Jurnal Kejurweraan II (2) 199913-21

Proses Pengisaran Bijirin Makanan

Siti Masrinda Tasirin TooSooPing

ABSTRAK

Kajian ini mengutarakan keputusan kesan beberapa parameter iaitu tempoh mQSa serla mu.alan bahan Ice alas ucelr.apan sualu proses pengisaran bijiron. Keputusan menunjukkan bahawa kecekapan suatu proses, yang ditakrifkan sehagai berat produk Iberat suapon adalah bertambah dengan tempoh masa pengisaran (produk ditakrifkan sebagai :arahan yang mempunyai sac kurang daripada 250 1""). Un/uk kesemua tempoh masa pengisaranyang dikaji.jumlah produ" adalah paling optimum apabila hanya 45 % daripada isipadu bekas pengisar dipenuhi oleh bahan sua pan. Nilai indeks kerja (Bond /951) dan indeks kemudalrpecahan (ASTM D440) bijirin :arahan yang telah digunakan telah dikirakan dan didapati berkadaran songsang antara salU soma lain.

ABSTR.4CT

The effects of time and total loading on the grinding process offood materials are presented in this work. Results show that the efficiency of process: defined as the weight ratio of product p':oduced over the feed material. increases as the time of grinding increases (product in this case is defined as particles with sce less than 250 1""). At any given time, a volume fraction of 45 % of the tota/ volume of the grinding machine is found to be the optimum loading to produced the highest amount of product. me work index (Bond 1951) and allrition index (ASTM D440j ofthefood materials were calculated andfound to be re/QIed in inverse manner.

PENDAHULUAN

Proses pengurangan saiz atau pengisaran adalah satu eabang utama dalam teknologi pemprosesan dan industri kimia. Pengurangan saiz bermaksud pemisahan zarah pepejal kepada eebisan-eebisan yang lebih keeil tanpa mengubah keadaan kelompokan (aggregate) zarah pepejaJ tersebuL Pengurangan saiz kepada zarah kecil akan membawa kebaikan seperti kemudahan pengangkutan, penyimpanan. luas permukaan yang lebih besar (untuk tindakbalas bermangkin) dan lain-lain lagi.

Bagi industri penghasilan kuari, logam dan simen misalnya, proses pengurangan saiz skala besar dan meluas dipraktikkan. Disamping itu, industri-industri sekunder seperti industri cat, makanan dan farmasi juga melibatkan proses pengurangan saiz pada bebe!1lp8 peringkat proses penghasilan.

Walaupun penggunaan proses ini adalah meluas, namun ianya adalah suatu proses yang amat tidak eekap dari segi penggunaan tenaga. Austin (1964) dan Rhodes et al. (1990) melaporkan bahawa hanya sebahagian keeil daripada tenaga

•

•

\4

yang dibekalkan kepada alai pengisar zarah digunakan secara berXesan bagi pengurangan saiz. sementara sebahagian besamya hilang di dalam benruk haba dan bunyi (95-99%). Maka, pengembangan dalam bidang ini kebanyallannya menumpu kepada peningkatan kecekapan aiailersebul.

Beberapa orang penyelidik lelah cuba unruk meramalkan jumlah lenaga yang diperlukan bagi proses ini. Di antaranya. Rininger (1867) mencadangkan bahawa lonaga yang diperlukan unruk pengurangan saiz sebulir zarah adalab berkadar lerus dengan luas permukaan baru yang lerhasi!. Kick (1885) pula. meneadangkan bahawa jumlah lenaga adalah berkadar lerus dengan nisbah isipadu seperti berikul:

Isipaduzarahawal {X, }3 E", "'--lsipadu zarah akhir X,

(I)

dirnana Xl dan X, masing-masing adalah saiz awal dan saiz akbir zarah. Anggapan ini walaubagaimanapun dianggap san gal lidak munasabah.

Sementara Bond (1952), mencadangkan persamaan di bawah yang lebih berguna. berdasarkan data-data yang diperolehi daripada industri yang melibatkan berbagai jenis bahan, iaitu:

10 10 E ~ E,( ~X, - ~Xl ) (~)

di mana E (kWjllon) ialah lenaga diperlukan unruk mengurangkan saiz zarah (I'm) daripada Xl kepada X,. Disini Xl dan X, adalah saiz bukaan ayak (I'm) di mana 80% bahan dapal menelusinya, bagi masing-masing bahan suapan dan produk. E, (kWj/lon) ialah indeks kerja, iaitu lenaga yang diperlukan bagi mengurangkan saiz uniljisirn zarah daripada infmili (oo) kepada 80 % menelusi ayak dengan bukaan 100 I'm, yang nilainya perlu dilentukan seeara empirik untuk seliap bahan yang berlainan.

