BAB II TINJAUAN PUSTAKA - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/81/jbptppolban-gdl-adityarach... · suhu 76⁰C atau lebih dengan menggunakan alat penukar panas (heat

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pasteurisasi

Pasteurisasi merupakan suatu proses pemanasan pada suhu di bawah

100oC dalam jangka waktu tertentu sehingga dapat mematikan sebagian mikroba

dalam susu dengan meminimalisir kerusakan protein. Selain ditujukan untuk

membunuh mikroba pembawa penyakit (pathogen) seperti bakteri TB; Coli, dll.

Proses pasteurisasi yang dilanjutkan dengan pendinginan segera akan

menghambat pertumbuhan mikroba yang tahan terhadap suhu pasteurisasi dan

akan merusak sistem enzimatis yang dihasilkannya (misalnya enzim phosphatase,

lipase, dll) sehingga dapat mengurangi kerusakan zat gizi serta memperbaiki daya

simpan susu segar. (Fakhrul Ulum, 2009).

Dikenal 2 metoda yang digunakan pada proses pasteurisasi susu yaitu

1) LTLT (Low Temperature Long Time)

Metode LTLT pada dasarnya dilakukan dengan pemanasan susu sampai

suhu 63-65⁰C dan dipertahankan pada suhu tersebut selama 30 menit. Alat

yang digunakan untuk LTLT berupa tangki terbuka (open vat) dengan

pemanas tidak langsung atau lebih dikenal dengan “Batch Pasteuriser”.

2) HTST (High Temperature Short Time).

Metoda HTST dilakukan dengan pemanasan susu selama 15–16 detik pada

suhu 76⁰C atau lebih dengan menggunakan alat penukar panas (heat

exchanger) dan diikuti dengan proses pendinginan susu dengan cepat agar

mikroba yang masih hidup tidak tumbuh kembali.

(Fakhrul Ulum, 2009)

6

Perancangan dan Pembuatan Segmen Pemanasan Untuk Simulator Pasteurisasi Susu Secara Kontinyu dan Karakterisasi Perpindahan Panas

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.2 Alat Penukar Panas Pasteurisasi Susu

Alat Penukar Panas (heat exchanger) menjadi alat yang paling esensial

dalam proses pasteurisasi karena kebutuhan panas yang digunakan untuk

pasteurisasi dihasilkan oleh alat penukar panas. Beberapa jenis alat penukar panas

yang dapat digunakan adalah sebagai berikut :

1) Plate Heat Exchanger (PHE)

Terdapat 3 komponen yang menyusun PHE, yaitu :

a) Lembar baja tahan karat beralur (plate)

Alat penukar panas ini terdiri dari lembar (plate) baja tahan karat

(stainless steel) yang dicetak menggunakan mesin press berdaya

tinggi. Pengepresan tersebut berfungsi membentuk alur-alur dengan

motif tertentu dan memperbesar luas permukaan lembar baja

sehingga mengakibatkan terjadinya turbulensi aliran cairan. Lembar-

lembar baja ini disusun dengan jumlah tertentu sesuai kebutuhan

dalam suatu kerangka (frame).

b) Rangka penyusun (frame)

Suatu rangka (frame) berfungsi menjepit seluruh susunan lembar baja

sehingga setiap pasangan lembar terdapat celah yang dapat dialiri

cairan maka di sekeliling lembar terdapat parit guna meletakkan pita

karet (gasket).

c) Pita karet (gasket)

Pita karet (gasket) terbuat dari bahan yang tahan panas/dingin, tahan

karat dan non toksis (food grade). Susunan PHE tersebut dapat terdiri

dari beberapa bagian (section), misalnya heating, cooling,

regeneration, dll.

Pada Gambar 2.1a dapat dilihat contoh plate heat exchanger yang

digunakan untuk pasteurisasi.

7



2) Tubular Heat Exchanger (THE)

Sebelum ditemukan alat penukar panas PHE yang lebih kompak

dan dapat diproduksi secara massal, maka alat penukar panas jenis THE

telah lebih dahulu digunakan. Double pipe heat exchanger adalah salah

satu tipe alat penukar panas jenis Tubular Heat Exchanger (THE) yang

kontruksinya sederhana. Pada Gambar 2.1b dapat dilihat Tubular Heat

Exchanger (THE) jenis double pipe heat exchanger.

