Mayoritas proses makanan pada industri melibatkan pergerakan fluida. Makanan cair seperti susu dan jus harus dipompa melalui peralatan pemrosesan atau dari satu wadah ke wadah lainnya. Dalam blast freezer, aliran udara dingin yang cepat dihembuskan ke atas makanan. Di pabrik gandum, biji-bijian, produk yang digiling dan produk akhir adalah paling sering digerakkan dalam aliran udara (pengangkutan pneumatik). Proses media utilitas seperti air, uap dan berbagai gas harus didistribusikan di pabrik di pipa yang dirancang dengan benar. Sejumlah unit operasi penting seperti filtrasi, pengepresan dan pencampuran, pada dasarnya, adalah aplikasi khusus dari aliran fluida. Mekanisme dan laju perpindahan energi dan massa sangat bergantung pada karakteristik arus. Akhirnya, kualitas sensorik dari banyak bahan makanan cari dan semi-cair tergantung pada sifat aliran produk.
Elemen Dinamika Fluida Pada Bahan Makanan
Viskositas
Viskositas adalah besaran yang menggambarkan tahanan suatu fluida untuk mengalir. Fluida menahan gerakan relatif benda-benda yang terendam melaluinya serta terhadap gerakan lapisan-lapisan dengan kecepatan yang berbeda di dalamnya. Viskositas cairan sangat bergantung pada suhu dan hampir tidak pada tekanan. Viskositas gas meningkat dengan tekanan dan menurun sedikit dengan meningkatnya suhu.
Rezim Aliran Fluida
Ada dua jenis atau rezim aliran fluida. Yang pertama disebut laminar atau aliran streamline. Yang lainnya adalah aliran turbulen. Jenis aliran tergantung pada laju aliran massa, massa jenis dan viskositas fluida dan geometri saluran aliran. Variabel ini digabungkan dalam grup tak berdimensi diketahui sebagai bilangan Reynolds (Re) yang dapat dirumuskan menjadi:
Re = Dvρ / μ
- D = dimensi linier yang mencirikan geometri saluran (dalam kasus aliran dalam pipa penuh diameter pipa D), (m)
- v = kecepatan linier rata-rata fluida, m/s
- ρ = massa jenis fluida kg/m3
- μ = viskositas fluida Pa.s
Dalam aliran laminar, gerakan hanya dalam satu arah di semua titik fluida. Aliran laminar dapat divisualisasikan seolah-olah cairan mengalir dalam lapisan paralel yang berbeda meluncur satu sama lain tanpa bagian antara lapisan. Secara fisik, aliran adalah laminar jika kendala viskos diatasi kelembaman, yaitu pada bilangan Re rendah. Dalam kasus aliran di dalam silinder pipa, rezim laminar berlaku untuk Re<2300 kira-kira. Rezim laminar sangat umum dalam proses makanan di mana kecepatan relatif rendah dan viskositas relatif tinggi.
Telah ditemukan secara eksperimental bahwa timbulnya turbulensi dalam pipa atau tabung terjadi pada bilangan Reynolds di atas 2000 tetapi sering kali aliran turbulen sepenuhnya tidak berkembang di bawah 4000. Rentang antara 2000 dan 4000 adalah rentang transisi di mana aliran mungkin laminar atau turbulen. Nilai 2100 secara konvensional ditetapkan sebagai kriteria untuk turbulensi.
Transportasi Fluida Pada Bahan Makanan
Pompa
Pompa dipilih berdasarkan persyaratan proses (kapasitas volumetrik dan pengendalian, tekanan masuk dan keluar), kondisi proses (viskositas, suhu, sifat korosif dan erosivitas dari fluida untuk dipompa), daya persyaratan, biaya dan kondisi tambahan ditentukan oleh penggunaan spesifik. Untuk memompa bahan makanan, sanitasi (kemudahan pembersihan di tempat, daerah tidak stagnan, bahan bangunan yang cocok untuk kontak dengan makanan, tidak ada risiko kontaminasi dengan pelumas, tidak ada kebocoran melalui segel dll) sangat penting.
Umumnya, pompa sentrifugal digunakan untuk volume tinggi, aplikasi head rendah dengan cairan berviskositas yang relatif rendah. Pompa positive displacement lebih sering digunakan dalam tekanan tinggi, aplikasi kapasitas rendah dan dapat menangani cairan yang sangat kental. Pompa sentrifugal lebih sederhana dan lebih murah.
