III . KESETIMBANGAN MASSA doc

III. KESETIMBANGAN MASSA
Tujuan Pembelajaran


Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami konsep dasar dari kesetimbangan
massa.



Mahasiswa mampu menggunakan analisis kesetimbangan massa yang diaplikasikan
dalam proses penanganan dan pengolahan hasil pertanian.



Mahasiswa mampu mendiskripsikan secara konseptual bagaimana cara menentukan
dan menghitung kesetimbangan massa dalam proses industri hasil pertanian.

Konsep Perhitungan Kesetimbangan Massa
Istilah kesetimbangan massa berasal dari kata “mass balance” yang ada juga
mengartikannya sebagai “neraca bahan” atau “kesetimbangan materi”. Perhitungan
kesetimbangan massa dikembangkan dengan cara merunut jumlah bahan yang masuk

(inflow) dan jumlah bahan yang keluar (outflow) dari suatu proses, dengan cara
menghitung jumlah satuan semua bahan yang digunakan, jumlah satuan produk yang
dihasilkan, jumlah satuan bahan yang tertahan dalam sistem, dan jumlah bahan yang
terbuang selama proses.
Prosedur perhitungan kesetimbangan massa sangat berguna antara lain untuk
mengetahui formulasi bahan, mengetahui komposisi produk yang dihasilkan dari suatu
proses pencampuran, mengetahui besarnya rendemen dari suatu hasil produksi, dan atau
untuk mengetahui efisiensi pemisahan dalam suatu sistem pemisah mekanik.
Kesetimbangan massa didasarkan pada prinsip dari hukum kekekalan massa
yaitu “massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Jadi, didalam suatu
instalasi pengolahan, jumlah massa bahan yang memasuki instalasi harus sama dengan
jumlah massa bahan yang meninggalkan instalasi, ditambah dengan jumlah massa bahan
yang mungkin tertinggal dalam instalasi berupa penumpukan (accumulation). Atas dasar
inilah maka diberlakukan ketentuan sederhana yaitu "apa yang masuk harus sama
dengan apa yang keluar”.

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

1

Inflow = Outflow + Accumulation
Inflow dapat berupa pembentukan produk oleh reaksi kimia atau sebagai akibat dari
pertumbuhan mikroba, dan outflow dapat saja berupa kehilangan massa atau zat gizi
tertentu akibat reaksi biokimia atau oleh proses mekanik selama pengolahan.
Jika akumulasi = 0, inflow = outflow, maka proses tersebut disebut berada pada
kondisi “steady state”. Jika akumulasi  0 dan jumlah serta konsentrasi komponen
dalam sistem dapat berubah seiring dengan pertambahan waktu, maka proses tersebut
disebut berada pada kondisi “unsteady state”.
Kesetimbangan massa merupakan dasar perhitungan untuk proses pencampuran
(blending) bahan pangan selama pengolahan dan juga sebagai dasar perhitungan untuk
proses-proses pemisahan (separations process) seperti evaporasi, dehidrasi, destilasi,
absorpsi, dan ekstraksi.

Langkah-langkah Menyelesaikan Soal-soal Kesetimbangan Massa
1. Tentukan terlebih dahulu alat-alat proses apa saja yang digunakan dalam kegiatan
penanganan atau pengolahan yang dimaksud dalam soal.
2. Gambarkan sketsa atau diagram yang mendiskripsikan jalannya proses dan
identifikasi semua informasi yang tersedia.
3. Tentukan batas dari sistem dengan membuat garis putus-putus pada semua kegiatan
operasional dalam keseluruhan proses lalu identifikasi semua input (inflows) dan

output (outflows) agar semua bagian proses yang mempengaruhi distribusi dari
seluruh atau sebagian komponen dapat diketahui secara jelas.
4. Gunakan simbol atau hurup untuk mengidentifikasi parameter-parameter yang belum
diketahui jumlah atau kuantitasnya.
5. Tuliskan persamaan kesetimbangan massa yang mungkin, baik persamaan secara
total maupun sebagian proses dengan terlebih dahulu menentukan basis perhitungan
yang sesuai.
6. Selesaikan persamaan-persamaan aljabar yang diperoleh secara matematis.

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

2

Contoh Soal:
1. Dalam suatu evaporator, larutan encer akan masuk dalam sistem dan larutan pekat
akan keluar meninggalkan sistem. Jika E adalah berat larutan encer yang memasuki
sistem, A adalah berat air yang teruapkan selama proses, dan P adalah berat larutan
pekat yang keluar dari sistem, tuliskan persamaan aljabar yang menggambarkan
kesetimbangan massa total untuk sistem tersebut. Asumsikan bahwa sistem berada
dalam keadaan steady state.

