Spray Drying dengan Dehumidifikasi

Pengeringan semprot dengan dehumidifikasi udara pengering dapat meningkatkan pemulihan produk dibandingkan dengan udara tak didehumidifikasi. Pemulihan produk dan akumulasi residu yang tergantung pada suhu inlet, pengeringan aliran udara laju dan kecepatan aliran udara terkompresi ditemukan menjadi 36,63% - 65,82% lebih tinggi dan 20,17% - 45,83% lebih tinggi dibandingkan dengan sistem semprot menggunakan udara tak didehumidifikasi. Pada penelitian sistem spray drying berdehumidifikasi pada sifat bubuk ditemukan bahwa konten kelembaban bubuk (produk) menurun, kelarutan meningkat dan densitas rata - rata meningkat dengan penurunan pengeringan udara laju alir. Selain itu, kadar air bubuk menurun dan kelarutan meningkat dengan peningkatan laju aliran udara terkompresi (di nozel) (Goula dan Adamopoulos, 2005).

Pemilihan variabel adalah proses pemilihan kondisi batas yang digunakan, berkaitan dengan ketahanan nutrisi terhadap kondisi tersebut dan kemampuan mesin mencapai kondisi tersebut. Simulasi, pengambilan data, dan aktivitas laboratorium adalah kegiatan penggunaan mesin untuk memproses bahan, sehingga didapatkan data yang cukup untuk dapat diolah sesuai dengan tujuan penelitian ini. Analisa dari data yang didapat adalah kegiatan menganalisa data dan perhitungan dari data yang didapat. Variabel kontrol yang digunakan adalah debit bahan, konsentrasi bahan, temperatur bahan, tekanan alat atomisasi bahan, debit udara pengeringan dan temperatur udara inlet. Desain dari dryer, temperatur outlet tidak dapat diatur, berbeda dengan temperatur inlet. Hasil temperatur outlet didapatkan dari kombinasi temperatur inlet (udara pengeringan), debit bahan, dan konsentrasi bahan (Adamopoulos dan Goula).

Modifikasi dibuat dengan desain pengering aslinya terdiri dari menghubungkan intake udara masuk ke pengering udara pengering adsorpsi. Sistem dimodifikasi terbukti lebih menguntungkan daripada spray dryer standar. Dehumidifikasi udara pengering yang ditingkatkan tidak hanya pemulihan produk tetapi juga sifat produk. (Goula dkk, 2007).

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 akan dikeringkan pada variasi suhu evaporator (dehumidifier) 20 oC, 15 oC dan 10 oC. Terlihat bahwa debit yang akan dikeringkan dipengaruhi temperatur pengeringan. Semakin tinggi temperatur pengeringan, semakin tinggi debit bahan maksimum yang dapat dikeringkan karena energi yang lebih banyak tersedia untuk mengeringkan debit bahan yang lebih besar.

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 menyebabkan kadar air yang lebih rendah.

Laju 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

Buah - buahan segar mudah rusak dan memiliki umur simpan yang terbatas. Untuk memperpanjang umur simpan, berbagai pengolahan dan pelestarian metode seperti pengeringan, perlakuan kimia dan berbagai metode kemasan yang digunakan. Pengeringan adalah operasi pengolahan makanan utama untuk meningkatkan daya simpan. Tujuan dari pengeringan jus buah dan sayuran adalah untuk menghasilkan bentuk jus stabil dan mudah ditangani yang tersusun kembali secara cepat untuk produk yang berkualitas menyerupai jus semirip mungkin dengan asli. Produk jus kering saat ini digunakan terutama sebagai makanan yang lebih praktis dan memiliki masa simpan yang lama pada suhu biasa. Bubuk buah yang benarbenar kering sering digunakan untuk membuat banyak produk makanan lezat. Kadar air bubuk buah kurang dari 4% (wb) dapat digunakan untuk membuat permen, toffee, permen lunak dan permen keras. Ada beberapa teknik pengeringan untuk produksi bubuk makanan antara lain udara panas, vakumisasi, freeze dan pengeringan semprot. Di antara hal - hal itu pengeringan semprot  adalah metode paling sederhana dan digunakan secara komersial untuk mengubah berbagai macam produk makanan cair menjadi bentuk bubuk. Spray dryer menggunakan udara panas dan dapat menggunakan suhu udara yang cukup tinggi karena suhu pengeringan turun drastis sebagai air menguap dari produk yang dikeringkan. Proses pengeringan dapat diselesaikan dalam waktu singkat, sehingga memungkinkan untuk mengolah bubuk buah kering tanpa penurunan kualitas karena panas bahkan pada suhu udara relatif tinggi (Das dkk, 2002)

