BAB I KARAKTERISTIK FISIK PRODUK PERTANIAN Dalam pertanian modern, penanganan dan pengolahan berbagai produk pangan melibatkan berbagai alat dan instrumen secara mekanis, termal, listrik, optik maupun sonik. Aplikasi peralatan tersebut semakin nyata seiring dengan semakin berkembangnya industri pertanian. Pengetahuan dasar tentang sifat listrik dan termal berbagai produk pertanian seperti panas spesifik, konduktivitas listrik, konstanta dielektrik; sifat mekanis seperti perilaku stress-strain, resistensi terhadap kompresi, impak dan geseran (shear), serta koefisien gesek belum sepenuhnya diketahui. Pengetahuan tentang karakteristik ini sangat penting untuk menyediakan data rekayasa yang diperlukan dalam perancangan mesin, struktur, proses dan pengendaliannya; dalam menganalisis dan menentukan efisiensi suatu mesin atau suatu operasi; dalam pengembangan suatu produk pangan baru; serta dalam mengevaluasi dan mempertahankan kualitas produk pangan olahan.
Bentuk, ukuran, volume, luas permukaan, densitas, porositas, warna dan kenampakan adalah berbagai karakteristik fisik produk yang penting dalam berbagai masalah yang terkait dalam rancangan suatu alat dan analisis perilaku produk serta cara penanganan bahan. Bentuk dan ukuran juga penting dalam masalah-masalah distribusi tegangan (stress) berbagai produk yang disimpan dan selama pengangkutan, pemisahan elektrostatis, pantulan cahaya dalam evaluasi warna serta dalam pengembangan alat grading dan sortasi.
Sifat mekanis seperti kekuatan kompresi, resistensi impak dan geseran sangat berperan dalam mempelajari pengecilan atau resistensi terhadap keretakan selama panen dan penanganan. Dari segi energi, informasi tentang kekerasan dapat digunakan untuk menentukan metode terbaik untuk memecah atau menggiling produk biji-bijian.
Kompresibilitas, koefisien gesek, karakteristik ekspansi, kohesi, dan elastisitas penting dalam aliran bahan maupun dalam pengemasan dan penyimpanan. Hal ini terkait dengan jenis alat serta kebutuhan energi yang diperlukan dalam proses pengangkutan menggunakan konveyor atau proses pemisahan. Kerapatan, ukuran, bentuk dan koefisien hambat (drag coeficient) adalah sifat fisik yang digunakan dalam perhitungan kecepatan terminal (terminal velocity) suatu fluida. Untuk pengangkutan pneumatis, kecepatan terminal
bahan harus lebih kecil dari kecepatan udara agar partikel dapat terangkat.
Untuk menghindari terjadinya berbagai kerusakan bahan selama penanganan, maka pengetahuan dasar mengenai sifat-sifat dan karakter fisik bahan mutlak harus diketahui.
1.1. Bentuk dan Ukuran
Fungsi dari kebanyakan mesin pertanian sangat dipengaruhi oleh bentuk dan ukuran bahan yang diproses. Untuk mempelajari suatu proses tertentu, bentuk dan ukuran memegang peranan penting. Contoh, mesin tanam, ayakan (sifter), sistem pengangkutan pneumatis, saringan (mesh), dan lain-lain. Bagian-bagian fungsional alat-alat tersebut tergantung pada bentuk dan ukuran bahan yang diproses.
Pada proses tertentu, selain tergantung pada bentuk dan ukuran juga tergantung pada orientasi dan kerapatan bahan. Dalam hal ini hubungan variabel proses dapat ditulis dalam bentuk fungsional sebagai berikut:
I = f {bentuk, ukuran, orientasi, kerapatan, …} ..… (1.1) Sebagai contoh, dalam menentukan jumlah buah (memiliki ukuran tertentu) dapat ditempatkan dalam suatu wadah dengan dimensi yang diketahui. Jika variabel yang ada pada persamaan (1.1) dimisalkan sebagai X1, X2, X3, …, Xn maka persamaan (1.1) dapat
ditulis sebagai:
I = b1X1 + b2X2 + b3X3 + … + bnXn ….. (1.2)
Untuk mengevaluasi persamaan (1.2), pengaruh masing-masing variabel X terhadap I dapat diestimasi dengan cara analisis keragaman dan korelasi bertingkat.
