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:
bulat mendekati bola
oblate pipih di ujung tangkai
oblong diameter vertikal > diameter horizontal
mengerucut (conic) mengecil ke arah ujung
ovate berbentuk telur, agak lebar di ujung tangkai
blique sumbu yang berhubungan dengan tangkai
obovate kebalikan dari ovate
eliptik mendekati bentuk elipsoid
truncate memiliki dua akhir bertingkat atau rata
berrusuk potongan melintang ke dalam, sisi-sisi lebih atau kurang siku
regular bentuk potongan horisontal mendekati lingkaran
irregular bentuk potongan melintang horisontal menyimpang dari lingkaran
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:
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.
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 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.
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
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:
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 9.68.41-9.06
barley 0.500.98 7.67.23-7.24
jagung 0.56-0.7 11.4
lentil 0.76 10.40-10.47
kacang arab 0.81 14.47-16.27
kedelai 0.45 14.5
oat 0.47-0.51 6.6
kentang 0.64 32.0
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.
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
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
biji clover 28
kelapa parut 45
biji kopi segar 3545
tepung jagung 30-40
tepung terigu 45
urea (butiran) 27
jagung pipil 27-38
biji flax 25
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.
secara sederhana, dapat digambarkan sebagai berikut:
adalah jumlah intensitas awal cahaya yang dipaparkan ke buah,
adalah absorban, dan
satuannya dapat berbeda-beda pada setiap jenis alat ukur.
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.
dengan persamaan empiris siebel untuk temperatur di atas titik beku:
untuk temperatur di bawah titik beku:
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.:
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:
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.
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:
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.
secara umum, konduktivitas diilustrasikan dengan persamaan:
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%
bahan bacaan terkait