NERACA MASSA DALAM PENGOLAHAN PANGAN

1/14/2014

N e r a ca M a ssa

NERACA MASSA DALAM
PENGOLAHAN PANGAN

( M a ss Ba la nce )

Tujuan Instruksional Khusus :
• Mahasiswa dapat menjelaskan prinsip dasar
hukum kekekalan massa
• Mahasiswa dapat melakukan analisa aliran
bahan yang masuk dan keluar selama
proses pengolahan pangan

• Mengkaji/menganalisa aliran bahan yang
masuk (inflow) dan keluar (outflow) unit
pengolahan  menentukan jumlah bahan
dalam setiap aliran proses
• Berguna dalam perumusan, evaluasi

komposisi akhir, rendemen, efisiensi, dll.
• Prinsip Dasar  Hukum Kekekalan Massa 
Zat tidak diciptakan ataupun dimusnahkan.

• Sehingga, dalam setiap proses, neraca
massa sbb.:
• Inflow = Outflow + Accumulation

IN

OUT

• Accumulation = 0  steady state
• Accumulation ≠ 0  unsteady state 
jumlah dan konsentrasi bahan dalam sistem
berubah dengan waktu

Diagram Aliran Proses

– Gambarkan aliran proses dan tentukan

batas sistem dimana analisa
keseimbangan massa akan dilakukan
– Informasi berkaitan dg distribusi aliran
bahan  sangat perlu

EVAPORATOR

BLENDER

1

1/14/2014

Mengapa Mempelajari Neraca Massa?
• Penting dalam proses pencampuran ingradient
dalam pengolahan pangan
• Penting untuk proses pemisahan :
Evaporasi
Dehidrasi
Distilasi

Adsoprsi
Pertukaran ion

Larutan
Gula 20%

Evaporator

Crystallizer

• Contoh : pada proses kristalisasi
• Masalah : Tentukan jumlah gula (yang bebas air)
yang dapat dihasilkan dari 100 kg larutan gula
dengan komposisi 20% w/w gula, 1% gula yang
larut air serta kotoran yang tidak dapat
dikristalisasi. Larutan dikonsentrasikan
(dipekatkan) hingga menjadi 75% gula,
didinginkan hingga suhunya 20oC ,disentrifusi dan
kristalnya kemudian dikeringkan.

Gambarkan diagram alir prosesnya.

Centrifuge

Drier

Kristal
Kering

Gambar 1. Diagram Alir Proses Kristalisasi

Gambar 2. Diagram alir proses kristalisasi yang menunjukkan aliran
input dan output dari sistem.

Tidak lengkap, karena tidak menggambarkan bahan yang masuk dan keluar dari sistem.

2

1/14/2014

• 3 prinsip fisik dalam masalah di atas yang tidak
dinyatakan:
1. Kristal akan dikeluarkan dari larutan ketika
konsentrasi larutan sudah lewat jenuh
2. Kristal tdd bahan terlarut yang murni serta
kotoran
3. Cairan tidak dapat dipisahkan secara sempurna
dari bagian padat hanya dengan sentrifugasi.

Pindah Massa Total
• Berlaku Hukum Kekekalan Massa

Perlu diketahui : konsentrasi larutan gula jenuh
pada suhu 20oC dan kadar air kristal setelah
disentrifugasi.

Contoh 1
• Bahan berupa larutan masuk ke dalam evaporator dan keluar
dalam bentuk bahan yang sudah dikonsentrasikan. Selama
proses air diuapkan. Jika I adalah berat larutan yang masuk ke

dalam sistem. W = berat air yang diuapkan, dan C = berat
konsentrat, tulislah persamaan yang menunjukkan neraca
massa total untuk sistem tsb. Asumsikan bahwa proses
berada dalam keadaan steady state (ajeg).
Penyelesaian :
Total neraca Massa :
Aliran Masuk = Aliran Keluar + Akumulasi
I = W + C (dalam keadaan ajeg akumulasi = 0)

W

C

Gambar 3. Aliran masuk dan keluar dari proses evaporasi

3

1/14/2014

Penyelesaian Contoh 2

Contoh 2
• Buatlah diagram dan persamaan neraca massa
untuk sebuah alat pengering (dehidrator).
Udara masuk dengan laju A lb/menit, dan
bahan basah masuk dengan laju W lb/menit.
Bahan kering keluar dari sistem dengan laju D
lb/menit. Asusmsikan proses dalam keadaan
ajeg.

