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.

Ukuran sederhana

Bentuk dan ukuran 
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 
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:

di mana,
 adalah volume (m3)
 adalah luas permukaan bahan yang berbentuk cembung (m2)

Volume dan massa jenis 
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.

di mana,
 adalah volume bahan (m3),
 adalah massa air yang dipindahkan (kg), dan
 adalah massa jenis air (kg/m3)

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 
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.

Reologi 

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.

Catatan: Garri adalah adonan yang dibuat dari tepung tapioka, makanan khas wilayah Afrika Barat

Sifat aero-hidrodinamika 

Penanganan bahan pertanian sering kali 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:

dengan
 adalah koefisien hambat,
' adalah luas penampang bahan (m2),
 adalah massa jenis fluida (kg/m3), dan
 adalah laju aliran fluida.

Berikut adalah koefisien hambat dan kecepatan terminal dari berbagai bahan pertanian:

Gesekan pada 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:

Sifat optis 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 cahaya 

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:

Dengan
 adalah jumlah intensitas awal cahaya yang dipaparkan ke buah,
 adalah reflektan,
 adalah absorban, dan
 adalah transmitan. Satuannya dapat berbeda-beda pada setiap jenis alat ukur.

Pemrosesan gambar 
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 bahan pertanian 
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 bahan pertanian 
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, , untuk menaikan temperatur zat bermassa  dari temperatur awal  ke temperatur akhir,  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.

Persamaan empiris 
Dengan persamaan empiris Siebel untuk temperatur di atas titik beku:

Untuk temperatur di bawah titik beku:

Dengan,
 adalah panas jenis (kJ/kgK) dan
 adalah kadar air bahan pertanian yang dinilai dalam bentuk rasio terhadap total massa bahan

Persamaan empiris lainnya yaitu persamaan Choi dan Okos.:

dengan
 adalah fraksi massa air,
 adalah fraksi massa protein,
 adalah fraksi massa lemak,
 adalah fraksi massa karbohidrat, dan
 adalah fraksi massa abu

Persamaan lain dalam menentukan panas jenis bahan segar berdasarkan kadar air dan panas jenis bahan kering yang telah diketahui sebelumnya, yaitu:

Di mana
 adalah panas jenis bahan kering (J/kgK),
 adalah panas jenis air (J/kgK), dan
 adalah kadar air basis basah bahan.

Persamaan empiris umum lainnya dapat ditemukan dengan variabel dan derajat error yang bervariasi, seperti persamaan Lamb dan Dominguez serta persamaan Heldman dan Singh.

Kalorimeter 

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 guarded-plate 
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:

Dengan
 adalah panas yang dihasilkan (Joule, J),
 adalah panas jenis (kJ/kgK),
 adalah massa sampel (kg),
 adalah perubahan temperatur (K),
 adalah tegangan listrik (Volt),
 adalah kuat arus listrik (ampere),
 adalah waktu pemanasan (detik), dan
 adalah efisiensi pemanasan.

Konduktivitas panas 

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:

di mana,
 adalah panas yang diberikan (Joule),
 adalah waktu (detik),
 adalah temperatur (K),
 adalah panjang atau tebal (m),
 adalah luas penampang (m2), dan
 adalah konduktivitas termal (W/mK).

Berikut adalah tabel konduktivitas dan difusivitas termal beberapa bahan pertanian:

Referensi

Bahan bacaan terkait

Pranala luar

Contoh penelitian 
 
 

Teknik pertanian