Pemodalan sistem pembekuan dengan suhu media pembeku bertahap pada proses pembekuan daging sapi segar menggunakan metode eksergi

PEMODELAN SISTEM PEMBEKUAN DENGAN
SUHU MEDIA PEMBEKU BERTAHAP PADA
PROSES PEMBEKUAN DAGING SAPI SEGAR
MENGGUNAKAN METODE EKSERGI

DIANTA MUSTOFA KAMAL

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008

PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Pemodelan Sistem
Pembekuan Dengan Suhu Media Pembeku Bertahap Pada Proses Pembekuan
Daging Sapi Segar Menggunakan Metode Eksergi adalah karya saya sendiri dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.

Bogor, Januari 2008

Dianta Mustofa Kamal
NIM F161020091

ABSTRACT
DIANTA MUSTOFA KAMAL. A Model of Stepping Medium Temperature
Freezing System with Exergy Method on Beef Preservation. Under the
Supervition of ARMANSYAH H. TAMBUNAN, SOEWARNO T.
SOEKARTO, dan RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Beef preservation was required to maintain the quality of the product
during distribution and storage. There were some common different freezing
systems, such as; (1) Drying, (2) Adding chemical solution, and (3) Freezing.
Among these systems, freezing system was considered the best method to keep
the product fresh after thawing. By using the second law thermodynamics, the inefficiency of energy consumption on freezing system could be analyzed. The
method to analyze it was known as exergy analysis.
In conventional freezing method, the product was frozen at the constant
medium temperature with the great energy consumption. However, the current
developing of a freezing system model with stepping system was intended to

control the input of energy from the pre-cooling to the freezing stage. The
stepping system was conducted with controlled medium temperature since
medium temperature of freezer influenced the energy consumption.
Besides the exergy efficiency, the quality product should also be the first
priority in choosing the preservation system. The quality of the product was
influenced by the freezing rate. The greater the freezing rate, the smaller the size
of ice crystal would be, in which it might lessen the broken cell of the product,
and the product was still fresh after thawing. In contrast, the small freezing rate
resulted in low quality product since the big size of ice crystals potentially broke
the cell walls which lead to the harm of the product texture when thawing.
Commonly used freezers are applying conventional method that use
constant medium temperature leads to great amount of energy consumption.
Based on the exergy analysis, the current research created the freezing system
using stepping medium temperature so that the inefficient energy of process could
be analyzed. From the moment to the rest of the paper, the freezing system using
stepping medium temperature will be called exergetic freezing system.
The current research developed the prototype of exergetic freezing system
by modifying contact plate with multi-evaporator and product moving system in
continuing tray.
The research was aimed at designing and improving a model of beef

freezing system in a three-stage process, and to discuss the effectiveness of exergy
and energy of the suggested model.
The underlying thought for the suggested model was the increase of
exergy efficiency through the application of exergy method. The fresh beef that
was straightly obtained from the butcher used as a sample product in the research.
The freezing method was divided into three periods: pre-cooling, freezing, and
sub-freezing. Pre-cooling is the first stage when initial temperature of product
decrease until freezing point. Freezing stage is phase change of product, and the
sub-freezing is the last stage when phase change temperature of product decrease
until safety freezing temperature.

The research was started by designing of mathematic model for stepping
freezing system, and then developed the prototipe of exergetic freezer using
moving system in continuing tray. The temperature of the tray, beef, and plate is
measured using thermocopel type C-C and recorded using Yokogawa 3058.
Refrigeration system was used compression refrigeration system with multi
evaporator and compressor capasity was 2360 kcal/h. Freezing system was used
contact plate mehtod. Fresh beef that is straightly obtained from butchery shop is
used as sample material in the research.
The exergetic freezing had higher Coefficient Of Performance (COP) than

those of conventional freezer. That way, the working system of exergetic freezing
was considered better than the conventional one. The exergic freezing could also
increase the efficiency of exergy by 1.0 to 13.0 percent, and the freezing
temperature increased by 51.2 to 63.4 percent, from the previous conventional
temperature of 50.9 percent. Compare to constant temperature freezing system,
the exergetic system can lessen the loss of freezing exergy from 33.2 kJ to 19.4
kJ. Based on the freezing rate in which the quality of the product could be
maintained by quick freezing, the exergetic freezing resulted a freezing rate of
1.13 to 1.26 cm/hour. This rate was considered a quick freezing. In summary, the
suggested exergetic system is more efficient, and can successfully keep the quality
of the product.

RINGKASAN
DIANTA MUSTOFA KAMAL. Pemodelan Sistem Pembekuan Dengan Suhu
Media Pembeku Bertahap Pada Proses Pembekuan Daging Sapi Segar
Menggunakan Metode Eksergi. Dibimbing oleh ARMANSYAH H.
TAMBUNAN, SOEWARNO T. SOEKARTO, dan RADITE PRAEKO AGUS
SETIAWAN.
Teknologi pengawetan produk terutama daging sapi dibutuhkan untuk
mempertahankan mutu selama pendistribusian dan penyimpanan daging sapi.

Beberapa
metode
pengawetan
bahan
pangan
diantaranya,
yaitu
(1) pengeringan, (2) penambahan bahan kimia pengawet, dan (3) pembekuan.
Metode pembekuan merupakan metode terbaik dalam pengawetan karena bahan
pangan dapat tetap segar setelah di-thawing. Dengan menerapkan kaidah
termodinamika II, penggunaan energi pada sistem pembekuan yang tidak efisien
dapat dianalisis. Metode analisis ini dikenal dengan sebutan analisis eksergi.
Pada metode pembekuan konvensional, pembekuan dilakukan pada suhu
media yang tetap selama proses pembekuan berlangsung. Konsumsi energi terjadi
sejak tahap penurunan suhu awal bahan hingga tahap pembekuan lanjut di bawah
titik beku. Pengembangan suatu model sistem pembekuan dengan suhu media
pembeku yang dapat dikendalikan secara bertahap bertujuan untuk mengendalikan
input energi sejak tahap awal pembekuan hingga pembekuan lanjut. Pengendalian
input energi melalui pengaturan suhu media pembeku dalam proses pembekuan
suhu bertahap dilakukan agar penggunaan energi lebih efektif, karena suhu media

