2017 OBTENCIÓN DEL CONCENTRADO DEL JUGO DE CAÑA DE AZÚCAR
INGENIERIA
AGROINDUSTRIAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
TEMA:
OBTENCIÓN DEL CONCENTRADO DEL JUGO DE CAÑA DE AZÚCAR
ASIGNATURA:
PROCESOS TECNOLÓGICOS DE AZUCARES
ESTUDIANTES:
DAMIAN TOLENTINO Brayan Alexander MEJIA VASQUEZ Antony Junior PONTE RAMIREZ Reynaldo
CICLO:
IX
NUEVO CHIMBOTE – PERÚ
OBTENCIÓN DEL CONCENTRADO DEL JUGO DE CAÑA DE AZÚCAR
INTRODUCCIÓN El jugo proveniente de los molinos, pasa al tanque, donde se rebaja su grado de acidez. El jugo alcalinizado se bombea a los calentadores, donde se eleva su temperatura hasta un nivel cercano al punto de ebullición. Luego antes de pasar a los clarificadores va a un tanque de flasheo abierto a la atmósfera, en el cual pierde entre 3 y 4 grados centígrados por acción de evaporación natural, también se cambia la velocidad del jugo de turbulento a laminar. En los clarificadores se sedimentan y decantan los sólidos. Los sólidos decantados pasan a los filtros rotatorios, trabajan con vacío y están recubiertos con finas mallas metálicas que dejan pasar el jugo, pero retienen la cachaza, que puede ser usada como abono en las plantaciones. El precipitado por floculación arrastra consigo la mayor parte del material fino que está en suspensión en el jugo y que no ha sido extraído por un tamizado mecánico previo. La separación del precipitado del jugo que lo rodea se efectúa casi universalmente mediante la sedimentación y la decantación. Sin embargo, durante el proceso sólo se eliminan los sólidos en suspensión con una apreciable diferencia de densidad respecto al jugo, mientras quedan en suspensión partículas finas de bagacillo y flóculos de baja densidad, debido a la presencia de pequeñas burbujas de aire ocluidas en su superficie. Los coloides son eliminados en menos del 30 %, y de ellos los polisacáridos y las sales son los más difíciles de eliminar. Experimentos realizados a escala de laboratorio mostraron que la adición de un surfactante al jugo por clarificar, mejora la velocidad de sedimentación, la remoción de sólidos insolubles y polisacáridos, da lodos más densos e incrementa la acción de los floculantes El grado de clarificación que se logra tiene un efecto importante sobre las siguientes etapas de fabricación: en el centrifugado, en la calidad de los productos y en el rendimiento de azúcar crudo. La velocidad de filtrado y la facilidad de elaboración d azúcar también resultan afectadas por las cualidades del azúcar crudo atribuibles a Ia clarificación.
OBJETIVO -
Objetivos Generales:
-
Realizar un proceso de clarificado adecuado. Aprender a operar y manejar un evaporador. Objetivos específicos:
Realizar un balance de materia
Realizar un balance de energía
Calcular el rendimiento.
MARCO TEÓRICO: Cada hombre de azúcar sabe que sin una buena aclaración del jugo de caña de azúcar, la producción de azúcar en bruto de buena calidad es imposible. El propósito de la clarificación es la precipitación y eliminación de todos los posibles no-inorgánicos, orgánicos e inorgánicos, y la preservación de sacarosa y azúcares reductores tanto como sea posible en jugo clarificado. La mala aclaración de los jugos de caña complica todo el proceso de fabricación del azúcar. En muchos casos, cuando los jugos todavía permanecen sucios después de una sedimentación prolongada, es necesario dejar de moler y dar tiempo adicional para el asentamiento del lodo. La capacidad excesiva en clarificadores puede resultar en la pérdida de azúcar. Por lo tanto, el aumento de la capacidad de sedimentación debe planificarse cuidadosamente y tener en cuenta diferentes factores. La mayor parte del jugo de caña de azúcar es agua y compuestos orgánicos, principalmente sacarosa, dextrosa y levulosa, los dos últimos supuestamente en cantidades iguales. Hay otras sustancias reductoras menos importantes presentes, y aproximadamente 0,5% del jugo de caña se compone de compuestos inorgánicos o cenizas. También queda en el jugo de caña después de triturar una cierta cantidad de fibra, principalmente celulosa, que pasa a través de la pantalla cush-cush en forma de denominado bagacillo. El zumo de caña crudo se calienta generalmente a un pH algo por encima de 8,0 para obtener jugo clarificado de aproximadamente 6,8-7,2 de pH. En la clarificación de los jugos de caña, la presencia de una cantidad adecuada de ácido fosfórico es muy importante. La insuficiencia de óxido de fósforo disponible en el jugo es una de las causas de una pobre aclaración. La cantidad deseable de óxido de fósforo presente en el jugo de caña no debe ser inferior a 300 ppm. El P2O5 añadido al zumo de caña antes del encalado puede estar en forma de ácido fosfórico (H3P04) 85% de jarabe, fosfato monocálcico (CaH 4 (P04) 2 + H20) o fosfato de calcio (Ca 3 (P04)2), que es el tipo de fertilizante.
Existen otros agentes clarificantes en el mercado, que en algunos casos pueden mejorar la calidad del jugo clarificado, pero en general no se ha demostrado todavía que cualquier producto sea más beneficioso para la clarificación que el ácido fosfórico y la cal. Siempre hay que recordar que el ácido fosfórico debe añadirse antes del encalado. Otro factor importante en la aclaración es la temperatura. El jugo crudo encalado que entra en el clarificador debe ser calentado en calentadores a 104°C, ligeramente por encima del punto de ebullición de los jugos de caña de 13-16 ° Brix. A esta temperatura se reduce la viscosidad de los jugos de caña, y cuando el jugo pasa a través del tanque de evaporación, se eliminan los gases ocluidos. A una temperatura más baja, la clarificación se vuelve más difícil debido a la sedimentación más lenta de los materiales suspendidos en el jugo. La temperatura elevada es importante porque ayuda a la necesaria coagulación de las sustancias de albúmina y nitrógeno y la floculación de la cal y fosfatos en el jugo. Por otro lado, altas temperaturas conducen a la destrucción del azúcar invertido. La panela (proceso de azúcar sin refinar) es un producto alimenticio que se produce principalmente en instalaciones de montaña denominadas trapiches (Díaz e Iglesia, 2012), conocida también como agroindustria panelera (trapiche) que es de tipo rural (Obando, 2010), tradicional y artesanal en todo el mundo, caracterizándose por una producción poco organizada, en la cual no se controlan las condiciones de proceso ni las características del producto terminado. Para cumplir lo anterior, es necesario controlar los factores que afectan la calidad de la panela, los cuales se les clasifica en agroecológicos y de proceso (Mujica et al., 2008), entre los de proceso están: el pH, la velocidad de calentamiento y clarificación.
Ilus tración 1.- C larificación de la caña de azúcar Quezada-Moreno y Gallardo-Aguilar (2014) expresan que la clarificación de jugos de caña consiste en coagular los no azúcares por calentamiento a temperaturas muy cercanas a la de ebullición mediante la adición de algún
agente clarificador. A través de lo anterior, se comprueba la eficiencia de los productos químicos y de los mucílagos naturales empleados para eliminar la cachaza, partículas suspendidas (sólidos en suspensión) y coloidales e impurezas no azúcares (Zossi et al., 2012), los cuales no son extraídos de forma apropiada durante el proceso de clarificación en la elaboración de panela. Por la gran acogida que tiene la panela en la provincia antes mencionada, se hace necesario mantener un estándar en cuanto a la calidad del jugo de caña empleado para su elaboración en especial su color, el cual presenta un aspecto no agradable por la presencia de impurezas y de sólidos en suspensión, los mismos que no son extraídos de forma apropiada debido al incorrecto proceso de clarificación, en el cual se emplea mucílagos naturales (mucílago de corteza de cacao y muyuyo) como clarificantes, sin dosificaciones que mantengan estandarizado los productos que se obtienen a partir de ella. El objetivo de esta investigación fue evaluar el empleo de mucílagos naturales (mucílago de corteza de cacao y muyuyo) durante el proceso de clarificación del jugo de caña de azúcar. La clarificación con cal y calor son conocidas como proceso de defecación ' sirva básicamente para la obtención de azúcar rubia. La adición de sustancia sulfatos, carbonates y sulfitos permite obtener azúcar blanca en forma directa.
