10/6/2013

1

PENDAHULUAN

● Penting dalam proses pindah panas bahan pangan, misalnya pada pengeringan, pendinginan, pembekuan dan pemanasan.

awalnya analisis didasarkan pada nilai konstanta sifat termal yang seragam

terlalu disederhanakan dan kurang akurat

Penentuan komposisi bahan pangan saat ini sudah lebih akurat.

Pengaruhnya terhadap sifat termal ???

Sifat-sifat termal bahan pangan dapat diketahui hanya dengan mengetahui komposisi, suhu, densitas dan/atau porositas produk

Bahan pangan sangat beragam dalam hal komposisi dan karakteristik fisik.

Misal : komposisi sayuran tergantung pada varitas, iklim dll.

Saat ini produksi dan sistem proses produk pangan sudah lebih seragam dari hari ke hari dan musim ke musim menggunakan data sifat termal yang lebih teliti

Sifat termal bahan pangan meliputi :

Panas jenis (Cp)

Enthalpy

Konduktivitas panas (k)

Difusivitas panas

Koefisien pindah panas

permukaan

Penting dalam proses pemanasan dan pendinginan

Sifat termal lain yang secara alami terdapat pada bahan :

o Titik leleh/beku

o Panas laten

o Panas respirasi

o Panas adsorpsi

o Koefisien ekspansi panas

o Konstanta dielektrik

o Emisivitas

o Absorpsivitas (pindah panas radiasi)

Kurang begitu penting dalam aplikasi pindah panas

Tabel 1. Satuan dan Konversi Sifat-Sifat Termal Bahan Pangan

Sifat Termal Satuan SI Satuan Amerika Satuan Kalori

Panas Spesifik 1.00 kJ/kg.oC =0.239 BTU/lboF =0.239 Kal/goC

Entalpi 1.00 kJ/kg =0.430 BTU/lb =0.239 Kal/g

Konduktivitas panas

1.00 W/m.oC =0.578 BTU/jam.ft.oF

=0.860 kkal/m.jamoC

Difusivitas panas 1.00 m2/dt 10.76 ft2/dt =1.00 m2/dt

Koefisien Pindah panas permukaan

1.00 W/m2.oC =0.176 BTU/jam.ft2.oF

=0.860 kkal/m2.jam.oC

Densitas Massa 1000 kg/m3 =62.4 lb/ft3 =1000 kg/m3

A. Panas Jenis (Specific Heat) = Cp

• adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu sebesar 1oC atau 1oF

• Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu bahan dengan massa M dari T1 ke T2 =

Q = M Cp (T2-T1)

• Cp tidak tergantung pada densitas bahan

• Panas jenis air dalam keadaan cair : 1.00 BTU/lb

• Panas jenis air dalam keadaan beku : 0.48 BTU/lb

• Rumus :

1. Untuk bahan berkadar air tinggi, rumus cp di atas titik beku :

cp = 4.1868 (0.008 m + 0.2)

2. Untuk proses di bawah titik beku :

cp = 4.1868 (0.003 m + 0.2)

m = kadar air bahan (% basis basah)

10/6/2013

2

Tabel 1. Panas jenis beberapa jenis bahan

Jenis Bahan Kadar Air

(%)

Panas Jenis (kal/g/oC)

Di atas titik beku Di Bawah titik beku

Madu 17 0.35 0.26

Es Krim 63 0.80 0.45

Pisang 76 0.80 0.42

Tomat 94 0.95 0.48

Bayam 91 0.94 0.48

Kurma 22 0.36 0.26

Daging segar 48-72 0.70-0.84 0.38-0.43

B. Entalpi (h)

• adalah tingkat kandungan panas atau energi pada bahan.

• Sangat sulit untuk menentukan nilai absolutnya sehingga nilai entalpi = 0 ditentukan pada suhu – 40oC, 0oC atau pada kisaran suhu lain.

• Lebih banyak digunakan untuk menghitung energi pada uap panas daripada bahan pangan.

• Lebih sesuai untuk produk pangan beku karena pada produk pangan beku sulit dibedakan antara panas laten dan panas sensibel.

• Jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu benda dari suhu T1 ke T2 = M(h2-h1), dimana M = massa bahan, h2

dan h1 = entalpi pada suhu T2 dan T1.