pembeku mempengaruhi input energi. Gradien penurunan suhu bahan paling besar
adalah tahap pre-cooling sampai titik bekunya. Sedangkan pada tahap freezing
tidak terjadi penurunan suhu, tetapi hanya terjadi pelepasan panas laten bahan
dimana kandungan air dalam bahan berubah wujud menjadi padat, dan pada tahap
ini suhu titik beku merupakan suhu terendah bahan. Semakin kecil perbedaan
antara suhu media pembeku dengan suhu titik beku pada tahap pre-cooling dan
freezing, maka semakin kecil pula input energi dan kehilangan eksergi dari proses
pembekuan.
Selain faktor efisiensi eksergi, faktor mutu produk juga harus diperhatikan
dalam pemilihan metode pembekuan. Mutu produk dipengaruhi oleh laju
pembekuannya. Semakin cepat laju pembekuan, ukuran kristal es yang terbentuk
kecil sehingga mengurangi pecahnya dinding sel pada bahan, dan produk masih
tetap segar ketika di-thawing. Sebaliknya, laju pembekuan yang lambat
menghasilkan mutu produk yang rendah karena kristal es berukuran besar
menyebabkan pecahnya dinding sel sehingga tekstur bahan rusak ketika dithawing.
Alat pembeku yang tersedia di pasaran umumnya masih menggunakan
metode konvensional, yaitu menggunakan suhu media pembeku yang tetap
sepanjang proses pembekuan sehingga mengkonsumsi energi cukup besar.
Dengan menerapkan metode analisis eksergi, model sistem pembekuan suhu
bertahap dapat dihasilkan alat pembeku yang prosesnya lebih efisien. Karena itu,

model sistem pembekuan menggunakan suhu media pembeku yang bertahap
dikembangkan dalam penelitian ini dan selanjutnya sistem ini disebut sistem

pembekuan eksergetik. Perancangan prototipe alat pembeku ini dilakukan dengan
memodifikasi lempeng sentuh menggunakan multi evaporator, dan sistem
pergerakan bahan secara kontinyu menggunakan conveyor.
Tujuan penelitian ini adalah merancang dan mengembangkan suatu model
pembekuan daging sapi dalam tiga tahap proses dalam satu sistem, dan mengkaji
efisiensi eksergi dan energi pada model tersebut.
Penelitian ini menerapkan model sistem pembekuan eksergetik pada proses
pembekuan sampel daging sapi. Kerangka pemikiran yang mendasari model
tersebut adalah peningkatan efisiensi eksergi pembekuan melalui penerapan
metode analisis eksergi terhadap sistem pembekuan. Pembekuan terbagi menjadi
tiga tahap: tahap I adalah tahap pre-cooling, atau penurunan suhu awal bahan
hingga mencapai titik bekunya, tahap II adalah tahap freezing, atau tahap
perubahan fase bahan, dan tahap III adalah tahap sub-freezing, atau tahap
pembekuan lanjut, dimana terjadi penurunan suhu bahan di bawah titik beku.
Mutu bahan dapat dipertahankan melalui laju pembekuan cepat, sehingga
optimasi suhu media pembeku pada tahap I dan II yang merupakan hal yang
penting.

Penelitian diawali dengan pembuatan model matematis sistem pembekuan
eksergetik, dan dilanjutkan dengan pembuatan dan pengujian prototipe mesin
pembeku eksergetik yang dilengkapi dengan sistem pergerakan wadah secara
kontinyu. Suhu wadah, suhu produk, dan suhu plat pembeku diukur dengan
termokopel tipe C-C dengan alat perekam suhu Yokogawa tipe 3058. Sistem
refrigerasi yang digunakan adalah sistem kompresi uap multi-evaporator dengan
kompresor berkapasitas 2360 kkal/jam. Proses pembekuan menggunakan metode
lempeng sentuh. Sampel produk menggunakan daging sapi segar yang belum
mengalami pengolahan lebih lanjut.
Sistem pembekuan eksergetik mempunyai harga koefisien performansi
(COP) yang lebih tinggi daripada mesin pembeku konvensional, dengan demikian
unjuk kerja sistem pembekuan eksergetik lebih baik dari pada sistem pembekuan
konvensional. Lebih lanjut sistem pembekuan eksergetik juga dapat meningkatkan
efisiensi eksergi sekitar 1.0 – 13.0 % dari sistem pembekuan konvensional dengan
suhu tetap yang semula sebesar 50.9 % meningkat menjadi 51.2 – 63.4 %.
Dibanding sistem pembekuan suhu tetap yakni pembekuan dengan suhu media
pembeku yang konstan selama proses pembekuan berlangsung maka model sistem
pembekuan eksergetik dapat mengurangi kehilangan eksergi proses pembekuan
dari 33.2 kJ/kg menjadi 19.4 kJ/kg. Mutu produk yang dibekukan dapat
dipertahankan selama laju pembekuannya tergolong cepat yakni antara 1.0 hingga

10 cm/jam. Pada produk yang dibekukan dengan sistem pembekuan eksergetik
diperoleh laju pembekuannya berkisar 1.13 hingga 1.26 cm/jam yang masih dapat
dikategorikan sebagai pembekuan cepat. Dengan demikian, disimpulkan bahwa
model sistem pembekuan eksergetik merupakan sistem pembekuan yang efisien
dan masih dapat mempertahankan mutu produk yang dibekukan.

© Hak cipta milik IPB, tahun 2008
Hak cipta dilindungi Undang-undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian,
penulisan karya ilmiah, penyusunan laopran, penulisan
kritik atau tinjauan suatu masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh
karya tulis ini dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

PEMODELAN SISTEM PEMBEKUAN DENGAN
SUHU MEDIA PEMBEKU BERTAHAP PADA

PROSES PEMBEKUAN DAGING SAPI SEGAR
MENGGUNAKAN METODE EKSERGI

DIANTA MUSTOFA KAMAL

Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008

Judul Disertasi

: Pemodelan Sistem Pembekuan Dengan Suhu Media Pembeku
Bertahap Pada Proses Pembekuan Daging Sapi Segar
Menggunakan Metode Eksergi

Nama
NIM

: Dianta Mustofa Kamal
: F161020091

Disetujui
Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan
Ketua

Prof. Dr. Soewarno T. Soekarto
Anggota

Dr. Ir. Radite Praeko A. S, M.Agr.
Anggota

Diketahui
Ketua Program Studi Ilmu
Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan,
Tanggal Ujian: 8 Oktober 2007

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.
Tanggal Lulus:

2008

PRAKATA
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah S.W.T. atas segala
rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Penelitian ini
berjudul Pemodelan Sistem Pembekuan Dengan Suhu Media Pembeku Bertahap
Pada Proses Pembekuan Daging Sapi Segar Menggunakan Metode Eksergi.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan penghargaan dan rasa
terimakasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, selaku ketua komisi
pembimbing,
2. Bapak Prof. Dr. Soewarno T. Soekarto, selaku anggota komisi pembimbing.
3. Bapak Dr. Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr., selaku anggota komisi
pembimbing.
4. Bapak Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.S., sebagai Dosen Penguji Luar pada
Sidang Tertutup.
5. Bapak Dr. Ir. Johnner P. Sitompul, M.Sc. dari Departemen Teknik Kimia
Institut Teknologi Bandung (ITB) dan Bapak Dr. Ir. Y. Aris Purwanto dari
Departemen Teknik Pertanian IPB, sebagai Dosen Penguji Luar pada Sidang
Terbuka.
6. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional yang
telah memberikan bantuan berupa biaya pendidikan dan penelitian (BPPS).
7. Hibah Penelitian Tim Pasca Sarjana (HPTP) No. 317/SP3/PP/DP2M/II/2006
yang telah memberikan bantuan biaya penelitian.
8. Bapak dan Ibu Staf Pengajar di Departemen Teknik Pertanian, IPB.
9. Para Staf dan Teknisi Laboratorium Pindah Panas dan Massa dan
Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, IPB.
10. Teman-teman satu angkatan atas diskusi, dan motivasinya.
11. Orang tua, istri, dan adik penulis atas dukungannya.
12. Semua pihak yang tak dapat penulis sebutkan satu persatu di sini atas segala
bantuan moril, materiel, dukungan, dan doanya.
Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi masyarakat, Industri dan
Ilmu dan Teknologi.
Bogor, Januari 2008
Dianta Mustofa Kamal

RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 28 Desember 1973 sebagai putra
pertama dari pasangan Mofid dan Kuninggar. Pendidikan sarjana (S-1) ditempuh
di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Jayabaya
Jakarta, dan ditamatkan pada tahun 1998. Pada tahun berikutnya penulis menjadi
tenaga edukatif di Universitas Jayabaya.
Pendidikan Magister Teknik penulis tempuh pada tahun 1999 sampai tahun
2001 di Program Pascasarjana Universitas Indonesia, Program Studi Teknik
Mesin, konsentrasi Mesin Energi. Pada tahun 2002, penulis melanjutkan jenjang
pendidikan Strata-3 di Sekolah Pascasarjana (SPs), Institut Pertanian Bogor,
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian. Penulis mendapatkan Beasiswa
Pendidikan dan Penelitian dari Departemen Pendidikan Nasional Republik
Indonesia.
Selama mengikuti Program Doktor, penulis juga masih aktif sebagai staf
pengajar di Perguruan Tinggi. Artikel ilmiah yang merupakan bagian dari disertasi
ini, telah diterbitkan dalam Jurnal Keteknikan Pertanian Vol. 21, No.2 Juni 2007
dengan judul “Pengaruh Suhu Media Pembeku Terhadap Efisiensi Eksergi Dan
Laju Pembekuan”.

DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR NOTASI ..........................................................................................

xi

DAFTAR TABEL ...........................................................................................

xii

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................

xiv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xvii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ........................................................................................
Perumusan Masalah ................................................................................
Tujuan Penelitian ...................................................................................
Hipotesis ................................................................................................
Manfaat Penelitian .................................................................................

1
5
5
6
6

TINJAUAN PUSTAKA
Konsep Eksergi Proses Pembekuan ........................................................
Konsep Keseimbangan Energi, Entropi, dan Eksergi ............................
Pengertian Pembekuan............................................................................
Macam-macam Metode Pembekuan.......................................................
Proses Pembekuan ..................................................................................
Laju Pembekuan ....................................................................................
Pembekuan Daging Sapi .........................................................................
Perhitungan Sifat-sifat Termofisik Bahan Pangan .................................
Pengaruh Pembekuan terhadap Pembentukan Kristal Es .......................

7
9
10
12
15
17
21
22
23

BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................
Kerangka Pemikiran ...............................................................................
Model Matematis Eksergi Pembekuan Suhu Bertahap ..........................
Metode Penelitian .................................................................................

25
25
27
33

HASIL DAN PEMBAHASAN
Mesin Pembeku Eksergetik ....................................................................
Analisis Energi dan Eksergi....................................................................

43
53

KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................................

78

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................

80

LAMPIRAN .....................................................................................................

84

DAFTAR NOTASI

A
a
Bis
Cp1
Cp2
D
dQ
dt
dx
E
Ex,in
Ex,in-1
Ex,in-2
Ex,in-3
Ex,loss
Ex,loss1
Ex,loss2
Ex,loss3
fw
KA
KP
h, hc
hfw
hfp
hL
k
Lp
BMa
BMp
mair
mbk
mp
mf
muf
%mf
%munf
q
Q
Q1
Q2
Qb
Qfs

Luas penampang perpindahan panas (m2)
Tebal bahan pangan (m)
Biot Number, hD/k
Panas jenis bahan di atas titik beku (kJ/kgK)
Panas jenis bahan di bawah titik beku (kJ/kgK)
Panjang perimeter bahan (m)
Perubahan energi panas (kJ)
Diskritisasi lamanya waktu proses (detik)
Diskritisasi jarak perpindahan panas (m)
Energi (kJ)
Eksergi input (kJ)
Eksergi input tahap I (kJ)
Eksergi input tahap II (kJ)
Eksergi input tahap III (kJ)
Kehilangan eksergi (kJ)
Kehilangan eksergi tahap I (kJ)
Kehilangan eksergi tahap II (kJ)
Kehilangan eksergi tahap III (kJ)
Persentase air beku (%)
Kadar Air (%)
Kadar Padatan (%)
Koefisien perpindahan panas konveksi udara (W/mK)
Panas laten pembekuan air (kJ/kg)
Panas laten produk (kJ/kg)
Panas laten pembekuan volumetrik, J/m3
Konduktivitas termal bahan pangan (W/mK)
Laju pembekuan (cm/jam)
Berat Molekul Air
Berat Molekul Produk dalam bentuk padatan
Massa Air (kg)
massa bahan kering (kg)
Massa Produk (kg)
Massa air yang membeku dalam bahan beku (kg)
Massa air yang tak membeku dalam bahan beku (kg)
Persentase air beku (%)
Persentase air tak beku (%)
Perpindahan panas bahan pangan (W)
Total panas pembekuan bahan pangan (kJ)
Panas Sensibel bahan di atas titik beku (kJ)
Panas Sensibel bahan di bawah titik beku (kJ)
Panas Laten bahan pada saat pembekuan (kJ)
Energi panas pembekuan (kJ)

