TEKNIK PERTANIAN: December 2017

LAMA PEMBEKUAN

Dalam mendisain sebuah proses pembekuan, penentuan waktu pembekuan merupakan hal yang sangat penting. Waktu pembekuan merupakan faktor kritis dalam pemilihan sistem pembekuan untuk mencapai kualitas pembekuan yang optimal.

1. Metode Plank

Persamaan Plank untuk menduga waktu pembekuan ditemukan oleh Plank (1913). Persamaan ini menggambarkan periode perubahan fase pada proses pembekuan untuk air.

dengan t_F adalah waktu pembekuan ; ρ adalah densitas produk beku ; L adalah panas laten pembekuan; T_F adalah suhu pembekuan ; T ͚ adalah suhu media pembeku; h_c adalah koefisien transfer panas konveksi; k adalah konduktivitas thermal produk ; a adalah ketebalan atau diameter produk ; P dan R adalah konstanta pengaruh bentuk bahan.

Jika produk tidak berbentuk lempeng, silinder, atau bola, Gambar 6.9 digunakan untuk menentukan konstanta. Koefisien β₁ adalah rasio panjang dan ketebalan produk. Koefisien β₂ adalah rasio lebar dan ketebalan produk.

Persamaan Planck (persamaan 8), tidak memperhitungkan waktu yang dibutuhkan untuk menghilangkan panas sensibel dari bagian produk yang tidak membeku pada saat di atas suhu awal pembekuan dan juga tidak memperhitungkan waktu yang dibutuhkan untuk menghilangkan panas sensible produk beku.

Persamaan Planck dimodifikasi :

Pengaruh dari panas sensibel di atas titik beku diakomodasi dengan bilangan

Planck :

Nilai konstanta P dan R ditentukan menggunakan grafik hubungan bilangan Planck dengan bilangan Stefan (Gambar 6.10 dan Gambar 6.11).

Bentuk dari produk ditetapkan menggunakan equivalent heat-transfer dimension (EHTD) :

Nilai W1 dan W2 ditetapkan dari Gambar 6.12 dengan menggunakan bilangan Biot dan faktor bentuk (β).

Nilai W1ditetapkan dengan menggunakan :

dengan d₁ adalah lebar produk dan d_c adalah ½ ketebalan produk.

Nilai W₂ ditetapkan dengan menggunakan :

dengan d₂ adalah panjang produk dan d_c adalah ½ ketebalan produk.

2. Metode Pham

Pham (1986) memperkenalkan perbaikan persamaan Planck untuk memprediksi waktu pembekuan. Metode yang dikembangkan dapat digunkan untuk bahan yang bentuk tidak beraturan dengan pendekatan elipsoidal. Keunggulan dari metode ini adalah mudah digunakan dengan tingkat keakuratan yang dapat dipercaya. metode ini menggunakan asumsi sebagai berikut:

1. Kondisi lingkungan adalah konstan

2. Suhu awal , ti, konstan

3. Nilai suhu akhir, tc, tetap

4. Konveksi pada permukaan bahan mengukuti hukum newton tentang pendinginan.

dengan Ef adalah faktor bentuk : 1 untuk infinite slab ; 2 untuk infinite cylinder ; dan 3 untuk bola.

dengan : ρcu adalah densitas produk sebelum membeku ; Cpu adalah panas spesifik produk sebelum membeku; Ti adalah suhu awal produk ; Tfm adalah “mean freezing temperature” ; Tc adalah suhu akhir pada pusat produk ; T ͚ adalah suhu media pembeku ; ρF adalah densitas produk saat membeku ; dan CpF adalah panas spesifik produk saat beku.

Jika bentuk geometri produk bukan infinite slab, infinite cylinder, atau bola, maka digunakan β₁ dan β₂ (yang cara memperolehnya sama dengan pada metode Planck) :

dengan G1; G2; dan G3 diperoleh dari tabel :

SIFAT FISIK PRODUK BEKU

SIFAT-SIFAT FISIK PRODUK BEKU

1. Densitas Produk

Pengaruh pembekuan terhadap densitas produk relatif kecil tetapi perubahan yang sangat signifikan terjadi hanya pada saat dibawah suhu pembekuan. Perubahan tersebut dapat diprediksi dengan persamaan yang dikemukakan Heldman (2001) :

dengan msi adalah berat masing-masing komponen bahan dan ρ_Si adalah berat jenis masing-masing komponen bahan.

2. Panas Spesifik Produk Beku

Panas spesifik produk pangan beku dapat diprediksi menggunakan persamaan :

Persamaan (4) digunakan untuk memprediksi panas spesifik solid dari produk dengan mengabaikan fraksi air dari produk tersebut.

3. Konduktivitas Thermal Produk Beku

Model persamaan untuk sistem dispersi dua komponen homogen :

dengan kL adalah konduktivitas thermal fase cair dan M_V² adalah fraksi volume fase diskontinyu pada produk (solid). Persamaan (5) digunakan jika konduktivitas thermal fase kontinyu (air) lebih besar dari konduktivitas thermal padatan (solid) produk.

Jika konduktivitas thermal fase kontinyu dan diskontinyu pada produk sama, maka persamaannya :

dengan

Persamaan (5) digunakan untuk memprediksi konduktivitas thermal produk pangan yang memiliki konduktivitas thermal air pada produk lebih besar dari konduktivitas thermal solid produk tersebut.

Untuk produk dengan kadar air rendah, maka air bukan lagi fase kontinyu. Untuk produk dengan kadar air rendah, persamaan (6) dan (7) adalah model yang tepat untuk memprediksi konduktivitas thermal.

4. Entalpi Produk

Pada proses pembekuan terjadi penurunan suhu bahan sampai ke titik yang diinginkan, sehingga akan terjadi penubahan nilai enthalpinya. Perubahan nilai enthalpi total atau nilai panas dibutuhkan untuk menurunkan suhu bahan dari titik di atas titik bekunya sampai suhu penyimpanan yang diinginkan.

PENENTUAN TITIK BEKU DAN FRAKSI TIDAK BEKU

Termodinamika dapat digunakan untuk menggambarkan perubahan fisik dalam air dalam suatu produk makanan selama proses pembekuan.

PENURUNAN TITIK BEKU

Hubungan antara komposisi produk dan suhu telah diinterpretasikan oleh Heldman (1974) dan Schwartzberg (1976) dalam persamaan sebagai berikut:

dengan (X_A) adalah fraksi mol air dalam produk, (T_A) adalah suhu kesetimbangan pembekuan, (λ) adalah panas laten molar peleburan, dan (R_g) adalah tetapan gas.

Fraksi mol air dalam produk dapat didefinisikan sebagai berikut:

dengan (m_A) adalah berat air dalam bahan; (M_A) adalah berat molekul air dalam bahan; (m_SI) adalah berat komponen produk; dan (M_SI) adalah berat molekul komponen produk.

Contoh Soal :

Komposisi orange juice adalah air 88,3 %; protein 0,7 %; karbohidrat 10,4 %; lemak 0,2 %; dan abu 0,4 %. Panas laten pelelehan es adalah 333,5 J/g dan konstanta gas universal 8,3144 J/mol K. Estimasikan penurunan suhu pembekuan kesetimbangan dari produk tersebut !

Jawab :

1. Komposisi dan berat molekul komponen produk (USDA, 2004) :

2. Dengan menggunakan persamaan (2), maka didapatkan :

3. Dengan persamaan (1), maka didapatkan :

FRAKSI AIR TIDAK BEKU

Salah satu karakteristik unik dari pembekuan makanan adalah hubungan antara fraksi air tidak membeku dan suhu. Hubungan tersebut merupakan dasar untuk merancang sistem pembekuan dan fasilitas penyimpanan beku pada produk pangan.

Fraksi air yang tidak membeku dalam produk pangan akan menurun secara bertahap karena suhu turun di bawah suhu pembekuan awal. Hubungan tersebut dapat dideskripsikan dengan persamaan (1) dan (2)

Contoh Soal :

Hitunglah persentase air yang tidak membeku pada strawberi beku pada suhu – 10 °C! Panas laten pelelehan es adalah 333,5 J/g dan konstanta gas universal 8,3144 J/mol K. Komposisi strawberi sebagai berikut :