LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR INSTITUTO CUBANO DE INVESTIGACIONES DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR (ICIDCA)

EDITORIAL CIENTIFICO-TECNICA LA HABANA

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Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar

Director Luis O. Gálvez Taupier Coordinación técnica general Herly Noa Silverio Consejo de redacción Mike Young Oscar Almazán Leonel González Carlos de Armas Nancy Fernández Nelson La Serna Laura Lami Arnaldo García Secretaria de redacción Gladys La Serna

0 Instituto Cubano de Investigaciones de la Caña de Azúcar, 198= ® Sobre la presente edición: Editorial Científico-Técnica, 1986 Revisión técnica: ICIDCA Edición: Juan F. Valdés Montero Diseño : José González Rodríguez Corrección: Lourdes Rodríguez Pérez y Pilar Trujillo Curbelo

Ministerio de Cultura Editorial Científico-Técnica Calle 2 # 58, entre 3' y 5' Ciudad de La Habana, 4

ÍNDICE

pág. Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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PRIMERA PARTE. SITUACION ACTUAL Y PERSPECTIVA . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo I. Economía y desarrollo perspectivo de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Desarrollo de la industria azucarera y de derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Análisis de la producción azucarera en los últimos 20 a . . . . . . . . 1 .2 Desarrollo de la producción de derivados . 2 Aspectos que hay que considerar para la industrialización de los deri vados . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Transformación de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Disponibilidad de áreas cañeras .............. .. . . . .. . .. . 2.3 Limitaciones para la utilización del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Competencia en el uso de las mieles finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 .5 Alza sistemática del precio de los equipos . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 2.6 Problema de mercado de los derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Producción de derivados de segunda generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Solución a los problemas que confrontan los países azucareros . . . . . . 4 Caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Tendencias de utilización de la caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Utilización de los residuos de la cosecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Utilización del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Celulosa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Industria hidrolítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Derivados aglomerados de¡ bagazo . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Carbón activado . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . 7 Utilización del meollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Bagacillo predigerido (meollo predigerido) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Utilización de las mieles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Alcohol etílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Levadura torula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 L-lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 8.4 Ácido cítrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Otros derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 9 Utilización de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Cera refinada de cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Sucroquímica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Sorbitol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 6 11 12 13 13 13 15 15 16 16 16 17 18 19 20 20 33 37 40 40 42 42 42 47 47 48 49

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Capítulo II. La caña de azúcar como fuente de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . ... . 2 La caña de azúcar como fuente de .biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Energía solar, su transformación en biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Demanda de energía en la producción de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Características de las diferentes formas de biomasa . . . . . . . . . . . . . . 3 Potencialidad de la industria de azúcar de caña como fuente de materia prima y energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 3.1 Situación energética actual de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . 3.2 Generación de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Esquemas de proceso ... ... . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 3.4 Esquemas energéticos de alta eficiencia . . . . . . . .. . ......... 4 Otras formas de utilización de la caña como fuente de energía . . . . . . . . 4 .1 Producción de alcohol combustiblé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Pág. 4.2 Producción de biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Producción de gas pobre y otras alternativas energéticas . . . . . . . . . . 5 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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SEGUNDA PARTE. MATERIAS PRIMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo III . La caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Taxonomía de la caña de azúcar actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Floración de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ..... ....... ... . 4 Algunos aspectos de la fisiología de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Mejoramiento y selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . - . . . . . . . . 6 Inducción de mutaciones ....... . ... ... ......... ...... ............... 7 Cultivo de tejidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . 8 Métodos de selección en caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Resistencia a enfermedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . 9.1 Gomosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 .2 Mosaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 9.3 Carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Roya . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Pudrición roja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90 90 93 94 97 97 99 99 105 105 l05 105 107 107 107

Capítulo IV. Bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Composición física, química y morfológica del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... ... ... ... ... ... ... . 2.1 Composición física . . 2.2 Composición morfológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Composición química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Desmedulado del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Afectaciones tecnológicas que introduce la medula . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Tecnología de desmedulado, equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Métodos de desmedulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Política de desmedulado, alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Almacenamiento del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Almacenamiento compactado en pacas húmedas . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Almacenamiento compactado en pacas presecadas . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Influencia del desmedulado previo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Almacenamiento en briquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Almacenamiento a granel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .8 Sistema con tratamiento biológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Sistemas con formación en húmedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Sistemas con formación en suspensión . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Calidad del bagazo industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Parámetros primarios que determinan la calidad del' bagazo . . . . . . 5 .2 Especificaciones de calidad del bagazo entregado por el central azucarero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111 111 111 112 116 118 1,19 119 120

Capítulo V. Utilización de residuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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121 121 122 122 123 123 123 124 124 126 126 127 127 129 129

. .. ... ... . .. ... ... . .. ... ...

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Capítulo VI. Mieles cubanas . Características principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Características químicas de las mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Hidratos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . "

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Introducción . . . . . . . . . . . . . . Caracterización . . . . . . . . . . . . . Recolección y obtención de Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . Vías de utilización . . . . . . . . 5.1 Alimentación animal . . 5.2 Fines energéticos . . . . . . 5.3 Otros usos . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 3 4 5

.. ... .... .. ... . ... residuos .. ...... . ....... .. ... ... ... .. ... ... . .... ... .. .........

.......... ... ..... . agrícolas ..... ... .. . ... ... ... . ... ... ... .. ...... .. . ....... .. ........ ..

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Pág.

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2.2 Componentes no azúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Estudio de algunas tendencias de los componentes presentes en la miel de caña cubana . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Comparación de algunos componentes químicos de las mieles de caña cubana N, mieles de remolacha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características fisicoquímicas de las mieles finales cubanas . . . . . . . . ... . .. . ... ... .. . ... .. ... . ... ... . 3.1 Propiedades rcológicas . . . . . . . . . . 3.2 Viscosidad aparente de las mieles finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Tensión superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .5 Calores específico y de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .6 Efectos de la esterilización sobre las mieles finales . . . . . . . . . . . . Microflora de las mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . Almacenamiento de las mieles finales . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . 5.1 Comportamiento anormal de las mieles finales durante su almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Estudio del deterioro de mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abreviaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Capítulo VII . La cachaza como materia prima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Obtención, Procedencia . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 2.1 Clasificación . Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Tratamiento de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . 3 Caracterización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 3.1 Composición de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Factores agroindustriales que influyen en la composición de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Utilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Producción de cera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Fertilizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La cachaza corno alimento animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Producción de carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Potencialidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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TERCERA PARTE . TECNOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo VIII . Industria de celulosa y papel a partir del bagazo . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Pulpeo de alto rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . --2.1 Pulpeo mecánico a partir de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Producción de pulpas por el proceso a la soda fría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Resultados de la producción de pulpas semiquímicas .y quimimecá...... nicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Producción de pulpas de alto rendimiento por el proceso al sulfito . . . . 4.1 Proceso al sulfito neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . 4.2 Aplicación del proceso al sulfito alcalino, en la obtención de pulpas de alto rendimiento, de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Pulpeo químico de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . 5.1 Procesos de pulpeo a la soda y al sulfato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Nuevos procesos de pulpeos alcalinos aplicados al bagazo . . . . . . . . . . 5.3 Procesos de pulpeo en medio ácido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Tecnología de producción clj pulpa . . . . .- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Tecnología de recuperación de licor negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Producción de pulpa para disolver a partir del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Obtención de pulpa para disolver por procesos alcalinos . . . . . . . . . . 6.2 Cocción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Procesos ácidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Abrillantamiento dé las pulpas de tipos mecánicas y quimimecánicas de . .. . . . . . . . . . . . . bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Peróxido de hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Hidrosulfito de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Hipoclorito de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Blanqueo de la pulpa química de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Utilización del cloro en el blanqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 .2 Dióxido de cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

185 185 186 188 189 192 192 197 202 203 207 208 209 211 212 213 213 213 214 214 215 217 218 218 220

