Karakteristik teknik bahan pertanian
Karakteristik teknik bahan pertanian adalah sifat fisik dari bahan pertanian yang dianalisis dengan tujuan memudahkan dalam mendesain proses dan alat dan mesin yang terkait dengan penanganan dan aplikasi bahan pertanian. Contoh bahan pertanian yaitu benih, pupuk, hasil pertanian, hingga limbah biologis hasil aktivitas pertanian. Sifat fisik yang dianalisis adalah ukuran sederhana (bentuk, panjang, luas permukaan, volume, massa, massa jenis), sifat listrik, sifat panas (mencakup konduktivitas, difusivitas, kemampuan pindah panas, dan sebagainya), karakteristik air (mencakup kadar air, higroskopisitas, kadar air kesetimbangan, dan sebagainya), sifat optik, tegangan mekanis, rheologi, sifat aerodinamika dan hidrodinamika, dan sebagainya. Karakteristik tak langsung seperti gesekan yang terjadi antara bahan pertanian dan bahan pertanian dengan media lain serta kerusakan mekanik dan fisik juga dianalisis.
Fungsi dari kebanyakan mesin pertanian sangat dipengaruhi oleh bentuk dan ukuran bahan yang diproses. Contoh mesin tanam, ayakan ("sifter"), dan saringan membutuhkan pengetahuan mengenai dimensi ukuran bahan yang diproses agar dapat bekerja dengan baik. Pada proses tertentu, selain bentuk juga kerapatan bahan ("bulk density").
Bentuk produk juga mempengaruhi koefisien pengepakan dalam suatu kontainer. Koefisien pengepakan secara teoretis nilainya mudah dihitung jika diasumsikan bahwa bentuk bahan adalah bulat sempurna. Namun kenyataan di lapangan, tidak ada bahan pertanian yang memiliki bentuk bulat sempurna. Selain itu, bentuk bahan pertanian juga dapat berubah akibat proses penanganan yang tidak benar sehingga menimbulkan kerusakan mekanis.
Indeks bentuk yang sering digunakan adalah kebulatan ("roundness", "sphericity"), rasio kebulatan, rasio aksial, dan sebagainya. Berikut adalah deskripsi bentuk bahan pertanian:
Luas permukaan bahan-bahan hasil pertanian bermanfaat untuk berbagai kebutuhan seperti menentukan kapasitas laju fotosintesis, menentukan hubungan tanaman, tanah, dan air (transpirasi, evapotranspirasi); menentukan efisiensi penggunaan pestisida, hingga pengujian kualitas produk hasil pertanian (misal kualitas daun tembakau). Metode yang digunakan adalah planimeter di mana bayangan benda diproyeksikan di atas kertas, lalu luas bayangan benda. Metode lain yang lebih maju adalah dengan menggunakan alat yang disebut dengan "air-flow planimeter". Perkembangan teknologi sinar laser dan optik yang dihubungkan dengan komputer mempercepat proses ini dengan fasilitas pemrosesan gambar ("image processing").
Berdasarkan teori bahan, ditemukan bahwa:
Volume dan massa jenis berbagai produk pertanian berperan penting pada teknologi proses dan dalam evaluasi kualitas produk. Penggunaan sifat ini ada pada teknologi pengeringan, penyimpanan, penentuan tingkat kemasakan buah, dan lain-lain. Umumnya keduanya diukur secara bersamaan menggunakan metode "displacement" (perpindahan massa) setelah berat bahan diukur.
Beberapa jenis bahan pertanian dapat menyerap air selama pengukuran menggunakan metode ini, sehingga perlu diganti dengan fluida lain, misal toluena yang hampir tidak diserap oleh bahan pertanian.
Porositas bahan dan gabungan sejumlah bahan curah berperan penting dalam pengeringan karena mempengaruhi pergerakan air dan udara di dalam bahan (bahan tunggal) atau di antara bahan (bahan curah). Porositas merupakan rasio antara volume rongga terhadap volume total produk.
Bahan pertanian merupakan benda yang dapat terus menerus terpapar gaya selama pemrosesan, dari pemanenan, pengemasan, pemrosesan, transportasi, dan penyimpanan. Sehingga pengetahuan tentang sifat reologi penting untuk mencegah kerusakan dan mengefisiensikan proses penanganan bahan pertanian.
