PRODUCCIN DE AZCAR MORENA, ALCOHOL INDUSTRIAL Y ALCOHOL CARBURANTE, A PARTIR DEL JUGO DE LA CAA

El azcar de mesa es el edulcorante ms utilizado para preparar los alimentos y especficamente es la sacarosa. La sacarosa o azcar de mesa es un disacrido formado por glucosa y fructosa. La frmula de la sacarosa es C12H22O11 y puede hidrolizarse a glucosa y fructosa de acuerdo con la siguiente ecuacin:

C12H22O11 + H2O .. C6H12O6 + C6H12O6 Sacarosa Agua Glucosa Fructosa La sacarosa se sintetiza en vegetales pero no en animales superiores; la sacarosa es un producto intermedio de la fotosntesis. Cuando se consume la sacarosa, al llegar al estmago, sufre una hidrlisis cida y una parte de ella se desdobla en sus componentes glucosa y fructosa. El resto de la sacarosa pasa del estmago al intestino delgado donde se convierte tambin en glucosa y en fructosa, pero ya no por hidrlisis cida sino por accin enzimtica donde la enzima sacarasa la desdobla a glucosa y fructosa. El proceso de hidrlisis se denomina inversin del azcar y los dos monosacricos obtenidos se denominan azcares invertidos y tienen la propiedad de ser azcares reductores ya que reducen el reactivo de Fehling y el reactivo de Tollens. Existe una gran controversia sobre el dao que ocasiona el consumo de sacarosa ya que se relaciona con la caries, diabetes, obesidad y otras patologas. Generalmente la sacarosa se extrae del tallo de la caa de azcar, pero tambin se puede obtener de la remolacha azucarera o del maz.

La remolacha o Beta vulgaris que tambin es conocida con los nombres comunes de remolacha beterrada o acelga blanca, es una planta en la cual las hojas y la raz son comestibles. Existen numerosas variedades de las cuales algunas son usadas para alimentacin humana, otras como pienso para el ganado y otras para la produccin de azcar. Otra variedad de remolacha es cultivada por sus hojas y es conocida como acelga. La variedad de mesa es de races gruesas, rojas y carnosas, que se consumen principalmente cocidas; el color rojo se debe a la presencia de dos pigmentos: la betacianina y la betaxantina. Estos dos pigmentos resultan indigeribles y tien el bolo alimenticio, los excrementos y la orina de ese color; sin embargo, por su atoxicidad, se usa frecuentemente como colorante en productos alimenticios.

La remolacha tiene en promedio 20% de sacarosa; si no se cultiva a tiempo, la raz puede perder tamao ya que parte de ella es usada por la planta para producir hojas y flores. Es un cultivo que en la actualidad est mecanizado desde la siembra, pasando por el cuidado de malezas y terminando en la misma recoleccin, por lo que no es intensivo en mano de obra. Estudios realizados en el ao 2008 indican que consumir medio litro de jugo de remolacha al da reduce la hipertensin arterial; esto se debe a que el jugo al mezclarse con la saliva se transforma en nitrito el cual es transformado por el cido clorhdrico del estmago en enxido ntrico el cual acta como reductor de la hipertensin arterial. Si la remolacha se tiene que dejar almacenada para entregarla al cabo de un tiempo a la industria donde se va a procesar, se deben hacer apilamientos cubiertos con paja que protege la remolacha de la intemperie. Siempre que el montn est bien construido y tenga una correcta ventilacin, la remolacha no se deteriora de manera significativa. Las remolachas que se congelan y despus se descongelan producen hidratos de carbono complejos que causan graves problemas en la produccin de la fbrica.

