Pendinginan dan Pembekuan PTP 2014
PENDINGINAN
&
PEMBEKUAN
KONDISI SUHU RENDAH
• Reaksi biokimiawi dalam buah dan sayur lambat degradasi bahan
lambat
• Pertumbuhan mikroba lambat pembusukan mikroba terhambat
• Masa simpan panjang ”kesegaran” lebih lama
• Perubahan karakteristik bahan dapat dijaga serendahrendahnya sedikit terjadi perubahan sensori akibat
aktivitas enzim dan mikroba; kandungan nutrisi
terjaga/sedikit berubah
• Biasanya tidak memerlukan bahan pengawet
dipersepsikan sebagai makanan “sehat”
PERBEDAAN PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN
PENDINGINAN (COOLING)
• Penyimpanan bahan pangan di atas suhu
pembekuan (-2 sampai 10 oC)
• Lemari es umumnya 5 – 8 oC
• Umur simpan beberapa hari/minggu tergantung
jenis bahan
PEMBEKUAN (FREEZING)
• Penyimpanan bahan pangan pada suhu bekunya
• Air murni membeku pada 0 oC, beberapa makanan
tidak membeku pada - 2 oC atau dibawahnya
pengaruh kandungan zat tertentu dalam bahan
• Pembekuan yang baik - 12 sampai -24 oC
• Umur simpan beberapa bulan/tahun
MEKANISME
c
CONDENSER
d
b
EXPANSION
VALVE
COMPRESSOR
a
e
EVAPORATOR
KURVA HUBUNGAN ANTARA SUHU DAN WAKTU
SELAMA PEMBEKUAN
Pelepasan panas
sensibel air
Supercooling
Pelepasan panas laten
Suhu eutectic
Panas
sensibel es
A-S
• Produk atau bahan pangan didinginkan sampai suhu di bawah titik beku θf
(bergantung jenis bahan), dengan pengecualian air murni, selalu di bawah 0 oC.
• Pada titik S, air tetap cair, walaupun di bawah titik beku. Gejala ini disebut sebagai
kondisi lewat dingin, biasanya 10 oC di bawah titik beku.
• Periode lewat dingin dipengaruhi oleh jenis bahan dan kecepatan pengambilan
panas.
S-B
• Suhu meningkat secara cepat sampai titik beku ketika kristal es mulai terbentuk dan
panas laten kristalisasi dilepaskan.
• Jumlah inti kristal yang terbentuk dipengaruhi oleh kecepatan pindah panas. Pindah
panas tinggi menghasilkan sejumlah besar inti kristal.
B-C
• Panas dilepaskan dari bahan pangan.
• Panas laten diambil dan es terbentuk, tetapi suhu tetap hampir konstan.
• Titik beku turun akibat peningkatan konsentrasi solut pada cairan yang
tidak beku. Saat tersebut sebagian kristal es terbentuk.
C-D
• Saat sebagian solut menjadi lewat jenuh dan mengkristal.
• Panas laten kristalisasi dilepaskan dan suhu meningkat.
D-E
• Kristalisasi air dan solut berlanjut.
• Waktu total yang diperlukan, tf, ditentukan berdasarkan kecepatan
pengambilan panas.
E-F
• Suhu campuran air-es turun sampai suhu pembeku (freezer).
• Sebagian air tetap tidak membeku pada saat suhu yang digunakan pada
pembekuan komersial.
• Proporsi es yang terbentuk bergantung pada jenis dan komposisi bahan
pangan dan suhu penyimpanan.
• Misalnya, pada suhu penyimpanan -20 oC persentase es pada daging
kambing sebesar 85%, pada ikan sebesar 91%, dan pada albumin telur
sebesar 93%.
KURVA PEMBEKUAN CEPAT DAN LAMBAT
(1)
(2)
(3)
Contoh 1
Sayuran segar didistribusikan dengan menggunakan truk berpendingin. Total
waktu yang diperlukan hingga sampai pasar adalah 48 jam. Hitunglah
jumlah panas yang harus dilepaskan, jika sayuran segar (kapasitas panas
4,02 kJ kg-1 oC-1) beratnya 3 ton, suhu pendingin 2 oC, suhu sayur pada saat
siap dimasukkan ke dalam truk adalah 5 oC, dan panas respirasi sayuran
pada kisaran suhu ini adalah 0,035 J detik-1 kg-1!
