ALAT PENGUAP PADA PROSES PEMBUATAN SUSU BUBUK PT. SARI HUSADA

ALAT PENGUAP PADA PROSES PEMBUATAN SUSU BUBUK PT. SARI HUSADA

1.1       Pengertian Evaporasi

            Evaporasi atau Penguapan adalah proses perubahan molekul dalam kondisi cair (seperti air) dengan spontan menjadi gas (uap air). Proses ini adalah kebalikan dari kondensasi, sedangkan sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap disebut Evaporator. Salah satu tujuan lain dari operasi ini adalah untuk mengurangi volume dari suatu produk sampai batas-batas tertentu tanpa menyebabkan kehilangan zat-zat yang mengandung gizi. Pengurangan volume produk, akan mengakibtakan turunnya biaya pengangkutan. Disamping itu, juga akan meningkatkan efisiensi penyimpanan dan dapat membantu pengawetan, atas dasar berkurangnya jumlah air bebas yang dapat digunakan oleh mikroorganisme untuk kehidupannya. Salah satu contoh untuk pengawetan adalah susu kental manis.

            Operasi penguapan yang mungkin digunakan untuk suatu produk sangat bervariasi, hal ini tergantung pada karakteristik bahan produk. Dalam banyak kasus, karakteristik bahan ini berpengaruh pada desain evaporator. Adapun contoh dari karakteristik bahan adalah kekentalan bahan dan kepekatan bahan terhadap suhu serta kemampuan bahan untuk membuat alat mengalami korosi.
Video alat-alat kimia dapat di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0

            Menaikkan konsentrasi dari fraksi padatan didalam produk bahan makanan cair adalah dengan menguapkan air bebas yang ada di dalam produk. Proses penguapan ini dilakukan dengan menaikkan temperature produk sampai titik didih dan menjaganya untuk beberapa waktu sampai konsentrasi yang diinginkan. Ada empat komponen dasar yang dibutuhkan untuk melakukan penguapan. Keempat komponen tersebut terdiri dari :

1.         Sebuah tabung penguapan.

2.         Suatu alat pindah panas.

3.         Sebuah kondensor.

4.         Sebuah metode untuk menjaga takanan vakum.

            Keempat komponen ini harus diperhatikan dalam merencanakan suatu evaporator. Sistem tekanan vakumnya harus dapat mengalirkan gas yang tidak terkondensasi agar bisa menjaga tekanan vakum yang diinginkan didalam tabung penguapan. Panas yang cukup harus dialirkan/diberikan ke produk untuk penguapan sejumlah air yang diinginkan, serta sebuah kondensor yang berguna untuk mengembangkan dan memindahkan uap air yang diproduksi melalui penguapan.

            Keseimbangan massa dapat digunakan untuk menentukan laju penguapan untuk mendapatkan derajat konsentrasi yang diinginkan. Hubungan ini akan membawa kita untuk dapat menentukan jumlah medium pemanas yang dibutuhkan untuk mencapai penguapan yang diinginkan. Kunci penting lainnya yang perlu mendapat perhatian dalam perencanaan adalah pindah panas yang terjadi dari medium pemanas ke produk, dengan memperhatikan bahwa kebutuhan luas permukaan pindah panas tidak akan dapat dihitung tanpa terlebih dahulu menduga koefisien pindah panas keseluruhan bagi permukaan pemanas.

            Perbedaan titik didih ini menjadi lebih besar dengan bertambah tingginya konsentrasi bahan makanan cair. Kerumitan ditambah lagi dengan tidak konstan nya koefisien pindah panas konveksi, karna koefisien pindah panas ini merupakan fungsi dari kekentalan. Padahal, telah diketahui bahwa selama proses penguapan, kekentalan produk selalu berubah karena terjadinya penguapan. Keadaan ini mengakibatkan koefisien pindah panas konveksi juga selalu berubah sesuai dengan kekentalan. Akhirnya, persoalan menjadi lebih kompleks  dengan adanya sifat panas produk yang berubah menurut temperatur dan kadar air produk. Tentunya hal ini semua akan memberikan pengaruh tersendiri terhadap desain operator.

