Marco Teorico (Editado)

MARCO TEORICO 1. PRODUCCION DE AZUCAR El azúcar puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar, la remolacha azucarera y en menor proporción del maíz. El azúcar de caña es el azúcar producido a partir de la caña de azúcar. El proceso de fabricación de azúcar refinado de alta pureza de la caña de azúcar utiliza procesos físicoquímicos naturales para quitar las impurezas. 2. PRODUCCIÓN DE AZUCAR CRUDO DE CAÑA El proceso de fabricación consta de los siguientes procesos: 2.1 EXTRACCION La caña es sometida a un proceso de preparación que consiste en romper las celdas de los tallos. Luego unas bandas transportadoras la conducen a los molinos, donde se realiza el proceso de extracción de la sacarosa. El bagazo sale del último molino hacia las chimeneas, para usarlo como combustible, o al depósito de bagazo, de donde se despacha para usarlo como materia prima en la elaboración de papel. 2.1.1 PREPARACION DE LA CAÑA El proceso de reducir la caña alimentada al molino hasta partículas de menor tamaño, adecuadas para el proceso de extracción, se denomina preparación de la caña. La reducción de tamaño es conseguida generalmente con el uso de picadoras o cuchillas rotativas localizadas sobre el sistema de conductores de caña y/o el paso de la caña por una desfibradora con martillos basculantes. La eficiencia y la capacidad de la planta de extracción dependen considerablemente de la preparación de la caña. El equipo de preparación de caña puede representar más del 25% de la demanda total de potencia en una fábrica. El tipo de accionamiento empleado y la eficiencia con la cual la potencia es utilizada son por lo tanto muy importantes. En conductores de tallos enteros de caña normalmente se instala un nivelador antes de cualquier equipo de preparación para lograr una alimentación uniforme a las picadoras. Con trozos de caña cosechada mecánicamente esto usualmente no es necesario debido a que la manipulación de trozos facilita lograr un nivel uniforme en los conductores alimentadores en forma consistente. 2.1.1.1 NIVELADORAS Los niveladores de caña se emplean sobre el conductor principal de caña con el objetivo de obtener una altura estable del colchón de caña que alimenta alas picadores o a la desfibradora. Los niveladores regularizan la carga sobre los equipos de preparación subsecuentes y ayudan a reducir la incidencia de atoramientos. Típicamente los niveladores operan a velocidades relativamente bajas y con una altura de 500 a 1500 mm sobre el conductor. Las cuchillas niveladoras efectúan un mínimo trabajo de preparación y los

requerimientos de potencia son bajos. El motor generalmente tiene que ser dimensionado para hacer frente, ocasionalmente a grandes montones de caña que de otro modo causarían un atoramiento en las picadoras, pero el consumo promedio de potencia es pequeño 2.1.1.2 PICADORAS Las instalaciones de picadoras para tallos enteros de caña generalmente consisten de una o dos picadoras que se encuentran precedidas por un nivelador. Normalmente las maquinas picadoras utilizan cuchillas rectas y con menor frecuencia cuchillas curvadas. La acción de las cuchillas es cortar la caña en trozos más pequeños, dejando una gran proporción de celdas sin romper. 2.1.1.3 DESFIBRADORAS Las desfibradoras actúan de una manera algo distinta a las picadoras. Martillos basculantes rotan montados sobre un rotor entre 1000 y 1200 min-1, describiendo diámetros de barrido en el rango de 1,4 hasta por encima de 1,9 m, lo que resulta en velocidades periféricas de las puntas de aproximadamente 100 m/s, con un rango entre 65 y 110 m/s. Dado que el tipo de preparación optima es más fácil de lograr con una desfibradora que con máquinas picadoras, existe una tendencia global hacia más desfibrado y menos picado. Una sola desfibradora de trabajo pesado con caña trozada puede lograr el grado de preparación requerido y permite tener una estación de preparación más simple. 2.1.2 MOLIENDA DE CAÑA El objetivo de la molienda de caña es separar al jugo que contiene sacarosa del resto de la caña, constituido principalmente por fibra. El termino extracción se utiliza para expresar el porcentaje de sacarosa que ha sido extraído de la caña en los molinos y es igual a la sacarosa en el jugo crudo o diluido, expresada como porcentaje de la sacarosa en caña. Se puede asumir que la caña está conformada por tres componentes, cada uno con dos subcomponentes: Fibra Consiste de fibra vegetal y materia insoluble que no es fibrosa pero está incluida en la “fibra”. Solidos disueltos También conocidos como Brix, consiste en Sacarosa, no-sacarosa también llamado no-azucares o no-pol. Agua Consiste de agua “disponible” (el solvente en que sacarosa y no sacarosas están disueltas) y agua libre de Brix. En los molinos la caña es exprimida utilizando elevadas presiones entre pares de mazas o rodillos consecutivos. Estos están diseñados para extraer tanto jugo como

