Neraca Massa dan Energi dalam Dasar-Dasar Keteknikan Pengolahan Pangan

Massa, sumber: pxabay.com

A. Neraca Massa

Neraca massa atau neraca bahan sangat penting dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian baik dalam proses pemisahan komponen maupun pencampuran komponen. Neraca massa merupakan perhitungan secara kuantitatif aliran bahan pada setiap tahap proses.

Neraca massa ini bermanfaat untuk mengetahui perubahan kuantitatif pada setiap tahap proses, untuk pembuatan diagram alir kuantitatif, menentukan jumlah kebutuhan bahan-bahan dalam pembuatan suatu produk hingga dapat digunakan untuk menentukan formulasi campuran, menghitung komposisi akhir produk, memperkirakan kebutuhan utilities (seperti steam, udara pengering, air dan lain-lain), juga dapat digunakan untuk menentukan efisiensi pemisahan. Prinsip dasar dalam neraca massa adalah hokum konservasi massa, yang menyatakan bahwa jumlah bahan masuk sama dengan jumlah bahan keluar baik sebagai konstituen individu maupun total, juga sebagai elemen- elemen kimia. Selisih bahan masuk  dengan bahan keluar dari suatu proses sama dengan akumulasi, apabila terjadi pada proses unsteady state, konsentrasi komponen berubah oleh perubahan waktu.

Apabila akumulasi sama dengan nol (terjadi pada proses steady state), maka bahan masuk sama dengan bahan keluar. Langkah-langkah yang diperlukan dalam pembuatan neraca massa meliputi:

a. Menggambar diagram proses dan dilengkapi dengan kecepatan aliran bahan

b. Memilih basis kalkulasi, dapat untuk bahan masuk maupun bahan keluar dari proses

c. Memberi simbol terutama untuk jumlah bahan yang tidak diketahui

d. Menuliskan hubungan neraca massa dari konstituen-konstituen yang ada

e. Tahap akhir adalah penyelesaian/menghitung.

Neraca massa ada bermacam-macam yaitu neraca massa total, komponen dan layout. Neraca massa total dinyatakan dalam satuan berat, sedangkan neraca massa komponen (missal air, lemak, protein dan lain-lain) dinyatakan dalam fraksi massa. Neraca massa layout digunakan untuk satu rangkaian proses. Contoh neraca massa total pada proses pengupasan (gambar 1.1).

Gambar 1.1 Bagan neraca massa proses pengupasan

Neraca  massa : X  = Y + Z 

Berat bahan terkupas: Z = X – Y

Contoh neraca massa pada proses evaporasi (gambar 1.2)

Neraca massa total : F = M + P 

Neraca massa komponen (solid/padatan): 0,1 F = 0,4 P 

Neraca massakomponen (air): 0,9 F = 0,6 P + M

Contoh neraca massa layout  pada proses pembuatan chip  ketela pohon yang terdiri dari dua tahap proses yaitu pengupasan dan pengecilan ukuran (pemotongan) serta pengeringan (gambar 1.3).

Neraca massa total: 

B = C + K 

C = P + X 

B = K + P + X

Neraca komponen (air): 

X = berat  air B – berat  air P – berat air K 

X = berat  air C – berat air P

Kadar dan konsentrasi 

Kadar suatu komponen dari suatu bahan biasanya dinyatakan dalam persen dan ada dua macam yaitu persen dalam wet basis (wb) dan dry basis (db). Persen dalam wb adalah berat komponen dibagi berat total bahan, sedangkan persen dalam db merupakan berat  komponen  dibagi berat bahan tanpa air. 

Konsentrasi dapat dinyatakan dalam berbagai satuan yaitu berat per berat (w/w); berat per volume (w/v), konsentrasi molal (M) dan fraksi mol.

B. Kombinasi neraca massa dan neraca energi

Dalam proses pengolahan seperti evaporasi, pengeringan dan pendinginan, adanya neraca massa masih kurang memberikan informasi. Oleh karena itu perlu dikombinasi dengan neraca energi. Ini merupakan aplikasi hukum Thermodinamika I. Neraca energi dapat dikalkulasi berdasarkan energi eksternal yang digunakan per kilogram produk atau bahan mentah, dry solid ataupun beberapa komponen penting. 

Dalam bahasan ini ada dua macam yang digunakan yaitu neraca panas yang merupakan basis dari pindah panas dan neraca energi yang digunakan dalam aliran fluida. Bagan neraca panas ditunjukkan pada gambar 1.4.

Dalam pengolahan pangan, yang penting adalah energi dalam bentuk energi panas dan konservasinya dapat digambarkan seperti misalnya pada pengeringan. Dalam hal ini entalpi (total panas) diperhitungkan sebgai neraca entalpi bersama neraca massa. Entalpi ditentukan menggunakan suhu datum. Dalam perhitungan neraca energi atau neraca panas ini dikenal untuk steam ada panas laten dan panas sensibel, panas spesifik. 

Dalam proses steady state, panas yang masuk atau panas yang hilang sama dengan panas yang keluar atau panas yang diserap. Misalnya pada proses batch tekanan konstan,

 Q =∆h 

∆h merupakan selisih kandungan entalpi pada akhir proses dengan kandungan entalpi pada awal proses 

∆h merupakan selisih jumlah entalpi yang meninggalkan proses dengan jumlah entalpi pada awal proses. 

Besarnya entalpi air ataupun steam dapat dilihat pada tabel uap (steam table), yang besarnya ditentukan oleh tekanan dan suhu serta fasenya. Entalpi untuk solid (padatan pada bahan), merupakan panas spesifiknya dikalikan suhu di atas datum. Untuk satuan internasional, satuan suhu dalam oC, datumnya nol.

diambil dari  :

TIM PENGAMPU. 2018. MODUL PRINSIP TEKNIK PANGAN DAN HASIL PERTANIAN (Bagian I. DASAR-DASAR KETEKNIKAN DALAM PENGOLAHANPANGAN DAN HASIL PERTANIAN). Jember : Fakultas Teknologi Pertanian, Jurusan Teknologi Hasil Pertanian UNEJ.

Baca juga: Sumber Energi dan Sistem Pembangkit Tenaga

Share this post