Penyelesaian:
 Dari soal sudah tergambar dengan sangat jelas bahwa alat proses yang dipakai
adalah evaporator yang prinsip kerjanya adalah mengurangi kadar air suatu
larutan encer melalui proses penguapan dengan menggunakan panas sehingga
dihasilkan larutan yang lebih pekat.
 Sketsa atau diagram jalannya proses adalah sebagai berikut:
A

E

Evaporator

P

 Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
E=A+P
yang ditetapkan berdasarkan arah anak panah pada sistem (hukum kekekalan
massa) dengan pengertian bahwa bahan yang masuk sama dengan bahan yang
keluar.

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

3

2. Buatlah diagram dan tentukan persamaan kesetimbangan massa untuk sebuah
counter current conveyor dehidrator jika diketahui bahwa udara kering yang
digunakan sebagai sistem pemanas pada alat, masuk kedalam sistem dengan laju U
lb/min, bahan yang akan dikeringkan memasuki sistem dengan laju B lb/min, dan
bahan kering yang dihasilkan meninggalkan sistem dengan laju K lb/min.
Asumsikan bahwa sistem berada dalam kondisi steady state.
Penyelesaian:
 Dari soal diketahui bahwa alat yang digunakan dalam proses adalah hanya satu
yaitu dehidrator.

Counter current conveyor dehidrator adalah suatu alat

pengering dengan sistem ban berjalan dimana bahan yang akan dikeringkan
dengan udara panas sebagai alat pengering memasuki sistem dengan arah
berlawanan. Dalam sistem ini diketahui bahwa udara panas dan bahan basah
“berjalan” memasuki sistem sedangkan bahan kering dan udara basah akan

“berjalan” meninggalkan sistem. Air yang hilang dari bahan selama pengeringan
akan ditransfer ke udara panas yang kontak dengan bahan sehingga udara yang
keluar dari sistem akan mengandung uap air.
 Sketsa jalannya proses secara keseluruhan:
Udara basah

Udara kering (U)
Dehidrator

Bahan basah (B)

Bahan kering (K)

 Sketsa ini bila digambarkan secara lebih rinci akan menjadi:
Udara kering
(U)

Udara

Udara basah

Air
Bahan basah

Bahan

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

Bahan kering

4

(B)

(K)

 Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
U + B = Udara basah + K
 Persamaan kesetimbangan massa untuk udara adalah:
U + Air = Udara basah

 Persamaan kesetimbangan massa untuk bahan adalah:
B = Air + K
3. Konsentrat orange juice dibuat dengan cara membagi juice segar dan mengentalkan
sebagiannya hingga konsentrasi 65% lalu mengencerkannya kembali dengan
sebagian juice segar lainnya hingga diperoleh konsentrasi akhir 45%. Gambarlah
diagram alir bahan untuk sistem ini dan tentukan persamaan kesetimbangan massa
untuk keseluruhan sistem dan juga untuk semua subsistem-subsistem yang ada.
Asumsikan bahwa sistem berada dalam kondisi steady state.
Penyelesaian
 Dari soal diketahui bahwa terdapat 3 buah alat proses yang digunakan dalam
sistem, yaitu proportionator, evaporator, dan blender. Pada awal proses juice (J)
dibagi menjadi dua bagian, bagian yang akan dikentalkan (K) dan bagian yang
akan dijadikan pencampur (pengencer) di akhir proses (P). Bagian yang pertama
(K) dikentalkan dengan evaporator sehingga dihasilkan output berupa juice
dengan konsentrasi 65% (C-65) dan uap air (A). C-65 ini selanjutnya ditambah
dengan juice pengencer (P) dan diblender sehingga dihasilkan produk juice
dengan konsentrasi 45% (C-45).
 Dari penjelasan di atas, dapat digambarkan sketsa diagram alir proses sebagai
berikut:

A

K

J

Evaporator

C-65

Blender

C-45

P

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

5

 Persamaan kesetimbangan massa total untuk sistem di atas adalah:
J = A + C-45
 Persamaan kesetimbangan massa untuk proportionator adalah:
J =K+P
 Persamaan kesetimbangan massa untuk evaporator adalah:
K = A + C-65
 Persamaan kesetimbangan massa untuk blender adalah:
C-65 + P = C-45

