Optimasi Penggunaan Absorben Pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biji Kakao (Theobroma Cacao)
Biji Kakao secara teknis adalah bukan kacang melainkan biji dari buah pohon
kakao Theobroma. Setiap buah memproduksi sekitar 35-50 biji yang dikelilingi oleh
bubur manis. Setelah biji kakao dipanen maka akan segera difermentasikan secara
alami oleh mikroba yang menggunakan gula dari pulp manis sebagai sumber energi
[10]. Popularitas kakao dari produk kakao yang diturunkan, dalam coklat khususnya,
dapat dianggap berasal dari rasa yang unik dan lezat. Rasa dan khususnya, aroma
kakao dikembangkan selama pemrosesan utama biji kakao, yaitu fermentasi dan
pengeringan. Tentu saja melibatkan tindakan berbagai mikro-organisme dalam pulp
kakao dan aksi enzim karbohidrat, protein dan polifenol dalam biji kakao. Tidak ada
rasa dalam biji kakao tanpa fermentasi [11]. Fermentasi biji kakao dilakukan untuk
menjaga massa biji kakao terisolasi sementara pada saat yang sama udara
diperbolehkan untuk melewati biji. Proses ini dilakukan untuk mengembangkan rasa
coklat dan aroma di biji. Selama fermentasi, pulp yang menyelimuti biji dihapus dan
gula dalam pulpa diubah menjadi asam asetat [12]. Kakao umumnya digunakan
untuk membuat cokelat, susu cokelat, minuman, bubuk cokelat dan kosmetik karena
mengandung theobromin, lemak, dan vitamin D, sebagai anti-karsinogenik, antiulcer,
anti-inflamasi, anti-mikroba dan analgesik [13-14].
2.2 Pengering Surya (Solar Dryer)
2.2.1 Pengeringan Open Sun
Panjang gelombang pendek energi matahari jatuh pada permukaan yang tidak
rata tanaman. Sebagian dari energi ini dipantulkan kembali dan bagian yang tersisa
diserap oleh permukaan tergantung pada warna tanaman. Radiasi diserap diubah
menjadi energi panas dan suhu tanaman meningkat. Dalam hasil ini ada kerugian
radiasi panjang gelombang dari permukaan tanaman ambien udara melalui udara
lembab. Selain panjang gelombang kerugian radiasi ada kehilangan panas konvektif
karena angin bertiup melalui udara lembab di atas permukaan tanaman. Penguapan
air terjadi dalam bentuk penguapan sehingga tanaman dikeringkan. Selanjutnya
bagian dari energi panas yang diserap dilakukan ke dalam produk. Hal ini
6
Universitas Sumatera Utara
7
menyebabkan peningkatan suhu dan pembentukan uap air di dalam tanaman dan
kemudian berdifusi menuju permukaan bentuk penguapan. Pada tahap awal,
penghilangan kelembaban cepat karena kelebihan kelembaban pada permukaan
produk menyajikan permukaan basah bagi udara pengeringan. Selanjutnya,
pengeringan tergantung pada tingkat di mana kelembaban dalam produk bergerak ke
permukaan oleh proses difusi tergantung pada jenis produk. Dalam pengeringan
terbuka matahari, ada kerugian yang cukup besar karena berbagai alasan seperti
tikus, burung, serangga dan mikro-organisme. Hujan badai atau lebih tak terduga
memperburuk situasi. Selanjutnya, lebih dari pengeringan, kontaminasi oleh bahan
asing seperti kotoran debu, serangga, dan mikro-organisme juga perubahan warna
oleh radiasi UV merupakan karakteristik untuk membuka pengeringan matahari.
Secara umum, pengeringan matahari terbuka tidak memenuhi standar kualitas
internasional dan oleh karena itu tidak dapat dijual di pasar internasional. Dengan
kesadaran kekurangan dalam pengeringan terbuka matahari, metode yang lebih
ilmiah pemanfaatan energi surya untuk pengeringan tanaman telah muncul
diistilahkan atau pengeringan matahari [15].
Gambar 2.1 Prinsip Kerja dari Pengering Open Sun [15]
2.2.2 Pengeringan Tak Langsung (Indirect Solar Dryer)
Dalam pengering surya tidak langsung energi matahari dikumpulkan dalam
kolektor surya terpisah dan udara panas kemudian melewati tempat produk
membawa pergi kelembaban dari produk. Produk dikeringkan dengan udara panas.
Hal ini membuat pengering surya tidak dianjurkan dalam pengeringan tanaman yang
vitamin dan konten mineral dapat dihancurkan oleh sinar matahari terutama buahbuahan dan sayuran [16]. Radiasi matahari yang diperoleh oleh sistem digunakan
Universitas Sumatera Utara
8
untuk memanaskan udara yang mengalir melalui produk yang akan dikeringkan
dalam pengering ini. Maka kelembaban produk akan berkurang karena adanya
konveksi dan difusi. Dalam hal ini kualitas pengering produk ditingkatkan meskipun
tingkat pengeringan meningkat. Udara panas ditiupkan melalui ruang pengering. Di
bagian atas pengeringan ventilasi ruang yang menyediakan mana kelembaban
dihapus. Dalam jenis tidak langsung sistem pengeringan surya kontrol yang lebih
baik atas pengeringan dicapai [17-18].