R
S1
S2
T
T0
T1
T2
T
Tb
Tcs
Tb1
Tb2
Tb3
tF
Tma
Tmb
Tmf
Tmm
Uo
V
W
wc
x
y
∆Ex
∆H
∆ H1
∆ H2
∆Hfs

ηII
∆Sfs
∆T1
∆T2
∆U
ma
mb
mc
h4a
h4b
h4c
h1a
h2b

Konstanta Gas = 8.314 (kJ/mol K)
Entropi awal proses (kJ/K)
Entropi akhir proses (kJ/K)
Suhu pada saat proses berlangsung (K)
Suhu lingkungan (°C)
Suhu awal bahan (°C)
Suhu penyimpanan bahan di bawah titik beku (°C) atau suhu beku bahan
Suhu udara pendingin (°C)
Titik beku bahan (°C)
Suhu media pembeku (Cooling Source) (K)
Suhu bagian permukaan bawah bahan pangan (°C)
Suhu bagian tengah bahan pangan (°C)
Suhu bagian atas bahan pangan (°C)
Waktu pembekuan (detik)
suhu media pembeku tahap I, yakni penurunan suhu bahan hingga awal dari
tahap pembekuan air bebas (°C)
suhu media pembeku tahap II, yakni penurunan suhu bahan dibawah suhu
bekunya hingga suhu penyimpanan (°C)
Suhu media lempeng pembeku tahap II (°C), atau juga
Suhu media pembeku saat perubahan fase (tahap II) (°C)
Titik beku efektif (°C)
Energi dalam (kJ)
Volume bahan (m3)
Kerja (kJ)
Kandungan air (%)
Variabel jarak perpindahan panas (m)
Perbandingan massa air dengan massa bahan kering
Perubahan eksergi (kJ)
Perubahan entalpi (kJ/kg)
Perubahan entalpi awal pembekuan (kJ)
Perubahan entalpi pada saat perubahan fase dan penurunan suhu akhir (kJ)
Perubahan entalpi pembekuan (kJ)
Efisiensi eksergi (%)
Perubahan entropi pembekuan (kJ/K)
Perubahan suhu awal pembekuan (°C)
Perubahan suhu pada saat perubahan fase dan penurunan suhu akhir (°C)
Perubahan energi dalam (kJ)
Laju alir massa refrigeran pada evaporator I (kg/detik)
Laju alir massa refrigeran pada evaporator II (kg/detik)
Laju alir massa refrigeran pada evaporator III (kg/detik)
Entalpi refrigeran memasuki evaporator I (kJ/kg)
Entalpi refrigeran memasuki evaporator II (kJ/kg)
Entalpi refrigeran memasuki evaporator III (kJ/kg)
Entalpi refrigeran keluar dari evaporator I (kJ/kg)
Entalpi refrigeran keluar dari evaporator II (kJ/kg)

h1c
h1
h2
COP

Entalpi refrigeran keluar dari evaporator III (kJ/kg)
Entalpi refrigeran memasuki kompresor (kJ/kg)
Entalpi refrigeran keluar dari kompresor (kJ/kg)
Coefficient Of Performance (Koefisien Performansi)

Greek:

ρ
γ
σ

Massa jenis bahan (kg/m3)
Fraksi air bebas
Peningkatan Entropi (kJ/°C)

DAFTAR TABEL
Halaman
1 Hasil analisis eksergi pada pembekuan larutan Mannitol (mbk = 1 kg)
dengan suhu awal 278.15 K, Suhu Pembekuan 268.15 K dan Suhu akhir
pembekuan 233.15 K ...................................................................................

9

2 Persentasi kehilangan eksergi pada masing-masing tahap pembekuan
terhadap kehilangan eksergi total yang diolah dari data pembekuan ikan
patin dan ayam broiler .................................................................................

9

3 Perbandingan Kinerja Mesin Pembeku Suhu Tetap1] dan Suhu Bertahap ..

45

4 Beda suhu antara wadah produk dengan lempeng sentuh ...........................

49

5 Beda Suhu minimum dan maksimum antara wadah dengan lempeng
pembeku .....................................................................................................

51

6 Perbandingan Karakteristik Pengujian Daging Sapi pada Pembekuan
Konvensional Suhu Tetap -10 °C, -20°C dan -25 °C ..................................

57

7 Perbandingan karakteristik beberapa bahan pangan dengan metode
lempeng sentuh ............................................................................................

58

8 Laju pembekuan daging sapi menggunakan sistem pembekuan dengan
suhu tetap dan suhu bertahap.......................................................................

61

9 Laju pembekuan ikan Patin dan Ayam Broiler dengan metode lempeng
sentuh ..........................................................................................................

61

10 Sifat-sifat termofisik sampel daging sapi yang digunakan .........................

66

11 Hasil perhitungan kebutuhan minimal energi pembekuan .........................

67

12 Analisis Eksergi Pembekuan Daging Sapi .................................................

68

13 Kehilangan eksergi pembekuan daging sapi dengan berbagai suhu
media pembeku............................................................................................

70

DAFTAR GAMBAR
Hal
1 Grafik Peningkatan Biaya Energi Listrik Untuk Sektor Industri dari tahun
1992 hingga tahun 2005 (Sumber: PLN Statistics, 2004-2005) ..................

2

2 Aliran masuk dan keluar dari energi, eksergi dan entropi pada sistem.
Energi yang masuk dan keluar pada kondisi steadi adalah sama. Sejumlah
entropi yang keluar lebih besar dari pada entropi masuk, menurut hukum
peningkatan entropi, dan sejumlah eksergi yang keluar selalu lebih kecil
daripada eksergi yang masuk setelah dikonsumsi oleh peningkatan entropi
(Sukuya, 2002) ............................................................................................ 10
3 Pembentukan es pada pembekuan dengan suhu media pembeku yang
berbeda (Fellows, 1992) .............................................................................. 11
4 Pembekuan Kontak Langsung dengan Refrigeran (Heldmand dan Lund,
1992).. ..........................................................................................................

13

5 Metode Pembekuan dengan Nitrogen Cair (Fellows, 1992). ......................

13

6 Metode Pembekuan Lempeng Sentuh dengan (a) satu lempeng dan (b)
dua lempeng sentuh yang diberi tekanan saling berlawanan (Heldman and
Lund, 1992) ................................................................................................. 14
7 Skema Proses Pembekuan Bahan Pangan (Fellow, 1992) .........................

17

8 Ilustrasi skematik pembekuan satu-dimensi bahan (Heldman dan Singh,
1981) ............................................................................................................

