Analisis Termodinamika pada Pengeringan Gabah Padi

Catatan Tugas Mata Kuliah TK2091 Termodinamika Proses

 

Abstrak

Penanganan pascapanen komoditas pertanian dilakukan agar bahan hasil pertanian dapat diolah dan disimpan dengan kualitas yang tidak berbeda dibandingkan sesaat setelah panen. Salah satu penanganan pascapanen yang dilakukan adalah pengeringan. Pengeringan merupakan usaha mengurangi sejumlah massa air dari dalam bahan. Pengeringan berguna untuk mencegah kerusakan bahan lebih lanjut akibat aktivitas enzimatis, mekanis, dan biologis (terkena jamur, bakteri, atau mikroorganisme lainnya) karena kandungan air yang berlebihan di dalam bahan.

Beras merupakan komoditas pertanian yang banyak tersebar di Indonesia karena beras dijadikan sumber makanan pokok orang Indonesia, yakni nasi. Beras berasal dari gabah yang diolah setelah dipanen. Sebelum dipasarkan, gabah padi ditangani melalui proses-proses, salah satunya proses pengeringan. Komponen mutu gabah, yang terdiri dari kadar air, densitas gabah, rasio P/L, penampakan (grain appearance) dan derajat sosoh, harus dijaga agar menghasilkan beras yang berkualitas. Kadar air adalah komponen mutu yang akan disorot di sini. Kadar air adalah persentase kandungan air suatu bahan yang dapat dinyatakan berdasarkan berat basah (wet basis) atau berdasarkan berat kering (dry basis). Kadar air berat basah mempunyai batas maksimum teoretis sebesar 100 persen, sedangkan kadar air berdasarkan berat kering dapat lebih dari 100 persen. Kadar air yang seharusnya terdapat dalam gabah sebeum dipasarkan adalah sama dengan atau kurang dari 14% (dalam basis basah) agar gabah lebih kuat pada saat digiling serta lebih tahan terhadap kerusakan. Oleh karena itu, agar memenuhi standar simpan padi, kadar air gabah seharusnya berkisar antara 13—14%. Jika terlalu basah, padi akan terasa lunak atau lembek sehingga pada saat proses penggilingan akan menyebabkan padi menjadi patah. Tentunya, ada beberapa aspek dalam pemenuhan kadar air gabah padi agar sesuai yang diinginkan melalui pengeringan. Maka dari itu, di sini diulas seputar pengeringan gabah padi.

Pengeringan dan Mekanismenya

Pengeringan adalah suatu operasi ilmiah yang meliputi perpindahan panas dan massa secara transien serta beberapa laju proses, seperti transformasi fisik atau kimiawi yang pada gilirannya dapat menyebabkan perubahan mutu hasil maupun mekanisme perpindahan panas dan massa. Pengeringan terjadi melalui penguapan cairan dengan pemberian panas ke bahan material panas. Pengeringan dapat dilakukan dengan dua cara: pengeringan secara konvensional (dijemur langsung di bawah sinar matahari) dan pengeringan dengan menggunakan mesin. Gabah padi yang dijemur langsung di bawah sinar matahari disebar secara merata di atas dataran terbuka lalu dikeringkan oleh matahari sampai kadar air dalam gabah padi mencapai kadar air yang diinginkan. Namun, metode ini memiliki kelemahan, yaitu adanya risiko tercemar kotoran, mudah hilang (berkurang jumlahnya) karena dimakan binatang, dan rentan terpapar hujan sehingga penurunan massa air dalam gabah padi tertunda serta hal tersebut memengaruhi kualitas gabah padi.

 

Cara yang lebih efektif untuk mengeringkan gabah padi adalah dengan menggunakan mesin pengering. Mesin pengering menyediakan panas secara konveksi (pengeringan aliran langsung), konduksi (pengeringan sentuh), atau radiasi dengan gelombang mikro ataupun gelombang radio. Selain pengeringan dengan memanfaatkan perpindahan panas, pengeringan dengan menggunakan mesin juga bisa dilakukan dengan metode pengeringan beku (freeze drying), pengeringan vakum (vacuum drying), atau pengeringan filtrasi osmotik. Filtrasi osmotik merupakan metode pengeringan nontermal karena filtrasi osmotik memanfaatkan tekanan osmotik agar terjadi dehidrasi pada bahan. Sementara itu, agar diperoleh kadar air yang diinginkan dengan efektif, gabah padi lebih seirng dikeringkan secara termal.

Mesin pengering biasanya terdiri dari tenaga penggerak dan kipas, unit pemanas (heater), serta alat-alat kontrol. Mesin pengering buatan dibagi ke dalam dua tipe, tipe batch dryer dan tipe continuous dryer. Setelah itu, masing-masing tipe pengering buatan dibagi lagi ke dalam beberapa jenis.

 

Jenis-jenis batch dryer:

• Deep bed dan
• Thin layer.
  

 

Gambar 1. Pengering Deep Bed

(Sumber: Daulay, 2005)

 

 Gambar 2. Pengering Thin Layer

(Sumber: Daulay, 2005)

Jenis-jenis continuous dryer:

• Tunnel dryer dan
• Drums dryer.

 

Gambar 3. Pengering Tunnel Dryer

(Sumber: Daulay, 2005)

 

Gambar 4. Pengering Drums Dryer

(Sumber: Daulay, 2005)

Keawetan gabah padi berkaitan dengan kandungan airnya. Kandungan air dalam gabah padi memiliki hubungan dengan keaktifan air pada gabah padi. Keaktifan air dinyatakan sebagai berikut:

Keterangan:

A_w: Keaktifan air

f: Fugasitas pelarut

f₀: Fugasitas pelarut murninya

 

Mekanisme pengeringan adalah bagian terpenting dalam teknik pengeringan karena dengan mengetahui mekanisme pengeringan, dapat diperkirakan jumlah energi dan waktu proses optimum untuk tujuan pengawetan dengan pengeringan.

 

Grafik Psikrometrik dan Kurva Pengeringan

Psikrometri adalah bidang yang mempelajari tentang bagaimana menentukan sifat-sifat fisis dan termodinamik suatu gas yang didalamnya terdapat campuran antara gas dan uap. Dalam pengeringan, yang ditentukan sifat-sifatnya adalah sifat-sifar campuran udara dan uap air. Adapun sifat-sifat tersebut adalah dry bulb temperature (T_DB), wet bulb temperature (T_WB), dew point, relative humidity, humidity ratio, entalpi (enthalpy), dan volume spesifik (specific volume).

 

Gambar 5. Contoh Grafik Psikrometrik dengan Menggunakan Satuan SI

Untuk mengetahui langsung hubungan antara berbagai parameter udara yang berkaitan dengan sifat fisik dan sifat termodinamik udara dapat digunakan grafik psikrometrik (psychrometric chart). Grafik psikrometrik adalah alat bantu untuk melakukan perencanaa tata udara sehingga perhitungan matematis yang rumit tidak diperlukan. Grafik psikrometrik merupakan tampilan secara grafikal sifat termodinamik udara antara lain suhu, kelembapan, entalpi, kandungan uap air, dan volume spesifik.

 

Dalam pengeringan gabah padi, grafik psikometrik berguna untuk menentukan proses pengeringan yang sesuai keadaan lingkungan, yaitu udara panas yang digunakan untuk mengeringkan gabah padi. Pengeringan seperti ini disebut pengeringan buatan. Pengeringan buatan dibagi menjadi dua: pengeringan isotermal (isotermik) dan pengeringan adiabatik. Pengeringan isotermal adalah pengeringan yang didasarkan atas adanya kontak langsung antara bahan pangan dan lembaran logam yang panas (konduksi). Pengeringan adiabatik adalah pengeringan yang menggunakan panas yang dibawa ke alat pengering oleh udara panas (konveksi). Udara yang telah dipanaskan memberi panas pada bahan pangan yang akan dikeringkan. Proses pengeringan secara isotermal dan proses pengeringan secara adiabatik dapat dibandingkan dengan grafik psikrometrik seperti berikut:

 

Gambar 6. Proses Pengeringan Secara Isotermal

 

Gambar 7. Proses Pengeringan Secara Adiabatik

Pada proses pengeringan secara isotermal, terjadi peningkatan suhu bola kering, suhu bola basah, entalpi, dan volume spesifik dari udara lembab, sedangkan kelembaban relatif menurun, dan perubahan tidak terjadi pada kelembaban mutlak, suhu titik embun, dan tekanan uap. Pada proses pengeringan secara adiabatik, terjadi penurunan suhu bola kering, sedangkan suhu titik embun dan kelembaban mutlak terjadi peningkatan kemudian entalpi dan suhu bola basah tidak terjadi perubahan. Dengan entalpi pada pengeringan adiabatik tidak berubah (ΔH = 0), energi pengeringannya lebih kecil karena panas yang berpindah mengalir bersama massa dari zat yang menyalurkan panas.

 

Kebutuhan Energi dan Perpindahan Panas di Sistem

Saat sebuah material padat basah dikenai pengeringan termal, ada dua proses yang timbul secara bersamaan:

1. Transfer atau perpindahan energi biasanya dari lingkungan sekitar untuk menguapkan kelembapan permukaan.
2. Perpindahan kelembapan internal ke arah permukaan padatan dan penguapan lanjutan karena proses nomor 1 tadi.

Energi yang dibutuhkan dalam pengeringan terutama adalah berupa energi panas untuk meningkatkan suhu dan menambah tenaga pemindahan air. Sumber energi untuk mesin pengering gabah bermacam-macam, yaitu surya (matahari), listrik, biomassa, minyak diesel (solar), atau minyak bensin. Sumber energi ini juga yang akan menyuplai energi yang dibutuhkan agar mesin pengering gabah padi dapat bekerja. Di sini diberikan beberapa contoh persamaan energi yang dibutuhkan dari sumber-sumber tertentu (Burlian, 2011 dalam Panggabean dkk., 2017).

Energi surya:

Keterangan:

Q_surya: Energi dari matahari yang dibutuhkan (J)

A: Luas permukaan yang terkena radiasi (m²)

I_r: Iradiasi surya (W/m²)

t: Waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan (s)

 

Energi listrik:

Keterangan:

Q_listrik: Energi dari listrik (W.h)

P: Daya listrik (W)

t: Waktu pengeringan (jam)

 

Energi biomassa:

Keterangan:

Q_biomassa: Energi dari biomassa (kJ)

m_biomassa: Massa biomassa (kg)

q_kb: Nilai kalor biomassa (kJ/kg)

 

Waktu proses berkaitan dengan laju pengeringan dan tingkat kerusakan yang dapat dikendalikan akibat pengeringan.

 

Panas (kalor) itu sendiri adalah bentuk energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Perpindahan kalor adalah transisi energi termal dari suhu panas ke suhu yang lebih dingin. Tidak jarang, perhitungan matematika, yakni kajian persamaan diferensial, persamaan trigonometri, persamaan polinomial, dan lain-lain, digunakan untuk menentukan energi dan perpindahan panas yang dibutuhkan dalam sistem pengeringan gabah padi. Namun, hukum-hukum yang berlaku untuk kebutuhan energi dan perpindahan panas tidak semuanya matematis karena itu diamati dari kondisi-kondisi yang menentukan apakah hukum itu dilanggar atau tidak, seperti pernyataan Clausius. Hukum tersebut, berkaitan dengan Hukum Termodinamika II, menyebabkan mesin pengering gabah padi dapat bekerja dalam mengurangi jumlah air dalam gabah padi karena adanya perpindahan panas.

 

***

 

Mekanisme pengeringan gabah padi bisa bermacam-macam, bergantung pada metode yang digunakan untuk mengeringkan gabah padi. Biasanya, gabah padi dikeringkan dengan pengaliran panas secara konveksi, yaitu dengan udara panas untuk mengurangi kandungan air dalam gabah padi karena lebih ekonomis untuk petani dan mesin pengering itu sendiri. Proses pengeringan gabah padi tidak jauh dari keterlibatan termodinamika, mulai dari suhu, keaktifan air, fugasitas, energi, dan panas yang diperlukan. Pengaturan energi dan panas dan perpindahan panas melibatkan sumber energi yang dipakai untuk mengeringkan gabah padi.

 

Akan lebih baik jika suatu hari nanti, akan ditemukan mesin pengering gabah padi yang sangat ramah lingkungan dan tidak menghabiskan banyak sumber daya, apalagi yang tidak dapat diperbarui, contohnya bahan bakar fosil. Selain itu, penyuluhan penggunaan mesin pengering gabah padi yang canggih dan lebih modern kepada para petani juga diperlukan.

 

Daftar Pustaka

Adhim, M. M., Wahyudi, M., Yunansha, D., Maulida, N., & Ayu, N. I. P. (2013). Spin Dry-pad: Mesin Putar Pengering Padi Berbasis Sistem Otomasi Untuk Meningkatkan Kualitas Dan Produktivitas Padi Ud Sumber Rejeki. In Pekan Ilmiah Mahasiswa Nasional Program Kreativitas Mahasiswa-Teknologi 2013. Indonesian Ministry of Research, Technology and Higher Education.

Brillian, A., Purwanto, & Rahmadwati. (2015). Pengendalian Temperatur pada Proses Pengeringan Gabah Menggunakan Alat Rotary Dryer Berbasis Mikrokontroler Arduino Uno. Jurnal Mahasiswa TEUB, 3(7), 1—6.

Daulay, S. B. (2005). Pengeringan Padi (Metode dan Peralatan). Jurusan Teknologi Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.

Iswari, K. (2013). Kesiapan Teknologi Panen dan Pascapanen Padi dalam Menekan Kehilangan Hasil dan Meningkatkan Mutu Beras. Jurnal Litbang Pertanian, 31(2), 58—67.

Panggabean, T., Triana, A. N., & Hayati, A. (2017). Kinerja pengeringan gabah menggunakan alat pengering tipe rak dengan energi surya, biomassa, dan kombinasi. Agritech, 37(2), 229—235.

Prihana, Y. W., Rivai, M., & Baki, S. H. (2015). Implementasi Sensor Kapasitif Pada Sistem Pengering Gabah Otomatis. [Skripsi]. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November.

Rahayu, N. (2011). Model Perpindahan Kalor pada Mesin Pengering Padi. [Skripsi]. Semarang: Universitas Negeri Semarang.

Setyono, A. (2010). Perbaikan Teknologi Pascapanen dalam Upaya Menekan Kehilangan Hasil Padi. Pengembangan Inovasi Pertanian, 3(3), 212—226.