sea posible de la fibra insoluble. El residuo de la caña después de que se ha extraído al jugo se denomina bagazo. 2.1.2.1 MOLINOS Son estructuras compuestas por Vírgenes (bases metálicas que brindan el soporte a los ejes que mueven las mazas). Cada molino posee 3 mazas. Los molinos se colocan de forma tal que la fibra que sale de un molino sea acarreada por un conductor intermedio y entre a un siguiente molino, de esta manera se logra extraer la mayor cantidad de sacarosa que contiene la fibra. Estos arreglos de molinos se conocen como Tándem de Molinos. CUREÑA (VIRGEN) El propósito de las cureñas es mantener a los componentes activos del molino (particularmente a las mazas) en una orientación deseada. Esta orientación requiere ser flexible para permitir diferentes tamaños de maza y ajustes de las aberturas. El molino básico está constituido de tres mazas: la maza superior, que debe ser capaz de “flotar” hacia arriba durante una operación) y las mazas cañera y bagacera que deben ser ajustables hacia los costados. MAZAS Son cilindros acanalados construidos de hierro fundido y acero con un peso de aproximadamente 10 toneladas. La compresión de la caña se da por el propio peso de las masas y por la presión que ejerce un pistón sobre la masa superior, la cual varía de 1800 psi en el primer molino hasta 3200 psi en el quinto molino. La apertura entre las masas se regula de modo que la salida sea menor que la entrada. Las aperturas en los diferentes molinos se calculan a partir de diversas variables como lo son: cantidad de caña molida por hora, porcentaje de fibra de caña, cantidad de agua de imbibición, tamaño de molinos, entre otros. Este cálculo es conocido como “Setting de Molinos”. CUCHILLAS MESSCHAERT El propósito de estas cuchillas es el de mantener limpias las ranuras Messchaert, los que son canales de drenaje en la raíz de las ranuras normales de la maza cañera. VIRADOR (CUCHILLA) Y RASPADORES El propósito del virador es dirigir la caña o el bagazo desde la abertura de trabajo de la maza cañera hacia la abertura de la maza bagacera para su siguiente compresión y extracción. Los raspadores son utilizados a la salida del molino para desprender el bagazo de las mazas superior y bagacera.

2.1.2.2 MACERACION Este es un proceso que se aplica en paralelo a la imbibición y que tiene la misma finalidad (aumentar la extracción). Consiste en remojar el bagazo con el jugo diluido producto de la imbibición. El jugo extraído por un molino se aplica a la entrada del molino anterior. En un tándem de 5 molinos se aplica maceración al segundo, tercero y cuarto molino, e imbibición al quinto molino. 2.1.2.3 IMBIBICION Para mejorar la extracción de sacarosa, se aplica agua de imbibición. Este proceso consiste en agregar agua al bagazo antes de su paso por el molino final. La imbibición aumenta la extracción de sacarosa en aproximadamente un 15%. La adición de un porcentaje de agua de imbibición delante de cada unidad de molienda es a veces denominada “imbibición simple”. La diferencia de Brix entre la imbibición y el jugo en el bagazo alimentado se maximiza con esta práctica, pero la cantidad de agua que puede aplicarse por etapa de extracción es restringida severamente. Por esta razón, la gran mayoría de fábricas aplica toda la imbibición adelante del último molino. Este sistema se conoce como “imbibición compuesta”.

