Mengoperasikan dan melayani pabrik es

komersial

Kegiatan belajar 1Mempersiapkan pembuatan es

Siswa dapat: Menjelaskan prosedur pengoperasian mesin

pabrik es Menjelaskan bahan baku pembuatan es Menjelaskan prinsip kerja dari mesin pabrik

es

Tujuan Pembelajaran

Sejarah Teknik PendinginanSejarah teknik pendinginan berkembang sejalan

dengan perkembangan peradaban manusia di wilayah sub-tropik.  Secara alamiah, manusia yang tinggal di wilayah sub-tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas.  Kesadaran inilah yang memandu manusia pada saat itu mulai memanfaatkan “es alam” untuk memperpanjang masa simpan bahan pangan yang mudah rusak.

Pendahuluan

Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan “es buatan”. Es alam adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrigerasi, baik yang diperoleh dari sungai atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langit.

Sejarah teknik pendingin

Mesin pendingin evaporatif rancangan Leonardo da Vinci (Pita, 1981)

Di wilayah dengan kelembaban udara yang rendah, seperti Timur Tengah, sejarah pendinginan dimulai dengan pendinginan evaporatif, yaitu dengan menggantungkan tikar basah di depan pintu yang terbuka untuk mengurangi panasnya udara dalam ruangan.  Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu mesin pendingin evaporatif ukuran besar.  Konon, mesin ini dipersembahkan untuk Beatrice d’Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981).  Mesin ini mempunyai roda besar, yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekali-sekali dibantu oleh budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara ke dalam drum di tengah roda.  Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan (Gambar 1-1).

Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih rendah.  Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada tahun 1550. Fenomena pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada tahun 1607.

Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver Evans (1755-1819) mampu menjelaskan siklus refrigerasi kompresi uap. Pada tahun 1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins (1766-1849) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja berdasarkan siklus kompresi uap tersebut. 

Siklus refrigerasi kompresi uap

Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrigeran).  Charles Tellier (1828-1913), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter sebagai refigeran.  Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3) sebagai refrigeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde (1842-1934). Refrigeran amonia masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan pangan. 

Perkembangan lain dalam sistem kompresi uap adalah pada komponen peralatannya.  Pada awalnya mesin pendingin sistem kompresi uap menggunakan kompresor dengan piston yang besar dan lambat, tetapi sejak akhir abad ke-19 berubah menjadi lebih ringan dan cepat.  Pada tahun 1934 A. Lysholm berhasil mengembangkan kompresor ulir dengan rotor ganda di Swedia, sedangkan pada tahun 1967 B. Zimmern mengembangkan kompresor ulir rotor tunggal di Perancis. 

Kompresor

Refrigerasi (pendinginan) adalah suatu sistem yang mengambil panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya. Bangsa Romawi dan Cina mengambil es dan salju untuk digunakan sebagai penyejuk udara saat musim panas. Bangsa Mesir meletakkan bejana air di atap rumah pada malam hari untuk mendinginkannya. Terlihat bahwa usaha untuk mendinginkan bahan atau udara telah ada sejak dahulu. Peradaban yang maju membuat teknik pendinginan semakin berkembang

Aplikasi Teknik Pendinginan

Beberapa sistem dirancang untuk mendapatkan kondisi udara dimana debu hampir tidak ada (ruang steril) seperti pada industri elektronika. Industri percetakan perlu udara dengan tingkat kelembaban tertentu sehingga kertas tidak menggumpal dan tinta cepat kering. Kelembaban yang tinggi juga dapat menyebabkan terjadinya korsleting. Perkantoran dan perumahan saat ini umum menggunakan AC untuk menambah kenyamanan ruangan.

AC untuk tranportasi

AC untuk Gimnaisum

Pendinginan buah

Ice cream

Pabrik Es Balok

Pabrik Es Balok

Standar cetakan es50 kg persegi panjang 380x190 x 1115 mm 340x160 50 kg

bujur sangkar 260x260 x 1115 mm 230x230 25 kg

persegi panjang 240x150 x 1115 mm 210x120 25 k

bujur sangkar 190x190 x 1115 mm 160x160

Brine tank atau bak air garam adalah bak penampung yang ada di dalam sirkulasi pembuatan es yang berfungsi untuk membantu pendinginan es

Brine tank

Brine cooling coil atau tempat cetakan es berfungsi sebagai tempat atau wadah untuk memudahkan penempatan es.

