## PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL TEPUNG TERIGU DENGAN MENGGUNAKAN METODE PENGAPUNGAN BATANG (BUOYANCY

## WEIGHING-BAR METHOD )
Rondang Tambun, Nofriko Pratama, Ely, Farida Hanum Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater Kampus USU, Medan 20155, Indonesia Email : rondang_tambun@yahoo.com / rondang@usu.ac.id

## Abstrak
Penentuan distribusi ukuran partikel tepung terigu merupakan salah satu yang penting dalam industri pengolahan tepung terigu. Selama ini, berbagai cara dapat dilakukan untuk menentukan ukuran partikel tepung terigu seperti metode Andreasen  pipette , sedimentation  balance , centrifugal  sedimentation , laser  diffraction/  scattering , microscopy, Coulter  counter dan  lain  sebagainya.  Metode-metode  tersebut  di  atas  mempunyai  kelebihan  dan kekurangan,  terutama  masalah  kekurangpraktisan,  waktu  ataupun  masalah  biaya.  Metode Andreasen  Pipette , sedimentation  balance dan centrifugal  sedimentation merupakan  metode  yang  murah  tetapi  butuh  waktu  yang lama  dan  keahlian  untuk  mengoperasikannya.  Sebaliknya,  metode laser  diffraction/scattering , microscopy dan Coulter  counter merupakan  metode  yang  sangat  akurat  dan  cepat,  tetapi  memerlukan  biaya  yang  sangat  mahal. Pada penelitian ini, dikembangkan suatu metode terbaru yaitu Metode Pengapungan Batang ( Buoyancy Weighing- Bar Method ) untuk menentukan distribusi ukuran partikel tepung terigu.  Metode ini mengukur distribusi ukuran partikel  dengan  menggunakan  sebuah  batang  logam  yang  digantungkan  pada  cairan  yang  berisi  butiran  partikel tepung  yang  terdispersi  pada  cairan  tersebut.  Pada  metode  ini,  perubahan  densitas  larutan  yang  terjadi  karena perpindahan partikel tepung dalam suspensi (etanol/metanol) diukur berdasarkan perubahan massa batang logam yang  digantung  di  dalam  suspensi.  Dari  hasil  penelitian  diperoleh  bahwa  hasil  yang  diperoleh  menggunakan Metode Pengapungan Batang sebanding dengan hasil yang diperoleh dengan Metode sedimentation balance .
Kata Kunci : daya apung, distribusi ukuran partikel, pengapungan batang, tepung terigu

## Abstract
Particle  size  measurement  of  wheat flour is important  in  wheat flour industry.  There  are  several  methods  have been  used  to  measure  particle  size  distribution  (PSD)  of  wheat  flour,  such  as  Andreasen  pipette  method, sedimentation  balance  method,  centrifugal  sedimentation  method.  The  disadvantages  of  these  methods  are  that they  are  time  consuming  and  require  special  skills.  On  the  other  hand,  PSD  can  be  analyzed  using  a  different principle  through  laser  diffraction/scattering  methods,  and  coulter  counter  method.  The  laser diffraction/scattering and coulter counter methods produce highly accurate results within a shorter time, but the equipment is extremely expensive. Therefore, a simple and cost-effective new method to determine PSD is in high demand. In  this study,  we  aim  to  develop  a  new  method to  measure  the  particle  size distribution  of  wheat flour using  a  buoyancy  weighing–bar  method.  In  this  method,  the  density  change  in  a  suspension  due  to  particle migration  (wheat  flour)  is  measured  by  weighing  buoyancy  against  a  weighing–bar  hung  in  the  suspension (etanol/metanol), and the PSD is calculated using the length of the bar and the time–course change in the mass of the bar. This apparatus consists of an analytical balance with a hook for underfloor weighing, and a weighing– bar,  which is used  to  detect the  density  change  in suspension.  The  result  obtained show  that the  PSD  of  wheat flour  measured  by  the  buoyancy  weighing-bar  method  is  comparable  to  that  determined  by  settling  balance method.
Keywords : buoyancy, particle size distribution, weighing bar, wheat flour

