Kuliah Sisipan SOIP I 2020-2021 [PDF]

Citation preview

KULIAH SISIPAN 2020-2021



MATA KULIAH SATUAN OPERASI INDUSTRI PANGAN I SILABI MATA KULIAH I



NERACA BAHAN DAN PANAS



II



FLUIDA STATIK, ENERGI



DINAMIK



dan



NERACA



III PEMISAHAN SECARA FISIK-MEKANIS IV EKSTRAKSI PADAT-CAIR



SISTEM PENILAIAN Ø Ø Ø Ø Ø



Kehadiran Kuliah Minimal Kehadiran kurang dari 75% Ujian Tengah Semester (UTS) Ujian Akhir Semester (UAS) Tugas



: : : : :



75% Tidak Lulus 40% 45% 15%



BAB I NERACA BAHAN, PANAS DAN ENERGI 1.1. Neraca Bahan Perhitungan keteknikan pada proses pengolahan untuk menentukan seluruh jumlah bahan yang masuk (bahan baku utama dan bahan pendukung) dan seluruh bahan yang keluar (produk dan limbah) berserta komposisinya pada serangkaian proses pengolahan 1.2. Klasifikasi neraca bahan • Neraca bahan pada keadaan tunak (steady state material balances) • Neraca bahan pada keadaan tidak tunak (unsteady state material balances)



1.3. Prinsip perhitungan neraca bahan § Konsep neraca bahan : Berdasarkan hukum konservasi massa § Persamaan umum neraca bahan : Jumlah bahan yang masuk = Jumlah bahan keluar + akumulasi § Neraca bahan pada keadaan tunak : [Bahan masuk] = [Bahan keluar] [Bahan terakumulasi] = 0 § Neraca bahan pada keadaan tidak tunak : [Bahan Masuk] – [Bahan Keluar] = [Akumulasi] [dM/dt] merupakan fungsi dari waktu



1.4. Jenis-jenis Neraca Bahan Ø Neraca bahan tanpa melibatkan reaksi kimia (Simple Material Balance) Ø Neraca bahan adanya bahan yang di recycle Ø Neraca bahan melibatkan reaksi kimia 1.5. Penyelesaian Problem Neraca Bahan Ø Sketsa blok diagram proses yang ditanyakan Ø Tuliskan seluruh data-data untuk aliran bahan yang masuk dan keluar beserta fraksinya pada aliran proses pengolahan Ø Tentukan basis pengolahan untuk bahan yang masuk atau bahan yang keluar (ton/jam, kg/jam, lbm/jam, m3/jam, L/jam)



1.6. Contoh serangkaian proses pengolahan Singkong



Air Bersih



Pengupasan T = ± 25OC ; P = 1 atm



Kulit singkong



Pencucian T = ± 25OC ; P = 1 atm Air Kotor Pengirisan T = ± 25OC ; P = 1 atm Pengeringan T : 70O – 750C P = 1 atm



Kemasan Plastik



Uap Air



Penggilingan T = ± 25OC P = 1 atm Bahan Tidak Lolos Ayakan Pengayakan Ukuran : 100-120 mesh T = ± 25OC ; P = 1 atm Pengemasan T = ± 25OC ; P = 1 atm Tepung Singkong



Gambar 1. Bagan Alir Pembuatan Tepung Singkong (Penggilingan Kering)



1.7. Contoh tinjauan satu proses pengolahan A x1A, x2A, dst



Pengupasan T = 27C ; P = 1 atm



C x1C, x2C, x3C, dst



B x1B, dst



A B dan C x



: Bahan yang masuk.



: Bahan yang keluar. : Fraksi bahan yang masuk dan keluar sistem pemerosesan. 1,2 dan 3 : Komponen-komponen yang terdapat di dalam bahan yang masuk dan keluar sistem pemerosesan



Tinjau terhadap proses sebelum perhitungan : § Jika ada reaksi kimia yang terlibat dalam proses pengolahan, tuliskan reaksi yang terjadi selama pengolahan, § Identifikasi problem atau masalah yang ditanyakan, § Tentukan basis perhitungan problem yang ditanyakan (g/jam ; kg/jam, m3/jam, lb/jam dsb), § Lakukan perhitungan neraca bahan total, neraca bahan masing-masing komponen bahan.



