B.1112.3.42.A/1

KINERJA MICROWAVE TERHADAP PENGUAPAN AIR UNTUK

PENGERINGAN ALPUKAT

Kelompok B.1112.3.42.A

Andre Elausta Tuwan [13009028]

Pembimbing

Yazid Bindar, M. Sc, Ph. D.

Program Studi Teknik Kimia - Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Bandung

Jl. Ganeca 10, Bandung 40132, Telp 022-2500989

Abstrak

Pada awalnya, peneliti memodifikasi microwave untuk membuat bubuk alpukat. Pada uji coba

pengeringan tetesan alpukat, performa pengeringan dari mikrowave yang dimodifikasi kurang baik.

Diputuskan untuk melakukan penelitian awal sehingga faktor-faktor yang mempengaruhi proses

pengeringan pada microwave diketahui. Pada studi awal, dilakukan uji karakteristik pengeringan air.

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa sampel air bergerak dengan kecepatan rata-rata 2,88 m/s di

dalam mikrowave dan ditemukan bahwa sampel yang bergerak tidak dapat menyerap gelombang

mikro dengan baik. Pada percobaan dengan variasi volume sampel, hasil pengujian menunjukkan

bahwa penyerapan daya microwave sebanding dengan volume sampel yang dikeringkan. Selain itu,

percobaan dengan variasi waktu pengeringan sampel menunjukkan bahwa penyerapan gelombang

mikro akan semakin baik seiring dengan peningkatan waktu pengeringan. Faktor lain yang

mempengaruhi kecepatan pengeringan adalah penetration depth gelombang mikro dan diameter

sampel yang dikeringkan. Selain itu, pengukuran hasil penyerapan gelombang mikro oleh air pada

kondisi yang sama dapat menghasilkan hasil yang berbeda walaupun tidak signifikan.

Kata kunci : alpukat, air, microwave

1. PENGANTAR

Manusia memerlukan makanan untuk menjaga kelangsungan hidupnya. Salah satu makanan yang

paling digemari adalah buah-buahan karena kandungan gizi yang tinggi dan rasa yang lezat. Alpukat

ada salah satu buah yang berpotensi untuk dikembangkan di Indonesia. Namun, alpukat tidak banyak

dibudidayakan karena sedikitnya permintaan terhadap buah tersebut. Pada awalnya, penelitian ini

bertujuan untuk membuat bubuk alpukat melalui metode pengeringan. Pembuatan bubuk alpukat

merupakan usaha untuk mendiversifikasi produk akhir alpukat yang selama ini hanya dimakan

langsung atau dibuat jus. Pembuatan bubuk alpukat diharapkan dapat mendorong permintaan terhadap

buah alpukat karena bahan makanan berupa bubuk dapat dikembangkan menjadi bahan baku makanan

lain, misalnya kue. Peningkatan permintaan terhadap buah alpukat akan mendorong peningkatan

produksi buah alpukat di tanah air.

Spray dryer merupakan metode pengeringan yang paling umum digunakan untuk membuat produk

akhir berupa bubuk. Kelemahan dari teknologi ini adalah tidak dapat divakumkan dan mengenakan

paparan temperatur tinggi pada sampel sehingga beberapa bahan yang rentan terhadap panas dapat

rusak. Microwave oven adalah salah satu kemajuan teknologi terbaru dalam proses pengeringan. Salah

satu kelebihan dari microwave oven adalah mudah dimodifikasi, misalnya divakumkan, sehingga

dapat berkembang dengan cepat. Pada penelitian ini, pembuatan bubuk alpukat dilakukan dengan

B.1112.3.42.A/2

menggunakan microwave vakum yang dilengkapi dengan pengumpan berupa sprayer. Hasil yang

diharapkan yaitu keuntungan dari ketiga proses di atas, yaitu titik didih air yang lebih rendah,

pembuatan bubuk alpukat dan proses pengeringan yang cepat dapat diperoleh melalui proses vacuum

spray microwave drying.

Radiasi elektromagnetik dari gelombang mikro yang digunakan pada microwave berada pada

frekuensi diantara 3 MHz – 30.000 GHz (Decareau dan Peterson, 1986). Namun, proses pemanasan

microwave hanya menggunakan gelombang mikro yang berada pada frekuensi 300 – 3000 MHz

karena frekuensi ini dapat memanaskan banyak material dielektrik (Bradshaw dkk., 1998). Saat ini,

frekuensi microwave yang paling banyak digunakan dalam kegiatan industri, penelitian, dan medik

adalah 915 MHz (896 MHz di Inggris) dan 2450 MHz (Bradshaw dkk., 1998). Microwave oven

domestik yang umum digunakan di Indonesia beroperasi pada frekuensi 2450 MHz.

Keuntungan utama dari pengeringan vakum adalah kemampuan untuk dapat menghilangkan

kandungan air pada temperatur yang lebih rendah daripada titik didih normal (Durance dkk., 2002).

Titik didih air adalah 100 oC pada tekanan 1 bar, tetapi titik didih air dapat turun menjadi 28,96

oC

apabila tekanan diturunkan menjadi 40 mbar (Moran dan Shapiro, 1996). Pengeringan vakum menjadi

proses yang menarik karena dapat menjaga kondisi bahan yang rentan rusak karena perubahan kimia

akibat paparan temperatur tinggi (Karimi, 2010). Dibandingkan dengan pengeringan langsung, produk

dikontakkan langsung dengan medium pengering, pengeringan vakum memiliki temperatur

pengeringan yang lebih rendah (Barbosa-Canovas dan Vega Mercado, 1996). Semua sistem yang

menggunakan pengeringan vakum, terdiri atas empat bagian utama, yaitu ruang vakum, pemasok

panas, unit pembuat keadaan vakum, misalnya pompa, dan peralatan untuk menampung uap air, seperti

desikator atau condenser (Karimi, 2010). Pengeringan vakum biasanya digunakan untuk mengeringkan

bahan yang bernilai tinggi karena memerlukan biaya pemasangan, perawatan dan operasi yang mahal

(Somogyi dan Luh, 1986).

Hasil penelitian yang ada menunjukkan bahwa pengeringan dengan microwave vakum merupakan

langkah alternatif untuk meningkatkan kualitas dari produk-produk hasil pengeringan (Karimi, 2010).

Microwave vakum telah sukses diterapkan pada beberapa produk pertanian, seperti kentang, wortel

dan pisang. Kecepatan perpindahan panas akan meningkat secara signifikan ketika menggunakan

energi gelombang mikro apabila dibandingkan dengan pengeringan konvensional yang memiliki nilai

konveksi termal rendah. Giri dan Prasad (2007) melaporkan bahwa waktu pengeringan jamur akan

berkurang 70 – 90 % ketika conventional hot air drying digantikan dengan pengeringan microwave

vakum. Selain itu, waktu pengeringan daun mint akan berkurang dari 2 jam pada conventional hot air

drying yang memiliki suhu operasi 60 – 70 oC menjadi 15 menit ketika mengunakan pengeringan

microwave vakum (Therdthai dan Zhou, 2009). Perbandingan lain yang dilakukan oleh Mousa dan

Farid (2002) menunjukkan bahwa pengeringan menggunakan mikrowave vakum 20 – 30 kali lebih

cepat dari pada proses freeze drying .

2. TEORI

Antara tahun 1860 – 1871, Maxwell mengembangkan teori tentang medan listrik, medan magnet dan

cahaya. Landasan fisika klasik, the Theory of Electromagnetism, kita kenal dengan persamaan

Maxwell’s, diringkas menjadi empat persamaan, yaitu persamaan 1, persamaan 2, persamaan 3, dan

persamaan 4.

B.1112.3.42.A/3

Dimana E adalah medan listrik, D = ε’(T)E adalah vektor perpindahan listrik, H adalah medan magnet,

B = μ(T)H adalah kerapatan fluks magnet, ε’(T) = εrε0 adalah permitivitas listrik (konstanta dielektrik)

dan μ(T) = μrμ0 adalah permeabilitas magnet pada bahan.

