DASAR KETEKNIKAN PENGOLAHAN Fithri Choirun Nisa MATERI PREPARASI

DASAR KETEKNIKAN PENGOLAHAN Fithri Choirun Nisa

MATERI: • PREPARASI BAHAN BAKU • PENGECILAN UKURAN • PENCAMPURAN • SEDIMENTASI • PENDINGINAN • PEMBEKUAN PUSTAKA: Fellows, P. , Food Processing Technology: Principles and Practices

PREPARASI BAHAN BAKU Bahan baku: * kontaminan * komponen inedible * karakteristik fisik bervariasi Preparasi

PREPARASI: * Pembersihan * Sortasi * Grading * Pengupasan

PEMBERSIHAN * Dilakukan pada tahap paling awal dalam proses pengolahan * Kategori : - Cara basah - Cara kering * Sifat bahan * Tipe kontaminan

Tipe kontaminan: - Logam - Mineral - Tanaman - Binatang - Bahan kimia - Sel mikrobia - Produk mikrobia

Cara basah: tanah, debu, residu pestisida + tidak berdebu resiko kerusakan lebih kecil volume limbah & kebutuhan air Alat: spray washer, brush washer, drum washer, flotation tank

Cara kering: bahan kecil, kuat, k. a. rendah kebutuhan alat tambahan utk mencegah debu Alat: air classifier, magnetic separator, ayakan

Air classifier

Magnetic separator

SORTASI * Sortasi bentuk Alat: belt and roller sorter, disc sorter, image processing

* Sortasi ukuran Alat: - Fixed-aperture screens (flat bed sreen dan drum screen: konsentrik, paralel, dan seri) - Variable-aperture screens - Image processing

* Sortasi warna Alat: color sorter * Sortasi berat

GRADING * Penentuan sejumlah atribut utk mendapatkan mutu keseluruhan dari bahan sortasi bagian dari grading * Grading dilakukan oleh operator terlatih atau hasil analisis lab.

PENGUPASAN Metode: - flash steam bahan dikontakkan dgn steam suhu & tekanan tinggi permukaan mengalami flash off

-knife buah jeruk - abrasion bahan dikontakkan dengan carborondum roller

- caustic bahan dicelupkan dalam lar. Na. OH (lye)10% - flame bahan dilewatkan furnace >1000 C bawang

PENGECILAN UKURAN Manfaat: * Peningkatan A/V peningkatan kec. transfer panas peningkatan kecepatan ekstraksi * Ukuran partikel tertentu sifat fungsional & pengolahan * Ukuran partikel yang sama pencampuran yg sempurna

Berdasar bahan: * Pengecilan ukuran bahan padat * Pengecilan ukuran bahan cair

Pengecilan Ukuran Bahan Padat Gaya yang diberikan: - Compression - Impact - Shearing (attrition) Fracture friable / crystalline Fibrous Fine grinding (softer)

Stress B E Y Strong Hard Soft B B B Strain Weak

Stress Deformasi < elastic stress limit (E) bahan kembali ke bentuk awal energi dilepas sbg panas > elastic stress limit (E) deformasi permanen > yield point (Y) bergerak > breaking stress patah sepanjang lines of weakness energi dilepas sbg suara & panas

Energi untuk pengecilan ukuran: - Kekerasan (hardness) - Tendensi untuk patah (friability) • • • Hukum Kick Hukum Rittinger Hukum Bond coarse grinding fine grinding diantara keduanya

Hukum Kick: E rasio ukuran awal dan akhir E = KK. ln d 1 d 2 E = energi per unit massa bahan (J) KK = konstanta Kick d 1 = ukuran bahan awal (m) d 2 = ukuran bahan hasil gilingan (m) d 1 / d 2 = rasio pengecilan ukuran yang digunakan untuk mengevaluasi performan relatif dari alat

Hukum Rittinger: E perubahan luas permukaan bahan E = K R. 1 - 1 d 2 d 1 E = energi per unit massa bahan (J) KK = konstanta Rittinger d 1 = ukuran bahan awal (m) d 2 = ukuran bahan hasil gilingan (m)