Pdg . 9

10 11 12

13

14

15

8.3 Oxígeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peróxido de hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . Blanqueo de la pulpa para disolver del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de papel y cartón a partir del bagazo .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caracterización y propiedades papeleras de las pulpas de bagazo . . . . . . 11 .1 Estructura fraccional y composición química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 .2 Refinación y propiedades papeleras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tecnología de producción de papel y cartón a partir del bagazo . . . . . . . . 12 .1 Formulaciones fibrosas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Tipos de papeles y cartones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Producción de papel periódico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Experiencias mundiales en la búsqueda de tecnologías a partir del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de producción de papel y cartón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .1 Preparación de pasta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .2 Producción de papel y cartón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Balances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La industria de celulosa y papel en Cuba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 .4

221

224 226

226

227 228

229 232 232

232 234 234 236 236 239 244 247 248

Capítulo IX. Productos de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar 251 1

2

Introducción . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Furfural : obtención y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 2 .1 Procesos tecnológicos para la producción de furfural . . . . . . . . . . . . 253 2 .2 Aplicaciones del furfural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 2 .3 Furfural a partir de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . 255 2.4 Obtención del furfural con el empleo de HCl como catalizador . . 259 2 .5 Furfural de prehidrolizados de pentosanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 2 .6 Perspectivas de la producción de furfural a partir de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Azúcares hidrolíticos : obtención y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Procesos tecnológicos para la hidrólisis química . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .2 Tecnología de hidrólisis por percolación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Cinética de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar 3.4 Experiencias tecnológicas en el empleo de bagazo y meollo para la hidrólisis química . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 3 .5 Perspectivas en la producción de azúcares hidrolíticos . . . . . . . . . . 4 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .

271 275 275

Capítulo X. Productos aglomerados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 1 Generalidades 2 Definiciones y clasificación de los productos aglomerados . . . . . . . . . . . . 2 .1 Definiciones generales ................... ... ... ................. 3 Materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 3.1 Bagazo y paja de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .2 Aglutinantes . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Aditivos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . 4 Tecnología de producción de los tableros de partículas de bagazo . . . . 4 .1 Preparación de partículas . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .2 Secado y clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Encolado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4.4 Formación ..... .... . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .5 Preprensado y prensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Terminación . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .

277 279 279 280 280 281 282 282 283 284 284 285 285 286

Tecnología de producción de los tableros de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 .1 Elaboración de la pulpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 .2 Encolado (aditivos químicos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... 5.3 Formación del colchón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Prensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Acabado de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Productos moldeados . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Thermodyn . . ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 .2 Callipress . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 6 .3 Werzalit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . ... . .. . . .. . 6.4 Tecnología de producción de productos moldeados de bagazo . . . . 6.5 Propiedades . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .

287 287 289 289 290 290 291 292 292 292 292 295

3

5

262 264 264 267

Pdg. 7 Productos aglutinados con materiales inorgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Algunas experiencias en la tecnología de producción de tableros partículas bagazo-cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Recubrimiento superficial de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Principales aplicaciones de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XI. Levadura forrajera

. .. de . .. ... .. . .. .

295

.. ... ... ... .. . ... ...... .. . .. ... . ... .. ...... .

304

1 Introducción .. ... . ..... ... . .. ... ... .. . ... . . .. ...... . ... ... . 2 Levadura forrajera a partir de las mieles finales de caña . . . . . . . . . 2.1 Materias primas y auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Descripción tecnológica, balance de materiales y de energía . . . 3 Equipos fundamentales de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Fermentadores para el desarrollo del microorganismo . . . . . . . . . 3.2 Separadoras centrífugas para la recuperación de la levadura 3.3 Sistema de secado por atomización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Características del producto final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XII .. Alcohol etílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Diferentes materias primas utilizadas . . . . . . . . .. ........ 3 Producción de alcohol a partir de la caña de azúcar . . . . . . . 3.1 Mieles finales de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Jugo de caña . ... ... ... ... ...... ....... ........ 3.3 Residuos lignocelulósicos (bagazo, paja y meollo) . . . 4 Características del alcohol vía fermentativa . . . . . . . . . . . . . . . 5 Subproductos del proceso de producción de alcohol . . . . . . . 5.1 Fusel oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Anhídrido carbónico (CO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Levadura cáccharomyces .. ... ........ ... .... ... .... 6 Insumos de materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Nuevas tendencias en el mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.. . ... ... ... .. . ... .. . .. ... ...