Metaxas dan Meredith pada bukunya yang berjudul Industrial Microwave Heating (1983)

mendefinisikan daya rata-rata yang terserap menjadi persamaan 5

Asumsi yang digunakan adalah besarnya vektor medan listrik E konstan disepanjang material yang

dipanaskan. Asumsi ini berlaku apabila material yang dipanaskan berukuran kecil atau konduktivitas

listrik material tersebut kecil. Dengan asumsi yang digunakan bahwa besarnya vektor medan listrik E

adalah konstan di sepanjang material yang dipanaskan, maka E . E* = E2 sehingga persamaan 5

menjadi persamaan 6.

3. PERCOBAAN

3.1 Alat

Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah microwave oven, sprayer, tabung kaca dan

penampung bubuk. Kegunaan dari masing-masing alat tersebut adalah sebagai berikut: Mikrowave

oven yang telah dimodifikasi, selanjutnya disebut modified microwave, merupakan sumber pemanas

dalam proses pengeringan; Sprayer berfungsi untuk mengumpankan sampel dalam bentuk butiran-

butiran halus ke dalam microwave oven yang telah dimodifikasi; Tabung kaca sebagai saluran untuk

melewatkan sampel selama berada di dalam microwave serta menjadi penghubung antar microwave;

dan tempat penampungan bubuk berfungsi untuk menampung seluruh bubuk yang telah mengalami

proses pengeringan di dalam microwave.

Selain itu, peneliti juga menggunakan beberapa alat pelengkap untuk mencapai kondisi operasi yang

diinginkan dan menganalisis kondisi operasi yang ingin diterapkan. Peralatan pelengkap tersebut

adalah juicer untuk membuat bubur alpukat, alat pembuat vakum yang terdiri atas vacuum pump, tiang

penyangga dan bak air untuk membuat kondisi vakum pada saat pengoperasian microwave oven serta

sensor tekanan dan suhu untuk mengetahui tekanan dan suhu operasi dari proses pengeringan yang

peneliti lakukan.

3.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah alpukat dan air. Buah alpukat yang digunakan

berasal dari varietas hijau bundar yang berbentuk sedikit oval dan berukuran sedang. Daging buah

alpukat tersebut berkualitas baik dan memiliki sedikit serat. Selain itu, buah alpukat varietas ini relatif

mudah untuk ditemui di pasaran.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab IV membahas tentang seluruh penelitian awal yang dilakukan untuk mengetahui performa

modified microwave. Hal ini dilakukan untuk memastikan aspek keamanan dan tujuan pembuatan

modified microwave dapat tercapai.

B.1112.3.42.A/4

4.1 Dinamika Gerak Air dan Alpukat serta Uji Pengeringan dalam Chamber Microwave

Sub-bab 4.1 membahas tentang pergerakan sampel ketika disemprot dari bagian atas microwave dan

menempuh jarak sejauh 1,7 meter sampai akhirnya tiba di dasar chamber microwave. Sampel yang

digunakan dalam proses pengeringan ini adalah bubur alpukat dan air. Berdasarkan hasil uji coba,

peneliti mendapatkan bahwa waktu yang diperlukan sampel untuk menempuh jarak chamber

microwave sepanjang 1,7 meter adalah 0,6 detik. Selain itu, dengan menggunakan rumus gerak jatuh

bebas, yang ditunjukkan oleh persamaan 7, peneliti mengetahui bahwa waktu tempuh sampel yang

sebenarnya di dalam chamber microwave adalah:

Hal ini menunjukkan bahwa hasil pengujian dan nilai teoritik memiliki nilai yang tidak berbeda secara

signifikan karena memiliki galat yang kecil, yaitu sebesar 1,67 %. Profil kecepatan sampel di

sepanjang modified microwave ditunjukkan pada Gambar 1. Kecepatan sampel di sepanjang chamber

selalu meningkat seiring dengan bertambahnya jarak tempuh karena tetesan air mengalami percepatan

oleh gaya gravitasi. Kecepatan akhir sampel didapatkan pada dasar chamber microwave, yaitu 5,78

m/s. Kecepatan rata-rata sampel di sepanjang chamber microwave adalah 2,88 m/s, yang berarti

modified microwave memanaskan sampel yang bergerak dengan kecepatan rata-rata 2,88 m/s di

sepanjang chamber microwave.

Gambar 1 Profil kecepatan air

Pengeringan bubur alpukat dilakukan dengan meneteskan 20 tetes bubur alpukat dalam waktu 4 detik.

Pengeringan tetesan air dilakukan dengan meneteskan 40 tetes air dalam waktu 4 detik di dalam

chamber microwave. Kedua sampel tersebut dipaparkan dengan daya microwave sebesar 665 Watt dan

950 Watt. Temperatur keluaran sampel pada chamber microwave ditampilkan pada Tabel 1.

Tabel 1 Temperatur awal dan akhir sampel pada paparan daya microwave

Bubur Alpukat To TT

665 Watt 23 oC 23/24

oC

950 Watt 23 oC 23/24

oC

Air To TT

665 Watt 24 oC 24/25

oC

950 Watt 24 oC 24/25

oC

4 detik

4 detik

B.1112.3.42.A/5

Tabel 1 menunjukkan bahwa sampel hanya dapat menyerap sedikit gelombang mikro dari seluruh daya

yang dilepaskan oleh microwave. Hal ini menunjukkan bahwa proses pengeringan sampel di dalam

modified microwave tidak efektif. Faktor-faktor yang menyebabkan proses pengeringan tidak efektif

adalah: (i) pergerakan tetesan air di sepanjang chamber microwave; (ii) penyerapan daya microwave

oleh gelas kaca; (iii) volume sampel yang kecil; dan (iv) waktu pengeringan yang relatif singkat.

Ketidakmapuan mendistribusikan panas pada benda yang bergerak merupakan salah satu kelemahan

microwave yang terbesar (Yousefi dkk., 2013). Hal ini disebabkan karena ketidakmerataan bentuk

medan energi gelombang mikro di dalam chamber microwave (Yousefi dkk, 2013). Untuk mengatasi

hal ini, pemfokusan medan energi gelombang mikro dapat dilakukan sehingga pembangkitan panas di

dalam sampel akan meningkat. Selain itu, penyerapan daya oleh tetesan air tidak maksimal karena

terdapat kompetitor berupa gelas kaca yang menjadi chamber microwave. Penyerapan daya oleh gelas

kaca diketahui karena gelas kaca menjadi panas selama proses pengeringan sampel di dalam

microwave.

4.2 Pengaruh Volume Sampel Terhadap Proses Pengeringan Menggunakan Microwave

Sub-bab 4.2 membahas tentang performa modified microwave melalui variasi volume air yang

dikeringkan. Gambar 2(a) menunjukkan pengaruh volume air terhadap besarnya penyerapan

gelombang mikro oleh air. Volume air divariasikan di antara 20 – 700 ml dengan lama pemanasan

selama 300 detik. Gambar 2(a) menunjukkan bahwa semakin kecil volume sampel yang dipanaskan,

semakin kecil penyerapan gelombang mikro yang terjadi. Namun, apabila volume sampel yang

dipanaskan semakin besar, penyerapan gelombang mikro juga akan semakin besar.

Gambar 2(a) juga menunjukkan perbedaan antara perhitungan teoritik penyerapan gelombang mikro

dan hasil percobaan pada microwave berdaya 950 Watt. Perbedaan penyerapan daya microwave antara

data teoritik dan hasil percobaan pada sampel bervolume < 300 ml terjadi karena proses penguapan

dan perubahan temperatur sampel. Proses penguapan akan mengakibatkan volume air berkurang

sehingga penyerapan daya berkurang. Pada saat yang bersamaan, penyerapan daya yang lebih kecil

menyebabkan kenaikan temperatur yang lebih kecil. Kenaikan temperatur yang lebih kecil

menyebabkan penurunan nilai dielektrik air lebih kecil sehingga penyerapan daya lebih besar. Daya

yang diserap akibat perubahan nilai dielektrik air lebih besar daripada penurunan daya terserap akibat

proses penguapan. Akibatnya, hasil percobaan menunjukkan nilai yang lebih besar daripada

perhitungan teoritik. Pada sampel bervolume > 300 ml, air yang teruapkan lebih sedikit sehingga

perbedaan antara data teoritik dan hasil percobaan tidak terlalu besar. Selain itu, tidak ada batas atas

penyerapan gelombang mikro pada perhitungan teoritik sehingga besarnya penyerapan akan

berbanding lurus dengan volume sampel yang dikeringkan.

Gambar 2 Pengaruh volume sampel terhadap (a) penyerapan dan (b) efisiensi penyerapan energi

B.1112.3.42.A/6

Gambar 2(b) menunjukkan pengaruh volume sampel terhadap efisiensi rata-rata penyerapan

gelombang mikro. Gambar 2(b) menunjukkan bahwa efisiensi penyerapan gelombang mikro pada daya

665 Watt lebih baik daripada efisiensi penyerapan gelombang mikro pada daya 950 Watt. Efisiensi

penyerapan gelombang mikro maksimal adalah sebesar 42,1% untuk daya 950 Watt. Sedangkan

efisiensi pada paparan daya 665 Watt mencapai 45,5%. Hal ini terjadi karena daya microwave tidak

dapat diubah sepenuhnya menjadi energi termal oleh sampel, sehingga banyak gelombang mikro yang

diteruskan atau dipantulkan kembali.

4.3 Prinsip Kerja Microwave

Gambar 3(a) menunjukkan pengaruh waktu terhadap penyerapan gelombang mikro. Semakin tinggi

suhu sampel, waktu yang dibutuhkan untuk melakukan polarisasi semakin cepat sehingga energi yang

diserap sampel lebih banyak dan pembangkitan panas di dalam sampel terjadi lebih cepat. Pada awal-

awal proses pemanasan, polarisasi dipol listrik permanen mendominasi waktu pemanasan sehingga

pembangkitan panas kurang efektif. Setelah 30 detik, polarisasi dipol listrik permanen semakin cepat

dan mulai stabil setelah 300 detik.

Gambar 3(b) menunjukkan pengaruh waktu terhadap efisiensi penyerapan gelombang mikro.

Penyerapan gelombang mikro oleh sampel yang dipaparkan oleh daya microwave sebesar 665 Watt

lebih efisien daripada sampel yang dipaparkan pada daya microwave sebesar 950 Watt.

Ketidakefisienan pada microwave terjadi karena banyaknya energi yang hilang pada yang disebabkan

sampel tidak mampu mengolah daya yang diterima sehingga gelombang mikro diteruskan atau

dipantulkan kembali oleh sampel.

Gambar 3 Pengaruh waktu pengeringan terhadap (a) penyerapan dan (b) efisiensi penyerapan energi

Osilasi terjadi karena magnetron, sumber gelombang mikro, mengalami overheated sehingga tidak

dapat membuat gelombang mikro dengan baik. Penjelasan ini diperkuat dengan penjelasan dari buku

manual microwave yang mengatakan bahwa pelepasan daya microwave akan menurun secara otomatis

setelah microwave bekerja selama 1 jam atau magnetron terlalu panas dan pelepasan daya microwave

akan kembali normal setelah magnetron mengalami pendinginan. Beberapa penelitian yang

memperkuat hal ini adalah percobaan Cheenkachorn dkk. (2010) yang meneliti tentang pengaruh

waktu “on-off” dalam operasi microwave vakum yang menunjukkan bahwa variasi pulsed-mode

heating yang tepat akan meningkatkan penyebaran panas di dalam sampel yang dipanaskan.

4.4 Pengaruh Penetration Depth dan Diameter Tetesan Air terhadap Kecepatan Pengeringan

Hukum Lambert mengatakan jika sampel memiliki kedalaman yang lebih besar daripada penetration

B.1112.3.42.A/7

depth gelombang mikro, paparan gelombang mikro di sepanjang sampel akan berkurang secara

eksponensial sesuai dengan kedalaman sampel tersebut. Namun, jika kedalaman sampel jauh lebih

kecil daripada penetration depth, laju perpindahan panas di dalam sampel akan semakin cepat. Gambar

4 menunjukkan bahwa penetration depth dari gelombang microwave yang digunakan adalah 2,75 cm.

Hal ini menunjukkan bahwa pengeringan dengan menggunakan microwave akan efektif pada sampel

yang memiliki radius sebesar < 2,75 cm. Sampel yang memiliki radius > 2,75 cm tidak efektif dalam

penyerapan panas karena pembangkitan panas tidak terjadi di pusat sehingga penyebaran panas

menjadi tidak merata.