Istilah reologi yang umum seperti modulus Young, kekuatan tensil, dan sebagainya dapat diaplikasikan. Beberapa ilmuwan seperti Mohsenin, Sitkei, dan Tsytovich menggunakan istilah "bioyield point" untuk menggambarkan sifat reologi yang tidak ditemui pada bahan lain. "Bioyield point" adalah titik pada kurva tegangan-deformasi di mana tegangan berkurang atau konstan dengan peningkatan deformasi. Titik ini mencerminkan sensitivitas dari bahan biologis terhadap kerusakan. Definisinya hampir sama dengan "yield point", hanya berbeda bentuk ketika diaplikasikan ke dalam kurva.
Berikut adalah tabel sifat reologi beberapa bahan pertanian.
Penanganan bahan pertanian seringkali memanfaatkan sifat ketahanannya terhadap udara dan air, misal penanganan biji-bijian menggunakan elevator biji-bijian tipe konveyor udara. Hal yang paling mudah terliat, seperti kayu yang telah ditebang juga dipindahkan ke tempat lain dengan dialirkan di sungai. Penanganan lain seperti pemisahan endosperma gandum dari sekamnya menggunakan sifat kelajuan terminal ("terminal velocity") dari gandum dan sekamnya, dengan menggunakan kipas udara berkecepatan tertentu sehingga mampu menerbangkan sekam namun tidak menerbangkan endosperma gandum.
Benda yang berada dalam medium mengalir menerima gaya friksi dan gaya tekan, yang diistilahkan dengan gaya hambat ("drag force"). Besarnya gaya hambat dihitung dengan persamaan:
Berikut adalah koefisien hambat dan kecepatan terminal dari berbagai bahan pertanian:
Gesekan pada banyak kasus sangat penting untuk dianalisis pada semua bidang teknik pertanian. Gesekan selalu terjadi pada beberapa bentuk selama pergerakan bahan dan mempengaruhi gaya yang dihasilkan. Di dalam silo dan struktur penyimpanan lainnya, beban vertikal pada dinding ditentukan oleh koefisien gesekan. Selama pemindahan secara pneumatis, khususnya pada bahan berkonsentrasi tinggi, gesekan antara bahan dengan dinding merupakan hambatan yang cukup penting. Elemen tertentu pada alat pengangkut, misalnya konveyor skrup, dapat dihitung jika koefisien gesekan diketahui. Perilaku produk curah dan butiran sangat tergantung pada nilai koefisien gesekan. Gesekan berperan selama proses pemotongan dan pengepresan produk pertanian.
Di bawah ini merupakan tabel koefisien gesek beberapa bahan pertanian. Perhitungan gaya geseknya sama dengan perhitungan gaya gesek biasa.
Ketika suatu bahan curah atau butiran dikeluarkan dari bukaan bagian bawah silo ("funneling"), atau ketika ditumpahkan ke lantai silo dan membentuk tumpukan ("filling"), koefisien gesek antar partikel akan mempengaruhi sudut kemiringan tumpukan dari dasar ke puncak tumpukan. Sudut ini disebut dengan sudut tenang ("angle of repose"). Pengetahuan mengenai sudut tenang ini penting dalam mendesain silo dan mesin pemanen kombinasi yang dilengkapi dengan penampungan hasil panen. Sudut tenang bahan pertanian ketika dalam proses "funneling" dan "filling" dapat berbeda. Umumnya sudut tenang meningkat ketika kadar air bahan lebih tinggi.
Berikut adalah sudut tenang beberapa bahan pertanian:
Penggunaan cahaya dalam pertanian utamanya terkait dengan pensortiran bahan pertanian secara otomatis yang dideteksi dengan berbagai spektrum cahaya, dari infra merah sampai ultra ungu. Indikator yang dapat diukur dari penggunaan sifat optis ini antara lain kadar nutrisi, kadar air, kepadatan buah, dan kondisi fisik luar. Selain itu, sifat optis juga digunakan dalam pemanenan, misalnya untuk mengukur kadar gula dalam buah sebelum dipetik untuk mendapatkan hasil kematangan yang optimal. Selain untuk pengujian kualitas, cahaya juga digunakan untuk berbagai proses fisik dan kimiawi seperti pengeringan (karena cahaya infra merah berintensitas tinggi mampu menguapkan sejumlah besar air yang terkandung di dalam bahan pertanian) dan reaksi fotokimia pada bahan pertanian.
