BAB I - IPB Repository

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tomat (Lycopersicum Esculentum Mill)
Tomat dengan nama botani Lycopersicum Esculentum Mill merupakan
sayuran buah yang berasal dari kawasan Peru dan Ekuador. Pada tahun 1811,
tanaman tomat mulai menyebar ke negara-negara lain termasuk Indonesia,
terutama
di
dataran
tinggi
(Wijanarko,
1990).
Para
ahli
botani
mengklasifikasikan tanaman tomat sebagai berikut :
Kelas
: Dycotyledonae
Ordo
: Tubiflarae
Famili
: solanaceae
Genus
: Lycopersicon atau Lycopersicum
Spesies
: Lycopersicon esculentum L. korst atau Lycopersicum
esculentum Mill
Menurut Tugiyono (2007), tanaman tomat adalah tanaman setahun yang
berbentuk perdu atau semak dan termasuk ke dalam golongan tanaman
berbunga (angiospermae). Bentuk daunnya bercelah menyirip tanpa stippelae
(daun penumpu), jumlah daunnya ganjil antara 5-7 helai. Batang tomat tidak
sekeras tanaman tahunan tetapi cukup kuat dan warna batang hijau dan
berbentuk persegi empat sampai bulat. Pada permukaan batangnya ditumbuhi
banyak rambut halus terutama di bagian berwarna hijau. Diantara rambutrambut tersebut biasanya terdapat rambut kelenjar. Pada bagian bukubukunya terjadi penebalan dan kadang-kadang pada bagian buku bagian
bawah terdapat akar-akar pendek.
Bunga tomat termasuk jenis bunga sempurna artinya daun bunga,
benang sari, dan putik terdapat pada satu bunga (Wijanarko, 1990). Bunga
tomat tersusun dalam tandan yang terletak diantara ruas batang, terdiri dari
lima benang helai kelopak bunga, lima helai mahkota yang berwarana kuning,
lima benang sari yang muncul dari dasar mahkota serta kepala putik. Tomat
pada umumnya menyerbuk sendiri (Thompson dan Kelly, 1979). Pada
umumnya, dalam satu tandan terdapat 5-10 bunga.
4
Kandungan gizi dalam tomat yang sangat tinggi mendorong tingginya
konsumsi masyarakat akan tomat. Buah tomat banyak mengandung vitamin
A, vitamin C, mineral , dan lycopene. Kandungan vitamin dalam tomat yaitu
vitamin A dan C dapat membantu penyembuhan penyakit buta malam,
memelihara kesehatan gigi dan gusi, dan mempercepat penyembuhan luka.
Selain vitamin kandungan gizi tomat yang tak kalah penting ialah lycopene
yang memberikan warna merah pada tomat, diyakini merupakan antioksidan
yang jauh memilki khasiat dibanding beta karotin. Seperti antioksidan yang
lain, lycopene melindungi tumbuhnya radikal-radikal bebas yang berbentuk
dalam tubuh akibat polusi, rokok dan sinar ultraviolet. Lycopene dapat
membantu dari kerusakan sel yang dapat berakibat kanker dan penyakit lain.
Temperatur bulanan rata-rata yang sesuai untuk pertumbuhan tomat
berkisar antara 21-24 oC, sedangkan temperatur malam yang sesuai bagi
pembentukan bunga dan buah berkisar antara 15-20 oC. Untuk pertumbuhan
dan hasil yang baik, tomat memerlukan penyinaran matahari sepanjang
(Thompson dan Kelly, 1979). Pembentukan buah sangat ditentukan oleh
faktor temperatur malam hari. Pengalaman dari berbagai negara membuktikan
bahwa temperatur yang terlalu tinggi di waktu malam menyebabakan
tanaman tomat tidak dapat membentuk bunga sama sekali, sedangkan pada
temperatur kurang dari 10 oC tepung sari menjadi lemah tumbuhnya dan
banyak tepung sari yang mati, akibatnya hanya sedikit yang terjadi
pembuahan (Tugiyono, 2007).
2.2 NFT (Nutrient Film Technique)
NFT (Nutrient Film Technique) adalah metode budidaya secara
hidroponik yang akar tanamannya berada di lapisan air dangkal tipis (3-10
mm) seperti film, dimana nutrisi dapat tersirkulasi sesuai kebutuhan tanaman.