Cara lain untuk menentukan penetration depth adalah mengunakan persamaan 8.

Penetration depth gelombang mikro pada temperatur ± 25 oC

Penetration depth gelombang mikro pada temperatur ± 100 oC

Terdapat perbedaan yang cukup berarti pada hasil perhitungan rata-rata penetration depth dan uji lab

yang dilakukan, yaitu galat sebesar 17,91 %. Faktor yang mungkin menyebabkan hal ini terjadi adalah

volume sampel yang dipanaskan relatif kecil sehingga kecepatan perpindahan panas yang cepat masih

dapat terjadi.

Gambar 4 Pengaruh diameter sampel terhadap penyerapan gelombang mikro

5. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung

(FTI – ITB) yang telah memberikan dana Bantuan Operasional Perguruan Tinggi Negeri (BOPTN).

6. LITERATUR

Barbosa-Cánovas, G.V. and H. Vega-Mercado. 1996. Dehydration of Foods. New York: Chapman &

Hall.

Bradshaw, S. M., Van Myk, E. J., dan De Swardt, J. B. 1998. Microwave heating principles and the

application to the generation of granular activated carbon. The journal of The South African

Institute of Mining and Metallurgy 201 – 212.

Cheenkachorn, Kraipat, Piyawat Jintanatham, dan Sarun Rattanaprapa. 2010. Drying of papaya

B.1112.3.42.A/8

(Cariya papaya L.) using microwave vacuum dryer. World Academy of Science, Engineering and

Technology 69 (20), halaman 899 – 903.

Decareau, R. V. dan Peterson, R. A. 1986. Current state of microwave processing. In Microwave-

Processing and Engineering, Ellis Horwood, Chichester, UK, halaman 22 – 23.

Durance, T. D., dan Wang, J. H. 2002. Energy consumption, density, and rehydration rate of vacuum

microwave and hot-air convection-dehydrated tomatoes. Journal of Food Science 67 (6) : 2212 –

2216.

Giri, S.K. dan Prasad, S. 2007. Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum

and convective hot-air dried mushrooms. Journal of Food Engineering 78 (2) : 512 – 521.

Karimi, F. 2010. Properties of the drying of agricultural product in microwave vacuum: a review

article. Journal of Agricultural Technology 2010 volume 6(2): 269 – 287.

Metaxas, A. C. dan Meredith, R. J. 1983. Industrial Microwave Heating, I. E. E. Power Eng. Ser. 4,

Peter Peregrinus, London.

Moran, Michael J. dan Shapiro, Howard N. 1996. Fundamentals of engineering thermodynamics.

United States of America : John Wiley & Sons, Inc.

Mousa, N, dan Farid, M. 2002. Microwave vacuum drying of banana slices. Drying Technology, 20

(10): 2055 – 2066.

Somogyi L. P. dan B. S. Luh. 1986. Dehydration of Fruits. In: Woodrof, J. G dan B. S. Luh (Eds.

1986). Commercial Fruit Processing. 2nd

Edition. New York: Van Nostrand Reinhold.

Therdthai, N. dan Zhou, W. 2009. Characterization of microwave vacuum drying and hot air drying og

mint leaves (Mentha cordifolia Opix ex Fresen). Journal of Food Engineering 91 (3): 482 – 489.

Yousefi, T., Mousavi, S. A., Saghir, M. Z., dan Farahbakhsh, B. 2013. An investigation on the

microwave heating of flowing water: a numerical study. International Journal of Thermal Sciences

71: 118 – 127.

7. SIMBOL

c : kecepatan cahaya di ruang vakum (3,0x108 m/s)

D : vektor perpindahan listrik

ε0 : permitivitas absolut di ruang angkasa atau vakum (8,854x10-12

F/m)

εabs : permitivitas absolute material yang dipanaskan (εabs = εrε0)

εr : permitivitas kompleks

ε’ : dielectric constant

ε” : dielectric loss factor

E : kekuatan medan listrik (V/m)

f : frekuensi (Hz)

H : kekuatan medan magnet (A/m)

k : konduktivitas panas (W/m-1

K-1

)

tan δ : loss tangent (tan δ = ε”/ε’)

λ : panjang gelombang cahaya di ruang vakum

μ : permeabilitas material