297 299 301 303

.. .. .. .. .. . . . . . . .. . .

304 304 305 307 332 333 336 337 339 340

.... ... ... ...

341

. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .  .............

341 341 342 342 345 345 345 346 346 346 347 347 347 348

Capítulo XIII. Dextrana técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

.. .. .. .. .. .. .. ..

. . . . . . . .

... ... ... ... ... . .. . .. . ..

. . .. .. .. .. .. . . . .

... .. . .. . ... ... .. . .. . .. .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . .. . . . . . . .

... .......... . . . . .. . . . . . . .

Introducción . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características y propiedades de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso tecnológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conservación y preparación de inóculos o semillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crecimiento microbiano y producción de enzimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Síntesis enzimática de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recuperación y purificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaporación y secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recuperación de alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 En los lodos de perforación de pozos de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 En la industria de pieles y sus derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 En la industria farmacéutica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 En la industria textil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Otras materias primas para la producción de dextrana técnica . . . . . . . . . 12 Utilización de los efluentes de la producción de dextrana técnica . . . . . . . 13 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

350 350 351 351 352 354 355 355 356 356 358 358 358 358 358 358 359

Capítulo XIV. Lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360

1 2 3 4 5 6 7

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 .1 Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Síntesis química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obtención de L-lisina a partir de furfural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de Irlisina a partir de enzimas inmovilizadas . . . . . . . . . . . . . . Biosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Regulación de la biosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microorganismos productores ... ...... . ... . .. Ferm ación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360 360 361 361 361 361 362 362 364

Pdg. 8 Influencia de las características de las mieles finales en cuanto a ducción de L-lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Proceso tecnológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Alternativas tecnológicas para la producción de lisina a partir de crudo y/o miel final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Levaduras hiperproductoras ... . ......... ........ . ... ...... .... 12 Perspectivas . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. 13 Bibliografía . . .. ... ... ... ... . .. . .. ... ... ... . .. . .. .. ... ... ....

la pru. ....... .. .. azúcar . .. . . . . ..... .. . .. . . . . . .. . . . . . .

372 37:3 377 379 179 379

Capítulo XV. Caña de azúcar y alimentación animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381

1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. ... ... . ... .. . . . . .. ... ... . .............. ... ..... . .. .... ... 2 Mieles 2.1 Bovinos .. ... ... ... . .. ... ... ... ...... ... ... ... .... ........... ... 2.2 Porcino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 2.3 Aves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . 3 Residuos celulósicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Residuos celulósicos agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Residuos celulósicos industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Desarrollos más recientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Caña de azúcar .. . ..... ... . .. . .. ...... ... ... .... .................. ... 5 Proteína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381 381 3233 383 386 388 388 390 395 396 399

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Capítulo XVI . Química de la celulosa . . . . . . . . . .1 . . . . . . . . . . 1 .1 . . . . . . . 11 . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Química de los derivados dla celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Celulosa . . . . ..... . ... . ........ ... ... ... . ... ...... ..... 2.2 Derivados químicos celulósicos. Ésteres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Éteres de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Tecnología de la producción de los derivados de la pulpa para disolver del bagazo ...... ... ... ............ ... ... ... ...... ... ....... ... ... .... 3.1 Producción de polvo de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Xantato de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Ésteres de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Éteres de celulosa . . . . . . .. ... .. . . ... . . .. . . 4 Diagrama de flujo para la producción de derivados de celulosa. Equipamiento ... . ... . .... ... .: . .... .. ... ... ... ... . . 5 Perspectivas del desarrollo de otros derivados de la celulosa, a partir de la pulpa para disolver del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 6 Bibliografía . ... .............. . ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..... ...