Bentuk dan ukuran bahan pertanian pada umumnya tidak beraturan sehingga banyak sekali dibutuhkan data untuk menggambarkan sifat-sifat fisik secara akurat. Namun demikian, untuk tujuan praktis dapat disederhanakan ke dalam bentuk umum. Contoh, biji-bijian pada umumnya disifatkan menurut panjang, lebar dan tebal.
Pada dasarnya, belum ada cara pengukuran yang sederhana untuk menggambarkan secara tepat bentuk produk pertanian. Bentuk-bentuk produk pertanian hanya dapat dibandingkan berdasarkan irisan memanjang (longitudinal) dan irisan lintang. Irisan baik secara memanjang maupun lateral diukur kemudian
dibandingkan dengan bentuk yang sesuai dalam tabel standard. Gambar 1.1 menunjukkan bentuk untuk apel, persik dan kentang. Dengan menggunakan tabel tersebut bentuk produk dapat ditentukan berdasarkan nomer pada tabel atau dengan istilah yang digambarkan seperti berikut (Mohsenin, 1965).
Bentuk: Deskripsi:
Round
(bulat) Mendekati bola
Oblate Pipih pada ujung tangkai
Oblong Diameter vertikal > diameter horisontal
Conic Mengecil ke arah ujung
Ovate Berbentuk telur, agak lebar di ujung tangkai.
Blique (lopsided)
Sumbu yang berhubungan dengan tangkai
Obovate Kebalikan dari ovate
Bentuk: Deskripsi:
Elliptical Mendekati elipsoidal
Truncate Memiliki dua akhir bertingkat atau rata
Unequal Separo lebih panjang dibanding yang lain
Ribbed Potongan melintang dalam, sisi-sisi lebih atau kurang siku
Regular Bentuk potongan horisontal mendekati lingkaran
Irregular Bentuk potongan melintang horisontal menyimpang dari lingkaran
Gambar 1.1. Beberapa contoh chart standar untuk menentukan bentuk buah dan sayuran. Dari kiri ke kanan: apel, persik dan kentang.
Bentuk produk sangat mempengaruhi koefisien pengepakan (packing coeficient) dalam suatu kontainer. Koefisien pengepakan didefinisikan sebagai rasio volume bahan yang dipak Vfr terhadap
volume total V0, yang dapat ditulis:
0 fr
V V
λ = ….. (1.3)
Koefisien pengepakan secara teoritis nilainya dapat dihitung dengan mudah jika diasumsikan bahwa bentuk bahan adalah bulat (spherical). Pada kasus-kasus praktis, koefisien pengepakan dipengaruhi oleh penyimpangan bentuk akibat terjadinya deformasi dan kondisi dinding kemasan yang tidak ideal.
Tujuan pengukuran indeks-indeks tertentu yang digunakan untuk mengkarakterisasi bentuk-bentuk suatu bahan bermacam-macam, tergantung dari sudut pandang ilmu dan kepentingan kita. Beberapa indeks yang sering digunakan adalah: roundness, roundness ratio, sphericity, axial ratio, degree of inequality of projected area, dan lain-lain.
Kebundaran (Roundness)
Kebundaran adalah ukuran ketajaman sudut suatu bahan padat. Beberapa metode telah diajukan untuk melakukan estimasi nilai kebundaran. Roundness (kebundaran) dapat dicari dengan formula sebagai berikut: c m A A Roundness= ….. (1.4)
dimana: Am = luas proyeksi obyek terbesar
Ac = luas lingkaran luar terkecil
Kebundaran dapat juga dicari dengan persamaan:
R n r roundness Mean =
∑
….. (1.5)dimana: r = jari-jari masing-masing kurva kecil pada obyek R = jari-jari dalam maksimum
n = banyaknya sudut yang dijumlahkan dalam pembilang Rasio kebundaran sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 1.2 adalah rasio jari-jari sudut terkecil terhadap jari-jari rata-rata dari obyek. Sedang rasio aksial adalah perbandingan sumbu terpendek dengan sumbu terpanjang.