• Nilai Entalpi tergantung pada komposisi dan jumlah air yang tidak beku pada bahan sulit ditentukan.

C. Konduktivitas Panas (k)

• adalah laju pindah panas (q) melalui permukaan bahan dengan luas A jika pada benda tersebut diberikan panas dengan perbedaan suhu sebesar T1-T2

q L

k = A (T1-T2)

k = konduktivitas panas, A = luas permukaan, q = laju pindah panas

• merupakan kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan panas.

• Pada bahan pangan konduktivitas panas tergantung pada komposisi dan faktor-faktor yang mempengaruhi aliran panas ke bahan, misalnya persentase ruang kosong, bentuk, ukuran dan pengaturan ruang kosong, homogenitas dan orientasi serat pada daging beku.

• Penting dalam penyimpanan biji-bijian, proses pengolahan, pendinginan.

Tabel 2. Konduktivitas Panas Beberapa Jenis Bahan

Type Bahan Konduktivitas Panas (Wm-1K-1) Suhu Pengukuran (oC)

Bahan Konstruksi

Alumunium

Tembaga

Stainless Steel

220

388

21

0

0.

20

Bahan Pangan

Olive oil

Whole milk

Freeze-dried foods

Frozen beef

Apple Juice

Orange

Green Beans

Cauliflower

Telur

Es

Air

0.17

0.56

0.01-0.04

1.30

0.56

0.41

0.80

0.80

0.96

2.25

0.57

20

20

0

-10

20

0 - 15

-12.1

-6.6

-8

0

0

Bahan Pengemas

Gelas

Polietilen

0.52

0.55

20

20

D. Difusivitas Panas (D. Difusivitas Panas ())

Penting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsiPenting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsi

Secara fisik berhubungan dengan kemampuan bahan untuk Secara fisik berhubungan dengan kemampuan bahan untuk mengalirkan panas dan kemampuannya disimpan pada suhu tinggi.mengalirkan panas dan kemampuannya disimpan pada suhu tinggi.

Menentukan kecepatan distribusi panas dalam bahanMenentukan kecepatan distribusi panas dalam bahan

Semakin besar Semakin besar maka semakin cepat pembauran panas dalam maka semakin cepat pembauran panas dalam bahanbahan

Rumus :Rumus :

kk

==

cpcp

Dimana :

k = konduktivitas panas

= densitas

cp = panas jenis

Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU

E. Koefisien Pindah Panas Permukaan

• Pada dasarnya bukan merupakan sifat bahan pangan atau benda lain.

• Digunakan untuk menghitung laju panas konveksi dari/ ke permukaan objek.

• Diperlukan untuk menghitung pindah panas pada proses pemanasan dan pendinginan

• Defenisi berdasarkan hukum Newton tentang pendinginan :

“ konstanta yang berhubungan dengan heat flux ke/dari sebuah permukaan karena perbedaan suhu antara permukaan dan dan aliran fluida yang melewati permukaan”

• Nilainya tergantung pada kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fluida, tekstur dan bentuk permukaan serta perbedaan suhu.

10/6/2013

3

SIFAT-SIFAT THERMAL LAIN

Panas Laten (Latent Heat)

adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah

keadaan suatu bahan tanpa merubah suhunya.

Panas Sensibel (Sensible Heat)

adalah panas yang dibutuhkan untuk merubah

suhu suatu bahan

Elisa Julianti - THP - FP USU

SIFAT-SIFAT THERMAL LAIN ……….

Emisivitas Panas

Nisbah antara daya emisi dari suatu benda terhadap daya emisi suatu benda hitam.

Berhubungan erat dengan laju pindah panas radiasi dari bahan ke sekelilingnya.

Q = A Fe Fa (T14-T2

4)

Fe = faktor emisi (-)

Fa = faktor sudut penglihatan (-)

= kosntanta Stefan-Boltzman, 5.6699x10-12 W/cm2K4

T1 = suhu permukaan bahan (oK)

T2 = suhu sekeliling bahan (oK)

Elisa Julianti - THP - FP USU

PENGUKURAN SIFAT-SIFAT TERMAL BAHAN PANGAN

• Banyak metode yang dapat digunakan untuk penentuan sifat termal

• Hal yang perlu dipertimbangkan adalah ketelitian dan ketepatan angka yang diperoleh.

