PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL TEPUNG TERIGU DENGAN MENGGUNAKAN METODE PENGAPUNGAN BATANG (BUOYANCY WEIGHING-BAR METHOD)

Transkripsi

1 ENENTUAN DISTRIUSI UKURAN ARTIKEL TEUNG TERIGU DENGAN MENGGUNAKAN METODE ENGAUNGAN ATANG (UOYANCY WEIGHING-AR METHOD) Rondang Tambun, Nofriko ratama, Ely, Farida Hanum Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater Kampus USU, Medan 155, Indonesia rondang_tambun@yaoo.com / rondang@usu.ac.id Abstrak enentuan distribusi ukuran partikel tepung terigu merupakan sala satu yang penting dalam industri pengolaan tepung terigu. Selama ini, berbagai cara dapat dilakukan untuk menentukan ukuran partikel tepung terigu seperti metode Andreasen pipette, sedimentation balance, centrifugal sedimentation, laser diffraction/ scattering, microscopy, Coulter counter dan lain sebagainya. Metode-metode tersebut di atas mempunyai kelebian dan kekurangan, terutama masala kekurangpraktisan, waktu ataupun masala biaya. Metode Andreasen ipette, sedimentation balance dan centrifugal sedimentation merupakan metode yang mura tetapi butu waktu yang lama dan kealian untuk mengoperasikannya. Sebaliknya, metode laser diffraction/scattering, microscopy dan Coulter counter merupakan metode yang sangat akurat dan cepat, tetapi memerlukan biaya yang sangat maal. ada penelitian ini, dikembangkan suatu metode terbaru yaitu Metode engapungan atang (uoyancy Weiging- ar Metod) untuk menentukan distribusi ukuran partikel tepung terigu. Metode ini mengukur distribusi ukuran partikel dengan menggunakan sebua batang logam yang digantungkan pada cairan yang berisi butiran partikel tepung yang terdispersi pada cairan tersebut. ada metode ini, perubaan densitas larutan yang terjadi karena perpindaan partikel tepung dalam suspensi (etanol/metanol) diukur berdasarkan perubaan massa batang logam yang digantung di dalam suspensi. Dari asil penelitian diperole bawa asil yang diperole menggunakan Metode engapungan atang sebanding dengan asil yang diperole dengan Metode sedimentation balance. Kata Kunci : daya apung, distribusi ukuran partikel, pengapungan batang, tepung terigu Abstract article size measurement of weat flour is important in weat flour industry. Tere are several metods ave been used to measure particle size distribution (SD) of weat flour, suc as Andreasen pipette metod, sedimentation balance metod, centrifugal sedimentation metod. Te disadvantages of tese metods are tat tey are time consuming and require special skills. On te oter and, SD can be analyzed using a different principle troug laser diffraction/scattering metods, and coulter counter metod. Te laser diffraction/scattering and coulter counter metods produce igly accurate results witin a sorter time, but te equipment is extremely expensive. Terefore, a simple and cost-effective new metod to determine SD is in ig demand. In tis study, we aim to develop a new metod to measure te particle size distribution of weat flour using a buoyancy weiging bar metod. In tis metod, te density cange in a suspension due to particle migration (weat flour) is measured by weiging buoyancy against a weiging bar ung in te suspension (etanol/metanol), and te SD is calculated using te lengt of te bar and te time course cange in te mass of te bar. Tis apparatus consists of an analytical balance wit a ook for underfloor weiging, and a weiging bar, wic is used to detect te density cange in suspension. Te result obtained sow tat te SD of weat flour measured by te buoyancy weiging-bar metod is comparable to tat determined by settling balance metod. Keywords : buoyancy, particle size distribution, weiging bar, weat flour endauluan enentuan distribusi ukuran partikel tepung terigu merupakan sala satu metode yang penting dalam teknologi partikel dalam industri tepung terigu. Selama ini, berbagai cara suda dilakukan untuk menentukan ukuran partikel [15]. Untuk sistem padat-cair, distribusi ukuran partikel diukur menggunakan diameter Stokes dengan mengukur kecepatan perpindaan partikel dalam larutan. Metode-metode yang menggunakan cara ini antara lain adala Metode Andreasen ipette [14], Metode Sedimentation alance [6], Metode Centrifugal Sedimentation [7], dan lain-lain. Metode-metode ini sangat mura dalam pengoperasiannya, tetapi membutukan waktu yang agak lama dan kurang praktis dalam penggunaannya. ada sisi lain, berbagai metode dengan sistem berbeda juga tela ditemukan seperti Metode Laser Diffraction/Scattering [5], Microscopy [8] dan Metode Coulter Counter [18]. engoperasian metode-metode ini sangat praktis sekali dan asil yang diperole sangat akurat dalam tempo yang singkat, tetapi arga peralatan yang dipakai sangat maal.