19

9 Pengaruh pembekuan terhadap bentuk kristal es (Gab-Soo Do et al,
2004), kristal es lebih besar pada pembekuan lambat (kiri) dan kristal es
lebih kecil pada pembekuan cepat (kanan)..................................................

24

10 (a) Metode Pembekuan Konvensional (b) Model Sistem Pembekuan
Suhu Bertahap Model Sistem Pembekuan Suhu Bertahap .......................

25

11 Profil Penurunan Suhu Bahan dan Suhu Media Pembeku .........................

26

12 Diagram model teoritis analisis eksergi pada proses pembekuan ..............

27

13 Skema energi terhadap waktu pada proses pembekuan suhu bertahap .......

28

14 Diagram alir analisis eksergi model sistem pembekuan ............................

34

15 Model sistem refrigerasi kompresi uap yang digunakan oleh Ruliyana
(2004) ........................................................................................................... 35

16 Model sistem refrigerasi kompresi uap dengan multi-evaporator
(Pengembangan dari Model Ruliyana, 2004). .............................................

36

17 Titik-titik pengukuran suhu pada bahan disajikan dalam penampang
membujur .................................................................................................... 37
18 Diagram Tekanan-Entalpi (P-h diagram) untuk sistem ideal refrigerasi
multi-evaporator (Domkundwar, 1980). .....................................................

39

19 Sampel daging sapi segar tanpa kemasan, dilihat dari atas. .......................

41

20 Sampel daging sapi segar dengan kemasan plastik clear polyethelene
(tampak atas). ..............................................................................................

41

21 Sampel daging sapi segar dengan kemasan styrofoam dan plastik clear
polyethelene (tampak atas)..........................................................................

42

22 Posisi wadah produk pada sisi pemasukan .................................................

42

23 Sistem Alir Pergerakan Produk dalam Mesin Pembeku Suhu Bertahap
Kontinyu. ....................................................................................................

43

24 Gambar Teknik Mesin Pembeku Suhu Bertahap Hasil Rancangan ...........

44

25 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap I .................................

46

26 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap II ................................

47

27 Profil Suhu Evaporator dan Suhu Lempeng Tahap III ...............................

47

28 Profil penurunan suhu wadah produk bersamaan dengan suhu lempeng
pembeku ......................................................................................................

48

29 Profil penurunan suhu wadah produk daging setelah suhu plat pembeku
konstan ........................................................................................................

48

30 Pembentukan kristal es pada plat pembeku ................................................

49

31 Profil suhu wadah pada kecepatan 20 cm/min di atas lempeng bersuhu
tetap -24 °C. ................................................................................................

50

32 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada kecepatan wadah
30.0 cm/min ................................................................................................

51

33 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada kecepatan wadah
48.0 cm/min. ...............................................................................................

52

34 Profil suhu lempeng sentuh dan wadah produk pada kecepatan wadah
70.6 cm/min. ...............................................................................................

52

35 Profil penurunan suhu wadah pada pembekuan suhu bertahap kontinyu
dengan kecepatan konstan 1.8 cm/menit. ...................................................

53

36 Profil penurunan suhu daging sapi pada proses pembekuan suhu tetap
dengan suhu media pembeku -10 °C. .........................................................

54

37 Grafik sebaran suhu pembekuan suhu tetap daging sapi segar, (a) pada
suhu media pembeku -20 °C; (b) pada suhu media pembeku -25 °C .........

56

38 Profil sebaran suhu produk daging sapi suhu media pembeku tahap I,
-10 oC, dan tahap II dan III masing-masing -25 oC.....................................

59

39 Profil sebaran suhu produk daging sapi dengan suhu media pembeku
tahap I, II, dan III adalah -3 oC, -15 oC, dan -21 oC ...................................

60

40 Profil Sampel daging tanpa kemasan dalam wadah produk yang
dibekukan dengan sistem pembekuan eksergetik secara kontinyu (suhu
media: -8, -20, -26 °C) dengan kecepatan wadah 2 cm/min. ......................

62

41 Profil Sampel daging dengan kemasan plastik dalam wadah produk dan
dibekukan dengan sistem pembekuan suhu bertahap secara kontinyu
(suhu media: -8, -20, -26 °C) dengan kecepatan wadah 1.5 cm/min. .........

63

42 Profil Sampel daging dengan kemasan plastik dan styrofoam yang
diletakkan terbalik dalam wadah produk, dan dibekukan dengan sistem
pembekuan eksergetik secara kontinyu (suhu media: -5, -18, -30 °C)
dengan kecepatan wadah 1.8 cm/min ........................................................

63

43 Grafik hubungan kehilangan eksergi (kJ/kg) terhadap nilai suhu takberdimensi T’= (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb) ...........................................................

71

44 Grafik hubungan efisiensi eksergi (%) dan kehilangan eksergi (kJ/kg)
terhadap T’ = (Tma-Tmf)/(Tma-Tmb). .............................................................

71

45 Grafik hubungan efisiensi eksergi (%) dengan energi terpakai (MJ)
pada sistem pembekuan eksergetik untuk model daging sapi segar. ..........

72

46 Hubungan efisiensi eksergi dengan laju pembekuan pada pembekuan
eksergetik untuk model daging sapi segar ..................................................

73

47 Grafik hubungan suhu media pembeku Tmf (Tma = -5 °C; Tmb =-40 °C)
terhadap kehilangan eksergi ........................................................................

75

48 Hubungan suhu media pembeku (Tmf) dengan laju pembekuan pada
Tma = -5 °C; Tmb =-40 °C ............................................................................

75

49 Grafik hubungan laju pembekuan dengan efisiensi eksergi pada
Tma = -5 °C; Tmb =-40°C. ............................................................................

76

50 Grafik hubungan suhu media pembeku terhadap perubahan eksergi
dEx/dT (Tma = -5 °C;Tmb = -40 °C dan Tma = -10 °C; Tmb = -40 °C, serta
Tma = -15 °C; Tmb = -40 °C). .......................................................................

77

DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Spesifikasi Teknik Mesin Refrigerasi ........................................................

84

2 Kalibrasi Termokopel tipe C-C ...................................................................

85

3 Suhu awal produk, suhu lingkungan, dan suhu media pembeku yang
digunakan pada pengujian pembekuan eksergetik kontinyu (dalam ºC)
dan Sifat termofisik serta komposisi serat daging sapi segar (ASHRAE,
1994) ...........................................................................................................