Persamaan (2) dikatakan dapat memberikan ramalan awal yang munasabah untuk keperluan tenaga. bagi bahan-bahan yang saiznya lebih besar daripada 100 I'm dan masih digunakan secara meluas (British Material Handling Board 1987: Prior et a!. 1990: Berthiaux and Dodds 1997). Holmes (1957) pula mencadangkan persamaan di bawah bagi menggabungkan ketiga-tiga ramalan di atas.

f!§. ~ -c-I -fiX X'·

(3)

dengan N ~ 2 unruk Rininger. N = I unruk Kick. dan N ~ 1.5 unruk Bond. Sungguhpun begiru, seliap pendekatan di atas adalah sesuai digunakan bagi kasus yang berbeza iairu, Kick bagi zarah besar, Rininger bagi zarah sangal

halus dan Bond bagi zarah pertengahan (Brilish Material Handling Board 1987). Namun apa yang biasa dipraktikkan untuk suatu jenis bahan suapan lortenlU.

dan sejenis alat pengisar tertentu seeara umumnya. adalah berpandukan kepada pengalaman lepas dan data-data yang lelah dicerap sebelumnya.

IS

Semasa proses pcngurangan saiz, zarah-zarah lertakluk kepada daya di antara zarah dan medium pengisar, dan daya di antara zarah-zarah. Daya-daya ini akan menghasi1kan tegasan. sekiranya eukup kuat akan rnenycbabkan retakan. BiJangan dan arab retakan ini yang akan menontukan saiz dan benruk serpiban zarah nanti. Sifat-sifal fizikal zarah merupakan faktoryang pooling dalam menenrukan kemudahpeeahannya (Broadbenl & Caleon 1956; Kendal 1978; Pin et al. 1980; Chon & Soo 1982).

MATLAMAT PENYELIDIKAN

Kajian dijalankan ko atas beberapa aspek di dalam proses pengurangan saiz alau pengisaran bijirin makanan. Aspek-aspek terscbut adalah kosan masa, mualall bahan dan jenis zarah ke alas kecokapan prose" pengisaran. sorta penenruan pokali indoks ketja, E, dan indeks kemudahpecahan bagi setiap bahan yang dikaji. '

TATACARA UJI KAJI

Uji kaji ini dilakukan dengan empat jonis bijirin makanan yang berbeza iaitu, beras, kacang soya, kacang dal dan juga kaeang hijau. Sifal-sifal fizikal bahan adalah sepeni yang dicerapkan di dalam Jadual I. Sebuah alat pengisar makanan yang menggunakan sebilah mala pisau sebagai agen pengisaran sepeni yang dilunjukkan di dalam Rajah I, dan bekas yang berisipadu 800 em' digunakan. Ia dioperasikan pada putaran maksimum dengan kuasa sebanyak 3.25 kW. Tempob pengisaran yang berbeza digunakan yang berubah dari 3 minit sehingga II miniL Bahan uji kaji ditimbang terlebih dahulu dan dieerap sifat fizikalnya seperti saiz purata. kerumpatan pukal terudara dan benruk sebelum dikisar. Selepas proses pengisaran, produk dikeluarkan dan analisa saiz zarah dilakukan sekali lagi menggunakan kaedah pengayakan. Setiap uji kaji diulang sebanyak tiga kali bagi mendapatkan kepurusan yang baik dan dipereayai.

JADUAL I. Sifat fizikal zarah bijirin

Beras KacangHijau Kacang soya Kacangdal

Bentuk Tirus. Bujur Bulat Bulat Leper

Saiz purata 1.7 3.48 ' .76 3.9' suapan. X, (mm)

Julat saiz (mm) 1.4~2.2 2.4-4.5 4.0-7.2 2.0-5.0

Ketumpatan pukal terudara 816 833.5 822 841.33 (kglm')

Sudut istirehat (0) 42 19 36 33

16

Sekas Pcngisar

Mata Pi .. u pengisar_--1(~'=,"",,~'~ ~ \

-------=-. -.... -. ........... _ ..

