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 memengaruhi 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:
Bentuk  DeskripsiBulat  Mendekati bolaOblate  Pipih di ujung tangkaiOblong  Diameter vertikal > diameter horizontalMengerucut (conic)  Mengecil ke arah ujungOvate  Berbentuk telur, agak lebar di ujung tangkaiBlique  Sumbu yang berhubungan dengan tangkaiObovate  Kebalikan dari ovateEliptik  Mendekati bentuk elipsoidTruncate  Memiliki dua akhir bertingkat atau rataBerrusuk  Potongan melintang ke dalam, sisi-sisi lebih atau kurang sikuRegular  Bentuk potongan horisontal mendekati lingkaranIrregular  Bentuk potongan melintang horisontal menyimpang dari lingkaran

 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 memengaruhi 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.

 Bahan  Beban pada puncak(N)  Tegangan pada puncak(N/mm2)  Regangan pada puncak(%)  Beban ketika patah(N)  Tegangan ketika patah(N/mm2)  Regangan ketika patah(%)  Beban pada titik yield(N)  Tegangan pada titik yield(N/mm2)  Regangan pada titik yield(%)  Modulus Young(N/mm2)  Beras  25032  16.46  18.79  25032  16.46  18.79  5482.0  3.61  6.24  85.79 Jagung  15085  9.92  28.95  15085  9.92  28.95  3460.0  2.28  12.51  31.06 Sorgum  15034  9.89  39.82  15034  9.89  39.82  5147.0  3.39  28.69  26.83 Cowpea  15015  9.87  29.49  15012  9.87  29.50  3197.0  2.10  10.97  24.62 Garri  15031  9.89  40.27  15031  9.89  40.27  5015.1  3.30  27.75  22.37
Catatan: Garri adalah adonan yang dibuat dari tepung tapioka, makanan khas wilayah Afrika Barat

 Sifat aero-hidrodinamika 
jmpl|Koefisien hambat berbagai bentuk dasar benda

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 tetapi 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:
 Jenis produk  Koefisien hambat  Kecepatan terminal(m/s)Gandum  0.500.85   9.68.41-9.06Barley  0.500.98  7.67.23-7.24Jagung  0.56-0.7  11.4Lentil  0.76  10.40-10.47Kacang arab  0.81  14.47-16.27Kedelai  0.45  14.5Oat  0.47-0.51  6.6Kentang  0.64  32.0Apel   42.0 Aprikot   34.0Ceri   24.0Persik   42-44Plum   32-34

 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 memengaruhi 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.
 Bahan  Permukaan  Koefisien gesekstatis  Koefisien gesekdinamis Alfalfa, pelet  Baja  0.22  0.17 Alfalfa, pelet  Kayu  0.39  0.28 Alfalfa, potongan  Baja  0.37  0.34 Alfalfa, potongan  Kayu  0.49  0.37 Barley  Beton  0.52   Barley  Kayu  0.31   Barley  Lembaran logamgalvanis  0.31  Jagung pipil  Beton  0.35-0.54  Jagung pipil  Kayu  0.37  Jagung pipil  Lembaran logamgalvanis  0.37  Jagung pipil  Polietilena  0.38   Jagung pipil  Teflon  0.12   Jagung pipil  Karet  0.44  Jagung fermentasi  Baja  0.60  0.66-0.70 Oat  Beton  0.44  Oat  Kayu  0.29   Oat  Lembaran metalgalvanis  0.24   Cangkang kerang  Baja  0.38  0.35 Cangkang kerang  Kayu  0.60   Beras  Baja  0.45  Beras  Kayu  0.44  Kedelai  Beton  0.52   Kedelai  Kayu  0.35   Kedelai  Lembaran logamgalvanis  0.20   Kedelai  Karet  0.22   Jerami  Baja  0.20  0.30 Gandum  Beton  0.51   Gandum  Kayu  0.31   Gandum  Lembaran logamgalvanis  0.10  

jmpl|ka|Sudut tenang dari suatu tumpukan bahan curah
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 memengaruhi 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:Clover, Thomas J. Pocket Ref. Littleton, Colorado: Sequoia Publishing, Inc., 1998.