1.8. Neraca bahan tanpa melibatkan reaksi kimia(Simple Material Balance) A x1A, x2A, dst



Pengupasan T = 27C ; P = 1 atm



C x1C, x2C, x3C, dst



B x1B, dst



Persamaan Neraca Bahan § Neraca Bahan Total : A=B+C § Neraca Bahan komponen ke-1: A x1A = B x1B + C x1C § Neraca Bahan Komponen ke-i: A xiA = B xiB + C xiC



1.9. Neraca bahan adanya bahan yang di recycle



B x1B



A x1A, x2A



Evaporator



C x1C, x2C



Kritalizer



R x1R, x2R



Persamaan Neraca Bahan § Neraca Bahan Total : A=B+D § Neraca Bahan Komponen ke-1: A x1A = B x1B + D x1D § Neraca Bahan Komponen ke-i : A xiA = B xiB + D xiD



D x1D, x2D, x3D



Neraca Bahan yang di Recyle § Neraca Bahan Total : C=R+D § Neraca Bahan Komponen ke-1: C x1C = R x1R + D x1D § Neraca Bahan Komponen ke-i : C xiC = R xiR + D xiD 1.10. Neraca bahan melibatkan reaksi kimia A (larutan Na2CO3) 0,10 Na2CO3 0,90 H2O B (bubur) Reaktor 0,25 Ca(OH)2 0,75 H2O



C (Produk)



Reaksi yang terjadi : Na2CO3 + Ca(OH)2



2 NaOH + CaCO3



Tentukan : Basis perhitungan (mole/jam) Misal : Basis perhitungan 1 mole/jam Na2CO3 Berat atom Na = 22,9897 Berat atom C = 12 Berat atom O = 16 Maka : BM Na2CO3 = 105,9794 kg/mol 1 mole Na2CO3 ≃ 1 mole Ca(OH)2 ≃ 2 mole NaOH ≃ 1 mole CaCO3 Berat Na2CO3 = mole x BM Na2CO3 = (1 x 105,9794) kg/jam Berat NaOH dan CaCO3 yang dihasilkan dan Ca(OH) yang dibutuhkan dapat ditentukan



Soal-Jawab neraca bahan 1.



Pembuatan konsentrat jeruk pontianak dilakukan dengan cara menguapkan sari jeruk segar hasil penyaringan. Sari jeruk hasil penyaringan mengandung 7,08% berat padatan, dipekatkan menggunakan vakum evaporator. Konsentrat sari jeruk yang dihasilkan mengandung 58% berat padatan. Sari jeruk yang masuk ke dalam evaporator sebanyak 1000 kg/jam, tentukan jumlah air yang diuapkan larutan pekat yang dihasilkan. Diagram pemekatan sari jeruk sebagai berikut : C ; Xp = 0 ; Xa = 1 A Xp = 0,0708 Xa = 0,9292



Evaporator P < 1 atam



B Xp = 0,58 Xa = 0,42



Basis perhitungan : 1000 kg/jam sari buah (A) yang masuk ke dalam evaporator Neraca Bahan Total : A=B+C 1000 = B + C ................................(1) Neraca Bahan Komponen Padatan : A . xp = B . xp + C . xp 1000 x 0,0708 = B x 0,58 + C x 0 B = 122,1 kg/jam konsentrat jus Substitusi nilai C ke dalam persamaan (1), maka : Air yang diuapkan : A=B+C 1000 kg/jam = 122,1 kg/jam + C C = (1000 – 122,1) kg/jam = 877,9 kg/jam



2. Irisan kentang basah dengan kandungan bahan padat 14%, dikeringkan secara konvensional sehingga kandungan total padatan irisan kentang kering menjadi 93%. Kentang mentah yang digunakan sebanyak 1000 kg/jam dan diasumsikan setelah pengupasan terjadi pengurangan berat sebanyak 8 %. Tentukan : berat produk yang dihasilkan dan air yang diuapkan pada pengeringan dan kadar air irisan kentang kering. Bagan pembuatan irisan kentang kering : B (Kentang tanpa kulit) F= 1000 kg/jam



Pengupasan



K (Kulit)



C (Irisan kentang)



Pengirisan



Pengeringan Xp = 0,14 Xa = 0,86



E Xp = 0 Xa = 1 D Xp = 0,93 Xa = 0,07



Basis perhitungan : 1000 kg (F) kentang segar Proses pengupasan : Kulit yang dibuang beratnya = (8/100) x 1000 = 80 kg Kentang bebas kulit (B) = 1000 – 80 = 920 kg Proses pengirisan : Kentang bebas kulit (B) = 920 kg Kandungan padatan irisan kentang basah (C) : Kandungan padatan = (14/100) x 920 = 128,8 kg Kandungan air irisan kentang = (86/100) x 920 = 791,2 kg Proses pengeringan : Neraca bahan total à C = D + E 920 = D + E ................... (1) Neraca komponen bahan padatan C . Xp = D . Xp + E . Xp 920 . (0,14) = D . (0,93) + E . (0) D = [920 . 0,14]/0,93 = 138,49 kg/jam à kentang kering



