Karakteristik teknik bahan pertanian

Umbi salah satu spesies talas (xanthosoma sagittifolium) sedang diuji sifat rheologi, di Institut Pertanian Bogor

Karakteristik teknik bahan pertanian adalah sifat fisik dari bahan pertanian yang dianalisis dengan tujuan memudahkan dalam mendesain 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, sifat optik, dan sebagainya), tegangan kontak, 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 teoritis 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	Deskripsi
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

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:

${\frac {V}{S}}\ \geq {\frac {1}{36\pi }}$

di mana V adalah volume dan S adalah luas permukaan bahan yang berbentuk cembung.

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.

$V={\frac {m_{w}}{\rho }}\$

di mana V adalah volume bahan (m³), m_w adalah massa air yang dipindahkan (kg), dan ρ 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

Lihat pula: Reologi, Tegangan, dan Regangan

Reologi adalah ilmu yang mempelajari deformasi dan aliran. Jika suatu gaya bekerja hingga menyebabkan deformasi dan aliran pada bahan, maka sifat-sifat mekanik yang terjadi disebut juga sebagai sifat reologi. Selain itu, pengaruh waktu juga dipertimbangkan dalam pembahasa reologi. Contoh sifat reologi yang terjadi pada bahan pertanian yang sering diamati adalah tegangan-regangan, creep, dan viskositas. Contohnya adalah mayonaise yang berbentuk semi solid namun dapat mengalir, adonan tepung, dan sebagainya. Mesin yang digunakan untuk memanaskan susu (pasteurisasi) akan memiliki hasil yang berbeda jika benda yang diolah adalah fluida lain, misal sirup mapel karena viskositasnya berbeda.

Sifat aero-hidrodinamika

Koefisien hambat berbagai bentuk dasar benda

Lihat pula: Aerodinamika dan Hidrodinamika

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:

$F_{d}=C_{d}A_{p}{\frac {\rho v^{2}}{2}}$

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

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

Jenis produk	Koefisien hambat	Kecepatan terminal (m/s)
Gandum	0.50 0.85	9.6 8.41-9.06
Barley	0.50 0.98	7.6 7.23-7.24
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
Apel		42.0
Aprikot		34.0
Ceri		24.0
Persik		42-44
Plum		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 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 gesek statis	Koefisien gesek dinamis
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 logam galvanis	0.31
Jagung kupas	Beton	0.35-0.54
Jagung kupas	Kayu	0.37
Jagung kupas	Lembaran logam galvanis	0.37
Jagung kupas	Polietilena	0.38
Jagung kupas	Teflon	0.12
Jagung kupas	Karet	0.44
Jagung fermentasi	Baja	0.60	0.66-0.70
Oat	Beton	0.44
Oat	Kayu	0.29
Oat	Lembaran metal galvanis	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 logam galvanis	0.20
Kedelai	Karet	0.22
Jerami	Baja	0.20	0.30
Gandum	Beton	0.51
Gandum	Kayu	0.31
Gandum	Lembaran logam galvanis	0.10

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 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:

Bahan	Sudut tenang (derajat)
Abu kayu	40°
Kulit kayu	45°
Dedak	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 kupas	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 fotokimiawi pada bahan pertanian.

Interaksi cahaya

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:

I = R + A + T

Dengan I adalah jumlah intensitas awal cahaya yang dipaparkan ke buah, R adalah reflektan, A adalah absorban, dan T 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

Metode penentuan panas jenis dapat dilakukan dengan persamaan empiris, metode pencampuran dengan kalorimeter, metode guardd-plate, dan metode kalorimeter penskalaan diferensial.

= Persamaan empiris

Dengan persamaan empiris Siebel untuk temperatur di atas titik beku:

$C_{p}=0.837+3.349M_{w}$

Untuk temperatur di bawah titik beku:

$C_{p}=0.837+1.256M_{w}$

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

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

Kalorimeter

Kalorimeter

Artikel utama: 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:

$Q=C_{p}m_{s}\Delta _{T}=VI\theta \eta$

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

Bahan bacaan terkait

• Mohsenin, Nuri N. (1986). Physical Properties of Plant and Animal Materials: Structure, Physical Characteristics, and Mechanical Properties. Gordon and Breach. ISBN 0-677-21370-0. 
• Sitkei, Gyorgy (1986). Mechanics of Agricultural Materials. Elsevier. ISBN 0-444-41940-3. 

Pranala luar

Contoh penelitian

• Adhiguna, Rizky Tirta. "Karakteristik teknik proses kristalisasi kopi ginseng instan rendah kafein". repository.ipb.ac.id. Diakses tanggal 17 September 2013. 
• Wahyuniningsih, Dewi Nurna. "Karakteristik Temperatur dan Aliran Larutan Nutrisi Tanaman Tomat (Lycopersicum Esculentum Mill) Pada Sistem Hidroponik Nutrient Film Technique (NFT)". repository.ipb.ac.id. Diakses tanggal 17 September 2013.