REOLOGI BAHAN PANGAN

Transkripsi

1 2 IPN203 EOLOGI BAHAN PANGAN Purwiyatno Hariyadi Dept of Food Science and Technology Faculty of Agricultural Engineering and Technology Bogor Agricultural University BOGO MENGAPA BELAJA EOLOGI? Bahan pangan fluida?? - saus tomat - es krim - coklat - pudding/gel? Keperluan Disain Proses Evaluasi Proses QC Konsumen eologi-aliran Fluida

2 Fluid Foods FLUIDA : Senyawa/bahan yang dapat mengalir tanpa mengalami disintegrasi jika dikenakan tekanan kepada bahan tersebut. FLUIDA : GAS CAIAN PADATAN Karakteristik Aliran > EOLOGI Karakteristik Fluida Densitas : massa per satuan volume SI : kg.m -3 Lainnya : lb m.ft -3 g.cm -3 Kompresabilitas : Perubahan densitas fluida karena perubahan suhu atau tekanan - sangat penting untuk gas - dapat diabaikan untuk cairan Viskositas...? eologi-aliran Fluida 2

3 BATASAN VISKOSITAS Luas A F Kemudahan mengalir? DV/Dy? V f (F, A, sifat fluida) Vf(y) VISKOSITAS (u) Suatu ukuran mudah/sukarnya suatu bahan untuk mengalir Viscosity - the property of a material which describes the resistance to flow F A dv m - t dy Tentukan satuan Viskositas... m [ ] Diketahui Hk Newton ttg viskositas F A m - dv dy m F dv - - A dy Prinsip : Fungsi.. >mempunyai dimensi/satuan yg homogen [ ] dyne cm / det - m cm 2 cm m [ ] g. cm. det. det cm 2 m [] g cm - det - poise eologi-aliran Fluida 3

4 Note : Contoh: air (20 o C, atm) air (80 o C, atm) Viskositas m [] g cm - det - poise poise 00 cp.009 cp cp udara (20 o C, atm) cp C 2 H 5 OH (lq; 20 o C, atm).94 cp H 2 SO 4 (lq; 25 o C, atm) 9.5 cp glycerol (lq; 20 o C, atm) 069 cp FLUIDA : NEWTONIAN & NON-NEWTONIAN t m - dv dy F A m - dv dy. : Hk. Newton dv - g, laju geser (shear rate) dy t gaya geser t Kemiringan m Fluida-fluida yang menganut hukum Newton: FLUIDA NEWTONIAN. g eologi-aliran Fluida 4

5 NON-NEWTONIAN t K (g ) n... > model Power law n : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index) K : Indeks konsistensi (consistency index) A. Newtonian. t m (g ), model power law dgn Km dan n t B. Pseudoplastik. t K(g ) n, n< C. Dilatan. t K(g ) n, n> g. NON-NEWTONIAN 2. t t o + K (g) n... > model Herschel-Bulkley n : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index) K : Indeks konsistensi (consistency index) t o : gaya geser awal (yield stress) A. Bingham plastik t t o + K(g). t B. Fluida H - B. t t o + K(g) n ; n< t o g. eologi-aliran Fluida 5

6 t /2 NON-NEWTONIAN 3 heologi Melted Chocolate : Model Casson :. t /2 K o + K g /2 Kemiringan K K o Apa pengaruh Ko thd bentuk coklat? 0 0. (g ) /2. VISKOSITAS f(g)? Pengaruh shear rate Dapat pula digunakan viskositas apparent (m app ) t m app. g Newtonian Non-Newtonian m app m t m app g. Kg n- eologi-aliran Fluida 6

7 VISKOSITAS f(t)? Pengaruh waktu heopektik: coklat, suspensi pati m app Time independent (Newtonian) Thixotropik: madu, gum t, waktu VISKOSITAS f(t)? Pengaruh suhu m app m app A o e (-Ea/T) : Hubungan Arrhenius T lnm app Ln A o Ln m app ln A o - Ea/T Kemiringan - Ea/ /T eologi-aliran Fluida 7

8 NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN : Mencari K?? Ln t - ingat model umum : t t o + K(g) n - linierkan :. > ln (t-t o ) ln K + n ln g - asumsikan t o.. > 0. > ln (t) ln K + n ln g - plot ln (t) vs ln g. > kemiringan n (Cek and recek!). > titik potong sb y ln K Ln K Ln g NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN : Mencari t o?? - ingat model umum : t t o + K(g) n - setelah diketahui nilai n, maka : - plot t vs (g) n. > kemiringan K (Cek and recek!) Ln t. > titik potong sb y t o Ln K Ln g eologi-aliran Fluida 8

9 Fluida VISKOMETE OTASIONAL Torsi, T Torsi yang diperlukan untuk memutar silinder dalam diukur dan dicatat konstanta pegas 0-00% Silider dalam : Berputar (OD) Silider luar (ID) : diam L d Gaya bekerja pada permukaan silinder dalam : F T/ Gaya geser di dinding : T T t w 2pL 2 (2p L) Laju geser di dinding :. 2pN g w d N rpm (radius/minute) Faktor untuk Brookfield model LV (spindle #3) (untuk menentukan nilai viskositas apparent) Kecepatan rotasi (rpm) 0,3 0,6, Faktor eologi-aliran Fluida 9