• Karena variasi sifat-sifat bahan pangan seperti komposisi, ukuran dan bentuk maka tingkat ketelitian yang lebih besar dari ±2-5% masih dapat diterima.

• Untuk perhitungan pindah panas pada pemanasan/pendinginan bahan pangan secara komersial, ketelitian > 2-5% jarang digunakan karena kesalahan dalam penentuan kondisi seperti suhu dan kecepatan aliran udara biasanya disebabkan karena ketidak telitian dalam penentuan sifat termal.

Elisa Julianti - THP - FP USU

• Diukur dengan menggunakan :

- Kalorimeter

- Differential Scanning Calorimeter (DSC)

Kalorimeter

• Kalorimeter terdiri dari botol (thermos) vakum yang sederhana, alat pengaduk dan termometer.

• Cara pengukuran :

Sumber panas ditempatkan pada kalorimeter

Air diaduk hingga tercapai keseimbangan

Peningkatan suhu dibaca melalui termometer.

Kapasitas panas dari kalorimeter telah diketahui sebelumnya atau dapat diukur dengan menggunakan sumber panas standard.

• Idealnya : keseimbangan energi merupakan hal yang sangat sederhana

• Kenyataannya : panas yang masuk dan yang hilang dari botol vakum karena kontak dengan bahan/contoh (atau air) sulit untuk dikuantifikasi

Bomb Calorimeter

DSC :DSC : Mudah mengukur dan mengamati kisaran suhu yang luas Mudah mengukur dan mengamati kisaran suhu yang luas

sehingga dapat digunakan untuk menentukan pengaruh suhu sehingga dapat digunakan untuk menentukan pengaruh suhu terhadap panas jenis bahan pangan terhadap panas jenis bahan pangan

Kelemahannya :Kelemahannya :

1.1. MahalMahal

2.2. Merupakan alat yang komparatif sehingga harus dikalibrasiMerupakan alat yang komparatif sehingga harus dikalibrasi

3.3. Memerlukan ukuran sampel yang kecil (5Memerlukan ukuran sampel yang kecil (5--15 mg) sehingga 15 mg) sehingga sulit mendapatkan sampel yang homogen dan mewakili sulit mendapatkan sampel yang homogen dan mewakili sampelsampel

4.4. Cenderung menimbulkan “error”, misalnya sering Cenderung menimbulkan “error”, misalnya sering menghasilkan data yang salah atau tidak menghasilkan menghasilkan data yang salah atau tidak menghasilkan data sama sekali tanpa sebab yang jelasdata sama sekali tanpa sebab yang jelas

10/6/2013

4

DSC……………….DSC……………….

DSC 200 F3 Maia® - Differential Scanning Calorimeter DSC 204 HP Phoenix® - High-pressure DSC

DTA 404 PC Ёos – Differential Thermal Analyzer DSC 404 C Pegasus® High-Temperature DSC

Aplikasi DSC :Aplikasi DSC :

Melting Points/profilesMelting Points/profiles Glass Transition (softening point)Glass Transition (softening point) Thermal History/processing conditionThermal History/processing condition Crystallization temperature, rates, timeCrystallization temperature, rates, time Percent crystallinityPercent crystallinity Additive (plastisizers, etc)Additive (plastisizers, etc) Polymer blendsPolymer blends Specific heat caapcitySpecific heat caapcity Degree of cureDegree of cure ASTM MethodsASTM Methods Thermal safety/stability studiesThermal safety/stability studies Protein denaturationProtein denaturation Polymorphic transitionPolymorphic transition

Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU

Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU Elisa Julianti Elisa Julianti -- THP THP -- FP USUFP USU

B. Pengukuran Entalpi

• Pengukuran entalpi secara langsung sangat sedikit dilakukan

• Heldman and Gorby (1975) mengembangkan teknik pendugaan jumlah air yang tidak dibekukan pada sampel bahan pangan.

• Untuk tujuan praktis maka dapat digunakan DSC untuk mengukur entalpi produk pangan dengan pengamatan pada kisaran suhu -60oC (dimana diharapkan semua air sudah membeku) – 1oC (semua air sudah mencair).

