Refinación del Azúcar Proyecto Quimica Fisica Ambiental.docx

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS

1. Objetivos: 1.1 Objetivo General: 

Evaluar el proceso proceso de refinación de la caña de azúcar utilizando los principios de la Química Verde.

1.2 Objetivos Específicos:   

Analizar cada etapa del proceso proceso de refinación de la caña de de azúcar y ubicarlo en la escala de color de los procesos Determinar qué etapa del proceso de refinación refinación es más contamínate y como podría optimizarse. Identificar qué principios de la Química Verde se aplican en nuestro nuestro caso de estudio.

2. Marco Teórico: Proceso de Refinación de la Caña de Azúcar ANTECEDENTES  Al hablar de procesos de de la industria azucarera debemos debemos considerar considerar dos elementos elementos importantes, importantes, la caña de azúcar (Saccharum officinarum L) y la remolacha (Beta vulgaris L), en base a los cuales podemos obtener azúcar refinada, pero para ello se debe seguir un proceso delicado. En nuestro país la materia prima que utilizamos para obtener el azúcar es la caña de azúcar debido a nuestra diversidad de climas y a que este producto se acopla cien por ciento a nuestra zona. Los procesos que se deben seguir de manera general para la obtención del azúcar son: 

Módulo de Alimentación y Molienda. Molienda.



Módulo de Purificación Purificación Y Clarificación.



Módulo de Evaporación Evaporación y Cristalización de azúcar.



Centrifugación Secado y Envase.

 Aunque, para su obtención se requiere requiere de un largo largo proceso, desde que la semilla de caña germina hasta que el azúcar se comercializa nacional e internacionalmente. i nternacionalmente.

El Sector Azucarero Ecuatoriano El azúcar tiene una importante i mportante participación en la economía nacional, su contribución al PIB es del 1.4% y con relación al PIB agrícola es del 12%, es una de las agroindustrias más importantes del país. En los seis ingenios azucareros laboran en época de zafra, 30000 personas directamente y 80000 indirectamente, que representan el 9% de la población económicamente activa del sector agropecuario. En la zafra azucarera 2002  –   –  2003 se cosechó alrededor de 70000 has, en las

provincias del Guayas, Cañar, Los Ríos Imbabura y Loja; la producción de azúcar obtenida fue de 9’ 300 000 sacos de 50 kgs.

ETAPAS DE PROCESOS DE LA PLANTA DE PRODUCCIÓN. Para el estudio realizado se considera al proceso desde la molienda hasta el secado del producto, pero para poder involucrarnos en el proceso se explicará desde la preparación de la caña hasta el envasado del producto.

Preparación De La Caña. La caña antes de ingresar al molino pasa por un juego de niveladora y dos picadoras pi cadoras con el objeto de prepararla adecuadamente para la extracción de jugo en los m olinos. Las picadoras son unos ejes colocados sobre los conductores accionados por turbinas, dotadas de cuchillas que giran a una velocidad aproximada de 650 r.p.m., que cortan los tallos y los convierten en astillas, dándoles un tamaño más uniforme para facilitar así la extracción del jugo en los molinos.

Molienda. La caña al pasar por el primer molino, después de haber sido preparada por las picadoras, pierde aproximadamente entre 70 a 80% de su peso en jugo. Para lograr una buena extracción se lava el bagazo con agua o jugo pobre en sacarosa, esto se hace al salir de cada molino para diluir la sacarosa que aún está contenida en el bagazo y así aumentar la extracción para alcanzar más del 85% del azúcar que contenía la caña. En el recorrido de la caña por el molino se agrega agua, generalmente caliente, y jugo pobre en sacarosa para extraer al máximo la cantidad de sacarosa que contiene el material fibroso, a este procedimiento se le llama sistema de imbibición compuesta. El vapor de escape de las turbinas se emplea en las operaciones de evaporación y cocimiento de los jugos azucarados. El bagazo se puede emplear adicionalmente para las fábricas de papel o de tableros aglomerados.

Jugo Mixto O Pesado El jugo que se obtiene del proceso de maceración pasa por filtros estáticos para retirar partículas de bagacillo y no interferir en la lectura registrada del medidor de flujo electrónico.

Purificación-Sulfitación El objetivo principal de esta etapa es producir anhídrido sulfuroso SO2, evitando la sublimación del azufre y mezclarlo con el jugo de caña para eliminar ma teriales colorantes y transformar a las sales férricas que se forman en tanques y tuberías en compuestos ferrosos incoloros.