Gambar 1. Pompa sentrifugal
Agitasi yang berlebihan, viskositas tinggi, benturan, dan gaya geser mungkin tidak dapat diterima di kasus cairan dengan ‘struktur’, bahan yang mudah berbusa dan, tentu saja, cairan membawa partikel padat yang rapuh. Pompa khusus tersedia untuk aplikasi semacam itu. Di antara yang paling luar biasa contoh adalah pompa ikan yang mampu memompaa pada air yang memiliki kehidupan ikan cukup besar tanpa menyebabkan kerusakan pada hewan air.
Variabel (dapat dikontrol) laju alir seringkali merupakan kebutuhan proses. Dengan pompa sentrifugal, ini mudah dicapai dengan memasang katup, sebaiknya setelah pembuangan. Pompa sentrifugal biasanya beroperasi pada kecepatan konstan, yang biasanya kecepatan motor langsung dikopel dengan pompa. Pompa positive displacement bekerja pada kecepatan yang lebih rendah dan porosnya terhubung ke motor melalui gearbox pengurang kecepatan. Laju aliran variabel dicapai dengan menggunakan motor kecepatan variabel atau transmisi penggerak dengan variabilitas kecepatan. Perangkat untuk mengubah panjang perjalanan piston ditemukan di beberapa pompa piston reciprocating.
Ejektor
Ejector merupakan salah satu jenis mesin fluida yang banyak digunakan untuk mendukung salah satu proses pada industri, antara lain, proses pompa dan pemanas dengan memanfaatkan uap dalam kinerjanya. Ejector dapat digolongkan menjadi dua, yaitu, single ejector dan two stage ejector, hal ini tergantung dari bagaimana kompresi yang dilakukan dalam satu atau beberapa unit secara berurutan dan dari bagaimana satu atau lebih unit ejector yang dipasangkan secara paralel. Bentuk dari kedua ejector ini sebenarnya sama, yang membedakan adalah jumlah nozzle yang digunakan.
Gambar 2. Ejektor
Pipa
Jaringan pipa pabrik makanan dibagi menjadi dua kategori:
- Pipa untuk transportasi utilitas fluida seperti air dingin dan panas (kecuali air yang akan digunakan dalam formulasi produk), uap, udara tekan, cairan atau bahan bakar gas dll.
- Pipa untuk transportasi produk, setengah produk dan bahan mentah digunakan dalam formulasi produk, termasuk air.
Pipa produk bahan terdiri dari tabung dan alat kelengkapan yang terbuat dari baja tahan karat. Desain diameter tabung dihitung menurut laju alir, penurunan tekanan dan sifat fluida tetapi pipa dengan diameter di bawah sekitar 20 mm jarang digunakan untuk makanan. Sambungan antara tabung dan alat kelengkapan dapat dibongkar atau permanen (dilas). Bekas dapat dibongkar untuk dibersihkan dan diperiksa dan memberikan fleksibilitas yang diperlukan untuk mengubah tata letak. Kurangnya standarisasi harus menjadi pertimbangan dalam merancang dan menentukan jenis hubungan antara pipa dan peralatan.
Transport Pneumatik dan Hidrolik
Padatan dalam jumlah besar dapat diangkut dalam aliran gas (pengangkutan pneumatik) atau dalam cairan yang mengalir (pengangkutan hidrolik). Kedua metode tersebut digunakan dalam industri makanan. Biji-bijian, tepung, gula, dan produk pabrik lainnya sering diangkut secara pneumatik.
Pengangkutan hidraulik umum dilakukan dalam pemrosesan sayuran (kacang polong, tomat). Memompa ikan dengan air laut dari jaring yang terendam sampai ke kapal penangkap ikan dapat menggunakan hidrolik. Prinsip dasar kedua proses itu sama, tetapi pengaturan fisiknya dan peralatan yang digunakan jelas berbeda.
Gambar 3. Skema pneumatik
Dalam mendesain aliran fluida pada makanan, metode simulasi numerik dapat dilakukan. Metode numerik yang sering dipakai adalah Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD adalah adalah seni untuk menggantikan persamaan-persamaan integral dan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar diskrit, yang mana untuk kemudian dapat diselesaikan untuk memperoleh solusi berupa angka-angka nilai aliran pada titik-titik diskrit ruang dan waktu. Seiring dengan perkembanganya, metode CFD mampu menangani berbagai macam kasus aliran fluida, mulai dari aliran incompressible dan aliran compressible, hingga aliran-aliran yang cukup kompleks seperti pembakaran, multifasa, interaksi dengan partikel dan lain sebagainya.