Interaksi antara cahaya dan bahan pertanian terdiri dari reflektan, absorban, dan transmitan, kesemuanya dihitung dalam satuan rasio atau persen terhadap sejumlah cahaya yang dipaparkan ke bahan pertanian. Reflektan adalah sejumlah cahaya yang dipantulkan oleh bahan pertanian, absorban adalah sejumlah cahaya yang diserap oleh bahan pertanian, dan transmitan adalah sejumlah cahaya yang diteruskan oleh bahan pertanian. Umumnya yang diukur adalah reflektan dan transmitan, dan selisihnya adalah absorban.
Secara sederhana, dapat digambarkan sebagai berikut:
Pemrosesan gambar terkait dengan sifat cahaya tampak dengan indikator berupa sistem warna ("hue", dapat berupa RGB maupun CMYK), "value" (tingkat kecerahan warna), dan "chroma" (tingkat kejenuhan warna). Pemrosesan gambar digunakan untuk membandingkan penampakan dari luar untuk menentukan kualitas dan ukuran bahan pertanian. Misal digunakan dalam sistem sortasi bunga yang baru dipanen dengan memperhatikan warna yang dimiliki bunga.
Sifat panas pada bahan pertanian penting dalam berbagai proses pemanasan (misal pengeringan, dehidrasi, evaporasi, sterilisasi, pasteurisasi, dan perebusan) dan pendinginan (pembekuan, pengeringan beku, pendinginan) sehingga energi yang digunakan untuk melakukan proses tersebut optimal dan tidak banyak yang terbuang. Karena dalam pertanian industri, jumlah bahan pertanian yang diproses bisa sangat banyak.
Sifat panas yang diukur yaitu panas jenis, konduktivitas panas, dan difusivitas panas.
Panas jenis adalah sejumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur satu unit massa sebanyak satu derajat. Panas jenis dalam satuan SI adalah kJ/kgK. Begitu panas jenis diketahui, jumlah panas yang dibutuhkan, formula_18, untuk menaikan temperatur zat bermassa formula_19 dari temperatur awal formula_20 ke temperatur akhir, formula_21 dapat dihitung dengan rumus:
Berikut adalah tabel yang berisi nilai panas jenis beberapa bahan pertanian.
Metode penentuan panas jenis dapat dilakukan dengan persamaan empiris, metode pencampuran dengan kalorimeter, metode "guarded-plate", dan metode kalorimeter penskalaan diferensial.
Dengan persamaan empiris Siebel untuk temperatur di atas titik beku:
Untuk temperatur di bawah titik beku:
Persamaan empiris lainnya yaitu persamaan Choi dan Okos.:
Persamaan lain dalam menentukan panas jenis bahan segar berdasarkan kadar air dan panas jenis bahan kering yang telah diketahui sebelumnya, yaitu:
Persamaan empiris umum lainnya dapat ditemukan dengan variabel dan derajat error yang bervariasi, seperti persamaan Lamb dan Dominguez serta persamaan Heldman dan Singh.
Setiap kalorimeter memiliki konstanta yang bervariasi, yang biasanya dikalibrasi secara periodik atau sebelum dilakukan pengujian. Kalorimeter bekerja dengan menggunakan prinsip pencampuran panas yang sangat efisien di mana panas yang keluar dari sistem sangatlah sedikit. Panas yang dihasilkan didapatkan dari pengukuran fluida yang digunakan di dalam kalorimeter, biasanya air, sebelum dan sesudah pengujian, dikalibrasikan dengan konstanta kalorimeter.
Metode ini memanfaatkan plat logam yang mengelilingi dan memanaskan bahan pertanian. Bahan pertanian dipanaskan dengan pemanasan listrik. Energi listrik yang dikeluarkan dibandingkan dengan perbedaan panas yang didapatkan bahan pertanian. Persamaam umum yang digunakan yaitu:
Konduktivitas panas adalah parameter yang menunjukan kemampuan bahan untuk mentransmisikan panas dari satu titik ke titik lainnya dari bahan tersebut dalam satuan waktu tertentu. Pengetahuan dari sifat ini bermanfaat untuk berbagai aplikasi, di antaranya untuk menentukan waktu sterilisasi dari proses pengalengan bahan pangan, menentukan besarnya energi yang digunakan dalam proses pemanasan atau pendinginan, dan menentukan lama pendinginan/pembekuan. Besarnya nilai konduktivitas panas dari suatu bahan bergantung pada struktur fisik, densitas, temperatur, komposisi kimia (air, protein, lemak, dan sebagainya), dan fase bahan (padat, cair, atau gas).
Secara umum, konduktivitas diilustrasikan dengan persamaan:
Berikut adalah tabel konduktivitas dan difusivitas termal beberapa bahan pertanian: