SIFAT FISIK BAHAN PANGAN SFBP: RHEOLOGY 38 IV. RHEOLOGI PENGANTAR Rheologi berasal dari bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti mengalir, dan logos berarti ilmu. Sehingga rheologi adalah ilmu yang mempelajari tentang aliran zat cair dan deformasi zat padat. Selain itu, rheologi mempelajari hubungan antara tegangan geser (shearing stress) dengan shearing rate pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi erat kaitannya dengan viskositas. Viskositas merupakan suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan untuk mengalir. Semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanannya untuk mengalir. Viskositas dinyatakan dalam simbol η. Data rheologi diperlukan dalam evaluasi kualitas produk, perhitungan rekayasa, dan desain proses. Model rheologi yang diperoleh dari pengukuran eksperimental dapat berguna dalam desain proses rekayasa makanan jika digunakan bersama dengan daya gerak, energi, dan keseimbangan massa. Namun pengaruh pengolahan terhadap sifat rheologi harus diketahui selama proses pengendalian. TUJUAN 1. Tujuan Instruksional Umum (TIU) Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa dapat memahami tentang dasardasar reology 2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) • Mahasiswa memahami tentang viskositas dinamis dan kinematis. • Mahasiswa dapat menjelaskan perbedaan benda plastic dan viscous • Mahasiswa dapat menjelaskan fenomena benda dalam klasifikasi rheology, yaitu pengaruh tegangan geser dan ketergantungan terhadap waktu 4.1. PENDAHULUAN “Rheology” pertama kali digunakan untuk Eugene C Bingham yang menjelaskan motto subyek sebagai (“panta rhei’” ) yang berarti “segala sesuatu mengalir (Reiner, 1964). Pemahaman tentang rheology merupakan hal yang kritis dalam usaha pengembangan optimasi produk, metode pengolahan dan kualitas produk akhir. Terdapat beberapa area dimana data rheology diperlukan dalam industry pangan, yaitu: a. Perhitungan teknik proses yang melibatkan peralatan yang luas seperti perpipaan, pompa, ekstruder, mixer, pelapis, heat exchanger, homgenizer, dll b. Menentukan komposisi fungsional dalam pengembangan produk
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 38
IV. RHEOLOGI
PENGANTAR
Rheologi berasal dari bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti mengalir, dan logos
berarti ilmu. Sehingga rheologi adalah ilmu yang mempelajari tentang aliran zat cair dan deformasi
zat padat. Selain itu, rheologi mempelajari hubungan antara tegangan geser (shearing stress) dengan
shearing rate pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi erat
kaitannya dengan viskositas. Viskositas merupakan suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan
untuk mengalir. Semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanannya untuk mengalir. Viskositas
dinyatakan dalam simbol η.
Data rheologi diperlukan dalam evaluasi kualitas produk, perhitungan rekayasa, dan desain
proses. Model rheologi yang diperoleh dari pengukuran eksperimental dapat berguna dalam desain
proses rekayasa makanan jika digunakan bersama dengan daya gerak, energi, dan keseimbangan
massa. Namun pengaruh pengolahan terhadap sifat rheologi harus diketahui selama proses
pengendalian.
TUJUAN
1. Tujuan Instruksional Umum (TIU)
Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa dapat memahami
tentang dasardasar reology
2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK)
• Mahasiswa memahami tentang viskositas dinamis dan kinematis.
• Mahasiswa dapat menjelaskan perbedaan benda plastic dan viscous
• Mahasiswa dapat menjelaskan fenomena benda dalam klasifikasi rheology, yaitu
pengaruh tegangan geser dan ketergantungan terhadap waktu
4.1. PENDAHULUAN
“Rheology” pertama kali digunakan untuk Eugene C Bingham yang menjelaskan motto
subyek sebagai (“panta rhei’” ) yang berarti “segala sesuatu mengalir (Reiner, 1964).
Pemahaman tentang rheology merupakan hal yang kritis dalam usaha pengembangan optimasi
produk, metode pengolahan dan kualitas produk akhir. Terdapat beberapa area dimana data
rheology diperlukan dalam industry pangan, yaitu:
a. Perhitungan teknik proses yang melibatkan peralatan yang luas seperti perpipaan, pompa,
Bentuk mikroskopis persamaan ini merupakan hukum newton viskositas. ...................................................................................................... (2) Dimana:
τyz = shear stress (N/m2),
μ = viscosity (Pa·s),
γ˙yz = shear rate (1/s).
(z menunjukkan arah gaya, y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja).
Contoh Soal:
Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara bagian atas bergerak dengan kecepatan
V. Fluida diantara plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp.
a) Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk mempertahankan gerakan plat atas pada
kecepatan 0.30 m/s,
b) Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp, fluks momentum tetap konstan,
temukan kecepatan baru plat atas.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 41
Penyelesaian:
a. µw = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s
Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear stress.
Viskositas µ merupakan perbandingan antara Shearing stress F/A dan Rate of shear dv/dy,
Satuan viskositas adalah poise atau dyne detik cm -2, Fluiditas merupakan kebalikan dari viskositas.
Satuan fluiditas adalah centipoise (cps). 1 cps= 0,01 poise.
Viskositas bervariasi dengan suhu. Perbedaan dalam pengaruh temperatur terhadap
viskositas cairan dan gas berhubungan dengan perbedaan dalam struktur molekul tersebut.
Viskositas dari sebagian besar cairan menurun dengan meningkatnya suhu.
Menurut teori Eyring, ada kekosongan dalam bentuk cair (Bird, Stewart, & Lightfoot, 1960).
Molekul terus bergerak ke dalam kekosongan. Proses ini memungkinkan aliran tetapi membutuhkan
energi. Energi aktivitas ini lebih mudah tersedia pada suhu yang lebih tinggi dan aliran fluida dengan
mudah.
1. Fluida Viscous
Sistem cair bersifat untuk merubah bentuk terus menerus dalam pengaruh suatu tegangan.
Hal tersebut dapat digolongkan menjadi 2, yaitu:
a. Newtonian
b. Non – Newtonian
Pemilihan tergantung pada sifat – sifat alirannya, sesuai atau tidak dengan hukum aliran dari
newton.
a. Sistem Newtonian
Pada sistem Newtonian, hubungan antara shearing rate dengan shearing stress adalah
linear, dimana suatu tetapan yang dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe aliran ini
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 42
umumnya dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana dengan
volume molekul kecil.
Tipe aliran yang memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan sistem Newtonian,
dimana viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung pada kecepatan
geser, sehingga viskositasnya cukup ditentukan pada satu kecepatan geser seperti yang ditunjukan
pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Kemiringan Tegangan Geser
Kemiringan tegangan geser terhadap grafik laju geser yang merupakan viskositas konstan
dan independen dari tingkat geser dalam Sistem Newtonian. Contoh bahan Newtonian adalah gas,
minyak, air, dan sebagian besar cairan yang mengandung air lebih dari 90%. Contoh: teh, kopi, bir,
minuman berkarbonasi, jus buah, dan susu menunjukkan perilaku Newtonian.
b. Sistem Non Newtonian
Pada sistem non-Newtonian, shearing rate dan shearing stress tidak memiliki hubungan
linear, hal tersebut dikarenakan viskositasnya berubah – ubah tergantung dari besarnya tegangan
yang diberikan. Tipe aliran yang tidak memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan
sistem Non – Newtonian, dimana fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti persamaan
Contoh dari model Casson adalah lelehan susu coklat, dimana Casson dapat menghasilkan
nilai stress yang menghubungkan dengan diameter dan luas permukaan spesifik dari padatan tanpa
lemak pada karakteristik aliran lelehan susu coklat, ketika pengaruh pembagian ukuran partikel
padatan tanpa lemak.
2. Time Dependency (Ketergantungan Waktu)
Fluida akan berubah menjadi lebih tipis atau tebal dengan seiring berjalannya waktu, ketika
beberapa fluida tersebut dikenakan shear stress yang konstan. Fluida yang menunjukkan penurunan
shear stress dan viskositas semu terhadap waktu pada shear rate tetap dapat disebut dengan fluida
thixotropic (geseran menipis terhadap waktu). Hal tersebut mungkin dapat disebabkan oleh
kerusakan pada struktur bahan seiring dengan terusnya geseran berlangsung, seperti yang
ditunjukan pada Gambar 4.7. Misalkan sebagai contoh dari jenis fluida, yaitu gelatin, putih telur dan
mentega.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 47
Gambar 4.7. Perilaku fluida terhadap ketergantungan waktu
Perilaku Thixotropic kemungkinan berubah, baik berubah secara sebagian atau tidak dapat
dirubah sama sekali, ketika shear yang diterapkan dihapus (fluida dalam kondisi istirahat).
Thixotropy yang tidak dapat dirubah disebut dengan rheomalaxis atau rheodestruction. Seperti yang
ditunjukan pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8. Perilaku thixotropic pada kurva torsi pembusukan
Perilaku Thixotropic dalam suatu produk dapat dipelajari dengan meningkatkan shear stress
atau shear rate yang disertai oleh penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari shear rate,
maka nilai awal dari shear rate akan meningkat dan kemudian menurun. Seperti yang ditunjukan
dalam kurva shear stress terhadap shear rate pada Gambar 4.9.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 48
Gambar 4.9. Shear stress terhadap shear rate
Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu), shear stress dan viskositas semu
meningkat seiring dengan waktu, yaitu struktur dibangun sebagaimana geseran terus berlangsung.
Bentonit-liat suspensi menunjukkan jenis perilaku aliran. Hal ini jarang diamati dalam sistem pangan.
Contoh yang menunjukan ketergantungan waktu, yaitu pati, gula dan susu. Jadi jika diproses pada
suhu 85 dan 95°C, maka dalam keadaan thixotropic terjadi pada shear stress tinggi diatas 50 Pa. Dan
jika diproses pada suhu 75°C, maka dalam keadaan rheopectic terjadi pada shear stress rendah
dibawah 45 Pa.
Ketika protein kedelai ditambahkan ke jus tomat, terjadi perilaku thixotropic dengan shear
rate tingkat rendah tetapi disertai dengan transisi ke perilaku rheopectic dengan shear rate pada
tingkat yang lebih tinggi (Tiziani & Vodovotz, 2005).
Menurut Isikli dan Karababa (2005), menyatakan bahwa pasta fenugreek yang merupakan
makanan lokal di Turki, memperlihatkan perilaku rheopectic.
Referensi
Bird, R.B., Stewart, W.E., & Lightfoot, E.N. (1960). Transport Phenomena. New York: John Wiley &
Sons.
Isikli, N.D., & Karababa, E.A. (2005). Rheological characterization of fenugreek paste (cemen). Journal of Food Engineering, 69, 185–190.
Krokida, M.K., Karathanos, V.T., & Maroulis, Z.B. (2000). Effect of osmotic dehydration on
viscoelastic properties of apple and banana. Drying Technology, 18, 951–966. Mukprasirt, A., Herald, T.J., & Flores, R.A. (2000). Rheological characterization of rice flour-based
batters. Journal of Food Science, 65, 1194–1199.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 49
Tiziani, S., & Vodovotz, Y. (2005). Rheological effects of soy protein addition to tomato juice. Food
Hydrocolloids, 19, 45–52.
Propagasi
A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal)
1. Jelaskan perbedaan benda plastic dan viscous
B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri)
1. Apa yang dimaksud dengan fluida newtonian dan non newtonian
2. Apa yang dimaksud dengan fluida bingham dan non bingham
3. Jelaskan klasifikasi flida berdasarkan pada ketergantungan terhadap waktu
C. QUIZ -mutiple choice (Evaluasi)
D. Proyek
Pilihlah satu jenis produk bahan pangan, kemudian carilah jurnal / literature yang
menjelaskan tentang perilaku alirannya, dan review literature tersebut.