Double Pipe Heat Exchanger (DPHE) adalah alat perpindahan

panas yang merupakan gabungan 2 buah pipa yang berdiameter berbeda

dan dipasang secara konsentris. DPHE ini biasanya digunakan apabila

kebutuhan luas pemanasan lebih kecil dari 120 ft2. Double pipe heat

exchanger pada dasarnya terdiri dari dua buah pipa konsentrik, satu fluida

mengalir lewat pipa dalam sedangkan fluida yang lain mengalir lewat

annulus. Pada Tabel 2.1 dapat dilihat kelebihan dan kekurangan tubular

heat exchanger dan plate heat exchanger.

(a) (b) Gambar 2.1(a) Plate Heat Exchanger (b) Tubular Heat Exchanger (DPHE)

(anonim,1998)

8



Tabel 2.1 Perbandingan kelebihan dan kekurangan dari PHE dan THE

Pembanding Plate Heat Exchanger Tubular Heat Exchanger

Kelebihan Mudah dibersihkan Investasinya lebih murah

Pemindahan panas lebih

efisien (diatas 85 %)

Dapat difabrikasi di dalam negeri

Mudah diperbesar

kapasitasnya

Secara mikrobiologis lebih aman,

karena tidak memakai gasket

Biaya Perawatan murah

Kekurangan

Investasinya mahal Pemidahan panas dibawah 85 %

Tidak/Belum dapat dibuat di

dalam negeri

Penambahan kapasitas lebih sulit

Biaya perawatan tinggi

(anonim, 2009)

Dari Tabel 2.1 dapat dilihat bahwa alat penukar panas jenis PHE

merupakan alat penukar panas yang paling efektif dan efisien untuk proses

pasteurisasi karena memiliki luas permukaan panas yang lebih tinggi

dibandingkan THE (Double Pipe Heat Exchanger). Hal itu juga mengakibatkan

efisiensi panas yang dihasilkan oleh alat penukar panas PHE lebih dari 85%.

Namun apabila dilihat dari segi investasi yang diperlukan dan skala penggunaan

alat tersebut, yaitu laboratorium maka alat jenis THE lebih memiliki keunggulan

dibandingkan PHE.

9



2.3 Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan panas terjadi karena perbedaan temperatur dan aliran panas

dari daerah yang tinggi ke daerah yang rendah. Perpindahan panas dapat terjadi

oleh satu atau lebih dari mekanisme dasar perpindahan panas, yaitu konduksi,

konveksi dan radiasi.

Pada proses industri perpindahan panas diantara dua fluida secara umum

dikerjakan oleh alat perpindahan panas (heat exchanger). Pemindahan panas

terjadi dari fluida panas ke dinding tabung oleh konveksi, melalui dinding tabung

atau plate dengan konduksi lalu dengan konveksi ke fluida dingin. (Geankoplis,

1983).

2.4 Jenis Perpindahan Panas

Seperti yang telah disebutkan di atas, mekanisme perpindahan panas

dibagi kedalam 3 jenis, yaitu konveksi, konduksi, dan radiasi. Dibawah ini

terdapat penjelasan singkat mengenai 3 jenis mekanisme perpindahan panas

tersebut.

2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi

Jika dalam suatu bahan kontinyu terdapat gradien (landaian) suhu, maka

kalor akan mengalir tanpa disertai oleh gerakan zat. Aliran kalor seperti ini

disebut konduksi atau hantaran. Pada logam-logam padat, konduksi termal

disebabkan oleh gerakan elektron yang tak terikat dan konduktivitas termal ini

mempunyai hubungan yang erat sekali dengan konduktivitas listrik.

Konduksi adalah perpindahan panas melalui material yang tetap, misalnya

pada dinding (lihat Gambar 2.2). arah perpindahan panas tegak lurus pada

dinding apabila permukaannya isotermal, sedangkan benda tersebut homogen dan

isotropik.

