1998 melaporkan bahwa kopi dapat dikatakan sebagai kopi rendah kafein decaffeinated coffee jika mengandung kafein maksimum 0.3 b.k.
Perubahan fisik biji kopi selama pengukusan merupakan langkah awal proses pelunakan jaringan di dalam biji kopi, dan menjauhnya jarak antar sel.
Kondisi tersebut mempermudah molekul pelarut berdifusi ke dalam biji kopi, dan mempercepat pelarutan senyawa kafeinnya Ensminger et al., 1995. Jumlah
senyawa kafein yang dapat diekstrak dari biji kopi tergantung pada lama ekstraksi, suhu dan konsentrasi pelarut Widyotomo et al., 2009; Mulato et al., 2004;
Jaganyi Prince, 1999; Kirk-Othmer, 1998.
+
Gambar 31. Penurunan kadar kafein dalam biji kopi dari beberapa perlakuan konsentrasi pelarut asam asetat dengan suhu pelarut 50
o
C
D. Energi proses dekafeinasi dengan pelarut asam asetat
Proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal terdiri dari dua tahapan proses. Tahap pertama adalah pengembangan volume biji kopi dengan
proses pengukusan steaming. Tahap kedua adalah proses pelarutan kafein dari dalam biji kopi dengan metode pengurasan leaching. Energi panas merupakan
faktor utama yang sangat menentukan laju peningkatan volume biji dan pelarutan kafein pada proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal. Proses
dekafeinasi akan berlangsung efisien jika energi panas yang dihasilkan oleh sumber panas, yaitu kompor bertekanan burner berbahan bakar LPG tesedia
dalam jumlah yang cukup dan dapat diserap secara maksimum.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai efisiensi panas pada proses dekafeinasi biji kopi dalam reaktor kolom tunggal berkisar antara 63-77
tergantung pada suhu pelarut dan lama proses dekafeinasi Lampiran 4. Dengan semakin tinggi suhu pelarut, maka eneji panas yang harus dibangkitkan oleh
sumber panas harus semakin tinggi. Namun demikian, dengan semakin tinggi energi panas yang dibangkitkan, efisiensi panas dari proses dekafeinasi semakin
menurun Gambar 32. Hal tersebut menunjukkan bahwa perpindahan panas yang berlangsung lebih lambat pada suhu yang rendah akan berdampak pada
pemanfaatan panas yang lebih efisien. Pada proses pengukusan, suhu air meningkat secara perlahan, mengubah fase cair menjadi fase uap, bersentuhan
dengan permukaan biji, masuk ke dalam pori-pori biji dan mengembangkan biji dengan interval yang relatif tetap per satuan waktu.
Hal sebaliknya terjadi pada proses pemanasan dengan menggunakan suhu yang lebih tinggi. Pada tahap awal, energi panas yang dibangkitkan oleh sumber
panas dapat dimanfaatkan secara maksimum. Namun pada saat suhu biji mendekati suhu air proses pengukusan dan suhu pelarut proses pelarutan,
maka penyerapan energi panas akan berlangsung relatif lambat sehingga energi panas yang tersedia tidak termanfaat secara maksimal. Selain itu, energi panas
yang hilang akan lebih besar dengan semakin tinggi suhu permukaan reaktor kolom tunggal. Untuk meningkatkan efisiensi proses dapat dilakukan dengan
menginsulasi permukaan ekstraktor dan pengendalian pembakaran LPG dalam burner bertekanan pada saat kadar air biji kopi telah mendekati kejenuhan dan
pengendalian proses agar berlangsung pada suhu pelarut yang tepat. Laju pembakaran dikendalikan dengan mempertahankan debit bahan bakar pada suhu
proses yang telah ditetapkan. Penggunaan burner bertekanan dengan bahan bakar LPG untuk proses
penyangraian biji kopi dalam mesin sangrai tipe silinder horisontal telah dilakukan oleh Mulato 2002 dengan nilai efisiensi pembakaran mencapai 95.
Produksi panas pembakaran LPG akan mendekati nilai maksimum karena kesamaan fase dengan oksigen dan mobilitas yang tinggi sehingga proses
pencampuran akan berlangsung cepat dan merata yang menyebabkan proses pembakaran berlangsung lebih sempurna Smith Van Ness, 1985.
, -
. +
Gambar 32. Efisiensi proses dekafeinasi dengan pelarut asam asetat pada beberapa suhu dan konsentrasi pelarut
1 1 2
3 0
, -
. 4
. +
. .
