirakan bentuk difrensial kontinu menjadi bentuk diskret.Dapat dijelaskan dengan deret Tylor berikut ini :f(a+h) = f (a) + h 2 + ........+ f(n-1)(a)+ RnDengan Rn merupakan suku sisa . 2.2 Metode beda hingga Suatu fungsi dari suatu variable bebas f dan dapat dideferensialkan sampai n kali didalam interval [x0 - h, x0 + h], dimana h cukup kecil, dapat diuraikan dalam bentuk deret pangkat yang selanjutnya diperoleh suku pertama sebagai berikut :E1 = f (x0)| = 0(h)Dengan orde kesalahan :E1 = 0(h2) = - f (4)(x0)|Dengan x0-h x0 +h. 2.3 Proses sterilisasiSterilisasi (Processing) pada pengalengan adalah proses pemanasan wadah serta isinya pada suhu dan jangka waktu tertentu untuk menghilangkan atau mengurangi faktor-faktor penyebab kerusakan makanan, tanpa menimbulkan gejala lewat pemasakan (over cooking) pada makanannya. Waktu dan suhu yang diperlukan untuk proses sterilisasi biasanya tergantung pada konsistensi atau ukuran partikel bahan, derajat keasaman isi kaleng, ukuran headspace, besar dan ukuran kaleng, kemurnian uap air (steam) yang digunakan, dan kecepatan perambatan panas.2.3 Nilai Sterilisasi Ketahanan panas untuk setiap mikrobia berbeda-beda, dan dapat ditampilkan pada tabel berikut ini :Tabel 1 : Ketahanan panas setiap mikrobia pada level yang sama .OrganismeWaktu(menit)Suhu(oC)

Sel vegetatif1080

Khamir560

Kapang30-6088

Bakteri termofilik : Clostridu Thermosachharilyticum Bacillus3-4121

Bakteri Mesofilik Clostridium Botulinum Toksin Botolinu A & B Clostridinum Sporogees Bacillus Subtallis0.6-3121

Jenis suspensi perlu diketahui dan disiapkan dipanaska pada suhu konstan, maka jumlah mikrobia mengikuti pola logaritmik sebagai fungsi dari waktu. Pada suhu tertentu,laju inaktifasi mikroba selama waktu pemanasan pada suhu tertentu dapat dinyatakan sebagai berikut : = -kNdengan :N : Jumlah mikroba sisa yang masih hidup setelah pemanasant : Waktu pemanasank : laju reaksidan diintegralkan hingga diperoleh persamaan sebagai berikut ini yang menunjukan plot kurva semilogaritma N terhadap t , yang langsung dapat di sederhanakan :ln = -ktmenjadi log = - kemudian nilai slope 2.303/k di nyatakan dalam dan merupakan waktu penurunan desimal (decimal reduction time). Nilai dipengaruhi oleh suhu, semakin tinggi suhu pemanasan maka waktu yang di perlukan untuk menginaktivasi mikrobia dalam makanan akan semakin pendek. Hal ini dapat di tunjukan dengan kurva berikut yang merupakan gambaran kurva setelah nilai slope di nyatakan dalam :

Gambar 1 : Pengaruh suhu terhadap

Gambar 2. Kurva semilogaritmik hubungan dengan suhuPersamaan yang digunakan adalah sebagai berikut :

Dengan : waktu yang dibutuhkan untuk mengurangi bakteri sebanyak 90 persen (menit) ref: nilai pada suhu tertentu (menit)T : suhu pemanasan tertentu ( 0C / 0F )T ref : suhu standar yang digunakan untuk nilai ( 0C / 0F ) ref : sensitifitas nilai terhadap suhu( 0C / 0F )2.4 Metode kerja 1. Menguraikan persamaan dan teori pendukung2. Analisa perpindahan panas pada proses sterilisasi makanan kaleng.3. Membangun solusi numerik menggunakan metode beda hingga4. Menyusun algoritma dan progam dalam bahasa pemograman MATLAB.5. Running progam6. Analisis hasil7. Menarik kesimpulan dan menyusun laporan