Untuk mengetahui besarnya konduksi yang mengalir melalui suatu bahan

digunakan Hukum Fourier.

“Besarnya perpindahan panas secara konduksi adalah berbanding langsung dengan luas yang dilalui, beda suhu dan sifat bahan (konduktivitas panas) serta berbanding terbalik dengan tebal bahan yang dilaluinya”.

10



Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konduksi pada dinding

Sumber : (Geankoplis, 1983)

Besarnya aliran panas adalah :

dq = k A [-

] 2.1

Tanda negatif pada (-dt/dx) menunjukkan bahwa suhu pada muka panas

adalah lebih tinggi dari pada suhu pada muka dinding. Konstanta proporsional k

diperoleh dengan percobaan berdasarkan persamaan 2.1 dan harganya besar

untuk material perambat panas, tetapi kecil untuk isolator panas.

Persamaan 2.1 berlaku untuk luas permukaan yang konstan, dan karenanya

bersifat khusus. Secara umum persamaan 2.1 dapat ditulis sebagai berikut :

Q = k A [ -

] 2.2

Keterangan :

Q = Laju perpindahan panas (Watt)

k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m2.K)

A = Luas area (m2)

2.4.1.1 Perpindahan Panas Melalui Dinding Pipa

Dalam aliran panas melalui dinding datar, luas yang dilaluinya adalah

konstan untuk seluruh jarak yang ditempuhnya. Hal yang demikian tidak terjadi

dalam aliran panas melalui dinding pipa (lihat Gambar 2.3), luas untuk aliran

11



panas berubah-ubah dari dinding dalam sampai dinding luar pipa. Dengan

memperhatikan Gambar 2.3, maka luas perpindahan panas pada jari-jari r adalah

2 π r L, dan seandainya panas mengalir dari dalam ke luar, maka gradien suhu

adalah (-dt/dr). Dengan demikian persamaan 2.2 berubah menjadi :

Q = 2πrLk [-

] 2.3

Keterangan :


k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m2.K)

L = Panjang silinder (m)

r = Jari – jari (m)

Gambar 2.3 Perpindahan panas konduksi pada pipa

Sumber : (Geankoplis, 1983)

2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi

Konveksi ialah perpindahan panas di antara fluida yang lebih panas dan

lebih dingin karena keduanya bercampur. Fluida dingin yang dekat kepada

permukaan panas menerima panas dan kemudian memberikannya kepada bulk

fluida dingin ketika bercampur, hal ini terjadi karena adanya gerakan fluida.

Dalam konveksi dikenal 2 cara yaitu konveksi bebas atau konveksi alami dan

konveksi paksa.

Peristiwa perpindahan panas ini dapat dinyatakan dengan sebuah

persamaan berikut :

12



dq = h A dt 2.4 dimana, h adalah koefisien perpindahan panas (Btu/jam.ft2.oF) yang dipengaruhi

oleh sifat-sifat fluida dan pengadukan.

Persamaan 2.4 dapat ditulis dalam bentuk hasil integrasi, yaitu :

Q = h A ∆t 2.5

Keterangan :


h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

A = Luas area (m2)

∆t = Perbedaan suhu (K)

(a) (b)

Gambar 2.4 Perpindahan panas secara konveksi (a) pada dinding (b) silinder Sumber : Geankoplis,1983

2.4.3 Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi adalah peristiwa perpindahan energi melalui ruang oleh

gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang

kosong, tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain dari

energi dan tidak pula terbelok dari lintasannya. Tetapi sebaliknya, bila terdapat zat

pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi, refleksi dan absorpsi.

Hanya energi yang diserap saja yang muncul sebagai kalor, dan bersifat

kuantitatif. Secara umum, radiasi menjadi sangat penting pada suhu tinggi.

Daerah panjang gelombang yang dapat disebut radiasi panas terutama terletak

13



antara 0,1-10 mikron. Daerah ini hanya sebagian kecil dari keseluruhan radiasi

elektromagnetik.

