Persamaan Pindah Massa EFISIENSI ENERGI

V bb = Volum bahan bakar liter N kb = Nilai kalor bahan bakar kJliter N kl = Nilai kalor listrik kJkWh P k = Daya listrik kW t = Lama penggunaan alat jam 6. Energi Output Q o 2 1 Q Q Q o + = ...............................................................................7 7. Efisiensi Total Sistem η T Merupakan perbandingan antara total energi yang digunakan untuk menurunkan kadar air produk Q o dengan total energi yang masuk ke dalam sistem. 4 3 Q Q Q o T + = η ..............................................................................8

B. Persamaan Pindah Massa

Untuk mengetahui jumlah sirkulasi yang tepat sehingga tercapai kadar air akhir yang diinginkan, maka Kamaruddin 2007 memberikan rumusan persamaan sebagai berikut : lim = + − = − = − = Λ − Λ = − → Λ Λ + Λ + X m Dns K dz dX Dns X K dz dX m Dns N dz dX m Dns N z X X m z Dns N X m X m g g A A z z z z A z z z π π π π π 29 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = m Dnsz K C z X g π exp ....................................................... 9 X = Kadar air basis basah C = Konstanta - K g = Koefisien pindah massa kgm 2 s D = Diameter dalam pipa pemanas m n = Jumlah pipa - s = Jumlah sirkulasi - z = Panjang pipa pemanas m = Laju massa kgs m 30 V. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. PERFORMANSI EVAPORATOR

Fungsi utama evaporator adalah menguapkan sebagian air dari bahan sehingga diperoleh suatu produk yang kental. Dengan menghitung laju evaporasi, ekonomi steam dan konsumsi energi pada proses evaporasi, maka dapat diketahui kinerja dari evaporator tersebut.

1. Laju Evaporasi

Laju evaporasi didefinisikan sebagai banyaknya air yang diuapkan per jam. Semakin besar nilai laju evaporasi berarti proses pindah panas dan pindah massa yang terjadi semakin efektif. Nilai laju evaporasi pada masing-masing debit dan ulangan disajikan pada Tabel 6. Tabel 6. Nilai laju evaporasi Debit Input Bahan litermenit Ulangan Laju Evaporasi litermenit 1 1 0.44 1 2 0.53 1 3 0.50 Rata-rata 0.49 1.4 1 0.50 1.4 2 0.55 1.4 3 0.53 Rata-rata 0.53 1.8 1 0.61 1.8 2 0.56 1.8 3 0.57 Rata-rata 0.58 Nilai laju evaporasi tertinggi sebesar 0.61 litermenit terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit. Sedangkan nilai laju evaporasi paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, dengan nilai sebesar 0.44 litermenit. Berdasarkan debit input bahan pada percobaan, nilai laju evaporasi rata-rata terbesar terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 0.58 litermenit. Sedangkan nilai laju 31 evaporasi rata-rata paling rendah terjadi pada percobaan dengan input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 0.49 litermenit. Dari nilai laju evaporasi yang didapatkan, terlihat bahwa semakin besar debit input bahan, maka persentase jumlah bahan yang menguap terhadap debit input bahan semakin kecil. Hal ini disebabkan ketebalan bahan yang melapisi dinding bagian dalam pipa semakin meningkat seiring dengan peningkatan debit input bahan menuju evaporator, sehingga panas yang berasal dari steam membutuhkan waktu lebih lama untuk menguapkan bahan yang berada di lapisan terluar. Dilihat dari jumlah sirkulasi bahan, semakin besar debit input bahan, maka semakin bertambah pula jumlah sirkulasi bahan dan jeda antar sirkulasi semakin cepat. Dengan memperbesar kapasitas tangki produk sealpot yang sekarang berkapasitas 18 liter menjadi sekitar 50 liter, operator akan merasa lebih nyaman dalam menjalankan evaporator dan pompa produk tidak terlalu sering dinyalakan karena jumlah sirkulasi bahan berkurang dan jeda antar sirkulasi lebih lama.