RAJAH I. Jcnis mala pisau yang diguno bagi proses pcngisaran

KEPU1USAN DAN PERBlNCANGAN

KESAN MAliA MUATAN DAN JENIS BAlIAN KE ATAS KADAR

DAN KECEKAPAN PENGURANGAN SAIZ

Penganalisaan dilakukan dengan menakrif produk sebagai zarah yang bersaiz kurang daripada 250~. Kecekapan pengurangan saiz pula ditakrif sebagai peratusan nisbah berikut:

ry = Berat Prnduk (Jurnlab herat zarah yang bersaiz kurang daripad. 250mm) ( Sera! Muatan Suapan)

Hasil kajian menunjukkan kecekapan sepeni yang ditakrifkan di atas benambah sceara linear dengan penambahan masa pengisaran. Rajah 2 menunjukkan pola kccckapan untuk setiap baban . . Pekali perkadaran adalah berbeza di antara satu dcngan yang lain bergantung kepada bahan yang dikisar. Hasil mcmberikan nilai pekali perkadaran scbanyak 1.86,0.94, 0.69 dan 0.1 02 bagi masing-msing kacong dal, kacang soya, kacang hijau dan beras.

25 ~

,. 20 , '!;.

ai Co 15 : " "'" ~ " ~ :.: 5

0 0

• bcras .k.soya • khijau

x

.CW~

2 4 6 8 10 Masa pcngisaran (min)

12

RAJAH 2. Grafkccekapan melawan masa bagi jumlab muatan sebanyalc 150&

17

Bagi suatu proses pcngisaran, scmakin lama _ mastautin zarahan .eli dalam alat pengisar semakin tinggi darjah pengurangan saiznya. Di sini darjah penurunan saiz bolch ditakrifican sebagai nisbah bagi saiz produk I saiz suapan. Untuk ini semakin keeil nilainya menunjulckan darjah pengisaran yang lebib tinggi. Dari Rajah 3 juga di dapati bahawa beras mengalami darjah pengurangan saiz yang paling sedikit sekali diikuti dengan kacang hijau, kacang soya dan kacang dal yang merupakan bijirin yang paling tinggi pengurangan saiznya untuk muatan yang sama dan tempoh masa pengisaran yang sama berbanding dengan zarah bijirin yang lain.

0.7 '

0.6 i O.S J

0.4 '

0.3 '

0.2 j 0.1 ,

0 0

beras .. .<

• •

k.soya k.hij.u

----- ~ k.dal

2 4 6 8

Masa Pengisaran(min)

RAJAH 3. Graf daljah pengurangan saiz mel.wan masa bag; jumlah muatan sebanyak I SOg

-

10 12

Namun, plot kadar penghasilan produk yang ditakrif sobagai bera! produk I masa pengisaran, melawan masa menunjulckan pola yang tidak linear seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 4. Kadar penghasilan produk akan bertambah dengan masa pada mulanya, sehingga ke suatu ketika ianya mula berkurangan.

-" 3.5 '

" • "" 3 ' ~ • H C.

~ X

;;- 2.5 - • beras :;; .5 2 ~ x k.soya .. " ~~ k.hijau c - 1.5 , k.da1 r<: : u c. ~ J " I "" ~ " ~ OS ~

0 • • • 0 2 4 6 8 10 12

Masa pengisaran (min)

RAJAH 4. Hubungan antara War penghasilan produk dengan masa pengisaran

18

Vaux. (1978, 1983) dan Vedene'va et al. (1978) menerangkan bahawa kadar pemecahan yang tinggi pada pennulaan adalah disebabkan oleh pemecahan zarah-zarah Icbib lemah dan lebib mudah dipecahkan. Setelah beberapa lama. zarah ini akan menjadi bulallicin dan susah dipecahkan.

Kajian kesan muatan tcrhadap proses pengurangan saiz pula menunjukkan bahawa muatan yang banyak tidak menenrukan penghasilan produk yang banyak seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 5. Daripada lijikaji men!jgWlakan alat pengisar berisipadu 800 em', didapari muatan optimum bagi penghasilan produk yang paling banyak untuk setiap bahan, dan setiap jangka waktu pengisaran ialah 300g. Dengan menggunakan ketumpatan pukal zarah, kapasiti optimum pengoperasian dikirakan sebagai 0.45 daripada isi padu sebenar bekas pengisar. Ini adalah benar untuk setiap bahan yang dikaji .