2 Untuk mengatasi masala ini, sebua metode yang sederana, praktis dan mura sangat diperlukan. Metode terbaru yang sedang dikembangkan untuk mengatasi masala tersebut uoyancy Weiging-ar Metod (WM). Metode ini tela terbukti dapat menentukan distribusi ukuran partikel pada Stokes region maupun pada Allen region untuk berbagai partikel seperti alumina, glass beads, silica sands, nylon beads, magnesite, calcium carbonate, glass bubbles, dan lain-lain. Metode ini pertama sekali dikembangkan ole Obata, dkk. Mereka mengukur distribusi ukuran partikel dengan menggunakan sebua batang logam yang digantungkan pada cairan yang berisi butiran partikel yang terdispersi pada cairan tersebut. Cara inila yang disebut dengan uoyancy Weiging-ar Metod (Metode engapungan atang). ada metode ini, perubaan densitas larutan yang terjadi karena perpindaan partikel diukur dari perubaan massa batang yang digantung di dalam suspensi [2; 9-12]. ada industri tepung terigu, penentuan distribusi ukuran partikel biasanya dilakukan menggunakan metode sedimentation balance, laser diffraction/scattering ataupun metode Coulter counter. Metode sedimentation balance tergolong metode yang rumit dan memerlukan waktu yang lama dalam pengoperasiannya, sementara metode laser diffraction/scattering dan metode Coulter counter ini tergolong metode yang sangat maal, seingga untuk mengatasi masala ini dikaji pemakaian Metode engapungan atang. Teori ada dasarnya distribusi ukuran partikel yang diukur dengan Metode engapungan atang sama dengan yang dipakai pada metode manometrik dan metode Oden alance [13]. Secara grafik, kurva massa teradap waktu pengendapan pada Metode engapungan atang ini analog dengan kurva pressure drop teradap superficial velocity pada fluidisasi [1,3,4]. Gambar 1 mengillustrasikan skematik diagram dari pengendapan partikel. Volume A batang dalam suspensi adala, dengan A adala luas permukaan dari batang pemberat dan adala panjang batang yang dicelupkan pada suspensi. Densitas dari pelarut (cairan) dilambangkan dengan ρ L, sedangkan densitas partikel dilambangkan dengan ρ. konsentrasi mula-mula padatan dalam suspensi adala Co (kg-padatan/m 3 -suspensi) [16,2] Gambar 1(a) menunjukkan bawa massa batang mula-mula yang mengapung pada kondisi awal tergantung pada partikel yang berada antara bagian atas batang dan bagian bawa batang V dalam suspensi. ada waktu pengendapan, densitas mula-mula dari suspensi (ρ S ) adala: S.(1) Gambar 1. Skematik Diagram engendapan artikel Massa batang mula-mula yang mengapung, W tergantung pada partikel pada suspensi dari permukaan sampai kedalaman, maka W dapat didefenisikan sebagai berikut : W V.(2) ada kondisi mula-mula, massa batang dalam suspensi adala G V W V ( S )..(3) dimana, ρ adala densitas dari batang. Gambar 1(b) menunjukkan konsentrasi suspensi (C) semakin menurun dari waktu ke waktu, karena partikel yang besar suda mengendap. Densitas suspensi ρst, massa pengapungan batang W t, dan massa nyata dari batang G t di dalam suspensi pada t = t diberikan sesuai dengan persamaan berikut. ρ St C L S ρ ρl ρl C...(4) ρ t Wt V. ρst.(5) Gt V. ρ W t V. ρ V. ρst V ρ ρst..(6) Gambar 1(c), pada t = ~, konsentrasi suspensi adala, karena semua partikel, baik besar maupun kecil suda mengendap. Densitas suspensi S, massa pengapungan batang W, dan massa nyata dari batang G di dalam suspensi pada t = ~ diberikan sesuai dengan persamaan berikut. S L...(7) W V. ρl...(8) G V. ρ W V ρ ρl..(9) ersamaan menunjukkan neraca massa partikel dalam suspensi [15]. t C. () C C f ( C f ( L 31

3 Dari persamaan (2), (5), (8) dan (), diperole: t..(11) W W ( W W ) f ( ( W x W ) f ( i dimana adala kecepatan pengendapan, f( adala frekuensi massa partikel berukuran x. Diferensial persamaan 11 teradap waktu t, maka akan diperole : dw x i ( W..(12) W ) f ( dt Dari persamaan 11 dan 12, dwt Wt W t..(13) dt dimana W adala massa partikel yang lebi besar dari partikel berukuran x, W ( W W ) f (. x i Kombinasi persamaan 6 dan 13 akan mengasilkan : dgt dgt Gt V. ρ W t G t (14) dt dt Dimana, G V ρ W, and. dg t dwt, karena penurunan massa batang dt dt sesuai dengan penurunan massa pengapungan batang. Nilai G diitung dari slope persamaan 14. Hubungan kumulatif massa oversize, R( dan kumulatif massa undersize, D( adala, G G R( f ( 1 D( (15) x i G G Ukuran partikel x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes: 18L x...(16) g ( L ) dimana g adala percepatan gravitasi dan μ L adala viskositas larutan. Kecepatan pengendapan partikel diitung sesuai dengan persamaan (17) t Dimana adala panjang batang yang terapung di dalam cairan dan t adala waktu pengendapan. Ukuran partikel x yang diasilkan pada persamaan 17 merupakan diameter Stokes. Hal ini membuktikan bawa teori pada Metode engapungan atang ini mirip dengan metode sedimentation balance [13]. Gambar 2 mengillustrasikan metode peritungan distribusi ukuran partikel yang mengendap dengan menggunakan Metode engapungan atang. Gambar kanan atas menunjukkan perubaan massa batang sebagai fungsi waktu, sementara gambar kanan bawa menunjukkan ubungan waktu dengan kebalikan ukuran partikel. Dari persamaan 16 dan 17, waktu sebanding dengan kuadrat kebalikan dari ukuran partikel. Jadi dalam metode ini, ukuran partikel x dapat diitung pada setiap waktu t, sementara G secara simultan dapat diitung dari slope, sesuai dengan persamaan 14. Kumulatif massa undersize, D( dapat diitung dengan persamaan 15. ada gambar kiri atas, distribusi ukuran partikel diperole dari peritungan ukuran partikel x dan D( [2,11]. Gambar 2. Grafik enentuan Distribusi artikel dengan Metode engapungan atang Metodologi enelitian ada penelitian ini, kami melakukan serangkaian percobaan penentuan distribusi ukuran partikel dengan Metode engapungan atang. Material sampel yang diteliti adala tepung terigu (Cap Segi Tiga iru). Etanol dan metanol digunakan sebagai fase cairan. Air tidak dianjurkan digunakan pada penelitian ini karena tepung terigu tidak akan terpisa dengan baik di dalam air. Konsentrasi suspensi adala kg/m 3 (± 1 wt.%) [17]. Suu ruangan dan suu cairan adala 298 K (suu kamar). Semua suspensi akan diaduk sebelum dilakukan pengukuran. Lama pengukuran adala 2 jam. ada penelitian ini, distribusi ukuran partikel diukur berdasarkan ukum Stokes. Sebagai pembanding dari asil penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode sedimentation/settling balance. Ilustrasi rangkaian peralatan yang digunakan dapat diliat pada Gambar 3. atang yang digunakan terbuat dari aluminium dengan diameter mm dan panjang mm, densitas : kg/m 3. Neraca analitik (4 desimal) mempunyai pengait di bagian bawanya untuk menggantung batang aluminium. Data akan direkam setiap interval 6 detik. Untuk menyiapkan suspensi, ml cairan dan partikel dicampur dalam gelas ukur. Dengan mengunakan tali/benang yang sangat ringan, batang digantung dari bawa neraca analitik. Setela diaduk dengan pengaduk kusus, 32