.+
Gambar 33. Energi observasi, energi prediksi dan efisiensi dekafeinasi pada konsentrasi pelarut asam asetat 50
Tabel 3. Persamaan regresi efisiensi proses dekafeinasi Konsentrasi
pelarut, Persamaan regresi
R
2
Nilai puncak, 10
Y = -0.6655X
2
+ 2.4459X + 71.961 0.9855
70.43 30
Y = -0.664X
2
+2.443X +71.935 0.9865
70.41 50
Y = -0.3421X
2
– 0.2759X + 77.37 0.9878
74.58 80
Y = -0.432244X
2
+0.3998X + 76.532 0.9852
73.64 100
Y = -0.4257X
2
+ 0.3499X + 76.563 0.9847
73.19
Keterangan : X adalah suhu pelarut
o
C dan Y adalah efisiensi proses dekafeinasi
Tabel 3 menampilkan persamaan regresi yang menghubungkan antara nilai suhu pelarut terhadap efisiensi proses prediksi dari beberapa tingkatan konsentrasi
pelarut. Persamaan regresi yang terbentuk berupa persamaan kuadratik dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa konsentrasi pelarut 50 akan menghasilkan
nilai efisiensi proses tertinggi, yaitu 74.58. Nilai koefisien determinasi R
2
sebesar 0.9878 menunjukkan bahwa persamaan tersebut cukup valid untuk memprediksi efisiensi proses.
Model Matematik Proses Dekafeinasi Biji Kopi
Dekafeinasi kopi merupakan proses ekstraksi padat-cair, dan kadar kafein terlarut sangat tergantung pada waktu proses. Beberapa penelitian menunjukkan
bahwa laju pelarutan kafein dari dalam biji kopi ke pelarut maupun penambahan kadar kafein ke dalam pelarut akan mengikuti persamaan eksponensial Arrhenius
sebagaimana dilaporkan Doran 1995, Mulato et al. 2004, Espinoza-Perez et al. 2007 dan Widyotomo et al. 2009. Selain bentuk bulat sperichal dan lempeng
slab, biji kopi dapat diasumsikan dalam bentuk elipsoidal. Namun, model matematika kinetika kafein selama proses ekstraksi phase padat-cair dalam biji
kopi dengan asumsi bentuk elipsoidal belum pernah dilakukan. Kesetimbangan materi dan energi mutlak terjadi dalam proses tersebut sebagai fungsi suhu dan
konsentrasi pelarut yang ditentukan oleh lamanya waktu proses. Model mekanistik untuk ekstraksi kafein harus meliputi perhitungan difusi
kafein di dalam biji biji, konveksi kafein pada kondisi batas pelarut dan padatan dalam hal ini permukaan biji kopi, dan hubungan kesetimbangan yang terjadi
antara konsentrasi kafein dalam biji kopi dan pelarut. Perpindahan senyawa kafein dari dalam massa bahan berbentuk bulat spherical memiliki hambatan internal
yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan hambatan eksternal. Berdasarkan hal tersebut laju perpindahan massa kafein dapat diprediksi dengan persamaan difusi
kondisi tak mantap unsteady-state yang dikontrol oleh mekanisme difusi sebagaimana ditampilkan pada persamaan 3.1 dan 3.2.
Solusi analitis untuk profil konsentrasi keadaan tak mantap c
A
r, t diperoleh dengan teknik pemisahan variabel Gambar 12. Rincian solusi analitik
dalam koordinat bundar telah dijabarkan oleh Crank 1975, Saravacos
Maroulis 2001, Welty et al. 2001 dan Anderson et al. 2003 sebagaimana ditampilkan pada persamaan 3.5, 3.6 dan 3.11. Solusi analitis ini dinyatakan
sebagai suatu penjumlahan deret infinit yang konvergen bila “n” mendekati takhingga. Namun, konvergensi ke suatu nilai numerik tunggal sulit dicapai
dengan melakukan penjumlahan deret, terutama jika nilai parameter tak berdimensi D
k
.tR
2
relatif kecil. Metode pengurasan leaching atau ekstraksi zat padat solid extraction
merupakan mekanisme yang digunakan dalam reaktor kolom tunggal untuk mengeluarkan ekstraksi senyawa kafein dari dalam partikel padat biji kopi. Pada
proses pengurasan, kuantitas zat mampu larut soluble yang dapat dikeluarkan umumnya lebih banyak dibandingkan dengan proses pengurasan filtrasi biasa.
Pelarutan senyawa kafein terjadi dengan mekanisme pengurasan atau mengalirnya senyawa pelarut melalui rongga-rongga dalam hamparan biji kopi
yang tidak teraduk. Metode tersebut dilakuan dalam sistem batch di dalam silinder tegak tunggal yang memiliki dasar berlubang yang berfungsi untuk mendukung
zat padat tetapi masih dapat melewatkan pelarut keluar McCabe et al., 1999. Persamaan 3.12 digunakan untuk menentukan laju pengurasan leaching yang
terbukti mampu menggambarkan kinetika proses ekstraksi sistem padatan-cairan dalam hal ini larutan kafein-biji kopi di mana kafein akan diekstrak dari biji kopi.
A. Mekanisme pelarutan kafein