Kandungan air dalam irisan kentang kering = 138,49 – 128,8 = 9,69 kg Persen kadar air irisan kentang kering = (9,69/138,49) x 100% = 6,91% Air yang diuapkan = 920 – 138,49 = 781,51 kg 3. Kacang kedelai dengan komposisi 18% minyak, 35% protein, 27,1% karbohidrat, 9,4% serat dan abu serta air 10,5%. Selanjutnya kancang kedelai dihancurkan kemudian dipres dan minyak yang tersisa dalam ampas kacang kedelai hasil pengepresan sebanyak 6%. Ampas kacang kedelai kemudian diekstraksi dan padatan hasil ekstraksi mengandung minyak sebanyak 0,5%. Padatan kacang kedelai hasil ekstraksi kemudian dikeringkan hingga kadar airnya mencapai 8%. Apabila kacang kedelai yang diproses sebanyak 1000 kg/jam, tentukan jumlah bahan yang dihasilkan setelah pengeringan, air yang teruapkan dan komposisi bahan kering.



Basis perhitungan : 1000 kg kacang kedelai segar Berat masing-masing kacang kedelai : •



Minyak = (18/100) x 1000 = 180 kg



•



Protein = (35/100) x 1000 = 350 kg



•



Karbohidrat = (27,1/100) x 1000 = 271 kg



•



Serat dan abu = (9,4/100) x 1000 = 94 kg



• Air = (10,5/100) x 1000 = 105 kg Total berat bahan selain minyak = 820 kg diasumsikan tidak mengalami perubahan selama pengepresan dan ekstraksi Bahan keluar : Pada proses pengepresan : Minyak yang tersisa dalam ampas kedelai setelah pengepresan : Minyak tersisa dalam ampas = (6/94) x 820 = 52,3 kg Minyak yang keluar dari pengepresan = 180 – 52,3 = 127,7 kg



Pada proses ekstraksi : Minyak yang tersisa dalam ampas kacang kedelai setelah ekstraksi 0,5% dan bahan lainnya 99,5%. Minyak yang tersisa dalam ampas hancuran kacang kedelai setelah ekstraksi = (0.5/99.5) x 820 kg = 4,1 kg Minyak yang keluar dari ekstraksi = 52,2 – 4,1 = 48,2 kg Kandungan air pada bahan kering = 8%, maka kandungan bahan lainnya 92% Berat bahan kering pada hancuran kacang kedelai kering : W = 350 + 271 + 94 + 4,1 = 719,1 kg Air dalam hancuran kedelai kering = (8/92) x 719,1 = 62,5 kg Air yang menguap pada pengeringan = 105 – 62,5 = 42,5 kg



Neraca bahan dengan basis : 1000 kg kacang kedelai yang masuk sebagai umpan Bahan masuk



Jumlah (kg)



Jumlah (kg)



Bahan keluar



•



Minyak



180



•



Minyak pengepresan



•



Protein



350



•



Minyak dalam pelarut



•



Karbohidrat



271



•



Abu dan serat



•



Air



Berat total keseluruhan



94 105



1000



Berat total minyak • Potein



hasil



kandungan



• Karbohidrat • Abu dan serat • Air • Minyak Berat total hancuran kacang kedelai kering • Air yang menguap pada pengeringan Berat total keseluruhan



127,7 48,2 175,9 350 271 94 62,5 4,1 781,6 42,5 1000



4. Susu skim dibuat dengan cara memisahkan sebagian lemak dari susu murni, dan susu skim yang diperoleh mengandung 90,5% air, 3,5% protein, 5,1% karbohidrat, 0,1% lemak dan 0,8% abu. Susu penuh (whole milk) yang digunakan mengandung 4,5% lemak, tentukan komposisi susu penuh dengan asumsi bahwa lemak hanya dikeluarkan pada membuat susu skim dan tidak ada kehilangan (losses) dalam pemrosesan. Jawab : Basis perhitungan : 100 kg susu skim Susu skim mengandung = 0,1 kg lemak



Misal : Lemak yang dikeluarkan dari susu membuat susu skim sebesar = x kg. Total lemak mula-mula = (x + 0,1) kg Total bahan mula-mula = (100 + x) kg Lemak di dalam susu murni 4,5% sehingga : (x + 0,1)/(100 + x) = 0,045 x + 0,1 = 0,045 (100 + x) à x = 4,6 kg



murni



untuk



Maka komposisi susu murni (whole milk) adalah : Fat = 4,5% Air = (90,5/104,6) x 100% = 86,5% Protein = (3,5/104,6) x 100% = 3,3% Karbohidrat = (5,1/104,6) x 100% = 4,9% Abu = (0,8/104,6) x 100% = 0,8% 5. Larutan garam dibuat dengan cara melarutkan 20 kg garam ke dalam 100 kg air, untuk membuat larutan garam dengan densitas sebesar 1323 kg/m3. Tentukan konsentrasi garam dalam larutan garam dalam : a. Fraksi berat/berat b. Fraksi berat/volume c. Fraksi mol d. Konsentrasi molar Jawab : a. Fraksi berat = (20/100 + 20) = 0,167 % berat/berat = 16,7%



b. Fraksi berat/volume : Densitas larutan garam = 1323 kg/m3 Maka untuk 1m3 larutan garam, beratnya = 1323 kg Larutan garam sebanyak 1323 kg mengandung : (20/100 + 20) x 1323 kg garam = 220,5 kg garam/m3, sehingga untuk 1 m3 larutan garam mengandung 220,5 kg garam, maka : Fraksi larutan garam (b/v) = 220,5/1000 = 0,2205 % berat/volume = 0,2205 x 100% = 22,1% c. Fraksi mole : Mole air = (100/18) = 5,56 Mole garam = (20/58,5) = 0,34 Fraksi mole garam = [(0,34)/(5,56 + 0,35)] = 0,058 d. Konsentrasi molar (M) = 220,5/58,5 = 3,77 moles di dalam 1 m3.



6. Udara mengandung 77% berat nitrogen dan 23% berat oksigen, tentukan : a. BM udara rata-rata b. Fraksi mole oksigen c. Konsentrasi oksigen dalam mole/m3 dan kg/m3 jika tekanan total 1.5 atm dan suhu 25°C. Jawab : Basis perhitungan : 100 kg udara Udara mengandung = (77/28) mole N2 dan (23/32) mole O2 Total mole udara = 2,75 + 0,72 = 3,47 mole a. Maka BM udara = 100/3,47 = 28,8 b. Fraksi mole oksigen = (0,72/2,75 + 0,72) = 0,21 7. Minuman ringan karbonasi mengandung jumlah total karbon dioksida yang dibutuhkan setara dengan 3 volume gas untuk satu volume air pada 0°C dan tekanan atm. Hitung : a. Fraksi massa b. Fraksi mol C02 dalam minuman, abaikan semua komponen selain C02 dan air.



Jawab : Basis perhitungan : 1 m3 Kerapatan air = 1000 kg/m3 sehingga : Berat air = 1000 kg Volume karbon dioksida (C02) yang ditambahkan = 3 m3. Persamaan gas ideal : pV = nRT sehingga : 1 x 3 = n x 0,08206 x 273 à n = 0,134 mole BM karbon dioksida = 44 g/mol C02 yang ditambahkan = 0,134 x 44 = 5,9 kg, maka : a. Fraksi mass C02 dalam minuman = 5,9/(l000 + 5,9) = 5.9 x 10-3. b. Fraksi mole C02 dalam minuman = 0,134/(l000/18 + 0,134) = 2,41 x 10-3



8. Suatu pabrik pengolahan daging akan memproduksi daging cincang yang harus mengandung 15% lemak. Jika daging cincang ini dibuat dari daging sapi tanpa tulang yang mengandung 23% lemak (A) dicampur daging sapi tanpa tulang dengan kandungan lemak 5% (B). Berapa perbandingan yang harus dicampur? Biarkan proporsinya menjadi A dari sapi potong hingga B dari sapi potong. Jawab : Neraca bahan lemak Jumlah bahan masuk = Jumlah bahan keluar Bahan masuk : (A x 0,23) + (B x 0,05) Bahan keluar : (A + B) x 0,15 Maka : A x (0,23) + B x (0,15) = (A + B) x 0,15 A x (0,23 – 0,15) = B x (0,15 – 0,05) 0,08 A = 0,10 B A/B = 10/8 atau A/(A + B) = 10/18 = 5/9 Untuk 100 kg produk daging cincang berisi 55,6 kg daging dengan kandungan lemak 23% dan 44,4 kg daging dengan kandungan lemak 5%



9. Larutan sebanyak 1000 kg/jam mengandung 20% KNO3 dipekatkan dengan menggunakan evaporator untuk menguapkan sejumlah air pada suhu 422 K, dan menghasilkan 50% larutan pekat yang mengandung KNO3. Larutan pekat kemudian di kristalkan pada suhu 311 K, kristal yang dihasilkan mengandung 96% berat KNO3. Larutan jenuh yang mengandung 37,5% berat KNO3 dikembalikan ke evaporator. Hitung jumlah larutan jenuh yang dikembalikan ke evaporator dan kristal yang dihasilkan. Jawab : Basis perhitungan : 1000 kg/jam larutan umpan segar. Bagan penguapan larutan segar dan pengkristalan larutan pekat sebagai berikut.