Jawab
Panas yang dapat dihitung adalah panas sensibel untuk menurunkan suhu
dari 5 oC menjadi 2 oC:
Q 1 = m Cp ∆T = (3000 kg) (4,02 kJ kg-1 oC-1) (5 – 2) oC = 36,180 kJ
Panas respirasi yang ditimbulkan sayuran:
Q2 = m qresp = (3000 kg) (0,035 J detik-1 kg-1) (1 kJ/1000 J) (48 jam) (3600
detik/jam) = 18,144 kJ
Panas yang harus dihilangkan: Q1 + Q2 = 36,180 + 18,144 = 54,324 kJ
Waktu Pembekuan
Waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu dari bahan pangan
dari suhu awalnya ke suhu di bawah titik beku yang diinginkan di bagian
pusatnya
Penting diketahui untuk disain proses pembekuan, antara lain untuk
memperkiran ukuran sistem dan evaluasi beban refrigerasi
Waktu yang diperlukan untuk membekukan bahan sangat tergantung
berbagai faktor, yaitu (a) ukuran dan bentuk bahan, (b) konduktivitas
panas bahan, (c) luas bahan tempat terjadinya pindah panas, (d)
koefisien pindah panas permukaan dari medium, (e) perbedaan panas
antara bahan dan media pembeku, (f) jenis pengemas yang digunakan
Perhitungan waktu pembekuan pada kenyataannya cukup sulit. Hal ini
disebabkan adanya perbedaan suhu pembekuan dan laju pembentukan
kristal es pada bagian yang berbeda dari bahan dan terjadinya
perubahan densitas, konduktivitas panas, panas jenis, dan difusivitas
panas bahan selama penurunan suhu
Perkiraan waktu pembekuan dengan menggunakan metode waktusuhu dikembangkan oleh Plank
Waktu efektif pembekuan didefinisikan sebagai waktu yang
diperlukan untuk menurunkan suhu bahan dari suhu awal ke suhu
tertentu yang diinginkan pada titik pusat bahan yang dianggap paling
lambat melepskan panas
Asumsi yang dikembangkan Plank:
• Seluruh air dalam bahan pangan berada pada fase air pada awal
pembekuan
• Kehilangan panas sensibel diabaikan
• Pindah panas terjadi secara lambat dalam kondisi steady state
• Pembekuan tidak memengaruhi bentuk bahan (bulat, silinder,
kubus, dsb.)
• Terdapat hanya satu suhu pembekuan
• Konduktivitas panas dan pindah panas dari bahan konstan (tidak
dipengaruhi oleh penurunan suhu selama pembekuan)
Waktu pembekuan bahan pangan berbentuk kubus:
Tf (detik)
= waktu pembekuan
L (m)
= panjang kubus
h (Wm-2K-1) = koefisien transfer panas permukaan
θf (oC)
= titik beku bahan pangan
θa (oC)
= suhu medium pembekuan
λ (J kg-1)
= panas laten kristalisasi
-3
ρ (kg m ) = densitas bahan pangan
x (m)
= tebal pengemasan
k1 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas pengemasan
k2 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas daerah beku
Angka 6 dan 24 merupakan faktor. Bentuk atau dimensi bahan yang lain
memerlukan faktor yang berbeda yang mewakili jarak terdekat dari pusat ke
permukaan bahan pangan 2 dan 8 untuk bentuk lempeng (slab), 4 dan 6 untuk
bentuk silinder, 6 dan 24 untuk bentuk bulat
Contoh 2
Potongan kentang berbentuk kubus dengan sisi 5 cm dikeringkan dengan
cepat menggunakan blast freezer pada suhu -40 oC dengan koefisien transfer
panas permukaan 30 Wm-2K-1. Jika titik beku kentang adalah -1 oC, dan
densitasnya 1180 kgm-3, dugalah waktu pembekuan tiap kubusnya. Apabila
kubus tersebut dikemas dalam kardus berukuran 20 x 10 x 10 cm, hitunglah
waktu pembekuannya. Diketahui bahwa tebal kardus 1,5 mm, konduktivitas
panas kardus 0,07 Wm-1K-1, konduktivitas panas kentang 2,5 Wm-1K-1 dan
panas laten kristalisasi 2,74 x 105 J kg-1
Jawab
Tanpa pengemasan:
(2,74 x 105) 1180 0,05 1 + 0 + 0,052
= 2648 detik = 44 menit
tf =
6
-1 – (-40)
24 x 2,5
30
Bahan dikemas dalam kardus, sehingga membentuk lempeng
setebal 10 cm:
(2,74 x 105) 1180 0,1
tf =
2
-1 – (-40)
1 + 0,0015
30
0,07
= 25462,94 detik = 7,07 jam
0,12
+
8 x 2,5
Sifat Koligatif Bahan Pangan
Air murni pada tekanan 1 atm umumnya memeku pada 0 oC, sedangkan
air dalam bentuk larutan membeku di bawah 0 oC
Sifat penurunan titik beku larutan dikenal sebagai sifat koligatif larutan
dipengaruhi oleh jenis pelarut dan tekanan udara
Penurunan titik beku larutan untuk pelarut air pada tekanan atmosfer:
di mana: m =
TAo =
Rg =
λ
=
BMA =
molalitas (mol solut/1000 g pelarut)
titik beku pelarut murni (untuk air 0 oC atau K)
konstanta gas = 8,314 J mol-1k-1
panas laten pembekuan, kJ kg-1 (untuk air 335 kJ kg-1)
berat molekul pelarut
Bila titik beku larutan diketahui, maka fraksi mol air dalam larutan tersebut
dapat dihitung dengan persamaan:
Contoh 3
Suatu adonan es krim memiliki komposisi: 10% butterfat, 12% solid nonfat (54,5% dari solid non-fat adalah laktosa), 15% sukrosa, 0,22%
stabilizer, dan 62,78% air. Berapakah penurunan titik beku es krim
tersebut?