Gambar 2.2 Prinsip Pengering Tak Langsung [17]
2.2.3 Pengeringan Langsung (Direct Solar Dryer)
Pengeringan matahari langsung adalah cara konvensional pengeringan produk.
Dalam metode ini produk secara langsung terkena radiasi matahari dan mengurangi
kadar air udara atmosfer. Gerakan udara ini disebabkan perbedaan densitas. Proses
ini untuk waktu yang lama sampai produk akan kering ke tingkat yang dibutuhkan.
Permukaan lantai yang terbuat dari beton atau daerah tertentu tanah membuat berlaku
untuk pengeringan matahari langsung. Ini adalah pengeringan produk cara termudah
tetapi juga merugikan karena tergantung pada kondisi iklim dan membutuhkan
permukaan yang besar dan waktu yang lama dari paparan sinar matahari, kondisi
produk akhir adalah pada pengamatan manusia terampil, dapat dikotori burung, dan
binatang, pengeringan sangat rendah untuk pengeringan matahari langsung, dan
paparan langsung sinar matahari dapat sangat mengurangi tingkat nutrisi seperti
vitamin dalam produk kering [18].
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.3 Prinsip Pengering Langsung [16]
2.3 Energi Surya (Solar Energy)
Energi surya adalah bersifat intermittent (tidak kontinu) dan suhu maksimum
yang dapat dicapai 35oC. Oleh karena itu perlu ditambahkan sebuah kolektor tipe
pelat datar untuk dapat menaikkan temperatur udara pemanas hingga mencapai 45 –
60 °C pada siang hari dan dilanjutkan dengan menyimpan sebagian energi surya ini
pada bahan-bahan penyimpan panas (phase change material’s = PCM’s) untuk
melanjutkan proses pengeringan pada saat malam hari [2]. Pemanfaatan energi
matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya
minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970-an mendapat perhatian yang cukup besar
dari banyak negara di dunia. Di samping jumlahnya yang tidak terbatas,
pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan.
Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan
teknologi sel surya atau fotovoltaik. Matahari merupakan sumber energi yang benarbenar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki
matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya
dapat dikatakan gratis. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk
daerah-daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak
memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru
mencapai 55% - 60% dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah
daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik [19].
2.4 Desikan
Desikan merupakan suatu zat yang menarik uap air dari dalam melalui proses
adsorpsi dan absorpsi. Pada absorpsi, menyerap kelembaban dari suatu bahan terjadi
secara fisika dan kimia. Kebanyakan absorben, seperti larutan lithium klorida atau
trietilenglikol dalam air, adalah cairan [20]. Pada tahun 1937 sebuah sensor
kelembaban elektrolit menggunakan lithium klorida (LiCl) yang dikembangkan oleh
Dunmore, menjadi sensor kelembaban listrik pertama dan hanya tersedia sampai
sekitar pertengahan sensor elektrolit 1970an. LiCl telah banyak digunakan dalam
radiosonde (balon cuaca yang digunakan untuk mengukur parameter atmosfer)
aplikasi sirkuit serta penggunaan medis. Bahan pendukung berpori direndam dalam
kelembaban sensitif sebagian dihidrolisis polivinil asetat yang diresapi dengan
larutan LiCl dan beda potensial diterapkan di seluruh dukungan untuk membentuk
Universitas Sumatera Utara
10
sel elektrolit. Dengan menyerap uap air di atmosfer melalui media berpori,
konduktivitas ionik sel-sel berubah dan jumlah kelembaban terdeteksi [21].
Berdasarkan perpindahan panas dan kondisi operasinya, absorben memiliki dampak
yang paling signifikan untuk efisiensi perpindahan dan efisiensi entalpi yang sekitar
15,9% lebih tinggi dari adsorben. Kedua metode signifikan mempengaruhi efisiensi
pertukaran kelembaban. Pembuatan absorben dapat mencapai 84,5% dari efisiensi
pertukaran kelembaban, yang 38,7% dan 28,1% lebih tinggi dibandingkan adsorben
[22].