Bubur buah atau jus dapat semprot dikeringkan dengan beberapa aditif dan lain - lain sebagai buah murni. Buah yang telah dikeringkan dengan spray drying meliputi tomat, pisang, jeruk, aprikot, buah persik, labu, mangga dan boysenberry (Masters, 1985). Meskipun kekakuan dari bubuk di ruang dinding, teknik pengeringan semprot adalah metode yang menjanjikan pada skala komersial untuk menghasilkan jumlah besar bubuk, untuk memenuhi kebutuhan pasar. Perhatian khusus harus diberikan kepada desain ruang pengering dan penanganan bubuk dan kemasan, karena kebanyakan bubuk produk termoplastik dan higroskopis. Kemudian higroskopisitas tinggi dan sifat termoplastik bubuk tersebut menimbulkan masalah seperti adesi pada dinding ruang pengering, penanganan yang sulit, caking, dll (Das dkk, 2002).

Indonesia merupakan negara yang memiliki keanekaragaman sumber daya alam hayati yang besar. Tidak sedikit dari hasil alam tersebut yang dapat diolah menjadi sumber bahan makanan. Namun, semakin bertambahnya jumlah penduduk Indonesia, dan distribusi penduduk yang tidak merata dengan tingkat kepadatan yang tinggi di Jawa dibandingkan di luar Jawa, strategi pembangunan yang tepat diperlukan dalam menyediakan kebutuhan ketahanan pangan bagi masyarakat. Pembangunan ketahanan pangan merupakan salahsatu pilar penopang kesejahteraan masyarakat, di mana peran ilmu pengetahuan dan teknologi harus diposisikan secara nyata dalam setiap kegiatan pembangunan ketahanan pangan.

Sistem pengeringan dalam aplikasinya dapat dilakukan dengan cara yang berbeda - beda, tergantung pada kebutuhan di mana sistem tersebut diterapkan. Pada industri pangan proses pengeringan digunakan untuk pengawetan makanan, yaitu dengan cara mengurangi kadar air sampai batas tertentu pada makanan tersebut untuk disimpan dalam beberapa waktu. Hal ini dilakukan untuk mencegah penurunan kualitas yang lebih buruk yang disebabkan oleh mikroorganisme, perubahan temperatur, dan kelembaban. Efek lainnya dari pengeringan juga akan menurunkan kualitas kandungan materialnya, misalnya serat, kandungan vitamin, dan bahkan perubahan warna pada temperatur tertentu. Sebagai contoh, vitamin C akan rusak kualitasnya pada suhu di atas 55oC.  

Salahsatu metode pengeringan adalah pengeringan semprot. Pengeringan semprot (spray drying) cocok digunakan untuk pengeringan bahan pangan cair seperti sari buah (dikeringkan dalam bentuk larutan ekstrak buah). Cairan yang akan dikeringkan dilewatkan pada suatu nozzle sehingga keluar dalam bentuk butiran - butiran (droplets) cairan yang sangat halus. Butiran ini selanjutnya masuk ke dalam ruang pengering yang dilewati oleh aliran udara panas. 

Dalam proses pengeringannya, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi hasil pengeringan, di antaranya adalah temperatur heater, mass flow udara panas, mass flow bahan yang akan dikeringkan, dan tekanan sistem penyemprot (nozzle). Udara pengering juga merupakan faktor penting untuk menentukan efisiensi dari pengering semprot. Dalam upaya peningkatan efisiensi dari pengering semprot banyak cara dilakukan antara lain dengan menggunakan pemanas listrik atau pemanas pompa kalor. Pada daerah yang lembab dan bahan yang sensitif lebih baik menggunakan pemanas refrigerasi dengan dehumidifier karena dapat dihasilkan udara yang lebih kering, sehingga efisiensi pengeringan dapat ditingkatkan agar mendapatkan temperatur pengeringan seminimum mungkin, sehingga mengurangi tingkat kerusakan kandungan materialnya. 

Dalam hal stabilitas, proses pengeringan tidak hanya menghambat pertumbuhan mikroba, tetapi juga beberapa reaksi degradasi biologi dan kimia; Namun demikian, mereka juga mempengaruhi karakteristik sensorik dan gizi mempromosikan runtuhnya jaringan sayuran dan degradasi vitamin dan antioksidan (Ibarz dan Barbosa-Canovas, 2003).

