MODIFIKASI DESAIN DAN UJI KINERJA KONTROL SISTEM INPUT MESIN PENGUPAS KULIT BIJI KAKAO TIPE PIRINGAN TUNGGAL
MUHAMMAD FACHRI HASYIM
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Modifikasi Desain Dan Uji Kinerja Kontrol Sistem Input Mesin Pengupas Kulit Biji Kakao Tipe Piringan Tunggal adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Maret 2015 Muhammad Fachri Hasyim NIM F14100062
ABSTRAK MUHAMMAD FACHRI HASYIM. Modifikasi Desain Dan Uji Kinerja Kontrol Sistem Input Mesin Pengupas Kulit Biji Kakao Tipe Piringan Tunggal. Dibimbing oleh MAD YAMIN dan AGUS SUTEJO. Proses pengupasan kulit biji kakao dapat menggunakan mesin pengupas (desheller) tipe piringan tunggal. Tujuan penelitian ini adalah memodifikasi sistem kontrol input pada mesin pengupas tipe piringan agar kapasitas kerja dari mesin dapat meningkat, serta kualitas pengupasan biji tetap terjaga. Metering device yang digunakan untuk mengontrol jumlah biji kakao yang masuk adalah auger. Dimensi auger memiliki diameter dalam sebesar 2 cm dan diameter luar 3.5 cm, dengan 2 tipe jarak pitch. Desain 1 dan 2 memiliki jarak pitch sebesar 1.5 dan 2 cm. Pengujian dilakukan dengan menggunakan 3 rpm yang berbeda. Efisiensi dari auger tipe 1 dan 2 pada rpm 600; 750; 900 sebesar 98.50%; 96.85%; 94.12%, dan 96.36%; 90.55%; 89.30%. Presentase kualitas hasil pegupasan mesin sebelum modifikasi pada rpm 600; 750; 900, biji tidak terkupas sebesar 2.16%; 1.98%; 1.95%; biji tidak terkupas sempurna sebesar 1.67%; 1.33%; 1.175, serta rendemen sebesar 83.63%; 85.93%; 84.97%, dengan menggunakan auger 1 dan 2 berturut-turut biji tidak terkupas sebesar: 3.44%; 2.43%; 2.32% dan 4.48%; 2.85%; 2.47%, biji tidak terkupas sempurna sebesar 2.15%; 1.75%; 1.50% dan 2.58%; 1.81%; 1.61%, dan besar rendemen 83.77%; 82.83%; 82.23% dan 83.17; 82.53%; 82.50%. Kata kunci: auger, biji, desheller, kakao, pengupasan
ABSTRACT MUHAMMAD FACHRI HASYIM. Design Modification and Performance Test of Input System Control of Single Disc Type Desheller. Supervised by MAD YAMIN and AGUS SUTEJO. Cocoa nutshell peeling procces can use desheller single disc type. The purpose of this study is to modify the input control system of the disc type crusher in order to increasing the work capacity of the machine and maintaning the quality of cocoa nutshell. Auger was used as a metering device to control the amount of cocoa beans that peeled by machine. Auger has 2 cm of inside diameter and 3.5 cm of outside diameter, with 2 types of pitch distance. Design 1 and 2 have a pitch distance of 1.5 and 2 cm, respectively. Performance test was conducted by using 3 kinds of rpm. As the result, the efficiency of the auger type 1 and 2 at 600 rpm; 750 rpm; 900 rpm were; 98.50%; 96.85%; 94.12%, and 96.36%; 90.55%; 89.30%, respectively. The percentages of cocoa beans before modification that didn’t peeled at 600 rpm; 750 rpm; 900 rpm, were 2.16%; 1.98%; 1.95%, and for imperfect peeled at 600 rpm; 750 rpm; 900 rpm were 1.67%; 1.33%; 1.175, and by using auger 1 and 2 the seeds that didn’t peeled, were respectively: 3.44%; 2.43%; 2.32 and 4.48%; 2.85%; 2.47%, and for the seeds that imperfect peeled from auger 1 and 2 were respectively: 2.15%, 1.75%, 1.50% and 2.58%, 1.81%, 1.61%, the yield from auger 1 and 2 were respectively: 83.77%, 82.83%, 82.23% and 83.17%, 82.53%, 82.50%. Keywords: auger, bean, desheller, cocoa, peeling
MODIFIKASI DESAIN DAN UJI KINERJA KONTROL SISTEM INPUT MESIN PENGUPAS KULIT BIJI KAKAO TIPE PIRINGAN TUNGGAL
MUHAMMAD FACHRI HASYIM Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Judul pada penelitian ini adalah Modifikasi Desain dan Uji Kinerja Kontrol Sistem Input Mesin Pengupas Kulit Biji Kakao (Desheller) Tipe Piringan Tunggal yang dilaksanakan sejak bulan Maret sampai Agustus 2014. Dengan telah selesainya karya ilmiah ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ahmad Musyafa’ Hasyim, Ibu Purwanti Sri Lestari, serta saudara M. Fahmi Hasyim, terimakasih atas doa, dukungan dan semangat positifnya untuk penulis selama pembuatan karya ilmiah ini. 2. Ir. Mad Yamin, MT selaku pembimbing utama dan Ir. Agus Sutejo, M.Si selaku pembimbing II terimakasih atas bimbingannya serta saran dan kritik bagi penulis. 3. Dr. Ir. Gatot Pramuhadi, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran yang membangun bagi penulis. 4. Bapak Ujang serta rekan-rekan di bengkel Daud Teknik terima kasih atas bantuannya selama penelitian berlangsung. 5. Teman-teman Amri, Imam, Rifqi, Erlin, Dian, Rosma, Ambar, Pepi, Ryan, Bollank, Santos, Eki, Aa’, Putri RY, Herwin, Qoni, Kun, Ucup, Asep, Aswin, Arya, Khoe, Icha, Aki, Hari, Mamat, Khusnul, Dani, Ucu’, Fidzal, Gema, serta keluarga besar Antares 47, terima kasih atas kebersamaan dan bantuannya selama penelitian berlangsung. 6. Rekan-rekan Gursapala dan teman-teman omda Formala terima kasih atas kebersamaan, bantuan dan semangatnya bagi penulis. 7. Semua pihak yang secara langsung dan tidak langsung telah membantu penulis selama penelitian. Penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi nyata terhadap ilmu pengetahuan.
Bogor, Maret 2015 Muhammad Fachri Hasyim
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
3
Kakao
3
Proses Pasca Panen Kakao
3
Pengupasan Biji Kakao
5
Mesin Pengupas Biji Kakao
6
Kontrol
7
Penjatah Input Biji Kakao
7
METODE
9
Waktu dan Tempat Penelitian
9
Bahan Penelitian
9
Alat
9
Prosedur Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN
10 15
Identifikasi Masalah dan Penelitian Pendahuluan
15
Perumusan Konsep Desain Auger
21
Perancangan Desain Fungsional dan Struktural Auger
21
Analisis Teknik
24
Gambar Teknik
26
Pembuatan Prototipe
27
Uji Fungsional Mesin
27
Uji Kinerja Mesin
29
SIMPULAN DAN SARAN
32
Simpulan
32
Saran
33
DAFTAR PUSTAKA
33
RIWAYAT HIDUP
51
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7
Konsumsi kakao dalam negeri Dimensi biji kakao hasil pengukuran Kapasitas kerja mesin sebelum dimodifikasi Komponen utama perancangan auger Ukuran pulley yang digunakan pada setiap rpm Dimensi rencana desain auger Efisiensi penyaluran putaran dari motor ke poros penggerak
1 17 21 22 23 24 28
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tahapan proses pengolahan hulu biji kakao (Mulato 2005) Tahapan proses pengolahan hilir biji kakao (Mulato 2005) Bagian biji kakao (Mulato 2005) (A) Fraksi nib (B) Fraksi kulit biji kakao (Mulato 2005) Mesin pengupas dan pemisah biji kakao pasca sangrai (desheller) Alat pengupas (A) tipe piringan tunggal (B) tipe piringan ganda Penjatah tipe ulir rapat (Srivastava et al. 1996) Biji kakao utuh pasca sangrai Mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal Diagram alir prosedur penelitian Diagram alir prosedur uji kinerja mesin Diagram alir prosedur pengukuran dimensi biji kakao (Bart-Plang dan Baryeh 2003) Bentuk dan dimensi biji kakao Diagram alir prosedur pengukuran densitas biji kakao (Bart-Plang dan Baryeh 2003) Mekanisme pengupasan kulit dengan rol karet (Patiwiri 2006) Plat pengait biji kakao sebelum modifikasi Diagram skematik penyempitan diameter screw housing Gambar teknik auger (A) desain 1 (B) desain 2 Prototipe auger (A) desain 1 (B) desain 2 Peningkatan kapasitas kerja terhadap rpm. Efisiensi auger pada tingkat RPM yang berbeda. Presentase biji kakao tidak terkupas pada rpm yang berbeda. Presentase biji kakao tidak terkupas sempurna pada rpm yang berbeda. Rendemen pengupasan biji kakao.