Hukum Rittinger P = KR. T. (1/Dvsb – 1/Dvsa) P = daya yang diperlukan (Hp) KR = konstanta Rittinger T = kecepatan umpan (ton/menit) Dvsa = diameter sebelum dikecilkan (inci) Dvsb = diameter sesudah dikecilkan (inci)

Hukum Bond: E = W 100 d 2 100 d 1 E = energi per unit massa bahan (J) W = indeks kerja Bond (J. kg-1) d 1 = diameter ayakan 80% bahan awal lolos (m) d 2 = diameter ayakan 80% hasil gilingan lolos

Hukum Bond P = 1, 46. T. Wi. (1/ Dpb – 1/ Dpa) P T Dpa Dpb Wi = daya yang diperlukan (Hp) = kecepatan umpan (ton/menit) = diameter ayakan, 80% umpan lolos (ft) = diameter ayakan, 80% produk lolos (ft) = indeks kerja (k. W/jam/ton umpan)

Contoh : Suatu alat penggiling menggunakan motor dengan daya 15 Hp dan kecepatan pengumpanan 8 ton/jam mampu menghasilkan partikel hasil gilingan dengan ukuran 0, 3 mm dari partikel yang berukuran 6 mm. Jika hasil gilingan digiling lagi dengan alat yang sama, berapakah ukuran partikel yang mampu dihasilkan?

Contoh : Suatu alat penggiling menggunakan motor dengan daya 15 Hp dan kecepatan pengumpanan 8 ton/jam digunakan menggiling bahan sebanyak 750 kg yang berukuran 6 mm. Hasil gilingan lolos ayakan 100 mesh 300 kg, 65 mesh 200 kg, 48 mesh 250 kg. Jika kecepatan pengumpanan dinaikkan menjadi 10 ton/jam, berapakah ukuran partikel yang mampu dihasilkan?

Ayakan standar Tyler Diakui oleh Biro Standar AS (1910) Lubang ayakan : * persegi * mesh = lubang / inci Ukuran lubang ayakan di atasnya = 2. (1, 414) kali

Ayakan

Skala Ayakan Mesh Dp (cm) 4 6 8 10 14 20 28 0, 4699 0, 3327 0, 2362 0, 1651 0, 1168 0, 0833 0, 0589 35 48 65 100 150 200 0, 0417 0, 0295 0, 0208 0, 0147 0, 0104 0, 0074

Kehalusan Hasil Gilingan Tingkat kehalusan dinyatakan dalam: a. Modulus kehalusan b. Indeks keseragaman

a. Modulus kehalusan: tingkat kehalusan hasil gilingan & dinyatakan sbg jumlah dari berat fraksi -fraksi yang tertinggal dalam setiap ayakan dibagi 100. Ayakan: standar RO-Tap: 3/8”; 4 -8 -14 -28 -48 -100 mesh Ukuran diameter rata-rata (D) D = 0, 0041. (2)FM D = ukuran diameter rata-rata (inci) FM = modulus kehalusan

b. Indeks Keseragaman: distribusi kasar, sedang, & halus dari partikel hasil gilingan Ayakan: 8 dan 28 (jika modulus kehalusan tidak diperlukan)

a. Modulus kehalusan Mesh Bahan yg tertinggal (%) Faktor pengali Hasil 3/8” 4 8 14 28 48 100 Pan Jumlah 1, 0 2, 5 7, 0 24, 0 35, 5 22, 5 7, 5 0, 00 100, 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Jumlah 7, 0 15, 0 35, 0 96, 0 105, 5 45, 0 7, 5 0, 0 312, 0 Modulus kehalusan = 312/100 = 3, 12

b. Indeks Keseragaman Mesh 3/8” 4 8 14 28 48 100 Pan Bahan yg tertinggal (%) 1, 0 2, 5 7, 0 10, 5 24, 0 35, 5 59, 5 22, 5 7, 5 0, 00 30, 0 Jumlah Hasil dibagi 10 pembulatan 5, 95 Kasar 1 Sedang 6 3, 00 Halus 3 1, 05 Indeks Keseragaman = 1 : 6 : 3