## Pendahuluan
Penentuan  distribusi  ukuran  partikel  tepung terigu merupakan salah satu metode yang penting dalam  teknologi  partikel  dalam  industri  tepung terigu. Selama ini, berbagai cara sudah dilakukan untuk  menentukan  ukuran  partikel  [15].  Untuk sistem  padat-cair,  distribusi  ukuran  partikel diukur  menggunakan  diameter  Stokes  dengan mengukur  kecepatan  perpindahan  partikel  dalam larutan.  Metode-metode  yang  menggunakan  cara ini  antara  lain  adalah  Metode Andreasen  Pipette [14],  Metode Sedimentation Balance [6],  Metode
Centrifugal  Sedimentation [7],  dan  lain-lain. Metode-metode ini sangat murah dalam pengoperasiannya,  tetapi  membutuhkan  waktu yang  agak  lama  dan  kurang  praktis  dalam penggunaannya.  Pada  sisi  lain,  berbagai  metode dengan  sistem  berbeda  juga  telah  ditemukan seperti  Metode Laser  Diffraction/Scattering [5],
Microscopy [8] dan Metode Coulter Counter [18]. Pengoperasian  metode-metode  ini  sangat  praktis sekali  dan  hasil  yang  diperoleh  sangat  akurat dalam  tempo  yang  singkat,  tetapi harga  peralatan yang dipakai sangat mahal.
Untuk  mengatasi  masalah  ini,  sebuah metode yang sederhana, praktis dan murah sangat diperlukan. Metode terbaru yang sedang dikembangkan  untuk  mengatasi  masalah  tersebut Buoyancy Weighing-Bar Method (BWM). Metode ini  telah  terbukti  dapat  menentukan  distribusi ukuran  partikel  pada Stokes  region maupun  pada Allen  region untuk  berbagai  partikel  seperti alumina,  glass  beads , silica  sands,  nylon  beads, magnesite, calcium carbonate, glass bubbles , dan lain-lain. Metode ini pertama sekali dikembangkan oleh Obata, dkk. Mereka mengukur  distribusi  ukuran  partikel  dengan menggunakan sebuah batang  logam yang digantungkan  pada  cairan  yang  berisi  butiran partikel  yang  terdispersi  pada  cairan  tersebut. Cara  inilah  yang  disebut  dengan Buoyancy Weighing-Bar  Method (Metode  Pengapungan Batang).  Pada  metode  ini,  perubahan  densitas larutan  yang  terjadi  karena  perpindahan  partikel diukur  dari  perubahan  massa  batang  yang digantung di dalam suspensi [2; 9-12].
Pada  industri  tepung  terigu,  penentuan distribusi  ukuran  partikel  biasanya  dilakukan menggunakan  metode sedimentation  balance , laser diffraction/scattering ataupun metode Coulter  counter .  Metode sedimentation  balance tergolong  metode  yang  rumit  dan  memerlukan waktu  yang  lama  dalam  pengoperasiannya, sementara metode laser diffraction/scattering dan metode Coulter  counter ini  tergolong  metode yang  sangat  mahal,  sehingga  untuk  mengatasi masalah ini dikaji pemakaian Metode Pengapungan Batang.