La Cal Honig (1968) señala que debe dársele una importancia básica de incrementar el pH del jugo hasta un punto cercano a la neutralidad en el que, en las subsecuentes operaciones la inversión de la sacarosa se haga insignificante. Para incrementar el valor del pH del jugo de caña se utiliza una solución de óxido de calcio con una concentración de 74 g/L, ya que un pH bajo y el incremento de la temperatura favorecerán la inversión química de la sacarosa y por ende la generación de azucares reductores (Mujica et al., 2008). El mismo autor menciona que la sacarosa es estable en medio alcalino, mientras que los azucares reductores (glucosa y fructuosa) lo son en medio ácido. La función de la cal es doble, pues además de subir el pH actúa como floculante permitiendo que flote el material en suspensión del jugo, comúnmente conocido como cachaza (CORPOICA - CIMPA, 1996). Otros métodos empleados para la eliminación de sólidos insolubles son los surfactantes que se utilizan como auxiliares en el proceso de clarificación (Gil ef al., 2007).
Mosquera et al. (2007) menciona que la adición de cal (coagulante metálico) tiene como finalidad la desestabilización de las fuerzas que mantienen unidas las partículas sólidas. El mismo autor aclara que el tipo de cal utilizado debe ser de grado alimentario debido a que no solo evitara un mal proceso, sino que garantizará la salud de los consumidores.
Purific ación del J ug o En la fabricación de azúcar crudo, la cal y el calor son casi los únicos agentes que se utilizan con éste fin aunque generalmente se añade una pequeña cantidad de fosfato soluble. La clarificación con cal y calor conocida como defecación simple, es el método más antiguo para purificar el jugo y en muchos sentidos es el más efectivo, pero el procedimiento varía en función a la localidad y a la condición (Chen, 2000). El grado de clarificación tiene un efecto importante sobre:
Afecta la ebullición en los tachos. El centrifugado. La calidad de los productos, y lo que es más importante. El rendimiento del azúcar crudo.
S is temas de Clarificación El proceso de clarificación sólo con cal y calor, era antiguamente más o menos uniforme en todo el mundo. Se han efectuado muchas modificaciones por la importancia actual que se da actualmente al logro de una clarificación más eficiente. Además por dar un tratamiento especial a los jugos refractarios o difícil de tratar que producen ciertas variedades de caña (Chen, 2000). Las etapas del proceso y las modificaciones o variantes de cada una son las siguientes: Método de añadir la cal: Como sacarato; como lechada, en forma discontinua o continua. Regulación de la cantidad de cal: pruebas periódicas; registro continuo del pH; alimentación automática mediante el control del pH. Momento en que se añade la cal: antes de calentar el jugo; "alcalinización demorada" (aumento del tiempo de reacción antes de calentar): después de calentar; en fracciones, y antes y después de calentar. Temperaturas: ebullición; sobrecalentamiento, calefacción en dos etapas. Tratamiento de los jugos procedentes de diferentes molinos; clarificación simple; clarificación compuesta; y clarificación separada. Método de decantación: decantadores abiertos; decantadores continuos y cerrados El tratamiento de espumas: filtración simple; filtración doble; retorno a los molinos; redefecación por separado, o con jugos diluidos, como en la clarificación compuesta.
Resumen del Proceso de Fabricación de Azúcar de Caña Crudo: 1.-) Extracción del Jugo: La extracción del jugo moliendo la caña entre pesados rodillos o mazas constituye la primera etapa del procesamiento de del azúcar crudo. Primero, la caña se prepara para la molienda mediante cuchillas giratorias que cortan los tallos en pedazos pequeños, mediante molinos de martillo que desmenuzan pero no extraen el jugo, o bien, en forma más general, por una combinación de dos o tres de dichos métodos. En las prácticas de molienda, más eficientes, más del 95% del azúcar contenido en la caña pasa a guarapo; este porcentaje se conoce como la extracción de sacarosa (por dela extracción, o más sencillamente, la extracción). 2.-) Purificación del Guarapo: Clarificación: el jugo de color verde oscuro procedente de los trapiches es ácido y turbio. El procesa de clarificación (o defecación), diseñado para remover las impurezas tanto solubles como insolubles, emplea en forma general, cal y calor agentes clarificantes. La lechada de cal, alrededor de 16 (0,5 kg) (CaO) por tonelada de caña, neutraliza la acidez natural del guarapo, formando sales insolubles de calcio. El jugo clarificado transparente y de un color parduzco pasa a los evaporadores sin tratamiento adicional. 3.-) Evaporación: el jugo clarificado, que tiene más o menos la misma composición que el jugo crudo extraído, excepto las impurezas precipitadas por el tratamiento con cal, contiene aproximadamente un 85 % de agua. Dos terceras partes de esta agua se evapora en evaporadores de vacío de múltiple efecto, los cuales consisten en un necerión (generalmente cuatro) de celdas de ebullición al vacío. 4.-) Clarificación del Jugo Crudo: el proceso es similar a la fosfatación del refundido en unas refinerías de azúcar. En este caso, se añaden al jarabe o meladura cal y ácido forfórico, luego se airea junto con la adición de un polímero floculante. 5.-) Cristalización: La cristalización tiene lugar en tachas al vacío de simple efecto, donde el jarabe se evapora hasta quedar saturado de azúcar. En este momento se añaden semillas a fin de que sirvan de medio para los cristales de azúcar, y se va añadiendo más jarabe según se evapora el agua. El crecimiento de los cristales continúa hasta que se llena el tacho. La templa (el contenido del tacho) se descarga luego por medio de una válvula de pie a un mezclador o cristalizador.