• Masalah dalam pengukuran entalpi :

pengukurannya tergantung pada laju pembekuan sehingga nilainya dapat berubah selama penyimpanan beku pada suhu yang konstan tetapi banyaknya air yang tidak membeku berubah.

Istilah konstan perlu ditegaskan karena suhu biasanya berfluktuasi pada fasilitas penyimpanan beku secara komersial, sehingga menyebabkan perubahan struktur kristal, difusi massa dan persentase air yang tidak beku.

C. Pengukuran Konduktivitas Panas

• Tergantung pada struktur atau pengaturan fisik sampel (ruang kosong, nonhomegenitas kontak antar partikel dll) dan komposisi kimia lebih sulit dari panas jenis

• Teknik hot plate baik untuk bahan non biologi tapi tidak cocok untuk bahan pangan karena lamanya waktu untuk mencapai keseimbangan suhu, adanya migrasi uap air dari sampel dan memerlukan ukuran sampel yang kecil.

• Aplikasi pada bahan pangan menggunakan rangkaian sumber panas dan “probe” untuk konduktivitas panas

Metode Transien

10/6/2013

5

Heater leads

3.9 cm

0.6 mm o.d.

termocouple

Gambar 1. Penampang melintang dari alat pengukur konduktivitas panas

Dari Gambar 1 :

- Gagang probe berupa thermocouple komersial

- Jarum probe mempunyai o.d. 0.66 mm dan tekanan 23 gauge

- Pemanas berupa konstantan berdiameter dalam 0.077 mm dan diinsulasi dengan selonsong plastik spagheti

- Pada tabung juga terdapat termokopel konstantan yang dilapisi dengan chrom dengan diameter 0.051 mm (termokopel terletak di tengah-tengah antara gagang dan jarum probe)

- Jarum, termokopel dan pemanas diinsulasi dari listrik dengan menggunakan tabung plastik.

Cara pemakaian alat :

o Alat dimasukkan ke dalam sampel dengan suhu awal yang seragam

o Probe dipanaskan dengan laju pemanasan yang konstan dan suhunya diamati

o Setelah periode waktu tertentu, dibuat plot antara ln t Vs ln T (t= waktu, T=suhu), dan diperoleh slope = Q/4k

o Konduktivitas panas dapat dihitung dengan rumus :

ln[t2-to)/(t1-to)]

k = Q

4(T2-T1)

dimana : k = konduktivitas panas [W/(m.oC)

Q = tenaga yang dihasilkan oleh pemanas probe (W/m)

to = faktor koreksi waktu (detik)

T1 dan T2= suhu termokopel (oC) pada waktu t1 dan t2

(dtk)

D. Pengukuran Difusivitas Panas

• Metode pengukuran yang sudah dikembangkan :

1. Teknik pemanasan singkat (Dickerson, 1965)

2. Menggunakan probe yang dihubungkan dengan sumber panas dan termokopel (Choi and Okos, 1983)

3. Teknik pemanasan singkat dengan menggunakan komputer (Gaffney et al., 1980)

• Metode Dickerson sangat kreatif, tapi memerlukan waktu dan sampel yang besar

• Metode Choi and Okos baik untuk sampel cair

• Metode Gaffney merupakan metode yang terbaik tapi kondisi suhu dan jarak harus benar-benar terkontrol.

E. Pengukuran Koefisien Pindah Panas Permukaan

• Cara pengukurannya berbeda dengan sifat-sifat termal lain, karena koef.pindah panas permukaan buka sifat alami bahan, tetapi merupakan pengukuran pindah panas konveksi antara permukaan dan medium pemanas.

• Hukum Newton tentang pendinginan menggambarkan pindah panas konveksi dapat digunakan untuk menunjukkan koefisien pindah panas permukaan :

Pindah panas permukaan sama dengan heat flux yang melalui permukaan dibagi dengan perbedaan antara suhu permukaan dan suhu media pemanasan.

• Secara praktis heat flux dan suhu permukaan sulit diukur tanpa mengganggu pindah panas.