## Teori
Pada  dasarnya  distribusi  ukuran  partikel yang diukur dengan Metode Pengapungan Batang sama  dengan  yang  dipakai  pada  metode manometrik  dan  metode Oden  Balance [13]. Secara  grafik,  kurva  massa  terhadap  waktu pengendapan  pada  Metode  Pengapungan  Batang ini  analog  dengan  kurva pressure  drop terhadap s uperficial velocity pada fluidisasi [1,3,4].
Gambar 1 mengillustrasikan skematik diagram  dari  pengendapan  partikel.  Volume batang dalam suspensi adalah , dengan
A adalah  luas  permukaan  dari  batang  pemberat dan  h  adalah  panjang  batang  yang  dicelupkan pada  suspensi.  Densitas  dari  pelarut  (cairan) dilambangkan  dengan ρ L ,  sedangkan  densitas partikel  dilambangkan  dengan ρ P .  konsentrasi mula-mula  padatan  dalam  suspensi  adalah Co (kg-padatan/m 3 -suspensi) [16,2]
Gambar  1(a)  menunjukkan  bahwa  massa batang mula-mula  yang mengapung  pada  kondisi awal tergantung  pada  partikel  yang  berada antara bagian  atas  batang  dan  bagian  bawah  batang
dalam  suspensi.  Pada  waktu  pengendapan , densitas mula-mula dari suspensi ( ρ S0 ) adalah:
……………….(1)
Gambar  1.  Skematik  Diagram  Pengendapan Partikel
Massa  batang  mula-mula  yang  mengapung, W B0 tergantung  pada  partikel  pada  suspensi  dari permukaan sampai kedalaman h,  maka W B0 dapat didefenisikan sebagai berikut :
……………………………….(2)
Pada  kondisi  mula-mula,  massa  batang  dalam
suspensi adalah
…..(3)
dimana, ρ B adalah  densitas  dari  batang.  Gambar 1(b)  menunjukkan  konsentrasi  suspensi  (C) semakin  menurun  dari  waktu  ke  waktu,  karena partikel  yang  besar  sudah  mengendap.  Densitas suspensi , St ρ massa  pengapungan  batang Bt W , dan  massa  nyata  dari  batang G Bt di  dalam suspensi  pada  t  =  t  diberikan  sesuai  dengan persamaan berikut.
  C ρ ρ ρ ρ ρ P L P L St    ………………...(4) St B Bt ρ W V .  ……………………………….(5)
  St B B St B B B Bt B B Bt ρ ρ ρ ρ W ρ V V V V G       . . . …..(6)
Gambar  1(c),  pada  t  =  ~,  konsentrasi  suspensi adalah  0,  karena  semua  partikel,  baik  besar maupun  kecil  sudah  mengendap.  Densitas suspensi  S∞ ,  massa  pengapungan  batang  B W , dan  massa  nyata  dari  batang G B∞ di  dalam suspensi  pada  t  =  ~  diberikan  sesuai  dengan persamaan berikut.
L S     .........................................................(7)
L B B ρ W V .   ………………………………...(8)
  L B B B B B B ρ ρ W ρ V V G       . ………..(9)
Persamaan 10 menunjukkan neraca massa partikel dalam suspensi [15].
…. (10)
Ah V  B 0  t   L P P 0 L 0 S         C S0 B B0  V W  ) ( S0 B B B0 B B B0        V W V G      i i x x x x dx x f h t x v C dx x f C C C min max ) ( ) ( ) ( 0 0 0
Dari persamaan (2), (5), (8) dan (10), diperoleh: ..(11)
dimana v ( x )  adalah  kecepatan  pengendapan,  f(x) adalah  frekuensi  massa  partikel  berukuran  x. Diferensial persamaan 11 terhadap waktu t, maka akan diperoleh :
……..(12)
Dari persamaan 11 dan 12,
…………………..(13)
dimana Rt W adalah  massa  partikel  yang  lebih besar dari partikel berukuran x,
    max . ) ( ) ( x x i dx x f W W W 0 0
Kombinasi persamaan 6 dan 13 akan
menghasilkan : t dt dG G t dt dG W ρ V G Bt Rt Bt Rt B B Bt               
  . ……(14) Dimana, , . Rt B B Rt W V G ρ   and dt dW dt d Bt Bt G   , karena penurunan massa batang
sesuai  dengan  penurunan  massa  pengapungan batang.  Nilai Rt G dihitung  dari  slope  persamaan 14. Hubungan kumulatif massa oversize, R( x ) dan kumulatif massa undersize , D( x ) adalah,
) ( ) ( ) ( max x D G G G G dx x f x R B B B Rt x x i         1 0 0 ………(15)
Ukuran partikel x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes:
……………………...(16)
dimana g adalah  percepatan  gravitasi  dan μ L adalah viskositas larutan. Kecepatan pengendapan v ( x ) partikel dihitung sesuai dengan persamaan 17.
………………………………...(17)
Dimana h adalah panjang batang yang terapung di dalam  cairan  dan t adalah  waktu  pengendapan. Ukuran  partikel x yang  dihasilkan  pada persamaan 17 merupakan diameter Stokes. Hal ini membuktikan bahwa teori pada Metode Pengapungan  Batang  ini  mirip  dengan  metode sedimentation balance [13].
Gambar 2 mengillustrasikan metode perhitungan  distribusi  ukuran  partikel  yang mengendap dengan menggunakan Metode Pengapungan  Batang.  Gambar  kanan  atas menunjukkan  perubahan  massa  batang  sebagai fungsi  waktu,  sementara  gambar  kanan  bawah menunjukkan  hubungan  waktu  dengan  kebalikan ukuran partikel. Dari persamaan 16 dan 17, waktu
sebanding  dengan  kuadrat  kebalikan  dari  ukuran partikel. Jadi dalam metode ini, ukuran partikel x dapat dihitung pada setiap waktu t, sementara G Rt secara  simultan  dapat  dihitung  dari  slope,  sesuai dengan persamaan 14. Kumulatif massa undersize , D( x )  dapat  dihitung  dengan  persamaan  15.  Pada gambar  kiri  atas,  distribusi  ukuran  partikel diperoleh  dari  perhitungan  ukuran  partikel x dan D( x ) [2,11].
Gambar  2.  Grafik  Penentuan  Distribusi  Partikel dengan Metode Pengapungan Batang