Brine cooling coil

Oil separator adalah suatu alat yang dirancang untuk memisahkan minyak dengan padatan tersuspensi dari air.

Oil Separator

Cooling Coil / Evaporator digunakan sebagai transfer permukaan panas yang mudah menguap adalah cairan menguap untuk tujuan memindahkan panas dari ruang berpendingin.

V bentuk kumparan pendingin yang tersedia dalam berbagai ukuran, biasanya dibuat khusus untuk aplikasi individual.

Cooling Coil / Evaporator

Tank dingin terdiri dari tiga bagian:

1) Tank Es 2) Isolasi Es Tank 3) Balok Es

Chilling Tank

Es tank terbuat dari bahan seperti kayu, baja atau beton cat. kayu Sebagai tangki tidak berlangsung lama dan tidak cukup bertanggung jawab untuk kebocoran, seharusnya mereka lebih dapat terbuat dari baja tahan air dengan baik dilapisiTank terbuat dari beton bertulang juga direkomendasikan sebagai unggul dibandingkan kayu.

Tangki es berisi kumparan ekspansi langsung, merata di seluruh tangki dan kumparan ini yang terendam dalam air garam. tank disediakan dengan bingkai kayu keras yang sesuai untuk mendukung kaleng es dan baling-baling atau agitator untuk menjaga air garam dalam gerak: air garam dalam tangki bertindak sebagai media kontak saja, amonia menguap dalam gulungan es mengekstrak panas dari air garam, yang lagi menyerap panas untuk air dalam kaleng.

Tangki itu sendiri tidak boleh lebih besar daripada yang diperlukan untuk memegang kaleng, gulungan, dan agitator itu. Sekitar dua inci harus diserahkan antara cetakan dan tiga inci antara pipa dan cetakan.

Tank es

Isolasi dari tangki es dicapai dengan menggunakan 12-18 inci dari bahan isolasi yang baik pada setiap sisi dan tidak kurang dari dua belas inci di bawah bagian bawah.

Isolasi Tangki Ice

Agitator berfungsi sebagai media yang berpengaruh pada proses perpindahan bioreaktor.

Agitator

Blower berfungsi sebagai Peredam panas dalam waktu yang cukup lama biasanya panas yang cukup tinggi ( over heating ) akan mengakibatkan kerusakan yang cukup serius di bagian motor penggerak

Blower

Kondensor adalah permukaan perpindahan panas, umumnya yang terbagi dalam tiga jenis.

1. Air Cooled Condenser: Mempekerjakan udara sebagai media kondensasi.

2. Air Cooled Condenser: Memanfaatkan air untuk menyingkat refrigerant.

3.Evaporative Kondensor: Gunakan kedua udara dan air sebagai media kondensasi. Fungsi udara adalah untuk meningkatkan tingkat penguapan dengan membawa pergi hasil uap air dari proses penguapan.

The heat Exchanger Package

The heat Exchanger Package

Berfungsi sebagai pencegah terjadinya pusaran ketika liquid control valve terbuka

Vertical Liquid separator – accumulator

Gambar di bawah memperlihatkan sebuah paket perlengkapan mesin pendingin, dimana evaporator/verdamper konvensionil ‘Herring Bone’ yang biasanya dibuat di dalam bak air garam, dan Horizontal shell & tube condenser dapat diganti dengan PHE (Plate Heat Exchanger). PHE kanan untuk brine (air garam/amoniak) cooling dan PHE kiri untuk condenser (air cooling tower/amoniak). Dengan PHE diperlukan hanya 15% penggunaan refrigerant daripada memakai Herring Bone Coils dan Shell & Tube condenser.

PERLENGKAPAN MESIN PENDINGIN

Paket mesin pendingin ini dilengkapi dengan vertical Liquid Separator – Accumulator dan Horizontal Liquid Receiver dengan Refrigerant amoniak.

Waktu pembekuan ditentukan oleh ukuran cetakan es dan temperatur dari air garam (brine) yang dapat dilihat korelasinya berdasarkan rumus R. PLANK dan tabel di bawah ini.