Bahan masuk = udara dan air  yang keluar juga harus berupa udara
dan air
Karakteristik dehidrator yang tidak disebutkan di dalam soal adalah
bahwa air dikeluarkan dari bahan padat dipindahkan ke udara dan
dikeluarkan dari sistem dengan aliran udara. Gambar 4 menunjukkan 2
subsistem yang terpisah, yaitu satu untuk bahan padat dan satu lagi
untuk udara. Neraca massa total dapat ditulis :
W + A = udara basah + D
Subsistem udara :
A + air = udara basah

Neraca massa untuk subsistem bahan padat :
W = air + D

Komponen Neraca Massa

Udara

(A)

Udara basah
Udara

Air
Bahan Padat Basah

(W)

(D)

Bahan Padat kering

Bahan Padat

• Sama dengan neraca massa total, tetapi
komponen2nya dihitung secara tersendiri
• Jika ada n komponen  dapat dibuat n persamaan
independen, 1 persamaan untuk neraca massa total
dan n-1 persamaan neraca komponen.

Gambar 4. Diagram aliran bahan pada proses pengeringan

4

1/14/2014

• Bentuk persamaan neraca komponen yang penting
dalam menyelesaikan masalah dalam proses
konsentrasi atau dilusi adalah persamaan fraksi
massa atau persen berat
massa komponenA

Fraksi massa A = ----------------------------------------------------------massa total campuran yang mengandungA
Massa komponenA
Massa total campuran yang mengandungA = -----------------------------Fraksi massa A

Contoh 1
• Gambarlah diagram dan tulis persamaan neraca massa
total dan neraca massa komponen untuk sebuah kristalizer,
dimana 100 kg konsentrat larutan gula yang mengandung
85% sukrosa dan 1% (w/w) kotoran larut air. Larutan gula
dikristalisasi pada proses pendinginan. Pemisahan kristal
dari fraksi cair (mother liquor) dilakukan dengan
menggunakan sentrifus. Fraksi slurry kristal yang diperoleh
sebanyak 20% (w/w) dan bagian cairannya mempunyai
komposisi yang sama dengan mother liquor. Mother liquor
mengandung60%(w/w) sukrosa.

Penyelesaian
• Neraca massa total :
S=C+M
• Neraca massa sukrosa :

S(0.85) = M(0.6) + C (0.2)(0.6)
Larutan gula
100kg

(C) Kristal
(S)
Kristalizer

85% Sukrosa
14% air
1% kotoran

Sentrifus

20% w/w

(M)
Mother Liquor
60% Sukrosa

Gambar 5. Diagram komposisi dan aliran bahan pada proses kristalisasi

Sukrosa pada
aliran masuk

sukrosa pada
mother liquor

+

C (0.8)

sukrosa pada mother
sukrosa pada kristal
liquor yang dibawa kristal

• Neraca massa untuk air :
Misal x = fraksi massa kotoran dalam mother liquor
S(0.14) =
M (0.4-x) + C(0.2)(0.4-x)
Air masuk

air dalam mother liquor

air dalam mother liquor yang
terdapat pada kristal

• Neraca massa kotoran :
S(0.01) = M(x) + C(0.2) (x)
 Ada 4 persamaan yang dapat dibuat, tapi hanya 3 yang tidak diketahui (C,M
dan x).

5

1/14/2014

Contoh 2
Lemak Punggung

• Gambarlah diagram dan buatlah persamaan neraca
massa total dan komponen untuk sistem
pencampuran daging (mengandung 15% protein,
20% lemak dan 63% air) dengan lemak punggung
(mengandung 15%air, 80%lemak dan 3%protein)
untuk membuat 100 kg campuran yang
mengandung 25%lemak.