2. Ekonomi Steam

Ekonomi steam merupakan banyaknya jumlah air yang diuapkan per jumlah air yang digunakan sebagai media pemanas steam. Pada evaporator efek tunggal, nilai ekonomi steam-nya hampir selalu kurang dari satu, tetapi pada evaporator efek ganda, ekonomi steam-nya bisa jauh lebih besar. Nilai ekonomi steam hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 7. 32 Tabel 7. Nilai ekonomi steam Debit Input Bahan litermenit Ulangan Ekonomi steam literkg 1 1 0.73 1 2 0.80 1 3 0.80 Rata-rata 0.77 1.4 1 0.78 1.4 2 0.82 1.4 3 0.81 Rata-rata 0.80 1.8 1 0.87 1.8 2 0.85 1.8 3 0.84 Rata-rata 0.86 Nilai ekonomi steam tertinggi sebesar 0.87 liter air yang diuapkankg steam terjadi pada percobaan dengan input bahan 1.8 litermenit. Sedangkan nilai ekonomi steam paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 0.73 liter air yang diuapkankg steam. Nilai ini termasuk cukup baik karena evaporator yang digunakan merupakan evaporator efek tunggal. Rata-rata nilai ekonomi steam terbesar terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 0.86 liter air yang diuapkankg steam. Pada percobaan dengan debit 1 litermenit, rata-rata nilai ekonomis steam-nya merupakan nilai yang paling rendah, yaitu sebesar 0.77 liter air yang diuapkankg steam. Nilai ekonomi steam ini menggambarkan tingkat efisiensi dari penggunaan steam terhadap jumlah air yang dievaporasikan oleh evaporator. Evaporator yang digunakan pada percobaan merupakan evaporator jenis efek tunggal yang nilai ekonomi steamnya kurang dari satu. Pada evaporator jenis ini, uap evaporasi yang masih cukup panas langsung didinginkan melalui kondensor, sedangkan pada evaporator efek jamak, uap tersebut digunakan kembali untuk pemanasan bahan. Meskipun konsumsi air boiler per jam semakin meningkat seiring dengan bertambahnya debit input evaporator, namun nilai ekonomi 33 steam pada debit terbesar tetap merupakan nilai yang paling tinggi. Hal ini disebabkan oleh jumlah uap yang dievaporasikan per jam juga meningkat melebihi peningkatan konsumsi air boiler. Pada Gambar 5, 6 dan 7 disajikan perbandingan jumlah uap evaporasi dan konsumsi air boiler pada masing-masing nilai debit percobaan. Perbandingan Jumlah Uap Evaporasi dan Konsumsi Air Boiler Debit 1.4 litermenit 150 144 186 160 198.8 164.6 238.2 200.5 50 100 150 200 250 300 Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3 Rata-rata Li te r Jumlah Uap Evaporasi Konsumsi Air Boiler Perbandingan Jumlah Uap Evaporasi dan Konsumsi Air Boiler Debit 1 litermenit 179 110 186 158 246.1 137.1 234.6 205.9 50 100 150 Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3 Rata-rata Li te r 20 25 30 Jumlah Uap Evaporasi Konsumsi Air Boiler Gambar 5. Perbandingan jumlah uap evaporasi dan konsumsi air boiler pada debit 1 litermenit Gambar 6. Perbandingan jumlah uap evaporasi dan konsumsi air boiler pada debit 1.4 litermenit 34 Perbandingan Jumlah Uap Evaporasi dan Konsumsi Air Boiler Debit 1.8 litermenit 189 145 135 156 218 170 159.8 182.6 50 100 150 200 250 Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3 Rata-rata Li te r Jumlah Uap Evaporasi Konsumsi Air Boiler Gambar 7. Perbandingan jumlah uap evaporasi dan konsumsi air boiler pada debit 1.8 litermenit

3. Konsumsi Energi

Proses evaporasi merupakan salah satu bagian dari proses pengolahan gelatin yang jumlah konsumsi energinya paling tinggi. Pada proses pemekatan gelatin, ada tiga jenis energi yang digunakan yaitu energi manusia, energi bahan bakar dan energi listrik. Sebagian besar operasi di bidang pertanian dan industri membutuhkan tenaga manusia untuk melakukan kerja mekanis. Walaupun pada operasi tersebut telah menggunakan alat bantu elektromotor, tetapi tenaga manusia tetap dibutuhkan baik sebagai operator atau pengawas dari alat tersebut. Namun, penjabaran tentang perhitungan energi manusia belum dapat dianalisis dan dievaluasi menggunakan metode yang sama dengan tipe energi lainnya, karena faktor yang mempengaruhi perhitungan energi manusia sangat beragam. Karena itulah pada pembahasan tentang konsumsi energi ini, hanya energi bahan bakar dan energi listrik yang akan dibahas selanjutnya. Penggunaan energi pada proses evaporasi disajikan pada Tabel 8. 35 Tabel 8. Konsumsi energi spesifik pada proses evaporasi Debit Input Bahan litermenit Ulangan Konsumsi Listrik kWhliter uap Konsumsi Bahan Bakar literliter uap 1 1 0.26 0.13 1 2 0.22 0.11 1 3 0.23 0.11 Rata-rata