Perpindahan panas secara radiasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

4ATQ 2.6

Keterangan :

Q = Laju perpindahan panas (W)

= Konstanta Boltzman = 5,676 x 10-8(W/m2..K4)

ε = Emissivity (=1 untuk benda hitam)

A = Luas permukaan benda (m2)

T = Temperatur (K)

Gambar 2.5 Perpindahan panas secara radiasi Sumber : Geankoplis,1983

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan

Koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah kemampuan keseluruhan

dari serangkaian hambatan konduksi dan konveksi untuk perpindahan panas. Hal

ini umumnya diterapkan pada perhitungan perpindahan panas dalam alat penukar

panas. Untuk kasus penukar panas, dapat digunakan untuk menentukan

perpindahan panas total antara dua aliran dalam penukar panas oleh hubungan

sebagai berikut :

Q = U A ∆Tlm 2.7

14



Keterangan :


U = Koefisiensi perpindahan panas menyeluruh (W/m2K)

A = Luas area (m2)

∆Tlm= Beda suhu rata–rata logartmik (K)

2.6 Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada double pipe heat exchanger fluida dapat mengalir dengan laju alir

searah atau berlawanan arah. Selain itu, pada masukan dan keluaran fluida panas

dan dingin terdapat perbedaan suhu yang berbeda–beda (lihat Gambar 2.6) maka

diperlukan perumusan suhu rata–rata logaritmik (LMTD). Persamaan yang

digunakan untuk mencari suhu rata–rata logaritmik sebagai berikut :

Untuk aliran berlawanan atau counter current :

Δt1>Δt2

Δt = LMTD =

=

2.8

Untuk aliran searah atau cocurrent :

Δt = LMTD =

=

2.9

(a) (b) Gambar 2.6 Profil temperatur double pipe heat exchanger (a) countercurrent flow (b) cocurrent

flow Sumber :Geankoplis, 1983

Log Mean Temperature Difference (LMTD) digunakan untuk menentukan

seberapa besar gaya dorong untuk perpindahan panas dalam suatu sistem aliran,

15



terutama dalam alat penukar panas. Semakin besar LMTD, semakin banyak panas

yang ditransfer. (Wikipedia, 2012).

2.7 Bilangan Tak Berdimensi

Dalam analisis dimensional, bilangan tak berdimensi adalah bilangan yang

tidak memiliki unit fisis melainkan hanyalah bilangan. Bilangan itu pada

umumnya didefinisikan sebagai produk atau rasio atau satuan yang memiliki unit.

Contoh dalam ilmu keteknikan dan fisika adalah pengukuran sudut bidang

miring. Sudut umumnya diukur menggunakan rasio panjang dan tinggi yang

selalu spesifik setiap sudut. Rasio tersebut, panjang dibagi tinggi, adalah satuan

tak berdimensi.

2.7.1 Bilangan Grashof

Bilangan Grashof, NGr adalah parameter non dimensional yang digunakan

dalam korelasi perpindahan panas dan massa karena induksi termal konveksi

alami pada permukaan padat yang terendam didalam cairan. (Wikipedia, 2012).

Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Grashof adalah :

2.10

2.11

2.12

Keterangan :

g = Percepatan gravitasi

β = Volumetric thermal expansion coefficient (1/T, untuk fluida ideal, dimana T

adalah temperatur absolut) (1/K)

Ts = Temperatur permukaan (K)

T∞ = Temperatur bulk (K)

L = Panjang (m)

D = Diameter (m)

(Pelat pipih vertikal)

(Pipa)

(Bluff Bodies)

http://id.wikipedia.org/wiki/Ilmu_keteknikan

http://id.wikipedia.org/wiki/Fisika

http://id.wikipedia.org/wiki/Sudut

http://id.wikipedia.org/wiki/Bidang_miring

http://id.wikipedia.org/wiki/Bidang_miring

http://id.wikipedia.org/wiki/Rasio

http://id.wikipedia.org/wiki/Panjang

http://en.wikipedia.org/wiki/Coefficient_of_thermal_expansion

16



ν = Viskositas kinematik (m2/s)

Bilangan Grashof adalah bahwa hal itu merupakan rasio antara kekuatan

daya apung akibat variasi dalam densitas fluida (yang disebabkan oleh perbedaan

suhu) dengan kekuatan penahanan karena viskosistas fluida.