 Bahan  Sudut tenang (derajat) Abu kayu  40° Kulit kayu  45° Bekatul  30–45° Kapur  45° Biji Clover  28° Kelapa parut  45° Biji kopi segar  35–45° Tanah  30–45° Tepung jagung  30-40° Tepung terigu  45° Malt  30–45° Urea (butiran)  27°  Gandum  27-41° Barley  28-34.6° Jagung pipil  27-38° Biji flax  25° Oat  32° Beras  34-36° Kedelai  29°

 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 
jmpl|ka|Cohtoh grafik yang dihasilkan dari pengukuran nilai reflektan apel. Setiap bahan pertanian mempunyai grafik yang unik.
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.

 Bahan  Kadar air(% basis basah)  Panas jenis(kJ/kgK)di atas titik beku  Panas jenis(kJ/kgK)di bawah titik beku  Avokad  65  3.30  1.66 Apel  75-85 3.72-4.02   Beras  12.0  1.65   Daging ayam  74  3.53  1.77 Daging domba muda  90  3.89   Daging kalkun  64  3.28  1.65 Daging sapi (otot 60%)  49  2.90  1.46 Daging sapi (otot 54%)  45  2.80  1.41 Gandum keras  9.2  1.55   Gandum lunak  9.0  1.57   Ham (otot 74%)  56  3.08  1.55 Ikan cod, fillet  80  3.68  1.85 Ikan tuna utuh  70  3.43  1.72 Jagung  14.7  2.03   Jamur  90  3.94  Jeruk 87  3.90  1.96 Kacang tanah dengan kulit  6  1.82  0.92 Kacang tanah dengan kulit, sangrai  2  1.72  0.87 Keju Cheddar  37  2.60  1.31 Keju Cottage  60-70  3.27   Kentang rebus  80  3.64   Kentang segar  75  3.52   Kentang, sup  88  3.94   Makaroni  12.5-13.5  1.84   Marshmallow  17  2.10  1.05 Mentega  16  2.07  1.04 Oat  12.0  1.67   Pecan  3  1.75  0.88 Pistachio segar  39  2.3  Pistachio kering  8  1.1  Persik segar  89  3.90  1.96 Plum segar  75-78  3.52  Susu (lemak 3.7%)  87  3.85  1.94 Tepung terigu  12-13.5  1.84   Tin kering  23  2.25  1.13 Tin segar  78  3.63  1.82 Tomat matang  94  4.03  2.02 Wortel  86-90  3.88  1.95

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 
jmpl|ka|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:

 Bahan  Konduktivtas termal (W/mK)  Difusivitas termal (m2/jam)  Keterangan Apel  0.342  0.000399  Kadar air 85%  Beras  0.35   kadar air 15% Daging ayam  0480-0.488    Daging babi, paha  1.23   kadar lemak 6%, kadar air 72%, temperatur -8oC tegak lurus dengan ruas otot Daging babi, paha  1.41   kadar lemak 6%, kadar air 72%, temperatur -8oC sejajar dengan ruas otot Daging babi strip loin  0.388  0.000372   Daging sapi cincang  0.452   kadar lemak 3%, kadar air 74.6% Gandum, biji  0.129  0.000307  kadar air 10.3% Grapefruit, daging buah  0.462    Grapefruit, kulit buah  0.237    Jagung pipil curah  0.159  0.000326  kadar air 14.7% Jeruk Valencia, daging buah  0.435    Jeruk Valencia, kulit buah  0.179    Kacang merah  0.102   Kadar air 11.5% Kayu oak  0.208  0.000380  tegak lurus serat kayu Kayu oak  0.342  0.000640  sejajar serat kayu Kayu pinus  0.104  0.000270  tegak lurus serat kayu Kayu pinus  0.242  0.000622  sejajar serat kayu Kedelai curah  0.106   kadar air 11.2% Keju cheddar  0.310   kadar air 37% Keju mozarella  0.370   kadar air 45.4% Kentang  0.648  0.000616   Krim  0.310   kadar lemak 47.5%, kadar air 48% Mentega  0.210   kadar air 16.5% Minyak jagung  0.170    Minyak kacang tanah  0.167    Persik segar  0.581  0.000504  kadar air 89% Pistachio, tunggal  0.112   kadar air 10% Pistachio, curah  0.030   kadar air 10% Susu  0.550-0.580   Kadar lemak 3.7%, kadar air 83% Susu skim  0.573   kadar air 89.9% Susu skim bubuk  0.258   kadar air 4% Tin kering  0.310  0.000306  kadar air 40% 

 Referensi 

 Bahan bacaan terkait 




 Pranala luar 

 Contoh penelitian 



Kategori:Teknik pertanian