ALAT PENGUAP PADA PROSES PEMBUATAN SUSU BUBUK PT. SARI HUSADA
1.1 Pengertian Evaporasi
Evaporasi atau Penguapan yaitu proses pergantian molekul dalam kondisi cair (mirip air) dengan spontan menjadi gas (uap air). Proses ini yakni kebalikan dari kondensasi, sedangkan suatu alat yang berfungsi mengganti sebagian atau keseluruhan suatu pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap disebut Evaporator. Salah satu tujuan lain dari operasi ini adalah untuk meminimalisir volume dari sebuah produk sampai batas-batas tertentu tanpa menjadikan kehilangan zat-zat yang mengandung gizi. Pengurangan volume produk, akan mengakibtakan turunnya ongkos 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 acuan untuk pengawetan yaitu susu kental bagus.
Operasi penguapan yang mungkin dipakai untuk suatu produk sungguh beraneka ragam, hal ini tergantung pada karakteristik materi produk. Dalam banyak kasus, karakteristik bahan ini berpengaruh pada desain evaporator. Adapun teladan dari karakteristik bahan ialah kekentalan bahan dan kepekatan bahan terhadap suhu serta kemampuan materi untuk membuat alat mengalami korosi.
Video alat-alat kimia mampu di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0
Video alat-alat kimia mampu di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0
Menaikkan konsentrasi dari fraksi padatan didalam produk materi kuliner cair yakni dengan menguapkan air bebas yang ada di dalam produk. Proses penguapan ini dilaksanakan dengan memaksimalkan temperature produk hingga titik didih dan menjaganya untuk beberapa waktu sampai fokus yang dikehendaki. Ada empat unsur dasar yang diperlukan untuk melakukan penguapan. Keempat unsur tersebut berisikan :
1. Sebuah tabung penguapan.
2. Suatu alat pindah panas.
3. Sebuah kondensor.
4. Sebuah sistem untuk menjaga takanan vakum.
Keempat komponen ini harus diperhatikan dalam mempersiapkan sebuah evaporator. Sistem tekanan vakumnya mesti dapat mengalirkan gas yang tidak terkondensasi biar mampu menjaga tekanan vakum yang diharapkan didalam tabung penguapan. Panas yang cukup mesti dialirkan/diberikan ke produk untuk penguapan sejumlah air yang dikehendaki, serta sebuah kondensor yang berkhasiat untuk membuatkan dan memindahkan uap air yang diproduksi lewat penguapan.
Keseimbangan massa dapat digunakan untuk memilih laju penguapan untuk menerima derajat konsentrasi yang diharapkan. Hubungan ini akan menjinjing kita untuk mampu menentukan jumlah medium penghangat yang dibutuhkan untuk mencapai penguapan yang diinginkan. Kunci penting yang lain yang perlu mendapat perhatian dalam perencanaan ialah pindah panas yang terjadi dari medium penghangat ke produk, dengan memperhatikan bahwa kebutuhan luas permukaan pindah panas tidak akan dapat dihitung tanpa apalagi dulu mengira koefisien pindah panas keseluruhan bagi permukaan penghangat.
Perbedaan titik didih ini menjadi lebih besar dengan bertambah tingginya fokus materi makanan cair. Kerumitan ditambah lagi dengan tidak konstan nya koefisien pindah panas konveksi, karna koefisien pindah panas ini ialah fungsi dari kekentalan. Padahal, sudah dimengerti bahwa selama proses penguapan, kekentalan produk senantiasa berubah alasannya terjadinya penguapan. Keadaan ini mengakibatkan koefisien pindah panas konveksi juga selalu berubah sesuai dengan kekentalan. Akhirnya, masalah menjadi lebih kompleks dengan adanya sifat panas produk yang berubah menurut temperatur dan kadar air produk. Tentunya hal ini semua akan memberikan dampak tersendiri kepada desain operator.
Pendinginan lewat evaporasi mampu dijelaskan dengan mudah lewat kinetik molekul suatu zat. Pada sembarang suhu, molekul dari zat cair dalam keadaan bebas dengan kecepatan yang berbeda-beda. Kalor disekeliling diserap oleh zat cair dan lazimnya prosesnya dipercepat dengan tiupan angin. Oleh sebab itu, molekul zat cair mempunyai energi untuk bergerak lebih cepat. Pada permukaan zat cair, molekul yang energinya berlebih bisa 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 yakni terjadinya pelepasan molekul dari molekul lainnya.
1.2 Prinsip Kerja Evaporator
Prinsip kerja perlengkapan evaporator vakum ini berdasarkan pada kenyataan bahwa penurunan tekanan akan menimbulkan 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 daerah sesuai dengan banyaknya semprotan air yang didinginkan ke bagian puncak dari kondensornya. Inilah apa yang dimaksud dengan kita mampu mengendalikan suhu didih yang sesungguhnya pada alat tersebut. Panas yang diperlukan untuk penguapan cairan adalah berasal dari steam yang sudah bosan. Steam tersebut mengalami pengembunan pada tabung, dan bersama-sama dengan itu memperlihatkan panasnya untuk penguapan. Steam yang telah diambil panasnya itu disebut juga kondensat, kemudian dipindahkan dari dasar calandria dan ditarik lewat kondensor menuju pompa. Calandria ialah tabung dimana terjadi pergerakan bahan pangan.
Bahan cair yang akan ditingkatkan konsentrasinya itu bersirkulasi terus menerus pada alat dalam upaya untuk mendapatkan perpindahan/pergerakan yang maksimal didalam calandris. Sirkulasi yang cepat akan meminimalkan resiko terjadinya pengendapan pada permukaan tabung, dan dengan cepat akan meminimalisir resiko terjadinya pengendapan pada permukaan tabung, dan dengan segera membebaskan gelembung-gelembung uap dari materi cair selama dalam perjalanan lewat evaporator.
1.3 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Proses Evaporasi
Faktor-faktor yang mempengaruhi proses evaporasi ialah sebagai berikut:
1. Suhu, meskipun cairan bisa evaporasi dibawah suhu titik didihnya, namun prosesnya akan cepat terjadi ketika suhu di sekitarlebih tinggi. Hal ini terjadi alasannya evaporasi menyerap kalor laten dari sekelilingnya. Dengan demikian, makin hangat suhu sekeliling semakin banyak jumlah kalor yang terserap untuk mempercepat evaporasi.
2. Kelembapan udara, kalau kelembapan udara kurang, berarti udara sekitar kering. Semakin kering udara (sedikit kandungan uap air didalam udara) semakin cepat evaporasi terjadi.
3. Tekanan, kian besar tekanan yang dialami kian 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 singkat kering saat berada di ruang yang sirkulasi udara atau angin lancer sebab membantu pergerakan molekul air. Hal ini sama saja dengan meminimalkan kelembapan udara.
5. Sifat cairan, cairan dengan titil didih yang rendah terevaporasi lebih cepat ketimbang cairan yang titik didihnya besar. Contoh, raksa dengan titik didih 357oC lebih susah terevaporasi ketimbang eter yang titik didihnya 35oC.
1.4 Jeni s-jenis Evaporator
Berikut ini merupakan jenis-jenis evaporator:
1. Forced Circulation Evaporator With External Heater
Jenis evaporator ini ialah hasil rangkaian untuk kebutuhan tertentu, dimana heat exchanger, pompa dan unit pemisah cairan-uap ialah unit yang terpisah. Umumnya, untuk mendapatkan jenis ini, umumnya dipakai alat-alat yang kita rangkai sendiri.
Jika diperhatikan secara sekilas (baik itu dari sisi metode kerjanya), tampak alat ini nyaris seperti dengan vertical tube evaporator with forced circulation, tetapi forced circulation evaporator with external heater mempunyai harga yang lebih hemat biaya sebab dirakit sendiri. Hanya saja alat ini membutuhkan area/ruang yang luas karena mempunyai unit-unit yang terpisah.
2. Falling Film Evaporator
Cara kerja falling film evaporator yaitu cairan akan mengalir ke bawah lalu membentuk film pada sekeliling dinding dalam pipa. Aliran yang terjadi disebabkan oleh adanya gaya berat serta gesekan uap. Uap yang sudah terbentuk akan turun ke bawah, walaupun ΔT kecil namun siklus pedoman tetap berjalan baik sebab adanya gaya gravitasi. Luas permanasan jauh lebih besar dari volume cairan di dalamnya. Besarnya luas pemanasan tersebut memungkinkan terjadi proses pemanasan yang ideal dan pergantian 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 sebetulnya hampir mirip dengan Long Tube Vertical Evaporator. hanya dibedakan dari alat penghangat dan pemisah uap yang letaknya terpisah. Seperti halnya forced circulation evaporator with external heater yang mampu dirakit sendiri, namun kurang kompak alasannya adalah unitnya terpisah-pisah. Nama lain evaporator ini adalah Rising Film Evaporator with external heater.
4. Agitated Film Evaporator
Jenis evaporator ini berupa tabung vertikal dan ada juga yang berbentuk horizontal, dengan tata cara pemanas berada di luar tabung. Pada sumbu tabung terdapat suatu alat berupa batangan yang dapat diputar serta dilengkapi sirip-sirip. Fungsi dari batangan tadi yaitu untuk mengalirkan cairan, dimana ketika 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 bab tengah tabung. Perlu dimengerti bahwa pada bagian atas tabung terdapat ruang pemisah antara uap dengan cairan. Proses perindahan panas di dalam evaporator jenis ini berjalan secara efisien, dan minim terjadi penyumbatan akhir endapan.
Agiated film evaporator lazimnya ditujukan untuk larutan yang berviskositas tinggi (kental) atau mampu juga untuk memproduksi padatan dengan cara menetralisir kandungan airnya. Dari segi harga, evaporator ini dapat dibilang cukup mahal, sebab memerlukan ongkos pengoperasian yang tinggi serta konstruksinya termasuk sukar. Nama lain dari agiated film evaporator ialah 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 bab 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, sebab panas yang terbuang sudah tidak mampu lagi dimanfaatkan
6. Stirred, Discontinuous Evaporator
Jenis dari evaporator ini digunakan memadatkan larutan atau dengan kata lain yakni untuk menemukan produk bersifat padat. pemanasannya berisikan dua jenis, yakni internal heating dan external heating. Untuk pemanasan internal, penghangat akan dialirkan melalui koil, sementara untuk pemanasan extenal, penghangat akan lewat jaket pada shell.
1.5 Operasi Evaporator
1. Evaporator Tunggal ( Single Effect)
Desain suatu unit evaporasi memerlukan aplikasi mudah 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 umumnya mengalir di dalam tabung. Uap yang dipakai lazimnya ialah uap bertekanan rendah, dibawah 3 atm abs; zat cair yang mendidih lazimnya berada dalam vakum sedang ialah sampai kira-kira 0,05 atm abs. Berkurangnya suhu didih zat cair menjadikan beda suhu antara uap dan zat cair yang mendidih itu meningkat, dengan demikian laju perpindahan kalor didalam evaporator itu berkembangjuga. Bila kita memakai satu evaporator saja, uap dari zat cair yang mendidih dikondensasikan dan dibuang. Metode ini disebut sebagai evaporasi imbas tunggal (single effect evaporation). Walaupun proses ini sederhana , tetapi pada prosesini kurang efektif dalam penggunaan uap.
Evaporator dengan evaporizer serupa tapi tak sama dalam menjalankan fungsinya yaitu selaku penambah konsentrasi suatu bahan ataupun senyawa. Evaporator berfungsi selaku penguap atau penghematan 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 lewat permukaan pemanasan dan menguapkan air dari larutan yang mendidih. Ada dua neraca entalpi yang diharapkan adalah, satu untuk uap penghangat, dan satu lagi untuk sisi cairan atau uap larutan
2. Evaporator Bertahan Banyak (Multiple Effect Evaporatot)
Operasi sedikit demi sedikit satu memberikan adanya pemborosan energi sebab panas laten yang dibawa keluar uap tidak dipergunakan lagi. Operasi berpengaruh banyak bermaksud mempergunakan panas tersebut. Gambar 11.9 memperlihatkan skema operasi evaporator mempunyai dampak tiga (triple effect evaporators) dengan umpan maju.
Dalam operasi sedikit demi sedikit banyak, uap yang dihasilkan dalam evaporator pertama dipaakai selaku penghangat dalam evaporator kedua dan dari uap evaporator kedua digunakan 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 dipakai untuk memanaskan evaporator berikutnya, maka titik didih larutan dalam evaporator berikutnya, maka titikdidih larutan dalam evaporator selanjutnya mesti lebih rendah dari titik didih larutan dalam evaporator yang dimuka. Dalam operasi dengan umpan maju, umpan untuk satu evaporator yaitu larutan hasil dari evaporator di mukanya, mempunyai arti 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 ialah proses penguapan sebagian air yang terdapat dalam susu untuk menemukan susu pekat dengan kadar padatan sesuai dengan yang diinginkan. Total solid bahan meningkat ± 10 % (dari 42 % menjadi 50 %) agar proses pengeringan berikutnya lebih efisien.
Campuran susu dari MST dievaporasi memakai Single Effect Evaporator tipe falling film. Susu mengalir dari atas ke bawah pada bagian dalam tabung evaporator dan membentuk lapisan tipis yang gampang menguap oleh panas dari uap yang berada di sekeliling luar tabung. Evaporasi dijalankan dalam satu tahap yang terdiri dari tiga fase sehingga prosesnya lebih efisien. Campuran dari MST bersuhu 8oC masuk ke balance tank yang berfungsi untuk mempertahankan umpan masuk cairan pada proses evaporasi tetap konstan. Cairan lalu dipompa ke preheater pertama untuk dinaikkan suhunya menjadi 30oC kemudian masuk preheater kedua dan suhunya naik lagi mencapai 60oC. Kedua preheater tersebut berupa tubuler dengan masing-masing berisi 10 tabung. Preheater pertama menggunakan panas dari uap yang diperoleh dari vapour separator, sedangkan preheater kedua memakai panas dari uap yang keluar dari bab atas calandria. Kondensat yang keluar dari preheater ditampung di tabung kondensat. Dari preheater kedua gabungan kemudian dibawa masuk ke calandria evaporator dimana adonan dilewatkan dalam tabung panas pada suhu 60-70oC.
Untuk mengurangi penggunaan steam pada proses evaporasi, steam diaduk 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 mau ditampung di tabung kondensat. Kondenser ini juga berfungsi untuk menghasilkan keadaan vakum dengan cara membuang uap air hasil penguapan di calandria. Kondisi operasi dibentuk vakum untuk memperoleh suhu penguapan air yang cukup rendah (± 60oC) sehingga kerusakan nutrisi mampu dikurangi.
Evaporator dilengkapi dengan densitymeter untuk mengukur densitas susu yang dikentalkan sehingga bila kadar total solid yang dikehendaki tidak tercukupi, maka secara otomatis cairan akan disirkulasi ke balance tank untuk diproses kembali. Bila kadar total solid sudah memenuhi standar, maka cairan dipompa menuju concentrate tank lewat 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 yaitu kelebihan dari penggunaan film falling evaporator :
1. Aplikasi waktu tinggalnya singkat dan digunakan untuk fluida sensitif kepada 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 hingga mencapai suhu 70oC. Pemanasan di sini berfungsi selaku pemanasan pendahuluan sebelum susu dikeringkan dalam spray dryer semoga pergeseran panas campuran tidak terjadi secara mendadak yang mampu menimbulkan kegosongan dan kerusakan bagian. Dari preheater konsentrat disaring lewat duplex filter, susu lalu dilewatkan dalam High Pressure Pump (HPP) bertekanan 1.0002.000 psia. Tekanan tinggi yang dihasilkan dari HPP akan membantu proses pengkabutan dan memaksimalkan penguapan air dalam Stork Wide Body spray Dryer.
Konsentrat kemudian dimasukkan ke dalam ruang pengering utama (chamber) lewat pressure nozzle sepanjang 6 m dan berjumlah 6 buah. Nozzle berfungsi memperluas bidang kontak antara konsentrat dengan udara pengering. Caranya dengan melupakan konsentrat lewat lubang yang sangat kecil disertai tekanan tinggi sehingga terbentuk butiran halus mirip kabut. Kabut ini akan kontak dengan udara pengering bersuhu 170-180oC dan terbentuklah butiran-butiran powder dengan kadar air ± 3 % di chamber.
Untuk mengimbangi laju aliran udara yang masuk, dilaksanakan pengisapan dan pembuangan udara yang digunakan untuk proses pengeringan. Pengisapan dilaksanakan oleh exhaust fan dengan daya yang lebih besar lengan berkuasa dari pemasukan untuk menciptakan kondisi vakum dalam chamber. Dalam keadaan vakum pengeringan akan terjadi pada suhu yang lebih rendah untuk menghalangi 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 tolok ukur akan jatuh sebab gaya gravitasi dan masuk ke dalam shaking bed, sedangkan powder yang mempunyai berat jenis terlalu besar akan dibawa kembali ke chamber dengan pneumatic transpor. Dalam shaking bed terjadi proses aglomerasi dan penurunan kadar air powder hingga meraih 2,5 %. Dengan adanya proses aglomerasi, powder akan mengandung banyak rongga sehingga berat jenisnya turun dan bersifat lebih gampang larut dalam air.
Shaking bed berupa plat-plat horizontal berlubang-lubang yang dihubungkan dengan inlet udara dari luar. Udara dihembuskan dari bab bawah lalu keluar melalui cerobong di atasnya. Sementara itu powder bergerak di sepanjang plat berlubang dan keluar lewat ujung plat. Semburan udara panas dari bab bawah mengakibatkan susu mengalami pengeringan sehingga kadar airnya turun. Jumlah udara panas minimal harus cukup untuk mencegah powder jatuh ke bawah lewat plat berlubang tetapi juga dibatasi biar tidak meniup powder keluar. Setelah kadar air yang diinginkan tercapai dijalankan proses pendinginan sedikit demi sedikit dengan mengalirkan udara yang bersuhu lebih rendah. Pada tahap pertama suhu diturunkan dari 85oC ke 70oC, tahap kedua diturunkan hingga suhu 60oC, kemudian dilanjutkan dengan conditioning (udara kering dingin) pada tahap ketiga sampai meraih suhu ± 25oC. Pendinginan bertujuan untuk mencegah powder menggumpal selama disimpan di silo. Penggumpalan akan terjadi pada suhu tinggi sebab powder bersifat menyerap air (higroskopis).
Dari shaking bed powder diayak dengan shifter berskala 1,2 ml (14 mesh), untuk menahan butiran yang terlalu besar dan material ajaib yang mungkin terdapat dalam powder. Shifter ini berbentukayakan 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 investigasi QC juga dikembalikan ke compounding tank, sementara powder yang menyanggupi patokan (base powder) diangkut ke silo base powder lewat pneumatic conveyor. Silo base powder ini berjumlah 2 buah dengan kapasitas masing-masing 75.000 kg.