            Pendinginan melalui evaporasi dapat dijelaskan dengan mudah melalui kinetik molekul sebuah zat. Pada sembarang suhu, molekul dari zat cair dalam keadaan bebas dengan kecepatan yang berbeda-beda. Kalor disekeliling diserap oleh zat cair dan biasanya prosesnya dipercepat dengan tiupan angin. Oleh karena itu, molekul zat cair memiliki energi untuk bergerak lebih cepat. Pada permukaan zat cair, molekul yang energinya berlebih mampu untuk mengatasi gaya tarik dari molekul lain dan lepas menuju atmosfer. Proses pelepasan molekul tersebut lambat dan mungkin molekul tersebut tertarik kembali oleh molekul lain. Efek keseluruhan adalah terjadinya pelepasan molekul dari molekul lainnya.

1.2       Prinsip Kerja Evaporator

            Prinsip kerja peralatan evaporator vakum ini berdasarkan pada kenyataan bahwa penurunan tekanan akan menyebabkan turunnya titik didih cairan. Pada Anhydro Laboratory Vacum Evaporator, keadaan vakum tersebut terutama dihasilkan dari pompa air yang memindahkan uap terkondensasi dan mendinginkan air dari kondensor.

            Kevakuman yang sebenarnya dalam evaporator ditentukam oleh efisiensi pompa, yang mana hal itu tergantung pada derajat kondensi uap dalam kondensor. Pada kondensi itu sendiri mengambil tempat sesuai dengan banyaknya semprotan air yang didinginkan ke bagian puncak dari kondensornya. Inilah apa yang dimaksud dengan kita bisa mengatur suhu didih yang sebenarnya pada alat tersebut. Panas yang dibutuhkan untuk penguapan cairan adalah berasal dari steam yang sudah jenuh. Steam tersebut mengalami pengembunan pada tabung, dan bersamaan dengan itu memberikan panasnya untuk penguapan. Steam yang telah diambil panasnya itu disebut juga kondensat, kemudian dipindahkan dari dasar calandria dan ditarik melalui kondensor menuju pompa. Calandria adalah tabung dimana terjadi pergerakan bahan pangan.

            Bahan cair yang akan ditingkatkan konsentrasinya itu bersirkulasi terus menerus pada alat dalam upaya untuk memperoleh perpindahan/pergerakan yang maksimal didalam calandris. Sirkulasi yang cepat akan mengurangi resiko terjadinya pengendapan pada permukaan tabung, dan dengan cepat akan mengurangi resiko terjadinya pengendapan pada permukaan tabung, dan dengan cepat membebaskan gelembung-gelembung uap dari bahan cair selama dalam perjalanan melalui evaporator.

1.3       Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Proses Evaporasi

            Faktor-faktor yang mempengaruhi proses evaporasi adalah sebagai berikut:

1.         Suhu, walaupun cairan bisa evaporasi dibawah suhu titik didihnya, namun prosesnya akan cepat terjadi ketika suhu di sekeliling lebih tinggi. Hal ini terjadi karena evaporasi menyerap kalor laten dari sekelilingnya. Dengan demikian, semakin hangat suhu sekeliling semakin banyak jumlah kalor yang terserap untuk mempercepat evaporasi.

2.         Kelembapan udara, jika kelembapan udara kurang, berarti udara sekitar kering. Semakin kering udara (sedikit kandungan uap air didalam udara) semakin cepat evaporasi terjadi.

3.         Tekanan, semakin besar tekanan yang dialami semakin lambat evaporasi terjadi. Pada tetesan air yang berada digelas botol yang udaranya telah dikosongkan (tekanan udara berkurang), maka akan cepat terevaporasi.

4.         Gerakan udara, pakaian akan lebih cepat kering ketika berada di ruang yang sirkulasi udara atau angin lancer karena membantu pergerakan molekul air. Hal ini sama saja dengan mengurangi kelembapan udara.

5.         Sifat cairan, cairan dengan titil didih yang rendah terevaporasi lebih cepat daripada cairan yang titik didihnya besar. Contoh, raksa dengan titik didih 357^oC lebih susah terevaporasi daripada eter yang titik didihnya 35^oC.              

1.4       Jeni s-jenis Evaporator

            Berikut ini merupakan jenis-jenis evaporator:

1.         Forced Circulation Evaporator With External Heater

Jenis evaporator ini merupakan hasil rangkaian untuk keperluan tertentu, dimana heat exchanger, pompa dan unit pemisah cairan-uap merupakan unit yang terpisah. Umumnya, untuk memperoleh jenis ini, biasanya digunakan alat-alat yang kita rangkai sendiri.

 Jika diamati secara sekilas (baik itu dari segi sistem kerjanya), tampak alat ini hampir mirip dengan vertical tube evaporator with forced circulation, namun forced circulation evaporator with external heater memiliki harga yang lebih murah karena dirakit sendiri. Hanya saja alat ini memerlukan area/ruang yang luas karena memiliki unit-unit yang terpisah.

2.         Falling Film Evaporator

Cara kerja falling film evaporator yakni cairan akan mengalir ke bawah kemudian membentuk film pada sekeliling dinding dalam pipa. Aliran yang terjadi disebabkan oleh adanya gaya berat serta gesekan uap. Uap yang telah terbentuk akan turun ke bawah, walaupun ΔT kecil tapi siklus aliran tetap berjalan baik karena adanya gaya gravitasi. Luas permanasan jauh lebih besar dari volume cairan di dalamnya. Besarnya luas pemanasan tersebut memungkinkan terjadi proses pemanasan yang ideal dan perubahan bahan belum terjadi secara signifika karena volumenya kecil. Kapasitas alat ini umumnya tidak telalu besar.

3.         Climbing Film, Long Tube Vertical Evaporator With External Heater

Prinsip kerja jenis evaporator ini sebenarnya hampir mirip dengan Long Tube Vertical Evaporator. hanya dibedakan dari alat pemanas dan pemisah uap yang letaknya terpisah. Seperti halnya forced circulation evaporator with external heater yang dapat dirakit sendiri, namun kurang kompak karena unitnya terpisah-pisah. Nama lain evaporator ini yakni Rising Film Evaporator with external heater.

4.         Agitated Film Evaporator

Jenis evaporator ini berbentuk tabung vertikal dan ada juga yang berbentuk horizontal, dengan sistem pemanas berada di luar tabung. Pada sumbu tabung terdapat suatu alat berbentuk batangan yang dapat diputar serta dilengkapi sirip-sirip. Fungsi dari batangan tadi yaitu untuk mengalirkan cairan, dimana saat batangan tersebut berputar maka cairan akan bergerak ke bawah dan kemudian terlempar ke bagian tepi tabung yang panas. Selanjutnya cairan yang telah panas akan kembali terlempar ke bagian tengah tabung. Perlu diketahui bahwa pada bagian atas tabung terdapat ruang pemisah antara uap dengan cairan. Proses perindahan panas di dalam evaporator jenis ini berlangsung secara efisien, dan minim terjadi penyumbatan akibat endapan.

Agiated film evaporator umumnya ditujukan untuk larutan yang berviskositas tinggi (kental) atau dapat juga untuk memproduksi padatan dengan cara menghilangkan kandungan airnya. Dari segi harga, evaporator ini dapat dikatakan cukup mahal, karena membutuhkan biaya pengoperasian yang tinggi serta konstruksinya tergolong sulit. Nama lain dari agiated film evaporator yakni turbulent film evaporator atau wioed-film evaporator (untuk bentuk horizontal).

5.         Direct Contact Evaporator

Pada jenis evaporator ini akan terjadi kontak langsung antara cairan dengan gas pemanas sehingga koefisien perpindahan panas sangat besar. Di dalam bagian tengah tabung terdapat ruang yang berfumgsi sebagai ruang pembakaran (lihat gambar di atas). Secara umum, penggunaan evaporator ini ditujukan untuk larutan kental, atau bahkan sluriy. Kekurangannya terletak pada pengematan energi, karena panas yang terbuang sudah tidak dapat lagi dimanfaatkan

6.         Stirred, Discontinuous Evaporator

Jenis dari evaporator ini digunakan memadatkan larutan atau dengan kata lain yakni untuk memperoleh produk bersifat padat. pemanasannya terdiri dari dua jenis, yakni internal heating dan external heating. Untuk pemanasan internal, pemanas akan dialirkan melalui koil, sementara  untuk pemanasan extenal, pemanas akan melalui jaket pada shell.

1.5       Operasi Evaporator

1.         Evaporator Tunggal ( Single Effect)

Desain suatu unit  evaporasi  memerlukan  aplikasi praktis  data  perpindahan kalor  pada  cairan yang sedang mendidih, bersama dengan realisasi  apa yang terjadi  terhadap cairan  selama  pengentalan. Kebanyakan evaporator dipanaskan menggunakan uap yang dikondensasikan di atas tabung tabung logam. Bahan yang dievaporasikan biasanya mengalir di dalam tabung. Uap yang digunakan biasanya adalah uap bertekanan rendah, dibawah 3 atm abs; zat cair yang mendidih biasanya berada dalam vakum sedang yaitu sampai kira-kira 0,05 atm abs. Berkurangnya suhu didih zat cair menyebabkan beda suhu antara uap dan zat cair yang mendidih itu meningkat, dengan demikian laju perpindahan kalor didalam evaporator itu meningkat juga. Bila kita menggunakan satu evaporator saja, uap dari zat cair yang mendidih dikondensasikan dan dibuang. Metode ini disebut sebagai evaporasi efek tunggal (single effect evaporation). Walaupun proses ini sederhana , namun pada prosesini kurang efektif dalam penggunaan uap.

Evaporator dengan evaporizer serupa tapi tak sama dalam menjalankan fungsinya yaitu sebagai penambah konsentrasi suatu bahan ataupun senyawa. Evaporator berfungsi sebagai penguap atau pengurangan kadar air yang ada pada suatu bahan ataupun senyawa cair. Sedangkan evaporizer berfungsi sebagai penguap liquid selain cair.

Pada evaporator efek tunggal, kalor laten kondensasi uap pemanas berpindah melalui permukaan pemanasan dan menguapkan air dari larutan yang mendidih. Ada dua neraca entalpi yang diperlukan yaitu, satu untuk uap pemanas, dan satu lagi untuk sisi cairan atau uap larutan

2.         Evaporator Bertahan Banyak (Multiple Effect Evaporatot)

            Operasi bertahap satu memperlihatkan adanya pemborosan energi karena panas laten yang dibawa keluar uap tidak dipergunakan lagi. Operasi berefek banyak bertujuan memanfaatkan panas tersebut. Gambar 11.9 memperlihatkan bagan operasi evaporator berefek tiga (triple effect evaporators) dengan umpan maju.

            Dalam operasi bertahap banyak, uap yang dihasilkan dalam evaporator pertama dipaakai sebagai pemanas dalam evaporator kedua dan dari uap evaporator kedua dipakai untuk evaporator ketiga, dan seterusnya. Disini panas laten yang dibawa uap dimanfaatkan berulang-ulang. Apabila umpan yang masuk evaporator pertama berupa cairan pada titik didihnya, maka 1 kg uap akan menguapkan 1kg air. Begitu juga dengan tahap-tahap berikutnya. Ini berlaku juga untuk jumlah tahap yang lebih banyak.

            Karena uap  dari suatu evaporator digunakan untuk memanaskan evaporator berikutnya, maka titik didih larutan dalam evaporator berikutnya, maka titikdidih larutan dalam evaporator berikutnya harus lebih rendah dari titik didih larutan dalam evaporator yang dimuka. Dalam operasi dengan umpan maju, umpan untuk satu evaporator adalah larutan hasil dari evaporator di mukanya, berarti larutan yang lebih pekat dari larutan umpan evaporator dan titik didih normalnya lebih tinggi untuk mendapatkan titik didih yang lebih rendah maka evaporator tersebut harus dioperasikan pada tekanan yang lebih rendah.

1.4       Alat Penguapan Pada Proses Pembuatan Susu Bubuk

1.         Evaporasi

            Evaporasi merupakan proses penguapan sebagian air yang terdapat dalam susu untuk memperoleh susu pekat dengan kadar padatan sesuai dengan yang dikehendaki. Total solid bahan meningkat ± 10 % (dari 42 % menjadi 50 %) agar proses pengeringan selanjutnya lebih efisien.

Campuran susu dari MST dievaporasi menggunakan Single Effect Evaporator tipe falling film. Susu mengalir dari atas ke bawah pada bagian dalam tabung evaporator dan membentuk lapisan tipis yang mudah menguap oleh panas dari uap yang berada di sekeliling luar tabung. Evaporasi dilakukan dalam satu tahap yang terdiri dari tiga fase sehingga prosesnya lebih efisien. Campuran dari MST bersuhu 8^oC masuk ke balance tank yang berfungsi untuk menjaga umpan masuk cairan pada proses evaporasi tetap konstan. Cairan lalu dipompa ke preheater pertama untuk dinaikkan suhunya menjadi 30^oC lalu masuk preheater kedua dan suhunya naik lagi mencapai 60^oC. Kedua preheater tersebut berbentuk tubuler dengan masing-masing berisi 10 tabung. Preheater pertama menggunakan panas dari uap yang diperoleh dari vapour separator, sedangkan preheater kedua menggunakan panas dari uap yang keluar dari bagian atas calandria. Kondensat yang keluar dari preheater ditampung di tabung kondensat. Dari preheater kedua campuran lalu dibawa masuk ke calandria evaporator dimana campuran dilewatkan dalam tabung panas pada suhu 60-70^oC.

            Untuk menghemat penggunaan steam pada proses evaporasi, steam dicampur dengan uap panas yang berasal dari TVR (Thermo Vapour Recompression). Campuran steam masuk kebagian luar tabung, sementara cairan susu berada di bagian dalam tabung. Karena suhu steam lebih tinggi daripada suhu cairan maka steam akan mengembun di bagian luar tabung dan melepaskan energi. Energi ini yang dipakai untuk menguapkan cairan susu di bagian dalam.

            Uap air yang dihasilkan akan masuk ke vapour separator dan dipisahkan dari droplet susu yang terbawa bersamanya dengan gaya sentrifugal. Sebagian uap air masuk ke TVR dan sebagian lagi masuk ke kondenser. Di kondenser uap akan terkondensasi menjadi cairan yang akan ditampung di tabung kondensat. Kondenser ini juga berfungsi untuk menghasilkan kondisi vakum dengan cara membuang uap air hasil penguapan di calandria. Kondisi operasi dibuat vakum untuk memperoleh suhu penguapan air yang cukup rendah (± 60^oC) sehingga kerusakan nutrisi dapat dikurangi.

Evaporator dilengkapi dengan densitymeter untuk mengukur densitas susu yang dikentalkan sehingga apabila kadar total solid yang dikehendaki tidak terpenuhi, maka secara otomatis cairan akan disirkulasi ke balance tank untuk diproses kembali. Bila kadar total solid telah memenuhi persyaratan, maka cairan dipompa menuju concentrate tank melalui duplex filter untuk disaring terlebih dahulu. Concentrate tank berjumlah 2 buah dengan volume masing-masing 10.000 liter. Penyimpanan pada concentrate tank disertai dengan proses pengadukan pada kecepatan 400 rpm untuk mencegah pengendapan dan pemisahan partikel susu.

Berikut ini adalah kelebihan dari penggunaan film falling evaporator : 

1.         Aplikasi   waktu   tinggalnya   singkat dan  digunakan  untuk  fluida  sensitif terhadap panas.

2.         Hanya  dibutuhkan  ruang  yang  kecil untuk penempatannya.

3.         Digunakan    untuk    cairan    dengan kandungan padatan rendah.

4.         Koefisien perpindahan panas tinggi.

5.         Tidak  ada  kenaikan  titik  didih  yang disebabkan perbedaan tekanan.

2.         Pengeringan (Spray Drying)

            Susu kental (konsentrat) dari concentrate tank dialirkan ke preheater berbentuk shell and tube untuk dipanaskan sampai mencapai suhu 70^oC. Pemanasan di sini berfungsi sebagai pemanasan pendahuluan sebelum susu dikeringkan dalam spray dryer agar perubahan panas campuran tidak terjadi secara mendadak yang dapat menyebabkan kegosongan dan kerusakan komponen. Dari preheater konsentrat disaring melalui duplex filter, susu kemudian dilewatkan dalam High Pressure Pump (HPP) bertekanan 1.000­2.000 psia. Tekanan tinggi yang dihasilkan dari HPP akan membantu proses pengkabutan dan mengoptimalkan penguapan air dalam Stork Wide Body spray Dryer.