## Metodologi Penelitian
Pada  penelitian  ini,  kami  melakukan serangkaian percobaan penentuan  distribusi ukuran  partikel  dengan  Metode  Pengapungan Batang.  Material  sampel  yang  diteliti  adalah tepung  terigu  (Cap  Segi  Tiga  Biru).  Etanol  dan metanol  digunakan  sebagai  fase  cairan.  Air  tidak dianjurkan  digunakan  pada  penelitian  ini  karena tepung  terigu  tidak  akan  terpisah  dengan  baik  di dalam  air.  Konsentrasi  suspensi  adalah  10  kg/m 3 (±  1  wt.%)  [17].  Suhu  ruangan  dan  suhu  cairan adalah 298 K (suhu kamar). Semua suspensi akan diaduk  sebelum  dilakukan  pengukuran.  Lama pengukuran  adalah  2  jam.  Pada  penelitian  ini, distribusi  ukuran  partikel  diukur  berdasarkan hukum  Stokes.  Sebagai  pembanding  dari  hasil penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan metode sedimentation/settling  balance .  Ilustrasi rangkaian  peralatan  yang  digunakan  dapat  dilihat pada Gambar 3.
Batang  yang  digunakan  terbuat  dari aluminium  dengan  diameter  10  mm  dan  panjang 200  mm,  densitas  :  2.70×10 3 kg/m 3 .  Neraca analitik (4 desimal) mempunyai pengait di bagian bawahnya untuk menggantung batang aluminium. Data akan direkam setiap interval 60 detik. Untuk  menyiapkan  suspensi,  1000  ml cairan  dan  partikel  dicampur  dalam  gelas  ukur. Dengan  mengunakan  tali/benang  yang  sangat ringan,  batang  digantung  dari  bawah  neraca analitik. Setelah diaduk dengan pengaduk khusus,
         i i x x x x dx x f h t x v W W dx x f W W W W min max ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 0 0      i x x dx x f h x v W W dt dW min ) ( ) ( ) ( 0 t dt dW W W t t t         B R B ) ( ) ( 18 L P L      g x v x t h x v  ) (
batang dimasukkan ke dalam suspensi, dan dicatat sebagai t = 0 detik. Hal ini berlangsung selama 2 jam. Setelah pengukuran selesai, distribusi ukuran partikel diukur berdasarkan teori di atas.
2 3 4 5 Ket: 1. Neraca analitik ( analytical balance ) PW 254 2. Benang penggantung batang ( hanging wire ) 3. Batang ( weighing bar ) 4. Gelas ukur ( measuring glass cylinder ) 5. Fasa cair 6. Ruangan insulasi ( insulation vessel ) 6 1