4 5 5 6 6 7 8 9 10 11 13 16 16 17 20 20 23 27 27 29 30 31 31 32
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Daftar alat-alat yang digunakan dalam proses penelitian Dimensi biji kakao Data densitas dan perhitungan koefisien gesek biji kakao Data tahanan gesek biji kakao pasca sangrai Perhitungan reduksi kecepatan putar dan volume hopper Data uji kinerja mesin Kualitas pengupasan hasil sortasi biji tidak terkupas Kualitas pengupasan hasil sortasi biji tidak terkupas sempurna Rendemen pengupasan biji kakao Gambar biji kakao hasil pengujian Gambar teknik
35 36 38 39 40 42 43 44 45 46 47
PENDAHULUAN Latar Belakang Buah kakao termasuk salah satu buah yang banyak tumbuh di Indonesia. Permintaan pasar terhadap produksi kakao semakin bertambah di setiap tahunnya. hal ini dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Konsumsi kakao dalam negeri Tahun 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Konsumsi (ton) 150 000 150 000 150 000 200 000 240 000 280 000
Sumber: Direktorat Jendral Perkebunan Departemen Pertanian 2013
Seiring dengan bertambahnya permintaan pasar, tentunya teknologi dalam bidang proses pengolahan kakao juga harus dikembangkan, baik teknologi pra panen maupun pasca panen. Teknologi yang sudah banyak berkembang salah satunya adalah mesin-mesin pasca panen kakao. Salah satu proses yang banyak diamati adalah proses pengupasan biji kakao pasca sangrai yang menghasilkan nib biji kakao. Nib biji kakao adalah bagian dari buah kakao yang dapat dikonsumsi. Nib dapat diperoleh dengan cara mengupas biji kakao dengan menggunakan mesin desheller. Mesin ini dapat mengupas biji kakao dan kemudian memisahkan nib yang sudah pecah dengan kulit biji. Nib tersebut nantinya akan diolah menjadi produk jadi berupa permen, bubuk, dan lemak kakao. Pengoperasian desheller dilakukan secara manual oleh operator dengan cara membuka dan menutup katup pemasukan pada hopper. Pengoperasian secara manual oleh operator dapat menimbulkan pengeluaran lebih oleh perusahaan mengingat saat ini biaya untuk tenaga kerja sudah tergolong tinggi. Selain itu tingginya resiko kerja yang dapat dialami oleh operator juga perlu diperhatikan. Kecelakaan pekerja sering terjadi dikarenakan kelelahan maupun kejemuan para pekerja yang berakibat pada turunnya konsentrasi pekerja. Menurut Suma’mur (1991) kejemuan terjadi bila pekerjaan kurang mendatangkan perhatian, motivasi terlalu sedikit, pekerjaan tidak mensyaratkan keterampilan, dan lingkungan kerja monoton. Menurut Aidil Rahman (2010) faktor yang istimewa ialah lelah atau bosan, gejala ini datang kalau lingkungannya tidak menerima rangsang luar atau kalaupun ada hanya lemah sekali. Ia akan menghasilkan rasa hambar, capai dan dapat cepat meningkat sampai mengantuk. Akibatnya akan mengurangi kesigapan yang membuahkan kesalahan atau kecelakaan. Tingkat konsentrasi yang tinggi serta aktivitas yang berulang-ulang dapat mengakibatkan kelelahan pada pekerja. Kelelahan dapat disebabkan oleh turunnya motivasi kerja, kewaspadaan tinggi, skill pekerja yang lemah, serta tuntutan kerja. Kelelahan tersebut dapat menyebabkan kecelakaan dan cedera pada pekerja. Selain itu, kelelahan juga dapat terjadi karena waktu bekerja yang terlalu lama serta penjadwalan kerja yang tidak teratur (Fang et al. 2014). Selain itu, kurang sigapnya
2 operator juga dapat menurunkan kapasitas kerja mesin. Misalnya operator lalai dan tidak membuka hopper, ataupun operator membuka hooper terlalu lebar, hal tersebut daapat menurunkan kapasitas kerja mesin serta menurunkan kualitas produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, kesalahan dalam pengoperasian dapat diminimalisir dengan memodifikasi sistem kontrol input pada mesin pengupas biji kakao, sehingga input pada mesin selalu memberikan jumlah biji kakao yang sama dan kapasitas kerja mesin dapat dikontrol sesuai dengan yang diharapkan. Perumusan Masalah Kecenderungan meningkatnya biaya tenaga kerja serta tuntutan produksi yang tinggi, menjadi acuan untuk meningkatkan teknologi baru yang dapat mengontrol kapasitas kerja dari mesin dengan menggunakan teknologi otomasi. Oleh karena itu, penulis akan mengembangkan suatu mekanisme kontrol input sederhana yang diaplikasikan pada pengumpan (hopper) mesin pengupas biji (desheller) sehingga pengoperasian desheller akan berjalan secara otomatis. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah memodifikasi sistem kontrol input pada hopper mesin desheller dengan menambahkan auger untuk mengontrol jumlah kakao yang masuk pada ruang pengupas sehingga proses pengupasan akan berjalan dengan lebih efektif dan efisien. Selain itu, penelitian bertujuan untuk menguji mesin hasil modifikasi dan membandingkannya dengan data hasil pengujian mesin sebelum dimodifikasi. Manfaat Penelitian Penelitian ini memiliki manfaat sebagai solusi untuk pengoperasian mesin pengupas biji kakao dalam mengontrol kapasitas kerja serta kualitas nib yang dihasilkan, sehingga proses pengupasan akan berjalan optimal. Ruang Lingkup Penelitian Penelitian mencakup proses modifikasi mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal. Pengujian dari mesin yang telah dimodifikasi terbatas pada kapasitas kerja serta kualitas hasil dari pengupasan. Kualitas pengupasan dilakukan dengan meninjau presentase biji kakao tidak terkupas dan biji kakao tidak terkupas sempurna.
3
TINJAUAN PUSTAKA Kakao Theobroma cacao L. adalah nama biologis yang diberikan pada pohon kakao oleh Linnaeus pada tahun 1753. Tempat alamiah dari genus Theobroma adalah di bagian hutan tropis dengan banyak curah hujan, tingkat kelembaban tinggi, dan teduh. Dalam kondisi seperti ini Theobroma cacao jarang berbuah dan hanya sedikit menghasilkan biji (Spillane 1995). Menurut Susanto (1994), jenis yang paling banyak ditanam untuk produksi cokelat hanya 3 jenis, yaitu: 1. Jenis Criollo Jenis criollo terdiri dari criollo Amerika Tengah dan criollo Amerika Selatan. Jenis ini menghasilkan biji cokelat yang mutunya sangat baik dan dikenal sebagai cokelat mulia. Buahnya berwarna merah atau hijau, kulit buahnya tipis dan berbintil-bintil kasar dan lunak. Biji buahnya berbentuk bulat telur dan berukuran besar dengan kotiledon berwarna putih pada waktu basah. 2. Jenis Forastero Jenis ini menghasilkan biji cokelat yang memiliki mutu sedang atau dikenal juga sebagai ordinary cocoa. Buahnya berwarna hijau, kulitnya tebal, biji buahnya tipis atau gepeng dan kotiledon berwarna ungu pada waktu basah. 3. Jenis Trinitario Merupakan campuran dari jenis criollo dengan jenis forastero. Cokelat trinitario menghasilkan biji yang termasuk fine flavour cocoa dan ada yang termasuk bulk cocoa. Buahnya berwarna hijau atau merah dan bentuknya bermacam-macam. Biji buahnya juga bermacam-macam dengan kotiledon berwarna ungu muda sampai ungu tua pada waktu basah. Proses Pasca Panen Kakao Pengolahan Hulu Biji Kakao Basis usaha kakao rakyat umumnya terdiri atas kebun-kebun kecil dengan luas areal rata-rata per petani antara 0.5 sampai 2 hektar. Dengan jumlah buah per panen yang relatif kecil, yaitu antara 100 – 200 kg biji kakao basah, maka sebaiknya pengolahan hasil panen dilakukan secara kelompok. Tahapan proses pengolahan hulu biji kakao dapat dilihat pada Gambar 1. Pengolahan dimulai dari panen, dilanjutkan dengan pengupasan buah yang dapat dilakukan secara manual dengan menggunakan golok, selain itu juga dapat menggunakan mesin yang meiliki kpasitas kerja lebih tinggi. Pengolahan dilanjutkan dengan fermentasi yang bertujuan untuk membentuk cita-rasa khas cokelat serta mengurangi rasa pahit dan sepat yang ada di dalam biji kakao. Proses selanjutnya berupa pengeringan yang bertujuan untuk menguapkan air yang masih tertinggal di dalam biji pasca fermentasi yang semula 50-55 % menjadi 7% agar biji kakao aman disimpan sebelum dipasarkan atau diangkut lanjut ke konsumen (Mulato 2005)
4 Mulai
Panen buah masak
Sortasi buah
Pengupasan
Fermentasi
Penjemuran
Sortasi
Penggudangan
Selesai
Gambar 1 Tahapan proses pengolahan hulu biji kakao (Mulato 2005) Pengolahan Hilir Biji Kakao Secara skematis tahapan proses konversi biji kakao menjadi produk setengah jadi (pasta, lemak dan bubuk cokelat) disajikan pada Gambar 2 dan terdiri atas beberapa bagian pokok, yaitu penyiapan bahan baku, penyangraian yang bertujuan untuk membentuk aroma dan cita rasa khas cokelat dari biji kakao dengan perlakuan panas dan menurunkan kadar air hingga 2.5-2.9 %, pengupasan kulit yang bertujuan untuk mendapatkan daging biji (nib) biji kakao, dan pemastaan yang bertujuan merubah biji kakao padat menjadi pasta dengan kehalusan butiran > 40 mμ dengan menggunakan mesin silinder.
5 Mulai
Penyangraian
Pengupasan kulit biji
Pemastaan
Selesai
Gambar 2 Tahapan proses pengolahan hilir biji kakao (Mulato 2005) Pengupasan Biji Kakao Komponen biji kakao yang berguna untuk bahan pangan adalah daging biji (nib), sedangkan kulit biji merupakan limbah yang saat ini banyak dimanfaatkan sebagai campuran pakan ternak, sebab adanya shell atau kulit yang terikat dalam produk kakao akan memberikan flavour inferior. Oleh karena itu kulit biji perlu dikupas sehingga terpisah antara kulit dengan nib kakao (Mulato 2005). Bagian dari biji kakao dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Bagian biji kakao (Mulato 2005) Kadar Kulit merupakan limbah bagi pembeli. Kadar kulit yang diinginkan pembeli adalah yang paling minim, akan tetapi cukup kuat untuk melindungi biji dari kondisi lingkungan yang kurang menguntungkan, serangan hama, maupun jamur. Kadar kulit terendah yaitu sekitar 11% dianggap cukup kuat (Wahyudi et al. 2008). Pengupasan akan menghasilkan fraksi nib dan fraksi kulit (Gambar 4) dengan ukuran dan sifat fisik yang berbeda secara bersamaan. Saat membentur silinder pengupas yang berputar, nib akan pecah dengan ukuran yang relatif besar dan seragam karena nib mempunyai sifat elastis (Mulato 2005)
6
(B)
(A)
Gambar 4 (A) Fraksi nib (B) Fraksi kulit biji kakao (Mulato 2005) Mesin Pengupas Biji Kakao Tujuan dari proses pengupasan adalah untuk memisahkan kulit biji (shell) serta kotoran dan untuk untuk mengupas biji kakao menjadi nutiran butiran atau nib. Biji kakao pasca sangrai memiliki sekitar 10-15% kadar kulit biji dan 1% kotoran. Pemisahan kulit biji dan kotoran dapat dilakukan secara terpisah atau bersamaan, tergantung dari pemilihan jenis tanaman (Nair dan Prabhakaran 2007). Mesin Pengupas Tipe Silinder Berputar Mesin pengupas biji kakao (desheller) (Gambar 5) ini akan menghasilkan fraksi nib dan fraksi kulit dengan ukuran dan sifat fisik yang berbeda secara bersamaan. Saat membentur silinder pengupas yang berputar, nib akan pecah dengan ukuran yang relatif besar dan seragam karena nib mempunyai sifat elastis. Sebaliknya, kulit biji karena sifatnya rapuh terpecah menjadi partikel-partikel yang halus dan mudah dipisahkan dari butiran nib dengan cara hisapan (pneumatik) (Mulato 2005).
Gambar 5 Mesin pengupas dan pemisah biji kakao pasca sangrai (desheller) Mesin Pengupas Tipe Piringan Mesin pengupas tipe piringan (Gambar 6) bekerja berdasarkan gesekan dua buah piringan. Jenis pembebanannya adalah beban tekan. Jika hanya satu permukaan saja yang bergerak, disebut tipe piringan tunggal, sedangkan jika kedua permukaannya bergerak dalam arah yang berlawanan disebut tipe piringan ganda (Potter 1971).
7 Bagian – bagian disc mill terdiri dari corong pemasukan, lubang pemasukan, screen filter, disc penggiling dinamis, corong pengeluaran, motor, pengunci, dan disc penggiling statis. Prinsip kerja disc mill adalah berdasarkan gaya robek dan gaya pukul. Bahan yang akan dihancurkan berada diantara dinding penutup dan cakram berputar. Bahan akan mengalami gaya gesek karena adanya lekukan– lekukan pada cakram dan dinding alat. Gaya pukul terbentuk karena ada logam– logam yang dipasang pada posisi yang bersesuaian (Sumariana 2008).
