Pengeringan merupakan suatu proses pemisahan sebagian besar air dari bahan baik dalam bnetuk evaporasi maupun sublimasi sebagai hasil dari penerapan panas. Pengeringan suatu bahandilakukan dengan tujuan memperpanjang daya simpan produk, mengurangi volume dan berat produk dan sebagai tahapan proses antara. Pengeringan dilakukan baik pada suhu tinggi maupun suhu rendah. Padaa pengeringan suhu tinggi berupa penggunaan energi panas untuk merubah fase air menjadi uap dan membuang uap air dalam bahan. Sementara pengeringan suhu rendah merupakan penggunaan energi panas untuk merubah es menjadi uap air dan membuang uap air keluar dari bahan. Proses pengeringan dipengaruhi oleh beberapa factor baik factor internal maupun factor eksternl. Factor internal meliputi sifat bahan baik secara fisik ujuran, bentuk, struktur, porositas, kadar air, tekanan uap air, tegangan permukaan dan lain-lain. Sementara factor eksternal meliputi suhu, humidity dan kecepatan aliran udara.
1. Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan sebagai salah satu sifat fisik bahan cair dapat berpengaruh pada proses pengeringan. Molekul-molekul pada zat cair akan saling tarik-menarik secara seimbang antara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa (m) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara pusat massa.
Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik-menarik antar molekul tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan molekul-molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan tegangan permukaan (γ). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama disetiap titik.
Adanya tegangan permukaan menyebabkan permukaan cairan sepereti ditutupi oleh hamaparan selaput yang elastis, sehingga mampu menahan suatu benda untuk terapung. Selain itu, akibat adanya tegangan permukaan zat cair selalu berusaha untuk menyusut atau mendapatkan luas permukaan terkecil karena bentuk ini dianggap mempunyai energi yang paling rendah (paling stabil). Bentuk yang paling memenuhi keadaan ini adalah bujur telur(sferik). Sifat cenderung untuk memperkecil luas permukaan inilah yang menyebabkan tetesan-tetesan cairan berbentuk bulat
Molekul-molekul cairan yang berada dibagian fase cairan seluruhnya akan dikelilingi oleh molekul-molekul dengan gaya tarik-menarik yang sama ke segala arah sehingga resultan gaya sama dengan nol lain halnya dengan molekul-molekul cairan pada permukaan. Molekul-molekul itu disebelah bawah dikelilingi oleh molekul-molekul cairan sedangkan dibagian atas oleh molekul-molekul dan fasa uap sehingga gaya tarik kebawah lebih besar dari gaya tarik keatas.
Tegangan permukaan adalah gaya persatuan panjang yang harus dikerjakan sejajar permukaan untuk mengimbangi gaya tarikan kedalam pada cairan. Hal tersebut terjadi karena pada permukaan, gaya adhesi (antara cairan dan udara) lebih kecil dari pada gaya khohesi antara molekul cairan sehingga menyebabkan terjadinya gaya kedalam pada permukaan cairan.
2. Perhitungan Tegangan Permukaan Metode Kenaikan Kapiler
Metode ini didasarkan pada kenyataan bahwa bila sebatang pipa kapiler dimasukan kedalam cairan maka permukaan cairan dalam pipa kapiler dapat mengalami kenaikan atau penurunan. Apabila cairan membasahi bejana ( θ < 90 ) maka permukaan cairan akan naik. Sedangkan bila cairan tidak membasahi bejana ( θ > 90 ) permukaan cairan akan turun. Peristiwa naik turunnya permukaan cairan dalam kapiler ini disebut dengan kapilaritas.
Kenaikan atau penurunan cairan dalam kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan yang bekerja pada permukaan cairan yang menyentuh dinding sepanjang keliling pipa. Akibat tegangan permukaan ini pipa akan memberikan gaya reaksi pada permukaan cairan yang besarnya sama tapi arahnya berlawanan.
