Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 39
c. Pengendalian kualitas bahan setengah jadi dan bahan jadi
d. Pengujian umur simpan
e. Evaluasi tekstur makanan hubugannya dengan data sensori
f. Analisis persamaan rheology
Klasifikasi rheologi dapat ditunjukan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. Klasifikasi Rheologi
Penggolongan aliran bahan dibagi menjadi 4, yaitu: (1) Hukum Newton – Viskositas,
(2) Viscous Fluids, (3) Plastic Fluids, dan (4) Time Dependency.
4.2. HUKUM NEWTON - VISKOSITAS
Hukum aliran dari Newton diilustrasikan oleh Gambar 4.2. Diasumsikan gambar tersebut
adalah sebuah balok cairan yang terdiri dari lapisan-lapisan molekul paralel, bagaikan setumpuk
kartu. Jika bidang cairan paling atas bergerak dengan suatu kecepatan konstan, setiap lapisan di
bawahnya akan bergerak dengan suatu kecepatan yang berbanding lurus dengan jarak dari lapisan
dasar yang diam.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 40
Gambar 4.2. Hukum Aliran Newton
Hal tersebut dapat digunakan istilah sebagai berikut, yaitu Rate of shear () = dv/dy untuk
menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara dua bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang
sangat kecil (dy) dan Shearing stress (τ ) = F/A untuk menyatakan gaya per satuan luas yang
diperlukan untuk menyebabkan aliran.
........................................................................................................................... (1)
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
Ostwald-de Waele.
................................................................................................... (3)
Dimana:
k : koefisien konsistensi (Pa.sn)
n : indeks periaku aliran
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 43
Untuk perbedaan shear rate, diamati viskositas yang berbeda. Oleh karena itu, viskositas
semu atau istilah konsistensi digunakan untuk sistem Non – Newton.Variasi viskositas semu dengan
shear rate untuk berbagai jenis sistem Non – Newton yang dapat ditunjukan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Viskositas Semu
Tipe aliran non-Newtonian terjadi pada dispersi heterogen antara padatan dengan cairan
seperti pada emulsi, koloid, dan suspense cair, salep.
Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis)
Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis) diperlihatkan oleh polimer-polimer dalam larutan, hal
ini berkebalikan dengan sistem plastis, yang tersusun dari partikel-partikel tersuspensi dalam emulsi.
Kurva untuk aliran pseudoplastis dimulai dari (0,0) , tidak ada yield value, dan bukan suatu harga
tunggal.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 44
Gesekan antar lapisan menurun dengan meningkatnya shear rate. Geseran menyebabkan
perlibatan, molekul rantai panjang lurus dan selaras mengikuti aliran sehingga vikositas menurun.
Rheogram lengkung untuk bahan – bahan pseudoplastis ini disebabkan adanya aksi shearing
terhadap molekul – molekul polimer (atau suatu bahan berantai panjang). Dengan meningkatnya
shearing stress, molekul-molekul yang secara normal tidak beraturan, mulai menyusun sumbu yang
panjang dalam arah aliran. Pengarahan ini mengurangi tahanan dari dalam bahan tersebut dan
mengakibatkan rate of shear yang lebih besar pada tiap shearing stress berikutnya. Seperti cat dan
tinta serta seperti produk pisang murni dan konsentrat jus buah.
Menurut Krokida (2001), menyatakan bahwa koefisien konsistensi k meningkat secara
eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n) sedikit menurun terhadap konsentrasi (n ≈ 0.5
untuk produk pulpy, n ≈ 1 untuk jus jernih). Eksponen n meningkat pada saat aliran meningkat
hingga seperti aliran newton. Jika N=1 aliran tersebut sama dengan aliran newton.
Fluida Shear – Thickening
Fluida Shear – Thickening terjadi pada suspensi yang memiliki presentase zat padat
terdispersi dengan konsentrasi tinggi. Terjadi peningkatan gesekan internal dan viskositas semu
dengan meningkatnya shear rate. Jika stress dihilangkan, suatu Fluida Shear – Thickening akan
kembali ke keadaan fluiditas aslinya.
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 45
Pada keadaaan istirahat, partikel – partikel tersebuat tersususn rapat dengan volume antar
partikel pada keadaan minimum. Tetapi jumlah pembawa dalam suspensi ini cukup untuk mengisi
volume ini dan membentuk ikatan lalu memudahkan partikel-partikel bergerak dari suatu tempat ke
tempat lainnya pada shear rate yang rendah. Pada saat shear stress meningkat, bulk dari system itu
mengembang atau memuai (dilate). Hal itu menyebabkan volume antar partikel menjadi meningkat
dan jumlah pembawa yang ada tidak cukup memenuhi ruang kosong tersebut. Oleh karena itu
hambatan aliran meningkat karena partikel-partikel tersebut tidak dibasahi atau dilumasi dengan
sempurna lagi oleh pembawa. Akhirnya suspense menjadi pasta yang kaku.
Dianalogikan orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri sesegera
mungkin, bergerak dalam kepanikan sehingga terjadi geseran tiba-tiba. Dimana semakin mencoba
untuk melepaskan diri, maka gaya yg diperlukan semakin besar. Selain itu, dapat diilustrasikan
dengan berjalan dalam pasir basah di pantai, jika suspensi air – pasir ada untuk beberapa waktu,
maka fraksi kosong yg ditempati air minimal. Namun ada beberapa geseran akan menggangu di
dekat bagian yg padat dan fraksi kosong meningkat. Serta air tidak akan cukup mengisi ruang antara
butiran pasir dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan peningkatan ketahanan untuk
mengalir. Seperti pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum, beras, kentang, dll).
4.2. FLUIDA PLASTIK
Pada fluida plastik dapat digolongkan menjadi 2 bagian, yaitu Fluida plastik bingham dan
Fluida plastik non – bingham.
a. Fluida Plastik Bingham
Fluida plastik bingham adalah suatu model pendekatan fluida Non – Newtonian, dimana
viskositas akan sangat tergantung pada shear stress dari fluida tersebut, maka semakin lama
viskositasnya akan menjadi konstan. Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari yield
stress (τ0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian ketika shear stress melebihi τ0. seperti misalnya:
Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap. Persamaan untuk fluida plastik bingham ini
ditunjukan oleh persamaan berikut ini:
............................................................................................................. (5)
Viskositas semu untuk fluida bingham plastik dapat ditentukan dengan mengambil rasio
shear stress terhadap shear rate yang sesuai
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
SFBP: RHEOLOGY 46
............................................ ................................................ (6)
b. Fluida Plastik Non – Bingham
Dalam jenis fluida, sebuah shear stress terendah dikenal sebagai stress yield yang harus
dilampaui sebelum aliran dimulai, seperti dalam kasus fluida bingham plastik. Jadi sama dengan
bingham, namun shear stress vs shear rate tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening).
Namun, grafik shear stress terhadap shear rate tidak linear. Fluida jenis ini baik secara shear thinning
atau shear thickening dengan yield stress. Persamaan untuk fluida plastik non –bingham dalam
model Herschel – Bulkley ini ditunjukan oleh persamaan berikut ini:
............................................................................................................. (7)
Menurut Mukprasirt, dkk (2000) menyatakan bahwa aliran tingkah laku dari tepung beras
berbasis adonan yang digunakan dalam produk gorengan mengikuti model Herschel – Bulkley. Selain
itu yang mengikuti model Herschel – Bulkley, yaitu pasta daging ikan halus, pasta kismis.
Persamaan untuk fluida plastik non – bingham dalam model Casson ini ditunjukan oleh
persamaan berikut ini:
................................................................................................... (8)
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.