Spray Drying Air: Kesimpulan

5.1  Kesimpulan

 Hasil pengujian pengering semprot tipe pemanas listrik dan kombinasinya dengan  pompa kalor dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 

1.Karakteristik pengering semprot terhadap variasi - variasi parameter pengeringan memiliki tren yang hampir sama, yaitu debit bahan akan turun bila temperatur pengeringan diturunkan, temperatur evaporator dinaikkan, atau debit udara pengeringan diturunkan, dan sebaliknya. 

2.Identifikasi karakteristik dan kinerja pengering semprot dengan pemanfaatan dehumidifier ini diperlukan untuk mendapatkan nilai optimasi sistem, baik dari nilai temperatur minimum pengeringan, kinerja pengeringan, dsb. sebagai pertimbangan terhadap bahan yang memiliki kandungan material yang sensitif terhadap temperatur.

3.Nilai konsumsi energi pengeringan yang dinilai terbaik untuk bahan heat sensitive material (jika digunakan) pada kombinasi mesin spray drying DTM UI Juni 2014 dimiliki oleh debit udara 150 LPM dengan suhu dehumidifier/evaporator 10 oC karena pada debit udara pengeringan relatif  rendah di ruang pengeringan arus balik udara terjadi sehingga waktu kontak permukaan air dengan udara pengering menjadi lebih lama maka laju penguapan semakin besar, sehingga nilai konsumsi energi menjadi paling rendah.

 

5.2 Saran

Adapun beberapa saran yang dapat dilakukan untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut :

1. Proses pengambilan data dilengkapi dengan sensor kelembaban yang dapat mendeteksi ruang pengering bila mulai basah sehingga data dapat lebih akurat.

2. Untuk meminimalisir losses kalor di ruang pengeringan, sebaiknya ruang pengering ini diisolasi apabila sudah dipasang RHmeter di dalam ruang pengeringan.

3. Untuk penelitian lebih lanjut, penelitian dapat diperluas mengenai   karakteristik nozzle sebagai alat atomisasi tetesan terkait dengan ukuran diameter tetesan yang dihasilkan.

Influences of Dehumidifier and Condenser Heat Recovery Utilization in Spray Drier and Refrigeration Combination

Introduction

Water is the most abundant component in foods. Among these, fruits and vegetables show a mass fraction of water in the range of 90% and 98%. Its amount and its peculiar chemical and physical characteristics make it the key factor for biological and chemical degradation reactions. In particular, water is the most important medium in which chemical and biological reagents may move, collide and react. (Derossi et al., 2011)

Effect of water activity on the oxidation is complex (Gloria et al, 1995; Jayathilakan, Sharma, Radhakrishna and Bawa, 2007; Obara, Obiedzinski, & Kolczak, 2006). Increased moisture in the dry matrix can increase the rate of oxidation by increasing the mobility of the reactants and the catalyst to a solution carriage. As the swelling solid matrix, the new surface exposed to the catalyst. However, water can also slow down the oxidation process with hydration or attenuate heavy metal catalysts or accelerating them as hydroxide. Water can also resist decomposition of peroxide by hydrogen bonds with the hydroperoxide, and encourage radical recombination can disrupt the chain of oxidation reactions. The result of this is in some foods, the rate of oxidation reaches a minimum in accordance with the value of water activity monomolecular water content (Brennan, 1994).

Furthermore, water significantly modify physical and chemical properties of vegetables such as thermal conductivity, heat capacity, dielectric properties, electrical conductivity, boiling and freezing point, firmness, etc., which are key factors for all dehydration technologies as well as for others important industrial processes. So, the knowledge regarding the correlation between both the above reactions, food properties and water is crucial for the correct production of dried vegetables. However, these correlations not always are linear but often very complex. For these reasons the fundamental aspects concerning the water in food are summarized hereafter. (Derossi et al., 2011)

Drying is a process of heat and mass transfer simultaneously, accompanied by a phase change

The rate of drying depends on factors - factors that influence transfer mechanisms, such as the vapor pressure of material and drying air temperature and air velocity, water diffusion in the material, thickness and surface open for drying (Van Arsdel, 1973; Lewicki and Jakubczyk, 2004). Drying or dehydration is defined as the reduction in water content by artificial heat to the conditions of temperature, RH, and air flow control. The main purpose of drying or dehydration is to reduce the water content without damaging the structure of the product (Brennan, 1978). The rate of drying depends on the factors that influence the transfer mechanisms, such as the vapor pressure of the material and drying air temperature and air velocity, water diffusion in the material, thickness and surface open for drying (Van Arsdel, 1973; Lewicki and Jakubczyk, 2004).