7.-) Centrifugación o Purga; Reebullicion de las Mieles: l amasa cocida proveniente del mezclador o del cristalizador se lleva a maquinas giratorias llamadas centrifugador. El tambor cilíndrico suspendido de un eje tiene paredes laterales perforadas, forradas en el interior con tela metálica, entre éstas y las paredes hay láminas metálicas que contienen de 400 a 600 perforaciones por pulgada cuadrada. El tambor gira a velocidades que oscilan entre 1000 1800 rpm. El revestimiento perforado retiene los cristales de azúcar que puede lavar con agua si se desea. El licor madre, la miel, pasa a través del revestimiento debido a la fuerza centrífuga ejercida (de 500 hasta 1800 veces la fuerza de la gravedad), y después que el azúcar es purgado se corta, dejando la centrífuga lista para recibir otra carga de masa cosida. Las máquinas modernas son exclusivamente del tipo de alta velocidad (o de una alta fuerza de gravedad) provistas de control automático para todo ciclo. Los azúcares de un grado pueden purgarse utilizando centrífugas continuas. 8.-) Historia de la Maquinaria, el Equipo y los Procesos: Los fabricantes y refinadores de azúcar tienen razón de sentirse orgullosos de su historia como pioneros de la industria química y del procesamiento de alimentos. La mayor parte de los equipos básico se desarrolló específicamente para la producción azucarera y más tarde se adaptó para usos generales. El azúcar fue la primera industria alimenticia en emplear química, y de adelantó por muchos años a las modernas ideas de control técnico y químico tan corrientes ahora en las grandes fábricas. 9,-) Máquinas y Equipos: Los primeros tipos de molinos de caña empleaban rodillos verticales de madera molida por animales, fuerza hidráulica, o motores de viento. Se le atribuye a Sematon haber sido el primero en disponer tres rodillos horizontales en la forma triangular actual, y algunos prestigiosos autores afirman que fue el quien ideó el primer molino de este tipo, movido por vapor en Jamaica. 10.-) Capacidad del Equipo: Debido al hecho de que son muchos los factores que influyen en la selección del equipo adecuado en el ingenio azucarero, las cifras promedios podrían conducir a conclusiones erróneas. Las condiciones locales, las características y riqueza del contenido de la caña, el tipo de proceso, la calidad deseada de la producción y muchas otras consideraciones, afectan el tamaño y capacidad de máquinas y equipos en las diferentes estaciones de la fábrica.
MATERIALES: -
Materiales y Equipos:
Caña de azúcar.
Trapiche.
Cal.
pH-metro
Tela para filtrar.
Balanza analítica.
Cocina eléctrica
Ilus tración 2.- Cal
Ollas
Baldes.
Cuchillos.
Mesas de acero inox.
Ilus tración 3.- pH-metro
Ilus tración 4.- Caña de Azúcar / Trapiche
PROCEDIMIENTO PR OCES O DE OBTENCIÓN del J UGO DE CAÑA DE AZUCAR Caña de Azúcar
Recepción De Materia Prima
Extraer
[Jugo de Caña]
Filtrar
Cal
Encalado
Temp= 40°C pH 8
PRE PAR ACIÓN DEL CULTIVO MADR E Cultivo Madre
Preparar
500 ppm
PROCES O DE CLARIFICADO DE LA CAÑA DE AZUCAR Encalado
Mezclar
Cultivo Madre
Filtrar
Antiincrustante
Añadir
40 ppm
Evaporar
[5ppm]
RESULTADOS CLARIFICADO DE LA CAÑA DE AZUCAR B alance de Materia: Lechada de cal (10-30mL) + cultivo madre (500 ppm)
20 L de jugo de caña
MEZCLA
Jugo clarificado
Antiincrustante (40ppm)
ADICIÓN
Jugo preparado para la concentración
Cachaza
DISCUSIONES
Según Clarke et al., 1986a En la caña, el agua representa entre 73% y 76%. Los sólidos totales solubles (brix, % caña) varían entre 10% y 16%, y la fibra (% de caña) oscila entre 11% y16%. Entre los azúcares más sencillos se encuentran la glucosa y la fructosa (azúcares reductores), que existen en el jugo de cañas maduras en una concentración entre 1% y 5%. La calidad del azúcar crudo y de otros productos —como el color y el grano (dureza) de la panela — dependen, en parte, de la proporción de estos azúcares reductores, los cuales cuando aumentan por causa del deterioro o falta de maduración de la planta, pueden producir incrementos en el color y grano defectuoso en la panela. Dado a nuestros resultados obtenidos por medio de la experimentación en laboratorio deducimos que la caña de azúcar inicial tiene un rango de color aceptable dentro de los parámetros de calidad siendo la caña gruesa la que mayor color tiene, esto debido al mayor porcentaje de solidos totales y mayor proporción de azucares reductores contenidos en la caña, mientras que el color de la caña de azúcar delgada en el proceso de clarificado fue mayor que el color de caña gruesa esto debido a que la caña de azúcar sufrió un deterioro a causa de las altas temperaturas producidas para el clarificado los cuales provocaron aun aumento de azucares reductores que hicieron variar más el color que la caña de azúcar gruesa.
Según SMRI, 1992 La cristalización comercial del azúcar (sacarosa) es afectada por otras clases de azúcares, diferentes a la fructosa y a la glucosa, que se encuentran presentes en los jugos. Este grupo de carbohidratos conocidos como oligosacáridos, debido a que están constituidos por más de dos y menos de 10 unidades de azúcares sencillos (monosacáridos), causan un alargamiento en el eje ‘‘C’’ de la
estructura cristalina, o sea, alteran el tamaño del cristal de sacarosa. Entre los principales oligosacáridos reconocidos en la caña de azúcar se encuentran: theanderosa, erlosa, gentianosa, cestosa y leucrosa. En Suráfrica se considera que la formación de otros oligosacáridos depende de la maduración del cultivo y sus niveles incrementan rápidamente con el deterioro de la caña después del corte.
CONCLUSIONES
La evaporación del jugo de caña a presiones diferentes a la atmosférica modifica la calidad de la panela de la siguiente forma: a presiones menores a la atmosférica se incrementa la dureza, opacidad y turbidez y se disminuye el contenido de sólidos insolubles, el coeficiente glucósido y el color, con una tendencia hacia los tonos amarillos. A presiones mayores a la atmosférica se disminuye la dureza hasta el punto de no solidificar, se incrementa el brillo, la turbidez, el coeficiente glucósido y predomina el color oscuro en tonos rojizos. Cuando el flujo calórico suministrado al sistema es bajo, se favorecen las reacciones de hidrólisis y PNE y se obtienen mieles opacas, turbias, con coloraciones oscuras en tonalidades cafés o negruzcas y las panelas producidas no logran una buena solidificación aún en los sistemas al vacío, características contrarias a las de las mieles producidas con un alto valor del flujo de calor. Para explicar este comportamiento, se debe considerar que el material iónico y coloidal (proteínas, silicatos y fosfatos de calcio, magnesio y hierro) presente en el jugo es el causante de la turbidez y que, al calentarse el jugo, se favorece la coagulación de este material, debido principalmente a la temperatura, por ende, a la energía cinética, el movimiento de las partículas y la presión del sistema, de forma que, al iniciarse el calentamiento durante la clarificación del jugo, algunas partículas coloidales forman complejos iónico-miscelares.
BIBLIOGRAFÍA
Codex Alimentarius. 2011. Propuestas de un nuevo trabajo, norma técnica para la producción y comercialización de la panela para consumo humano. Roma: FAO; [consultado 2011 nov]. Durán E. 2010. Determinación de la eficiencia energética de un sistema de evaporación de múltiple efecto empleado en la concentración de jugos de caña panelera [trabajo de grado]. [Bogotá]: Fundación Universidad de América. Fernández JM. 2005. Estructura y función de los hidratos de carbono: azúcares, almidón, glucógeno, celulosa; [consultado 2009 ene]. https://ferrusca.files.wordpress.com/2013/04/tema5-hidratoscarbono.pdf. García D. 2007. Estudio cinético de la inversión de la sacarosa; [consultado 2009 abr]. http://www.buenastareas.com/ensayos/ EstudioCinetico-De-La-Inversion-De/5133110.html