CETAKAN ES DAN WAKTU PEMBEKUAN

Z = 3120 x Lo x (Lo + 0.036) untuk cetakan es bujur sangkar

bT  Z = 4540 x Lo x (Lo + 0.026) untuk cetakan es persegi

panjangbT

  Z = [ Jam ] waktu pembekuan bT = [ ºC ] temperatur air garam Lo = [ m ] lebar terpendek cetakan es atas 

RUMUS R. PLANK

Beban panas dari Agitator Transmisi panas (dingin) dari Bak air

garam yang tidak memadai isolasinya serta kayu penutup

Peniupan udara untuk membuat es jernih menambah beban panas

Pembukaan kayu penutup pada waktu mencabut es dan pengisian air juga menambah beban panas

Faktor-faktor yang berpengaruh dalam pabrik es

Jumlah kapasitas panas secara teori adalah 5.454 kW

Pada umumnya Pabrik es di Indonesia menambahkan 30% dari perhitungan kapasitas berdasarkan teori untuk mengatasi beban tambahan tersebut diatas, sehingga menjadi :5.454 kW x 1.3 = 7.090,2 kW (6100 kcal/jam)

Perlu diingat bahwa waktu pembuatan es tidak semuanya 24 jam, tergantung dari dimensi cetakan es (lihat tabel diatas). Tepatnya untuk menghitung kapasitas panas yang diperlukan disesuaikan dengan waktu pembekuan menurut cetakan es Anda (tidak selamanya dibagi dalam 24 Jam) dan massa air yang dimasukkan dalam cetakan es (biasanya air dalam cetakan es 50 kg beratnya lebih dari 60 kg, bahkan sampai 70 kg), namun tetap harus menambahkan faktor beban panas tambahan, yang tidak harus 30%, tergantung kondisi Pabrik es (lihat faktor beban panas tambahan diatas).

Kapasitas refrigerasi sebuah compressor sangat tergantung dari paramater operasi compressor yaitu:

1. Speed dalam rpm (rotasi per menit)

2. Evaporating temperatur Te dalam °C (evaporasi temperatur refrigerant/amoniak)

3. Condensing temperatur Tc dalam °C (kondensasi temperatur refrigerant/amoniak)

4. Superheat dalam K (panas lanjut kompresi yang melewati batas saturasi uap Te)

5. Subcooling dalam K (pendinginan lanjut yang melewati batas saturasi cair Tc)

MENENTUKAN COMPRESSOR

Evaporating temperatur untuk Pabrik Es pada umumnya ditetapkan pada suhu –8°C hingga –15°C, karena air garam biasanya bekerja pada suhu –5°C hingga –12.5°C. Temperatur air garam lebih rendah dari –15°C akan membuat Es Balok cepat retak pada waktu pencabutan es, karena perbedaan temperatur udara dan es yang sangat besar.

Evaporating temperatur Te dalam °C

Condensing temperatur biasanya berkisar antara 35°C hingga 45°C, tergantung dari jenis refrigerant yang digunakan (Freon/Amoniak) juga jenis condenser (air cooled, water cooled atau evaporative condenser).

Condensing temperatur Tc dalam °C

Superheat adalah perbedaan suhu antara saturasi uap temperatur dari kompresi (Te) yang suhunya naik akibat panas lanjut dari lingkungan sekitarnya (panas udara di ruangan mesin atau panas mesin sendiri dari pergerakan piston) hingga mencapai saturasi uap temperatur sesungguhnya. Ideal superheat 0 K pada dasarnya sulit dicapai. Umumnya superheat berkisar antara 3 hingga 5 K.

Superheat dalam K

Subcooling adalah penurunan temperatur saturasi cair dari kondensasi lebih lanjut dengan menggunakan heat exchanger (penukar kalor) antara amoniak dengan air, udara, atau refrigerant lain. Subcooling bisa mencapai penurunan temperatur 5 hingga 10 K. Apabila tidak digunakan heat exchanger tambahan setelah condenser untuk menurunkan temperatur saturasi cair dari kondensasi maka sub cooling adalah 0 K.

Subcooling dalam K

Proses pembuatan es balok dimulai dari pengisian air dalam cetakan sampai dengan proses penyaluran es kepada konsumen yang memerlukan es sebagai bahan bakunya.

Pada proses pembuatan es balok ini dilakukan dengan menerapkan siklus kompresi dan menggunakan amonia (NH3) serta air garam sebagai media pendingin

Proses pembuatan es balok

Air yang digunakan pada proses pembuatan es balok adalah air yang telah melalui proses penyaringan atau air yang bersih bebas dari bakteri dan kotoran-kotoran.

Air yang telah disaring dialirkan ke pengisian air. Dalam pengisian air kedalam cetakan jumlah air yang masuk diatur oleh katup tangan dan pipa-pipa yang sudah diarahkan menuju cetakan es.