• Neraca massa total :
P + B = 100
• Neraca lemak :
0.2P + 0.8 B = 0.25 (100)
• Substitusi P = 100-B ke pers neraca lemak :
0.2(100-B) + 0.8B = 25
25 – 20
B = ------------= 8.33 kg
0.8-0.2

(B)

Daging (D)
15% Protein
20% Lemak
63% air

3% Protein
15% Air
80% Lemak

Mixer

(M)
100 kg
25% Lemak

Gambar 6. Diagram proses pencampuran

Contoh 3
• Untuk memproduksi krim rendah lemak (18% lemak
w/w) digunakan double krim (48% lemak w/w) dan
susu (3.5% w/w). Berapa banyak double krim dan
susu yang dibutuhkan untuk membuat 100 kg krim
rendah lemak?

P = 100 – 8.33 = 91.67 kg

6

1/14/2014

Contoh 4
• Puree buah dikeringkan dengan alat pengering
kontiniu. Puree buah basah mengandung 0.80 kg
H2O/kg puree, masuk ke dalam alat pengering
dengan laju aliran 100 kg/jam, dan keluar dari alat
pengering dengan laju aliran 25 kg/jam. Puree buah
kering mengandun 0.20 kg H2O/kg puree. Kadar air
udara panas yang masuk = 0.01 kg H2O/kg, dan
kadar air udara keluar = 0.02 kg H2O/kg. Hitunglah
laju aliran udara kering.

MATERIAL BALANCE PROBLEMS INVOLVED IN
DILUTION, CONCENTRATION, AND DEHYDRATION
• STEADY STATE  dipecahkan dengan membuat persamaan
formulasi massa total dan neraca komponen kemudian diselesaikan
secara simultan.
• Contoh 1 :
15 kg Larutan NaCl 20% dilarutkan dengan air sehingga
diperoleh larutan NaCl dengan konsentrasi 10%. Berapa banyak
larutan NaCl 10%yang dihasilkan?
• Contoh 2 :
Berapa besarnya penurunan berat yang terjadi jika bahan
dengan kadar air 85% dikeringkan hingga kadar airnya menjadi
50%?

BASIS AND TIE MATERIAL
• Basis perhitungan :
Penting jika tidak diberikan jumlah awal secara kuantitatif
Penting untuk proses kontiniu

• Tie material :
Komponen yang digunakan untuk menghubungkan jumlah
dari satu aliran proses dengan jumlah proses lainnya
Biasanya : komponen yang tidak berubah selama proses
 contoh : solid pada proses pengeringan dan evaporasi

• PERUBAHAN VOLUMEDALAMPENCAMPURAN
 Jika 2 larutan dicampur  volumenya tidak selalu bersifat aditif
(terutama pada larutan dan cairan yang saling larut).
 Contoh : larutan NaCl, larutan gula, larutan etanol  mengalami
perubahan volume
 Neraca massa harus didasarkan pada massa (bukan volume) 
konsentrasi berbasis volume harus diubah menjadi berbasis massa
sebelumdilakukan perhitungan neraca massa.
 Contoh 1 :
Kandungan alkohol pada minuman dinyatakan sebagai % volume.
Sebuah “proof” adalah 2 kali persentase volume alkohol. Densitas
etanol absolut 0.7893 g/cm3. densitas larutan yang mengandung
etanol 60% w/w adalah 0.891 g/cm3. Hitunglah volume etanol absolut
yang harus dilarutkan dengan air untuk memroduksi 1 L larutan etanol
60%w/w. Hitunglah “proof” dari larutan etanol 60%.

7

1/14/2014

• Recycle
• Kontiniu vs Batch
 Pada sistem Batch : massa total diperhitungkan (masuk dan
keluar) dalam satu waktu.
 Pada sistem kontiniu : basisnya adalah 1 unit waktu operasi,
kemudian neraca bahan dibuat berdasarkan jumlah yang masuk
dan keluar selama periode tsb  misal kg/jam (jika basisnya 1
jam, maka prosesnya Batch).
 Contoh :
Sebuah evaporator memiliki kapasitas evaporasi air 500
kg/jam. Hitunglah laju produksi konsentrat juice yang
mengandung padatan total 45% dari juice awal dengan
kandungan padatan total 12%.