One of the main characteristics of the powder spray drying is the moisture that affected some spray drying conditions. In general, the water content in the product can be obtained with higher air temperatures and longer contact time (Masters, 1979). Spray drying is a common technique for drying and encapsulation heat sensitive foodstuffs (Gharsallaoui et al, 2007).

Although air drying offers dehydrated products that can have an extended period of a year worth of consumption, the quality of conventional dried products, which are significantly affected by changes that occur during food manufacturing and/or storage, usually drastically reduced from that of the original foodstuff. Changes in the physical state of the product including shrinkage, fracture, migration of solids, case hardening and loss of rehydration ability and volatile aromas. Changes in chemical (enzymatic reaction, non-enzymatic browning and oxidation of lipids, pigments and vitamins) are also influenced by the physical structure, mainly because of its influence on the mobility of molecules, which alter the molecular species diffusivity. Important changes in the physical condition of product during drying shrinkage, which affects the quality of the final material, produces large changes in volume. Because the material subjected to heating and moisture loss during drying, there is pressure in the 

cellular structure, causing a reduction in volume. (Kurozawa et al., 2011)

Some ways of drying that can be used, but the chosing is not solely dependent on economic factors, but the type of material to be dried is also a major factor in determining the drying method used. Spray drying is a technique used extensively in the food and drug industry, and used in optimal conditions to obtain the product in the form of powder (Mahboubeh Fazaeli et al., 2012). spray drying is widely used to produce powders of fruits (Renata V. Tonon et al., 2008). In general, materials that form the system dispersion (solution, suspension, slurry, and pasta) dried with a spray drying process (). Spray drying is drying that works by spraying the dispersion system into flow of dry air and (usually) indoor heat dryer, but the dryer still has a performance that is still very low. Problems that exist in the current spray dryer is the low efficiency, product stickiness and high temperature drying air can damage the nutritional content, such as vitamins, proteins and β-carotene on the material to be dried (Kevin Mis Solval et al., 2011). 

Water content and sugar content material also affects the low glass transition temperature, glass transition temperature (Tg) (Goula & Adamopoulos, 2004). ie the phase that occurs after the drying step which was originally passed in which solid particles turn into a liquid resembling soft rubber (Peng Zhu et al., 2011), so that the product becomes sticky. The higher the moisture content of the product, the lower the glass temperature (Tg) (Goula & Adamopoulos, 2004), considering the Tg of water is -135 ° C so that the material is getting sticky. While sugars such as fructose and glucose has a Tg 5 and 31 oC (Goula & Adamopoulos, 2009). Hence the material easily sticky and stick to the walls of the chamber. This is undesirable because of the material that sticks and accumulates in the walls of the chamber may be forfeited and will contaminate other products (Goula & Adamopoulos, 2004). To make unsticky product then the concentration of water in the product should be such that the temperature of the product is less than its Tg. In addition, the high drying air temperatures also result in inefficient dryer and high temperature so that the product can damage the flavor, color, aroma and some other substances (heat sensitive materials). Indonesian archipelago has high humidity, so the drying process often requires high air temperatures as well. This is contrary to the conditions required by a spray drying, as described above.
How to optimize the drying temperature, then spray dryer combined with freeze drying using nitrogen (Wang et. Al., 2006) or in combination with fludised bed drying (Ronsse, 2007). But the first way too expensive (if for drying fruit juice) and the second way is not suitable for fruit juice because of the high water content and sticky. Another alternative is the combination of vacuum drying, or a combination with a dehumidifier. This study will combine the spray drying with a dehumidifier (remembering specific humidity of air high in Indonesia) so that specific humidity is low and the air dryer resulted in the evaporation rate is high, thus the drying air temperature can be lowered. However dehumidifier refrigeration systems require high energy that will reduce efficiency. Thus research needs to be done to see the effect of system utilization refrigeration the minimum temperature on the performance of air conditioning systems and spray drying.
The main issues that will be examined here are: The low efficiency, product stickiness and high temperatures can damage the dryer on the nutrient content of the dried material (especially material that contains material that is sensitive to heat) by spray drying in humid regions, such as Indonesia. The combination of spray drying with the refrigeration system can degrade the performance of the system, which increases the energy consumption for the compressor.
Objective of the research are 