Bagan alir penguapan dan kristalisasi Uap air (W) kg/jam F = 1000 kg/jam 20% KNO3



Evaporasi T = 422 K



S, kg/jam 50% KNO3



Kristalisasi T = 311 K



R (recycle), kg/jam 37,5% KNO3



Basis perhitungan : 1000 kg/jam umpan segar Neraca Bahan Total : F = W + P 1000 = W + P ................. (1) Neraca Bahan Komponen KNO3 : 1000 (0,20) = W (0) + P (0,96) …........ (2) P = 208,3 kg/jam kristal yang dihasilkan



P (kristal), kg/jam 4% H2O



Neraca Bahan Komponen Daur Ulang : S = R + P à S = R + 208,3 ……............... (3) Neraca Bahan Komponen KNO3 pada kristalizer : S (0,50) = R (0,375) + 208,3 (0,96) …….. (4) Substitusi persamaan (3) dan (4) maka diperoleh : R = 766,6 kg/jam bahan yang di daur ulang S = 974,9 kg/jam larutan pekat



10. Diagram alir pembuatan tepung buah adalah sbb :



Pada suatu industri yang meproduksi tepung buahbuahan, melakukan pencampuran sirup, bubur buah dan air dengan perbandingan 7,5 : 7,5 : 5,0. Pada proses penyaringan dapat dipisahkan 80% padatan yang terkandung dalam campuran dan padatan yang terpisah mengandung 5% cairan. Setelah proses evaporasi diperoleh sari buah kental yang beratnya telah berkurang sebanyak setengah berat semula. Tepung sari buah hasil pengeringan mengandung air sebanyak 8%.



Tentukan : a. Jumlah sari buah hasil penyaringan b. Uap air yang keluar dari proses penguapan dan pengeringan c. Perbandingan sari buah kental dengan bubur buah d. Perbandingan tepung buah dengan bubur buah Jawab : Basis perhitungan : 2000 kg/jam bahan masuk ke proses pencampuran a. Jumlah sirup = [7,5/20] x 2000 = 750 kg/jam Terdiri : Padatan = [5/100] x 750 kg/jam = 37,5 kg/jam Gula



= [70/100] x 750 kg/jam = 525 kg/jam



b. Jumlah bubur buah = [7,5/20] x 2000 = 750 kg/jam Terdiri : Padatan = [40/100] x 750 = 300 kg/jam c. Jumlah air = 2000 – [750 + 750] = 500 kg/jam Jumlah padatan masuk = 300 + 37,5 = 337,5 kg/jam Jumlah cairan masuk = 2000 – 337,5 = 1662,5 kg/jam



Bahan keluar dari proses penyaringan : a. Padatan yang keluar = [80/100] x 337,5 kg/jam = 270 kg/jam Mengandung 5% cairan = [5/95] x 270 kg/jam = 14,2 kg/jam Berat total bahan = 270 + 14,2 = 284,2 kg/jam b. Sari buah Jumlah padatan = 337,5 – 270 = 67,5 kg/jam Jumlah cairan = 1662,5 – 14,2 = 1648,3 kg/jam Jumlah sari buah = 67,5 + 1648,3 = 1715,8 kg/jam Bahan keluar dari proses evaporasi : a. Sari buah kental = 0,5 x 1715,8 = 857,9 kg/jam b. Uap air = 0,5 x 1715,8 = 857,9 kg/jam Bahan keluar dari proses pengeringan : Tepung sari buah mengandung : a. Jumlah gula = 525 kg/jam b. Jumlah padatan = 67,5 kg/jam



c. Jumlah air = [8/92] x 67,5 = 5,1 kg/jam Jumlah keseluruhan = 597,6 kg/jam Air yang keluar dari proses pengeringan = 857,9 – 597,6 = 260,3 kg/jam Hasil : a. Sari buah hasil pengeringan = 597,6 kg/jam b. Uap air evaporasi = 857,9 kg/jam Uap air dari pengeringan = 260,3 kg/jam c. Sari buah kental/bubur buah = 857,9/750 d. Tepung buah/bubur buah = 597,6/750