Gambar 1.2. Ilustrasi cara penentuan beberapa indeks bentuk
bahan pertanian
Kebulatan (sphericity)
Konsep kebulatan didasarkan pada sifat isoperimetrik suatu bola. Bentuk persamaan tiga dimensi untuk estimasi kebulatan dapat didefinisikan sebagai: c e d d Sphericity = ….. (1.6) dimana:
de = diameter lingkaran yang sama volumenya dengan obyek
dc = diameter terkecil lingkaran (biasanya diameter terpanjang
obyek)
Bentuk persamaan kebulatan juga menggambarkan nilai perbandingan karakter bentuk suatu solid relatif terhadap sebuah bola yang mempunyai volume sama. Definisi lain dari kebulatan adalah:
c i d d Sphericity = ….. (1.7)
dimana: di = diameter terbesar lingkaran dalam
dc = diameter terkecil lingkaran luar
Dengan asumsi bahwa volume bahan padat sama dengan volume suatu elipsoid beraksis tiga dengan intersep a, b dan c serta diameter lingkaran luar lingkaran adalah intersep terpanjang dari elipsoid, maka derajat kebundaran dapat ditulis sebagai berikut:
1/3 bola lingkaran Volume padat bahan Volume Sphericity ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =
( )
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = a abc terbesar diameter geometrik rata -rata diameter a bc a abc 1/3 1/3 2 1/3 3 6n 6 n ….. (1.8)dimana a adalah intersep terpanjang, b intersep terpanjang yang tegak lurus pada a, dan c adalah intersep terpanjang yang tegak lurus
terhadap a dan b. Intersep ini mungkin tidak saling berpotongan satu dengan yang lain pada satu titik yang sama.
1.2. Luas Permukaan
Luas permukaan bahan-bahan hasil pertanian berperan penting dalam berbagai teknologi proses. Luas permukaan daun misalnya, digunakan untuk menentukan kapasitas fotosintesis dan laju pertumbuhan, menentukan hubungan tanaman-tanah dan air, dan menentukan efisiensi penggunaan pestisida untuk proteksi tanaman. Dalam beberapa kasus (misalnya tembakau dan sayuran) luas pemukaan daun sangat menentukan kualitas dan kuantitas produk. Luas permukaan juga penting dalam pengujian-pengujian tertentu seperti pengukuran respirasi, fenomena transpor, dan lain-lain.
Ada berbagai metode yang digunakan untuk mengukur luas permukaan daun. Bayangan daun diproyeksikan dan digambarkan pada suatu kertas lalu luas ditentukan dengan planimeter. Suatu pengukuran yang cepat dan praktis dapat dilakukan dengan mengukur panjang dan lebar daun lalu mengeplotkannya pada suatu kertas selanjutnya hasil pengukuran luas dapat dikalibrasi. Metode lain adalah dengan menggunakan alat yang dinamakan air-flow planimeter dan dalam perkembangan selanjutnya dikenal alat leaf areameter digital yang dapat secara langsung mengukur luas permukaan daun.
Perkembangan teknologi sinar dan optik serta komputer saat ini telah dimanfaatkan untuk proses-proses rekayasa dalam bidang pertanian dengan apa yang dikenal sebagai metode image processing. Dengan metode ini sifat-sifat kenampakan material seperti luas permukaan, degradasi dan perubahan warna, defect pada permukaan produk dapat didefinisikan secara akurat dan cepat.
Luas permukaan buah-buahan dapat ditentukan dengan pengukuran langsung, yaitu dengan memotong-motong buah menjadi potongan-potongan kecil kemudian mengukur luas pemukaannya satu per satu lalu dijumlahkan. Metode pengukuran demikian sangat lambat dan hanya direkomendasikan untuk menentukan hubungan antar variabel.
