Scale Up

Scale-Up of
Food Process
Ahmad Zaki Mubarok
Materi: ahmadzaki.lecture.ub.ac.id
Kajian Peningkatan Skala
studi yang mengolah dan memindahkan data hasil percobaan laboratorium
untuk merancang proses alat atau mesin ke dalam skala yang lebih besar
Ahmad Zaki M., THP UB
1
SCALE-UP adalah pekerjaan mendapatkan hasil
proses yg identik pada tingkat produksi yg lebih besar
dari yang sebelumnya.
Peningkatan kapasitas produksi dilakukan dengan
peralatan yang secara fisik lebih besar daripada yang
dilakukan pada skala kecil / percobaan.
Peningkatan skala dilalui dengan 3 tahap yaitu
(1) skala laboratorium
(2) skala pilot plant
(3) skala industri.
Skala pilot plant merupakan skala untuk
mendapatkan operasi optimal dan kontrol yang
tepat sebelum menuju ke produksi secara
komersial atau industrialisasi.
Ahmad Zaki M., THP UB
2
Prinsip Scale-Up
Scale-up is not choosing larger equipment from
catalogs.
Contoh: kasus pemasakan daging
“rebus 100 gr daging selama 20 menit”
Bagaimana jika merebus 500 gr daging?
→ memperlama waktu masak
Peningkatan skala dengan benar harus dapat:
Mendefinisikan hasil proses yang diinginkan
Mendefinisikan kriteria utama peningkatan skala dalam
parameter (atau sekumpulan parameter) yang menjamin
hasil proses tidak tergantung pada skala, hal ini pada
umumnya dilakukan dengan eksperimen skala ganda
Mendefinisikan kriteria sekunder peningkatan skala.
Parameter proses harus rasional dan dapat diukur
secara kuantitatif.
Ahmad Zaki M., THP UB
3
Scale up is not a simple
linear increase in size
whilst maintaining
geometric similarity
Kesamaan geometris (dimensi)
Landasan peningkatan
skala:
Kesamaan kinetic (velocity)
Kesamaan dinamik (gaya)
Kesamaan Geometri
Prinsip kesamaan geometri ini merupakan landasan peningkatan
skala yang paling banyak digunakan.
Two bodies are geometrically similiar when to every point in the one
body there exist a corresponding point in the other.
The ratio of any two lenghts in the first is the same ratio in the second.
Ahmad Zaki M., THP UB
4
Contoh Hasil Proses yg diinginkan
Subjektif:
• flavor
• tekstur
• aroma
• rasa
Objektif:
• laju transfer panas
• laju transfer massa
• laju reaksi
• dimensionless number
Fundamental:
• temperatur
• tekanan
• konsentrasi
• laju aliran
• viskositas
Contoh Proses Parameter
Fundamental:
• temperatur
• tekanan
• konsentrasi
• laju aliran
• kecepatan
Ahmad Zaki M., THP UB
Hasil perhitungan/pengukuran:
• tip speed
• power / daya
• power per unit volume
• energi per unit volume
• shear rate
• dimensionless number
5
Contoh Kasus Scale-Up
Kasus Homogenisasi → minuman emulsi
Definisikan hasil proses yg diinginkan
misal: ukuran droplet emulsi
Tentukan landasan peningkatan skala:
misal: kesamaan geometris
Tentukan parameter yg berpengaruh thd proses:
misal:
• tip speed
• jumlah energi yg disuplai
• energi per unit volume
Contoh Kasus Scale-Up:
Pemasakan daging dgn oven
Asumsi:
daging berbentuk bola (sphere)
suhu awal daging sama
suhu oven konstan
transfer panas di luar sistem diabaikan
Dapat diselesaikan dgn:
Perumusan prinsip dasar proses pemasakan
Eksperimen lebih dari satu skala
Ahmad Zaki M., THP UB
6
1. Perumusan Prinsip Dasar
Unsteady state heat transfer
Fourier Number: N Fo =
kt
ρ C pD
2
=
α t
D2
α
= difusivitas termal
D = karakteristik dimensi
Dengan asumsi suhu awal daging dan suhu oven konstan,
maka hubungan suhu, waktu, dan dimensi daging dapat
direduksi menjadi:
T = f (t/D2)
Jika massa daging:
m ≈ D3
Maka: T = f (t/m2/3)
T = suhu titik tengah bola daging
t = waktu pemasakan / oven
Volume bola: 4/3. π. r3
m = massa bola daging
Jika suhu akhir titik tengah bola daging telah ditentukan,
persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi aturan
scale-up.
(t/m2/3) = konstan
Ini adalah contoh kasus dimana kajian scale-up tidak
memerlukan eksperimen lebih dari satu skala karena
proses-proses fisik yang terjadi dipahami dengan baik.
Ahmad Zaki M., THP UB
7
2. Desain Eksperimen
Asumsikan bahwa pengetahuan yg dimiliki adalah bahwa
kuantitas panas yg diperlukan utk memasak daging
proporsional thd massa daging tsb.
Rumuskan beberapa hipotesis mengenai pemasakan
daging atau mengenai transfer panas ke dalam daging
Hipotesis 1 : Semua energi radiasi dari oven diserap oleh
bola daging.
Hipotesis 2: Kuantitas panas yang terserap proporsional
dengan luas permukaan bola daging.
Hipotesis 3 : Pergerakan panas analog dengan
pergerakan aliran listrik.
Hipotesis 1
Hipotesis 1 menyatakan bahwa semua energi radiasi
dari dinding, coil, atau burner terserap oleh bola
daging.
Shg waktu pemasakan daging merupakan panas yang
dibutuhkan dibagi dengan input panas, dimana input
panas adalah output daya dari oven.
t ≈ m/P
atau
(t/m) = konstan
Ahmad Zaki M., THP UB
8
Hipotesis 2
Hipotesis 2 menyatakan bahwa laju penyerapan panas
proporsional terhadap luas permukaan penyerapan panas.
Shg waktu pemasakan menjadi proporsional thd massa daging
dibagi dengan luas permukaannya.
Luas permukaan penyerapan panas proporsional thd diameter
kuadrat dari bola daging.
t ≈ m/D2
atau
1/3
(t/m ) = konstan
Hipotesis 3
Hipotesis 3 berhubungan dengan perilaku pergerakan panas
terhadap perilaku laju aliran listrik.
Dlm kasus ini, laju panas digambarkan sbg rasio driving force
thd resistansi.
Resistansi listrik didefinisikan sbg karakteristik dimensi materi
dibagi dengan area dimana listrik mengalir. Menggunakan
analogi yg sama, maka resistansi bola daging:
r ≈ D/D2 atau
r ≈ m-1/3
Ahmad Zaki M., THP UB
9
Hipotesis 3 (cont..)
Driving force : perbedaan suhu antara bola daging dan oven.
Dlm kasus ini driving force = konstan.
Total transfer panas yg dibutuhkan proporsional thd massa
bola daging. Shg waktu untuk mentransfer panas tsb menjadi:
t ≈ mr atau
(t/m2/3) = konstan
Experiments
Percobaan dilakukan untuk mendapatkan waktu pemasakan
daging pada ukuran yg berbeda.
Ahmad Zaki M., THP UB
Massa daging (kg)
Waktu masak (jam)
4,5
4
6,5
5
10
Experiments
Menggunakan pertengahan nilai dari data sebelumnya, data
pada tabel berikut didapatkan sbg kandidat kriteria utama.
Parameter hipotesis
Massa daging
1
2
3
4,5 kg
0,400
1,86
0,862
6,5 kg
0,357
2,07
0,861
Persentase perubahan
10,8
11,2
0,1
Hipotesis 3 merupakan satu-satunya parameter yg memberikan
hasil proses independen thd skala proses.
Experiments
Kriteria utama telah dapat ditentukan, yaitu:
(t/m2/3) = 0,86
Jika data suhu versus waktu pemasakan tersedia, kemudian
suhu diplotkan dengan parameter kriteria utama akan
didapatkan kurva scale-up pemasakan daging yg independen
thd skala proses.
Ahmad Zaki M., THP UB
11
Thank You
Ahmad Zaki M., THP UB
12