4 Kumulatif Massa Undersize (%) Kumulatif Massa Undersize (%) Kumulatif Massa Undersize (%) Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 4, No. 1 (Maret 15) batang dimasukkan ke dalam suspensi, dan dicatat sebagai t = detik. Hal ini berlangsung selama 2 jam. Setela pengukuran selesai, distribusi ukuran partikel diukur berdasarkan teori di atas Ket: 1. Neraca analitik (analytical balance) W enang penggantung batang (anging wire) 3. atang (weiging bar) 4. Gelas ukur (measuring glass cylinder) 5. Fasa cair 6. Ruangan insulasi (insulation vessel) Gambar 3. Skematik dari eralatan Eksperimen Hasil enelitian Hasil engukuran dengan menggunakan elarut Murni (p.a) Gambar 4. Distribusi Ukuran artikel Tepung Terigu Menggunakan elarut Murni Gambar 4 memberikan gambaran bawa penggunaan etanol murni lebi baik daripada metanol murni. Sebelum percobaan, tepung terigu diayak menggunakan ayakan 1 mes (125 μm). ada penelitian yang dilakukan, metode settling balance mengasilkan distribusi ukuran partikel tepung terigu dalam rentang sekitar 113 μm. Hasil ini menunjukkan bawa rentang pengukuran sebanding dengan yang diasilkan Metode engapungan atang (WM). Hasil engukuran dengan menggunakan Etanol Teknis Gambar 5 memberikan gambaran bawa penggunaan etanol murni lebi baik daripada 1 Metode Settling alance Metode WM Etanol Murni Metode WM Metanol Murni etanol teknis. Semakin tinggi konsentrasi etanol, maka distribusi asil pengukuran partikel akan semakin baik. ada berbagai konsentrasi ini, asil penelitian menunjukkan bawa rentang ukuran partikel yang diukur dengan metode WM sebanding dengan asil yang diperole dengan menggunakan metode settling balance Gambar 5. Distribusi Ukuran artikel Tepung Terigu Menggunakan Etanol Teknis Hasil engukuran dengan menggunakan Metanol Teknis Metode Settling alance Metode WM Etanol Murni Metode WM Etanol 7% Metode WM Etanol % Metode WM Etanol % Metode Settling alance Metode WM Metanol Murni Metode WM Metanol 7% Metode WM Metanol % Metode WM Metanol % 1 Gambar 6. Distribusi Ukuran artikel Tepung Terigu Menggunakan Metanol Teknis Gambar 6 memberikan gambaran bawa penggunaan metanol murni lebi baik daripada metanol teknis. Semakin tinggi konsentrasi metanol, maka distribusi asil pengukuran partikel akan semakin baik. ada berbagai konsentrasi ini, asil penelitian menunjukkan bawa rentang ukuran partikel yang diukur dengan metode WM sebanding dengan asil yang diperole dengan menggunakan metode settling balance. Kesimpulan Hasil penelitian ini memberikan kesimpulan sebagai berikut : 1. elarut etanol memberikan asil lebi baik daripada pelarut metanol pada penentuan distribusi ukuran partikel tepung terigu menggunakan metode WM, dan semakin tinggi konsentrasi etanol/metanol yang digunakan, maka asil distribusi ukuran 33