• Pindah panas konveksi berhubungan dengan pindah massa pada bahan dengan kadar air tinggi pengukurannya lebih kompleks

MODEL-MODEL YANG DIGUNAKAN DALAM PENDUGAAN SIFAT TERMAL BAHAN PANGAN

A. Model Pendugaan Panas Jenis Tabel 2. Model sederhana pendugaan panas jenis bahan pangan (kJ/kgoC)

No. Model Referensi

Suhu di atas titik beku

1

2

3

4

5

6

7

8

Cp = 0.837 + 3.349 W

Cp = 1.200 + 2.990 W

Cp = 1.256 + 2.931 W

Cp = 1.381 + 2.930 W

Cp = 1.382 + 2.805 W

Cp = 1.400 + 3.220 W

Cp = 1.470 + 2.720 W

Cp = 1.672 + 2.508 W

Siebel (1982)

Backstrom and Emblik (1965)

Comini et al., (1974)

Fikiin (1974)

Domininguez et al., (1974)

Sharma and Thompson (1973)

Lamb (1976)

Riedel (1956)

9

Suhu di bawah titik beku

Cp = 0.837 + 1.256 W

Siebel (1982)

10/6/2013

6

• Model-model lain :

- Leninger and Beverloo (1975) :

Cp = (0.5 Xf + 0.3 Xs+ Xw) 4.180

- Heldman and Singh (1981) :

Cp = 1.424 Xc + 1.549 Xp + 1.675 Xf + 0.837 Xa + 4.187 Xw

- Choi and Okos (1983) :

Cp = 4.180 Xw + 1.711 Xp + 1.9218 Xf + 1.547 Xc + 0.908 Xa

subskrip f = lemak, s = padatan, w = air, c = karbohidrat,

p = protein, a = abu.

• Model lain yang menghubungkannya dengan suhu adalah model Fernandez-Martin and Montes (1972 ) :

Cp = 4.190Xw + [(1.370+0.0113T)(1-Xw)]

T = suhu (oC)

digunakan untuk susu pada suhu di atas titik bekunya.

B. Model Entalpi

Data entalpi diperlukan untuk bahan pangan beku dengan suhu di bawah 0oC.

Data entalpi dapat dilihat pada tabel-tabel entalpi bahan, dan jika tidak terdapat maka entalpinya dilihat dari bahan dengan komposisi yang mirip dengan bahan yang diuji terutama kadar airnya. Jika tidak memungkinkan juga, maka entalpi dapat diduga dari perbedaan 2 suhu :

h = MCp(T2-T1) +MXwL

M = massa produk

Xw = fraksi air

L = panas laten air

Cp = panas jenis produk

T2-T1 = perbedaan suhu

C. Model Konduktivitas Panas

Tabel 3. Model sederhana penentuan konduktivitas panas(W/m.oC)

No. Model Referensi

1 k = 0.46 (untuk daging) Sweat (1975)

2 k = 0.50 (untuk daging) Backstrom and Emblik (1965)

3 k = 0.18 (untuk lemak) Backstrom and Emblik (1965)

4 k = 0.26 + 0.34 W Backstrom and Emblik (1965)

5 k = 0.056 + 0.567 W Bowman (1970)

6 k = 0.081 + 0.568 W Bowman (1970)

7 k = 0.564 + 0.0858W (untuk sorgum) Sharma and Thompson (1973)

8 k = 0.140 + 0.42 W (untuk juice buah) Kolarov and Gromov (1973)

9 k = 0.26 + 0.33 W Comini et al., (1974)

10 k = 0.148+0.493W (untuk buah &sayur) Sweat (1974)

11 k = 0.0324+0.329W (untuk ikan) Annama and Rao (1974)

12 k = 0.096+0.34W (untuk daging giling) Sorenfors (1974)

13 k = 0.080 + 0.52W (untuk daging&ikan) Sweat (1975)

W = kadar air (bentuk desimal)

• Model lain untuk penentuan konduktivitas panas bahan pangan dengan komposisi yang kompleks :

- Dominguez et al., (1974) :

k = 0.60Xw + 0.20Xp+ 0.245Xc + 0.18Xf

- Choi and Okos (1983) :

k = 0.61Xw + 0.20Xp + 0.205Xc + 0.175Xf + 0.135Xa

- Sweat (1994) :

k = 0.58Xw + 0.155Xp + 0.25Xc + 0.16Xf + 0.135Xa