2.5 Pengalengan produk makanan kalengPengalengan merupakan cara pengawetan bahan pangan dalam wadah yang tertutup rapat (hermetis) dan disterilisasi dengan panas. Setelah proses sterilisasi harus segera dilakukan proses pendinginan untuk mencegah terjadinya over cooking pada makanan dan tumbuhnya kembali bakteri termofilik. Pada umumnya proses pengalengan bahan pangan terdiri atas beberapa tahap, diantaranya persiapan bahan, pengisian bahan ke dalam kaleng, pengisian medium, exhausting, sterilisasi, pendinginan, dan penyimpanan Persiapan bahan dilakukan dengan pemilihan bahan-bahan yang akan dikalengkan, pencucian, pemotongan menjadi bagian-bagian tertentu, dan persiapan bahan untuk pengolahan selanjutnya. Pencucian bertujuan untuk memisahkan bahan dari material asing yang tidak diinginkan, seperti kotoran, minyak, tanah, dan sebagainya serta diharapkan dapat mengurangi jumlah mikroba awal yang sangat berguna dalam efektivitas proses sterilisasi.Pengisian bahan pangan ke dalam wadah harus memperhatikan ruangan pada bagian dalam atas kaleng (head space). Head space adalah ruang kosong antara permukaan produk dengan tutup yang berfungsi sebagai ruang cadangan untuk pengembangan produk selama disterilisasi, agar tidak menekan wadah karena akan menyebabkan kaleng menjadi menggelembung. Besarnya head space bervariasi tergantung jenis produk dan jenis wadah. Umumnya untuk produk cair dalam kaleng, tingginya head space adalah sekitar 0.25 inci, sedangkan bila wadah yang digunakan adalah gelas jar, direkomendasikan head space yang lebih besar. Bila dalam pengalengan tersebut ditambahkan medium pengalengan, tinggi head space tidak boleh kurang dari 0.25 inci, tetapi bila produk dikalengkan tanpa penambahan medium, diperkenankan produk diisikan sampai hampir penuh dengan meninggalkan sedikit ruang head space. Pengisian bahan ke dalam harus seragam dengan tujuan untuk mempertahankan keseragaman rongga udara (head space), memperoleh produk yang konsisten, dan menjaga berat bahan secara tetap. Menurut Muchtadi (1994), penghampaan udara (exhausting) adalah proses pengeluaran sebagian besar oksigen dan gas-gas lain dari dalam wadah agar tidak bereaksi dengan produk sehingga dapat mempengaruhi mutu, nilai gizi, dan umur simpan produk kalengan. Exhausting juga dilakukan untuk memberikan ruang bagi pengembangan produk selama proses sterilisasi sehingga kerusakan wadah akibat tekanan dapat dihindari dan untuk meningkatkan suhu produk di dalam wadah sampai mencapai suhu awal (initial temperature). Penutupan wadah dilakukan setelah proses penghampaan udara (exhausting) yang bertujuan untuk mencegah terjadinya pembusukan ( Rahma Utami, 2012).

III. Analisis, Hasil dan Pembahasan3.1 Pemodelan MatematisProses sterilisasi makanan kaleng memiliki serangkaian kendala yang harus diperhatikan. Kendala yang ada diantaranya adalah proses perambatan panas yang dimodelkan dengan persamaan difrensial parsial orde dua dan kendala yang lain berupa nilai sterilisasi dengan memperhatikan derajat pertumbuhan mikroorganisme dalam makanan kaleng. Proses pemodelan persamaan panas dimensi tiga disini dimulai dari sistem koordinat kartesius kemudian ditransformasikan kedalam sistem koordinat tabung. Pemakaian sistem koordinat tabung karena lebih sesuai dengan masalah yang akan diselesaikan, yaitu kaleng berbentuk tabung. Selanjutnya akan dicari model matematis perambatan panas yang terjadi. Namun untuk selanjutnya pemanasan tergantung dari jenis bahannya yang diamati, seperti makanan kaleng tergantung jenis makanannya yang terlihat dari kalor jenis bahan c, konduktifitas suhu bahan k dan masa jenis bahan . Persamaan konduksi pada tiga dimensi dapat diturunkan dari bentuk kontrol volume yang tepi-tepinya dx, dy, dz masing-masing sejajar dengan sumbu x, y, dan z seperti yang ditunjukkan pada gambar :

Gambar 3. Kontrol volume benda dimensi tigaKuantitas energi dapat di tampilkan dalam persamaan-persamaan berikut :

Diperoleh :

Konduktivitas termal tetap, sehingga :

Dengan = merupakan konstanta penghamburan panas, dan persamaan tersebut disebut sebagai persamaan penghamburan panas.

Gambar 4. Kaleng berbentuk tabung

Dengan menggunakan titik-titik yang ditransformasikan untuk x = r cos , y = r sin , z = z, dan di selesaikan dengan operasi turunan hingga turunan kedua hasil akhir akan diperoleh sebuah persamaan berikut ini :

Persamaan ini merupakan persamaan panas pada benda dimensi tiga dalam koordinat tabung.Selanjutnya adalah melihat perambatan panas yang tergambar sebagai berikut :

Gambar 5. Perambatan panas pada sisi kalengMaka, didapat persamaan yang menyatakan bahwa= 0 dan =0, sehingga di dapat :Untuk melengkapi pemodelan kendala yang diberikan pada perambatan panas, ditambahkan syarat awal dan syarat batas sebagai berikut. Syarat Awal pada waktu initial time i t suhu awalnya adalah T0

Syarat Batas suhu di sekeliling, dasar dan atas kaleng diberikan oleh :

