Komputasi Perpindahan Gas Respirasi pada Bawang Merah Berbasis X-ray Computed Tomography dan Computational Fluid Dynamics
Ira Ayuningsih, Bayu Nugraha, S.T.P., M.Sc., Ph.D.; Dr. Joko Nugroho Wahyu Karyadi, S.T.P., M.Eng.
2023 | Skripsi | TEKNIK PERTANIAN
Tingkat kebutuhan bawang merah (Allium cepa
L.) yang tidak pernah surut sepanjang tahun menjadi alasan utama diperlukan
adanya penanganan pascapanen yang tepat untuk mempertahankan kualitas bawang
merah. Salah satunya adalah penyimpanan. Di Indonesia, Controlled Atmosphere
Storage telah banyak digunakan untuk memperpanjang umur simpan dan
mempertahankan kualitas produk dalam jangka waktu yang lebih lama dibandingkan
penyimpanan tradisional. Penelitian ini bertujuan untuk memvisualisasi struktur
fisik bawang merah, memetakan konsentrasi gas respirasi (O2 dan CO2)
dan adanya prediksi kerusakan internal, serta mengetahui pengaruh penggunaan
model sederhana (bola) terhadap konsentrasi gas internal. Komputasi perpindahan
gas dilakukan menggunakan X-ray Computed Tomography dan Computational
Fluid Dynamics (CFD) dengan software COMSOL Multiphysics. X-ray CT
digunakan untuk membuat model virtual bawang merah. Pada komputasi menggunakan
CFD, diatur variasi kondisi dengan kondisi batas 0,1 kPa (O2) – 0,1
kPa (CO2); 5,07 kPa (O2) – 2,03 kPa (CO2); dan
0,1 kPa (O2) – 50,66 kPa (CO2). Kondisi-kondisi batas
tersebut disimulasikan pada suhu ruang (27oC) dan suhu dingin (7oC).
Hasil penelitian menunjukkan bahwa scanning X-ray CT mampu untuk
memvisualisasikan bawang merah secara makro dalam bentuk 3-dimensi. Konsentrasi
gas eksternal yang terdapat pada ruang simpan (kotak representative
elementary volume (REV) yang merupakan volume terkecil untuk
merepresentasikan keseluruhan objek dalam ukuran sebenarnya) bawang merah
menunjukkan pemerataan distribusi seiring dengan meningkatnya kecepatan udara
(perbandingan 0,15 m/s dan 1 m/s) yang diinjeksikan melalui sisi inlet. Semakin
besar ukuran umbi bawang merah semakin rendah konsentrasi O2 dan
semakin tinggi konsentrasi CO2 di pusat massa bawang merah. Adapun
kerusakan internal terbesar terjadi pada kondisi 0,1 kPa (O2) – 0,1
kPa (CO2) di suhu ruang yang mencapai nilai RQ sebesar 8 (melebihi
RQ limit (3,49)) dengan prediksi kerusakan 100% (fermentasi total) dan kondisi
0,1 kPa (O2) – 0,1 kPa (CO2) di suhu dingin yang mencapai
nilai RQ sebesar 7 (melebihi RQ limit (3,38)) dengan prediksi kerusakan 40,98%.
Dalam hal ini, model geometri sederhana (bola) tidak mampu memprediksi gradien
konsentrasi gas dan kerusakan internal yang terjadi selama penyimpanan.
The level of demand for onions (Allium cepa L.) that
never recedes throughout the year is the main reason for the need for proper
post-harvest handling to maintain the quality of onions. One of them is
storage. In Indonesia, Controlled Atmosphere Storage has been widely used to
extend shelf life and maintain product quality for a longer period than
traditional storage. This study aims to visualize the physical structure of
onions, map the concentration of respiration gases (O2 and CO2) and the
prediction of internal browning, and determine the effect of using a simple
model (sphere) on internal gas concentration. Computation of gas transfer was
performed using X-ray Computed Tomography and Computational Fluid Dynamics
(CFD) with COMSOL Multiphysics software. X-ray CT was used to create a virtual
model of onions. In the computation using CFD, a variety of treatments with
boundary conditions of 0.1 kPa (O2) - 0.1 kPa (CO2); 5.07
kPa (O2) - 2.03 kPa (CO2); and 0.1 kPa (O2) -
50.66 kPa (CO2) were set. The boundary condition treatments were
simulated at room temperature (27oC) and cold temperature (7oC).
The results showed that X-ray CT scanning was able to visualize onions macro in
3-dimensional form. The external gas concentration in the onion storage room (representative
elementary volume (REV) box which is the smallest volume to represent the whole
object in real size) shows equitable distribution as the air velocity (0.15 m/s
and 1 m/s comparison) injected through the inlet side increases. The larger the
size of the onion bulb, the lower the O2 concentration and the
higher the CO2 concentration at the center of the shallot mass. The
largest internal damage occurred in the 0.1 kPa (O2) - 0.1 kPa (CO2)
treatment at room temperature which reached an RQ value of 8 (exceeding the RQ
limit (3.49)) with a prediction of 100?mage (total fermentation) and the 0.1
kPa (O2) - 0.1 kPa (CO2) treatment at cold temperature
which reached an RQ value of 7 (exceeding the RQ limit (3.38)) with a
prediction of 40,98?mage. In this case, the simple geometry model (sphere)
was not able to predict the gas concentration gradient and internal damage that
occurred during storage.
Kata Kunci : CFD, karbon dioksida, kerusakan internal, oksigen, penyimpanan