Purificación-Encalado

En este proceso se elimina los ácidos orgánicos del jugo y permite elevar el pH a un valor aproximado entre 5.1 a 5.5 con el objetivo de minimizar las posibles pérdidas de sacarosa. Para la obtención del jugo encalado se debe mezclar en un tanque, jugo sulfitado con lechada de cal (cal con agua) y dejar que el agitador mecánico que se encuentra en parte interior del tanque remueva las dos sustancias para formar sales insolubles, coagular a las materias albuminoides y eliminar una parte de los l os materiales pépticos y materiales colorantes.

Clarificación El objetivo de este proceso es obtener un jugo claro de color amarillo brillante, transparente y sedimentar todos los precipitados (cachaza) formados en el encalado para producir un jugo cristalino.

Clarificación - Filtro de Cachaza La cachaza sedimentada del proceso de clarificación se debe tratar con agua caliente en un filtro rotativo al vacío para extraer la mayor cantidad de sacarosa posible y reenviarlo al proceso de encalado para ser tratado nuevamente, mientras que la materia sólida resultante de este proceso se conduce a unas tolvas, donde se mezcla con la ceniza que sale de las calderas. Esta mezcla se utiliza en el campo, en la adecuación de suelos pobres en materia orgánica.

Evaporación. El objetivo de este proceso es concentrar el jugo claro proveniente del clarificador, para obtener un  jarabe de 60 –65 60 –65 °Brix de concentración”. concentración”.

Clarificación De Meladura. La meladura sufre un nuevo proceso de purificación en un clarificador por flotación con el objeto de remover impurezas, para asegurar que en el producto final no haya presencia de sólidos extraños. La meladura que sale de los evaporadores se clarifica para obtener un material más claro y brillante. Esto se obtiene en la estación de clarificación donde la meladura se sulfita, se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante para luego ser enviada al clarificador de meladura, donde se le inyecta aire en pequeñas partículas que hacen flotar los sólidos en forma de espuma, esta se retira y se mezcla con la cachaza que sale de los clarificador.

Cristalización La cristalización tiene como objetivo 1 1“a lmacenar las masas cocidas y pasar con la consistencia “almacenar debida a centrifugación centrifugación y controlar controlar agotamiento de masas”. La cristalización cristalización se realiza en los

tachos, que son recipientes al vacío de un solo efecto. El material resultante que contiene líquido (miel) y cristales (azúcar) se denomina masa cocida.

Centrifugación. La centrífuga permite 2“separar la sacarosa cristalizada de la miel”. La La masa pasa por las centrífugas, máquinas giratorias en las cuales los cristales se separan del licor madre por medio de una masa centrífuga aplicada a tambores rotatorios que contienen mallas interiores, durante el proceso de centrifugado, el azúcar se lava con agua caliente para eliminar la película de miel que recubre los cristales residuos de miel. La miel que sale de las centrífugas se bombea a tanques de almacenamiento para luego someterla a superiores evaporaciones y cristalizaciones en los tachos.

Secado, Enfriamiento Y Envase. El azúcar húmeda se transporta por elevadores y bandas para alimentar las secadoras que son elevadores rotatorios en los cuales el azúcar se coloca en contacto con el aire caliente que entra en contracorriente. El azúcar debe tener baja humedad, aproximadamente 0,05%, para evitar la formación de terrones.

3. Materiales y Procedimiento: 3.1 Materiales y equipos: MATERIALES Caña de azúcar Remolacha

EQUIPOS Centrifugador Cristalizador Evaporador

3.2 Procedimiento: 1. Cultiv Cultivo o y Transp Transport orte e El Azúcar se produce en el campo y se extrae en la fábr fábrica ica.. La sacar sacarosa osa se form forma a en los los tallo talloss de la caña de azúcar. Esta es una gram gramín ínea ea trop tropic ical al giga gigant nte e que que madu madura ra alre alrede dedo dorr de 12 meses meses..

6. Separación Separación En los los tach achos se obtie tiene una una masa, masa, deno denomin minad ada a masa masa cocida cocida,, que que es mezc mezcla la de cris crista tale less de azúc azúcar ar y miel miel.. La separ separaci ación ón se hace hace por por centr centrifu ifugac gación ión en las las maqu maquin inas as dest destin inad adas as a esa esa labo labor. r. De las las cent centri rifu fuga gass sale sale azúc azúcar ar crud cruda a y miel miel.. La miel iel se retorn orna a los los tacho chos para dos etap etapas as adic adicio iona nale less de cris crista tali liza zaci ción ón que que termin termina a con los conocimi conocimient entos, os, o melaza. melaza.