Cetakan es diisi air dalam jumlah yang tidak penuh, yaitu kurang dari 15 cm dibawah permukaan cetakan.

Hal ini dilakukan agar air garam yang ada di bak pendinginan tidak tercampur dengan air yang berada dalam cetakan.

Air yang dimasukkan kedalam cetakan mempunyai temperatur 26ºC.

Sesudah cetakan diisi dengan air, maka cetakan dimasukkan kedalam bak cetakan es yang diisi air yang dicampur dengan garam.

Kadar air garam tersebut berkisar antara 18 Be, apabila kadar garam kurang dari 18 Be maka seolah-olah air garam tersebut menjadi beku

Apabila melebihi 20 Be maka keadaan es akan sangat keras ( sulit cair ) karena melebihi titik beku

Cetakan es yang telah terisi direndam dalam bak pendingin berisi air garam dengan suhu awal air cetakan 26ºC

Lamanya pembekuan es balok dengan berat 25 kg diperlukan waktu 20-25 jam. Sedangkan es dengan kapasitas 100 kg diperlukan waktu 40-50 jam

Pada saat cetakan direndam, permukaan air garam harus tinggi dari permukaan air yang berada dalam cetakan dengan tinggi kurang lebih 8 cm

Apabila suhu dingin tidak mencapai antara -8ºC sampai -15ºC ( kurang dari suhu tersebut ) es tidak akan membeku, hal ini disebabkan karena refrigeran yang mengalir kurang

Apabila suhu dingin melebihi -15ºC maka es tersebut akan rapuh hal ini disebabkan terlalu lebih refrigerannya

Jika cetakan sudah berada dalam bak cetakan es ( bak air garam ) selanjutnya sambungkan saluran (pipa) dengan selang blower sehingga ada hembusan udara dari motor blower menuju cetakan es.

Tujuannya untuk menjernihkan air dalam cetakan.

Waktu yang digunakan untuk menjernihkan setengah dari proses pembuatan es balok

Pada siklus ini, pendinginan dilakukan secara tidak langsung ( Indirect Expansion Coil ) karena evavorator disistem tidak langsung mendinginkan air dalam cetakan tetapi melalui zat cair perantara yaitu larutan garam ( NaCl ).

Fluida refrigeran yang digunakan adalah amoniak ( Nh3 )

Siklus pendinginan es balok

Jadi untuk mencapai suhu antara 26ºC sampai -11,5ºC diperlukan:

- Larutan garam ( NaCl )- Fluida refrigeran Amonia ( Nh3 ) Amonia dapat mendinginkan cetakan es

karena adanya kondensor yaitu untuk mensirkulasikan refrigeran amonia keseluruh sistem

Kondensor tersebut digerakkan oleh sebuah motor listrik atau mesin diesel ( sebagai pengganti listrik manakala tidak ada arus listrik ).

Kondensor merupakan alat untuk memindahkan panas dari sistem refrijerasi ke media pendingin

Perkembangan es Krim Ide asal es krim konon dari Cina. Pada

perkembangannya es krim dapat dijumpai di pelosok dunia. Rasanya yang manis, gurih, dingin dan lembut amat menggugah selera. Es krim dapat dibedakan komposisi dan kandungannya. Komponen terpenting dari es krim adalah lemak susu dan susu skim. Di Inggris, ada standar tersendiri untuk produk es krim.

Pemerintah menetapkan produk es krim harus mengandung 2,5 persen lemak susu dan 7,5 persen susu skrim (padatan susu non lemak). Jika dicampur dengan buah, maka kandungan lemak susunya 5 persen atau 7,5 persen serta kandungan susu skrim 7,5 persen atau 2,0 persen. Berdasar literatur es krim dapat dikelompokkan dalam tiga kategori yakni standar, premium, dan super premium.

StandarMempunyai kadar lemak 10 %

PremiumKandungan kadar lemaknya 15 %

Super PremiumKandungan kadar lemaknya 17 %

Kategori es krim berdasarkan literatur

Milk Ice atau es susuproduk yang memiliki lemak dalam jumlah rendah atau sekitar empat persen.

SherbetMemiliki kandungan lemak sekitar dua persen.

Es krim jenis water iceTidak menggunakan lemak susu dan susu skim melainkan hanya menggunakan jus buah dan gula serta ditambahkan penstabil.

Kategori es krim berdasarkan komposisinya