## Gambar 3. Skematik dari Peralatan Eksperimen
Hasil Penelitian
Hasil Pengukuran dengan menggunakan Pelarut Murni (p.a)
Gambar  4.  Distribusi  Ukuran  Partikel  Tepung Terigu Menggunakan Pelarut Murni
Gambar  4  memberikan  gambaran  bahwa penggunaan  etanol  murni  lebih  baik  daripada metanol murni.  Sebelum percobaan, tepung terigu  diayak  menggunakan  ayakan  140  mesh (125  μm).  Pada  penelitian  yang  dilakukan, metode settling  balance menghasilkan  distribusi ukuran  partikel  tepung  terigu  dalam  rentang sekitar  10 113  μm.  Hasil  ini  menunjukkan bahwa  rentang  pengukuran  sebanding  dengan yang  dihasilkan  Metode  Pengapungan  Batang (BWM).
Hasil Pengukuran dengan menggunakan Etanol Teknis
Gambar  5  memberikan  gambaran  bahwa penggunaan  etanol  murni  lebih  baik  daripada
etanol  teknis.  Semakin  tinggi  konsentrasi  etanol, maka  distribusi  hasil  pengukuran  partikel  akan semakin baik. Pada berbagai konsentrasi ini, hasil penelitian  menunjukkan  bahwa  rentang  ukuran partikel  yang  diukur  dengan  metode  BWM sebanding  dengan  hasil  yang  diperoleh  dengan menggunakan metode s ettling balance.
Gambar  5.  Distribusi  Ukuran  Partikel  Tepung Terigu Menggunakan Etanol Teknis
Hasil Pengukuran dengan menggunakan Metanol Teknis

## Gambar  6.  Distribusi  Ukuran  Partikel  Tepung Terigu Menggunakan Metanol Teknis
Gambar  6  memberikan  gambaran  bahwa penggunaan  metanol  murni  lebih  baik  daripada metanol  teknis.  Semakin  tinggi  konsentrasi metanol,  maka  distribusi  hasil  pengukuran partikel  akan  semakin  baik.  Pada  berbagai konsentrasi  ini,  hasil  penelitian  menunjukkan bahwa  rentang  ukuran  partikel  yang  diukur dengan  metode  BWM  sebanding  dengan  hasil yang  diperoleh  dengan  menggunakan  metode s ettling balance.

## Kesimpulan
Hasil  penelitian  ini  memberikan  kesimpulan sebagai berikut :
1. Pelarut  etanol  memberikan  hasil  lebih  baik daripada  pelarut  metanol  pada  penentuan distribusi  ukuran  partikel  tepung  terigu menggunakan  metode  BWM,  dan  semakin tinggi konsentrasi etanol/metanol yang digunakan,  maka  hasil  distribusi  ukuran
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 K u m u la tif M a ss a Und er size ( %) Ukuran Partikel (μm) Metode Settling Balance Metode BWM Etanol Murni Metode BWM Metanol Murni 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 K u m u la tif M a ss a Und er size ( %) Ukuran Partikel (μm) Metode Settling Balance Metode BWM Etanol Murni Metode BWM Etanol 70% Metode BWM Etanol 50%
Metode BWM Etanol 30% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 K u m u la tif M a ss a Und er size (%) Ukuran Partikel (μm) Metode Settling Balance Metode BWM Metanol Murni Metode BWM Metanol 70% Metode BWM Metanol 50% Metode BWM Metanol 30%
partikel yang diperoleh akan semakin baik.
2. Rentang  hasil  pengukuran  distribusi  ukuran partikel dengan  menggunakan  metode  BWM ini  sebanding  dengan  rentang  hasil  yang diperoleh  dengan  menggunakan settling
balance .

## Ucapan Terima Kasih
Terimakasih  kami  sampaikan  kepada  Direktorat Jenderal    Pendidikan  Tinggi  (DIKTI),  Kementerian Pendidikan  dan  Kebudayaan  atas  dukungan  dana yang  diberikan  untuk  pelaksanaan  penelitian  ini melalui Hibah Penelitian Fundamental tahun 2014.