2.7.2 Bilangan Nusselt

Dalam perpindahan panas di batas (permukaan) dalam cairan, Bilangan

Nusselt adalah rasio konvektif untuk perpindahan panas konduktif di (normal)

batas. Dalam konteks ini, konveksi meliputi adveksi dan konduksi. (Wikipedia,

2012). Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Nusselt adalah

:

2.13

Keterangan :

L = Panjang (m)

h =Koefisien panas konveksi cairan (W/m2K)

kf = Koefisien konduksi termal (W/m2K)

2.7.3 Bilangan Prandtl

Bilangan Prandtl, NPr adalah parameter non dimensional yang menyatakan

rasio difusivitas momentum (viskositas kinematik) terhadap difusitas termal.

Persamaan umum yang digunakan untuk mencari Bilangan Prandtl adalah :

2.14

Keterangan :

v = Viskositas kinematik (m2/s)

α = Thermal diffusivity (m2/s)

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity

17



Dalam masalah perpindahan panas, nilai Bilangan Prandtl mengontrol

ketebalan relatif momentum dan lapisan batas termal. Ketika NPr kecil itu berarti

bahwa panas berdifusi sangat cepat dibandingkan dengan kecepatan (momentum),

maka untuk logam cair yang memiliki Bilangan NPr kecil ketebalan lapisan batas

termal jauh lebih besar dari lapisan batas kecepatan. Pada Tabel 2.2 dapat dilihat

nilai Bilangan Prandtl dari berbagai zat. (Wikipedia, 2012).

Tabel 2.2 Bilangan Prandtl dari berbagai zat.

Jenis Zat Bilangan NPr

Gas 0,7 – 1,0

Air 1 – 10

Liquid Metals 0,001 – 0,03

Minyak 50 – 2.000

(anonim, 2012)

2.8 Denaturasi Protein

Denaturasi protein dapat diartikan suatu perubahan atau modifikasi

terhadap struktur sekunder, tersier dan kuartener molekul protein tanpa terjadinya

pemecahan ikatan-ikatan kovalen. Karena itu denaturasi dapat diartikan suatu

proses terpecahnya ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, ikatan garam dan

terbukanya lipatan molekul protein. Denaturasi protein meliputi gangguan dan

kerusakan yang mungkin terjadi pada struktur sekunder dan tersier protein.

Faktor yang menyebabkan protein terdenaturasi adalah pemanasan,

pengadukan, pH, dan pengaruh garam. Pemanasan dan pengadukan yang

diberikan akan menyebabkan kekacauan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik

non polar. Hal ini terjadi karena suhu tinggi dapat meningkatkan energi kinetik

dan menyebabkan molekul penyusun protein bergerak atau bergetar sangat cepat

sehingga mengacaukan ikatan molekul tersebut. Pada Tabel 2.3 dapat dilihat

waktu dan suhu yang diperlukan agar protein pada susu tidak banyak

terdenaturasi.

18



Tabel 2.3 Waktu dan temperatur yang dibutuhkan agar protein tidak banyak terdenaturasi

(sumber: IDFA, 2009)

Ciri – ciri susu yang telah terdenaturasi dapat dilihat secara visual, yaitu

terlihat menggumpal karena berkurangnya kelarutan pada protein. Pada Gambar

2.7 dapat dilihat susu yang telah terdenaturasi.

Gambar 2.7 Susu terdenaturasi

Temperature Time Pasteurization Type

63oC 30 minutes Vat Pasteurization

72oC 15 seconds High Temperature Short Time (HTST)

89oC 1,0 seconds Higher-Heat Shorter Time (HHST)





138oC 2,0 seconds Ultra Pasteurization (UP)

Documents

BAB II TINJAUAN PUSTAKA - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/81/jbptppolban-gdl-adityarach... · suhu 76⁰C atau lebih dengan menggunakan alat penukar panas (heat