2.1.2.4 TRATAMIENTO QUIMICO

El jugo de la caña es tratado químicamente tanto para regular el color final del azúcar como para favorecer el proceso de clarificación (separación de impurezas). En la molienda se le agrega ácido fosfórico al jugo con el fin de que este funcione como puente y propicie la reacción entre la materia orgánica y el floculante, que se agrega en una etapa posterior. Este jugo tratado químicamente recibe el nombre de jugo mixto. 2.1.2.5 FILTRACION El jugo extraído en la molienda contiene mucho bagazo en suspensión, conocido generalmente como bagacillo o cush-cush. Para eliminar este bagacillo los jugos se pasan primero por filtros perforados con agujeros de 1 mm de diámetro. La forma más común consiste en filtros horizontales fijos. Al pasar por el filtro el jugo se deposita en un tranque en tanto que el bagacillo que ha sido separado se recoge por medio de un conductor de raspador que lleva el bagacillo de nuevo a los molinos. 2.1.3

MEDICION DE MOLIENDA DE CAÑA Para propósitos de control de eficiencia de la fábrica, es necesario medir la cantidad de sacarosa que ingresa en el sistema, permitiendo efectuar una estimación del azúcar recobrado y de las perdidas. Dado que en las fábricas de azúcar las pérdidas de incluso fracciones de un punto porcentual tienen vastas consecuencias financieras, esta medición tiene que ser muy precisa. Debido a esto es común utilizar basculas discontinuas (batch) para medir la masa del jugo crudo producido, dado que los otros dispositivos de medición no logran aproximarse en precisión. 2.1.3.1 BASCULAS DISCONTINUAS Consisten de un tanque de suministro situado por encima de una tolva pesadora, la cual acepta “baches” de jugo y registra el peso de cada uno antes de descargarlo. La tolva pesadora se “tara” antes de recibir cada bache. Los sistemas antiguos incorporaban dispositivos mecánicos/hidráulicos para el pesaje y control del flujo de jugo. Subsecuentemente estas han sido reemplazadas por sistemas de celdas de carga. La tolva pesadora se soporta sobre tres o cuatro celdas de carga que registran el peso. Se ha adoptado el uso de válvulas de mariposa con acción de cierre rápido, lo cual ha permitido agilizar la operación de las básculas. La tolva pesadora puede tener una capacidad entre 2 y 7 T y en general el tanque de suministro es aproximadamente del mismo tamaño. Por otro lado, el tanque recibidor de jugo crudo es deseable mantener una retención mínima del jugo crudo, pues esto brinda una oportunidad para que ocurran perdidas microbiológicas de azúcar. Sin embargo, para poder obtener un flujo de jugo a los clarificadores suficientemente estable, es necesario contar con cierto

volumen mínimo de capacidad amortiguadora en forma de un tanque de jugo crudo. El tanque sirve además para suavizar los picos transitorios de flujo que ocurren en el sistema por la descarga de las básculas discontinuas.

2.2 CLARIFICACION 2.2.1 OBJETIVOS Los principales objetivos de la clarificación de jugo son:  Formar flocs que atrapan toda la materia suspendida que así puede sedimentarse a una velocidad satisfactoria.  Proporcionar las condiciones de temperatura, pH y concentración de iones que maximizan la precipitación de impurezas solidas del jugo.  Producir jugo clarificado de buena calidad, con mínima turbiedad, mínimo color y bajo contenido de calcio.  Producir un lodo sedimentado que sea apto para su posterior procesamiento.  Efectuar todo lo anterior al menos costo posible, con mínimo tiempo de residencia, mínima perdida de sacarosa (por inversión y otros mecanismos) y mínima formación de color en el jugo.  Obtener jugo clarificado con un pH que minimice la inversión en la subsecuente operación de evaporación. 2.2.2 PROCESOS FISICOS Y QUIMICOS De los muchos procesos que se han ensayado en la purificación del jugo de caña de azúcar solamente unos pocos han logrado algún nivel de importancia en aplicaciones industriales. El tratamiento utilizando cal en solución con agua o con jugo/meladura (sacarato) continúa siendo el método básico de clarificación, normalmente denominado defecación. La cal ha sido la sustancia química usada universalmente para neutralizar la acides del jugo, mientras que el proceso varia en el método y la temperatura de adición.

Las variaciones respecto al proceso de defecación simple han buscado reducir el color y la turbiedad del jugo clarificado, entre ellos se incluyen: SULFITACION Esta combina el tratamiento con ácido sulfuroso (a partir del gas SO2) y con soluciones de cal. La sulfatación puede ser realizada sobre jugo frio o caliente, así como también sobre meladura de los evaporadores (doble sulfatación). FOSFATACION Pequeñas cantidades de fosfato soluble pueden añadirse a los jugos para mejorar la defecación simple. La adición de grandes cantidades se conoce con el distintivo de “fosfatación”. La técnica de fosfatación se utiliza principalmente para la clarificación de jarabes en fábricas de crudo y refinerías. CARBONATACION El tratamiento del jugo encalado con dióxido de carbono, seguido de una aplicación adicional de cal para neutralizar, se conoce como “carbonatación”. Actualmente este proceso se utiliza solo en raras ocasiones para la clarificación de jugo, pero continúa siendo un proceso básico en la clarificación y decoloración de jarabes de refinerías. 2.2.3

VARIANTES DE LOS PROCEDIMIENTOS Existen muchas variantes del proceso simple de defecación que son empleadas en las diferentes industrias de caña de azúcar. Frecuentemente se utilizan soluciones de sacarato de cal en lugar de la lechada de cal. Los procedimientos de defecación más utilizados son los siguientes: ENCALADO EN FRIO El jugo mezclado que proviene de los molinos tiene generalmente un pH alrededor de 5.5. Usualmente se encala hasta pH 7.2 pero puede este ser elevado a valores tan altos como 8.3. Posteriormente es bombeado a los calentadores para elevar su temperatura ligeramente por encima del punto de ebullición, es decir hasta 102 °C como mínimo. Al salir de los calentadores, el jugo pasa a un tanque flash y retorna a su correspondiente punto de ebullición mediante evaporación instantánea con liberación de vapor a la atmosfera. El jugo pasa entonces inmediatamente al clarificador continuo, donde el pH cae normalmente hasta un valor en el rango de 6.8 – 7.2. El encalado en frio es suficiente para el tratamiento de cañas nobles y la manufactura de azúcar crudo. Los clarificadores generan una cantidad despreciable de espuma ENCALADO INTERMEDIO La primera aplicación de cal se efectúa a continuación del tanque intermedio a ~75°C, en el “ojo” De las bombas del calentamiento secundario. El valor objetivo de control se ajusta alrededor de 0.2 a 0.3 unidades de pH por encima del valor deseado de pH en el jugo clarificado. El floculante se adiciona en las bandejas de alimentación de los clarificadores.

Durante este proceso se presenta sin lugar a duda cierta degradación de sacarosa por el calentamiento y la actividad de la invertasa, pero es difícil de cuantificar y se cree que los beneficios de la modificación en el clarificado superan a su desventaja.

ENCALADO EN CALIENTE En este caso el sacarato de cal (o lechada de cal) se aplica justo antes del tanque flash. El valor objetivo de control se ajusta alrededor de 0.2 a 0.3 unidades de pH por encima del valor deseado de pH en el jugo clarificado. Lograr un buen control del pH es técnicamente más difícil con el encalado en caliente, pero se ha encontrado que se logra mejor calidad de jugo clarificado con la desventaja de lodos más voluminosos, particularmente cuando se adiciona sacarato. ENCALADO FRACCIONADO Este proceso es una variación del encalado en caliente donde aproximadamente 33% de la cantidad total de cal se aplica como preencalado del jugo frio y el restante 67% se aplica como una segunda adición en el tanque flash. CLARIFICACION COMPUESTA Esta variante involucra una separación del jugo en dos partes: El jugo primario, o jugo obtenido con molienda en seco, suministrado por el primer molino; y el jugo secundario, que consiste en el jugo obtenido usando molienda con imbibición, suministrado generalmente por el segundo molino en el caso de imbibición compuesta. Sin embargo, la desventaja de requerir sistemas de clarificación por duplicado conduce a que esta alternativa no haya sido adoptada en las fábricas.

2.2.4 SUMINISTRO Y MANIPULACION DE LA CAL 2.2.4.1 CALIDAD DE LA CAL La calidad de la cal utilizada es importante, dado que una cal de baja calidad introducirá arena y partículas inquemadas e incrementara el contenido de cenizas del jugo. Una cal viva de buena calidad tendrá más de 90 g CaO/100 g cal disponible, además de no contener óxidos de hierro, aluminio o magnesio. Debe evitarse el empleo de cal que contenga más de 2g/100 g de MgO u óxidos de hierro y aluminio. Por otro lado hablando del hidróxido de calcio en polvo, se considera de buena calidad al tener aproximadamente 70% de Cao Total y menos de 1% de CaO no hidratado. Estas impurezas causan depósitos en los evaporadores mientras que la magnesia genera problemas durante la defecación. 2.2.4.2 APAGADO DE LA CAL En encalado del jugo se realiza usando mezclas preparadas de lechada de cal o sacarato de calcio. Usualmente la lechada de cal se obtiene mezclando (“apagando”) cal pulverizada o terrones de cal viva con agua. El apagador de cal suele ser un tambor de acero de bajo carbono que gira alrededor de 6 a 8 min-1 con filetes internos de acero formando un espiral que empuja a las partículas de cal desde el extremo de entrada hasta el lado de salida del tambor. El agua, preferiblemente condensados calientes, se adiciona frecuentemente de manera concurrente a la cal. La lechada de cal se pasa entonces por un clasificador donde arena y arenilla son removidas por un conductor de gusano inclinado o un mecanismo tipo rastrillo. La cal puede ser mezclada hasta un máximo de aproximadamente 15° Baumé y luego ser curada alrededor de 7 ° ó 8° Baumé, mientras que la del otro tanque es dosificada sobre el proceso. Se recomienda dejar la lechada en los tanques al menos 2 horas para asegurar un apagado completo de la cal antes de usar la solución en la clarificación.

2.2.4.3 LECHADA DE CAL Y SACARATO DE CAL La composición de la mezcla de cal tiene un efecto significativo sobre la operación del sistema de clarificación. Con lechada de cal se producen flocs y lodos de mayor densidad, pero la turbiedad obtenida no es tan buena, mientras que las soluciones de sacarato preparadas utilizando jugo o meladura resultan en flocs más ligeros que se sedimentan con menor velocidad, pero la turbiedad es mejor. Para cada caso en particular la mezcla óptima que se ajusta a la capacidad del equipo debe ser encontrada mediante ensayo y error. La reacción de la cal puede hacerse más rápida cuando se cuenta con un sistema de encalado con sacarato. La presencia de sacarosa produce un incremento apreciable en la solubilidad de la cal, que puede multiplicarse hasta por 100 veces. La solubilidad de cal en jugo incrementa con su contenido de sacarosa y decrece a medida que la temperatura aumenta. Las reacciones del sacarato en jugo son aún más rápidas y permiten obtener un mejor jugo clarificado. Otras ventajas del uso de sacarato de cal sobre la lechada de cal incluyen un mejor control de pH y mejor porosidad de la torta de filtros. Las ventajas se hacen más evidentes cuando las condiciones impiden obtener estándares de clarificación aceptables. Los beneficios son difíciles de cuantificar, particularmente cuando se miden solamente parámetros básicos de calidad. En la actualidad se utilizan ampliamente sistemas sofisticados para la preparación de sacarato con jugo o meladura. Un sistema en línea desarrollado para la preparación del sacarato de cal, está compuesto por una bomba peristáltica “de manguera” de velocidad variable (para lechada de cal), una bomba de capacidad progresiva de velocidad variable (para meladura), un mezclador en línea, un transmisor de presión, un electrodo de medición de pH y una válvula con control de posición. Un espiral de tubo PVC permite diferir en aproximadamente 30 s el tiempo entre el

mezclado del sacarato y su dosificación sobre el jugo a través de la válvula de control. El lazo de control de presión mantiene una presión estable antes de la válvula dosificadora de sacarato variando la velocidad de la bomba de la lechada de cal, mientras que la velocidad de la bomba dosificadora de licor mantiene proporcional con respecto a la velocidad de la bomba peristáltica. El sistema llevo a un mejor control de pH, con reducción de la perdida de azúcar debida a degradación alcalina. 2.2.4.4 CONTROL DE pH El pH final del jugo clarificado que se envía a los evaporadores es importante. De manera que cuando se requiere producir azúcar blanco es deseable tener un jugo ácido y el pH debe mantenerse en un rango de 6.4-6.6. Esto reduce el color del azúcar con el riesgo de una inversión significativa de sacarosa. A medida que el pH del producto de azúcar se reduce, la apariencia de color es menor. En caso de que se requiera producir únicamente azúcar crudo de buena calidad se puede permitir que el jugo se conserve ligeramente alcalino, con un pH entre 7.1 y 7.5. Esto minimiza la perdida de sacarosa por inversión, aunque el jugo alcalino reduce la velocidad de los tachos y dificulta la cristalización. La medición del pH solía efectuarse manualmente utilizando papel indicador colorimétrico, pero en la actualidad se cuenta con sofisticados métodos electrónicos basados en electrodos de vidrio y de referencia que han sido suficientemente desarrollados como para permitir su adopción casi que universal en la medición de pH del jugo. El control de pH se realiza casi siempre utilizando un lazo de control estándar donde la adición de cal es controlada con base en el pH del jugo encalado. La señal obtenida con el sensor de pH se usa para controlar el flujo de cal mediante un controlador y un actuador. El sensor de pH tiene que ser ubicado en un punto donde la cal y el jugo se encuentren mezclados apropiadamente, ni muy cerca ni muy lejos del punto donde la cal ha sido adicionada. Esto ayuda a prevenir cambios erráticos de pH en el jugo y permite lograr un mejor control de pH. El control se divide en lazos de control abiertos y lazos cerrados.  En los lazos de control abierto la señal se obtiene a partir de variación en las principales variables que generan disturbios. En la clarificación de jugo las fluctuaciones en el flujo de jugo y la densidad de la lechada de cal son utilizadas para determinar el flujo de lechada de cal. Sin embargo, las rápidas variaciones en la capacidad amortiguadora de los jugos usualmente requiere el empleo de alguna forma de control cerrado para limitar el lazo abierto de aplicación.



En los lazos de control cerrado, el sistema compara la señal controlada frente a un valor deseado (setpoint) y genera una señal de control para el actuador. En los controles de pH del jugo un lazo de control cerrado se encarga de regular la válvula de adición de lechada de cal (o sacarato de cal). El sensor de pH envía una señal continua al controlador, que a su vez envía una señal al actuador para variar la adición de cal de acuerdo con la señal.  El controlador de lazo cerrado más importante es el controlador PID (proporcional, integral, diferencial). En un controlador PID la señal es igual a la suma de un término proporcional y uno integral y diferencial del error de control (diferencia entre la variable controlada y el valor deseado). El control del pH resulta ser mucho más fácil cuando la densidad de la mezcla de cal es constante y el flujo de jugo estable. Variaciones muy altas en el pH del jugo encalado pueden generar problemas por reacciones retardadas en el clarificador, causando floculación variable, incremento de la turbiedad del jugo clarificado y un aumento de incrustaciones en los evaporadores. 2.2.5

2.2.6

TANQUE FLASH La dosificación de floculante diluido y madurado debe efectuarse sobre la línea de suministro de jugo inmediatamente a continuación del tanque flash (desaireador), y verificar la temperatura para asegurar que la mezcla aire/gases disueltos haya sido removido. Esto normalmente requiere llegar al menos 3°C por encima de la temperatura de ebullición del jugo (~103°C a nivel del mar) que entra en el tanque flash.

FLOCULANTE Los floculantes usados más comúnmente para la clarificación de jugo, así como para el acondicionamiento de la alimentación de filtros, son compuestos de poliacrilamida parcialmente hidrolizados, los cuales son del tipo aniónico. La floculación ha sido descrita como una reacción de dos etapas, donde el primer paso consiste en la captura de partículas individuales en micro-flocs, para luego en una segunda etapa ser aglomeradas formando macro-flocs que se pueden sedimentar relativamente rápido. Los floculantes son activos en el jugo a niveles entre 2 y 3 mg/kg jugo. Un uso excesivo de floculante puede causar baja filtrabilidad del azúcar. Una adición pobre de floculante, un mal diseño del clarificador o un mal control del encalado pueden conducir a una turbiedad elevada. 2.2.6.1 PREPARACION Los floculantes de poliacrilamida de alto peso molecular en forma de polvo necesitan ser disueltos homogéneamente antes de ser adicionados a un condensado que sea limpio y frio (