5 partikel yang diperole akan semakin baik. 2. Rentang asil pengukuran distribusi ukuran partikel dengan menggunakan metode WM ini sebanding dengan rentang asil yang diperole dengan menggunakan settling balance. Ucapan Terima Kasi Terimakasi kami sampaikan kepada Direktorat Jenderal endidikan Tinggi (DIKTI), Kementerian endidikan dan Kebudayaan atas dukungan dana yang diberikan untuk pelaksanaan penelitian ini melalui Hiba enelitian Fundamental taun 14. Daftar ustaka [1] E. Obata, Watanabe and N. Endo, Measurement of size and size distribution of particles by fluidization, Journal of Cemical Engineering of Japan, 15, 23 28, [2] E. Obata, Y. Oira and M. Ota, New measurement of particle size distribution by buoyancy weiging bar metod, owder Tecnology, 196, , 9. [3] E. Obata and H. Watanabe, Measurement of particle sizes by fluidization, Encyclopedia of Fluid Mecanics, vol. 4, Gulf ublising, Houston, pp , [4] E. Obata and K. Ando, article size measurements by fluidization: From laminar flow region to te turbulent flow region, Encyclopedia of Fluid Mecanics, Supplement 2, Gulf ublising, Houston, pp , [5] H. Minosima, K. Matsusima and K. Sinoara, Experimental study on size distribution of granules prepared by spray drying: te case of a dispersed slurry containing binder, Kagaku Kogaku Ronbunsu, 31, 2 7, 5. [6] K. Fukui, H. Yosida, M. Siba and Y. Tokunaga, Investigation about data reduction and sedimentation distance of sedimentation balance metod, Journal of Cemical Engineering of Japan, 33, ,. [7] M. Arakawa, G. Simomura, A. Imamura, N. Yazawa, T. Yokoyama and N. Kaya, A New apparatus for measuring particle size distribution based on centrifugal sedimentation, Journal of te Society of Materials Science of Japan, 33, , [8] M. Kuriyama, H. Tokanai and E. Harada, Mamum stable drop size of pseudoplastic dispersed pase in agitation dispersion, Kagaku Kogaku Ronbunsu, 26, ,. [9] R. Tambun, T. Motoi, M. Simadzu, Y. Oira and E. Obata, Size distribution measurement of floating particles in te Allen region by a buoyancy weiging bar metod, Advanced owder Tecnology, 22, , 11. [] R. Tambun, K. Nakano, M. Simadzu, Y. Oira and E. Obata, Sizes Influences of Weiging ar and Vessel in te uoyancy Weiging-ar Metod on Floating article Size Distribution Measurements, Advanced owder Tecnology, 23, , 12. [11] R. Tambun, Y. Oira and E. Obata, Grapical analogy of particle size distribution among Andreasen pipette, settling balance, fluidization curve and buoyancy weiging bar metods, roceeding of te 13 t Asia acific Confederation of Cemical Engineering Congress, Taipei, Taiwan,. [12] R. Tambun, M. Simadzu, Y. Oira and E. Obata, Definition of te New Mean article Size based on te Settling Velocity in Liquid, Journal of Cemical Engineering of Japan, 45, , 12. [13] S. Odén, Te size distribution of particles in soils and te experimental metods of obtaining tem, Soil Science, 19, 1 35, [14] Society of Cemical Engineering of Japan, Cemical Engineering Handbook, 5 t edition, Maruzen, Tokyo, Japan, pp , [15] T. Allen, article Size Measurement, Fourt edition, Capman and Hall, London, pp , 199. [16] T. Motoi, Y. Oira and E. Obata, Measurement of te floating particle size distribution by buoyancy weiging bar metod, owder Tecnology, 1, ,. [17] Y. Oira, K. Furukawa, R. Tambun, M. Simadzu and E. Obata, uoyancy weiging-bar metod: A particle size distribution measurement using new settling metod, Journal of te Sedimentological Society of Japan, 69, 17-26,. [18] Y. Oira, H. Takaasi, M. Takaasi and K. Ando, Wall eat transfer in a double-tube coal-slurry bubble column, Kagaku Kogaku Ronbunsu,, , 4. 34