Rheological properties Thermal properties Microstructure Analisis Sifat Fisik Rheological properties Thermal properties Microstructure

Pengertian rheology Rheologi adalah ilmu yang mempelajari sifat aliran dan perubahan bentuk (deformasi) suatu bahan akibat adanya pengaruh gaya mekanis yang mengenainya.

Why we want to study rheology of Foods? Disain atau pemilihan peralatan pompa, line pipa, ekstruder, mixer, heat exchanger, dll. Perilaku rheologi berhubungan erat dengan tekstur dan data sensori Untuk menentukan fungsionalitas ingridiens dalam pengembangan produk Pengujian umur simpan

Rheological properties Produk pangan ada yang berbentuk cair, semi-padat dan padat yang tentunya memiliki sifat reologi yang berbeda-beda Produk pangan cair bervariasi tingkat kekentalan dan sifat mengalirnya: cair encer dan mudah mengalir atau cair yang kental dan lebih sulit mengalir. Produk semi-padat memiliki sifat di antara sifat cair dan padat: mentega/margarin, selai kacang (peanut butter), dodol dan agar-agar

Rheological properties Produk pangan padat tidak memiliki sifat kekentalan dan aliran: biskuit, potato chips, kerupuk, dll. Produk padat apabila diberikan gaya mekanis tertentu baik ditekan atau ditarik, akan mengalami patah. Untuk produk berbentuk padat, sifat reologi yang diukur biasanya adalah kekerasan (hardness), kemudahan patah (fracturability), elasticity, dsb.

Fluid Foods FLUIDA : Senyawa/bahan yang dapat mengalir tanpa mengalami “disintegrasi” jika dikenakan tekanan kepada bahan tersebut. FLUIDA : GAS CAIRAN PADATAN Karakteristik Aliran ………………> REOLOGI

Karakteristik Fluida Densitas : massa per satuan volume SI : kg.m-3 Lainnya : lbm.ft-3 g.cc-1 atau g.cm-3 Kompresabilitas : Perubahan densitas fluida karena perubahan suhu atau tekanan - sangat penting untuk gas - dapat diabaikan untuk cairan Viskositas................?

Batasan Viskositas fluida Perhatikan dua silinder Konsentrik : Silinder dalam : BERGERAK/BERPUTAR Silinder luar : DIAM fluida Fluida terdapat diantara dua tabung F y V = 0 (diam) Untuk tetap mempertahankan aliran, diperlukan gaya = F Kemudahan mengalir? dV/dy? V = f (F, A, sifat fluida) y

Batasan Viskositas dy dV A F ÷ ø ö ç è æ - m = Luas = A F V=f(y) Kemudahan mengalir? DV/Dy? V = f (F, A, sifat fluida) VISKOSITAS () Suatu ukuran mudah/sukarnya suatu bahan untuk mengalir dy dV A F ÷ ø ö ç è æ - m = = t

Pengukuran Viskositas Dengan Rotational viscometer Untuk mengukur kekentalan dan sifat aliran suatu cairan Didasarkan pada gaya rotasi oleh spindle yang diatur kecepatan putarnya. Diameter dan bentuk spindle berbeda-beda yang biasanya diberi nomor #1, #2, #3, dst Torque: Persen terhadap maksimum kecepatan rotasi dari spindle. 100%: spindle berputar pada kecepatan maksimumnya, 0%: spindle dalam keadaan diam.

Faktor untuk Brookfield model LV Kecepatan rotasi (rpm) (spindle #3) Kecepatan rotasi (rpm) Faktor 0,3 0,6 1,5 3 6 12 30 60 4000 2000 800 400 200 100 40 20 Contoh: Bila suatu cairan dilakukan pengukuran viskositas pada kecepatan rotasi 6 rpm dengan spindle #3, nilai torque yang terbaca adalah 40.6%. Dengan demikian, nilai viskositas adalah 40.6%*200 = 8120 mPa.s = 8.12 Pa.s.