20 -18 IS

A • beras ---- -16 j

:§ 14 A k.hijau

"" 12 j • k..soya

~ x kdal """ 10 -~ 8 i

E I

~ 6 & -::: 4 2 • • - - • 111 0 • • -

0 100 200 300 400 500 Muatan (g)

RAJAH S. Kesan muatan ke atas produk selepas tempoh pengisaran selama 5 minit

PENENTUAN NILAI INDEKS KERJA DAN KEMUDAHPECAHAN ZARAH

Dengan menggunakan persamaan (2), nilai indeks keIja unruk setiap bahan ditenrukan. Untuk ini, andaian dibuat dengan menganggap bah.w. kesemu. ten.g. yang dibek.1 diguna bagi proses pengisaran unruk mengurangkan saiz zarah dari X, kepadaX,.

N i1ai indeks keIja purata bagi setiap baban, pada muatan dan masa pengisaran yang berbeza-beza disenaraikan di dalarn Jadu.1 2. Pemerhatian menunjukkan nil.i indeks kerja ini memberi gambaran tentang kekerasan zarah atau kemudahpecahan bijirin terse but. Kacang dal yang berupa zarah yang paling lembut dan rapuh. memberikan indeks keIj. yang paling kecil berbanding bijirin I.in. Sementara beras yang merupakan bijirin yang paling keras dirunjukkan oleh nilai indeks kemudahpecahannya yang terendah memberikan nilai indeks keIja yang paling tinggi.

Di dalarn kes ini dua cara penenruan nilai kemudahpecahan digunakan bagi mengaruh kenyataan di alas tadi, iairu nilai Indeks Kemudahpecahan (ASTM 0440, 1949), yang ditakrifkan sebagai:

lndeks Kcmudahpecahan :.: (saiz purata asal-saiz purata akhir)isajz purata awal

19

Juga penenwan sceara daJjah penunman saiz (British Materials Handling Board 1987) yang ditakritkan sebagai:

Darjah pcnurunan saiz - saiz purata akhirisaiz purata awal

Nilai kedua-dua indeks kemudahpeeahan ini untuk seliap bahan adalah discnarail<an di dalam Jadual2. Dipcr!1atikan bahawa nilai daJjah penunman saiz adalah (1- indeks kcmudahpecahan). Bagi indck kemudahpecahan. scmakin besar nilai yang diperolehi menunjukkan kebolchpeeahan yang ringgi atau dengan kata lain scmakin lembut bahan lersebut. manakala daJjah penunman saiz scmakin besar nilainya yang menunjukkan semakin lembut bahan tersebut.

JADUAL 2. Nilai indeks kerja. darjah penurunan saiz dan indcks kemudahpecahan

Bahan Darjah penurunan Indeks Indeks kcrja. E, saiz kemudah (kWjllon)

Pccahan

Bcras 0.64 0.36 19.25 Kacang Hijau 0.42 0.58 11.37 Kacang soya 0.41 0.59 12.91 Kacang dal 0.31 0.69 7.58

Daripada nilai-nilai indeks kClja dan indeks kcmudahpecahan yang didapati untuk 4 jenis bijirin makanan yang telah dikaji. hubungan antara keduanya adalah seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 6, yang seeara amnya diperhalikan berkadaran songsang. Kajian lanjut dengan berbagaijenis bahan perlu dilakukan sebclum sebarang hubung kail yang lebib menyehuuh dapa! di perolehi.

25 I

" 20 ~ ~ 15 ~ ... ~

" 10 ~ .'" u

'" 5 ~ ~ ... u

'" -= 0 0

y = -34.326x + 31 .829

R' = 0.9655

0.2 0.4 lndeks kcmudahpccahan

0.6

RAJAH 6. Hubungan antara indcks kerja dcngan indeks kemudahpecahan untuk bcberapa jonis bijirin

•

0.8

20

Perbandingan nilai-nilai indeks keJja bagi bahan-bahan lain yang didapati daripada literatur juga dibuat. Sebagai contohnya, indeks keJja bagi baN kapur ialah 12.74kWjlton. bijih timah ialah 10.81 kWjlton. kokarangbatu ialah 15.13kWjI ton. Oaripada nilai yang didapati bagi bijirin makanan yang telah dikaji. menunjukkan bijirin tersebut adalah lebib lembut kecuali bagi bijirin beras yang agak tinggi nilainya. Walau bagaimanapun nilai-nilai daripada literatur yang lersebul adalah berdasarican kepada jenis alat pengisaryang berlainan berbanding dengan yang digunakan di dalam kajian ini. JeSleru nilai yang agak berbeza didapali. yang menyukarkan perbandingan unNk dilakukan.

KESIMPULAN

Kajian ini. dengan menggunakan empal sampel bijirin makanan yang berbeza mendapati bahawa kecekapan dan kadar penurunan saiz adalah bertambah secara linear lerhadap masa pengisaran. Walau bagaimanapun kadar penghasilan akan mula berkurang selepas suaN jangka wakN tertenlU. di mana kebanyakkan zarah mencapai saiz yang kritikal. Kajian ke alas kesan mualan menggunakan alaI pengisar dengan isipadu 800 em'. 'mendapati bahawa mualan optimum bagi penghasilan produk yang paling banyak unNk seliap bahan. dan setiap jangka wakN pengisaran ialah 45 % isi padu. Pengiraan nilai indeks kerja (Bond 1952) don jl;ja :i'deks kBn ~ ~TM 0440) mendapati bahawa scmakin lembul suaN zarah tersebul yang diberikan oleh nilai indeks kemudahpecahan yang besar. semakin kedl nilai indeks keJjanya. Hubungan kasar antara keduanya unNk empatjenis bijirin yang dikaji telah didapati di dalam kes ini.

C E N E, X , X

SIMBOL

pemalar indeks dalam persamaan (3) lenaga yang perlu bagi pengurangan saiz dari X, ke X, pemalar dalam persamaan (3) pemalar indeks keJja dalam persamaan (3) saiz purata suapan saiz purata produk

RUJUKAN

[-J [kWjltonJ [-J [kWjltonJ [)1m) [!lIIll

Austin.L.G. 1964. Theory of grinding operations. Ind. Eng. Chem. 56: 18-29. ASTM 0440-49. 1949. Drop Shaner Test for Coal. ASTM CI42-67. 1967. Friability of Particles in Aggregate. Benhiaux. H .. & J. Dodds. 1997. A new estimation technique for the detennination of

breakage and sclection parameters in batch grinding. Powder Technol. 94(2): 173-180.

Bond. F.c. 1952. The third theory of comminution. Mining Engineering Trans. A.I.M.E 193 : 4~94.

British Materials Handling Board. 1987. Particle Attrition: State· of· the An Review. Trans. Tech. Publications. Series on Bulk Materials Handling. Vol. 5.

Broadbent S.R. &: Caleon. T.G. 1956. ).1"'1. of Fuel 29: 524-539.

~ 1

Chen. C. & Soo. S.L. 1982. Attrition and Dehulling of pns in Pneumatic Conveying. l. ofPipclines2(2-4): 103-109.

Kendal, K. 1978 . . ~·a/ure. 272: 710. Kick. F. 1885. The Laws of Proportional Resistance and Their Applications. Leipzig:

Verlag von Arthur Felix. Pitt. GJ. & Rumsey, J.C.v. 1980. J. Phys. D .. Appl. Ph),s. 13: 969. Rhodes, MJ., Prern. H .. & Prior. M.H. 1990. In Principles 0/ Powder Technolo~·.

MJ .Rhodes (ed.). Wiley and Son. Rininger, von P. R. 1867. Lehrbuch der aujbe",jtungs~nde. Berlin. Vau,,- WG. 1978. Pro<:. Am. PawerConf. 40: 793-802. Vau,,- W.G. & Schruben. SJ. 1983. A.J.Ch.£. Symp. Ser. 79(222): 97-102. Vedcn 'eva. AI.. Paranskii. S. A. & Schchukin. E.D. 1978. Kine/j/w I Ka/ali: 19(2) 463-

467.

Siti Masrinda Tasirin dan Too SOD Ping Department of Chemical & Process Engineering Faculty of Engineering Univcrsiti Kebangsaan Malaysia 43650 UKM Bangi, Selangor D.E. Malaysia