Dalam dekade terakhir, karena biaya energi meningkat, sistem suhu pengeringan
rendah menggunakan desikan telah mendapat perhatian besar. Jenis-jenis desikan
adalah silika gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves, kalsium klorida,
lithium klorida atau bromida, dan asam sulfat dapat digunakan untuk dehumidifikasi
udara. Regenerasi suhu yang diperlukan untuk mengeringkan disk penyerap silika
gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves adalah sekitar 80 oC, yang relatif
tinggi. Desikan seperti kalsium klorida, lithium klorida atau bromida, dan asam
sulfat, lebih nyaman dan murah untuk bekerja dan memiliki suhu pengering
regenerasi sekitar 60 oC. Untuk sistem dehumidifikasi udara, tekanan uap dari
desikan harus lebih rendah dari air. Suhu regenerasi, biaya, dan viskositas harus
rendah. Selain itu, juga harus non-toksik, kimiawi stabil, dan tidak akan
mempengaruhi kulit. Beberapa bahan desikan, seperti lithium bromida, asam sulfat,
kalsium klorida, dan lithium klorida, telah mendapat perhatian. Lithium klorida
adalah desikan yang paling stabil dapat mengurangi kelembaban relatif hingga 60%
dan memiliki berbagai macam konsentrasi dehidrasi (30JK sampai 45%), tetapi biaya
adalah relatif tinggi. Kalsium klorida termurah dan paling mudah tersedia tetapi ada
satu kelemahan yaitu tidak selalu stabil. Hal ini tergantung pada kondisi udara inlet
dan konsentrasi persentase desikan [8].
2.5 Kinetika Pengeringan
Pengeringan dicapai dengan terus melewatkan udara panas atau pemanas melalui
dalam satu arah. Dari lapisan pertama udara pengeringan menguap kelembaban dan
berlanjut ke lapisan selanjutnya. Sebagai udara menyerap kelembaban menurunkan
suhu dan kemampuan untuk mengambil air juga menurun. Tingkat pengeringan biji
kakao ditentukan oleh difusi uap air dari dalam ke lapisan permukaan, yang dapat
diwakili oleh hukum kedua Fick tentang difusi untuk difusi unsteady-state. Dengan
Universitas Sumatera Utara
11
asumsi bahwa biji kakao dapat dianggap sama dengan bola, difusi dinyatakan
sebagai :
=
(2.2)
dimana r adalah jari-jari (m) dan t adalah waktu (s), De adalah difusivitas efektif (m2
s-1). Dengan asumsi kadar air awal seragam dan efektif difusivitas konstan di seluruh
sampel, Crank (1999) memberikan solusi analitis persamaan untuk objek bola
sebagai berikut:
MR=
∑∞
exp −
(2.3)
di mana m-ms / mo-ms adalah rasio kelembaban (MR), r adalah jari-jari bola, t
adalah waktu dan De adalah difusivitas efektif. Jika n = 1, untuk jangka waktu yang
panjang pengeringan Persamaan (2.2) dapat dibuat linear sebagai berikut:
Ln MR = Ln
−
(2.4)
Difusivitas efektif didapat dari plot data Ln MR terhadap waktu (s) data dengan
kemiringan K1, sebagai berikut :
K1 =
(2.5)
Koefisien difusi menilai bahwa difusivitas efektif bervariasi dengan suhu sesuai
dengan fungsi Arrhenius :
De = D exp −
(
, ")
(2.6)
di mana D adalah koefisien difusivitas untuk suhu yang tak terbatas, E adalah energi
aktivasi untuk kelembaban difusi, R adalah konstanta gas (R = 8,314 J mol-1 K-1)
dan T adalah suhu pengeringan (º C) [12].
Data kadar air eksperimental biji kakao yang diperoleh dipasang ke 3 model
pengeringan yang ditampilkan dalam Tabel 2.1 berikut ini :
Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan [13]
No
Model Persamaan
Nama
1
MR = exp(-kt)
Newton
2
MR = a exp (-kt)
Eksponensial
3
MR = exp (-ktn)
Page
4
MR = a exp(-kt+c)
Logarithmique
Tujuan dari pemasangan adalah untuk mengetahui model paling cocok untuk
menggambarkan kurva pengeringan biji kakao. Koefisien determinasi (R²) adalah
Universitas Sumatera Utara
12
kriteria utama untuk memilih model terbaik untuk menggambarkan kurva
pengeringan. Selain R², parameter statistik, seperti berkurangnya chi-square (x²),
root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE), dan t dihitung untuk
mengevaluasi pemasangan sebuah model untuk data eksperimen. Nilai tertinggi R²
dan nilai terendah x², RMSE, MBE, nilai t yang digunakan untuk menentukan yang
terbaik cocok [13].
(2.7)
(2.8)
(2.9)
di mana MRexp,i adalah ith rasio eksperimen yang diamati, MRpred,i adalah ith rasio
kelembaban prediksi, N jumlah pengamatan dan n adalah jumlah konstanta [23].
(2.10)
2.6 Konsumsi Energi Spesifik
Konsumsi energi spesifik ditentukan dengan membandingkan total energi yang
diterima selama pengeringan terhadap jumlah air yang diuapkan, dinyatakan dalam
MJ/kg air teruapkan. Jumlah energi yang diserap adalah energi radiasi yang diterima
kolektor surya dan energi kimia yang dilepas absorben.