Dengan mengunakan metode beda hingga, maka diperoleh persamaan panas pada kaleng :

3.2 Hasil

Dengan melalui proses perhitungan, diperoleh pergerakan panas pada pusat kaleng , yang di tampilkan pada grafik berikut :

Gambar 6. Pergerakan panas pada pusat kalengSelanjutnya, untuk kondisi mikrobia pada kemasan kaleng ditunjukan pada grafik berikut ini :

Gambar 7. Jumlah mikrobiaHal ini menunjukan bahwa dengan proses pemanasan yang terjadi, dapat dilihat dri grafik bahwa perpindahan panas (heat transfer) yang di alami kaleng semakin lama menunjukan kenaikan (gambar 6). Begitu juga untuk jumlah mikrobia yang mengalami penurunan setelah proses pemanasan berlangsug. Hal ini menunjukan bahwa pergerakan panas berbanding terbalik dengan jumlah mikrobia dalam suatu titik waktu tertentu. Untuk itulah mengapa perlu adanya proses pemanasan yang bertujuan untuk melakukan sterilisasi terhadap kaleng kemasan. Banyak hal yang akan terjadi jika proses ini diabaikan. Banyak faktor yang perlu di perhatikan , karena sterilisasi yang tidak baik akan menunjukan tingkat kemungkinan keracunan yang cukup tinggi.

3.3 Sterilisasi dalam makanan kalengSterilisasi dalam makanan kaleng akan mengurangi tingkat kemungkinan suatu makanan dapat meracuni konsumen. Keracunan makanan seringkali disebabkankarena beberapa hal seperti 1. Bahan asing anorganik/organik yang secara sengaja/tidak tercampur pada makanan saat proses pembuatan atau pengawetan2. Adanya racun dalam makanan itu, misalnya keracunan ikan, jamur, singkong3. Terdapat kuman/parasit dalam makanan, misalnya E. histolisia, Salmonella, dan lain-lain4. Terdapat toxin kuman5. Proses sterilisasi yang berlangsung kurang optimal. Beberapa tindakan dapat mencegah atau mengurangi terjadinya keracunan bahan makanan, yaitu :1. Hygiene pribadi (personal hygiene), mencuci bersih tangan dengan air bersih mengurangi terjadinya keracunan akibat kontaminasi bahan racun yang terbawa. 2. Hygiene lingkungan (environmental hygiene), penyimpanan makanan harus diusahakan sedemikian rupa sehingga tidak dikotori oleh serangga atau binatang. Penyegar udara di ruangan penyimpanan harus baik untuk mencegah kerusakan makanan. 3. Pengolahan dan penyajian yang baik dan bersih, suhu pada saat memasak harus tinggi untuk mematikan kuman tetapi tidak boleh terlalu tinggi sehingga merusak zat makanan dan mengurangi gizi. Misalnya seperti pasteurisasi, perebusan, pemanasan,dan yang lain sebagainya.

IV. Kesimpulan dan Saran4.1 KesimpulanBerdasar penelitian diatas dapat disimpulkan bahwa : 1. Solusi numerik yang didapatkan dengan menggunakan metode beda hingga adalah

2. Sterilisasi untuk makanan kaleng sangatlah harus diperhatikan, mengigat makanan dalam kemasan kaleng sangat riskan dengan kontaminasi dan dapat menimbulkan keracunan dalam makanan. 4.2 SaranMasih terbuka untuk penelitian lanjutan, khususnya mengenai penyelesaian model kontrol optimal pada nilai sterilisasi makanan.

V. Ucapan Terima kasih-Allah SWT yang telah memberika rahmat dan hidayah-Nya sehingga dapat menyelesaikan review tugas ini.- Kedua orang tua yang telah memberikan support moral maupun materiil.-Bp. Makhudun Ainuri, selaku dosen matakuliah Satuan Proses

VI. Daftar Pustaka-Ardian,Dedik. 2009. ANALISA PERSAMAAN PANAS DAN NILAI STERILISASI PADA PROSES STERILISASI MAKANAN KALENG (Heat Equation Analize and Sterilized Value of Canned Food Sterilization Process). Dalam Jurnal tugas akhir ITS. -Utami, Rahma. 2012. KARAKTERISTIK PEMANASAN PADA PROSES PENGALENGAN GEL CINCAU HITAM (Mesona palustris). Dalam Jurnal tugas akhir IPB.-Pratiknjo, Laksomono. 2012. KERACUNAN MAKANAN MERUPAKAN SALAH SATU INDIKATOR LEMAHNYA KONTROL PEMERINTAH DAN MASYARAKAT TERHADAP PRODUK MAKANAN YANG BEREDAR. Dalam Jurnal Fakultas Kedokteran Universitas Wijaya Kusuma Surabaya.

LAMPIRAN :A.

Gambar 8. Contoh-contoh makanan kaleng

B.

Gambar 9. Contoh minuman kaleng