El jarabe de maz es un edulcorante lquido creado a partir del almidn o de la fcula de maz. El proceso para la produccin de jarabe de maz de alta fructosa (JMAF) fue descubierto por investigadores japoneses en la dcada de los aos 70s del siglo XX. Su consumo se ha extendido a todo el mundo, aunque inicialmente fue a Estados Unidos y Canad, pases que han venido limitando su dependencia del azcar de caa o sacarosa proveniente de pases tropicales como Cuba. Inicialmente el almidn es calentado y luego hidrolizado enzimticamente a dextrinas; stas tienen la misma frmula general que los polisacridos, pero son de una longitud de cadena ms corta. Las dextrinas son solubles en agua y son formadas por la degradacin enzimtica del almidn por ciertas bacterias como el Bacillus Macerans. Las dextrinas son luego hidrolizadas a glucosa por medio de la enzima sacarasa de forma tal que se rompan las molculas con la ayuda de dichas enzimas. El jarabe de glucosa formado es filtrado y luego decolorado con carbn activo, nuevamente filtrado y posteriormente evaporado para concentrarlo. Este jarabe se somete a un proceso enzimtico para convertir gran parte de la glucosa hasta fructosa. Se obtiene un jarabe final con una concentracin de fructosa de cerca del 55%. En el jarabe de maz prima la fructosa mientras que usando la sacarosa como edulcorante y teniendo en cuenta que el cuerpo hace inversin de sacarosa generando aproximadamente partes iguales de glucosa y fructosa, se hablara de que es mucho mejor el jarabe dada la relacin entre diabetes y glucosa.

La caa tiene su origen gentico en Nueva Guinea y pertenece a la familia de las graminceas; fue trada a Mxico en 1522 y la primera plantacin se hizo en el estado de Veracruz. El cultivo es propio de zonas tropicales y subtropicales, necesita de abundante agua y puede llegar a absorber hasta el 2% de La energa solar que recibe para realizar una conversin en azcar que alcanza valores entre el 14% y el 17% y de fibra que alcanza valores entre el 13% y el 16%; segn variedad y condiciones locales, la planta puede formar hasta doce tallos. La planta tiene una alta eficiencia fotosinttica y puede llegar hasta un 200% sobre la media de otras plantas. El periodo de crecimiento de la caa de azcar toma entre 11 y 17 meses dependiendo de la variedad y de la zona de cultivo; la planta retoa varias veces y se puede seguir cortando lo que se conoce como zafra. La caa debe renovarse con nuevos retoos cada diez aos ya que se pierde productividad. La caa produce en promedio 120 toneladas por hectrea; el periodo vegetativo es de 13 meses. En el cultivo de la caa el 25% es de hojas y cogollos mientras que el tallo es el 75%. En el tallo se tiene que en promedio el 12% es de sacarosa, 1% de glucosa, 1% de fructosa, el bagazo o fibra (lignocelulosa) es el 16% y agua el 70% (porcentajes en peso). Como el azcar est en el agua, entonces cuando se extrae el jugo tiene una concentracin del 16,67%. Si el proceso de extraccin del jugo se realiza con agua a 40 0C entonces la concentracin de azcar es del 15%.

Cerca del 70% del azcar en el mundo se produce a partir del tallo de la caa, donde se obtienen cerca de 120 toneladas de caa por hectrea y se tiene un rendimiento aproximado de 10 toneladas de azcar por cada 100 toneladas de caa molida. La caa se corta en el cultivo cuando tenga la madurez indicada, lo que significa que tiene el mximo grado de concentracin de sacarosa. Previo al corte de la caa se deben retirar las hojas, lo cual puede hacerse de dos formas bsicas: mediante el corte con machete o mediante quema. El corte con machete es ms costoso por lo intensivo en mano de obra, mientras que la quema de las hojas produce mucha ceniza lo que conlleva a contaminacin por partculas que se dispersan en el aire a grandes distancias. La quema de las hojas aleja animales ponzoosos como alacranes, tambin aleja animales venenosos como culebras; sin embargo, el calor puede reventar el tallo y permitir que acte el Leuconoctoc Mesenteroides que rompe la molcula de sacarosa en glucosa y fructosa, pero polimeriza la fructosa formando dextranas que no fermentan ni cristalizan lo que baja el rendimiento en la produccin de azcar y en la produccin de alcohol.

DESCRIPCIN DEL PROCESO PRODUCTIVO

Produccin de azcar morena

Una vez se corta la caa se lleva al ingenio en trenes caeros donde se descarga en los patios para someterla a un lavado; esto con el fin de retirar tierra que viene en los tallos procedente del cultivo. La tierra presente en la caa es el 0,1% en peso de la caa que entra a lavado. El ingenio se encuentra localizado en la ciudad de Buenaventura donde la presin atmosfrica es de 101,4 kPa. Se utilizan 10 metros cbicos de agua de lavado por cada tonelada de caa que se va a lavar; esta agua se saca de un ro que pasa cerca del ingenio azucarero. Se estima que la caa no retiene nada del agua usada en el lavado y el agua con los slidos (tierra) es botada al mismo ro de donde fue sacada.

Un anlisis del agua que se descarga al ro muestra que los slidos filtrables son el 20% de los slidos totales. El 80% de los slidos suspendidos totales son sedimentables, mientras que el 10% de los slidos sedimentables son inorgnicos. El 100% de los slidos orgnicos son biodegradables. El 100% de los slidos filtrables son slidos disueltos. El 100% de los slidos disueltos son orgnicos y de stos el 100% son no biodegradables.

La caa lavada entra al proceso industrial donde el siguiente paso es picar o desgarrar la caa para facilitar el proceso de extraccin del jugo. La cantidad de caa que entra al picado o desgarre es la misma que sale; no hay prdidas de caa en este proceso.

La caa desgarrada y picada entra al proceso de extraccin del jugo donde se agrega agua a 40 0C para facilitar el proceso de extraccin del azcar. El agua sale de la planta de tratamiento a una temperatura de 30 0C y se calienta hasta los 40 0C requeridos; este calentamiento se realiza en intercambiador con calentamiento indirecto para lo cual se usa vapor saturado proveniente de la caldera.

AGUA

BAGAZOCAA

JUGO + BAGACILLO

El vapor sale del intercambiador como lquido sub-enfriado a una temperatura de 60 0C y se descarga a la caera. El jugo de caa sale a una temperatura de 35 0C.

En la caa la fibra es el 16%. El bagazo tiene 80% de fibra (Lignocelulosa), 1% de sacarosa, 0,4% de glucosa, 0,4% de fructosa y el resto es agua. El bagacillo del jugo de la caa (fibra) es el 6,25% de la fibra presente en la caa. La composicin del jugo extrado de la caa es:

Sacarosa = 12%Fructosa = 1%Glucosa = 1%Bagacillo (fibra) = 1%Agua = 85%

El agua, la glucosa, la fructosa y la sacarosa forman el jugo exento de bagacillo. Para retirar el bagacillo se hace una clarificacin donde se utilizan 0,30 mL de polmero por cada tonelada de jugo (Densidad del polmero es 1,25 kg/L). Al separar la cachaza (cachaza es el bagacillo con parte de jugo exento de bagacillo) se tiene la siguiente composicin:

Bagacillo = 85%Jugo exento de bagacillo = 15%

El bagazo obtenido en el proceso de molienda se somete a una operacin de secado donde se usa un sistema en contracorriente. El aire se toma del medio ambiente a una temperatura de bulbo seco de 26 0C y Humedad Relativa del 10% y se calienta, antes de entrar al secador, a humedad absoluta constante, hasta 38 0C. El calentamiento del aire se hace con vapor de agua saturado a travs de un serpentn a donde entra el vapor saturado y sale como lquido sub-enfriado a una temperatura de 60 0C, el cual se descarga a la caera. El bagazo se va a secar desde 18,2 % hasta 10% porcentaje en peso (Base hmeda). Parte del aire que sale del secador, se recircula y se mezcla con el aire caliente que va a entrar al secador. La humedad de la mezcla de aire que entra al secador es de 0,015 kg de agua/kg de aire seco, mientras que la humedad del aire que sale del secador es de 0.021 kg de agua/kg de aire seco.

Aire

Vapor

Aire recirculadoCalentador

AireAire

CondensadoSecador

Bagazo hmedo

Bagazo seco

El jugo exento de bagacillo y a una temperatura de 35 0C se lleva a un evaporador de tres efectos, donde en cada uno de ellos se retira la misma cantidad de agua hasta alcanzar una concentracin final del 60% de slidos disueltos (sacarosa, glucosa y fructosa) y 40% de agua; el calor especfico del jugo de la caa es de 3,82 kJ/kg.0C y se puede asumir constante en el proceso de evaporacin. El jugo concentrado se llama meladura. El primer evaporador opera a una presin manomtrica de 41,9 kPa y se calienta con vapor saturado proveniente de la caldera, el cual entra al evaporador por un serpentn y sale como lquido sub-enfriado a una temperatura de 60 0C; el condensado se descarga a la caera. El vapor del agua retirada en el primer evaporador se usa para calentar el segundo evaporador y el vapor del agua retirada en el segundo evaporador se usa para calentar el tercer evaporador. Tanto el vapor usado para calentar el segundo evaporador como el vapor usado para calentar el tercer evaporador se descargan a la caera, como lquido sub-enfriado a 60 0C. El jugo concentrado que sale del tercer evaporador se llama meladura. La energa necesaria para concentrar el jugo en el primer evaporador proviene de la caldera. La energa necesaria para retirar el agua en el segundo evaporador es suministrada por el vapor retirado en el primer evaporador; la energa necesaria en el tercer evaporador es suministrada por el vapor retirado en el segundo evaporador. Entonces, solo requiere vapor de caldera el primer evaporador. El agua retirada en el segundo y en el tercer evaporador sale como lquido sub-enfriado a 60 0C.

El segundo evaporador trabaja a una presin vacuomtrica de 31,26 kPa y el tercer evaporador trabaja a una presin vacuomtrica de 54,01 kPa. La meladura, a una temperatura de 80 0C, se lleva a un tanque llamado tacho donde se sigue evaporando agua hasta que se alcanza una concentracin tal que se forman cristales de sacarosa, los cuales quedan suspendidos en una solucin formada por agua, glucosa, fructosa y por la sacarosa que no cristaliz. El tacho opera a una presin manomtrica de 97,1 kPa.

El calentamiento para evaporar el agua en el tacho se realiza de nuevo con vapor saturado procedente de la caldera, el cual entra al tanque por un serpentn y sale como lquido sub-enfriado a una temperatura de 60 0C; el lquido sub-enfriado se descarga a la caera. Se retira agua hasta que los slidos (sacarosa, glucosa y fructosa) son el 85% en peso, siendo el resto agua. La sacarosa cristalizada es el 80% de la sacarosa que entra al tacho y el resto de sacarosa forma la solucin con la glucosa, la fructosa y el agua que no se evapor.

La solucin y los cristales de sacarosa se llevan a un proceso de centrifugacin/filtracin donde se retienen los slidos cristalizados de sacarosa para obtener azcar morena. La torta que queda en el filtro de la centrfuga est formada por todos los cristales de sacarosa, los cuales son el 98% de la torta y el 2% restante es solucin. El filtrado, es decir la solucin que no queda retenida en el filtro se conoce como miel de purga y se usa para la produccin de alcohol mediante el proceso de fermentacin. La torta se lleva a un proceso de secado donde se retira toda el agua que est en la solucin que qued retenida y se obtiene azcar morena.

Produccin de alcohol industrial

La miel de purga se almacena a una temperatura de 120 0C y se deja reposar hasta que la temperatura es de 70 0C. Para la produccin de alcohol se diluye la miel de purga con agua hasta que la mezcla resultante tiene una concentracin de sacarosa del 8% en peso. La temperatura del agua de dilucin es de 60 0C. La miel de purga diluida se pasteuriza calentando hasta 120 0C y enfriando hasta 35 0C. El calentamiento se realiza con vapor saturado el cual sale del intercambiador como lquido sub-enfriado a una temperatura de 60 0C. El enfriamiento se realiza con agua a una temperatura de 25 0C la cual sale del intercambiador a una temperatura de 30 0C.

PasteurizadorMezclador

La miel de purga pasteurizada se somete a un proceso de fermentacin agregando levadura donde ocurren las siguientes reacciones:

C12H22O11 + H2O .. 2 C6H12O6

C6H12O6 . 2 C2H5OH + 2 CO2

C2H5OH + H2O

CO2 + C2H5OH

VinazaEl 80% del dixido de carbono producido sale como gas junto con el 1% del alcohol producido y escapan a la atmsfera. El dixido de carbono restante reacciona con el agua para formar cido carbnico. El 99% del alcohol producido queda retenido en el agua junto con el cido carbnico producido.

El guarapo formado se lleva a destilacin donde se separa el alcohol, el cual sale por la cima de la columna de destilacin donde es el 95% en peso mientras que el 5% restante es agua. Por el fondo de la columna sale vinaza a 80 0C la cual se descarga al cao directamente. El calor consumido en la destilacin es de 1862,56 kilo-julio por cada kilogramo de guarapo destilado. El alcohol producido con la pureza del 95% se llama alcohol industrial.

Tamiz molecular

Alcohol + Poca aguaAlcohol + Agua

Agua

El 40% del alcohol industrial se usa para producir alcohol carburante con una pureza del 99,5%. Para esto el alcohol industrial se calienta desde 30 0C hasta 110 0C y se pasa por tamices moleculares donde se consumen 1080 kJ/kg de alcohol industrial. Los tamices moleculares se regeneran cada 1.000 toneladas de alcohol industrial procesado.

Planta de fuerza (Calderas)

La caldera produce vapor saturado a una presin de 143,3 kPa. Se quema metano el cual entra a la caldera a una temperatura de 30 0C. Como comburente se usa aire a una temperatura de bulbo seco de 30 0C y una humedad relativa del 70%. La reaccin de combustin es la siguiente:

CH4 + O2 .. CO2 + CO + H2O

Los gases de chimenea salen a una temperatura de 300 0C. La composicin del aire, base seca, es 20% de O2 y 80% de N2.

El agua que se usa para la caldera no tiene tratamiento alguno y se usa tal y como llega del acueducto a una temperatura de 25 0C.

Nota: Si la caldera que se calcula tiene ms de 400 BHP y menos de 800 BHP, se recomienda usar dos calderas. En trminos generales, se recomienda usar calderas de menos de 400 BHP cada una.

Distribucin en planta.

La empresa est localizada en un rea de dos hectreas. Con esta rea realizar una distribucin en planta de las secciones que conforman la empresa, de acuerdo con la siguiente informacin:

Patio de caa y lavado de caa = 2.000 m2Calderas = 2.000 m2Zona de extraccin de jugo y clarificacin de jugo = 500 m2Zona de bagazo y secado de bagazo = 1.000 m2Sala de evaporadores, cristalizadores, centrfugas para obtencin de azcar, secador de azcar y empacado de azcar = 2.000 m2Bodega de almacenamiento de azcar = 1.000 m2Tanques de almacenamiento de miel de purga = 1.000 m2Zona de fermentacin y destilacin = 1.600 m2Tanques de almacenamiento de alcohol industrial y de alcohol carburante = 1.600 m2Queda pendiente para distribuir oficinas, parqueadero, cafetera, almacn, enfermera, zona deportiva y otros que ustedes pueden proponer.