Peralatan

Roller mill Ekstruder

Ball mill

Disc mill

Pengecilan Ukuran Bahan Cair Emulsifikasi Homogenisasi

Emulsifikasi: pembentukan emulsi yg stabil dgn pencampuran dua/lebih cairan yang tdk saling larut, shg satu bagian (fase terdispersi) terdispersi dalam btk droplet yg sangat kecil pd bagian yg kedua (fase kontinu)

Homogenisasi: pengecilan ukuran (ke 0, 5 – 0, 3 m) & peningkatan jumlah partikel padat atau cair dari fase terdispersi, gdn menggunakan shearing force utk meningkatkan ikatan & stabilitas dari dua bagian

Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Emulsi: v = D 2. g. ( p - s) 18. v D g p s = kecepatan pemisahan fase = diameter droplet fase terdispersi = percepatan gravitasi = densitas fase terdispersi = densitas fase kontinu = viskositas fase kontinu

Peralatan Homogeniser

PENCAMPURAN Tujuan • Mendapatkan campuran yang seragam • Mendispersikan satu bagian dlm bagian yang lain Industri: pencampuran ingredient sifat fungsional karakteristik sensorik

Berdasar bahan: * Pencampuran bahan padat * Pencampuran bahan cair

Pencampuran Bahan Padat Campuran yg seragam sempurna not possible Keseragaman (komposisi) waktu

Komposisi m = deviasi standar 1 ( x – x ) 2 n– 1 m = deviasi standar n = jumlah sampel x = konsentrasi komponen dlm tiap sampel x = konsentrasi sampel rata-rata

M 1 = m - o - M 2 = log m - log o - log M 3 = m 2 - 2 o 2 - 2

M = indeks pencampuran = deviasi standar sampel yg tercampur “sempurna” o = deviasi standar pd awal pencampuran m = deviasi standar selama pencampuran o = V 1. (1 – V 1) V 1 = fraksi volume atau massa komponen dlm campuran

M 1 = massa komponen yg dicampur hampir sama dan/atau pada kecepatan pencampuran yg rendah M 2 = satu komponen dlm jumlah kecil dicampurkan dalam bahan dgn jumlah >, dan/atau kecepatan pencampuran yg tinggi M 3 = pencampuran padat / cair dgn cara M 1

Hubungan Indeks Pencampuran & Waktu ln M = -K. tm K = konstanta kecepatan pencampuran (tipe mixer & sifat bahan) tm = waktu pencampuran

Contoh : Dalam proses penyiapan adonan, 3 kg gula dicampurkan dengan 5 kg tepung. Setelah 5, 10, dan 15 menit pencampuran, dilakukan analisis persentase gula dengan mengambil 5 sampel dengan masing-masing berat 1 g. Data hasil analisis adalah sebagai berikut: % setelah 5 menit 0, 25 % setelah 10 menit 0, 32 % setelah 15 menit 0, 36 0, 33 0, 34 0, 38 0, 41 0, 40 0, 37 0, 46 0, 41 0, 39 0, 51 0, 33 0, 35 Hitung indeks pencampuran (M) untuk tiap waktu pencampuran dan hitung waktu pencampuran yang diperlukan untuk mencapai pencampuran yang “sempurna”! (Asumsikan bahwa pencampuran yang “sempurna” tercapai jika nilai deviasi standar ( ) 0, 01 dan nilai M 0, 01.

Peralatan Tumbling mixer

Ribbon mixer

Vertical screw mixer

Mixing of yeast into dough For a particular bakery operation, it was desired to mix dough in 95 kg batches and then at a later time to blend in 5 kg of yeast. For product uniformity it is important that the yeast be well distributed and so an experiment was set up to follow the course of the mixing. It was desired to calculate the mixing index after 5 and 10 min mixing. Sample yeast compositions, expressed as the percentage of yeast in 100 g samples were found to be: After 5 min 0. 0 16. 5 3. 2 2. 2 12. 6 9. 6 0. 2 4. 6 0. 5 8. 5 After 10 min 3. 4 8. 3 7. 2 6. 0 4. 3 5. 2 6. 7 2. 6 4. 3 2. 0 for how much longer should the mixing continue to reach the specified maximum sample composition variance and M of 0. 01?