Suatu pipa kapiler kaca dimasukkan kedalam suatu wadah berisi air yang akan ditentukan. Semua cairan yang membasahai gelas akan naik ke dalam pipa, dan inilah kenaikan pipa kapiler yang dapat digunakan untuk menentukan tegangan permukaaan. Kenaikan cairan dapat dimengerti jika ini diasumsikan bahwa film tipis diadsorbsi dari cairan yang ada dalam dinding kapiler. Supanya mengurangi total area permukaan, cairan manaiki pipa. Kesetimbangan dicapai ketika energi bebas pada keadaan minimum, dengan kata lain kenaikan dapat mengeluarkan energy bebas yang berlebih ke dalam kerja yang tersusun pada kolom cairan yang disimpan dengan penurunan tegangan permukaan.
Penurunan pada area permukaan yang dihasilkan dari kenaikan cairan dengan suatu jumlah dl adalah 2πr dl, dan hubungan penurunan dalam energy permukaan adalah:
dGenergy permukaan = γ d A = γ (2 π r ) dl
Pengeluaran energy bebas dalam kenaikan suatu jumlah cairan dengan volume π r2 dl dan densitas ρ terhadap tinggi l adalah:
dGgravitasi = (π r2 dl ρ) gl
|
γ (2πr) dl = πr2 dl ρgl sehingga diperoleh 3. Satuan Tegangan Permukaan
Tegangan permukkan (γ) suatu cairan dapat didefinisikan sebagai banyaknya kerja yang dibutuhkan untuk memperluas permukaan cairan sebanyak satu satuan luas. Pada satuan cgs, γ dinyatakan dalam erg cm-2 atau dyne cm-1. Dalam satuan SI, γ dinyatakan dalam N m-1. Kedua besaran tadi saling berhubungan berdasarkan hubungan 1 dyne cm-1 = 10-3 N m-1
4. Tegangan Permukaan dalam Pengeringan
Tegangan permukaan menyebabkan suatu perbedaan tekanan antara tetesan zat cair bagian dalam dan bagian luar . Tegangan permukaan menyebabkan film cenderung untuk melakukan penyusutan, tetapi sebagaimana tetesan air menyusut, sehingga menekan udara didalam tetesan air, menambah tekanan bagian dalam , ke titik yang mencegah penyusutan lebih lanjut.
Selain itu, akibat adanya tegangan permukaan zat cair selalu berusaha untuk menyusut atau mendapatkan luas permukaan terkecil karena bentuk ini dianggap mempunyai energi yang paling rendah (paling stabil). Sifat cenderung untuk memperkecil luas permukaan inilah yang menyebabkan tetesan-tetesan cairan berbentuk bulat. Tegangan pemukaan tetesan air yang besar menyebabkan tetesan air tersebut menjadi stabil.
Namun dalam proses pengeringan dibutuhkan luas permukaan yang besar agar dapat mempercepat poses pengeringan karena semakin banyak luas permukaan yang mngalami kontak dengan udara panas. Sehingga dibutuhkan penurunan tegangan permukaan untuk memperluas permukaan tetesan air. Penurunan tegangan permukaan dapat dilakukan dengan cara meningkatkan suhu dan penambahan zat aktif permukaan seperti emulsifier dan foaming agent.
- Peningkatan suhu terhadap tegangan permukaan
Perubahan pada temperatur menyebabkan suatu perubahan dalam tegangan permukaan suatu cairan. Ketika temperature dinaikkan, ada peningkatan energi kinetic dari molekul cairan (KE∞T) dimana molekul-molekul cairan bergerak lebih cepat dan pengaruh interaksi antara molekul berkurang sehingga tegangan permukaannya menurun atau adanya penurunan gaya intermolecular. Ini menghasilkan penurunan pada fungsi tekanan kedalam pada permukaan dari cairan. Dengan kata lain tegangan permukaan menurun dengan meningkatnya temperatur.
Peningkatan suhu menyebabkan gaya tarik-menaik antar molekul air menjadi bekurang akibat peningkatan energi kinetik. Hal ini menyebabkan tegangan permukaan cairan menurun. Contoh pada spray dryer proses pengeringan susu bubuk, cairan akan dilewatkan pada suatu nozzle (saringan bertekanan) sehingga keluar dalam bentuk butiran (droplet) cairan yang sangat halus. Kemudian dilakukan kontak dengan udara panas yang berfungsi mengurangi kandungan air pada bahan. Udara panas akan melakukan kontak dengan butiran-butiran cairan dan meningkatkan energi kinetik pada butiran cairan yang terbentuk sehingga gaya tarik menarik antar molekul air berkurang. Hal ini menyebabkan tegangan permukaan cairan turun sehingga proses pengeringan dapat terjadi dimana air akan mengalami evaporasi.
Jadi dalam proses pengeringan dipengaruhi oleh tegangan permukaan cairaan. Udara panas yang dikontakkan pada partikel cairan pada proses pengeringan (spray drying) digunakan untuk menungkatkan energi kinetik molekul sehingga terjadi penurunan tegangan permukaan. Selanjutnya panas akan menguapkan air dan akan dihasilkan produk hasil pengeringan berupa bubuk yang kering.
Semakin besar tegangan permukaan, maka panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan energi kinetik molekul semakin besar sebagai upaya penurunan tegangan permukaan.
- Penambahan zat aktif permukaan
Dengan penambahan surfaktan, molekul-molekul surfaktan mengalami orentasi dan teradsorbsi pada permukaan cairan dengan gugus non polar menghadap ke udara. Dengan demikian, permukaan cairan tertutupi oleh gugus non polar surfaktan. Semakin besar gaya kohesif pada permukaan cairan maka tegangan permukaan juga akan semakin besar. Karena gaya kohesif antar molekul hidrokrbon lebih kecil dari gaya kohesif air maka tegangan permukaan cairan yang mengandung surfaktan akan lebih kecil. Sehingga tegangan permukaan cairan yang ditambah surfaktan akan lebih kkecil dari pada air.
5. Faktor- Faktor Yang Mempengaruhi Tegangan Permukaan
a. Jenis cairan
Besarnya tegangan permukaan cairan bergantung pada gaya tarik antara molekul- molekulnya. Pada umumnya cairan yang memiliki gaya tarik antara molekulnya besar, seperti air, maka tegangan permukaannya juga besar. Sebaliknya pada cairan seperti bensin karena gaya tarik antara molekulnya kecil, maka tegangan permukaannya juga kecil.
b. Suhu
Tegangan permukaan cairan turun bila suhu naik, karena dengan bertambahnya suhu molekul- molekul cairan bergerak lebih cepat dan pengaruh interaksi antara molekul berkurang sehingga tegangan permukaannya menurun.
c. Adanya zat terlarut
Adanya zat terlarut pada cairan dapat menaikkan atau menurunkan tegangan permukaan. Untuk air adanya elektrolit anorganik dan non elektrolit tertentu seperti sukrosa dan gliserin menaikkan tegangan permukaan. Sedangkan adanya zat- zat seperti surfaktan dan alkohol adalah efektif dalam menurunkan tegangan permukaan
Daftar Pustaka
Arbianti, Rita.2008.Pengaruh Kondisi Reaksi Hidogenasi Metil Laurat Dengan Katalis Nikel Umtuk Pembuatan Surfaktan Oleokimia.Jurusan Teknik Universitas Indonesia.
Fellows.2000..Food Processing Technology.TJ International, Cornwall, England
Ginting, H., Herlina, N. 2002.Tegangan Permukaan Cairan Dengan Metode Drop Out Dan Metode Buble. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara
Indamiati, Ennawati.2008.Perancangan Alat Ukur Tegangan Permukaan Dengan Induksi Elektromagnetik. Jurnal Fisika Dan Aplikasinya Volume 4, Nomor 1 Januari 2008jurusan Fisika. Universitas Negeri Surabaya
Sarhin, S., Sumnu, S.2005.Physical Propertis of food. Middle East Technical University Ankara, Turkey
Tidak ada komentar:
Posting Komentar