Gambar 7. Single-effect falling film evaporator

 Dievaluasi sebagaimana contoh sebelumnya, tapi dibuat
pembatas (boundary) di sekitar subsistem untuk mengisolasi
aliran proses yang dievaluasi.
 Sistem didefenisikan sebagai sistem dengan pembatas di sekitar
sistem yang menyederhanakan masalah dalam neraca bahan.
 Contoh :
Falling film evaporator memmiliki kapasitas evaporasi 10 kg
air/jam. Pompa resirkulasi memindahkan 20 kg fluida/jam.
Jika bahan masuk memiliki padatan 5.5% dan konsentrat
yang diinginkan adalah dengan kandungan padatan 25%,
hitunglah : a) laju aliran bahan masuk dan laju aliran keluar
produk, b) jumlah konsentrat yang direcycle, dan c)
konsentrasi campuran dari bahan baku dan konsentrat yang
direcycle.

Gambar 8. Upper section of a falling film evaporator

8

1/14/2014

Recycle + Feed
20 kg, x% Solid

Heater

Vapor (V)
10 kg

Liquid
Receiver

Recycle (R)

Condensor

Condensate (V)

Concentrate
recovery
pump

Concentrate (C)
25% Solids

Feed (F) 5.5%
Solids

Recirculating
pump

• Basis : 1 kg/jam
• Neraca massa dan neraca bahan padat dari bahan masuk (feed) dan
konsentrat  dihitung
• Massa total : F = C + V ; F = C + 10
Solids : F (0.055) = C (0.25) ; F = C (0.25/0.055) = 4.545 C
Substitusi nilai F :
4.545 C = C + 10; C = (10/(4.545-1)) = 2.82 kg
a. F = 4.545 (2.82) = 12.82 kg/jam
C = 2.82 kg/jam
b. Neraca bahan pada pompa resirkulasi : R + F = 20; R = 20-12.82 =
7.18  laju recycle = 7.18 kg/jam
c. Neraca bahan yang dapat dibuat pada bagian sistem dimana uap
dipisahkan dari fluida yang dipanaskan dapat dilihat apda Gambar 10.
Neraca solid : 20(x) = 10(0.25); x = 2.5/20 = 0.125  fluida yang
masuk ke pemanas mengandung 12.5% solid

Gambar 9. Diagram aliran bahan pada Falling Film Evaporator dengan recycle produk

• Unsteady State

Feed + recycle
20 kg
x% Solids
Heater

Vapor
10 kg
Concentrate
25% solids
20-10 = 10 kg

 Akumulasi ikut dihitung
 Akumulasi = diferensial laju dari variabel per waktu
 Perhitungan neraca massa sama dengan kondisi steady state 
persamaan diferensial diintegrasikan untuk mendapat persamaan
dari nilai variabel dependen sebagai fungsi dari waktu .
 Contoh :
Sebuah tanki berpengaduk dengan volume 10 L berisi larutan
garam dengan konsentrasi 100 g/L. Jika garam bebas air
dimasukkan secara kontiniu ke dalam tanki dengan laju 12
L/jam, dan volume selalu konstan berapa konsentrasi garam
setelah 90 menit?

Gambar 10. Diagram neraca bahan pada heater dari sebuah Falling Film Evaporator

9

1/14/2014

• Blending of Food Ingredients
 Meliputi neraca massa total dan komponen dan persamaan diselesaikan
secara simultan
 Contoh 1:
Hitunglah jumlah konsentrat juice (dengan padatan 65%) yang harus
dicampurkan dengan single-strength juice (padatan 15%) untuk
menghasilkan 100 kg konsentrat dengan padatan 45%.
 Contoh2:
Hitunglah jumlah daging, lemak dan air yang digunakan untuk membuat
formulasi 100 kg frankfurter. Komposisi bahan mentah dan frankfurter
adalah sbb :
- Daging : 14% lemak, 67% air, 19% protein
- Lemak : 89% lemak, 8% air dan 3% protein
- Frankfurter : 20% lemak, 15% protein, 65% air

• MultistageProcesses
 Contoh :
Dalam pembuatan jam, digunakan buah dengan kandungan
padatan terlarut 10% dan ditambahkan pektin grade 100.
Hitunglah berat buah, gula dan pektin yang dibutuhkan untuk
menghasilkan 100 kg jam. Standard pembuatan jam adalah
buah : gula = 45 : 55, dan jamharus memiliki nilai TSS 65%.
(Pektin grade 100 = pektin yang akan membentuk gel pada
perbandingan pektin dan gula 1 kg : 100 kg).

10