Viskositas  [=] g cm-1det-1 = poise Note : 1 poise = 100 cp Contoh: air (20oC, 1 atm) = 1.0019 cp air (80oC, 1 atm) = 0.3548 cp udara (20oC, 1 atm) = 0.01813 cp C2H5OH (lq; 20oC, 1 atm) = 1.194 cp H2SO4 (lq; 25oC, 1 atm) = 19.15 cp glycerol (lq; 20oC, 1 atm) = 1069 cp

Newtonian and Non-Newtonian Foods Newtonian foods: bahan yang nilai kekentalannya tidak diperngaruhi oleh besarnya gaya yang mengalirkan atau menggerakkannya Non-Newtonian foods: nilai kekentalan akan sangat dipengaruhi oleh gaya yang diberikan Gambar 8.2. Pengaruh gaya pengadukan terhadap nilai kekentalan untuk cairan Newtonian dan non-Newtonian

Hubungan antara gaya geser vs Hubungan antara gaya geser vs. laju geser (gradien kecepatan) untuk fluida newtonian dan non-newtonian Mayonaisse, margarin Newtonian Dilatant Pseudo-plastic Bingham plastic to t - dv/dy = g Krim, puree, salad dressing Tomato paste Suspensi pati, jem sirup gula (encer) air susu, sari buah Bingham Pseudo-plastic = shear stress (dyne/cm2)  = shear rate (1/sec)

Newtonian Foods Examples: Water Milk Vegetable oils Fruit juices Shear stress Shear rate Examples: Water Milk Vegetable oils Fruit juices Sugar and salt solutions

Pseudoplastic (Shear thinning) Foods Shear stress Shear rate Examples: Applesauce Banana puree Orange juice concentrate Oyster sauce CMC solution

Dilatant (Shear thickening) Foods Shear stress Shear rate Examples: Liquid Chocolate 40% Corn starch solution

Bingham Plastic Foods Examples: Tooth paste Tomato paste Shear stress Shear rate Examples: Tooth paste Tomato paste

Importance of yield stress When stress is less than yield stress, material does not flow. It behaves like a solid Important for development of materials like butter, yogurt, cheese spread

Examples and characteristics of Newtonian and non-Newtonian foods Viscosity type Characteristics and Food Examples Newtonian Viscosity is not affected by changes in shear rate and remains constant. Examples: water, fruit juice, carbonated beverages, milk, vegetable oils Bingham plastic A certain shear stress (called the yield stress) is required to initiate flow; once flow starts, shear rate has no effect. Example: tomato paste, Bingham pseudoplastic A yield point must be achieved to cause product flow, at which point pseudoplastic, behavior is observed. Examples: mayonnaise, margarine pseudoplastic “Shear thinning” fluids decrease in viscosity as shear rate increases. Examples: applesauce, banana puree, orange juice concentrate, guar and xanthan gum thickened products dilatant “Shear thickening” fluids increase in viscosity as shear rate increases. Examples: corn starch suspensions, chocolate syrups

. VISKOSITAS = f(g)? Dapat pula digunakan viskositas apparent (mapp) t m app = m Newtonian t Non-newtonian m app = = Kgn-1 g mapp g Dilatant : shear thickening Newtonian Pseudoplastik : Shear thinning

Why Shear Thinning occurs Unsheared Sheared Aggregates break up Anisotropic Particles align with the Flow Streamlines In the same form as the cube used to define the other terms of stress and strain, we see a change in the molecules or particles/aggregates as shear is applied the result is a lower energy dissipation, so the viscosity drops when the sample is back at rest, then Brownian motion randomises the particles over time to rebuild the viscosity. if the rebuild process is slow enough then the sample is said to be thixotropic [time dependant] Random coil Polymers elongate and break Courtesy: TA Instruments

Shear Thinning Behavior Shear thinning behavior is often a result of: Orientation of non-spherical particles in the direction of flow. An example of this phenomenon is the pumping of fiber slurries. Orientation of polymer chains in the direction of flow and breaking of polymer chains during flow. An example is polymer melt extrusion Deformation of spherical droplets to elliptical droplets in an emulsion. An industrial application where this phenomenon can occur is in the production of low fat margarine. Breaking of particle aggregates in suspensions. An example would be stirring paint. Courtesy: TA Instruments

VISKOSITAS = f(t)? Rheopektik: coklat, suspensi pati mapp t, waktu Time independent Thixotropik: madu, gum

Non-Newtonian 1 t g t= K (g )n ...............> model “Power law” n : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index) K : Indeks konsistensi (consistency index) Pseudoplastik (n<1) A. Newtonian t = m (g ), model “power law” dgn K= dan n=1 . Newtonian (n=1) t Dilatan (n>1) B. Pseudoplastik t= K(g )n, n<1 . C. Dilatan t= K(g )n, n>1 . g . = shear stress ( dyne/cm2)  = shear rate (1/sec)

Non-Newtonian . t= to + K (g)n ...............> model “Herschel-Bulkley” 2 K : Indeks tingkah laku aliran (flow behavior index) n : Indeks konsistensi (consistency index) to : gaya geser awal (yield stress) H - B A. Bingham plastik t = to + K(g); n = 1 t g . Bingham Plastik B. Fluida H - B t= to + K(g)n; n<1 . to = shear stress ( dyne/cm2)  = shear rate (1/sec)

Pengukuran Sifat Aliran Dengan Rotational Viscometer t= K (g )n ...............> model “Power law” Gunakan: Shear stress dihitung dengan rumus berikut:  = A 1 R 2RL Shear rate dihitung dengan rumus berikut:  = 2RN 

Rotational Viscometer

Prosedur Analisis Gunakan spindle silinder atau plate. Untuk spindle berbentuk silinder, dapat dilengkapi dengan thermo jacket housing untuk meletakkan sampel. Thermo jacket housing ini dihubungkan dengan thermostatic circulator, sehingga suhu sampel dapat konstan. Dengan menggunakan thermo jacket housing ini, gap () antara dinding spindle dengan dinding jacket cukup kecil, sehingga jumlah sampel yang diukur pun sedikit (maksimum 16 ml).

Prosedur Analisis Pada alat ini data shear stress dan shear rate bisa langsung diperoleh, sehingga data yang dikumpulkan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan model Power law. Untuk menentukan apakah terdapat yield stress, maka model Herchel-Bulkley dapat digunakan. Nilai viskositas apparent (dalam mPa) dapat ditentukan pada shear rate tertentu, dimana nilainya dapat dihitung dengan menggunakan rumus : =/*100 (pengali 100 adalah untuk mengkonversi nilai Pa menjadi mPa).

Viscometer indicator reading (% full scale) Contoh Kasus Brookfield viscometer digunakan untuk menentukan viskositas apparent dari saus tomat. Spindle yang digunakan adalah spindle #4 yang mengukur sampel pada 4 kecepatan rotasi, yaitu 2, 4, 10 dan 20 rpm. Diperoleh pembacaan torque yang dinyatakan sebagai persentasi terhadap skala penuh (% full scale) (lihat tabel). Konstanta viskometer untuk spindle #4 tersebut adalah 7187 dyne/cm (full scale). Tentukan indeks tingkah laku aliran (n). Kec. rotasi (rpm) Viscometer indicator reading (% full scale) Torque (dyne-cm) (% full scale*7187) 2 4 10 20 53.5 67 80.5 97 3845 4815 5786 6971

Kecepatan rotasi (rpm) Viscometer indicator reading (% full scale) Contoh Viskometer rotasi yang memiliki konstanta spindle silinder dengan 7187 dyne/cm pada skala penuh digunakan untuk mengukur cairan. Spindle (diameter 1 cm, panjang 6 cm) dimasukkan ke dalam thermo jacket housing (dimater dalam 1.5 cm). Pembacaan dilakukan pada 4 kecepatan rotasi, yaitu 2, 4, 10 dan 20 rpm. Hasil pembacaan %torque (% full scale) adalah seperti pada tabel. Tentukanlah indeks tingkah laku aliran (n) dan indeks kekentalan (K). Kecepatan rotasi (rpm) Viscometer indicator reading (% full scale) 2 4 10 20 15 26 53 93

 = A 1 = A = A/(0,52*2*6)= 0,106 A R 2RL R2(2L)  = 2RN = 2*(0,5)*N/(1.5-1)(0,5)(60) = 0,2093N  Kecepatan rotasi (N) (rpm) Viscometer indicator reading (% full scale) Torque (A) (dyne.cm) Shear rate (1/sec) Shear stress (dyne/cm2) 2 4 10 20 15 26 53 93 1078,05 1868,62 3809,11 6683,91 0,419 0,837 2,093 4,187 114,4 198,4 404,4 708,5 t= K (g )n ...............> model “Power law” Gunakan: Submit jawaban anda ke: nugrahaedhi@ipb.ac.id

Instrument Control Brookfield viscometer

Choosing Spindle and Speed Brookfield viscometer

Taking a viscosity reading Brookfield viscometer

Unstable reading and Out of rang Brookfield viscometer

Aliran fluida dalam pipa Jenis aliran Aliran laminar (streamline) Aliran turbulen Dipengaruhi oleh: Jenis fluida (Newtonian/non- Newtonian) Diameter pipa Densitas fluida Kecepatan aliran

Aliran laminar : ………… Re < 2100 Streamline/garis arus Semua partikel yang memulai aliran di titik “A” akan mengikuti jejak yang sama, melalui B dan akhirnya C Berkas garis arus menun-jukkan arah aliran pada berbagai titik - hanya ada 1 komponen v Jejak “streamline” A B C Arah kecepatan partikel Jarak antar ”streamlines” memberikan indikasi ttg kecepatan fluida pada berbagai titik

Aliran turbulen …. Re > 2100 Pusaran Semua partikel yang memulai aliran titik “A” tidak akan mengikuti jejak yang sama, melalui B dan akhirnya C Tidak ada streamline Terjadi mixing antar lapisan fluida Pada titik ttt : > 1 komponen kecepatan ARAH ALIRAN

Re = Dv/ PROFIL LAJU ALIRAN v 82 . ~ V v 10000, Re > NEWTONIAN ? ALIRAN LAMINAR, Re < 2100 Vmax = 2 v ALIRAN TURBULEN, Re < 4000 Vmax = F (Re) Re = Dv/ 0.662 (Re) log 036 . V max + = where: =density (g/cm3) D=diameter of pipe (cm) v=Average velocity (cm/sec) µ= viscosity (poise) 82 . ~ V v 10000, Re max >

PROFIL LAJU ALIRAN dr dV K ÷ ø ö ç è æ = t 1 K v D Re ÷ ø ö ç è æ + r K = consistency index n = flow behavior index D = Inner diameter of pipe V = average velocity  = density Non - Newtonian ? dr dV K ÷ ø ö ç è æ = t n 3 2 G 1 K v D Re - ÷ ø ö ç è æ + r = Generalized Re ÷ ø ö ç è æ + = n 3 1 V v max Untuk aliran laminar:

Thermal Analysis

Different Techniques Dynamic Mechanical Analysis (DMA) Viscoelastic Properties Differential Scanning Calorimetric (DSC) Heat flow during Transitions Thermal Gravimetric Analysis (TGA) Weight Loss due to decomposition Differential Thermal Analysis (DTA) Heat of Transitions

DSC Thermogram > exothermic - Heat Flow Temperature Oxidation Crystallisation Cross - Linking (Cure) > exothermic - Glass Transition Heat Flow Melting Temperature

What Can You Measure with DSC? Qualitative analysis Fingerprinting of minerals, clays, polymers Sample purity Melting points Heat capacity, cp Glass transition temperature, Tg Crystallization temperature, Tc Phase diagrams

DSC: Main Sources of Errors Calibration Contamination Sample preparation – how sample is loaded into a pan Residual solvents and moisture. Thermal lag Heating/Cooling rates Sample mass Processing errors

Schematic of DSC Instrument Reference Sample T1 T2 Pt thermopile Pt thermopile Low mass 1 gram heater heater N2 flow DW

Glass Transition Step in thermogram Transition from disordered solid to liquid Observed in glassy solids, e.g., polymers Tg, glass transition temperature Glass transition dH/dt, mJ/s Tg Temperature, K

Crystallization Sharp positive peak Disordered to ordered transition Thermogram Sharp positive peak Disordered to ordered transition Material can crystallize! Observed in glassy solids, e.g., polymers Tc, crystallization temperature Crystallization dH/dt, mJ/s Tc Temperature, K

Melting Negative peak on thermogram Ordered to disordered transition Tm, melting temperature NB: melting happens to crystalline polymers; glassing happens to amorphous polymers Thermogram Melting dH/dt, mJ/s Tm Temperature, K

Crystallization Sharp positive peak Disordered to ordered transition Observed in glassy solids, e.g., polymers Tc, crystallization temperature dH/dt, mJ/s Tc Temperature, K

TGA

DTA TMA

Electron Microscopes The use of high energy electrons to examine the fine details of objects.

Scanning Electron Microscopy (SEM) Merupakan alat untuk melihat mikrostruktur permukaan bahan Persiapan sampel mudah, kegunaan sangat luas Prinsip: Scanning sinar elektron primer di permukaan sampel yang kemudian mengalami eksitasi dan memancarkan elektron sekunder (krn ditembak dg electron beam)

KOMPARASI MIKROSTRUKTUR KENTANG MENTAH DAN MASAK SEM View of the Fracture Surface of Uncooked Potato Tissue. Starch granules are observed SEM View of the Fracture Surface of Cooked Potato Tissue. There is no starch granule

Diagram Showing Changes in Fracture Properties of Plant Tissues as a Result of Heat Treatment

Modified sweet potato starch (HMT) Native sweet potato starch