Dalam 30 tahun terakhir kebutuhan teknologi baru memungkinkan untuk mengembangkan beberapa metode dehidrasi seperti dehidrasi udara panas, dehidrasi osmotik, dehidrasi microwave, dehidrasi inframerah, dewatering ultrasonik, teknologi hybrid, dll. Pengenalan teknologi tersebut di industri makanan telah meningkatkan kualitas sayuran kering mengarah ke peningkatan eksponensial dari pasar produk ini. Sebagai contoh, sebuah laporan yang diterbitkan dari Research and Markets menunjukkan bahwa total Eropa Barat pasar makanan dehidrasi bernilai 11,5 miliar Euro pada tahun 2009 (Derossi dkk).

Efisiensi operasi spray dryer adalah perbandingan panas yang digunakan untuk penguapan terhadap total heat yang digunakan pada sistem. Karena kapasitas ruang pengeringan proporsional terhadap perbedaan temperatur pada inlet dan outlet ruang pengering, efisiensi operasi diinginkan pada nilai yang terbesar yang mungkin, nilai temperatur masuk yang setinggi mungkin dan temperatur keluar yang serendah mungkin (Filkova dan Mujumdar, 1995).

Pengaruh aktivitas air pada oksidasi adalah kompleks (Gloria dkk, 1995; Jayathilakan dkk, 2007; Obara  dkk, 2006). Peningkatan kadar air dalam matriks kering dapat meningkatkan laju oksidasi oleh meningkatkan mobilitas reaktan dan pembawaan katalis ke dalam larutan. Seiring pembengkakan matriks padat, permukaan baru terkena katalis. Namun, air juga dapat memperlambat proses oksidasi dengan hidrasi atau menipiskan katalis logam berat atau mempercepat mereka sebagai hidroksida. Air dapat juga melawan dekomposisi peroksida oleh ikatan hidrogen dengan hidroperoksida, dan mendorong radikal rekombinasi yang dapat mengganggu rantai reaksi oksidasi. Hasil dari ini adalah dalam beberapa makanan, laju oksidasi mencapai minimum pada nilai aktivitas air sesuai dengan kadar air monomolecular (Brennan, 1994).

Di antara berbagai metode digunakan untuk pengawetan, pengeringan adalah suatu proses di mana air aktivitas makanan dikurangi dengan pengurangan kadar air dengan penguapan atau sublimasi, meminimalkan proses enzimatik dan reaksi mikrobiologis . Pengeringan adalah proses perpindahan panas dan massa secara simultan, disertai dengan perubahan fasa. Laju pengeringan tergantung pada faktor-faktor pengaruh bahwa mekanisme transfer, seperti tekanan uap material dan udara pengeringan, suhu dan kecepatan udara, difusi air dalam bahan, ketebalan dan permukaan terbuka untuk pengeringan (Van Arsdel, 1973; Lewicky dan Jakubczyk, 2004).

Salah satu karakteristik utama bubuk spray drying adalah kandungan airnya yang dipengaruhi beberapa kondisi spray drying. Pada umumnya, kandungan air pada produk dapat diperoleh dengan temperatur udara yang lebih tinggi dan waktu kontak yang lebih lama (Masters, 1979). Spray drying adalah metode yang diaplikasikan untuk mengubah material dari kondisi cair/bubur ke kondisi padat. (Roos, 2004).

Pengeringan semprot adalah teknik umum untuk pengeringan dan enkapsulasi panas  bahan makanan sensitif (Gharsallaoui dkk, 2007). Pada tahun 1970, Labuza melaporkan makanan stabilitas peta dalam hal nilai-nilai aktivitas air. Secara khusus, angka menunjukkan tingkat beberapa reaksi degradasi sebagai fungsi dari nilai-nilai aktivitas air. Selain itu, penyerapan kelembaban isoterm umum makanan dilaporkan. Peta dibagi dalam tiga wilayah. Pada yang pertama (0-0,2) air secara ketat dibatasi dengan matriks padat makanan dan tidak dapat digunakan sebagai pereaksi atau co-reagen. Selain itu, di wilayah viskositas ini begitu tinggi sehingga mobilitas reagen kimia dibatasi dan laju reaksi degradasi berkurang. Di wilayah kedua, ditandai dari nilai-nilai aktivitas air berkisar antara 0,2 dan 0,7, molekul air semakin menjadi tersedia untuk beberapa reaksi biologi dan kimia seperti reaksi Maillard (non pencoklatan enzimatis) dan aktivitas enzim tetapi mereka masih tidak tersedia untuk pertumbuhan mikroba dengan pengecualian beberapa cetakan. Di wilayah ketiga (0,7-1,0) molekul air lemah dibatasi dengan zat terlarut atau tertahan oleh gaya kapiler. Molekul air bebas dapat digunakan untuk pertumbuhan mikroba dan reaksi kimia yang cepat dapat terjadi (Frank & Wen, 1957). 
Dalam hal pertumbuhan mikroba adalah mungkin untuk mengamati hubungan langsung: seperti menurunkan aktivitas air, seperti lambat laju pertumbuhan kapang, khamir atau bakteri. Ketika sel sel mikroba yang terkena sistem dengan tekanan osmotik tinggi (aktivitas air rendah) mereka kehilangan air karena membran sel yang semipermeabel. Fenomena ini, yang disebut plasmolisis, hasil sampai keseimbangan osmotik tercapai tetapi, dalam kondisi ini mikroorganisme tidak dapat mereproduksi dan mereka akan mati atau tetap terbengkalai (Sperber, 1983; Troller, 1985;. AmezagaJohnston et al, 1999). Secara umum, penurunan nilai aw memiliki dua efek penghambatan pada laju pertumbuhan mikroorganisme: 1. Peningkatan fase lag; 2. Pengurangan waktu generasi (Troller, 1985). yeasts bacteria."Selain itu, dari angka 1 adalah mungkin untuk mengamati bahwa resistensi di antara mikroorganisme sangat berbeda dan dapat dinilai sebagai berikut: cetakan> ragi> bakteri. Selain itu, di antaranya, mikroorganisme yang berbeda mungkin menunjukkan variasi yang signifikan dalam hal ketahanan aktivitas air.

Optimasi Steam Power Plant

 

Pada pembangkit listrik tenaga uap, tekanan uap pada keluaran turbin dan didalam kondensor adalah dibawah tekanan atmosfer, sehingga udara dapat masuk ke dalam system melalui kebocoran pada sambungan- sambungan. Dengan adanya udara dan material yang tidak dapat terkondensasi, akan menyebabkan meningkatnya tekanan pada sisi keluaran turbin sehingga mengurangi daya yang dihasilkan turbin dan efisiensi system. 

Untuk mengeluarkan udara dari system kondensor digunakan air ejector system yang berfungsi untuk mengeluarkan campuran udara dan sebagian kecil uap air dari kondensor, lalu membuang udara ke atmosfir. Pembuangan udara ini dapat menimbulkan kerugian karena ada sebagian kecil dari uap yang ikut terbuang.

Pada sistem dapat dilihat bahwa campuran udara dan uap sebesar 0,12 kg/s yang mengandung 5% massa udara diekstrasi dari kondensor utama. Untuk memisahkan udara dan uap air, maka campuran dimasukan ke intercondensor sehingga uap air berubah fase menjadi cair dan udara tetap dalam bentuk fase gas. Kemudian, campuran tersebut dimasukan ke after condenser untuk kembali memisahkan udara dan uap air, dimana pada tahap ini uap air berubah fase dari gas menjadi cair sehingga diperoleh fraksi massa udara sebesar 50% yang selanjutnya dibuang ke atmosfir.

Kondensor utama beroperasi pada tekanan 6,6 kpa (0,06 bar) dan after condenser beroperasi pada 101 kpa (1,01 bar). Air pendingin memasuki inter condenser kemudian melewati after condenser dengan laju aliran 7 kg/s dan temperature 35 oC . Semprotan steam pada w1 dan w2 berfungsi untuk mengalirkan campuran udara dan steam dari main kondensor menuju intercondensor dan  kemudian aftercondensor.

Steam diinjeksikan ke saluran air injector sebagai penggerak fluida campuran udara dan steam dari main condenser.

 

PERFORMA KONDENSOR

Intercondensor dan aftercondensor dapat diasumsikan sebagai counterflow heat exchanger dimana temperature pada sisi kondensat adalah temperatur saturasi air pada tekanan parsial dari uap air. Sehingga jika tekanan pada intercondensor adalah 20 kPa dan tekanan parsial udara 2 kPa, maka tekanan pada proses kondensasi adalah tekanan saturasi pada 18 kPa atau 57.8 oC. Gunakan log-mean temperature difference dalam kondensor, dengan nilai U = 1.4 kW/(m2 . K)

Data Selanjutnya

· Biaya kondenser  : 150 dolar/m2 luas heat tranfer

· Biaya tiap masukan : 60 sen/megagram

· Umur fasilitas untuk evaluasi ekonomis : 6 tahun

· Operasi per tahun : 4000 jam

· Ratio aliran uap masukan w1 dan w2 yang dipompa ke ejektor adalah :

- Low stage            : ratio (kg/s)(kg/s) = 0,19 

- High stage           : ratio (kg/s)(kg/s) = 0,14 

· Kombinasi biaya awal ejektor diperkirakan konstan diharapkan berada dikisaran ukuran yang diperiksa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Multi Stage Flash Evaporator