10 Contoh soal Untuk menghitung sifat fluida dari sauce, dilakukan pengukuran dengan menggunakan viscometer rotational dan diperoleh data hubungan antara shear stress (t) dan shear rate (g) (lihat Tabel).. Buat grafik hubungan t vs g 2. Tentukanlah: nilai n, K dan yield stress (t o ) Data hasil pengukuran dengan otational viskometer Shear stress (t, N/m 2 ) Shear rate (g, /det) umus: t Kg n Lnt LnK + nlng ubah data dalam bentuk Ln Plot grafik Ln S (x) vs Ln SS (y) eologi-aliran Fluida 0

11 SS (N/m2) Ln(SS) ITP530 2/9/ y x Ln(S) Y x Dimana: Y ln(t) x ln(g) n (pseudoplastic) lnk K 6.04 Pa.s n Menghitung Yield stress t o ) t t o + Kg n Plot hubungan: t vs g n t t o + Kg Y t y 5.379x t o.3 N/m S n eologi-aliran Fluida

12 Contoh soal lain Fluida Viskometer rotasional pada skala pembacaan penuh mempunyai konstanta pegas 787 dyne-cm. Percobaan menunjukkan hasil sbb : OD cm Silider luar : ID,5 cm 6 cm d N (PM) Torsi (% skala penuh) Tentukan parameter reologinya! (n,k) Contoh soal. (2) Fluida OD cm Silider luar : ID,5 cm 6 cm d Konversi data N dan Torsi ke shear rate dan shear stress T 787(%T) t w 2 (2pL) (0.5) 2 (2p)(6) (762.56)(%T). 2pN g w d 2(p )(0.5)N N ( )(60) Buat plot ln t w vs ln g w.. eologi-aliran Fluida 2

13 t w (Pa) t w (Pa) ITP530 2/9/203 Contoh soal. (3) analisis data N. rpm Torsi terbaca (%FS) g w (/s) t w (dyne/cm 2 ) Ln g w Ln t w 2 0,5 0,488 4,38-0,87 4, ,26 0, ,27-0,77 5, ,53 2, ,6 0,739 6, ,93 4,88 709,8,4322 6,564 Ingat : t w K(g w ) n ln t w ln K + n ln(g w ) - cari persamaan garis lurus lnt w vs lng w - kemiringan n - intersep ln K Hub antara ln t w dan ln g w dalam kertas grafik linier-linier Hub antara t w dan g w dalam kertas grafik log-log 2 000,5 00 0, ,5 - g w, det - 0 0, 0 g w, det - Kemiringan : (log 000-log00)/(log 5,3-log 0,43) 0.79 Intersep : K 225 Pa.s eologi-aliran Fluida 3

14 KECEPATAN ALIAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA L V r r dr r0 P P 2 Perhatikan : tabung silinder Perhatikan silinder dgn jari-jarir panjang L, dan ketebalan dr adius. Fluida mengalir dengan kecepatan V Terdapat perbedaan tekanan, P di ujung masuk pipa dan P 2 di ujung keluar, P > P 2 KECEPATAN ALIAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA L V r dr P P 2 Gaya bekerja pada permukaan silinder (r)... > F (P -P 2 )(p r 2 ) Luas permukaan silinder... > A 2prL Jadi, gaya geser (t r ) : P 2 )(pr 2 ) (P P 2 )r DP.r t (P - - 2prL 2L 2L Ingat : t m - dv dy (P m Jadi - dv - P 2 )r 2L dr eologi-aliran Fluida 4

15 KECEPATAN ALIAN FLUIDA NEWTONIAN DALAM PIPA L V r dr (P - P 2 )r 2L P P 2 m - dv dr (P P 2 ) dv - (-rdr) 2Lm (P - P 2 ) r.dr 2Lm dv - (P r 2 - P 2 ) - V(r) + C 2Lm 2 Diketahui bahwa pada r... > V0 maka, (P -P 2 )( 2 ) C 4Lµ Jadi : (P - P 2 ) DP V ( 2 - r 2 ) ( 2 - r 2 ) DISTIBUSI KECEPATAN (P - P 2 ) DP V ( 2 - r 2 ) ( 2 - r 2 ) Terlihat bahwa : pada r... > V 0 (P - P 2 ) pada r 0... > V V max ( 2 ) DP 2 r, V 0 P r P2 r 0, V V max L eologi-aliran Fluida 5

16 DISTIBUSI KECEPATAN (P - P 2 ) DP V ( 2 - r 2 ) ( 2 - r 2 ) Terlihat bahwa : pada r... > V 0 (P - P 2 ) pada r 0... > V V max ( 2 ) DP 2 The length of an arrow corresponds to the velocity of a particle. da KECEPATAN ATA-ATA V r dr da p {(r+dr) 2 -r 2 } da p {(r 2 +2rdr+(dr) 2 -r 2 } p{2rdr+dr 2 } dr kecil mendekati nol, maka : (dr) 2... > 0 da 2 p rdr Laju aliran volumetrik melalui da... > VdA V(2prdr) Debit total (melalui A) (P - P 2 )... > VdA ( 2 - r 2 ) (2prdr) eologi-aliran Fluida 6

17 da KECEPATAN ATA-ATA V r dr _ VdA V (p 2 ) (P - P 2 ) (P - P 2 ) ( 2 - r 2 ) (2p rdr) (2p) ( 2 - _ (P P DP 2 2 ) 2 - V 8Lm 8Lm Debit Q DP 2 (p2 ) 8Lm 0 r 2 ) rdr V /2 V max DPp 4 Q 8Lm Kecepatan rata-rata (v) fluida dalam pipa Untuk Newtonian fluida: v v max 2 (n+) Untuk Non-Newtonian fluida: v v max (3n+) eologi-aliran Fluida 7

18 KECEPATAN ATA-ATA dan VISKOSITAS Pada pipa tabung dengan jari-jari _ (P P 2 ) 2 - V 8Lm DP 2 8Lm atau m DP 2 8LV APLIKASI.. : VISKOMETE KAPILE catat waktu yang diperlukan untuk mengalirkan fluida dengan volume tertentu V Waktu yang diperlukan untuk mengosongkan sejumlah volume t h h 2 kapiler V Q t APLIKASI : VISKOMETE KAPILE D P r gh h h - h 2 D P p 4 Q 8 Lm V Q t ( ) m r K K b t p 4 gh 8 LQ 4 p gh 8 LV K : viskositas kinematik b : konstanta viskometer L: panjang kapiler : jari-jari kapiler V: volume h: tinggi kolom penampung (h -h 2 ) t h h 2 V kapiler Nilai b, konstanta viskometer: dicari dengan menggunakan larutan standar (diketahui m dan r) eologi-aliran Fluida 8

19 KECEPATAN ALIAN FLUIDA NON-NEWTONIAN DALAM PIPA t w v ( r ) D P 2 L 2 L DP + n K DP 2 L + n - t o n 2 D Pr - L - t o + n v max 2 L DP + n K DP L n 2 - t o + n g w 4 V n NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN : t w g w D P 2 L 4 V t K(g ) n t w K(g w ) n D P 2L K 4 V n log D P + log log 2L D P log K n log + n log 4 V V + n log 4 + log K - log 2L y nx + b eologi-aliran Fluida 9

20 NON-NEWTONIAN Vs NEWTONIAN : log D P n log V + n log 4 + log K - log 2L Log D P Kemiringan n Jika n. > newtonian DP 2 Maka : m 8LV jika n < atau n >. > non-newtonian Log V harus dicari nilai K Contoh soal: Force Flow Tube or Capilary Viscometer Viskometer tabung mempunyai diameter dalam (ID).27 cm, panjang.29 m. Digunakan untuk mengukur viskositas fluida (r.09 g/cm 3 ). Data yang diperoleh adalah sbb: (P-P2)[]kPa Debit (g/s) Ditanyakan nilai K dan n! eologi-aliran Fluida 20

21 tauw-w D P, Pa Contoh soal: Force Flow Tube or Capilary Viscometer 00,000 Kemiringan : 0,000 log 48-log4.3 log 00-log,682-0,6335 2, n Debit, g/s Berikutnya : K??? Contoh soal: Force Flow Tube or Capilary Viscometer t w D P 2 L t w [ (0.5)/.29]DP DP Pa g w V 3 + g w Q 4 4 n Log-log plot : logt w logk + nlogg w cek/recek n K 5 pa.s gamma-w eologi-aliran Fluida 2

22 Contoh soal: Analisis Data N. rpm Torsi terbaca (%FS) 2 0,5 4 0,26 0 0, ,93 g w (/s) 0,488 0,8376 2,094 4,88 t w (dyne/cm 2 ) 4,38 98,27 404,6 709,8 Ln g w Ln t w -0,87 4,7396-0,77 0,739,4322 5,2896 6,008 6,564 Ingat : t w K(g w ) n ln t w ln K + n ln(g w ) - cari persamaan garis lurus lnt w vs lng w - kemiringan n??? - intersep ln K??? Contoh soal: Viskometer tabung digunakan untuk menentukan nilai kekentalan cairan pada laju aliran tertentu. Cairan mengalami pressure drop sebesar 700 Pa setelah diberi gaya alir ke dalam tabung viskometer berdiameter 0,75 cm dan panjang 30 cm dengan laju aliran 50 cm3/detik. Tentukanlah viskositas dari cairan tersebut! Hitunglah pula shear rate pada pada laju aliran tersebut! eologi-aliran Fluida 22

23 Contoh soal: Diketahui: DP 700 Pa, D 0,75 cm atau 0,375 cm 0,00375 m, L 30 cm 0.3 m, Q 50 cm 3 /detik atau V 50/(p )3.8 cm/s,38 m/s Viskositas apparent (µ app ) m DP 2 8LV 700*( ) 8*0.3*,38 Shear rate (g) 4V 4*, s - 0, phariyadi@ipb.ac.id... Selesai eologi-aliran Fluida 23