86

4 Bahan yang digunakan untuk memodifikasi sistem pembekuan................

87

5 Pembuatan evaporator lempeng sentuh .......................................................

89

6 Sistem Pergerakan Bahan kontinyu .............................................................

90

7 Alat ukur yang digunakan ...........................................................................

91

8 Diagram Tekanan-entalpi untuk Refrigeran-12 .........................................

92

9 Gambar Teknik Mesin Pembeku Eksergetik ...............................................

93

10 Data Rekam Cetak ......................................................................................

95

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Pertumbuhan sektor peternakan di Indonesia selama periode 1999 sampai
2003 adalah 3.2 % per tahun lebih tinggi 1.2 % daripada sektor pertanian yang
hanya 2.0 % per tahun. Diantara komoditi unggulan di sekor peternakan, usaha
sapi potong memberikan porsi terbesar (Ilham, 2006). Distribusi dan stok menjadi
issu yang cukup penting dalam bisnis daging sapi. Setelah pemotongan, daging
sapi harus didistribusikan ke tempat yang jauh dengan masa pengiriman yang
kadang cukup lama dan kadang juga disimpan sebagai stok dalam jangka waktu
tertentu untuk pemasaran masal dan modern, seperti yang terjadi pada pasar
swalayan berskala besar. Oleh karena itu, teknologi pengawetan produk
dibutuhkan

untuk

mempertahankan

mutu

selama

pendistribusian

dan

penyimpanan daging sapi tersebut.
Banyak metode untuk pengawetan bahan pangan, tiga diantaranya telah
dikenal, yaitu (1) pengeringan, (2) penambahan bahan kimia pengawet, dan (3)
pembekuan. Pengeringan merupakan suatu proses pengurangan kadar air bahan
dengan cara penguapan (Brooker et al, 1974). Dalam metode ini terdapat
kelemahan yaitu bahan menjadi tidak segar ketika akan dikonsumsi. Metode
penambahan bahan kimia pengawet merupakan pemberian larutan kimia tertentu
terhadap bahan. Metode ini tidak memerlukan biaya tinggi dan dapat digunakan
sebagai pengawet produk sapi potong, tetapi kurang baik bagi tubuh manusia bila
dikonsumsi secara terus-menerus. Metode pembekuan merupakan metode
pengawetan yang dilakukan dengan cara menurunkan suhu bahan sampai di
bawah titik bekunya, sehingga bahan pangan tetap segar setelah di-thawing.
Proses pembekuan tidak hanya menurunkan suhu bahan, tetapi juga
membekukan hampir seluruh air yang terdapat dalam bahan. Air yang membeku
tersebut tidak lagi berfungsi sebagai pelarut sehingga aktivitas air dalam bahan
berkurang. Oleh karena itu, bahan pangan seperti daging sapi yang dibekukan
mempunyai masa simpan produk yang jauh lebih panjang daripada hanya dengan

2

didinginkan.

Dengan

demikian,

metode

pembekuan

merupakan

teknik

pengawetan terbaik yang dapat mempertahankan mutu bahan pangan dan tidak
memerlukan bahan pengawet kimia. Pembekuan juga menguntungkan bagi
pemasaran masal dan modern yang memiliki masa pengiriman cukup lama,
seperti yang terjadi pada pasar swalayan berskala besar.
Biaya energi pembekuan dipengaruhi oleh biaya energi listrik. Di Indonesia,
biaya energi listrik meningkat setiap tahun berdasarkan statistik PLN (Gambar 1).
Semakin tinggi biaya energi listrik maka semakin tinggi pula biaya energi
pembekuan.

600

biaya (Rp/kWh)

500
400
300
200
100
0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

tahun

Gambar 1 Grafik Peningkatan Biaya Energi Listrik untuk Sektor
Industri di Indonesia dari tahun 1992 hingga 2005
(Sumber: PLN statistic, 2004-2005).

Dampak positif dari tingginya biaya energi listrik tersebut adalah
meningkatnya upaya penghematan energi. Upaya tersebut dapat dilakukan dengan
analisis energi dan eksergi. Analisis energi menerapkan kaidah termodinamika I
yaitu analisis keseimbangan energi pada sistem dengan lingkungannya. Secara
umum, keseimbangan energi tidak memberikan informasi mengenai kualitas dari
energi yang masuk atau keluar dari batas sistem tersebut. Selanjutnya, metode
analisis dilakukan dengan menerapkan kaidah termodinamika II. Metode ini
diketahui dapat memberikan informasi mengenai kualitas dari energi dalam sistem
termal, metode analisis ini dikenal dengan sebutan analisis eksergi. Menurut

3

Dincer (dalam Liu et al, 2007) serta Rosen dan Dincer (2003), menyatakan bahwa
analisis eksergi adalah metode terbaik dan paling efektif dalam menganalisis suatu
sistem yang berkaitan dengan energi.
Eksergi dipahami sebagai availability (Moran dan Saphiro, 2003), yakni
energi yang dapat dimanfaatkan pada sistem termal hingga tercapainya
keseimbangan termodinamis dan mekanis dengan lingkungannya. Dengan
demikian, eksergi pembekuan adalah energi yang sekurang-kurangnya tersedia
agar proses pembekuan dapat berlangsung. Efisiensi eksergi universal adalah rasio
antara jumlah eksergi keluar dari sistem dengan eksergi input pada sistem, dan
efisiensi eksergi fungsional adalah perbandingan antara perubahan eksergi produk
dengan perubahan eksergi sumber (Boelman dan Sakulpipatsin, 2004). Semakin
tinggi efisiensi eksergi, semakin rendah konsumsi energi listriknya (Wall, 1991).
Berkaitan dengan eksergi bidang refrigerasi, beberapa penelitian telah
dilakukan oleh beberapa peneliti (Leidenfrost et al, 1980; Wall, 1991; Chen,
1999, Yumrutas et al, 2002; Srinivasan et al, 2003; Jun et al, 2004). Tetapi
penerapan analisis eksergi terhadap sistem pembekuan masih belum banyak
dilakukan. Beberapa peneliti yang mengkaji eksergi sistem pembekuan adalah
Bruttini et al (2001) dan Tambunan et al (2003).
Penggunaan energi pada sistem pembekuan masih belum efisien karena pada
setiap tahap pembekuan, kebutuhan energinya berbeda menurut Bruttini et al
(2001) dan Tambunan et al (2003). Mascheroni et al (1982) membagi pembekuan
menjadi tiga tahap, yaitu tahap penurunan suhu bahan sampai titik bekunya yang
disebut pre-cooling, tahap perubahan fase bahan yang disebut freezing, dan tahap
penurunan suhu bahan di bawah titik bekunya yang disebut sub-cooling.
Menurut hasil penelitian yang dilakukan Tambunan et al (2003) dilaporkan
bahwa kehilangan eksergi rata-rata tahap pre-cooling sebesar 22.9 kJ/kg, tahap
freezing 24.8 kJ/kg, dan tahap sub-cooling 5.43 kJ/kg. Hal ini berarti persentase
kehilangan eksergi tahap pre-cooling sebesar 43.1 % dari total kehilangan eksergi,
dan tahap freezing 46.7 % dari total kehilangan eksergi, serta sisanya 10.2 %
merupakan kehilangan eksergi pada tahap sub-cooling.
Kajian eksergi pembekuan pada berbagai bahan kecuali daging sapi segar
pernah dilakukan sebelumnya, maka data-data kajian eksergi model sistem

4

pembekuan suhu bertahap menggunakan daging sapi segar pada penelitian ini
menjadi penting dan original.
Pada metode pembekuan konvensional, pembekuan dilakukan pada suhu
media yang tetap selama proses pembekuan berlangsung (Mashyta, 2002;
Tambunan et al, 2003). Konsumsi energi terjadi sejak tahap penurunan suhu awal
bahan hingga tahap pembekuan lanjut di bawah titik beku. Pengembangan suatu
model sistem pembekuan dengan suhu media pembeku yang dapat dikendalikan
secara bertahap bertujuan untuk mengendalikan input energi sejak tahap awal
pembekuan hingga pembekuan lanjut.
Pengendalian input energi melalui pengaturan suhu media pembeku dalam
proses pembekuan suhu bertahap dilakukan agar penggunaan energi lebih efektif,
karena suhu media pembeku mempengaruhi input energi. Gradien penurunan suhu
bahan tahap pre-cooling sampai titik bekunya adalah paling besar. Pada tahap
freezing tidak terjadi penurunan suhu, tetapi hanya terjadi pelepasan panas laten
bahan dimana kandungan air dalam bahan berubah wujud menjadi padat, dan pada
tahap ini suhu titik beku merupakan suhu terendah bahan. Semakin kecil
perbedaan antara suhu media pembeku dengan suhu titik beku pada tahap precooling dan freezing, maka semakin kecil pula input energi dan kehilangan
eksergi dari proses pembekuan.
Selain faktor efisiensi eksergi, faktor mutu produk juga harus diperhatikan
dalam pemilihan metode pembekuan. Mutu produk dipengaruhi oleh laju
pembekuannya. Semakin cepat laju pembekuan, ukuran kristal es yang terbentuk
kecil sehingga mengurangi rusaknya dinding sel pada bahan (Gab-Soo Do et al,
2004), dan produk masih tetap segar setelah di-thawing. Sebaliknya, laju
pembekuan yang lambat menghasilkan mutu produk yang rendah karena kristal es
berukuran besar dan menyebabkan pecahnya dinding sel sehingga tekstur bahan
rusak ketika di-thawing.
Sistem pembekuan kriogenik dengan Nitrogen cair pada suhu -173 °C
menghasilkan mutu produk yang cukup baik, tetapi biaya prosesnya cukup tinggi.
Seperti dinyatakan oleh Briley (dalam Chourot et al, 2001) bahwa biaya
pembekuan kriogenik delapan kali lipat lebih tinggi daripada biaya pembekuan

5

dengan hembusan udara.
Alat pembeku yang tersedia di pasaran umumnya masih menggunakan
metode konvensional, yaitu menggunakan suhu media pembeku yang tetap
sepanjang proses pembekuan sehingga mengkonsumsi energi cukup besar.
Dengan menerapkan analisis eksergi, model sistem pembekuan suhu bertahap
mampu meningkatkan efisiensi energi dan eksergi.
Karena itu, model sistem pembekuan suhu bertahap yang selanjutnya
disebut sistem pembekuan eksergetik, dikembangkan dalam penelitian ini.
Perancangan prototipe alat pembeku sebagai aplikasi model sistem pembekuan
eksergetik tersebut dilakukan dengan memodifikasi lempeng sentuh menggunakan
multi evaporator, dan sistem pergerakan bahan secara kontinyu menggunakan
conveyor.

Perumusan Masalah
Pembekuan konvensional merupakan sistem pengawetan bahan pangan
yang banyak menyerap energi, maka untuk menghemat penggunaan energi dan
mempertahankan mutu produk, perlu dikembangkan suatu model sistem
pembekuan eksergetik kontinyu.

Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Merancang model sistem pembekuan daging sapi segar dengan sistem
pembekuan tiga tahap suhu dalam satu proses pembekuan, yang disebut sistem
pembekuan eksergetik.
2. Mengembangkan prototipe alat pembeku dengan sistem pembekuan
eksergetik kontinyu menggunakan metode pembekuan lempeng sentuh dengan
multi-evaporator.
3. Mengkaji karakteristik laju pembekuan dan efisiensi eksergi pada sistem
pembekuan eksergetik tersebut.

6

Hipotesis
Sistem pembekuan eksergetik dapat meningkatkan efisiensi eksergi untuk
proses pembekuan model daging sapi segar, karena pentahapan suhu tersebut
mampu mengendalikan proses pembekuan pada tahap pre-cooling dan freezing.
Pengaturan suhu media pembeku pada tahap pre-cooling hingga mendekati suhu
titik beku dapat menyebabkan berkurangnya kehilangan eksergi sehingga efisiensi
eksergi semakin tinggi, dan proses pembekuannya semakin efektif dan efisien.
Demikian juga pengaturan suhu media pembeku yang optimum pada tahap
freezing dapat menyebabkan berkurangnya kehilangan eksergi sehingga efisiensi
eksergi meningkat dan menghasilkan laju pembekuan cepat agar mutu bahan
dapat dipertahankan.

Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat dalam
perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi pembekuan khususnya pada
perancangan sistem pembekuan eksergetik yang efisien dengan laju pembekuan
cepat sehingga dapat mempertahankan mutu bahan.
Disamping itu, penelitian ini dapat memberikan kontribusi bagi pihak
industri pembekuan bahan pangan karena dengan penggunaan energi yang lebih
efektif dan efisien maka biaya proses produksi menjadi lebih rendah sehingga
dapat meningkatkan laba.

TINJAUAN PUSTAKA

Konsep Eksergi Proses Pembekuan
Proses pembekuan merupakan kombinasi perpindahan panas, massa, dan
momentum

secara

simultan antara

bahan dan media pembekunya.

