BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 A II TINJAUAN USTAKA 2.1 RINSI METODE ENGAUNGAN ATANG (UOYANCY WEIGHING-AR METHOD) 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 terhadap waktu pengendapan pada Metode engapungan atang ini analog dengan kurva pressure drop terhadap superficial velocity pada fluidisasi [14-16]. Gambar 2.1 adalah plot pressure drop Δ terhadap superficial velocity u, yang menggambarkan perhitungan distribusi ukuran partikel secara grafik pada fluidisasi. Gambar 2.1. Grafik enentuan Distribusi Ukuran artikel ada Fluidisasi 4

2 Jika superficial velocity u adalah u 3, maka [8]: ( ) M g D ( x) d [ ][ ] u Y A 1 du (2.1) ( [ ) M A g D ( x) ][ ] X 1, d u du dengan M, A, dan D(x) adalah total massa partikel, cross-sectional area dari unggun, dan persentasi massa kumulatif dari partikel x. Gambar 2.2 mengilustrasikan skematik diagram dari pengendapan partikel. Volume batang dalam suspensi adalah permukaan dari batang pemberat dan h adalah panjang batang yang dicelupkan pada suspensi. Densitas dari fasa cairan (cairan) dilambangkan dengan ρ, sedangkan densitas partikel dilambangkan dengan ρ. konsentrasi mula-mula padatan dalam suspensi adalah Co (kg-padatan/m 3 -suspensi) [8,17]. XY V Ah, dengan A adalah luas Gambar 2.2. Skematik Diagram engendapan artikel Gambar 2.2(a) menunjukkan bahwa massa batang mula-mula yang mengapung pada kondisi awal tergantung pada partikel yang berada antara bagian atas batang dan bagian bawah batang dalam suspensi. ada waktu pengendapan t, densitas mula-mula dari suspensi (ρ S ) adalah [8]: S C (2.2) 5

3 Karena massa batang mula-mula yang mengapung W tergantung pada partikel pada suspensi dari permukaan sampai kedalaman h, W dapat didefenisikan sebagai berikut : W V S (2.3) ada kondisi mula-mula, massa batang dalam suspensi adalah G V W V ( S ) (2.4) dimana, ρ adalah densitas dari batang. Gambar 2.2(b) menunjukkan konsentrasi suspensi (C) semakin menurun dari waktu ke waktu, karena partikel yang besar sudah mengendap. Densitas suspensi ρ, St 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 t ρ ρ ρ C (2.5) W V. ρ t St ρ (2.6). V. V V (2.7) G V W. t St St Gambar 2.2(c), pada t = ~, konsentrasi suspensi adalah, karena semua partikel, baik besar maupun kecil sudah mengendap. Densitas suspensi S, massa pengapungan batang W, dan massa nyata dari batang G di dalam suspensi pada saat t = ~ diberikan sesuai dengan persamaan berikut. S (2.8) W V. G ρ (2.9) V. ρ W V ρ ρ (2.1) ersamaan 2.11 menunjukkan neraca massa partikel dalam suspensi [1]. C C C xmax xi f ( x) dx C xi xmin v( x) t h f ( x) dx (2.11) Dari persamaan (2.3), (2.6), (2.9) dan (2.11), diperoleh: W W xmax ( W W ) f ( x) dx ( W xi W (2.12) dimana v(x) adalah kecepatan pengendapan, f(x) adalah frekuensi massa partikel ) xi x min v( x) t f ( x) dx h 6

4 berukuran x. Diferensial persamaan 2.12 terhadap waktu t, maka akan diperoleh : dw dt ( W W ) x i x min v( x) h f ( x) dx (2.13) Dari persamaan 2.12 dan 2.13, W t W R t dw dt t t (2.14) dimana W adalah massa partikel yang lebih besar dari partikel berukuran x, Rt W x W W ) max f ( x) dx. ( x i Kombinasi persamaan 2.7 dan 2.14 akan menghasilkan : G Rt V dg t dg t. W Rt t G Rt t (2.15) dt dt dimana, G V W, and Rt. Rt sesuai dengan penurunan massa pengapungan batang. Nilai d G t dt dw dt t, karena penurunan massa batang G Rt dihitung dari slope persamaan Hubungan kumulatif massa oversize, R(x) dan kumulatif massa undersize, D(x) adalah: xmax G G Rt R ( x) f ( x) dx 1 D ( x) x i G G (2.16) Ukuran partikel x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes: x 18 v( x) g ( ) (2.17) dimana g adalah percepatan gravitasi dan μ adalah viskositas larutan. Kecepatan pengendapan v(x) partikel dihitung sesuai dengan persamaan h v( x) t (2.18) dimana h merupakan panjang batang yang terapung di dalam cairan dan t adalah waktu pengendapan. Ukuran partikel x yang dihasilkan pada persamaan 2.17 merupakan diameter Stokes. Hal ini membuktikan bahwa teori pada Metode engapungan atang ini mirip dengan Metode Sedimentation alance [13]. 7

5 Gambar 2.3 mengilustrasikan metode perhitungan distribusi ukuran partikel yang mengendap dengan menggunakan Metode engapungan atang. Gambar 2.3. Grafik enentuan Distribusi Ukuran artikel Dengan Metode engapungan atang Gambar di bagian kanan atas menunjukkan perubahan massa batang sebagai fungsi waktu, sementara gambar di bagian kanan bawah menunjukkan hubungan waktu dengan kebalikan ukuran partikel. Dari persamaan 2.17 dan 2.18, waktu sebanding dengan kuadrat kebalikan dari ukuran partikel. Jadi dalam metode ini, ukuran partikel x dapat dihitung pada setiap waktu t, sementara G Rt secara simultan dapat dihitung dari slope, sesuai dengan persamaan Kumulatif massa undersize, D(x) dapat dihitung dengan persamaan Gambar di bagian kiri atas, distribusi ukuran partikel diperoleh dari perhitungan ukuran partikel x dan D(x) [8,9]. 8

6 2.2 METODE-METODE ENGUKURAN DISTRIUSI UKURAN ARTIKE Microscopy Gambar 2.4. Alat Microscopy Metode microscopy mengamati sampel berbentuk suatu emulsi atau suspensi yang ditaruh pada suatu slide preparat dan ditempatkan di bawah lensa mikroskop yang dilengkapi mikrometer untuk mengetahui ukuran partikel tersebut. Kerugian dari metode ini adalah bahwa garis tengah yang diperoleh hanya dari dua dimensi dari partikel tersebut. yaitu dimensi panjang dan lebar. Tidak ada perkiraan yang bisa diperoleh untuk mengetahui ketebalan dari partikel dengan metode ini [18] Coulter Counter Alat ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa jika suatu partikel disuspensikan dalam suatu cairan yang mengkonduksi melalui suatu lubang kecil, yang pada kedua sisinya ada elektroda akan terjadi suatu perubahan aliran listrik. Dalam pengerjaannya, suatu suspensi encer dipompakan melalui lubang tersebut. Karena suspensi tersebut encer, partikel-partikel dapat melewatinya satu per satu dalam selang waktu tertentu. Digunakan suatu tegangan listrik yang konstan melewati elektroda-elektroda tersebut, sehingga menghasilkan suatu aliran. Ketika partikel tersebut melewati lubang, partikel itu akan menggantikan volume elektrolitnya dan hal ini mengakibatkan kenaikan tahanan diantara kedua elektroda tersebut. Alat tersebut mencatat secara elektronik semua partikel-partikel. Dengan 9

7 memvariasikan nilai ambang secara sistematik dan menghitung jumlah partikel dalam suatu ukuran sampel yang konstan, maka memungkinkan untuk memperoleh suatu distribusi ukuran partikel. Alat ini sanggup menghitung partikel dengan baik dalam waktu relatif singkat. Coulter counter berguna dalam ilmu farmasi untuk menyelidiki pertumbuhan partikel dan disolusi serta efek zat antibakteri terhadap pertumbuhan mikroorganisme [18]. Electrolyte Anode Aperture tube Catode Aperture article Gambar 2.5. rinsip Alat Coulter Counter Andreasen ipette 1 ml pipette 3-way tap Sampling tube article suspension Gambar 2.6. Metode Andreasen ipette Cara metode ini adalah suspensi 1 atau 2% dari partikel-partikel dalam sautu medium yang mengandung zat pendeflokulasi yang sesuai dimasukkan ke dalam bejana silinder sampai 55 ml. ejana tertutup itu dikocok untuk mendistribusikan 1

8 partikel-partikel secara merata ke seluruh suspensi. ada interval waktu diambil 1 ml sampel dan dikeluarkan melalui penutupnya. Sampel tersebut diuapkan ditimbang atau dianalisis dengan cara lain yang cocok untuk mengoreksi zat pendeflokulasi yang telah ditambahkan [18] Sedimentation alance Suatu balance pan direndam dalam kolom suspensi sehingga partikel yang turun akan jatuh ke pan sehingga massa pan akan berubah pada selang waktu tertentu. Masalah utama dalam pengembangan metode ini adalah balance pan harus diatur dalam posisi yang tepat dan seimbang saat suspensi telah diaduk [19]. Gambar 2.7. Metode Sedimentation alance Centrifugal Sedimentation Gambar 2.8. Alat Centrifugal Sedimentation 11

9 Sedimentasi sentrifugal dapat digunakan untuk memperluas jangkauan penerapan sedimentasi ukuran untuk jumlah mikrometer. Selain itu, sebagian besar partikel sedimentasi mengalami efek konveksi, difusi dan gerak brown. Kecepatan partikel saat ini tidak hanya tergantung pada ukuran partikel seperti dalam sedimentasi gravitasi, tetapi juga tergantung pada posisi radian dari partikel-partikel [19] aser Diffraction Gambar 2.9. Alat aser Diffraction Metode ini telah menjadi standar pilihan di banyak industri untuk ukuran partikel rentang,1-2 μm untuk karakterisasi dan kontrol kualitas. Dengan diperkenalkannya prinsip laser diffraction ini sekitar 25 tahun yang lalu, menyebabkan metode analisis ukuran partikel lain sebelumnya mulai ditinggalkan. Dalam penggunaan metode ini, sampel partikel yang akan diukur harus diketahui indeks biasnya dan bentuk partikelnya bulat [2]. Gambar 2.1. rinsip aser Diffraction 12

10 2.3 JENIS-JENIS AIRAN ARTIKE Stoke Flow Stoke flow adalah aliran yang memiliki bilangan reynold Re <,2. ersamaan untuk menentukan kecepatan terminal u t Stoke flow adalah [21], v(x) x 2 Keterangan: v(x) = kecepatan terminal partikel x = diameter partikel g = percepatan gravitasi ρ ρ μ g ( 18 ) = densitas partikel = densitas cairan = viskositas cairan (2.19) Allen Flow Allen flow adalah aliran yang memilki bilangan reynold,2-5. ersamaan yang berlaku untuk partikel pada Allen flow adalah: 8.x. g (. v( x) ) 2.6. v( x). x 18,5,6 (2.2) Keterangan: v(x) = kecepatan terminal partikel x = diameter partikel g = percepatan gravitasi ρ ρ μ = densitas partikel = densitas cairan = viskositas cairan Newton Flow Newton flow adalah aliran yang memiliki bilangan reynold ersamaan untuk menentukan kecepatan terminal u t pada Newton flow adalah: v(x) 29,73.x. g ( ) (2.21) Keterangan: v(x) = kecepatan terminal partikel 13

11 x g ρ ρ μ = diameter partikel = percepatan gravitasi = densitas partikel = densitas cairan = viskositas cairan 2.4 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMENGARUHI UOYANCY WEIGHING-AR METHOD eberapa faktor yang mempengaruhi metode ini adalah: 1. Efek dinding Dinding dari wadah mempengaruhi proses sedimentasi. Jarak antara suatu partikel terhadap partikel lain dan dinding wadah disebut dengan free settling. Namun pengaruh dari dinding wadah mulai hilang jika rasio diameter partikel terhadap diameter wadah semakin kecil (<1:2). Apabila diameter wadah diperkecil, maka partikel-partikel akan saling mendesak, menyebabkan laju sedimentasi semakin lambat. roses ini dinamakan hindered settling [22]. 2. Fluida (cairan) Fluida memiliki peranan penting dalam sedimentasi, sehingga penting untuk memahami hidrolika dan sains aliran fluida. Kemampuan fluida dalam sedimentasi dipengaruhi oleh densitas, kecepatan aliran, viskositas, dan ukuran partikelnya [23]. 3. Tidak saling melarut Tujuan umum dari sedimentasi adalah memisahkan partikel dari suatu fluida dengan gaya gravitasi yang bekerja pada partikel tersebut [24]. Untuk memudahkan proses pemisahan tersebut, maka harus menggunakan partikel dan fluida yang tidak saling melarut, atau juga menggunakan fluida yang tidak menggumpalkan partikel tersebut. 4. Ukuran batang Dalam metode ini, batang merupakan salah satu komponen utama. Dimensi batang sangat mempengaruhi, dimana distribusi ukuran suatu partikel dapat dihitung apabila rasio luas penampang antara batang dengan wadah berada dalam rentang,2-,2 [12]. 14

12 5. Getaran Karena metode ini menggunakan neraca analitik dengan ketelitian yang tinggi, maka harus dihindarkan dari getaran atau gerakan yang dapat mengganggu kinerja dari neraca, misalnya oleh angin atau sentuhan. 6. engaruh medan listrik dan magnet Selain itu, karena prinsipnya menyerupai sedimentasi, metode ini juga dipengaruhi oleh adanya medan magnet dan medan listrik [24-25]. 2.5 ENEITIAN YANG SUDAH ERNAH DIAKUKAN enelitian dengan menggunakan Metode engapungan atang telah dilakukan untuk partikel-partikel mengapung dan partikel mengendap. enelitianpenelitian yang pernah dilakukan menggunakan Metode engapungan atang adalah sebagai berikut. - Obata, dkk pertama sekali menemukan metode ini dengan mengukur distribusi ukuran partikel yang mengendap dalam Stokes region. Sampel yang mereka teliti adalah silica sand, calcium carbonate dan barium-titanate glass yang diukur dengan menggunakan fase cair air [8]. - Motoi, dkk kemudian mengaplikasikan metode ini untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang mereka teliti adalah Glassbubbles, paraffin particle dan Fuji nylon beads. Fase cair yang dipakai adalah air [17]. - Ohira, dkk meneliti tentang pengaruh konsentrasi partikel dalam menentukan distribusi ukuran partikel. Sampel yang mereka teliti adalah butiran tanah dari daerah Kanto (Jepang). Fase cair yang digunakan adalah sodium pyrophosphate [26]. - Tambun, dkk mengembangkan penelitian ini dengan melakukan pengukuran distribusi ukuran partikel yang mengapung dalam Allen region. Sampel yang dipakai adalah polystyrene beads (spherical) dan nylon beads (cylindrical). Cairan yang dipakai adalah natrium klorida [1]. - Tambun, dkk meneliti pengaruh ukuran batang, bentuk batang, ukuran tangki, bentuk tangki dan posisi batang dalam tangki untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang digunakan adalah hollow 15

13 glass beads. Fase cair yang digunakan adalah air [11]. - Tambun, dkk kemudian melakukan penelitian dengan menggunakan metode pengapungan batang ini untuk menentukan rata-rata ukuran partikel secara grafis dan numeris untuk 2 dan 3 sampel yang dicampur. Sampel yang digunakan adalah glass beads 6, glass beads 4 dan glass beads 3. Cairan yang dipakai adalah gliserol (kons.: 4 wt%) [12]. - Wilson J.T dan D.H Donelson mengambarkan perbandingan distribusi ukuran partikel tepung dengan tahanan listrik dan mikroskop. Data menunjukkan ukuran partikel 8-1 μm [27]. ada penelitian sebelumnya, metode ini belum pernah diaplikasikan pada industri makanan yang memerlukan distribusi ukuran partikel seperti pada industri tepung terigu. 2.6 TEUNG TERIGU Tepung dikenal sebagai campuran partikel heterogen dengan densitas dan bentuk yang berbeda. Metode yang sering digunakan untuk mengukur distribusi ukuran partikel dari tepung adalah pengayakan dan sedimentasi. Mekanisme untuk pengayakan dapat dibagi menjadi dua langkah yang berbeda yaitu: angkah pertama, partikel dengan ukuran yang jauh lebih kecil melewati bukaan ayakan. angkah kedua relatif lambat, dimana partikel yang ukurannya mendekati bukaan ayakan melewati bukaan ayakan. Untuk metode sedimentasi, distribusi ukuran partikel tepung dapat ditentukan dengan mengukur granularitas berdasarkan berat dari tepung tersebut pada berbagai macam fasa cairan. Untuk perbandingan hasil distribusi ukuran partikel tepung, dapat menggunakan metode tahanan listrik dan mikroskop [28]. Tepung terigu pada umumnya memiliki distribusi ukuran partikel sekitar 5-16 μm. Untuk pembuatan kue biasanya menggunakan tepung terigu dengan distribusi ukuran partikel 5-1 μm, sedangkan untuk pembuatan roti menggunakan tepung terigu dengan distribusi ukuran partikel 1-16 μm [29]. Adapun bentuk partikel tepung terigu ditunjukkan pada gambar

14 Gambar 2.11 entuk artikel Tepung Terigu 2.7 ANAISIS EKONOMI Distribusi ukuran partikel sangat perlu diketahui dalam bidang industri khususnya industri tepung terigu. Hal ini berguna untuk menentukan kualitas produk tepung terigu yang dihasilkan berdasarkan standar karakteristik tepung terigu yang baik. Dalam penelitian ini, digunakan Metode engapungan atang sebagai metode yang cukup murah dan akurat dibandingkan metode lain. Sebelum dilakukan penelitian, maka diperlukan biaya untuk perancangan alat untuk Metode engapungan atang, dengan alat utamanya adalah batang silinder aluminium. Sebagai pembanding hasil metode ini digunakan Metode Sedimentation alance. erikut perkiraan biaya prosedur penentuan distribusi ukuran partikel oleh metode ini. iaya eralatan Metode engapungan atang: iaya neraca analitik = Rp iaya kerangka peralatan = 4 x Rp 75. = Rp 3. iaya gelas ukur = Rp iaya batang aluminium = Rp 2. iaya pengaduk = Rp 2. iaya kaca = 2 x Rp 6. = Rp 12. iaya sterofom = 8 x Rp 1. = Rp 8. iaya baut = Rp 5. 17

15 iaya fasa cair (etanol) = 1 x Rp 55./2,5 = Rp. 22. Total = Rp iaya eralatan Metode Sedimentation alance alance pan = Rp 5. Metode ini menggunakan prinsip yang mirip, namun dengan medium yang berbeda, yaitu balance pan. Untuk itu harga silinder aluminium diganti dengan harga balance pan, sehingga total biayanya adalah Rp ,-. iaya Metode/Alat ain Coulter counter = Rp 88.. [29] aser diffraction = Rp [3] Centrifugal sedimentation = Rp [31] Microscope = Rp [32] eberapa peralatan menggunakan kurs US$, sehingga dikonversikan dalam nilai tukar US$ 1 = Rp ,- [33]. Dapat dilihat bahwa biaya Metode engapungan atang lebih rendah dibandingkan dengan metode lainnya. Untuk perbandingan biaya metode ini dengan Metode Sedimentation alance tidak berbeda jauh, namun dalam pengoperasiannya Metode engapungan atang jauh lebih efektif. Ini disebabkan oleh kerumitan yang lebih tinggi dalam melakukan Metode Sedimentation alance. Dalam pengoperasian Metode Sedimentation alance ini harus diperhatikan keseimbangan balance pan. Apabila terjadi kesalahan, maka sampel harus diganti dan balance pan harus dibersihkan sehingga prosedur pun harus diulang. egitu juga jika ingin dilakukan pengulangan, sehingga hal ini menyebabkan metode sedimentation balance kurang efektif karena penambahan biaya untuk sampel dan cairannya. ila dibandingkan dengan metode lain, seperti pada coulter counter, centrifugal sedimentation, dan microscope, Metode engapungan atang jauh lebih murah dengan hasil yang sebanding dengan metode tersebut. Hal ini menjadikan potensi metode ini sangat tinggi untuk diterapkan di Indonesia. 18