Pencampuran Bahan Cair Tujuan: • Mencampurkan dua cairan yg saling larut • Melarutkan padatan dlm cairan • Mendispersikan gas dlm cairan • Meningkatkan transfer panas

Peralatan Tipe Propeller - Kecepatan: 400 – 1750 rpm - Low viscosity

Tipe Paddle - Kecepatan : 20 – 200 rpm - Yg sering digunakan: twobladed & four bladed - Total panjang impeller = 60 – 80% diameter tangki - Lebar blade = 1/6 – 1/10 panjangnya - Anchor / gate paddle viscous liquid

Tipe Turbin - Multibladed paddle agitator - Kecepatan tinggi - Viskositas bervariasi - Diameter turbin = 3060% diameter tangki

Penggunaan Tenaga - Bilangan Reynold (NRe) NRe = Da 2. N. Da = diameter impeller / agitator (m) N = kecepatan rotasional (rev/detik) = densitas cairan (kg/m 3) = viskositas (kg/m. detik)

NRe < 10 NRe > 100000 10 < NRe < 100000 laminar turbulent transisional

- Power Number (Np) Np = P . N 3. Da 5 P = tenaga (J/detik atau W) (Np diperoleh dari grafik) dihitung nilai P

Densitas campuran ( m) m = V 1. 1 + V 2. 2 Viskositas campuran ( m) m = 1 V 1. 2 V 2 m = 1 1 + 1, 5. 2. V 2 V 1 1 + 2 (unbaffled) (baffled)

Contoh Minyak zaitun dan minyak rapeseed dicampurkan dengan rasio 1 : 4 menggunakan agitator propeller berdiameter 20 cm yang beroperasi pada kecepatan 750 rpm dalam tangki silinder berdiameter 1 m dan lebar baffle 10 cm. Lebar pitch sama dgn diameter propeller. Hitung tenaga motor yang diperlukan? Minyak zaitun mempunyai viskositas 0, 084 N. s. m-2 & densitas 910 kg. m-3 Minyak rapeseed mempunyai viskositas 0, 118 N. s. m-2 & densitas 900 kg. m-3

SEDIMENTASI : pemisahan partikel dari zat alir dengan gaya gravitasi partikel zat alir padat, cair (tetesan) cair, gas (diam, bergerak)

Tipe Sedimentasi Free Settling : partikel mempunyai jarak cukup dinding wadah Dp: Dc < 1 : 200 partikel lain konsentrasi < 0, 2% v Hindered Settling : partikel penuh kecepatan lebih rendah

Derivasi persamaan dasar: Gaya pd partikel rigid yang bergerak dalam zat alir: § Gravitasi : ke bawah § Buoyant force : ke atas § Drag force : berlawanan dgn arah gerak partkel

§ Buoyant force (Fb) dalam N Fb = m. . g = Vp. . g p p m v = densitas partikel (kg/m 3) = densitas zat alir (kg/m 3) = massa partikel (kg) = kecepatan relatif partikel terhadap zat alir (m/detik) g = percepatan gravitasi (m/detik 2) Vp = m = volume partikel (m 3) p

§ Gravitational force (Fg) Fg = m. g § Drag / resistance force (Fd) Fd = CD. v 2. . A 2 CD A v 2 2 = koefisien drag = luas partikel = velocity head dari zat alir

Resultant force gaya oleh percepatan m. dv = Fg – Fb – Fd dt m. dv = m. g – m. . g – CD. v 2. . A dt p 2

Periode settling - Periode akselerasi : sangat singkat (1/10 detik) - Periode kecepatan konstan (percepatan = 0) free settling / terminal velocity (vt)

Terminal velocity (vt) dv dt vt = =0 2. g. ( p - ). m A. p. CD. Persamaan umum

Partikel bulat m = . Dp 3. p/6 A = . Dp 2/4 vt = 4. ( p - ). g. Dp 3. CD. vt ( m/detik) g ( 9, 80665 m/detik 2) Dp (m) Partikel bulat

Drag coefficient CD (bulat, rigid) : fungsi bilangan Reynold (NRe) NRe = Dp. v.