Luas permukaan buah biasanya ditentukan dengan berdasarkan pengukuran diameter dan berat. Dengan mengetahui berat atau diameter, luas permukaan dapat dihitung dengan persamaan empiris atau menghitungnya dengan menggunakan suatu plot tertentu yang telah dikalibrasi (Gambar 1.4).
Berdasarkan teori bahan (Banesen dan Fenchel, 1984) telah ditemukan: π 36 1 S V 3 2 ≥ ….. (1.9)
dimana: V adalah volume dan S adalah luas permukaan bahan konvek. Persamaan ini juga memperlihatkan bahwa luas proyeksi rata-rata dari suatu bahan konvek adalah seperempat luas permukaan A. Substitusi S = 4 A ke dalam persamaan di atas menghasilkan:
3 2 3 2 3 1 V K A atau V 16 9 A ⎟⎟ ≤ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ≤ π ….. (1.10)
dimana: K adalah konstanta.
Untuk sebuah produk berbentuk bola/bulat yang sama: 1,21 16 9 K 3 1 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = π ….. (1.11)
Dalam perancangan ukuran mesin, luas proyeksi penampang lintang suatu produk dapat ditentukan posisinya dari segala arah (arbitrary) sebagaimana digambarkan pada Gambar 1.1 di atas. Luas rata-rata daerah terproyeksi yang diperoleh dengan cara ini berhubungan dengan volume bahan yang dapat dituliskan dengan persamaan: 3 2 V K Fm = ….. (1.12)
dimana nilai K sebagaimana dinyatakan dalam persamaan 1.11 adalah 1.21 untuk bulatan dan lebih besar nilainya untuk bahan yang berbentuk konvek. Gambar 1.5 memperlihatkan hubungan antara Fm
dan V untuk wortel, kentang dan jeruk. Jadi kebulatan (sphericity) dapat juga dikharakterisasi dengan nilai K. Semakin dekat nilai K dengan 1.21 semakin bulat bentuk bahan tersebut.
Gambar 1.3. Trashing terhadap bentuk dan arah tiga titik potong biji-bijian berdasarkan karakteristik fotografik
Gambar 1.4. Penentuan luas rata-rata proyeksi potongan melintang produk pertanian
Gambar 1.5. Hubungan luas potongan melintang rata-rata dan volume
Untuk mengukur luas permukaan buah seperti apel, buah dikupas kulitnya dalam bentuk strip, kemudian digunakan planimeter untuk mengukur strip tersebut. Total luas permukaan strip tersebut adalah luas permukaan nyata buah apel. Luas permukaan juga dapat diestimasi berdasarkan:
a. sebuah formula yang melibatkan integral dua elips untuk luas permukaan sebuah elipsoida dengan a>b>c
b. luas potongan garis melintang
c. luas potongan melintang aksial atau longitudinal d. diameter garis melintang
e. diameter aksial atau longitudinal f. berat buah
Hubungan antara berat buah dengan luas permukaan telah dikaji untuk telur segar (Besch et al., 1968):
A = k Wm ….. (1.13)
satuan A dan W berturut-turut adalah cm2 dan gram.
Untuk buah yang bentuknya bulat, hubungan antara luas permukaan dengan berat adalah:
3 2 3 2
W
γ
4,83
A
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
….. (1.14)dimana: γ = berat volumetrik
Luas permukaan telur dapat ditentukan dengan persamaan:
3 2
k W
A =
….. (1.15)dimana: nilai k bervariasi antara 4.6 dan 5.0. 1.3. Volume dan Kerapatan
Volume dan kerapatan berbagai produk pertanian berperan penting pada teknologi proses dan dalam evaluasi kualitas produk. Sebagai contoh, dalam teknologi pengeringan dan penyimpanan, desain tempat penyimpanan, penentuan tingkat kemasakan buah, dan lain-lain, kerapatan atau berat spesifik merupakan faktor yang sangat menentukan.