(A)
(B)
Gambar 6 Alat pengupas (A) tipe piringan tunggal (B) tipe piringan ganda Kontrol Sistem kendali atau sistem kontrol (control sistem) adalah suatu alat (kumpulan alat) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem. Dalam industri, sistem kontrol merupakan sebuah sistem yang meliputi pengontrolan variabel-variabel seperti temperatur (temperature), tekanan (pressure), aliran (flow), level, dan kecepatan (speed). Untuk mengimplentasikan teknik sistem kontrol (Sistem Control Engineering) dalam industri diperlukan banyak keahlian atau keilmuan seperti dibidang: teknologi mekanik (mechanical engineering), teknik elektrik (electrical engineering), elektronik (electronics) dan sistem pneumatik (pneumatic sistems) (Hordeski 1994). Penjatah Input Biji Kakao Menurut Owen dan Cleary (2009) screw conveyor secara luas digunakan untuk mengangkut atau mengangkat partikel pada tingkat yang terkendali dan stabil. Screw conveyor digunakan dalam berbagai aplikasi bahan industri mulai dari bahan mineral, komoditi pertanian (biji-bijian), obat-obatan, bahan kimia, pigmen, plastik, semen, pasir, garam dan pengolahan makanan. Screw conveyor juga digunakan sebagai metering device (mengatur laju aliran) dari tempat penyimpanan dan juga digunakan sebagai suatu sistem kontrol sederhana. Desain utama dari screw conveyor terdiri drari tiga bagian:
8 1. Pengumpan (hopper) 2. Rangka auger (screw housing) 3. screw yang berputar (auger) Ulir (Auger) Penjatah tipe ulir dibagi menjadi dua, yaitu penjatah tipe ulir rapat dan ulir longgar. Gambar 7 menunjukkan bentuk auger dengan tabung yang rapat dengan ulirnya dan ulir tersebut memiliki displacement yang cukup besar tiap putarannya.
Gambar 7 Penjatah tipe ulir rapat (Srivastava et al. 1996) Kapasitas volumetrik teoritis sebuah auger dinyatakan pada persamaan (1) (Srivastava et al. 1996) Q t=
π 4
(D2o - D2i ) lp n ............................................................................................ (1)
Dimana: = kapasitas volumetrik teoritis (m3/s) Qt Do = diameter luar auger (m) Di = diameter poros auger (m) lp = panjang pitch (m) n = kecepatan putar auger (rps) Srivastava et al. (1996) mengatakan bahwa kebutuhan daya untuk menggerakkan screw conveyor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2) dan (3). Persamaan tersebut dapat digunakan pada berbagai macam screw conveyor dengan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. P' = '
P⁄L (Qa )(ρb )(𝑔)
....................................................................................................... (2) Ip
0.14
P = 3.54{2πn(√ g )
(
Do -10.12 Ii 0.11 Ip
)
(I ) p
[f(θ)](μ2 )2.05 } ......................................... (3)
Dimana: P' = Daya Spesifik (W.s/kg-m) P/L = Daya yang dibutuhkan per satuan meter (W/m) ρb = Bulk densitas bahan (kg/m3 ) g = Gaya gravitasi (m/s2 ) Ii = Pitch intake (m) 𝜃 = Sudut auger μ2 = Koefisien gesek bahan f(θ) = Dapat dicari dengan persamaan (4): f(θ) = 6.94 (1.3-cos2 θ) ......................................................................................... (4)
9
METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan di Bengkel Daud Teknik Cibereum, dan Laboratorium Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor mulai dari bulan MeiAgustus 2014. Bahan Penelitian . Bahan yang digunakan untuk membuat auger adalah plat stainless steel yang aman digunakan untuk bahan pangan. Bahan pengujian yang akan digunakan adalah biji kakao jenis forastero (Gambar 8) sebanyak 40 kg yang telah di sangrai terlebih dahulu dengan menggunakan mesin sangrai biji kakao tipe silinder pada kisaran suhu 120-130 °C selama 25-30 menit sampai diperoleh tingkat kematangan yang relatif seragam yaitu pada kisaran kadar air 2.5-2.9 %. Biji kakao tersebut diperoleh dari Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia yang berlokasi di daerah Jember, Jawa Timur.
Gambar 8 Biji kakao utuh pasca sangrai Alat Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperangkat komputer untuk proses perancangan dan simulasi, Software Solidworks Premium 2010. Pembuatan alat ini juga dibantu dengan menggunakan beberapa peralatan guna mempermudah proses pengambilan data dan pabrikasi. Alat-alat yang digunakan yaitu: jangka sorong, penggaris, palu, kunci pas, obeng, dan peralatan bengkel lainnya. Sedangkan pada proses pengujian diperlukan beberapa alat untuk mengukur dan mencatat data yang dibutuhkan. Peralatan (Lampiran 1) dapat berupa stopwatch, timbangan digital, laptop, kamera. Alat yang akan dimodifikasi berupa mesin pengupas tipe piringan tunggal (Gambar 9) dengan spesifikasi: Nama : Echo Grinding Machine Model : EC-6 RPM : 980
10 Motor : Motor listrik/Bensin Motor listrik yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: Merk : Modern Tipe : JY2A-4 Jenis : Motor 1 phase Daya : 0.75 hp RPM : 1400
Gambar 9 Mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal Prosedur Penelitian Penelitian modifikasi mesin pengupas biji kakao mengikuti metode perancangan secara umum dan dilanjutkan sampai pada proses pabrikasi. Prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 10.
11 Mulai Data dan informasi penunjang
Identifikasi masalah dan penelitian pendahuluan Perumusan dan konsep desain auger Perancangan desain fungsional dan struktural Analisis teknik atau perhitungan perancangan desain mesin Gambar teknik
Pembuatan prototipe
Uji fungsional mesin
Modifikasi
Tidak
Berhasil Ya Uji kinerja mesin
Modifikasi
Tidak
Berhasil Ya Selesai
Gambar 10 Diagram alir prosedur penelitian Identifikasi Masalah dan Penelitian Pendahuluan Identifikasi masalah bertujuan untuk menemukan permasalahan dalam proses pengoperasian mesin pengupas biji kakao. Permasalahan tersebut sebagai bahan acuan untuk proses modifikasi dari mesin pengupas biji kakao. Identifikasi masalah juga meliputi pengambilan data awal atau penelitan pendahuluan berupa dimensi mesin pengupas biji kakao serta karakteristik fisik dari biji kakao.
12 Perumusan Konsep Desain Auger Perumusan konsep desain disesuaikan dengan data identifikasi mesin sebelum dimodifikasi. Hal ini bertujuan agar desain auger dapat diaplikasikan pada mesin dan dapat berjalan dengan semestinya. Perancangan Desain Fungsional dan Struktural Dalam perumusan ide suatu rancangan mesin, rancangan fungsional sangatlah penting untuk dipertimbangkan. Dalam perancangan kontrol sistem input kali ini, perlu diperhatikan fungsi penjatah yang nantinya akan menjatah berapa banyak biji kakao yamng jatuh pada ruang pengupas. Perancangan kontrol input pada mesin pengupas biji kakao ini perlu diperhatikan dalam aspek rancangan struktural. Bagaimana rancangan ini dapat bekerja dengan optimal maka perlu dipertimbangkan dalam pemilihan dimensi dan desain konstruksi mesin dan pemilihan bahan pembentuknya Analisis Teknik Proses analisis teknik bertujuan untuk memperoleh hasil rancangan yang tepat dan sesuai dengan kebutuhan pengoperasian mesin pengupas biji kakao. Kebutuhan tersebut dapat berupa perhitungan kapasitas kerja teoritis dari auger, serta kebutuhan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan auger. Gambar Teknik Konsep desain auger yang telah dikembangkan, akan divisualisasikan dalam bentuk gambar. Hal ini bertujuan untuk mempermudah kegiatan proses analisis desain serta pabrikasi. Pembuatan Prototipe Pabrikasi dilakukan untuk menghasilkan suatu prototipe auger. Prototipe merupakan bentuk jadi dari desain yang telah dikembangkan. Prototipe dibuat sesuai desain, dan harus siap uji. Uji Fungsional Mesin Uji fungsional mesin merupakan tahap dimana mesin yang telah dimodifikasi diuji. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk melihat apakah auger yang telah didesain mampu berjalan sesuai dengan keinginan atau tidak. Uji Kinerja Mesin Faktor utama dalam uji kinerja pada penelitian ini adalan perlakuan kecepatan putar pada piringan pengupas biji kakao. Putaran dari piringan juga disalurkan untuk menggerakkan auger dengan menggunakan transmisi langsung. Hasil dari perlakuan tersebut berupa kapasits kerja mesin serta efisiensi kinerja auger yang telah dibuat. Prosedur pengujian dapat dilihat pada Gambar 11.
13 Mulai
Persiapan sampel biji kakao pasca sangrai 1 kg sebanyak 27 sampel
Memasang penjatah
Sebelum modifikasi
waktu kerja, kapasitas kerja
Auger 1
Auger 2
Dilakukan dengan 3 rpm yang berbeda (600, 750, 900). Masing-masing rpm diberlakukan 3 kali ulangan
Sortasi
-Presentase biji tidak terkupas –Presentase biji tidak terkupas sempurna -Rendemen
Selesai
Gambar 11 Diagram alir prosedur uji kinerja mesin 1) Persiapan Uji Kinerja Persiapan uji kinerja berupa menimbang biji kakao seberat 1 kg dan memasukkannya ke dalam kantong plastik, hingga diperoleh 27 plastik. Menyiapkan stopwatch, pena, dan buku catatan untuk menghitung waktu serta
14 mencatat waktu kinerja dari mesin. Mengatur rpm mesin sesuai dengan yang diinginkan yaitu 600, 750, dan 900 rpm (Widyotomo et al. 2005). Pengaturan rpm dilakukan dengan cara mengganti pulley sesuai dengan ukuran. Auger yang telah didesain, dipasang sesuai pada tempatnya dan dipastikan terpasang dengan kuat. 2) Pelaksanaan Uji Kinerja Uji kinerja dilakukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan mesin pengupas biji kakao yang telah dipasangi auger untuk mengupas 1 kg biji kakao. Setiap desain auger diberi perlakuan sebanyak 3 rpm yang berbeda yaitu 600, 750, dan 900, hal ini bertujuan untuk mengetahui kapasitas kerja serta efisiensi auger pada tiap-tiap rpm. Pengujian tiap rpm dilakukan sebanyak tiga kali ulangan. Waktu yang telah diukur kemudian diolah meggunakan persamaan (5) sehingga dapat diperoleh nilai kapasitas kerja mesin. Sa =
w t
X 3600 ................................................................................................. (5)
Sa = Kapasitas kerja mesin (kg/jam) w = Berat kakao yang diumpankan (kg) t = Waktu pengoperasian (detik) Nilai dari kapasitas kerja mesin, dibandingkan dengan kapasitas kerja teoritis auger dengan menggunakan persamaan (6) sehingga diperoleh efisiensi dari auger (Ibrahim et al. 2008). S
μ = Sa X 100% ................................................................................................. (6) t
µ = Efisiensi auger (%) Sa = Kapasitas kerja aktual (kg/detik) St = Kapasitas kerja teoritis (kg/detik) 3) Sortasi Faktor lain yang dilihat juga meliputi hasil dari pengupasan biji kakao, antara lain presentase biji yang terkupas, presentase biji tidak terkupas, serta presentase biji tidak terkupas sempurna. Presentase biji yang tidak terkupas maupun tidak terkupas sempurna dapat dihitung dengan persamaan (7). w
t Wt = 1000 X 100% ........................................................................................... (7)
wt = Berat biji yang tidak terkupas dan tidak terkupas sempurna (gram) Wt = Presentase biji yang tidak terkupas dan tidak terkupas sempurna (%)
15
HASIL DAN PEMBAHASAN Identifikasi Masalah dan Penelitian Pendahuluan Proses pengupasan biji kakao menggunakan mesin pengupas (desheller) biji kakao. Mesin pengupas biji kakao dapat berupa tipe silinder berputar maupun tipe disc mill atau piringan. Kedua mesin tersebut memiliki fungsi yang sama yaitu menghasilkan nib kakao dari biji kakao pasca sangrai. Kesamaan lainnya terdapat pada cara pengoperasian dari kedua mesin tersebut. Pengoperasian mesin pengupas biji kakao, dilakukan dengan cara membuka dan menutup pintu hopper. Pintu hopper juga berfungsi sebagai pengontrol input biji kakao yang masuk ke dalam ruang pengupas. Operator mesin pengupas biji kakao dituntut agar berhati-hati saat mengoperasikan pintu hopper agar biji kakao yang masuk tidak terlalu banyak karena dapat menyumbat saluran pemasukan pada ruang pengupas. Apabila operator terlalu berhati-hati dan membuka pintu hopper tidak terlalu lebar, maka biji kakao yang masuk ruang pengupas akan sedikit, dan hal ini dapat mengurangi kapasitas kerja dari mesin tersebut. Tingkat pengoperasian yang membutuhkan konsentrasi yang tinggi tentunya dapat diatasi dengan cara mengembangkan suatu kontrol input sederhana yang dapat menjatah berapa banyak biji kakao yang masuk ke dalam ruang pengupas. Penjatah tersebut dapat berupa auger (screw conveyor). Pengembangan desain auger untuk mesin pengupas biji kakao memerlukan beberapa data penunjang sebagai materi awal untuk mendesain auger. Data penunjang berupa karakteristik fisik biji kakao, kebutuhan daya mesin, serta penentuan jarak antar piringan pengupas. Data tersebut diperoleh melalui penelitian pendahuluan yang dilakukan dengan cara studi pustaka maupun pengamatan secara langsung. Karakteristik Fisik Biji Kakao Pengamatan karakteristik fisik biji kakao terfokus pada tiga hal, diantaranya adalah dimensi dan ukuran biji kakao, densitas biji kakao, serta koefisien gesek biji kakao. 1) Dimensi dan Ukuran Biji Kakao Penentuan dimensi biji kakao dilakukan dengan cara mengukur sepuluh biji yang dipilih secara acak dari sepuluh sampel, pada tiap sampel berisi 100 biji kakao pasca sangrai. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan jangka sorong dengan tingkat ketelitian 0.01 mm. Pengukuran mengacu pada metode Bart-Plange dan Baryeh (2003) (Gambar 12).
16 Mulai
Persiapan bahan baku
Pemilihan 10 sampel 100 gram biji kakao
Pemilihan secara acak 10 biji kakao dari masing-masing sampel sampel
Pengukuran dengan jangka sorong
Selesai
Gambar 12 Diagram alir prosedur pengukuran dimensi biji kakao (Bart-Plang dan Baryeh 2003) Pada umumnya bagian bagian biji kakao yang diukur terbagi menjadi tiga bagian. Gambar 13 menunjukkan bagian-bagian dari biji kakao yang diukur.
Gambar 13 Bentuk dan dimensi biji kakao Data yang diperoleh dari pengukuran tersebut (Lampiran 2) adalah lebar (L), ketebalan (T), dan panjang (P). Data dapat dilihat pada Tabel 2.
17 Tabel 2 Dimensi biji kakao hasil pengukuran Dimensi Rata-rata 95 5
Lebar (cm) 2.44 2.71 2.08
Ketebalan (cm) 0.89 1.14 0.63
Panjang (cm) 1.34 1.53 1.19
2) Densitas Biji Kakao Penentuan densitas biji kakao dilakukan dengan cara mengukur berat biji kakao per 940 ml. Biji kakao dimasukkan ke dalam gelas ukur hingga mencapai 940 ml, permukaan biji diusahakan agar merata, kemudian berat biji ditimbang. Metode ini mengacu pada metode pengukuran Bart-Plange dan Baryeh (2003) (Gambar 14). Hasil dari pengukuran diperoleh densitas biji kakao sebesar 528.72 kg/m3 (Lampiran 3). Mulai
Persiapan bahan baku Menyiapkan gelas ukur 1 liter
Memasukkan biji kakao ke dalam gelas ukur hingga penuh 940 liter
Mengukur berat biji kakao
Menghitung densitas biji
Selesai
Gambar 14 Diagram alir prosedur pengukuran densitas biji kakao (Bart-Plang dan Baryeh 2003) 3) Koefisien Gesek Biji Kakao Penentuan koefisien gesek dilakukan melalui studi pustaka. Menurut BartPlange dan Baryeh (2003), variasi koefisen gesek biji kakao dengan tiga material berbeda (Plywood, baja, dan karet), koefisien gesek meningkat secara linier terhadap kadar air. Persamaan (8)(9)(10) digunakan untuk menentukan koefisien gesek biji kakao.
18 µplywood = 0.0117 M+0.4598
R2 = 0.99 .................................................... (8)
= 0.0132 M+0.3773
R2 = 0.96 .................................................... (9)
= 0.0041 M+0.1841
R2 = 0.94 .................................................. (10)
µbaja
µkaret
Dimana: µ𝑝𝑙𝑦𝑤𝑜𝑜𝑑 = Koefisien gesek biji kakao terhadap plywood µ𝑏𝑎𝑗𝑎 = Koefisien gesek biji kakao terhadap baja µ𝑘𝑎𝑟𝑒𝑡 = Koefisien gesek biji kakao terhadap karet M = Kadar air biji kakao (%) Koefisen gesek yang dicari adalah koefisien gesek biji kakao dengan baja (steel). Koefisien gesek dapat dicari dengan persamaan (9). Koefisien gesek dengan kadar air 2.7% sebesar 0.41 (Lampiran 3). 4) Daya Pengupasan Kulit Biji Selain menghitung dimensi, densitas, serta koefisien gesek biji kakao, juga perlu menghitung daya untuk mengupas biji kakao (Lampiran 4). Diket: F (UTM) = 0.22(kgf/cm2 ) A = 2.44 (cm2 ) V = 10 mm/menit = 0.000167 m/s (kecepatan maju UTM) Jawab : F = (0.22)(2.44) = 0.54 kgf 0.54 kgf = (0.54) (9.807) = 5.33 N 6.57 N = (5.33) (0.000167) = 0.0089 watt = 0.0000011904 hp Daya yang dibutuhkan untuk mengupas satu biji kakao sebesar 0.0089 watt atau setara dengan 0.0000011904 hp. Kebutuhan Daya Mesin Kebutuhan daya dihtung guna untuk mengetahui berapa daya motor yang digunakan untuk menggerakkan mesin. Daya yang diperoleh digunakan sebagai acuan apakah motor memiliki daya dukung jika dimanfaatkan untuk dua jenis kerja yaitu pengupasan dan meggerakkan auger. Perhitungan daya motor menggunakan persamaan (11)(12) dan (13). P = T ω ............................................................................................................... (11) ω=
n 2π 60
............................................................................................................... (12)
T = m g r ............................................................................................................ (13) Dimana: P = Daya (watt) ω = Kecepatan sudut (rad/s)
19 T = Torsi (N.m) n = Kecepatan putar piringan (rpm) m = Massa piringan (kg) = Grafitasi (m⁄s2 ) g r = Jari – jari piringan (m) Diketahui kondisi mesin pengupas biji kakao sebelum modifikasi n = 900 m = 1.23 kg r = 0.075 m Eff = 0.98 (penyaluran daya pulley) Diasumsikan penyaluran daya dari pulley menuju piringan 100%. Maka: Menghitung kecepatan sudut piringan dengan persamaan (12): ω
=
(900) (2) (3.14) 60
= 94.2 rad/s Menghitung torsi piringan dengan persamaan (13): T
= (1.23)(9.81)(0.075)
T
= 0.9 N.m
Menghitung daya untuk memutar piringan dengan persamaan (11): P
= (0.9) (94.2) = 85.25 Watt
Menghitung daya motor dengan persamaan (14): D2 D1
P
= P1 .................................................................................................................. (14) 2
Dimana: P1 = Daya pada motor (watt) P2 = Daya pada piringan (watt) D1 = Diameter pulley motor (m) D2 = Diameter pulley poros piringan (m) Diketahui: D1 = 2 inch = 5.08 cm D2 =11.5 cm Maka: (85.25)(11.5)
P1
=
P1
= 128.66 watt = 0.13 kw
P
= (0.13) (0.98)
P
= 0.13 kw = 0.16 hp
(5.08)
Jika diasumsikan ada 300 biji kakao yang masuk, maka daya yang dibutuhkan untuk mengupasnya sebesar: F = (0.0000011904)(300)
20 = 0.0004 hp Kebutuhan daya untuk memutar mesin dengan diameter pulley pada mesin 2; 2.5; 3 inch dengan efisiensi penyaluran daya putar sebesar 0.98%; 99%; dan 97% berturut-turut sebesar 128.64; 128.65; 128.66 watt atau 0.1714; 0.1734; dan 0.1744 hp. Maka sesuai dengan spesifikasi dari mesin, digunakan motor listrik dengan daya 0.75 hp. Penentuan Jarak Antar Piringan Penentuan jarak antar piringan mengacu pada hasil dari pengukuran dimensi dari biji kakao. Jarak antar piringan disesuaikan dengan ukuran dimensi terkecil dari biji kakao. Hal ini berarti jarak antar piringan mengacu pada ukuran persentil 5 dari ukuran ketebalan (T) biji kakao, yaitu sebesar 0.62 cm. Perbedaan antara mesin piringan tunggal untuk mengupas biji kakao dengan mesin penggiling gabah (husker) terdapat pada bahan dasar penggiling serta posisi dari piringan atau rol. Bahan material penggiling gabah terbuat dari karet. Bahan dasar karet dipilih agar kerusakan (pecah atau patah) yang terjadi pada gabah ketika digiling dapat diminimalkan. Mesin penggiling memecah sekam dengan dua buah rol karet yang dipasang berdekatan (Gambar 15). Kedua rol karet diputar dengan kecepatan yang berbeda dan arah yang berlawanan. Rol yang berputar dengan kecepatan tinggi (1050 rpm) dinamai rol utama sedangkan yang lainnya dinamai rol pembantu dengan kecepatan lebih rendah yaitu 800 rpm. (Patiwiri 2006).
Gambar 15 Mekanisme pengupasan kulit dengan rol karet (Patiwiri 2006) Penjatah Sebelum Modifikasi Mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal sebelum modifikasi, memiliki penjatah berupa pintu hopper dan plat pengait (Gambar 16). Pintu hopper digunakan untuk mengontrol berapa banyak biji yang masuk ke dalam saluran pemasukan biji kakao. Biji yang masuk ke dalam saluran pemasukan, kemudian ditarik oleh plat pengait. Plat pengait berupa dua buah plat besi yang di las pada mur, kemudian dipasang pada poros penggerak piringan.
Gambar 16 Plat pengait biji kakao sebelum modifikasi
21 Uji Kinerja Mesin Sebelum Modifikasi Pengujian mesin sebelum modifikasi dilakukan untuk mengetahui kapasitas kerja mesin sebelum modifikasi. Pengujian dilakukan dengan menggunakan tiga rpm yang berbeda (600; 750; 900), dan setiap rpm diberlakukan tiga kali ulangan. Parameter yang dilihat adalah biji tidak terkupas dan biji tidak terkupas sempurna. Hasil pengujian ini digunakan untuk merumuskan konsep desain auger yang akan dibuat. Hasil dari pengujian dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 Kapasitas kerja mesin sebelum dimodifikasi RPM 600 750 900
Kapasitas Kerja (kg/jam) 94.55 111.55 115.94
Biji tidak terkupas (%) 2.16 1.98 1.95
Biji tidak terkupas sempurna (%) 1.67 1.33 1.17
Perumusan Konsep Desain Auger Diameter dalam dan luar auger dirancang agar memiliki kapasitas kerja teoritis yang lebih besar dari kapasitas kerja mesin sebelum modifikasi. Penentuan diameter dalam dan luar auger disesuaikan dengan dimensi dari mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal. Dimensi yang dijadikan acuan adalah dimensi dari saluran pemasukan biji kakao dan poros penggerak piringan yang dijadikan sebagai screw housing dan transmisi untuk menggerakkan auger. Diameter luar auger dirancang lebih kecil dari diameter screw housing, hal ini bertujuan agar tidak terjadi gesekan ketika auger sedang berputar. Jarak pitch auger didesain agar setidaknya ada satu biji yang masuk ke dalam auger ketika biji jatuh dari hopper. Oleh karena itu dibutuhkan dimensi biji kakao yang telah diukur sebagai bahan pertimbangan. Perancangan Desain Fungsional dan Struktural Auger Rancangan Fungsional Setiap alat atau mesin yang dibuat, pasti memiliki bagian-bagian penting dimana jika bagian tersebut tidak ada, maka alat atau mesin tersebut tidak akan bekerja sesuai keinginan. Oleh karena itu diperlukan analisis fungsional yang bertujuan untuk mengetahui komponen-komponen dari alat atau mesin apa sajakah yang perlu dibuat. Komponen-komponen tersebut disajikan pada Tabel 4.
22 Tabel 4 Komponen utama perancangan auger No 1
Nama bagian Auger
2
Motor penggerak
3
Penyaluran daya
4
Pengencang auger
5
Hopper
6
Screw housing
Fungsi Berfungsi untuk mengangkut biji kakao dari hopper menuju ke ruang pengupasan Menggerakkan auger, motor penggerak harus memiliki daya yang cukup untuk menggerakkan auger. Sistem transmisi berguna untuk menyalurkan daya dari motor menuju auger. Sistem transmisi harus dirancang agar auger tidak slip ataupun lepas Berfungsi untuk merekatkan auger dengan poros penggerak agar auger tidak lepas dan terlempar saat bekerja Penampung biji kakao yang akan diumpankan ke dalam ruang pengupas Rangka tempat untuk menampung auger
Rancangan Struktural 1) Motor penggerak Motor yang digunakan adalah motor yang juga menggerakkan piringan pemutar. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan piringan dan untuk mengupas sebesar 0.169 hp. Motor dengan daya 0.5 hp dinilai cukup untuk menggerakkan mesin, akan tetapi dikarenakan motor juga akan digunakan untuk menggerakkan auger, maka untuk faktor keamanan agar tidak terjadi slip atau macet saat pengoperasian, dipilih motor dengan tenaga 0.75 hp dengan 1400 rpm. 2) Penyaluran daya Sistem transmisi yang digunakan untuk menggerakkan piringan adalah transmisi pulley dan sabuk. Pulley pada mesin pengupas sudah tidak dapat dirubah ukurannya. Ukuran pulley pada mesin pengupas memiliki diameter 11.5 cm, sehingga untuk membuat variasi kecepatan putar piringan, ukuran pulley pada motor harus disesuaikan. Penggunaan pulley dalam setiap rpm dapat dilihat pada Tabel 5. Kecepatan putar yang dihasilkan kurang sesuai dengan yang diinginkan. Hal ini dikarenakan pemilihan ukuran pulley disesuaikan dengan pulley yang tersedia di pasaran (Lampiran 5). Perhitungan pemilihan ukuran pulley mengggunakan persamaan (15) (Sularso et al. 1978). n1 n2
=
Dp dp
........................................................................................................... (15)
Dimana: n1 = Putaran pulley penggerak (rpm) n2 = Putaran pulley yang digerakkan (rpm) Dp = Diameter pulley yang digerakkan (cm) dp = Diameter pulley penggerak (cm)
23 Tabel 5 Ukuran pulley yang digunakan pada setiap rpm rpm 600 750 900
Diameter ukuran pulley (inch) 2.00 2.50 3.00
Kecepatan putar teoritis (rpm) 618.43 763.04 927.65
Kecepatan putar motor listrik 1400 rpm
Sistem transmisi yang digunakan untuk memutar auger adalah sistem transmisi langsung dengan poros penggerak piringan. Poros pemutar piringan berfungsi juga sebagai pemutar auger. Oleh karena itu, kecepatan putar auger sama dengan kecepatan putar dari piringan pengupas. 3) Pengencang auger Mekanisme pengencangan dibuat dengan cara membuat ulir dalam pada poros auger dan menyesuaikannya ulir luar pada poros yang sudah ada. Mekanisme pengencangan ulir dipilih karena memiliki kemudahan dalam proses bongkar pasang. Lubang ulir memiliki diameter 1.7 cm dan kedalaman 1.5 cm. 4) Hopper Hopper yang digunakan adalah bak plastik dengan volume 4939.22 cm3 . Ukuran tersebut mampu menampung sebanyak 2.86 kg biji kakao (Lampiran 5). 5) Screw housing Screw housing yang digunakan merupakan saluran pemasukan biji kakao yang sudah ada. Dimensi dari screw housing memiliki panjang 7 cm, dan diameter 6 cm. Pada jarak 4.5 cm dari bagian dalam screw housing, terjadi penyempitan sebesar 1 cm, sehingga diameter menyempit menjadi 5 cm (Gambar 17). Ukuran auger disesuaikan dengan dimensi tersebut.
Gambar 17 Diagram skematik penyempitan diameter screw housing 6) Auger Bagian utama dari auger adalah desain diameter dalam dan luar auger, jarak antar pitch, serta bahan pembuat auger. Perancangan diameter dalam dan luar dan jarak antar pitch disesuaikan dengan dimensi screw housing dan dimensi dari biji kakao, selain itu harus dibuat dengan bahan yang aman. Bahan yang dipilih adalah stainless steel. Stainless steel dipilih karena bahan mudah dibentuk serta tahan karat. Selain itu stainless steel juga aman terhadap bahan pangan.
24 Berdasarkan hasil dari pengukuran dimensi screw housing dan poros penggerak, diperoleh desain auger dengan ukuran seperti pada Tabel 6. Auger dengan dimensi tersebut, diperkirakan tidak akan terjadi gesekan antara diameter luar auger dengan screw housing pada waktu pengoperasian. Selain itu, lebar pitch juga diperkirakan mampu paling tidak ada satu biji kakao atau lebih yang terbawa oleh auger. Tabel 6 Dimensi rencana desain auger Auger 1 2
Do (cm) 3.5 3.5
Di (cm) 2 2
Pitch (cm) 1.5 2
Keterangan: (Do) Diameter luar, (Di) Diameter dalam
Dimensi diameter luar dan pitch auger digunakan untuk menentukan sudut kemiringan dari ulir auger. Sudut kemiringan dihitung dengan menggunakan persamaan (16).
Do α Ip Do
α = arc tan Pitch ............................................................................................... (16) Dimana: Do = Diameter luar (cm) Ip = Jarak antar pitch (cm) α = Sudut kemiringan ulir Maka untuk auger desain 1 sudut kemiringan ulir sebesar: 3.5 α = arc tan 1.5 = 66.8° Sedangkan untuk auger desain 2 sebesar: 3.5 α = arc tan 2 = 60.26°
Analisis Teknik Analisis teknik dilakukan guna untuk mengetahui kemampuan kerja teoritis dari auger. Analisis yang dilakukan berupa perhitingan kapasitas kerja teoritis dari setiap desain pada tingkat rpm yang berbeda serta kebutuhan daya untuk memutar auger. Perhitungan Kapasitas Kerja Teoritis Berdasarkan persamaan (1), dapat diketahui kapasitas kerja teoritis dari sebuah auger.
25 1) Auger desain 1 Diket: Do = 3.5 cm = 0.035 m Di = 2 cm = 0.002 m I = 1.5 cm = 0.015 m n = 618.43; 763.04; 927.65 rpm = 10.3; 12.71; 15.46 rps Maka, masukkan ke persamaan (1): 3.14 )(0.0352 -0.022 )(0.015)(10.3) 4 Qt = 0.0001 m3 /s
Qt = (
Debit output pada rpm 600; 750; 900 berturut-turut 0.0001; 0.000124; 0.00015 m3 /s Kapasitas kerja teoritis, dihitung berdasarkan pesamaan (17) S
= Qt ρb ................................................................................................... (17)
Dimana: S = Kapasitas Kerja (kg/jam) Qt = Debit auger (m3 /s) ρb = Bulk density (kg/m3 ) Maka kapasitas kerja teoritis dari auger sebesar: S = (0.0001)(528.72) S = 190.58 kg/jam Kapasitas kerja teoritis pada rpm 618.43; 763.04; 927.65 berturut-turut sebesar 190.58; 235.17; 285.87 kg/jam. 2) Auger desain 2 Perbedaan dari auger desain 1 dan 2 ada pada panjang pitch (I), sehingga debit output dihitung dengan persamaan (1) sebesar: 3.14 )(0.0352 -0.022 )(0.02)(10.3) 4 = 0.00013 m3 /s
Qt = ( Qt
Debit output pada rpm 618.43; 763.04; 927.65 berturut-turut 0.00013; 0.00017; 0.0002 m3 /s Sedangkan untuk kapasitas kerja teoritis dihitung berdasarkan persamaan (9) sebesar: S S
= (0.00013)(528.72) = 254.11 kg/jam
Kapasitas kerja teoritis pada rpm 618.43; 763.04; 927.65 berturut-turut sebesar 254.11; 313.53; 381.17 kg/jam. Analisis Daya Pengangkutan Perhitungan kebutuhan daya untuk mengangkut biji kakao mengikuti persamaan (2) dan (3). Persamaan tersebut akan menunjukkan berapa besar daya yang dibutuhkan untuk mengangkut biji kakao (P). Diketahui auger desain 1 dengan kecepatan putar 618.43 rpm memiliki:
26 S = 208.91 kg/jam Qt = 0.0001 m3 /s Lc = 0.045 m Dimana: P' = Daya Spesifik (W.s/kg-m) P/L = Daya yang dibutuhkan per satuan meter (W/m) L = 0.045 m ρb = 528.72 (kg/m3 ) g = 9.81 (m/s2 ) Ip = 0.015 (m) = 0.015 (m) Ii 𝜃 =0 n = 618.43 rpm= 10.3 rps μ2 = 0.413 f(θ) = 6.94 (1.3-cos2 θ) = 2.08 Maka dengan persamaan (3) diperoleh: 0.14
0.015 P = 3.54{2(3.14)(10.3)(√ ) 9.81 '
0.035 -10.12 0.015 0.11 ( ) ( ) (2.08)(0.413)2.05 } 0.015 0.015
P' = 0.00258 W.s/kg-m Subtitusikan ke persamaan (2) P/ P/L P
= (0.00258)(0.0001)(528.72)(9.81) = 0.0015 watt/m (0.0045 m) = 0.00006 watt
Jadi, kebutuhan daya untuk memutar auger desain 1 dan 2 pada rpm 618.43; 763.04; 927.65 berturut-turut sebesar 0.00006; 0.000077; 0.000095 watt dan 0.0013; 0.0017; 0.0021 watt.Sehingga motor dengan daya 0.75 hp sesuai spesifikasi mesin, dinilai cukup untuk menggerakkan auger serta proses pengupasan. Gambar Teknik Proses gambar teknik dilakukan dengan menggunakan software Solids Work. Gambar teknik dilakukan agar proses simulasi dan pabrikasi berjalan lebih mudah. Proses gambar teknik harus memperhatikan dimensi dan skala dari mesin. Hasil dari gambar teknik dapat dilihat pada Gambar 18 dan Lampiran 11.
27
(A)
(B)
Gambar 18 Gambar teknik auger (A) desain 1 (B) desain 2 Pembuatan Prototipe Pembuatan prototipe dilakukan di bengkel Daud Teknik, Cibereum. Prototipe dibuat dengan menggunakan bahan stainless steel. Pembuatan prototipe dikerjakan dalam waktu satu minggu. Alat-alat yang digunakan untuk membuat prototipe diantaranya adalah las listrik, gerinda potong dan halus, serta jangka sorong. Gambar dari prototipe hasil pabrikasi dapat dilihat pada Gambar 19.
(A)
(B)
Gambar 19 Prototipe auger (A) desain 1 (B) desain 2 Uji Fungsional Mesin Pengujian fungsional dilakukan di bengkel Daud Teknik dengan menggunakan biji kakao pasca sangrai sebanyak 9 kg. Pengujian bertujuan untuk mengetahui kemampuan kinerja auger jika diaplikasikan pada mesin pengupas biji kakao tipe piringan tunggal. Hal-hal yang diamati meliputi kemampuan auger untuk membawa biji kakao, serta kemampuan piringan untuk mengupas biji kakao. Motor Penggerak Motor Penggerak mampu bekerja dengan baik dengan tidak terjadinya slip dan korslet. Kecepatan putar yang dikeluarkan oleh motor sesuai dengan spesifikasinya yaitu 1400 rpm.
28 Penyaluran daya putar Sabuk pulley digunakan untuk menyalurkan putaran dari motor ke poros pemutar piringan dan auger. Kecepatan putar piringan diukur dengan menggunakan tachometer untuk mengetahui apakah sistem transmisi berjalan dengan baik atau tidak. Hasil dari pengukuran dapat dilihat pada Tabel 7. Efisiensi dari penyaluran daya putar keseluruhan diatas 90 %, hal ini menunjukkan bahwa penyaluran daya berlangsung dengan baik. Tabel 7 Efisiensi penyaluran putaran dari motor ke poros penggerak rpm teoritis 618.43 763.04 927.65
rpm aktual 606.40 758.50 902.10
Efisiensi (%) 98.05 99.41 97.25
Pengencang Auger Ulir yang dibuat pada auger mampu membuat auger terpasang dengan kuat pada poros. Hal ini dibuktikan ketika mesin dinyalakan dan auger terputar, auger tetap terpasang dengan kuat dan tidak terlepas. Hopper Hopper mampu menampung biji kakao dengan baik. Lubang saluran hopper menuju screw housing juga berfungsi sebagaimana mestinya. Tidak terjadi penyumbatan pada lubang, dan biji kakao masuk menuju screw housing dengan lancar. Screw Housing Screw housing berfungsi sebagai rangka untuk menempatkan auger serta tempat saluran untuk membawa aliran biji kakao. Pada saat pengoperasian auger, tidak terjadi gesekan antara auger dengan screw housing. Tidak adanya gesekan membuat kecepatan putar auger tidak berkurang. Auger Pengujian diberlakukan pada kedua desain auger serta pada penjatah yang belum dimodifikasi. Pengujian awal dilakukan dengan menggukanan rpm 600, kemudian dilanjutkan dengan menggunakan rpm 750 dan terakhir 900. Masingmasing rpm diberi perlakuan sebanyak satu kali ulangan dengan tiap ulangan sebanyak 1 kg biji kakao pasca sangrai. Pada pengujian auger desain pertama dan kedua, biji kakao dapat terbawa dengan lancar ke dalam ruang pengupas. Sedangkan pada penggunaan penjatah yang belum dimodifikasi, terdapat sedikit kendala. Kendala terjadi ketika pintu hopper terbuka penuh, biji kakao tersangkut dan tidak dapat memasuki ruang pengupas. Hal ini dapat diatasi dengan cara membuka dan menutup pintu hopper secara perlahan. Piringan Pengupas Piringan pengupas mampu mengupas biji kakao dengan baik. Pengupasan dilakukan dengan mengatur jarak antar piringan sebesar 0.62 cm. Biji kakao hasil pengupasan memiliki beberapa ragam hasil pengupasan, sebagian besar biji terpecah menjadi kepingan, tetapi ada juga yang utuh tidak terpecah.
29 Proses pengupasan juga memiliki kekurangan. Dimana terdapat pecahan biji kakao yang tersangkut pada ruang diantara piringan yang berputar dengan dinding ruang pengupasan. Ketika proses pengupasan selesai, operator harus membersihkan dinding ruang pengupas dari serpihan kulit biji kakao. Uji Kinerja Mesin Pengujian mesin dilakukan sesuai dengan metodologi. Hasil awal yang diperoleh dari pengujian berupa waktu kinerja mesin untuk mengupas kakao, serta bobot biji kakao yang sudah terpecah (nib). Kapasitas Kerja Mesin Kapasitas kerja mesin setelah dimodifikasi mengalami peningkatan yang signifikan (Gambar 20). Hal ini dikarenakan dengan adanya auger pada mesin pengupas biji kakao, proses masuknya biji kakao ke dalam ruang pengupas menjadi lancar dan tidak tersumbat. Kapasitas kerja dari mesin juga dapat terkontrol dengan baik dikarenakan kapasitas kerja mesin mengikuti kapasitas pengangkutan dari auger, sehingga kapasitas kerja mesin dapat terkontrol tergantung dari desain auger yang dibuat. Menurut Owen dan Cleary (2009) hal ini karena auger juga termasuk sebagai pengangkut yang dapat dikategorikan sebagai sistem kontrol sederhana. 400.00
y = 0.3184x + 50.885
Kapasitas kerja (kg/jam)
350.00 300.00
y = 0.2493x + 39.024
250.00 200.00 y = 0.0713x + 53.879
150.00 100.00 50.00 0.00
500
600
700
800
900
1000
rpm
Gambar 20 Peningkatan kapasitas kerja terhadap rpm. Auger 1 (R² = 0.9984), 0.8963), 0.9891).
Normal (R²= Auger 2 (R² =
Kapasitas kerja mesin yang telah dimodifikasi dengan menambahkan auger semakin meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan putar mesin atau rpm. Gambar 20 menunjukkan adanya hubungan antara kapasitas kerja auger dengan tingkat kenaikan rpm serta volume dari auger. Terlihat jika semakin tinggi rpm dan volume auger, maka semakin tinggi kapasitas kerja auger. Kapasitas kerja Auger 1 pada RPM 600; 750; dan 900 sebesar 187.73; 227.75; dan 269.06 kg/jam, sedangkan untuk Auger 2 berturut-turut sebesar 254.10; 313.53; dan 381.17 kg/jam
30 (Lampiran 6). Menurut Ibrahin et al. (2009). Hal ini disebabkan dengan meningkatkan kecepatan poros auger, volume auger dapat mendorong lebih banyak bahan sehingga membuat kapasitas kerja auger bertambah. Efisiensi Auger Efisiensi auger merupakan perbandingan antara kapasitas aktual dengan kapasitas teoritis. Data kapasitas kerja yang telah diambil, diolah dengan menggunakan persamaan (3) sehingga diperoleh nilai efisiensi auger. Gambar 21 menunjukkan adanya penurunan nilai efisiensi auger seiring dengan bertambahnya rpm. Nilai efisiensi dari auger 1 pada rpm 600; 750; dan 900 sebesar 98.50%; 96.85%; dan 94.12%, sedangkan untuk auger 2 berturut-turut sebesar 96.36%; 90.55%; dan 89.30% (Lampiran 6). Hal ini dikarenakan adanya gaya sentrifugal yang membatasi aliran bahan (Ibrahim et al. 2009). Gaya sentrifugal membuat biji kakao yang dialirkan, menjauhi poros auger dan bergerak menuju sisi luar dari auger. Menurut Fernadez et al. (2011) efisiensi auger menurun juga dapat dikarenakan jarak antara diameter luar auger dengan screw housing (clearance distance) yang terlalu lebar, sehingga biji kakao yang bergerak menuju sisi luar auger akan terselip di dalammya dan tidak terbawa oleh auger. Penurunan efisiensi juga terjadi dikarenakan ruang pengupas terlalu penuh oleh biji kakao, yang mengakibatkan dorongan pada aliran biji kakao, sehingga aliran output kakao menjadi terhambat dan menurunkan efisiensi kerja dari auger 100.00
Efisiensi (%)
98.00 96.00 y = -0.0222x + 112.41
94.00 92.00
y = -0.0235x + 109.72
90.00 88.00
500
600
700
800
900
1000
rpm
Gambar 21 Efisiensi auger pada tingkat RPM yang berbeda. (R² = 0.9215), Auger 2 (R² = 0.8785).
Auger 1
Kualitas Hasil Pengupasan Tolak ukur dari sebuah mesin pengupas pada dasarnya adalah dengan membandingkan presentase dari biji yang tidak terkupas dan biji yang tidak terkupas sempurna (Lampiran 10). Tahap awal untuk mendapatkan presentase tersebut dilakukan dengan cara penyortiran. Hasil dari penyortiran kemudian diolah dengan menggunakan persamaan (7). Gambar 22 dan 23 menunjukkan presentase biji tidak terkupas dan biji tidak terkupas sempurna pada setiap rpm.
31 5
Presentase (%)
4
y = -0.0067x + 8.2994 y = -0.0037x + 5.54
3 y = -0.0007x + 2.5622 2 1 0
500
600
700
800
900
1000
rpm
Gambar 22 Presentase biji kakao tidak terkupas pada rpm yang berbeda. Normal (R² = 0.8443), Auger 1 (R² = 0.8278), Auger 2 (R² = 0.886). 3.00
y = -0.0032x + 4.4301
Presentase (%)
2.50 2.00 1.50
y = -0.0021x + 3.4064 y = -0.0017x + 2.6531
1.00 0.50 0.00
500
600
700
800
900
1000
rpm
Gambar 23 Presentase biji kakao tidak terkupas sempurna pada rpm yang berbeda. Normal (R² = 0.9623), Auger 1 (R² = 0.9804), Auger 2 (R² = 0.8979). Gambar 22 dan 23 menunjukkan jika semakin banyak biji kakao yang masuk pada ruang pengupas, maka semakin tinggi presentase biji yang tidak terkupas maupun tidak terkupas sempurna (Lampiran 7 dan 8). Menurut Brennan et al. (1990), laju pemasukan yang berlebihan akan memperkecil keefektifan dari alat dan akan menyebabkan panas yang berlebihan. Hal ini dikarenakan ruang pengupasan terlalu penuh dengan biji kakao, sehingga terdapat beberapa biji yang tidak terkupas. Selain itu, Gambar 22 dan 23 juga menunjukkan semakin tinggi putaran piringan pengupas, maka presentase biji yang tidak terkupas maupun tidak terkupas sempurna juga semakin turun. Hal ini dikarenakan semakin tinggi putaran rpm dari
32 piringan, maka semakin tinggi pula momentum dari piringan. Mesin pengupas tipe piringan yang memiliki prinsip kerja mengupas dengan memanfaatkan gaya sobek dan gaya pukul dari piringan (Sumariana 2008), memanfaatkan momentum yang tinggi pada piringan, sehingga membuat gaya robek atau tumbukan dari piringan pada biji kakao semakin tinggi, dan bahan akan lebih mudah pecah dan terkupas. Parameter lain yang menentukan kualitas dari suatu sistem pengupasan atau pengupasan adalah hasil rendemen. Rendemen menunjukkan persen hasil. yaitu pebandingan berat akhir dan berat awal pengupasan dikalikan dengan 100. Rendemen juga menunjukkan berapa persen berat yang hilang setelah proses pengupasan. Gambar 24 menunjukkan bahwa semakin tinggi rpm, maka rendemen akan semakin tinggi. Hal ini dikarenakan semakin tinggi rpm, maka semakin sedikit pula presentase biji tidak terkupas maupun biji tidak terkupas sempurna, sehingga keefektifan dari pengupasan akan meningkat (Lampiran 9). 86.50 86.00
y = 0.0077x + 79.094
Rendemen (%)
85.50 85.00 84.50
y = 0.0051x + 79.111
84.00 83.50 83.00
y = 0.0043x + 79.294
82.50 82.00 81.50
500
600
700
800
900
1000
rpm
Gambar 24 Rendemen pengupasan biji kakao. Normal (R² = 0.9916), Auger 1 (R² = 0.9845), Auger 2 (R² = 0.9946).
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Mesin yang telah dimoddifikasi dengan menambahkan auger, mengalami beberapa perubahan dalam sistem kerjanya. Perubahan tersebut diantaranya: 1. Kapasitas kerja dari mesin meningkat mengikuti kapasitas kerja dari auger. 2. Semakin besar volume auger dan rpm dari auger, maka kapasitas kerja dari mesin akan semakin tinggi. Kapasitas kerja Auger 1 pada RPM 600; 750; dan 900 sebesar 187.73; 227.75; dan 269.06 kg/jam, sedangkan untuk Auger 2 berturut-turut sebesar 254.10; 313.53; dan 381.17 kg/jam.
33 3. Peningkatan rpm menbuat efsiensi auger semakin menurun. Nilai efisiensi dari auger 1 pada rpm 600; 750; dan 900 sebesar 98.50%; 96.85%; dan 94.12%, sedangkan untuk auger 2 berturut-turut sebesar 96.36%; 90.55%; dan 89.30%. 4. Efisiensi auger desain 1 lebih tinggi dibanding dengan desain 2, hal ini dikarenakan auger desain 2 mendorong terlalu banyak biji kakao masuk ke dalam ruang pengupas, sehingga aliran dari biji kakao terhambat dan membuat efisiensi auger menurun. 5. Presentase biji kakao tidak terkupas, tidak terkupas sempurna serta rendemen pada rpm 600; 750; 900 untuk mesin sebelum modifikasi sebesar 2.16%; 1.98%; 1.95%; dan 1.67%; 1.33%; 1.175; dan 83.63%; 85.93%; 84.97%, dengan menggunakan auger 1 dan 2 berturut-turut biji tidak terkupas sebesar: 3.44%; 2.43%; 2.32% dan 4.48%; 2.85%; 2.47%, biji tidak terkupas sempurna sebesar 2.15%; 1.75%; 1.50% dan 2.58%; 1.81%; 1.61%, dan besar rendemen 83.77%; 82.83%; 82.23% dan 83.17; 82.53%; 82.50%. Saran 1. Perlu pengkajian khusus tentang berapa banyak biji kakao yang dapat ditampung di ruang pengupas. 2. Perlu perbaikan pada lubang output. 3. Perlu menambahkan mekanisme pemisah kulit biji dengan menambahkan blower.
DAFTAR PUSTAKA Bart-Plange A, Baryeh EA. 2002. The physical properties of cocoa beans. Journal of Food Engineering. 60 (2003) 219–227.doi: 10.1016/S0260-8774(02)00452-1 Brennan TL, Butters JR, Cowell ND, Lily AEV. 1990. Food Engineering Operations 3rd Edition. New York (US): Elsevier Science. Fang D, Jiang Z, Zhang M, Wang H. 2014. An experimental method to study the effect of fatigue on construction workers safety performance. Journal of Safety Science. 73(2015)80-91. doi: 10.1016/j.ssci.2014.11.019 Fernandez JW, Cleary PW, McBride W. 2011. Effect of screw design on hopper drawdown of spherical particles in a horizontal screw feeder. Chemical Engineering Science. 66(2011)5585–5601. doi: 10.1016/j.ces.2011.07.043. Hordeski M. 1994. Transducers for Automation. New York (US): Van Nostrand Reinhold Company. Ibrahim MM, Ismail ZE, El-Saadany MA, Fouda OA. 2008. The engineering parameters affercting the auger type metering devices for fetilizing disribution. Journal of Agricultural Engineering. 25(3):641-654. Mulato S. 2005. Petunjuk Teknis Pengolahan Produk Primer dan Sekunder Kakao. Edisi ke-2. Jember (ID): Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia. Nair, Prabhakaran KP. 2010. The Agronomy and Economy of Important Tree Crops of The Developing World Cocoa (Theobroma Cacao L.). London (US): Elsevier inc. doi: 10.1016/B978-0-12-384677-8.00005-9.
34 Owen PJ, Cleary PW. 2009. Prediction of screw conveyor performance using the Discrete Element Method (DEM). Journal of Powder Technology. 193(2009):274–288. doi: 10.1016/j.powtec.2009.03.012. Patiwiri AW. 2006. Teknologi Penggilingan Padi. Jakarta (ID): PT. Gramedia Pustaka Utama. Potter JR. 1971. Chemical Engineering: An Introduction (Chemistry in Modern Industry). London (UK): Butterworth. Rahman A. 2010. Faktor-faktor yang mempengaruhi kelelahan pengendara mobil pribadi [skripsi]. Depok (ID): Universitas Gunadharma. Spillane JJ. 1995. Komoditi Kakao Peranannya Dalam Perekonomian Indonesia. Yogyakarta (ID): Kanisius. Srivastava AK, CE Goering, RP Rohrbach. 1996. Engineering Principles of Agricultural Machines. Michigan (US): ASAE. Sularso, Suga K. 1987. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta (ID): Pradnya Paramita Suma’mur PK. 1991. Ergonomi Untuk Produktivitas Kerja. Jakarta (ID): CV Haji Masagung. Sumariana KS. 2008. Uji performansi mesin penepung tipe disc (disc mill) untuk penepungan juwawut (Setaria italic (L.) P. Beauvois) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Susanto FX. 1994. Tanaman kakao (Budidaya dan Pengolahan Hasil). Yogyakarta (ID): Kanisius. Wahyudi T, Pujiyanto, dan Panggabean TR. 2008. Panduan Lengkap Kakao. Jakarta (ID): Penebar Swadaya. Widyotomo S, Mulato S, Suhariyanto E. 2005. Kinerja mesin pengupas biji dan pemisah kulit kakao pasca sangrai tipe pisau putar. Pelita Perkebunan. 21(3):184—199.
35 Lampiran 1 Daftar alat-alat yang digunakan dalam proses penelitian No Nama alat 1 Stopwatch
Gambar
Fungsi Mengukur waktu kinerja dari mesin.
2 Timbangan digital (gram)
Mengukur berat biji kakao yang akan diuji, berat biji yang tidak terkupas serta rendemen biji kakao hasil pengupasan.
3 Jangka sorong
Mengukur dimensi dari mesin maupun dimensi biji kakao.
4 Laptop
Membantu pekerjaan olah data, simulasi, dan penyusunan laporan akhir.
5 Kamera
Mengambil gambar proses penelitian.
36 Lampiran 2 Dimensi biji kakao No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
L 2.76 2.74 2.68 2.68 2.67 2.67 2.67 2.65 2.64 2.64 2.64 2.61 2.61 2.61 2.61 2.61 2.61 2.59 2.58 2.58 2.58 2.58 2.57 2.57 2.57 2.56 2.56 2.55 2.55 2.54 2.53 2.53 2.53 2.53 2.52 2.52 2.52 2.51 2.51
T 1.19 1.15 1.12 1.12 1.1 1.09 1.09 1.09 1.08 1.08 1.07 1.06 1.06 1.05 1.05 1.04 1.03 1.03 1.01 1.01 1 1 1 1 1 0.99 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97 0.97 0.96 0.96 0.96 0.95 0.95 0.94 0.94
W 1.58 1.55 1.53 1.5 1.5 1.5 1.49 1.49 1.47 1.47 1.47 1.47 1.46 1.44 1.44 1.44 1.44 1.42 1.42 1.42 1.42 1.42 1.41 1.4 1.39 1.39 1.39 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.38 1.37 1.37 1.37 1.37
No 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78
L 2.51 2.51 2.5 2.5 2.5 2.49 2.49 2.49 2.47 2.47 2.46 2.46 2.46 2.46 2.46 2.46 2.45 2.45 2.45 2.44 2.44 2.44 2.43 2.42 2.41 2.41 2.41 2.41 2.4 2.39 2.39 2.39 2.35 2.35 2.35 2.35 2.34 2.32 2.31
T 0.94 0.94 0.94 0.94 0.94 0.93 0.92 0.91 0.91 0.9 0.9 0.89 0.88 0.88 0.88 0.88 0.87 0.86 0.86 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.84 0.84 0.84 0.84 0.83 0.83 0.82 0.82 0.81 0.81 0.81 0.81 0.81 0.8 0.8
W 1.36 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.35 1.34 1.34 1.34 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.32 1.31 1.31 1.31 1.3 1.3 1.3 1.29 1.29 1.29 1.29 1.28 1.28 1.28 1.27
37 (Lanjutan Lampiran 2) No 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Rata rata Persentil 95 Persentil 5
L 2.31 2.29 2.29 2.26 2.25 2.25 2.24 2.24 2.24 2.24 2.23 2.2 2.18 2.18 2.15 2.13 2.13 2.12 2.11 2.1 2.05 2.03 2.44 2.71 2.08
T 0.79 0.78 0.77 0.77 0.76 0.76 0.75 0.74 0.74 0.73 0.72 0.72 0.69 0.69 0.69 0.68 0.68 0.67 0.66 0.64 0.61 0.59 0.89 1.14 0.63
W 1.27 1.27 1.27 1.27 1.26 1.26 1.26 1.25 1.24 1.24 1.23 1.23 1.23 1.22 1.22 1.22 1.22 1.21 1.21 1.21 1.19 1.14 1.34 1.53 1.19
38 Lampiran 3 Data densitas dan perhitungan koefisien gesek biji kakao 1) Data densitas biji kakao No 1 2 3 4 5 Rata-rata
Gram 495 628 497 619 624 572.6
m3 kg/m3 0.00094 526.60 0.00094 534.04 0.00094 528.72 0.00094 524.47 0.00094 529.79 0.00094 528.72
Maka ditentukan densitas biji kakao sebesar 528.27 kg/m3 . 2) Perhitungan koefisien gesek biji kako Diketahui: M = 2.7 % Ditanya: Koefisien gesek (µbaja ) Jawab: Dengan menggunakan persamaan (10), maka: µbaja = 0.0132 (2.7) + 0.3773 µbaja = 0.41
39 Lampiran 4 Data tahanan gesek biji kakao pasca sangrai Data tahanan gesek biji kakao pasca sangrai ulangan 1 2 3 4 5 Rata-rata
Terukur (kgf/cm2 ) 0.25 0.22 0.19 0.23 0.22 0.22
A (cm2 ) 2.71 2.11 2.58 2.52 2.26 2.44
Beban (kgf) 0.67 0.46 0.5 0.57 0.49 0.54
N
watt
hp
6.57 4.51 4.90 5.59 4.81 5.33
0.0011 0.00075 0.00082 0.00093 0.0008 0.00089
0.0000014679 0.0000010078 0.0000010955 0.0000012488 0.0000010736 0.0000011904
Contoh perhitungan: Ft = 0.22 (kgf/cm2 ) A = 2.44 (cm2 ) V = 10 mm/menit = 0.000167 m/s (kecepatan maju UTM) Jawab : F = (0.22)(2.44) = 0.54 kgf 0.67 kgf = (0.54) (9.807) = 5.33 N = (5.33) (0.000167) 6.57 N = 0.0089 watt = 0.0000011904 hp Jika diasumsikan ada 300 biji kakao yang masuk, maka daya yang dibutuhkan untuk mengupasnya sebesar: F = (0.0000011904)(300) = 0.0004 hp
40 Lampiran 5 Perhitungan reduksi kecepatan putar dan volume hopper Perhitungan reduksi kecepatan putar menggunakan perbandingan diameter pulley penggerak dengan yang digerakkan. Perhitungan menggunakan persamaan (16). Contoh perhitungan: Diket: n1 = 1400 (rpm) Dp = 11.5 (cm) n2 = 900 (rpm) Maka: 1400 900
=
11.5 dp
dp = 7.37 cm = 7.62 cm = 3 inch Perhitungan volume hopper: 23 23 23
9 23
11
I 23
23
t II 23 5.523 x 23 23
Menghitung sudut (α) dengan menggunakan segitiga I: cos α= α
8.75 11
= 37.34°
Menghitung t: t
tan 37.34° = 11.5 t = 8.77
Menghitung x: x
tan 37.34° = 2.75 x = 2.1
41 Lampiran 5 (lanjutan) V. Hopper = V. Tabung + (V. Kerucut besar – V. Kerucut kecil) 22
1
22
1
22
V. Hopper = {( 7 ) (111.52 )(9)} + {(3) ( 7 ) (11.52 )(8.77)- (3) ( 7 ) (2.752 )(2.1)} V. Hopper
= 4939.22 cm3 = 0.00494 m3
Kapasitas
= (ρ) (V) = (579.57) (0.00494) = 2.86 kg
42 Lampiran 6 Data uji kinerja mesin Data kapasitas kerja auger desain 1 Ulangan (detik)
rpm 600 750 900
1
2
3
19.56 16.32 13.46
19.11 16.21 12.82
18.86 14.89 13.86
Ratarata (detik) 19.18 15.81 13.38
Kapasitas kerja (kg/jam) 187.73 227.75 269.06
Kapasitas Efisiensi teoritis auger (kg/jam) (%) 190.58 98.50 235.15 96.85 285.87 94.12
Data kapasitas kerja auger desain 2 Ulangan (detik)
rpm 600 750 900
1
2
3
14.68 13.15 10.76
15.07 12.38 11.16
14.36 12.51 9.81
Rata- Kapasitas rata kerja (detik) (kg/jam) 14.70 244.84 12.68 283.91 10.58 340.37
Kapasitas teoritis (kg/jam) 254.10 313.53 381.17
Efisiensi auger (%) 96.36 90.55 89.30
Data kapasitas kerja sebelum modifikasi RPM 600 750 900
Ulangan (detik) 1 2 3 33.35 42.57 38.3 31.9 32.26 32.66 31.29 31.56 30.3
Contoh perhitungan: Diket: S = 19.18 detik m = 1 kg St = 190.58 kg/jam Ditanya (Sa ) dan (µ) Jawab: Mencari kapasitas kerja dengan persamaan (5) Sa =
1 19.18
(3600)
Sa = 187.73 kg/jam Mencari efisiensi auger dengan persamaan (6) 187.73
μ = 190.58 (100%) µ = 98.50 %
Rata-rata (detik) 38.07 32.27 31.05
Kapasitas kerja (kg/jam) 94.55 111.55 115.94
43 Lampiran 7 Kualitas pengupasan hasil sortasi biji tidak terkupas Presentase biji tidak terkupas auger 1 RPM 600 750 900
Ulangan (gram) 1 2 3 58.54 28.06 16.6 22.16 26.78 24.08 23.22 22.42 23.84
Rata-rata Presentase (gram) (%) 34.4 3.44 24.34 2.43 23.16 2.32
Presentase biji tidak terkupas auger 2 RPM 600 750 900
Ulangan (gram) 1 2 3 51.48 38.68 44.24 34.48 22.24 28.7 26.86 23.36 23.76
Rata-rata Presentase (gram) (%) 44.8 28.47 24.66
4.48 2.85 2.47
Presentase biji tidak terkupas sebelum modifikasi RPM 600 750 900
Ulangan (gram) 1 2 3 21.72 17.94 25.2 16.88 14.52 27.88 22.32 16.04 20.1
Rata-rata Presentase (gram) (%) 21.62 19.76 19.49
Contoh perhitungan: Diket: wt = 34.4 gram Jawab: Mencari presentase biji tidak terkupas dengan persamaan (7) 34.4
Wt = 1000 X 100% Wt = 3.44 %
2.16 1.98 1.95
44 Lampiran 8 Kualitas pengupasan hasil sortasi biji tidak terkupas sempurna Presentase biji tidak terkupas sempurna auger 1 Ulangan (gram) 1 2 3 31.4 21.22 11.8 14.8 18.1 19.52 14.54 16.36 14.24
RPM 600 750 900
Rata-rata (gram)
Presentase (%)
21.47 17.47 15.05
2.15 1.75 1.50
Presentase biji tidak terkupas sempurna auger 2 RPM 600 750 900
Ulangan (gram) 1 2 3 23.58 25.98 27.9 18.24 17.46 18.68 16.54 15.34 16.44
Rata-rata (gram)
Presentase (%)
25.82 18.13 16.11
2.58 1.81 1.61
Presentase biji tidak terkupas sempurna sebelum modifikasi RPM 600 750 900
Ulangan (gram) 1 2 3 14.54 21.36 14.24 7.18 15.96 16.82 9.96 8.92 16.1
Rata-rata (gram)
Presentase (%)
16.71 13.32 11.66
1.67 1.33 1.17
Contoh perhitungan: Diket: wt = 21.47 gram Jawab: Mencari presentase biji tidak terkupas sempurna dengan persamaan (7) Wt =
21.47 1000
X 100%
Wt = 2.15 %
45 Lampiran 9 Rendemen pengupasan biji kakao Rendemen biji kakao dengan menggunakan auger 1 rpm 600 750 900
1 836 835 811
ulangan 2 851 830 832
3 826 820 824
Ratarata
Presentase
837.67 828.33 822.33
83.77 82.83 82.23
Rendemen biji kakao dengan menggunakan auger 2 rpm 600 750 900
1 834 802 795
ulangan 2 836 842 852
3 825 832 828
Ratarata
Presentase
831.67 825.33 825
83.17 82.53 82.5
Rendemen biji kakao sebelum mesin dimodifikasi rpm 600 750 900
1 838 858 843
ulangan 2 853 850 856
3 818 870 850
Ratarata
Presentase
836.33 859.33 849.67
83.63 85.93 84.97
Contoh perhitungan: Diket: wt = 837.67 gram Jawab: Mencari presentase rendemen dengan persamaan (7) Wt =
837.67 1000
X 100%
Wt = 83.77 %
46 Lampiran 10 Gambar biji kakao hasil pengujian
(A)
(B)
(C)
(D)
Keterangan: (A) (B) (C) (D)
Biji kakao tidak terkupas Biji kakao tidak terkupas sempurna Biji kakao terkupas utuh (nib) Biji kakao terkupas pecah (nib)
47 Lampiran 11 Gambar teknik
48 Lampiran 11 Gambar teknik (Lanjutan)
49 Lampiran 11 Gambar teknik (Lanjutan)
50 Lampiran 11 Gambar teknik (Lanjutan)
51
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Lamongan pada tanggal 17 Juni 1992, anak pertama kembar dari dua bersaudara dari Bapak Ahmad Musyafa’ Hasyim dan Ibu Purwanti Sri Lestari. Pendidikan SD penulis ditempuh di MI Islamiyah Babat pada tahun 1998 sampai tahun 2004. Penulis melanjutkan pendidikan menengah pada tahun 2004 di MTsN Model Babat dan lulus pada tahun 2007. Penulis melanjutkan pendidikan di SMA Negeri 1 Babat dan menyelesaikannya pada tahun 2010. Lulus dari jenjang penddidikan SMA, penulis diterima di Program Sarjana Program Studi Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Masuk IPB). Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai di berbagai organisasi, diantaranya: divisi Eksternal organisasi mahasiswa daerah Lamongan (FORMALA) (2010-2011), pengurus klub Bina Desa HIMATETA (2011-2012), staff Dept. Mitra Desa BEM Fakultas Teknologi Pertanian (2012-2013), divisi Eksternal Gursa Pecinta Alam (GURSAPALA) (2013-2014), serta pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Teknik Mesin Irigasi dan Drainase pada tahun 2014. Penulis melaksanakan Praktek Lapang selama empat puluh (40) hari pada bulan Juni-Juli tahun 2013 di Pusat Penelitian Kopi dan Kakao Indonesia, Jember, Jawa Timur dengan judul “Aspek Ergonomika dan K3 pada Proses Pengolahan Hilir Biji Kakao”. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana teknik, penulis melakukan kegiatan penelitian dengan judul “Modifikasi Desain dan Uji Kinerja Kontrol Sistem Input Mesin Pengupas Kulit Biji Kakao Tipe Piringan Tunggal”, di bawah bimbingan Ir Mad Yamin, MT dan Ir Agus Sutejo, MSi..