Aliran laminar (NRe < 1) CD = 24 Dp. v. / = 24 NRe = viskositas zat alir (Pa. detik. kg/m. detik) vt = g. Dp 2. ( p - ) 18. Partikel bulat, Aliran laminar (Hk. Stoke)

Contoh: Droplet minyak mempunyai diameter 20 m dijatuhkan di udara suhu 37, 8 C pada tekanan 101, 3 k. Pa. Densitas minyak 900 kg/m 3. Hitung terminal velocity dari tetesan minyak tersebut.

Penyelesaian : Diketahui : Dp = 2, 0. 10 -5 m p = 900 kg/m 3 Dari Appendix A. 3. : udara 37, 8 C = 1, 137 kg/m 3 = 1, 90. 10 -5 Pa. detik Tetesan diasumsikan bulat, rigid Penyelesaian trial & error

NRe = Dp. vt. = (2, 0. 10 -5). (vt). (1, 137) 1, 90. 10 -5 NRe = 1, 197. vt vt = = = 4. ( p - ). g. Dp 3. CD. 4. (900– 1, 137). 9, 8066. (2, 0. 10 -5) 3. CD. 1, 137 0, 2067/ CD CD = 0, 2067 / vt 2

Asumsi 1 : vt = 1 m/detik NRe = 1, 197. 1 = 1, 197 CD = 0, 2067 / (1)2 = 0, 2067 Asumsi 2 : vt = 0, 1 m/detik NRe = 1, 197. 0, 1 = 0, 1197 CD = 0, 2067 / (0, 1)2 = 20, 67 Asumsi 3 : vt = 0, 5 m/detik NRe = 1, 197. 0, 5 = 0, 5985 CD = 0, 2067 / (0, 5)2 = 0, 828

Ketiga nilai NRe & CD diplotkan kurva garis lurus Perpotongan garis & kurva NRe = 0, 012 = 1, 197. vt vt = 0, 0100 m/detik NRe < 1 aliran laminar (Hk. Stoke) vt = 9, 8066. (2, 0. 10 -5)2(900 -1, 137) 18. (1, 90. 10 -5) vt = 0, 0103 m/detik

Keadaan-keadaan lain. Jika partikel tidak bulat Digunakan persamaan yg sama, D Ds Ds = D x nilai spheresitas Nilai spheresitas : bola = 1, 00 kubus = 1, 24

§ Jika tidak dalam keadaan laminar (turbulan) vt = 4. ( p - ). g. Dp 3. CD. CD dapat diperoleh dari: - grafik fungsi - pendekatan NRe

Pendekatan: • NRe 1 Hk. Stoke • 1 < NRe < 1000 CD= 18, 5 (NRe)0, 6 • 1000 < NRe < 200. 000 CD= 0, 44 • NRe > 200. 000 CD = 0, 20

§ Hindered settling Kecepatan settling < Hk. Stoke m = p p = 1 101, 82 (1 - ) m p = viskositas campuran = faktor koreksi empirik = fraksi volume cairan dalam campuran

m = . + (1 - ) p m = densitas campuran p - m = p - [. + (1 - ). p] = ( p - )

( p - ) m p - m vt = g. Dp 2. ( p - ). ( 2. p) 18. NRe = Dp. vt. m = Dp. g. ( p - ). m. . p 2 m. 18. 2

Contoh Hitung kecepatan pengendapan partikel bulat, diameter 1, 554 x 10 -4 m dalam air pada suhu 20 C. Slurry mengandung 60% berat padatan. Densitas partikel p = 2467 kg/m 3. Penyelesaian Densitas air, = 998 kg/m 3 Viskositas air, = 1, 005. 10 -3 Pa. detik

= 40/998 = 0, 622 40/998 + 60/2467 m = . + (1 - ) p = (0, 622). (998) + (1 - 0, 622)(2467) = 1553 kg/m 3 p = 1 101, 82 (1 - ) = 1 101, 82 (1 – 0, 622) = 0, 205

vt = (9, 807)(1, 554. 10 -4)2(2467 -998)(0, 6222. 0, 205) 18. (1, 005. 10 -3) = 1, 525. 10 -3 m/detik NRe = Dp. vt. m ( / p ). = (1, 554. 10 -4). (1, 525. 10 -3)(1553) = 0, 121 (1, 005. 10 -3/0, 205). (0, 622) laminar