Pada sistem hidroponik secara NFT, akar tanaman terendam dalam larutan
nurisi yang bersirkulasi selama 24 jam terus menerus. Sebagian akar
terendam dan sebagian lainnya berada di atas permukaan air.
Pada sistem NFT, tanaman ditegakkan di bedeng berbentuk segi empat
(untuk mencegah terjadi deoksigenasi) yang biasanya digunakan untuk talang
5
rumah, juga dari fiberglass yang dirancang khusus. Bedeng-bedeng disusun
dengan kemiringan 1-5% sehingga larutan nutrisi mengalir dari bagian atas ke
bawah karena pengaruh gravitasi bumi. Larutan nutrisi berasal dari sebuah
tangki air dengan kapasitas sesuai populasi tanaman. Larutan nutrisi
dipompakan dengan sebuah pompa dari tangki air ke bedeng. Setelah
mengalir disepanjang bedeng, larutan nutrisi ini keluar dari outlet kemudian
ditampung di tangki lagi. Selanjutnya larutan nutrisi kembali dipompakan ke
dalam bedeng. Sirkulasi larutan nutrisi dilakukan terus-menerus.
Menurut Chadirin (2006), keuntungan menggunakan sistem NFT
adalah sebagai berikut :
1. Sistem NFT dapat mempersingkat masa tanam karena tanaman
tumbuh lebih cepat dari tanaman yang dibudidayakan secara
konvensional di tanah, sehingga dapat menambah musim tanam per
tahunnya.
2. Pemberian nutrisi lebih mudah terkontrol secara tepat sesuai denagn
kebutuhan tanaman.
3. Terhindar dari kekringan karena nutrisi dan air disirkulasikan secara
teratur ke daerah perakaran tanaman.
4. Pengendalian temperatur lebih mudah dilakukan dengan cara
mengotrol temperatur larutan pada tingkat yang optimum bagi
daearah perakaran tanaman.
5. Tidak diperlukan sterilisasi tanah.
6. Hemat biaya nutrisi, karena pupuk/nutrisi dan air diberikan kepada
tanaman secara sirkulasi sehingga tidak ada yang terbuang.
Hidoponik NFT dikategorikan sebagai sistem tertutup. Kekurangan
sistem ini adalah apabila terjadi akar dari salah satu tanaman terserang
penyakit maka seluruh tanaman akan menular dalam waktu singkat.
Hidroponik secara NFT membutuhkan pasokan aliran energi listrik secara
terus menerus. Apabila pasokan listrik selama beberapa jam saja terhenti
maka seluruh tanaman dalam sistem NFT terancam mati total.
6
2.3 Rekayasa Termal
Persoalan terbesar pemanfaatan rumah tanaman di daerah tropika basah
adalah sangat tingginya temperatur udara pada siang hari ketika cuaca cerah,
sedangkan evaporative cooling yang relatif efektif jika digunakan di daerah
kering juga tidak efektif lagi digunakan. Daerah tropika basah, seperti
Indonesia, mendapatkan radiasi matahari penuh 12 jam setiap harinya
sepanjang tahun. Radisasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman
mengakibatkan temperatur udara dalam rumah tanaman meningkat dengan
cepat hingga seringkali melewati kondisi optimum bagi pertumbuhan
tanaman. Beban panas yang timbul pada 80 bedengan tanaman per 10 acre
luasan tanam dilaporkan sebear 590 MJ per hari per 10 acre. Pendinginan
terbatas atau zone cooling dilaporkan dapat mendinginkan temperatur udara
di sekitar tanaman dengan input energi yang minimum (Kojima and
Suhardiyanto, 1991; Suhardiyanto and Matsuoka, 1992).
Zone cooling dilakukan dengan cara mendinginan daerah di sekitar
tanaman saja tanpa perlu mendinginkan volume udara seluruh rumah kaca.
Udara dingin di hembuskan melalui pipa-pipa berlubang yang diletakkan di
sekitar tanaman mampu mendinginkan udara di sekitar tanaman, yakni 2-6oC
lebih rendah dibandingkan dengan daerah yang tidak mendapat hembusan
angin dingin (Suhardiyanto and Matsuoka, 1992 dan 1994).
Pada hidroponik sistem NFT, zone cooling dapat dilakukan dengan cara
mendinginkan larutan nutrisi dalam bak/tangki nutrisi yang selanjutnya
disirkulasikan ke daerah perakaran sepanjang bedeng tanaman (Matsuoka dan
Suhardiyanto, 1992). Chadirin (2006) melaporkan pendinginan larutan nutrisi
dengan menggunakan deep sea water mampu menghemat 78% konsumsi
energi listrik. Matsuoka dan Suhardiyanto (1992) melaporkan bahwa tanaman
tomat dengan temperatur daerah perakaranya dipertahankan pada tingkat 21 oC
sampai 23oC ternyata tumbuh jauh lebih baik dalam sistem NFT dibandingkan
dengan yang berada pada tingkat temperatur daerah perakaranya 25oC sampai
27oC.
7
2.4 Temperatur
Temperatur lingkungan berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi
tanaman dan selanjutnya akan mengendalikan proses biologi dalam tanaman
(Harjadi dan Setyawati, 1996). Temperatur sangat besar pengaruhnya dalam
mendukung atau membatasi pertumbuhan tanaman. Temperatur daun, batang,
dan akar biasanya berada dalam kisaran beberapa derajat dari temperatur
udara dan tanah. Oleh karena itu, pertumbuhan dan metabolisme tanaman
sangat dipengaruhi oleh perubahan temperatur lingkungan (Fitter dan Hay,
1991).
Respon laju pertumbuhan tanaman terhadap satu kisaran temperatur
yang konstan dibagi menjadi tiga bagian, yaitu kisaran temperatur minimum
dan maksimum dimana pertumbuhan tanaman terhenti seluruhnya, dan
kisaran temperatur optimum dimana kecepatan pertumbuhan tertinggi dapat
dipertahankan dengan anggapan bahwa temperatur merupakan faktor
pembatas pertumbuhan (Fitter dan Hay, 1991).
Temperatur optimum untuk pertumbuhan akar umumnya lebih rendah
daripada temperatur untuk pertumbuhan pucuk. Tanaman akan tumbuh baik
pada kisaran temperatur larutan nutrisi dan temperatur lingkungan tertentu.
Tanaman tomat akan tumbuh baik apabila temperatur larutan nutrisi 22 C
meskipun temperatur sekitar tidak mendukung untuk pertumbuhan dan
perkembangan tanaman tomat.
Tanaman tomat akan tumbuh subur jika tanaman mendapat cahaya
matahari yang cukup dan berada pada temperatur yang optimal untuk
pertumbuhan. Temperatur optimal pada siang hari berkisar 25-30 C dan
temperatur pada malam hari berkisar 15-20 C. Temperatur optimal pada
malam hari sangat baik untuk pertumbuhan bunga, karena proses
pembungaan terjadi pada malam hari (Villareal, 1980).
8
2.5 Rumah Tanaman
Menurut Nelson (1978), greenhouse atau rumah tanaman didefinisikan
sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat
tembus cahaya. Cahaya yang dibutuhkan oleh tanaman dapat masuk ke dalam
rumah tanaman sedangkan tanaman terhindar dari kondisi yang tidak
menguntungkan. Selain itu dengan pemakaian rumah tanaman maka
temperatur, kelembaban, cahaya, dan keperluan tanaman yang lain dapat
diatur sampai tanaman (sayuran) musiman dapat ditanaman sepanjang tahun.
Di dalam rumah tanaman, parameter lingkungan yang berpengaruh
terhadap pertumbuhan tanaman, yaitu cahaya matahari, temperatur udara,
kelembaban udara, pasokan nutrisi, kecepatan angin, dan konsentrasi
karbondioksida dapat dikendalikan dengan mudah. Penggunaan rumah
tanaman memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak
sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum
bagi pertumbuhan tanaman (Suhardiyanto, 2009). Di dalam budidaya
tanaman, rumah tanaman dibangun untuk melindungi tanaman dari cuaca
dingin di musim dingin di daerah sub tropis karena rumah tanaman dapat
menjadi tempat untuk bercocok tanam sekalipun di musim dingin.
Penggunaan rumah tanaman di daerah sub tropis ini memungkinkan
petani melakukan rekayasa termal karena lingkungan pertumbuhan tanaman
dibatasi oleh rumah tanaman. Dengan demikian budidaya tanaman masih
dapat dilakukan di musim dingin dalam rumah kaca. Indonesia merupakan
negara tropis yang mengalami musim kemarau dan musim penghujan
sehingga fungsi rumah tanaman lebih ditekankan sebagai sarana pelindung
tanaman terhadap iklim yang tidak menguntungkan, yakni memanfaatkan
rumah tanaman untuk melindungi tanaman dari terpaan curah hujan,
temperatur yang terlalu rendah, dan tiupan anagin yang terlalu kencang.
Selanjutnya dinding rumah tanaman di pasang kain/kawat kasa untuk
melindungi tanaman dari serangan hama dan serangga.
9
2.6 Pindah Panas
Peristiwa pindah panas didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari
satu daerah ke daerah yang lainnya sebagai akibat dari beda temperatur dari
daerah-daerah tersebut (Kreith, 1994). Pindah panas dapat terjadi secara
konduksi, konveksi dan radiasi.
1. Konduksi
Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah
bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur lebih rendah di dalam satu
medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang
bersinggungan secara langsung (Kreith, 1994). Besaran perpindahan panas
konduksi tergantung dari nilai konduktivitas panas suatu bahan.
Menurut Holman (1997), jika dalam suatu bahan terdapat gradien
temperatur (temperature gradient) maka terjadi perpindahan energi atau
panas dari bagian yang bertemperatur tinggi ke bagian yang bertemperatur
lebih rendah.
Besarnya laju aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan
dinyatakan dalam :
qk
kA
dimana : qk
k
dT
………………………………………………….(1)
dx
: laju perpindahan panas (W)
: konduktivitas termal (thermal conductivity) bahan
(W/m.K)
A
: luas penampang benda yang tegak lurus terhadap
aliran panas (m2)
dT
: gradien temperatur (K)
dx
: ketebalan dinding (m)
2. Konveksi
Arus cairan atau gas yang menyerap kalor pada suatu tempat, lalu
bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih
dingin serta memberikan kalornya, disebut arus konveksi (Zemansky dan
Dittman, 1986).
10
Kreith (1994) mengemukakan bahwa perpindahan panas konveksi
berdasarkan cara menggerakan alirannya diklasifikasikan menjadi dua cara
yaitu, konvesi bebas (alami) dan konveksi paksa. Konveksi bebas terjadi
karena adanya perbedaan massa jenis yang disebabkan oleh perbedaan
temperatur, sedangkan konveksi paksa terjadi karena adanya gerak dari luar
misalnya dari pompa atau kipas.
Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dalam persamaan berikut:
qc
hc A(T T f ) ………………………………...……………..(2)
dimana:
qc
: laju perpindahan panas (W)
hc
: koefisien perpindahan panas konveksi
(convection heat transfer coefficient)
(W/m2.K)
T
: temperatur permukaan (K)
Tf
: temperatur fluida (K)
3. Radiasi
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang
bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah bila bendabenda tersebut terpisah di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa di
antara benda-benda tersebut dan energi panas yang berpindah ini disebut
panas radiasi (Kreith, 1994).
Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi, dihitung dengan
menggunakan persamaan :
qr
AT 4 …………………………………………………....(3)
dimana: qr
: laju perpindahan panas (W)
: konstanta Stefan Boltzman,
5.667 x 10-8 W/m2K4
: emisivitas bahan (hitam = 1)
11
2.7 Dasar-dasar Simulasi
Menurut
Syamsa
(2003),
simulasi
komputer
adalah
usaha
mengeksplorasi model-model matematika dari suatu proses atau fenomena
fisik dengan menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran
situasi nyata dengan sebagian besar rinciannya. Sedangkan simulasi proses
adalah penggunaan model matematika untuk menggambarkan secara realistik
perilaku nyata dari system dengan mengukur tanggap dinamik variablevariabel proses yang dipantau, misalnya temperatur, tekanan, dan komposisi
bahan. Dengan memanipulasi atau bekerja dengan model diharapkan :
1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran.
2. Lebih memahami model fisik dan matematika dari fenomena dan
proses.
3. Bereksperimen dengan model.
4. Melalukan pengujian dengan model.
5. Menggunakan model untuk tujuan penelitian dan pelatihan.
Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua
kategori berdasarkan kondisinya yaitu simulasi pada keadaan tunak dan
simulasi dalam keadaan dinamis (Syamsa, 2003). Simulasi keadaan tunak
biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara
iterasi, misalnya untuk menghitung kalkulasi panas dan keseimbangan dari
suatu proses dibawah kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program
simulasi keadaan tunak umum digunakan dalam proses industri seperti
pengukuran boiler dan peralatan turbin untuk laju panas tertentu. Sedangkan
simulasi keadaan dinamis tidak hanya memeperhatikan kalkulasi panas dan
keseimbangan bahan dalam keadaan tunak, tetapi juga kondisi transien dari
perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan menyelesaikan persamaanpersaman diferensial non-linier berjumlah besar dalam waktu nyata, untuk
menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari proses yang
disimulasikan. Laju akumulasi masa dan energi dihitung secara kontinyu dan
diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu untuk
menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti
temperatur, tekanan, dan komposisi bahan.
12
2.8 Metode Komputasi Dinamika Fluida
Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan pemanfaatan
program komputer untuk membuat suatu prediksi apa yang terjadi secara
kuantitaif pada saat fluida mengalir. Dengan menggunakan CFD presiksi
aliran fluida pada berbagai sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif
murah dan waktu yang singkat dibanding dengan metode eksperimen
(Nugraha, 2005).
Secara istilah CFD merupakan suatu teknologi komputasi yang
memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat
yang mengalir. Menurut Zhang (2005), pada dasarnya persamaan-persamaan
fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan parsial
(PDE= Partial Differential Equation) yang merepresentasikan hukum-hukum
konservasi massa, momentum, dan energi.
Untuk memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu, program CFD
harus dapat menyelesaikan persamaan-persamaan yang menerangkan
peristiwa aliran-aliran fluida. Dengan demikian pemahaman tentang sifat-sifat
dasar
aliran
fluida
sangatlah
penting.
Persamaan-persamaan
yang
menerangkan peristiwa aliran fluida berbentuk persamaan diferensial parsial.
Program komputer tidak langsung dapat digunakan untuk menyelesaikan
persamaan tersebut secara langsung. Oleh karena itu, persamaan diferensial
ini ditransformasikan kedalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut
dengan metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995).
Secara umum, proses dalam CFD dibagi dalam tiga tahapan yaitu
prapemrosesan
(pre-processing),
pencarian
solusi
(solving),
dan
pascapemrosesan (post-processing) (Purbaya dan Asmara, 2003).
1. Prapemrosesan
Menurut Tuakia (2008), tahapan ini merupakan langkah pertama
dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Prapemrosesan
terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan memakai
interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya ke
dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Hal-hal yang
dilakukan pada tahap ini meliputi :
13
- Penurunan definisi geometri dari daerah yang dianalisis.
- Pembentukan grid.
- Pemilihan fenomena fisik dan kimia yang terjadi.
- Penentuan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa
jenis, panas jenis dan sebagainya).
- Penentuan kondisi batas yang sesuai agar memudahkan dalam
menganalisis.
Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, temperatur, dan lainlain) didefinisikan pada titik (nodal) didalam tiga sel. Ketepatan CFD
dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum, semakin besar
jumlah sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak
harus selalu seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki varisai
cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak
perubahan (Tuakia, 2008).
2. Pencarian Solusi
Setelah geometri masalah didefininisikan secara numerik melalui
grid-grid, tahap selanjutnya adalah pencarian solusi. Pada tahap ini
persamaan-persamaan matematika yang digunakan untuk memodelkan
aliran didiskritasasi untuk masing-masing grid dan dicari solusinya.
Persamaan atur yang digunakan dalam CFD tergantung dari permasalahan
yang akan dimodelkan (Purbaya dan Asmara, 2003).
Proses pencarian solusi dilakukan dengan menggunakan metode
finite volume, dimana metode ini dikembangkan dari finite difference
khusus (Tuakia, 2008). Algoritma numerik metoda ini terdiri dari beberapa
tahap, yaitu :
- Aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui dengan
menggunakan fungsi sederhana.
- Diskritisasi dengan mensubsitusi hasil aproksimasi ke dalam
aliran dan memanipulasi matematika berikutnya.
- Penyelesaian persamaan aljabar.
14
3. Pasca-pemrosesan
Tahap terakhir dari simulasi menggunakan CFD adalah pascapemrosesan. Pada tahap ini semua solusi dari parameter aliran yang telah
diperoleh untuk setiap grid yang disajikan melalui visualisasi. Visualisasi
solusi ini bertujuan untuk mempermudah memahami solusi yang
dihasilkan oleh software CFD (Purbaya dan Asmara, 2003).
15