Untuk buah-buahan yang berukuran besar dapat dengan mudah diukur volumenya dengan metode displacement (Gambar 1.6). Dengan metode ini, mula-mula buah ditimbang kemudian dimasukkan ke dalam
air. Jumlah air yang dipindahkan ditimbang beratnya. Kemudian volume buah dapat dihitung dengan persamaan:
) (kg/m air kerapatan (kg) n dipindahka yang air berat ) (m Volume 3 = 3
Dengan mengetahui berat buah di udara dan volume, kerapatan buah dapat dihitung dengan rasio berat terhadap volume. Pada saat yang sama, berat spesifik buah dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: n dipindahka yang air berat air spesifik berat x air dalam berat obyek spesifik Berat =
Gambar 1.6. Timbangan platform untuk pengukuran volume dan berat spesifik obyek berukuran besar
Volume dan berat spesifik biji-bijian yang berukuran kecil dapat diukur dengan metode piknometer. Dengan metode ini, disarankan menggunakan toluena (C6H5CH3) dan bukan air oleh karena toluena
diserap lebih sedikit sehingga hanya membasahi bagian luar biji disamping itu daya larutnya rendah.
Gambar 1.7. Timbangan berat spesifik untuk obyek berukuran kecil
1.4. Porositas
Untuk bahan yang porus dan biji curahan (bulk), porositas merupakan salah satu sifat yang penting. Porositas merupakan rasio antara volume rongga terhadap volume total produk. Porositas berperan penting dalam proses pengeringan karena mempengaruhi pergerakan air dan udara dalam bahan.
Porositas dapat dinyatakan dalam berat spesifik γ dan berat volumetrik γvw yang fungsi hubungannya adalah:
ε = 1 – (γvw/γ) ….. (1.16)
Berat volumetrik bahan bijian tergantung pada bentuk. Biji jagung misalnya mempunyai bentuk yang beragam dan karenanya berat volumetrik dan porositasnya juga berbeda-beda. Biji jagung yang plat dan ukurannya besar memiliki berat volumetrik maksimum, sedangkan yang bulat dan kecil mempunyai berat volumetrik minimum. Porositas berhubungan linier dengan berat volumetrik (Gambar 1.8).
Adanya ruang kosong dalam suatu massa bahan (dalam bentuk curah) dipelajari untuk menentukan aliran udara dan panas pada saat proses penanganan. Metoda yang digunakan untuk mengukur porositas ditawarkan oleh Day (1964) sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.9. Bahan dimasukkan dalam tangki 2, katup 2 ditutup, udara dimasukkan ke tangki 1 hingga manometer pada tekanan yang dikehendaki dan tutup katup 1. Pada kondisi ini berlaku sebagaimana persamaan gas ideal:
P1V1 = MR1T1 ….. (1.17)
dimana P1 adalah tekanan absolut, V1 volume tangki 1, M adalah massa
udara, R1 konstanta gas untuk udara dan T1 suhu absolut. Jika katup 3
ditutup dan katup 2 dibuka maka tekanan yang terbaca pada manometer berubah menjadi P3. Pada kondisi ini dengan ditutupnya
katup 1 dan 3, total massa udara M akan mengisi kedua tangki; M1
massa udara dalam tangki 1 dan M2 massa udara yang mengisi pori-pori
bahan dalam tangki 2. Jika diasumsikan R1T1 = R2T2 = RT maka
persamaan: M = M1 + M2
(P1V1)/RT = (P3V1)/RT + (P3V2)/RT ….. (1.18)
penurunan persamaan di atas diperoleh persen pori per volume bahan: V2/V1 = (P1 – P3)/P3 ….. (1.19)
Porositas dikenal juga sebagai faktor pengemasan (PF) yang dihitung dengan formulasi berikut:
padat partikel kerapatan kemasan kerapatan -padat partikel kerapatan PF =
Kerapatan dapat ditentukan dengan salah satu metoda pengukuran kerapatan yang telah diberikan pada bagian sebelumnya.
Gambar 1.8. Porositas bahan curah sebagai fungsi berat volumetrik