0.24 0.12

1.4 1 0.23 0.12 1.4 2 0.21 0.11 1.4 3 0.22 0.11 Rata-rata 0.22 0.11 1.8 1 0.19 0.10 1.8 2 0.21 0.11 1.8 3 0.20 0.11 Rata-rata 0.20 0.11 Dari data yang disajikan diatas, konsumsi energi listrik paling rendah yaitu sebesar 0.19 kWhliter uap yang dievaporasikan terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit. Sedangkan konsumsi energi listrik tertinggi terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 0.26 kWhliter uap yang dievaporasikan. Rata-rata konsumsi energi listrik tertinggi terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 0.24 kWhliter uap yang dievaporasikan. Sedangkan rata-rata konsumsi energi listrik paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 0.20 kWhliter uap yang dievaporasikan. Konsumsi bahan bakar tertinggi yaitu sebesar 0.13 literliter uap yang dievaporasikan terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit. Sedangkan konsumsi bahan bakar paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 0.10 literliter uap yang dievaporasikan. Rata-rata konsumsi bahan bakar tertinggi sebesar 0.12 literliter uap yang dievaporasikan terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit. Sedangkan rata-rata konsumsi bahan bakar paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit 36 dan 1.4 litermenit, yaitu sebesar 0.11 literliter uap yang dievaporasikan. Energi spesifik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk pembuatan suatu massa produk. Pada proses evaporasi ini, nilai energi spesifiknya merupakan perbandingan jumlah konsumsi energi listrik dan konsumsi energi bahan bakar terhadap jumlah uap evaporasi. Pada debit input bahan 1 litermenit, energi spesifiknya sebesar 4.92 MJliter uap evaporasi, pada debit input bahan 1.4 litermenit sebesar 4.66 MJliter uap evaporasi dan pada debit input bahan 1.8 litermenit, energi spesifiknya sebesar 4.40 MJliter uap evaporasi.

a. Energi listrik

Energi listrik sangat penting untuk mendukung proses evaporasi, walaupun energi listrik hanya menyumbang 17 dari total energi input untuk pengoperasian evaporator, namun seluruh alat yang terpasang pada evaporator memerlukan energi listrik agar dapat berjalan dengan baik. Masing-masing alat memiliki daya yang berbeda untuk mengoperasikannya, seperti yang tersaji pada Tabel 9. Tabel 9. Daya dan konsumsi listrik pada evaporator Konsumsi Listrik kWh Peralatan Listrik Daya kW Debit 1 ltrmnt Debit 1.4 ltrmnt Debit 1.8 ltrmnt Pompa Input Bahan 0.75 4.28 3.99 3.51 Pompa Input Air Kondensor 0.2 1.10 1.02 0.91 Pompa Vakum 1.5 8.27 7.67 6.79 Pompa Output Air Kondensor 0.13 0.71 0.66 0.58 Pompa dan Kipas Cooling Water 3.38 18.46 17.11 15.14 Pompa Output Produk 0.75 0.12 0.23 0.38 Boiler 0.8 4.70 4.39 3.88 Total

7.51 37.64 35.06 31.18

Nilai konsumsi energi listrik tertinggi terjadi pada pompa dan kipas cooling water, yaitu sebesar 18.46 kWh pada debit 1 litermenit, 17.11 kWh pada debit 1.4 litermenit dan sebesar 15.14 pada debit 1.8 litermenit. Hal ini sangat wajar karena daya yang terpasang pada alat tersebut juga merupakan yang tertinggi, yaitu 37 3.38 kW. Sedangkan konsumsi listrik yang paling rendah terjadi pada pompa output produk, yaitu sebesar 0.12 kWh pada debit 1 litermenit, 0.23 kWh pada debit 1.4 litermenit dan 0.38 kWh pada debit 1.8 litermenit. Kapasitas pompa dan kipas cooling water yang digunakan pada evaporator ini lebih besar dari yang dibutuhkan. Kapasitas yang terpasang adalah untuk mendinginkan air sebesar 150 litermenit, sedangkan air yang keluar dari kondensor hanya sekitar 30 litermenit. PERSENTASE KONSUMSI LISTRIK Debit 1 litermenit 12.49 0.32 49.04 1.89 11.38 21.96 2.93 Pompa Input Bahan Pompa Input Air Kondensor Pompa Vakum Pompa Output Air Kondensor Pompa dan Kipas Cooling Water Pompa Output Produk Boiler Gambar 8. Persentase konsumsi listrik pada debit 1 litermenit 38 PERSENTASE KONSUMSI LISTRIK Debit 1.4 litermenit 2.92 21.87 11.37 1.88 48.79 0.67 12.51 Pompa Input Bahan Pompa Input Air Kondensor Pompa Vakum Pompa Output Air Kondensor Pompa dan Kipas Cooling Water Pompa Output Produk Boiler PERSENTASE KONSUMSI LISTRIK Debit 1.8 litermenit 12.44 1.21 48.54 1.87 11.26 21.78 2.90 Pompa Input Bahan Pompa Input Air Kondensor Pompa Vakum Pompa Output Air Kondensor Pompa dan Kipas Cooling Water Pompa Output Produk Boiler Gambar 9. Persentase konsumsi listrik pada debit 1.4 litermenit Gambar 10. Persentase konsumsi listrik pada debit 1.8 litermenit Persentase konsumsi energi listrik yang disajikan pada gambar diatas menunjukkan bahwa alat listrik yang peningkatan konsumsi listriknya cukup signifikan pada tiga percobaan yang berbeda adalah pompa output produk. Hal ini disebabkan oleh semakin besar debit input bahan menuju evaporator, maka semakin cepat pula pengisian tangki produk, sehingga pompa output produk 39 semakin sering dinyalakan yang berakibat konsumsi listrik dari alat tersebut akan semakin meningkat. Karena pompa input air kondensor, pompa vakum, pompa output air kondensor, serta pompa dan kipas cooling water dinyalakan dan dimatikan secara bersamaan, maka tidak terjadi banyak perubahan persentase konsumsi energi listrik pada dua percobaan yang dilakukan. Persentase alat-alat tersebut lebih banyak dipengaruhi oleh daya yang terpasang pada masing-masing alat. Begitu pula dengan boiler dan pompa input bahan yang lama penggunaannya hanya berbeda 10 menit dari lama evaporasi.

b. Energi bahan bakar

Bahan bakar yang digunakan untuk mendukung proses evaporasi adalah minyak tanah. Minyak tanah berfungsi sebagai bahan bakar pada boiler untuk memanaskan air yang akan digunakan sebagai media pemanas steam pada bagian heater dari evaporator. Energi bahan bakar minyak tanah menyumbang sekitar 83 dari total energi input untuk setiap proses evaporasi. Pada Tabel 10 disajikan laju konsumsi minyak tanah pada masing- masing percobaan. Tabel 10. Laju Konsumsi Minyak Tanah Debit Input Bahan litermenit Ulangan Lama Evaporasi jam Konsumsi Minyak Tanah liter Laju Konsumsi Minyak Tanah literjam 1 1 6.77 24 3.55 1 2 3.45 12 3.48 1 3 6.17 21 3.41 Rata-rata 5.46

19.00 3.48 1.4 1

5.03 18 3.58 1.4 2 4.33 16 3.69 1.4 3 5.82 20 3.44 Rata-rata

5.06 18.00 3.57

1.8 1 5.18 19 3.67 1.8 2 4.33 16 3.70 1.8 3 3.92 15 3.83 Rata-rata 4.48

16.67 3.73

40 Laju konsumsi minyak tanah paling tinggi sebesar 3.83 literjam terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit. Sedangkan laju konsumsi minyak tanah paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 3.41 literjam. Rata-rata laju konsumsi minyak tanah paling rendah terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit, yaitu sebesar 3.48 literjam. Sedangkan rata-rata laju konsumsi minyak tanah paling tinggi sebesar 3.73 literjam terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit. Laju konsumsi minyak tanah pada percobaan akan semakin besar seiring dengan meningkatnya debit input bahan menuju evaporator. Hal ini disebabkan oleh meningkatnya jumlah steam yang diperlukan untuk menguapkan bahan, sehingga kebutuhan minyak tanah sebagai bahan bakar boiler akan meningkat pula.

4. Kadar air

Nilai kadar air menunjukkan persentase air yang terdapat dalam bahan, baik air bebas maupun air terikat yang dapat diuapkan. Menurut Setijahartini 1985, bagian air yang terdapat dalam bahan basah terdiri dari air bebas, air terikat fisis dan air terikat secara kimia. Air bebas merupakan air pada permukaan bahan padat yang dapat dengan mudah dihilangkan dan dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan mikroba. Di dalam makanan juga terdapat air terikat bound water, yaitu air yang terdapat dalam tenunan bahan yang sulit diuapkan dan dihilangkan karena terikat di dalam bahan. Analisa kadar air dilakukan dengan melakukan pengeringan di dalam oven dengan suhu di atas titik didih air hingga berat bobot bahan konstan. Bahan yang dianalisa adalah gelatin hasil evaporasi yang masih berupa gel. Nilai kadar air pada masing-masing bahan disajikan pada Tabel 11. 41 Tabel 11. Nilai kadar air hasil evaporasi Debit Input Bahan litermenit Ulangan Kadar Air Awal Kadar Air Akhir 1 1 97.76 81.16 1 2 97.30 86.97 1 3 96.86 81.26 Rata-rata

97.31 83.13

1.4 1 96.46 80.86 1.4 2 97.55 82.25 1.4 3 96.78 85.25 Rata-rata 96.93 82.79 1.8 1 95.81 77.67 1.8 2 97.30 84.24 1.8 3 97.15 84.92 Rata-rata 96.75 82.28 Proses pengolahan gelatin setelah evaporasi adalah ekstrusi dan pengeringan. Berdasarkan penelitian Winata 2006, hasil evaporasi dengan kadar air 75 merupakan nilai kadar air yang paling baik untuk pengeringan. Apabila kadar air terlalu tinggi, maka proses ekstrusi tidak dapat berlangsung dengan baik karena gelatin akan cepat mencair dan proses pengeringan akan memakan waktu cukup lama serta kemungkinan sebagian bahan akan melumer sehingga rendemen hasil pengolahan gelatin semakin kecil. Bila kadar air terlalu rendah, maka proses ekstrusi sulit dilakukan karena kerasnya bahan. Hasil evaporasi pada debit input bahan 1.8 litermenit merupakan hasil evaporasi terbaik berdasarkan nilai kadar air yang dihasilkan, yaitu 77.67. Sedangkan hasil terburuk dengan kadar air akhir 86.97 terjadi pada debit input bahan 1 litermenit. Nilai kadar air yang terlalu tinggi menyebabkan proses pengeringan awal yang dilakukan pada suhu rendah akan membutuhkan waktu lebih lama.

B. EFISIENSI ENERGI

Energi memegang peranan penting dalam perkembangan industri dan pertanian. Efisiensi energi merupakan perbandingan antara energi output 42 dan energi input dalam suatu proses. Nilai efisiensi untuk masing-masing debit disajikan pada Tabel 12. Tabel 12. Nilai efisiensi evaporator Debit Input Bahan litermenit Ulangan Energi Input MJ Energi Output MJ Efisiensi 1 1 990.69 416.41 42.03 1 2 498.04 256.31 51.46 1 3 873.46 432.74 49.54 Rata-rata 787.40 368.49 47.68 1.4 1 742.61 349.61 47.08 1.4 2 656.91 335.23 51.03 1.4 3 831.84 433.97 52.17 Rata-rata 743.79 372.93 50.09 1.8 1 781.75 440.02 56.29 1.8 2 657.57 337.77 51.37 1.8 3 612.93 314.58 51.32 Rata-rata 684.08 364.12 52.99 Nilai efisiensi tertinggi terjadi pada percobaan dengan input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 56.29. Sedangkan nilai efisiensi paling rendah sebesar 42.03 terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit. Rata-rata nilai efisiensi tertinggi terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1.8 litermenit, yaitu sebesar 52.99. Sedangkan rata- rata nilai efisiensi paling rendah sebesar 47.68 terjadi pada percobaan dengan debit input bahan 1 litermenit. 43 Perbandingan Energi Input dan Energi Output 571.82 135.52 126.22 112.26 357.37 361.13 352.85 651.88 617.57 11.27 11.81 11.12 100 200 300 400 500 600 700 Debit 1 litermenit Debit 1.4 litermenit Debit 1.8 litermenit MJ Energi Bahan Bakar Energi Listrik Panas Laten Panas Sensibel Gambar 11. Perbandingan energi input dan energi output Dari Gambar 11 terlihat bahwa energi bahan bakar menyumbang energi terbanyak, yaitu sekitar 83 dari total energi input dan sisanya berasal dari energi listrik. Jumlah penggunaan bahan bakar, yaitu minyak tanah ini dapat dikurangi dengan cara mengalirkan kondensat steam dari bagian heater menuju ke boiler, sedangkan konsumsi energi listrik bergantung pada lama evaporasi. Suhu kondensat steam sekitar 50 o C dapat mengurangi kebutuhan energi untuk mengubah air menjadi steam sehingga konsumsi minyak tanah dapat dihemat. Energi output pada proses evaporasi ini terdiri atas panas laten penguapan produk dan panas sensibel untuk menaikkan suhu produk. Suhu bahan masuk evaporator sebesar 40 o C dan suhu keluar evaporator sebesar 55 o C. Panas laten penguapan produk menyumbang sekitar 97 dari total energi output dan sisanya berasal dari panas sensibel.

C. KOEFISIEN PINDAH MASSA