Perpindahan Panas dan Massa pada Proses Sangrai Kopi

Proses sangrai kopi adalah unit operasi yang menentukan green bean (produk mentah) berubah menjadi roasted bean (produk jadi) pada proses produksi kopi. Dalam proses ini, perpindahan panas adalah salah satu variabel utama yang menjadi kunci untuk menentukan profil sangrai1. Proses sangrai kopi dapat sederhanakan sebagai proses penyerapan panas pada fase awal sangrai dan pelepasan panas pada fase akhir sangrai2. 

Pada kopi sangrai juga terjadi perubahan berat timbang yang menunjukan adanya proses perpindahaan massa selama proses sangrai kopi, perpindahan massa pada proses sangrai kopi dipengrahi oleh perubahan kadar air (moisture loss) selama proses sangrai. Dengan itu maka mengetahui mekanisme perpindahan panas dan massa pada proses sangrai kopi akan memberikan kemampuan prediksi untuk merancang proses pindah panas dan massa yang lebih baik pada proses sangrai kopi.

Pemodelan perpindahan panas dan massa pada proses sangrai kopi harus mempertimbangkan fenomena fisikokimia yang terhadap kopi oleh perubahan parameter pada mesin sangrai. Beberapa fenomena fisiko-kimia yang telah diamati oleh (Hernandez et.al, 2007) adalah pirolisis yaitu perubahan kimiawi karena proses termal pada kondisi tanpa oksigen. 

Pirolisis pada suhu 190oC menyebabkan oksidasi, reduksi, hidrolisis, polimerisasi, dekarboksilasi, dll. Pada suhu diatas 250oC diamati perubahan pola dari ekponensial menjadi pola tak beraturan, fenomena ini disebut overroast dimana biji kopi mulai hangus. (Fadai et. al, 2017) mengamati perubahan fase dari solid (struktur selulosa dan molekul organik), liquid (air), dan gas (uap air dan CO2) serta tekanan yang disebabkan uap air adalah komponen penting untuk memodelkan perpindahan massa dan panas pada proses sangrai kopi.

Hernandez et. al menguji model matematis yang diusulakn oleh (Schawartzberg, 2002) yaitu :

Model perpindahan massa/moisture loss umum

Model ini mengikuti persamaan Arrhennius yang diturunkan dari hasil eksperimen dimana X : kadar air (kgair/kgmassa kering); Tb: temperatur internal biji kopi (oC) dan dp = diameter biji efektif. Model ini digunakan untuk mensimulasikan perubahan kadar air dan dibandingkan dengan hasil eksperimen, hasilnya adalah sebagai berikut :

Hasil simulasi ternyata menghasilkan kadar air yang terlalu rendah setelah proses sangrai selama 300s. Hal ini dapat disebabkan karena model yang disimulasikan bergantung terhadap suhu pemanasan, saat biji kopi mencapai suhu eksotermis di waktu 300s, perpindahan panas menjadi sangat rendah sehingga model yang hanya berdasarkan perubahan suhu menjadi tidak relevan.

Model Heat-transfer Umum

Model dTb/dt yang merupakan perubahan suhu internal biji kopi terhadap waktu dipengaruhi oleh Tae dan Tas (suhu udara masuk dan udara keluar), G (laju alir dari massa udara, kg/s), Cpa dan Cpb (kapasitas panas dari udara dan biji kopi, kJ/kgoC), mbs (berat kering biji kopi), Lv (panas laten vaporasi, 2790 kJ/kg), Qa-m (transfer panas dari udara ke metal/dinding mesin sangrai), dan Qm-b m (transfer panas dari metal ke biji kopi.) Karena transfer panas dari udara ke metal dan metal ke biji kopi dapat diamati dari panas yang dihasilkan dari proses sangrai (Qr mbs) maka persamaan diatas disederhanakan menjadi :

Pada suhu dibawah 240C hasil simulasi dapat menghasilkan hasil eksperimen secara baik, tapi pada suhu 3000C hasil simulasi tidak sesuai dengan hasil eksperimen, hal ini disebabkan oleh model yang dibuat oleh Schawartzberg hanya berdasarkan hasil eksperimen disuhu dibawah 2400C sehingga fenomena overroast tidak tersimulasikan dengan baik.