Besarnya energi yang diterima selama siang hari ditentukan dengan cara
menghitung energi surya yang masuk dikurangi besarnya kehilangan panas kolektor
surya. Profil susunan isolator yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 2.4. (a) Rancangan Isolator dan (b) Gradien Perpindahan Panas Kolektor
Surya
Universitas Sumatera Utara
13
Kehilangan panas keseluruhan dihitung berdasarkan besarnya total kehilangan
panas konveksi melalui udara lingkungan terhadap permukaan kayu, kehilangan
panas konveksi melalui udara didalam kolektor terhadap permukaan plat, kehilangan
panas pada sisi alas dan sisi atas dan kehilangan panas radiasi.
Kehilangan panas pada sisi dinding-dinding dan sisi bawah/alas masing-masing
dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
Q%% = &%% . ( ()* − )+)
Q, = &, . ( ()* − )+)
-.
-.
=
=
+/
/01 .23
+/
/01 .23
,01
01 .501..
,01
01 .501..
(2.11)
+/
+/
,67
67. .567
,67
67. .567
+
,89
/89 .589
+/
,89
89 .589
+/
+/
(2.12)
,:
+
: .5:
,:
+
: .5:
/: .2. .
(2.13)
/: .2. .
(2.14)
Kehilangan panas pada sisi atas dihitung menggunakan persamaan sebagai
berikut:
Q; = &
(@:A@B)
@: (CD7)
+
2E
(2.15)
G
F
+
H( I
J)K I
Kε: M.MM"N >2EL
AO
J L
CD7AODP.OQQQε:
ε0R
G>
(2.16)
Kehilangan panas radiasi dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
S
;%
=
T
/.H . ( :T G 0R
)
O
O
U
G
V: V0R
W U
O
O
V0R V0R
G W
Qloss =2 x Qdd+ Qa + Qb + Qra
(2.17)
(2.18)
Jumlah energi surya yang diterima selama siang hari melalui kolektor
suryadihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
SXJ
Y;
= Z ′ . ([. (. τ. α) − (S\]XX )
(2.19)
Jumlah energi kimia absorben yang diterima/dilepas selama malam hari dihitung
menggunakan persamaan sebagai berikut [2] :
S;, = ^;, . ∆`
(2.20)
2.7 Psikometrik di Dalam Pengeringan
Dalam pengeringan, psikometrik yang sangat penting karena mengacu pada sifat
campuran udara-uap yang mengontrol laju pengeringan. Ketika pasokan yang cukup
dari panas disediakan untuk pengeringan, suhu dan tingkat di mana penguapan cairan
terjadi akan tergantung pada konsentrasi uap di atmosfer sekitarnya. Ketika cairan
bebas atau permukaan dibasahi, pengeringan akan terjadi pada suhu saturasi, hanya
Universitas Sumatera Utara
14
air bebas pada 101,325 kPa menguap dalam suasana steam 100 % pada 100 ° C.
Untuk tujuan pengeringan, grafik psikometrik sangat berguna [24].
Berikut adalah grafik psikometrik :
Gambar 2.5 Grafik Psikometrik : Sifat Campuran Udara dan Air-Uap [24]
Tekanan parsial air di udara sama dengan tekanan uap air pada suhu tersebut dan
kelembaban jenuh didefinisikan oleh :
(2.21)
Humiditas relatif adalah :
(2.22)
Perbedaan antara udara kering volume spesifik dan volume udara lembab pada
suhu tertentu adalah volume uap air. Data entalpi diberikan atas dasar kilojoule per
kilogram udara kering.
Tidak ada garis untuk memanaskan lembab pada Gambar 2.3 dan dapat dihitung
dengan :
ab = 1,0 + 1.87`
(2.23)
Garis suhu bola basah juga merupakan garis jenuh adiabatik untuk udara
dan uap air saja, dan didasarkan pada hubungan :
Universitas Sumatera Utara
15
`b - ` =
cd
λ
() - )b)
(2.24)
Kemiringan kurva saturasi adiabatik adalah (ab / λ). Garis-garis ini menunjukkan
hubungan antara suhu dan kelembaban udara yang melewati pengering terus menerus
beroperasi adiabatik. Suhu bola basah didirikan oleh keseimbangan dinamis antara
panas dan perpindahan massa ketika cairan menguap dari massa yang kecil, seperti
bola basah termometer, menjadi massa yang sangat besar seperti gas sehingga
mengalami terakhir tidak ada suhu atau kelembaban perubahan , dan dinyatakan oleh
hubungan:
ℎf () - )g) = hi 'λ (`g - `
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biji Kakao (Theobroma Cacao)
Biji Kakao secara teknis adalah bukan kacang melainkan biji dari buah pohon
kakao Theobroma. Setiap buah memproduksi sekitar 35-50 biji yang dikelilingi oleh
bubur manis. Setelah biji kakao dipanen maka akan segera difermentasikan secara
alami oleh mikroba yang menggunakan gula dari pulp manis sebagai sumber energi
[10]. Popularitas kakao dari produk kakao yang diturunkan, dalam coklat khususnya,
dapat dianggap berasal dari rasa yang unik dan lezat. Rasa dan khususnya, aroma
kakao dikembangkan selama pemrosesan utama biji kakao, yaitu fermentasi dan
pengeringan. Tentu saja melibatkan tindakan berbagai mikro-organisme dalam pulp
kakao dan aksi enzim karbohidrat, protein dan polifenol dalam biji kakao. Tidak ada
rasa dalam biji kakao tanpa fermentasi [11]. Fermentasi biji kakao dilakukan untuk
menjaga massa biji kakao terisolasi sementara pada saat yang sama udara
diperbolehkan untuk melewati biji. Proses ini dilakukan untuk mengembangkan rasa
coklat dan aroma di biji. Selama fermentasi, pulp yang menyelimuti biji dihapus dan
gula dalam pulpa diubah menjadi asam asetat [12]. Kakao umumnya digunakan
untuk membuat cokelat, susu cokelat, minuman, bubuk cokelat dan kosmetik karena
mengandung theobromin, lemak, dan vitamin D, sebagai anti-karsinogenik, antiulcer,
anti-inflamasi, anti-mikroba dan analgesik [13-14].
2.2 Pengering Surya (Solar Dryer)
2.2.1 Pengeringan Open Sun
Panjang gelombang pendek energi matahari jatuh pada permukaan yang tidak
rata tanaman. Sebagian dari energi ini dipantulkan kembali dan bagian yang tersisa
diserap oleh permukaan tergantung pada warna tanaman. Radiasi diserap diubah
menjadi energi panas dan suhu tanaman meningkat. Dalam hasil ini ada kerugian
radiasi panjang gelombang dari permukaan tanaman ambien udara melalui udara
lembab. Selain panjang gelombang kerugian radiasi ada kehilangan panas konvektif
karena angin bertiup melalui udara lembab di atas permukaan tanaman. Penguapan
air terjadi dalam bentuk penguapan sehingga tanaman dikeringkan. Selanjutnya
bagian dari energi panas yang diserap dilakukan ke dalam produk. Hal ini
6
Universitas Sumatera Utara
7
menyebabkan peningkatan suhu dan pembentukan uap air di dalam tanaman dan
kemudian berdifusi menuju permukaan bentuk penguapan. Pada tahap awal,
penghilangan kelembaban cepat karena kelebihan kelembaban pada permukaan
produk menyajikan permukaan basah bagi udara pengeringan. Selanjutnya,
pengeringan tergantung pada tingkat di mana kelembaban dalam produk bergerak ke
permukaan oleh proses difusi tergantung pada jenis produk. Dalam pengeringan
terbuka matahari, ada kerugian yang cukup besar karena berbagai alasan seperti
tikus, burung, serangga dan mikro-organisme. Hujan badai atau lebih tak terduga
memperburuk situasi. Selanjutnya, lebih dari pengeringan, kontaminasi oleh bahan
asing seperti kotoran debu, serangga, dan mikro-organisme juga perubahan warna
oleh radiasi UV merupakan karakteristik untuk membuka pengeringan matahari.
Secara umum, pengeringan matahari terbuka tidak memenuhi standar kualitas
internasional dan oleh karena itu tidak dapat dijual di pasar internasional. Dengan
kesadaran kekurangan dalam pengeringan terbuka matahari, metode yang lebih
ilmiah pemanfaatan energi surya untuk pengeringan tanaman telah muncul
diistilahkan atau pengeringan matahari [15].
Gambar 2.1 Prinsip Kerja dari Pengering Open Sun [15]
2.2.2 Pengeringan Tak Langsung (Indirect Solar Dryer)
Dalam pengering surya tidak langsung energi matahari dikumpulkan dalam
kolektor surya terpisah dan udara panas kemudian melewati tempat produk
membawa pergi kelembaban dari produk. Produk dikeringkan dengan udara panas.
Hal ini membuat pengering surya tidak dianjurkan dalam pengeringan tanaman yang
vitamin dan konten mineral dapat dihancurkan oleh sinar matahari terutama buahbuahan dan sayuran [16]. Radiasi matahari yang diperoleh oleh sistem digunakan
Universitas Sumatera Utara
8
untuk memanaskan udara yang mengalir melalui produk yang akan dikeringkan
dalam pengering ini. Maka kelembaban produk akan berkurang karena adanya
konveksi dan difusi. Dalam hal ini kualitas pengering produk ditingkatkan meskipun
tingkat pengeringan meningkat. Udara panas ditiupkan melalui ruang pengering. Di
bagian atas pengeringan ventilasi ruang yang menyediakan mana kelembaban
dihapus. Dalam jenis tidak langsung sistem pengeringan surya kontrol yang lebih
baik atas pengeringan dicapai [17-18].
Gambar 2.2 Prinsip Pengering Tak Langsung [17]
2.2.3 Pengeringan Langsung (Direct Solar Dryer)
Pengeringan matahari langsung adalah cara konvensional pengeringan produk.
Dalam metode ini produk secara langsung terkena radiasi matahari dan mengurangi
kadar air udara atmosfer. Gerakan udara ini disebabkan perbedaan densitas. Proses
ini untuk waktu yang lama sampai produk akan kering ke tingkat yang dibutuhkan.
Permukaan lantai yang terbuat dari beton atau daerah tertentu tanah membuat berlaku
untuk pengeringan matahari langsung. Ini adalah pengeringan produk cara termudah
tetapi juga merugikan karena tergantung pada kondisi iklim dan membutuhkan
permukaan yang besar dan waktu yang lama dari paparan sinar matahari, kondisi
produk akhir adalah pada pengamatan manusia terampil, dapat dikotori burung, dan
binatang, pengeringan sangat rendah untuk pengeringan matahari langsung, dan
paparan langsung sinar matahari dapat sangat mengurangi tingkat nutrisi seperti
vitamin dalam produk kering [18].
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.3 Prinsip Pengering Langsung [16]
2.3 Energi Surya (Solar Energy)
Energi surya adalah bersifat intermittent (tidak kontinu) dan suhu maksimum
yang dapat dicapai 35oC. Oleh karena itu perlu ditambahkan sebuah kolektor tipe
pelat datar untuk dapat menaikkan temperatur udara pemanas hingga mencapai 45 –
60 °C pada siang hari dan dilanjutkan dengan menyimpan sebagian energi surya ini
pada bahan-bahan penyimpan panas (phase change material’s = PCM’s) untuk
melanjutkan proses pengeringan pada saat malam hari [2]. Pemanfaatan energi
matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya
minyak bumi, yang terjadi sejak tahun 1970-an mendapat perhatian yang cukup besar
dari banyak negara di dunia. Di samping jumlahnya yang tidak terbatas,
pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan.
Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan
teknologi sel surya atau fotovoltaik. Matahari merupakan sumber energi yang benarbenar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki
matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya
dapat dikatakan gratis. Energi surya adalah salah satu pilihan energi terbaik untuk
daerah-daerah terpencil, bilamana jaringan distribusi listrik tidak praktis atau tidak
memungkinkan untuk diinstalasi. Mengingat ratio elektrifikasi di Indonesia baru
mencapai 55% - 60% dan hampir seluruh daerah yang belum dialiri listrik adalah
daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit listrik [19].
2.4 Desikan
Desikan merupakan suatu zat yang menarik uap air dari dalam melalui proses
adsorpsi dan absorpsi. Pada absorpsi, menyerap kelembaban dari suatu bahan terjadi
secara fisika dan kimia. Kebanyakan absorben, seperti larutan lithium klorida atau
trietilenglikol dalam air, adalah cairan [20]. Pada tahun 1937 sebuah sensor
kelembaban elektrolit menggunakan lithium klorida (LiCl) yang dikembangkan oleh
Dunmore, menjadi sensor kelembaban listrik pertama dan hanya tersedia sampai
sekitar pertengahan sensor elektrolit 1970an. LiCl telah banyak digunakan dalam
radiosonde (balon cuaca yang digunakan untuk mengukur parameter atmosfer)
aplikasi sirkuit serta penggunaan medis. Bahan pendukung berpori direndam dalam
kelembaban sensitif sebagian dihidrolisis polivinil asetat yang diresapi dengan
larutan LiCl dan beda potensial diterapkan di seluruh dukungan untuk membentuk
Universitas Sumatera Utara
10
sel elektrolit. Dengan menyerap uap air di atmosfer melalui media berpori,
konduktivitas ionik sel-sel berubah dan jumlah kelembaban terdeteksi [21].
Berdasarkan perpindahan panas dan kondisi operasinya, absorben memiliki dampak
yang paling signifikan untuk efisiensi perpindahan dan efisiensi entalpi yang sekitar
15,9% lebih tinggi dari adsorben. Kedua metode signifikan mempengaruhi efisiensi
pertukaran kelembaban. Pembuatan absorben dapat mencapai 84,5% dari efisiensi
pertukaran kelembaban, yang 38,7% dan 28,1% lebih tinggi dibandingkan adsorben
[22].
Dalam dekade terakhir, karena biaya energi meningkat, sistem suhu pengeringan
rendah menggunakan desikan telah mendapat perhatian besar. Jenis-jenis desikan
adalah silika gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves, kalsium klorida,
lithium klorida atau bromida, dan asam sulfat dapat digunakan untuk dehumidifikasi
udara. Regenerasi suhu yang diperlukan untuk mengeringkan disk penyerap silika
gel, alumina aktif, bauksit diaktifkan, microsieves adalah sekitar 80 oC, yang relatif
tinggi. Desikan seperti kalsium klorida, lithium klorida atau bromida, dan asam
sulfat, lebih nyaman dan murah untuk bekerja dan memiliki suhu pengering
regenerasi sekitar 60 oC. Untuk sistem dehumidifikasi udara, tekanan uap dari
desikan harus lebih rendah dari air. Suhu regenerasi, biaya, dan viskositas harus
rendah. Selain itu, juga harus non-toksik, kimiawi stabil, dan tidak akan
mempengaruhi kulit. Beberapa bahan desikan, seperti lithium bromida, asam sulfat,
kalsium klorida, dan lithium klorida, telah mendapat perhatian. Lithium klorida
adalah desikan yang paling stabil dapat mengurangi kelembaban relatif hingga 60%
dan memiliki berbagai macam konsentrasi dehidrasi (30JK sampai 45%), tetapi biaya
adalah relatif tinggi. Kalsium klorida termurah dan paling mudah tersedia tetapi ada
satu kelemahan yaitu tidak selalu stabil. Hal ini tergantung pada kondisi udara inlet
dan konsentrasi persentase desikan [8].
2.5 Kinetika Pengeringan
Pengeringan dicapai dengan terus melewatkan udara panas atau pemanas melalui
dalam satu arah. Dari lapisan pertama udara pengeringan menguap kelembaban dan
berlanjut ke lapisan selanjutnya. Sebagai udara menyerap kelembaban menurunkan
suhu dan kemampuan untuk mengambil air juga menurun. Tingkat pengeringan biji
kakao ditentukan oleh difusi uap air dari dalam ke lapisan permukaan, yang dapat
diwakili oleh hukum kedua Fick tentang difusi untuk difusi unsteady-state. Dengan
Universitas Sumatera Utara
11
asumsi bahwa biji kakao dapat dianggap sama dengan bola, difusi dinyatakan
sebagai :
=
(2.2)
dimana r adalah jari-jari (m) dan t adalah waktu (s), De adalah difusivitas efektif (m2
s-1). Dengan asumsi kadar air awal seragam dan efektif difusivitas konstan di seluruh
sampel, Crank (1999) memberikan solusi analitis persamaan untuk objek bola
sebagai berikut:
MR=
∑∞
exp −
(2.3)
di mana m-ms / mo-ms adalah rasio kelembaban (MR), r adalah jari-jari bola, t
adalah waktu dan De adalah difusivitas efektif. Jika n = 1, untuk jangka waktu yang
panjang pengeringan Persamaan (2.2) dapat dibuat linear sebagai berikut:
Ln MR = Ln
−
(2.4)
Difusivitas efektif didapat dari plot data Ln MR terhadap waktu (s) data dengan
kemiringan K1, sebagai berikut :
K1 =
(2.5)
Koefisien difusi menilai bahwa difusivitas efektif bervariasi dengan suhu sesuai
dengan fungsi Arrhenius :
De = D exp −
(
, ")
(2.6)
di mana D adalah koefisien difusivitas untuk suhu yang tak terbatas, E adalah energi
aktivasi untuk kelembaban difusi, R adalah konstanta gas (R = 8,314 J mol-1 K-1)
dan T adalah suhu pengeringan (º C) [12].
Data kadar air eksperimental biji kakao yang diperoleh dipasang ke 3 model
pengeringan yang ditampilkan dalam Tabel 2.1 berikut ini :
Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan [13]
No
Model Persamaan
Nama
1
MR = exp(-kt)
Newton
2
MR = a exp (-kt)
Eksponensial
3
MR = exp (-ktn)
Page
4
MR = a exp(-kt+c)
Logarithmique
Tujuan dari pemasangan adalah untuk mengetahui model paling cocok untuk
menggambarkan kurva pengeringan biji kakao. Koefisien determinasi (R²) adalah
Universitas Sumatera Utara
12
kriteria utama untuk memilih model terbaik untuk menggambarkan kurva
pengeringan. Selain R², parameter statistik, seperti berkurangnya chi-square (x²),
root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE), dan t dihitung untuk
mengevaluasi pemasangan sebuah model untuk data eksperimen. Nilai tertinggi R²
dan nilai terendah x², RMSE, MBE, nilai t yang digunakan untuk menentukan yang
terbaik cocok [13].
(2.7)
(2.8)
(2.9)
di mana MRexp,i adalah ith rasio eksperimen yang diamati, MRpred,i adalah ith rasio
kelembaban prediksi, N jumlah pengamatan dan n adalah jumlah konstanta [23].
(2.10)
2.6 Konsumsi Energi Spesifik
Konsumsi energi spesifik ditentukan dengan membandingkan total energi yang
diterima selama pengeringan terhadap jumlah air yang diuapkan, dinyatakan dalam
MJ/kg air teruapkan. Jumlah energi yang diserap adalah energi radiasi yang diterima
kolektor surya dan energi kimia yang dilepas absorben.
Besarnya energi yang diterima selama siang hari ditentukan dengan cara
menghitung energi surya yang masuk dikurangi besarnya kehilangan panas kolektor
surya. Profil susunan isolator yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 2.4. (a) Rancangan Isolator dan (b) Gradien Perpindahan Panas Kolektor
Surya
Universitas Sumatera Utara
13
Kehilangan panas keseluruhan dihitung berdasarkan besarnya total kehilangan
panas konveksi melalui udara lingkungan terhadap permukaan kayu, kehilangan
panas konveksi melalui udara didalam kolektor terhadap permukaan plat, kehilangan
panas pada sisi alas dan sisi atas dan kehilangan panas radiasi.
Kehilangan panas pada sisi dinding-dinding dan sisi bawah/alas masing-masing
dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
Q%% = &%% . ( ()* − )+)
Q, = &, . ( ()* − )+)
-.
-.
=
=
+/
/01 .23
+/
/01 .23
,01
01 .501..
,01
01 .501..
(2.11)
+/
+/
,67
67. .567
,67
67. .567
+
,89
/89 .589
+/
,89
89 .589
+/
+/
(2.12)
,:
+
: .5:
,:
+
: .5:
/: .2. .
(2.13)
/: .2. .
(2.14)
Kehilangan panas pada sisi atas dihitung menggunakan persamaan sebagai
berikut:
Q; = &
(@:A@B)
@: (CD7)
+
2E
(2.15)
G
F
+
H( I
J)K I
Kε: M.MM"N >2EL
AO
J L
CD7AODP.OQQQε:
ε0R
G>
(2.16)
Kehilangan panas radiasi dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
S
;%
=
T
/.H . ( :T G 0R
)
O
O
U
G
V: V0R
W U
O
O
V0R V0R
G W
Qloss =2 x Qdd+ Qa + Qb + Qra
(2.17)
(2.18)
Jumlah energi surya yang diterima selama siang hari melalui kolektor
suryadihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
SXJ
Y;
= Z ′ . ([. (. τ. α) − (S\]XX )
(2.19)
Jumlah energi kimia absorben yang diterima/dilepas selama malam hari dihitung
menggunakan persamaan sebagai berikut [2] :
S;, = ^;, . ∆`
(2.20)
2.7 Psikometrik di Dalam Pengeringan
Dalam pengeringan, psikometrik yang sangat penting karena mengacu pada sifat
campuran udara-uap yang mengontrol laju pengeringan. Ketika pasokan yang cukup
dari panas disediakan untuk pengeringan, suhu dan tingkat di mana penguapan cairan
terjadi akan tergantung pada konsentrasi uap di atmosfer sekitarnya. Ketika cairan
bebas atau permukaan dibasahi, pengeringan akan terjadi pada suhu saturasi, hanya
Universitas Sumatera Utara
14
air bebas pada 101,325 kPa menguap dalam suasana steam 100 % pada 100 ° C.
Untuk tujuan pengeringan, grafik psikometrik sangat berguna [24].
Berikut adalah grafik psikometrik :
Gambar 2.5 Grafik Psikometrik : Sifat Campuran Udara dan Air-Uap [24]
Tekanan parsial air di udara sama dengan tekanan uap air pada suhu tersebut dan
kelembaban jenuh didefinisikan oleh :
(2.21)
Humiditas relatif adalah :
(2.22)
Perbedaan antara udara kering volume spesifik dan volume udara lembab pada
suhu tertentu adalah volume uap air. Data entalpi diberikan atas dasar kilojoule per
kilogram udara kering.
Tidak ada garis untuk memanaskan lembab pada Gambar 2.3 dan dapat dihitung
dengan :
ab = 1,0 + 1.87`
(2.23)
Garis suhu bola basah juga merupakan garis jenuh adiabatik untuk udara
dan uap air saja, dan didasarkan pada hubungan :
Universitas Sumatera Utara
15
`b - ` =
cd
λ
() - )b)
(2.24)
Kemiringan kurva saturasi adiabatik adalah (ab / λ). Garis-garis ini menunjukkan
hubungan antara suhu dan kelembaban udara yang melewati pengering terus menerus
beroperasi adiabatik. Suhu bola basah didirikan oleh keseimbangan dinamis antara
panas dan perpindahan massa ketika cairan menguap dari massa yang kecil, seperti
bola basah termometer, menjadi massa yang sangat besar seperti gas sehingga
mengalami terakhir tidak ada suhu atau kelembaban perubahan , dan dinyatakan oleh
hubungan:
ℎf () - )g) = hi 'λ (`g - `