4. Pada proses pengeringan wortel menggunakan sistem pengering aliran paralel, bahan
berkadar air 85% memasuki sistem pengering dengan laju 500 kg/jam sehingga
dihasilkan wortel kering yang berkadar air 20%. Jika diketahui udara panas yang
digunakan sebagai media pengering mempunyai rasio kelembaban 0.006 kg air per
kg udara kering dan aliran udara panas memasuki sistem dengan laju 200 kg udara
untuk setiap kg bahan kering yang dihasilkan, hitunglah rasio kelembaban udara
yang keluar meninggalkan sistem dengan mengasumsikan bahwa sistem berada
dalam kondisi steady state.
Penyelesaian:
 Dari soal diketahui bahwa alat proses yang digunakan adalah dehidrator atau
dryer yang sistem kerjanya menggunakan udara panas untuk menyerap air dari

dalam bahan basah sehingga dihasilkan bahan kering.
 Sketsa atau diagram alir proses dapat digambarkan:
Udara kering (Uk)

Udara basah (Ub)
Dehidrator

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

6

Wortel basah (B)

Wortel kering (K)

 Perhitungan didasarkan pada 1 kg basis kering wortel hasil pengeringan.


kadar air wortel kering = 20%
dalam 1 kg basis kering berarti terdapat air sebanyak 20/80 x 1 kg = 0.25 kg



kadar air wortel basah adalah 85%
dalam 1 kg basis kering berarti terdapat air sebanyak 85/15 x 1 kg = 5.67 kg



udara kering yang diperlukan per 1 kg produk kering = 200 kg
kadar air udara panas = 0.006 kg/kg udara panas, berarti jumlah air dalam
udara panas yang memasuki sistem adalah 0.006 x 200 = 1.2 kg

 Persamaan sistem kesetimbangan di atas adalah:


udara kering + wortel basah = udara basah (Ub) + wortel kering
1.2 kg + 5.67 kg = Ub + 0.25 kg
Ub = 6.87 – 0.25 = 6.62 kg

 Laju udara basah meninggalkan sistem diasumsikan sama dengan laju udara
kering memasuki sistem = 200 kg / kg wortel kering dalam basis kering, dengan
demikian kadar air udara basah yang meninggalkan sistem adalah:


6.62 kg/200 kg = 0.033 kg air per kg udara basah.

5. Untuk menghasilkan sirup sorgum dengan rasa yang disukai dan biaya produksi
yang rendah, dilakukan proses pencampuran dengan sirup jagung dan sirup semi.
Jika jumlah sirup campuran yang diinginkan adalah 100 kg, dan karakteristik ketiga
jenis sirup seperti terlihat dalam tabel di bawah ini, tentukan berapa banyak masingmasing sirup diperlukan dalam pencampuran tersebut.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Jenis sirup
Jumlah
Kadar air (%)
Kadar gula (%) Kadar flavor (%)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Sorgum
S
23.0
76.0
1.5

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

7

Jagung

J

20.0

80.0

0.0

Semi
E
40.0
60.0
1.0
-----------------------------------------------------------------------------------------------------Penyelesaian:
 Alat proses yang digunakan dalam sistem ini adalah pencampur atau blender atau
mixer.
 Diagram alir proses dalam sistem adalah:
S
Dehidrator
Pencampur

J

Campuran (100 kg)

E
 Persamaan kesetimbangan yang dapat dibuat dari sistem ini ada 4 macam, yaitu:


Total:

S + J + E = 100

……………… (1)



K. air:

0.23 S + 0.2 J + 0.4 E = 25

……………… (2)



K. gula:

0.76 S + 0.8 J + 0.6 E = 75

……………… (3)



K. flavor: 0.015 S + 0 J + 0.01 E = 1

……………… (4)

Dari keempat persamaan tersebut, hanya diperlukan 3 buah persamaan saja untuk
menghasilkan suatu penyelesaian, misalnya persamaan 1, 2, dan 4.
 Dari (4):

0.015 S + 0 J + 0.01 E = 1
0.01 E = 1 – 0.015 S



E = 100 – 1.5 S

……….. (5)

J = 0.5 S

………. (6)

 Substitusikan nilai E dari (5) ke (1):
S + J + E = 100
S + J + (100 – 1.5 S) = 100



 Substitusikan nilai E dari (5) dan J dari (6) ke (2):
0.23 S + 0.2 J + 0.4 E = 25
0.23 S + 0.2 (0.5 S) + 0.4 (100 – 1.5 S) = 25
0.23 S + 0.1 S + 40 – 0.6 S = 25

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

8

0.27 S = 40 – 25



S = 15/0.27 = 55.56 kg



J = (0.5) (55.56) = 27.78 kg

 Dari (6):

J = 0.5 S

 Dari (5):

E = 100 – 1.5S 

E = 100 – 1.5 (55.56) = 16.67 kg

Mursalin/THP/FATETA/UNJA: Kesetimbangan Massa

9