Perpindahan panas tersebut mengakibatkan terjadinya penurunan suhu bahan
ketika pelepasan energi bahan tersebut berbentuk panas sensibel. Perpindahan
massa dan momentum mengakibatkan penurunan tekanan parsial pada bahan.
Proses pembekuan juga dikenal membutuhkan energi yang cukup besar,
maka kajian efisiensi eksergi dan energi merupakan bidang kajian yang
penting dalam kaitannya dengan penghematan energi.
Eksergi didefinisikan sebagai availability, yaitu ketersediaan energi
(Moran dan Saphiro, 2003), dan eksergi proses pembekuan merupakan energi
berguna yang sekurang-kurangnya harus tersedia agar pembekuan dapat
berlangsung. Kehilangan eksergi pada proses pembekuan dengan suhu media
pembeku konstan dapat dikurangi melalui pengendalian suhu media pembeku
masing-masing tahap proses pembekuan sebagaimana dinyatakan oleh
Bruttini et al (2001) dan Tambunan et al (2003).
Faktor yang mempengaruhi kehilangan eksergi adalah suhu awal, suhu
lingkungan, suhu media pembeku, panas yang dipindahkan dan perubahan
entropi. Efisiensi hukum II termodinamika merupakan perbandingan antara
eksergi yang dipindahkan dengan eksergi input.
Bruttini et al (2001) melakukan analisis eksergi pada tiap tahap
pembekuan menggunakan bahan larutan Manitol dengan berbagai kadar air
dan suhu media pembeku. Kehilangan eksergi pada proses pembekuan
dipengaruhi oleh kadar air dan suhu media pembeku yang digunakan (Tabel
1). Pembekuan dengan kadar air tinggi akan menurunkan kehilangan eksergi
totalnya. Dan peningkatan suhu media pembeku tahap I sebesar 5 derajat
Kelvin dari 253 °K, juga akan menurunkan kehilangan eksergi totalnya.

8

Sebagaimana disajikan pada Tabel 1, jika suhu tahap I dinaikan 5 derajat
Kelvin, dari 253.15 K menjadi 258.15 K, maka kehilangan eksergi tahap I
turun dari 65.86 kJ menjadi 48.41 kJ dan tahap II juga turun dari 350.82 kJ
menjadi 229.35 kJ. Secara keseluruhan, kehilangan eksergi turun sebesar 139
kJ. Dan disimpulkan dari Tabel 1 bahwa peningkatan suhu media pembeku
tahap I sebesar 5 Kelvin akan meningkatan efisiensi eksergi pembekuan
larutan Mannitol sekitar 7 hingga 7.2 % yang semula 42.6 - 43 % naik
menjadi sekitar 49.8 – 50 %.
Tambunan et al (2003) melakukan analisis eksergi pada pembekuan
ayam broiler dan ikan patin. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa
efisiensi eksergi pembekuan dengan suhu media pembeku konstan (antara -40
°C sampai -42 °C) untuk produk ayam broiler adalah sekitar 24.3 % dan untuk
produk ikan patin adalah sekitar 40.4 %. Sedangkan efisiensi energi untuk
pembekuan ayam broiler adalah 4.1 % dan ikan patin adalah 1.6 %. Hal ini
menunjukkan bahwa pembekuan tersebut masih belum efisien.
Analisis eksergi bertujuan untuk mencari lokasi pada proses yang
energinya tidak efisien. Penggunaan energi yang besar terjadi dalam proses
pembekuan terutama pada tahap I, dimana suhu media pembekunya terlalu
rendah, sedangkan penurunan suhu maksimum hanya sampai titik beku bahan,
sehingga penggunaan suhu media pembeku yang terlalu rendah akan sangat
tidak efektif. Sedangkan pada tahap II, terjadi pelepasan panas laten yang
hanya merubah fase bahan, tetapi tidak menyebabkan penurunan suhu,
sehingga penggunaan suhu media pembeku yang terlalu rendah sangat tidak
efisien.
Dari Tambunan et al (2003) diketahui bahwa persentase kehilangan
eksergi pada tahap I dan tahap II antara 40-44 % dan 46-49 % dari total
kehilangan eksergi pembekuan ikan patin dan ayam broiler dengan sistem
pembekuan konvensional, seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Dengan demikian
pembekuan dengan suhu media pembeku yang bertahap pada masing-masing
tahap proses pembekuan mampu meningkatkan efisiensi eksergi.

9

Tabel 1 Hasil analisis eksergi pada pembekuan larutan Mannitol (mbk = 1 kg)
dengan suhu awal bahan 278.15 K, suhu perubahan fase 268.15 K
dan suhu akhir bahan 233.15 K1]

Tabel 2 Persentase kehilangan eksergi pada masing-masing tahap
pembekuan terhadap kehilangan eksergi total yang diolah
dari data pembekuan ikan patin dan ayam broiler1]
Bahan pangan
Ikan patin
Ayam broiler
1]

Rata-rata Persentase kehilangan eksergi (%)
Pre-cooling
Freezing
Sub-cooling
40.6
49.1
10.3
44.2
46.2
9.6

sumber: Tambunan et al (2003)

Konsep Keseimbangan Energi, Entropi, dan Eksergi
Berdasarkan kaidah termodinamika pertama dinyatakan bahwa energi
tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan (hukum kekekalan energi). Energi
hanya mengalami perubahan bentuk, misalnya energi mekanis berubah
menjadi energi termal. Sistem dapat mengalami perubahan keadaan dari
keadaan satu ke keadaan lain yang seimbang, dan selama sistem tersebut
berubah, ia dapat menyerap atau melepaskan energinya. Keadaan seimbang
adalah suatu keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan baik di dalam sistem
maupun dengan lingkungannya (Ahern, 1980).
Sebagaimana disajikan pada Gambar 2, energi yang keluar dari suatu
sistem termal sebanding dengan energi yang tersimpan dan energi yang
memasuki sistem tersebut. Berbeda dengan entropi, entropi yang memasuki

10

sistem lebih kecil daripada entropi yang keluar dari sistem karena entropi
keluar sistem bertambah dengan adanya pertumbuhan entropi. Sebaliknya,
eksergi yang memasuki sistem sebagai eksergi input lebih besar daripada
eksergi yang keluar dari sistem, karena adanya kehilangan dan kehancuran
eksergi karena eksergi dikonsumsi oleh peningkatan entropi (Shukuya, 2002).

Gambar 2 Aliran masuk dan keluar dari energi, eksergi dan entropi pada
sistem