2. Molienda: Molienda: La caña es desme smenuzad zada con cuchillas rotatorias y una desfibradora antes de molerla para facil facilita itarr la extra extracc cción ión del jugo jugo que que se hace hace pasánd ándola en seri serie e, entre los los filt iltros, os, o maza mazass de seis seis moli molino nos. s. Se util utiliz iza a agua agua en contracorriente para ayudar a la extracción que llega a 94 o 95% del azúcar azúcar cont conten enid ida a en la caña. caña.

5. Cristalización La melad ladura pasa a los los tach tachos os dond donde e cont continú inúa a la evap evapor oraci ación ón de agua, agua, lo que que ocasio ocasiona na la crist cristali alizac zación ión del del azúca azúcar. r. Es decir decir que, que, al segui seguirr elimin eliminan ando do agua, llega un momento en el cual la azúcar disuelta en la meladura se deposita en forma de cristales de sacarosa.

3. Clarificaci Clarificación ón La clarif clarifica icació ción n consis consiste te en calentar el jugo y decantarlo. La decantación se lleva a cabo en dos gran grande dess clar clarif ific icad ador ores es en los los cual cuales es las las impurezas, en forma de barro, van al fond fondo o y el jugo jugo clarif clarifica icado do se extra extrae e porla parte superior. superior.

7. Refinación Refinación El azúcar de primera es refu refund ndid ida a o redisu redisuelt elta a con agua; agua; luego luego es aire airead ado o en un reci recipi pien ente te a pres presió ión n y pasa pasa a las las clar clarif ific icad ador oras as dond donde e las las impu impure reza zass flotan flotan y el licor licor clarif clarifica icado do es extra extraíd ído o por por la parte parte inferio inferior. r.

4. Evaporadores

El jugo jugo clar claro, o, pasa pasa a los los evap evapor orad ador ores es en los los cual cuales es se elim elimin ina a alre alrede dedo dorr del del 80% 80% del agua gua con contenida ida en el jugo, go, que con esta operac operación ión se convier convierte te en matadur matadura. a.

Esquema gráfico de la refinación del azúcar

4. Cálculos y resultados: 4.1 Cálculos Tabla 1. Los 12 Principios de la Química Verde. 1.

Prevención: es mejor prevenir la generación de un residuo, que tratarlo o eliminarlo después de haberlo generado.

2.

Economía atómica: los métodos de síntesis deberán diseñarse de tal forma que se incorporen al máximo, en el producto final, todos los sustratos usados durante el proceso.

3.

4.

5.

6.

Síntesis químicas menos peligrosas: los métodos de síntesis deberán ser diseñados para utilizar y generar sustancias que presenten baja o nula toxicidad, tanto para el ser humano, como para el ambiente. Diseño de químicos seguros: los productos químicos se diseñarán de manera que mantengan su eficacia y baja toxicidad. Uso de disolventes seguros o auxiliares: evitar el empleo de sustancias auxiliares como disolventes, reactivos de separación, etc., y en el caso de que se empleen, éstos deberán ser lo más inocuos posible.

Diseño de la eficiencia efi ciencia energética: los requerimientos energéticos en un proceso químico se catalogan por su impacto económico y al medio ambiente; por lo tanto, se sugiere llevar a cabo los métodos de síntesis a temperatura y presión ambiente.

7.

Uso de materias primas renovables:  la materia prima debe ser preferiblemente renovable en lugar de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.

8.

Reducir derivados:   evitar el uso de grupos de bloqueo, de protección-desprotección o la modificación temporal de los procesos fisicoquímicos, su empleo requiere reactivos adicionales y genera residuos.

9.

Catálisis: considerar el empleo de catalizadores, lo más selectivos posible, de preferencia de origen natural.

10.

Diseñar sustancias biodegradables: los productos deberán ser diseñados de tal manera que al final de su vida útil no persistan en el ambiente. a mbiente.

11.

Análisis en tiempo real para prevenir la contaminación:  las metodologías analíticas necesarias serán desarrolladas en el momento del proceso, lo que permitirá un seguimiento y control en tiempo real del proceso, previo a la formación de sustancias peligrosas.

12.

Químicos seguros para prevenir accidentes:  las sustancias y la forma de una sustancia usada en un proceso químico deberá ser elegida para reducir el riesgo de accidentes químicos, incluyendo las emanaciones, explosiones e incendios.

4.2 Resultados:

PROCESO Preparación De La Caña.

Molienda.

Purificación-Sulfitación

Purificación-Encalado

Clarificación

DESARROLLO Se cortan los tallos y los convierten en astillas, dándoles un tamaño más uniforme para facilitar así la extracción del jugo en los molinos. En el recorrido de la caña por el molino se agrega agua, generalmente caliente, y jugo pobre en sacarosa para extraer al máximo la cantidad de sacarosa que contiene el material fibroso. El remanente queda en el bagazo residual que es utilizado como combustible en las calderas, las calderas, así como materia como materia prima para la fabricación de tableros de bagazo. El objetivo principal de esta etapa es producir anhídrido sulfuroso SO2, evitando la sublimación del azufre y mezclarlo con el jugo de caña para eliminar materiales colorantes y transformar a las sales férricas que se forman en tanques y tuberías en compuestos ferrosos incoloros Para la obtención del jugo encalado se debe mezclar en un tanque, jugo sulfitado con lechada de cal (cal con agua) y dejar que el agitador mecánico que se encuentra en parte interior del tanque remueva las dos sustancias para formar sales insolubles, coagular a las materias albuminoides y eliminar una parte de los materiales pépticos y materiales colorantes. El clarificador está compuesto por un agitador mecánico que sirve para retirar los sólidos, no azúcares precipitados en forma de lodo llamados cachaza producido por la sedimentación del jugo, la cachaza sedimentada que todavía contiene sacarosa pasa a un proceso de filtración antes de ser desechada al campo para el mejoramiento de los suelos.

ESCALA DE ANÁLISIS

Clarificación - Filtro de Cachaza

Evaporación.

Clarificación De Meladura.

Cristalización

Centrifugación.

Secado, Enfriamiento Y Envase.

La cachaza sedimentada del proceso de clarificación se debe tratar con agua caliente en un filtro rotativo al vacío para extraer la mayor cantidad de sacarosa posible. La materia sólida resultante de este proceso se conduce a unas tolvas, donde se mezcla con la ceniza que sale de las calderas. Esta mezcla se utiliza en el campo, en la adecuación de suelos pobres en materia orgánica. El jugo entra primero en el preevaporador y se calienta hasta el punto de ebullición. Al comenzar a ebullir se generan vapores los cuales sirven para calentar el jugo en el siguiente efecto, logrando así un menor punto de ebullición en cada evaporador. En el proceso de evaporación se obtiene el jarabe o meladura. Presencia de fugas en el sistema. Cantidad de agua que entra al condensador. Tubos rotos o flojos en la calandria Tubos rotos o flojos en la calandria La meladura que sale de los evaporadores se clarifica para obtener un material más claro y brillante. Esto se obtiene en la estación de clarificación donde la meladura se sulfita, se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante para luego ser enviada al clarificador de meladura La cristalización se realiza en los tachos, que son recipientes al vacío de un solo efecto. El material resultante que contiene líquido (miel) y cristales (azúcar) se denomina masa cocida. El trabajo de cristalización se lleva a cabo empleando el sistema de tres cocimientos o templas para lograr la mayor concentración de sacarosa. La masa pasa por las centrífugas, máquinas giratorias en las cuales los cristales se separan del licor madre por medio de una masa centrífuga. El azúcar se lava con agua caliente para eliminar la película de miel que recubre los cristales residuos de miel. La miel que sale de las centrífugas se bombea a tanques de almacenamiento para luego someterla a superiores evaporaciones y cristalizaciones en los tachos. El azúcar se seca con temperatura cercana a 60ºC, se pasa por los enfriadores rotatorios inclinados que llevan el aire frío en contracorriente, en donde se disminuye su temperatura hasta aproximadamente 4045ºC para conducir al envasado. El azúcar seca y fría se empaca en sacos de diferentes pesos y presentaciones dependiendo del mercado y se despacha a la bodega de producto terminado para su posterior venta y comercio.

5. Conclusiones y recomendaciones: recomendaciones: 5.1 Conclusiones:   

5.2 Recomendaciones:   

6. Bibliografía: