Plant Design-3 1

REAKTOR DAN REAKSI DALAM INDUSTRI PANGAN

Plant Design/SUG/TIP/FTP2005

Plant Design-3 2

Pendahuluan• Reaksi kimia penting dalam industri pangan,

misal perubahan flavor dan sterilisasi mikroba.

• Perancangan kecepatan reaksi secara kuantitatif sangat penting dibandingkan dengan trial and eror

• Rekasi dapat dilakukan pada berbagai tipe bejana (vesel)

• Kadang2 dalam industri pangan terjadi reaksi tambahan, misal pada proses sterilisasi akan terjadi kerusakan kualitas pangan

Plant Design-3 3

Tipe Reaktor

• Batch reator, sejumlah bahan yang diproses pada waktu tertentu, reaktan (bahan awal) ditambahkan dicampur, dan meninggalkan reaktor dan selanjutnya dipisahkan (bukan kontinyu);

• Continuous reactor, bahan mengalir secara kontinyu dan tejadi konversi bahan selama berada dalam reaktor. Penggunaan reaktor kontinyu dapat menekan biaya proses dan memudahkan sistem kontrol.

Plant Design-3 4

1. Batch Reactor

• Sebagian besar prosedur pemasakan skala kecil hingga menengah menggunakan batch reactor, panci merupakan contoh memasak dengan sisten batch;

• Tipe batch reactor disajikan pada Gambar 8.1;

• Keistimewaan dari tipe tersebut al.:– Reaktor berupa bejana sederhana

tempat reaksi terjadi;

Plant Design-3 5

Plant Design-3 6

– Isi (bahan) dicampur menggunakan pengaduk (stirer), Kecep. Reaksi dan jumlah panas yang ditambahkan

– Mungkin akan terjadi penambahkan atau pengurangan dari sistem tersebut;

– Reaksi batch cenderung lebih mudah berubah-ubah dan dapat digunakan untuk konversi (pengolahan) produk lain;

– Pengisian, pengosongan dan pencucian reaktor mungkin lebih memerlukan biaya tenaga kerja lebih mahal, dibandingkan pada reaktor reaktor kontinyu.

Plant Design-3 7

2. Tubular Reactor

• Merupakan salah satu contoh reactor continuous yang extrem, selain continuous stirred reactor;

• Gambara skematis pada Gambar 8.2;• Keistimewaan dari reaktor tersebut al.:

– Tabung memaungkinkan dikosongkan atau diisi dengan pelet katalis seperti ensim imobilized atau imobilized logam untuk modifikasi reaksi lemak/fat. Jika tabung berisi phase katalis heterogen disebut packet/fixed bed reactor;

Plant Design-3 8

• Tabung mungkin single besar atau serangkaian tabung kecil yang disusun paralel, yang nampak seperti rangkaian shell & tube heat exchanger;

• Tidak terdapat pencampuran secara longitudinal atau axial, tetapi pencapuran radial, sering disebut sebagai Plug Flow Reactor (PFR);

• Jika reaktor berada pada steady state, kondisi lokal (komposisi kimia, suhu dll) pada berbagai titik dalam reaktor tidak bervariasi dengan waktu, tetapi kondisi tersebut berubah spanjang tabung reaktor;

Plant Design-3 9

• Kecepatan alir dan ukuran reaktor yang dipilih sehingga waktu tinggal baham dalam tabung sesuai dengan kebutuhan ut reaksinya. Resultan bilangan Reynold aliran dalam tabung harus diketahui apakah laminer atau turbelensi;

• Pengendalian suhu mungkin sulit, dan sulit untuk memasukkan tagung pemanas atau pendingin dalam tulbular reactor.

Plant Design-3 10

3. Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

• Disebut juga Back-mixed reactor (Gambar 8.3);

• Keistimewaan reaktor tersebut antara lain :– Memerlukan sistem pencampuran yang baik

dalam tangki, sehingga tidak ada material yang cepat keluar dari reaktor atau material yang keluar dari tangki komposisi sama dengan bahan yang masuk.

– Masing-masing reaktor cenderung murah dan mudah dinstal dan proses mungkin terdiri dari sederetan CSTR;

Plant Design-3 11

• Pengendalian suhu dapat dilakukan dengan lurus kedepan seperti memasukkan coil steam atau pendingin;

• Tangki mudah dilakukan proses pencucian dibandingkan reaktor tabung.

Plant Design-3 12

Plant Design-3 13

Memilih jenis reaktor

• Berdasarkan pada karakterisitk larutan bahan yang akan dilewatkan reaktor;

• Sifat-sifat seperti Reologi bahan, adanya padatan atau tingginya vickositas harus diperhitungkan secara matang;

• Contohnya pada pemasakan larutan yang mengandung lemak (daging) akan terjadi endapan pada pojok tabung, bila tidak dilengkap idengan pengaduk yang baik.

Plant Design-3 14

Reaksi fisiko-khemis bahan pangan

• Dalam industri kimia perhitungan equilibrium, kecepatan reaksi dan enthalpy dapat dihitung dengan mudah;

• Pada industri pangan reaksi berjalan simultan sehingga sulit dihitung dengan tepat;

• Pada reaksi pemanasan harus diperhitungan antara kecepatan pengurangan mikroba, akan tetapi kerusakan gizi juga tejadi

Plant Design-3 15

A. Tipe reaksi dalam indutri pangan• Reaksi dalam pangan dapat

dikelompokkan pada berbagai jenis, akan tetapi reaksi tersebut berjalan secara simultan;

• Kelompok reaksi pangan :– 1. Reaksi sterilisasi, pembunuhan sel mikroba yang

hidup dalam bahan pangan– 2. Reaksi perubahan karbohidrat, protein dan lemak

akibat perubahan panas, dan proses lain.– 3. Kerusakan nutrisi, vitamin, ensim dan zat warna– 4. Konversi mikrobial (fermentasi)– 5. Proses katalisis oleh ensim.

Plant Design-3 16

B. Enthalpy dari reaksi pangan

• Sebagian besar dalam industri pangan diasumsikan jumlah energi yang terserap atau tersebar ke sekeliling diabaikan dibandingkan energi yang diperlukan ut menaikkan suhu reaktan sampai bereaksi pada kondisi tertentu;

• Beberapa energi yang hilang antara lain hilang dari permukaan bejana (vesel) melalui konveksi, radiasi, dan hilang bersama uap air selama pemasakan, serta panas latent yang dipermukaan ut peruban fase air ke uap;

Plant Design-3 17

C. Kecepatan reaksi• Kecep. Reaksi pada industri pangan

tidak bisa disamakan dengan kinetika kimia konventional karena reaksi melibatkan reaksi kimia dan biokimia;

• Contoh pada perhitungan nilai D (decimal reduction time), yaitu waktu yang diperlukan ut menurunkan konsentrasi reaktan tinggal 10%, yang secara praktis dinyatakan sebagai D pd 121oC atau D121;

Plant Design-3 18

Plant Design-3 19

• Pendekatan empiris digunakan untuk mengetahui kecep reaksi pangan dengan order reaksi dan kecepatan konstan;

• Kecep reaksi dinyatakan sebagai jumlah reaktan (j) dikonversi (kg,mole, jumlah sel) per unit volume pada reaktor per satuan waktu (rj);

• Reaksi menjadi : aA + bB --> eE + fF.. (8.1)

• Kecep raksi per unit volume menjadi :

Plant Design-3 20

Plant Design-3 21

• Dalam industri pangan tidak menggunakan sterilisasi total, karena dapat menurunkan kualitas bahan pangan akibat panas;

• Penerapan commercial sterility (sterilisasi komersial), yang ditujukan ut menurunkan jumlah mikroba (dengan faktor 1012; dan disebur 12D);

• Sebagian besar reaksi dlm pangan dianggap reaksi order 1, contoh diterapkan pada reaksi sterilisasi;

Plant Design-3 22

• Sterilisasi merup proses pengurangan jumlah mikroba hingga tinggal 10%, D diganti dengan istilah TDT (thermal death time);

• Selain menggunakan TDT juga dapat menggunakan F-value, waktu yang diperlukan untuk sterilisasi pada suhu 121oC dan tekanan 15 lb/ft2;

• Dalam industri nilai F-value 3 menit dianggap sudah cukup baik secara praktis digunakan waktu 6 menit;

Plant Design-3 23

D. Variasi kecepatan reaksi & suhu• Diketahui bahwa kecep reaksi bertambah

dg semakin tingginya suhu;

• plot log10(D) atau log10(TDT) dengan suhu berupa persamaan garis lurus (linier);

• Biasanya ut menjelaskan variasi D dengan suhu menggunakan nilai z, z adalah suhu yang diperlukan ut menurunkan bakteri tinggal 10% seperti pada Tabel 8.1.

• Nilai z dapat digunakan ut memperkirakan efek perub suhu thd waktu proses;

Plant Design-3 24

•Sebagai contoh 12 D untuk Clositridiun botulinum (z=10oC) memerlukan waktu 2,52 menit pada 121oC;

•Artinya untuk menekan spora C. botulinum diperlukan waktu 2,52 menit atau adalam industri biasa dilakukan pada waktu 3 menit;

•Jika suhu dinaikkan sampai 130o C, maka waktu yang dibutuhkan adalah

2,5 : (10 (130-121,1)/10) = 0,324 menit. ………… (8.8)

Plant Design-3 25

Plant Design-3 26

5. Parameter fisiko-khemis lain

• Nilai konstanta equilibrium, nilai tersebut juga dipengaruhi oleh suhu;

• Sebagian besar industri pangan menggunakan dasar kecukupan waktu proses, bukan pada kesetimbangan proses;

• Kecuali pada proses karbonasi tergantung pada kesetimbangan CO2;

• Beberapa reaksi katalitis ensim glukose-isomerase tidak tergantung pada kesetimbangan;