Konsentrat lalu dimasukkan ke dalam ruang pengering utama (chamber) melalui pressure nozzle sepanjang 6 m dan berjumlah 6 buah. Nozzle berfungsi memperluas bidang kontak antara konsentrat dengan udara pengering. Caranya dengan melewatkan konsentrat melalui lubang yang sangat kecil disertai tekanan tinggi sehingga terbentuk butiran halus seperti kabut. Kabut ini akan kontak dengan udara pengering bersuhu 170-180^oC dan terbentuklah butiran-butiran powder dengan kadar air ± 3 % di chamber.

Untuk mengimbangi laju aliran udara yang masuk, dilakukan pengisapan dan pembuangan udara yang digunakan untuk proses pengeringan. Pengisapan dilakukan oleh exhaust fan dengan daya yang lebih kuat dari pemasukan untuk menciptakan kondisi vakum dalam chamber. Dalam kondisi vakum pengeringan akan terjadi pada suhu yang lebih rendah untuk mencegah overheating. Dalam udara yang dihisap keluar kemungkinan adapowder yang terbawa. Karena itu, udara keluar yang terserap oleh exhaust fan dilewatkan dalam bag house sebelum dikeluarkan ke udara bebas. Di dalam bag house terjadi pemisahan antara udara dengan powder. Powder akan turun ke bawah sedangkan udara yang mengandung uap air akan keluar melalui cerobong.

Powder yang berat jenisnya memenuhi standar akan jatuh karena gaya gravitasi dan masuk ke dalam shaking bed, sedangkan powder yang memiliki berat jenis terlalu besar akan dibawa kembali ke chamber dengan pneumatic transpor. Dalam shaking bed terjadi proses aglomerasi dan penurunan kadar air powder hingga mencapai 2,5 %. Dengan adanya proses aglomerasi, powder akan mengandung banyak rongga sehingga berat jenisnya turun dan bersifat lebih mudah larut dalam air.

Shaking bed  berupa plat-plat horizontal berlubang-lubang yang dihubungkan dengan inlet udara dari luar. Udara dihembuskan dari bagian bawah kemudian keluar melalui cerobong di atasnya. Sementara itu powder bergerak di sepanjang plat berlubang dan keluar melalui ujung plat. Semburan udara panas dari bagian bawah mengakibatkan susu mengalami pengeringan sehingga kadar airnya turun. Jumlah udara panas minimal harus cukup untuk mencegah powder jatuh ke bawah melalui plat berlubang namun juga dibatasi agar tidak meniup powder keluar. Setelah kadar air yang diinginkan tercapai dilakukan proses pendinginan bertahap dengan mengalirkan udara yang bersuhu lebih rendah. Pada tahap pertama suhu diturunkan dari 85^oC ke 70^oC, tahap kedua diturunkan sampai suhu 60^oC, kemudian dilanjutkan dengan conditioning (udara kering dingin) pada tahap ketiga sampai mencapai suhu ± 25^oC. Pendinginan bertujuan untuk mencegah powder menggumpal selama disimpan di silo. Penggumpalan akan terjadi pada suhu tinggi karena powder bersifat menyerap air (higroskopis).

Dari shaking bed powder diayak dengan shifter berukuran 1,2 ml (14 mesh), untuk menahan butiran yang terlalu besar dan material asing yang mungkin terdapat dalam powder. Shifter ini berupa ayakan yang bergoyang secara otomatis. Powder yang tidak lolos ayakan akan diproses ulang (rework) di compounding tank, sedangkan yang lolos ayakan ditampung dalam start stop silo lalu diperiksa oleh Departemen Quality Control (QC). Powder yang tidak lolos pemeriksaan QC juga dikembalikan ke compounding tank, sementara powder yang memenuhi standar (base powder) diangkut ke silo base powder melalui pneumatic conveyor. Silo base powder ini berjumlah 2 buah dengan kapasitas masing-masing 75.000 kg.

Share this post