## Daftar Pustaka
[1]  E.  Obata,  Watanabe  and  N.  Endo, Measurement of size and size distribution of particles by fluidization, Journal of Chemical  Engineering  of  Japan,  15,  23–28, 1982.
[2]  E.  Obata,  Y.  Ohira  and  M.  Ohta,  New measurement  of  particle  size  distribution  by buoyancy  weighing–bar  method,  Powder Technology, 196, 163–168, 2009.
[3]  E. Obata and H. Watanabe, Measurement of particle  sizes  by  fluidization,  Encyclopedia of Fluid Mechanics, vol. 4, Gulf Publishing, Houston, pp. 221–236, 1986.
[4]  E.  Obata  and  K.  Ando,  Particle  size measurements by fluidization: From laminar flow  region  to  the  turbulent  flow  region, Encyclopedia of Fluid Mechanics, Supplement 2, Gulf Publishing, Houston, pp. 169–189, 1993.
[5]  H.  Minoshima,  K.  Matsushima  and  K. Shinohara,  Experimental  study  on  size distribution  of  granules  prepared  by  spray drying:  the  case  of  a  dispersed  slurry containing binder, Kagaku Kogaku Ronbunshu, 31, 102–107, 2005.
[6]  K.  Fukui,  H.  Yoshida,  M.  Shiba  and  Y. Tokunaga, Investigation about data reduction  and  sedimentation  distance  of sedimentation  balance  method,  Journal  of Chemical  Engineering  of  Japan,  33,  393– 399, 2000.
[7]  M. Arakawa, G. Shimomura, A. Imamura, N. Yazawa, T. Yokoyama and N. Kaya, A New apparatus  for  measuring  particle  size distribution based on
centrifugal sedimentation,  Journal  of  the  Society  of Materials  Science  of  Japan,  33,  1141–1145, 1984.
[8]    M.  Kuriyama,  H.  Tokanai  and  E.  Harada, Maximum  stable  drop  size  of  pseudoplastic dispersed–phase  in  agitation  dispersion, Kagaku  Kogaku  Ronbunshu,  26,  745–748, 2000.
[9]  R. Tambun, T. Motoi, M. Shimadzu, Y. Ohira and E. Obata, Size distribution measurement of floating particles in the Allen region by a buoyancy  weighing–bar  method,  Advanced Powder Technology, 22, 548–552, 2011.
[10]  R.  Tambun,  K.  Nakano,  M.  Shimadzu,  Y. Ohira  and  E.  Obata,  Sizes  Influences  of Weighing  Bar  and  Vessel  in  the  Buoyancy Weighing-Bar  Method  on  Floating  Particle Size  Distribution  Measurements,  Advanced Powder Technology, 23, 855-860, 2012.
[11]  R.  Tambun,  Y.  Ohira    and  E.  Obata, Graphical analogy of particle size distribution among Andreasen pipette, settling  balance,  fluidization–curve  and buoyancy weighing–bar
methods, Proceeding  of  the  13 th Asia  Pacific Confederation  of  Chemical  Engineering Congress, Taipei, Taiwan, 2010.
[12]  R.  Tambun,  M.  Shimadzu,  Y.  Ohira  and  E. Obata,  Definition  of  the  New  Mean  Particle Size based on the Settling Velocity in Liquid, Journal  of  Chemical  Engineering  of  Japan, 45, 279-284, 2012.
[13] S. Odén, The size distribution of particles in soils  and  the  experimental  methods  of obtaining them, Soil Science, 19, 1–35, 1925.
[14]  Society  of  Chemical  Engineering  of  Japan, Chemical Engineering Handbook, 5 th edition, Maruzen, Tokyo, Japan, pp. 224–231, 1988.
[15] T.  Allen,  Particle  Size  Measurement,  Fourth edition,  Chapman  and  Hall,  London,  pp. 345–355, 1990.
[16]  T.  Motoi,    Y.  Ohira    and  E.  Obata, Measurement  of  the  floating  particle  size distribution  by  buoyancy  weighing–bar method, Powder Technology, 201, 283–288, 2010.
[17]  Y.  Ohira,  K.  Furukawa,  R.  Tambun,  M. Shimadzu and E. Obata, Buoyancy weighing-bar  method:  A  particle  size distribution measurement using new settling method, Journal  of  the  Sedimentological Society of Japan, 69, 17-26, 2010.
[18] Y. Ohira, H. Takahashi, M. Takahashi and K. Ando,  Wall  heat  transfer  in  a  double-tube coal-slurry  bubble  column,  Kagaku  Kogaku Ronbunshu, 30, 360–367, 2004.