1.    Assessing the impact of the use of a dehumidifier from a refrigeration system to the flow rate of material (water,  distilled water) and performance (energy  consumption) as a whole system for a wide  variety of process parameters, such as air flow, humidity and air conditioning The minimum temperature of the drying air. 

2.    Assessing the impact of condenser heat recovery from the refrigeration system performance (energy consumption) as a whole system for a wide variety of process parameters, such as air flow, humidity and temperature minimum air dryer air dryer for drying materials of water (distilled water).

 

Methodology

The object of this study is water to be analyzed with spray dryer equipped with dehumidifier with additional condenser heat utilization in  drying air. The combination of air pressure nozzles incoming materials: 2 bars. Three combinations drier airflow: 150, 300, and 450 (LPM). Three combinations of dehumidifier temperature of drying air about: 20.0; 15.0; 10.0 (oC). Three combinations of drying air temperature 60, 90, and 120 (o C). This experiment was done with 

a spray drier in Heat Transfer Laboratory, Department of Mechanical Engineering, University of Indonesia. Data collection was done over a period of time in June 2014.

Drying air is sucked from the environment by the blower to the evaporator. In the evaporator, the air dehumidified then flew through the orifice. Amount of air flow can be seen in the flowmeter. The air passed through condenser 2, so that the temperature was risen and risen again by heater. Then in the drying chamber, the material was atomized by the pressure nozzle with the help of sprayer air compressor and then mixed with air that passed the heater. Heat and mass transfer processes were occured. The water would evaporate, Then, exit through the cyclone. 

2.3 Calculation 

Environment dry bulb temperature, RH and enthalpy (index: 1). From measurements of air temperature at the orifice, obtained dry bulb and wet bulb temperature, and enthalpy after the evaporator (index: 2).

Analisis Spray Drying

4.1 Data Eksperimen 

Dari hasil percobaan dengan kombinasi variasi - variasi parameter pengeringan yang telah dijelaskan di bab 3 didapatkan data - data eksperimen yang berupa tegangan listrik pompa penekan sebesar 1,5 atau 3 Volt, temperatur dry bulb setelah evaporator sekitar 20.0 oC, 15.0oC dan 10.0oC. Selain itu, variabel berubah juga diatur, yaitu tekanan udara kompresor penyemprot produk pada 2 bar; debit udara pengeringan 150 LPM, 300 LPM dan 450 LPM. Data debit bahan saat ruang pengering menunjukkan tanda – tanda kering pada temperatur 60oC, 90oC dan 120 oC pada variabel - variabel yang lain didapatkan dapat dilihat di lampiran 1. Hubungan debit bahan terhadap temperatur pengeringan dan tabel kinerja pengeringan dapat dilihat pada bab ini. 

Terlihat pada grafik - grafik tersebut debit bahan berbanding lurus dengan temperatur pengeringan. Semakin tinggi temperatur pengeringan, semakin tinggi debit bahan. Temperatur minimum pengeringan ini juga dipengaruhi oleh debit udara yang masuk ke ruang pengeringan. Semakin tinggi debit udara, semakin rendah temperatur minimum pengeringan. 

 

4.2 Flow Bahan Maksimal Kering Berdasarkan Temperatur Pengeringan

Spray drying adalah metode mahal penguapan bahan mudah menguap. Dengan demikian untuk memperoleh pemanfaatan panas dengan kondisi optimal, spray drier harus selalu diberi bahan dengan laju semaksimum mungkin (Dharsini dkk, 2008). Grafik - grafik yang dibuat mendeskripsikan hubungan antara temperatur pengeringan dengan debit bahan (Qbahan) maksimum yang dikeringkan pada variasi suhu evaporator (dehumidifier) 20 oC, 15 oC dan 10 oC. Terlihat bahwa debit yang dikeringkan dipengaruhi temperatur pengeringan. Semakin tinggi temperatur pengeringan, semakin tinggi debit bahan maksimum yang dapat dikeringkan karena energi yang lebih banyak tersedia untuk mengeringkan bahan.

Kecenderungan pola debit bahan terhadap temperatur pengeringan pada setiap debit udara adalah sama (gradien positif) yang bisa dilihat pada semua grafik di halaman sebelumnya. Pada suhu evaporator relatif rendah, kandungan air pada udara lebih rendah sehingga temperatur minimum pengeringan menjadi lebih kecil. Pada tekanan nozel relatif tinggi, ukuran droplet relatif lebih kecil yang menyebabkan temperatur pengeringan yang dibutuhkan menjadi lebih rendah.

Hasil penelitian efek dari laju aliran suhu udara masuk dan bahan pada produk kering menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu udara masuk, semakin cepat penguapan bahan. Namun, produk dikenakan suhu yang lebih tinggi dapat merusak sifat kimia atau sifat fisiknya (Fernández-Pereza dkk, 2004) 

Energi yang tersedia untuk penguapan bervariasi sesuai dengan jumlah pengeringan udara. Ini bisa maksimal dalam semua kasus. Namun, pengeringan laju aliran udara rendah menyebabkan peningkatan waktu persinggahan produk dalam ruang pengering dan menyebabkan efek sirkulasi dapat memperbesar penguapan.

Penguapan tampak cenderung lebih tinggi pada kelembaban udara pengeringan yang lebih rendah dan sebaliknya. Pada kelembaban yang lebih rendah, laju pengeringan antar temperatur pengeringan memiliki selisih yang lebih besar daripada  kelembaban tinggi.

Spray Drying: Variabel - Variabel

Objek penelitian ini adalah air

Data yang diambil dalam penelitian ini antara lain temperatur udara masuk ke blower, RH udara masuk blower, temperatur udara setelah evaporator (dehumidifier), RH udara setelah evaporator (dehumidifier), debit udara pengeringan, temperatur udara yang masuk ke ruang pengering (setelah melewati kondensor 2), putaran pompa peristaltik bahan (debit bahan), tekanan nozel penyemprot bahan, RH udara keluar cyclone, dan suhu udara keluar cyclone. Data tersebut kemudian diolah untuk mengetahui kinerja pengeringan terhadap air.

 
3.1 Pengambilan Data

Data ini diambil dengan pengaturan variabel tetap, yaitu: tegangan listrik pompa penekan sebesar 1,5 atau 3 Volt, temperatur dry bulb setelah evaporator sekitar 20.0 oC, 15.0oC dan 10.0oC. Selain itu, variabel berubah juga diatur, yaitu tekanan udara kompresor penyemprot produk pada 2 bar; debit udara pengeringan 150 LPM, 300 LPM dan 450 LPM. Pompa produk dinyalakan yang telah diatur putarannya. Kemudian, proses pengeringan pada ruang pengering diamati. Apabila belum menunjukkan keringnya uap air, masih menunjukkan tanda - tanda basah, debit bahan diatur kembali. Data debit bahan saat ruang pengering menunjukkan tanda – tanda kering pada temperatur 60oC, 90oC dan 120 oC pada variabel - variabel yang lain dicatat.

 
3.2 Rangkaian Pengering Semprot dan Alat Ukur yang Dipergunakan

Rangkaian pengering semprot yang dipergunakan adalah sebagai berikut:

· Wadah produk cair

Wadah produk cair merupakan tempat awal produk cair untuk kemudian dialirkan.

· Pompa penekan

Pompa penekan berfungsi untuk memberikan tekanan yang cukup pada produk cair, sehingga tidak terjadi aliran balik. Pompa ini diatur dengan menggunakan adaptor DC untuk mengatur daya pompa. Pengaturan daya pompa dengan cara mengatur tegangan listrik yang disalurkan di pompa. Selama pengujian, akan digunakan daya listrik sejumlah 1,5 atau 3 Volt.

· Pompa peristaltik

Pompa peristaltik digunakan untuk mengatur laju aliran produk yang masuk ke ruang pengering. Dalam pengaturan laju aliran produk, pompa peristaltik memakai satuan rpm. 

· Kompresor angin dan pengatur tekanan

Kompresor angin dipergunakan sebagai penyalur angin bertekanan untuk menaikkan tekanan produk cair. Tekanan kompresor angin pada 2 bar. 

· Pneumatic nozzle

Pneumatic nozzle merupakan tempat pencampuran antara produk cair dan udara bertekanan, sehingga didapatkan aliran produk dengan tekanan - tekanan yang telah ditentukan.

· Blower

Blower dipergunakan untuk menghembuskan udara luar masuk ke sistem. Laju aliran udara maksimal adalah 1.320 m3/jam. Untuk mengatur laju aliran udara yang masuk, terdapat katup pembuangan untuk membuang udara berlebih.

· Sistem pendinginan

Sistem pendinginan terdiri dari evaporator, kompresor refrigerant, 2 kondenser, dan katup ekspansi. Dengan menggunakan sistem pendingin, maka kelembaban udara yang masuk ke sistem dapat dijaga. Dalam penelitian kali ini diatur agar temperatur keluar dari evaporator 20˚C, 15oC dan 10oC.

 

· Orifice dan flowmeter

Orifice dan flowmeter dipergunakan untuk mengukur laju aliran udara yang masuk ke sistem. Sensornya adalah pipa orifice dan pembacaannya melalui flowmeter dengan ukuran ketinggian air dengan skala terkecil 1 mm. Flowmeter divariasikan pada 150 LPM, 300 LPM dan 450 LPM.

 

· Pemanas udara

Pemanas udara yang dipergunakan memiliki daya maksimal 5 kW. Untuk pengaturan temperatur pemanasan menggunakan kontrol panel yang mengatur hidup atau mati pemanas dengan sensor berupa thermocouple. Apabila temperatur sudah tercapai maka pemanas akan mati. Apabila temperatur belum tercapai, pemanas akan mati.

 

· Ruang pengering, cyclone dan wadah produk bubuk

Ruang pengering, cyclone dan wadah produk bubuk dibuat dari bahan dasar kaca jenis pyrex. Dangan memakai bahan ini, maka proses pengeringan dapat dilihat dari luar. Pada ruang pengering, produk cair bertekanan akan kontak dengan udara yang keluar dari pemanas. Akibat kontak tersebut, maka air yang terkandung dalam produk akan berubah menjadi uap air bersama udara panas tadi. Di dalam cyclone, produk bubuk akan terpisah dengan udara dan uap air, sehingga produk bubuk akan jatuh ke wadah, sedangkan udara dan uap air akan dibuang ke udara bebas.

 

· Termometer dan RH-meter digital

Termometer dipergunakan untuk mengukur temperatur udara luar dan temperatur keluar evaporator, dll.   

 
3.3 Variabel Tetap

Yang menjadi variabel tetap pada penelitian ini adalah:

· Tegangan listrik pompa penekan

Tegangan listrik pompa penekan dijaga pada posisi 1,5 Volt atau 3 Volt. Untuk menjaga tegangan listrik yang mengalir, digunakan adaptor. Tegangan disesuaikan dengan tekanan balik nozel sprayer. 

· Tekanan udara kompresor

Tekanan udara kompresor yang menekan produk divariasikan pada tekanan 2 bar. Dengan tekanan relatif kecil, proses atomisasi produk diharapkan tidak terlalu halus, sehingga produk tidak mudah terbang terbawa udara keluar. 

 
3.4 Variabel Bebas

Pada penelitian ini  variabel bebas yang divariasikan adalah:

· Laju aliran udara

Laju aliran udara divariasikan berdasarkan penunjukkan manometer. Penunjukkan manometer divariasikan pada penunjukkan 150 LPM, 300 LPM, dan 450 LPM.

· Temperatur Keluar Heater

Temperatur keluar heater yang dipilih adalah 60oC, 90oC, dan 120˚C. Jarak antar temperatur dipilih untuk mengetahui perbedaan penguapan bahan.