Jawab
Asumsikan bahwa hanya gula (laktosa dan sukrosa) yang mempunyai
efek menurunkan titik beku larutan
BM sukrosa = BM laktosa = 342 g mol-1
Fraksi gula = 0,15 + 0,12(0,545) = 0,2154
Fraksi air = 0,6278
Konsentrasi gula dalam air = 0,2154/0,6278 = 0,3431 g
343,1 g gula/1000 g air
m =
∆Tf =
343,1/342 mol gula
1000 g air
gula
/g
air
=
= 1,003 m
(8,314 J mol -1K-1) (273)2 (18 g mol-1) (1,003 mol kg-1)
(1000)(335) J kg-1
= 33,39 K
Contoh 4
Buah anggur diketahui memiliki kadar air 84,7%, titik beku (Tf)
-1,08 oC dan panas laten (λ) 6003 J mol-1. Hitunglah berapa fraksi
mol airnya!
Jawab
6003 J mol-1
8,314 J mol K
-1
-1
1
_ 1
273 K
271,2 K
= ln XA
ln XA = -0,01755
XA = 0,9826 (fraksi mol air yang terdapat dalam buah anggur)
TERIMA KASIH
&
PEMBEKUAN
KONDISI SUHU RENDAH
• Reaksi biokimiawi dalam buah dan sayur lambat degradasi bahan
lambat
• Pertumbuhan mikroba lambat pembusukan mikroba terhambat
• Masa simpan panjang ”kesegaran” lebih lama
• Perubahan karakteristik bahan dapat dijaga serendahrendahnya sedikit terjadi perubahan sensori akibat
aktivitas enzim dan mikroba; kandungan nutrisi
terjaga/sedikit berubah
• Biasanya tidak memerlukan bahan pengawet
dipersepsikan sebagai makanan “sehat”
PERBEDAAN PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN
PENDINGINAN (COOLING)
• Penyimpanan bahan pangan di atas suhu
pembekuan (-2 sampai 10 oC)
• Lemari es umumnya 5 – 8 oC
• Umur simpan beberapa hari/minggu tergantung
jenis bahan
PEMBEKUAN (FREEZING)
• Penyimpanan bahan pangan pada suhu bekunya
• Air murni membeku pada 0 oC, beberapa makanan
tidak membeku pada - 2 oC atau dibawahnya
pengaruh kandungan zat tertentu dalam bahan
• Pembekuan yang baik - 12 sampai -24 oC
• Umur simpan beberapa bulan/tahun
MEKANISME
c
CONDENSER
d
b
EXPANSION
VALVE
COMPRESSOR
a
e
EVAPORATOR
KURVA HUBUNGAN ANTARA SUHU DAN WAKTU
SELAMA PEMBEKUAN
Pelepasan panas
sensibel air
Supercooling
Pelepasan panas laten
Suhu eutectic
Panas
sensibel es
A-S
• Produk atau bahan pangan didinginkan sampai suhu di bawah titik beku θf
(bergantung jenis bahan), dengan pengecualian air murni, selalu di bawah 0 oC.
• Pada titik S, air tetap cair, walaupun di bawah titik beku. Gejala ini disebut sebagai
kondisi lewat dingin, biasanya 10 oC di bawah titik beku.
• Periode lewat dingin dipengaruhi oleh jenis bahan dan kecepatan pengambilan
panas.
S-B
• Suhu meningkat secara cepat sampai titik beku ketika kristal es mulai terbentuk dan
panas laten kristalisasi dilepaskan.
• Jumlah inti kristal yang terbentuk dipengaruhi oleh kecepatan pindah panas. Pindah
panas tinggi menghasilkan sejumlah besar inti kristal.
B-C
• Panas dilepaskan dari bahan pangan.
• Panas laten diambil dan es terbentuk, tetapi suhu tetap hampir konstan.
• Titik beku turun akibat peningkatan konsentrasi solut pada cairan yang
tidak beku. Saat tersebut sebagian kristal es terbentuk.
C-D
• Saat sebagian solut menjadi lewat jenuh dan mengkristal.
• Panas laten kristalisasi dilepaskan dan suhu meningkat.
D-E
• Kristalisasi air dan solut berlanjut.
• Waktu total yang diperlukan, tf, ditentukan berdasarkan kecepatan
pengambilan panas.
E-F
• Suhu campuran air-es turun sampai suhu pembeku (freezer).
• Sebagian air tetap tidak membeku pada saat suhu yang digunakan pada
pembekuan komersial.
• Proporsi es yang terbentuk bergantung pada jenis dan komposisi bahan
pangan dan suhu penyimpanan.
• Misalnya, pada suhu penyimpanan -20 oC persentase es pada daging
kambing sebesar 85%, pada ikan sebesar 91%, dan pada albumin telur
sebesar 93%.
KURVA PEMBEKUAN CEPAT DAN LAMBAT
(1)
(2)
(3)
Contoh 1
Sayuran segar didistribusikan dengan menggunakan truk berpendingin. Total
waktu yang diperlukan hingga sampai pasar adalah 48 jam. Hitunglah
jumlah panas yang harus dilepaskan, jika sayuran segar (kapasitas panas
4,02 kJ kg-1 oC-1) beratnya 3 ton, suhu pendingin 2 oC, suhu sayur pada saat
siap dimasukkan ke dalam truk adalah 5 oC, dan panas respirasi sayuran
pada kisaran suhu ini adalah 0,035 J detik-1 kg-1!
Jawab
Panas yang dapat dihitung adalah panas sensibel untuk menurunkan suhu
dari 5 oC menjadi 2 oC:
Q 1 = m Cp ∆T = (3000 kg) (4,02 kJ kg-1 oC-1) (5 – 2) oC = 36,180 kJ
Panas respirasi yang ditimbulkan sayuran:
Q2 = m qresp = (3000 kg) (0,035 J detik-1 kg-1) (1 kJ/1000 J) (48 jam) (3600
detik/jam) = 18,144 kJ
Panas yang harus dihilangkan: Q1 + Q2 = 36,180 + 18,144 = 54,324 kJ
Waktu Pembekuan
Waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu dari bahan pangan
dari suhu awalnya ke suhu di bawah titik beku yang diinginkan di bagian
pusatnya
Penting diketahui untuk disain proses pembekuan, antara lain untuk
memperkiran ukuran sistem dan evaluasi beban refrigerasi
Waktu yang diperlukan untuk membekukan bahan sangat tergantung
berbagai faktor, yaitu (a) ukuran dan bentuk bahan, (b) konduktivitas
panas bahan, (c) luas bahan tempat terjadinya pindah panas, (d)
koefisien pindah panas permukaan dari medium, (e) perbedaan panas
antara bahan dan media pembeku, (f) jenis pengemas yang digunakan
Perhitungan waktu pembekuan pada kenyataannya cukup sulit. Hal ini
disebabkan adanya perbedaan suhu pembekuan dan laju pembentukan
kristal es pada bagian yang berbeda dari bahan dan terjadinya
perubahan densitas, konduktivitas panas, panas jenis, dan difusivitas
panas bahan selama penurunan suhu
Perkiraan waktu pembekuan dengan menggunakan metode waktusuhu dikembangkan oleh Plank
Waktu efektif pembekuan didefinisikan sebagai waktu yang
diperlukan untuk menurunkan suhu bahan dari suhu awal ke suhu
tertentu yang diinginkan pada titik pusat bahan yang dianggap paling
lambat melepskan panas
Asumsi yang dikembangkan Plank:
• Seluruh air dalam bahan pangan berada pada fase air pada awal
pembekuan
• Kehilangan panas sensibel diabaikan
• Pindah panas terjadi secara lambat dalam kondisi steady state
• Pembekuan tidak memengaruhi bentuk bahan (bulat, silinder,
kubus, dsb.)
• Terdapat hanya satu suhu pembekuan
• Konduktivitas panas dan pindah panas dari bahan konstan (tidak
dipengaruhi oleh penurunan suhu selama pembekuan)
Waktu pembekuan bahan pangan berbentuk kubus:
Tf (detik)
= waktu pembekuan
L (m)
= panjang kubus
h (Wm-2K-1) = koefisien transfer panas permukaan
θf (oC)
= titik beku bahan pangan
θa (oC)
= suhu medium pembekuan
λ (J kg-1)
= panas laten kristalisasi
-3
ρ (kg m ) = densitas bahan pangan
x (m)
= tebal pengemasan
k1 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas pengemasan
k2 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas daerah beku
Angka 6 dan 24 merupakan faktor. Bentuk atau dimensi bahan yang lain
memerlukan faktor yang berbeda yang mewakili jarak terdekat dari pusat ke
permukaan bahan pangan 2 dan 8 untuk bentuk lempeng (slab), 4 dan 6 untuk
bentuk silinder, 6 dan 24 untuk bentuk bulat
Contoh 2
Potongan kentang berbentuk kubus dengan sisi 5 cm dikeringkan dengan
cepat menggunakan blast freezer pada suhu -40 oC dengan koefisien transfer
panas permukaan 30 Wm-2K-1. Jika titik beku kentang adalah -1 oC, dan
densitasnya 1180 kgm-3, dugalah waktu pembekuan tiap kubusnya. Apabila
kubus tersebut dikemas dalam kardus berukuran 20 x 10 x 10 cm, hitunglah
waktu pembekuannya. Diketahui bahwa tebal kardus 1,5 mm, konduktivitas
panas kardus 0,07 Wm-1K-1, konduktivitas panas kentang 2,5 Wm-1K-1 dan
panas laten kristalisasi 2,74 x 105 J kg-1
Jawab
Tanpa pengemasan:
(2,74 x 105) 1180 0,05 1 + 0 + 0,052
= 2648 detik = 44 menit
tf =
6
-1 – (-40)
24 x 2,5
30
Bahan dikemas dalam kardus, sehingga membentuk lempeng
setebal 10 cm:
(2,74 x 105) 1180 0,1
tf =
2
-1 – (-40)
1 + 0,0015
30
0,07
= 25462,94 detik = 7,07 jam
0,12
+
8 x 2,5
Sifat Koligatif Bahan Pangan
Air murni pada tekanan 1 atm umumnya memeku pada 0 oC, sedangkan
air dalam bentuk larutan membeku di bawah 0 oC
Sifat penurunan titik beku larutan dikenal sebagai sifat koligatif larutan
dipengaruhi oleh jenis pelarut dan tekanan udara
Penurunan titik beku larutan untuk pelarut air pada tekanan atmosfer:
di mana: m =
TAo =
Rg =
λ
=
BMA =
molalitas (mol solut/1000 g pelarut)
titik beku pelarut murni (untuk air 0 oC atau K)
konstanta gas = 8,314 J mol-1k-1
panas laten pembekuan, kJ kg-1 (untuk air 335 kJ kg-1)
berat molekul pelarut
Bila titik beku larutan diketahui, maka fraksi mol air dalam larutan tersebut
dapat dihitung dengan persamaan:
Contoh 3
Suatu adonan es krim memiliki komposisi: 10% butterfat, 12% solid nonfat (54,5% dari solid non-fat adalah laktosa), 15% sukrosa, 0,22%
stabilizer, dan 62,78% air. Berapakah penurunan titik beku es krim
tersebut?
Jawab
Asumsikan bahwa hanya gula (laktosa dan sukrosa) yang mempunyai
efek menurunkan titik beku larutan
BM sukrosa = BM laktosa = 342 g mol-1
Fraksi gula = 0,15 + 0,12(0,545) = 0,2154
Fraksi air = 0,6278
Konsentrasi gula dalam air = 0,2154/0,6278 = 0,3431 g
343,1 g gula/1000 g air
m =
∆Tf =
343,1/342 mol gula
1000 g air
gula
/g
air
=
= 1,003 m
(8,314 J mol -1K-1) (273)2 (18 g mol-1) (1,003 mol kg-1)
(1000)(335) J kg-1
= 33,39 K
Contoh 4
Buah anggur diketahui memiliki kadar air 84,7%, titik beku (Tf)
-1,08 oC dan panas laten (λ) 6003 J mol-1. Hitunglah berapa fraksi
mol airnya!
Jawab
6003 J mol-1
8,314 J mol K
-1
-1
1
_ 1
273 K
271,2 K
= ln XA
ln XA = -0,01755
XA = 0,9826 (fraksi mol air yang terdapat dalam buah anggur)
TERIMA KASIH