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Capítulo XVII. Polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . .. ... . .. ... .... . ........ .. 2 Métodos de síntesis de polímeros furánicos, de extendido uso industrial 2.1 Polímeros derivados de las furfurilidenacetonas . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Polímeros derivados del alcohol furfurílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Otros polímeros derivados del alcohol furfurílico . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Aplicaciones fundamentales de los polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Hormigones poliméricos furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Materiales utilizados para la elaboración de hormigones plásticos 3.3 Influencia de la concentración del polímero y de los rellenos . . . . 3.4 Influencia del tiempo de curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... ... . ..... .. 3.5 Influencia de los agentes químicos 3.6 Aplicaciones industriales de los hormigones y masillas poliméricos 4 Aglutinantes poliméricos para fundición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Aglutinantes furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . .. . . 4.2 Otros factores influyentes en la calidad de los machos de fundición 4.3 Procesos de fabricación de machos por endurecimiento rápido . . . . 5 Plásticos reforzados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Técnicas de moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Defectos fundamentales de los productos moldeados . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Ventajas y desventajas de los plásticos reforzados . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Otras aplicaciones de los polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5.1 Proteínas a partir de 5.2 Proteínas a partir del 6 Mosto de destilería .. .. 7 Bibliografía .... . ... ... .

carbohidratos solubles carbohidrato insoluble . ... ... ... ... ... ... ... .. .. ... .. . .. . ... ... ...... .

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Pág. 6 Técnicas de seguridad del trabajo en la producción de polímeros furánicos. Protección del medio o ambiente . .-- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Bibliografía ....... ......... . ........... ... ... ...... ... ... ... .... ..... Capítulo XVIII. Bioáctivos

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ .... ... . 2 Peculiaridades del anillo furánico en cuanto a reactividad . . . . . . . . . . 2.1 Procesos de adición y de sustitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Reacciones de nitración, halogenación, alquilación y clorometilación. Algunas consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 rlitración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Halogenación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Alquilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Clorometilación . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. ...... 4 Multiplicidad de las alternativas en cuanto a la aplicación de derivados furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . 5 Dirección fundamental de nuestro trabajo con derivados furánicos . . 6 Propiedades de los furanos que determinan el interés de su desarrollo como bioactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Bibliografía ..... ......... ... ........... ... ............ .......... ..... Capítulo XIX. Tratamiento de líquidos y solidos residuales de las industrias azucarera y de derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción ..... ............... .. . . . . . . .. . .. . . . . . . 2 Características de los efluentes de la industria azucarera y sus derivados 2.1 Aguas residuales de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Aguas residuales de la industria de levadura forrajera . . . . . . . . . . . . 2.3 Aguas residuales de la industria de la producción de alcohol . . . . 2.4 Aguas residuales de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Medidas para atenuar la contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Medidas internas . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . .. . 4 Medidas externas . Sistemas de tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Efluentes de la industria azucarera, de levadura y de destilería . . . . 4.2 Efluentes de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . .. 5 Otras vías de tratamiento para los efluentes . . . . . 5.1 Aguas residuales de las industrias azucarera, de levadura ydestilerías .... . ............ . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 5 .2 Aguas residuales de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

Capítulo XX, Carbón activado a partir de los subproductos de la caña de . . .. . ... ... . .. . .. .. . ......... ... ... .. . .. . ... . .. ..... . .. . .. . .. . ... . azúcar

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Tecnologías para a producción de carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . 2.1 Generalidades 2.2 Activación química . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . 2.3 Activación física . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . .. . .. 3 Adsorción física en el carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Estructura submicroscópica ... ... .. . .. . ... ... ... . .. . .. . .. ... ... . 3.2 Estructura química ........... ...... ... . .. ... . ... ... ... ...... 3.3 Elementos de la teoría de adsorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Producción de carbón activado en polvo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Carbón activado en polvo a partir de bagazo, por activación física 4.2 Carbón activado en polvo a partir de bagazo, por activación química 5 Producción de carbón activado granular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Carbón activado granular a partir de bagazo, por activación física 5.2 Carbón activado granular a partir de bagazo, por activación química 5.3 Carbón activado granular a partir de celolignina, por activación física ..... ... ... ...... ...... ... ... ...... ...... ... .... ........ ... . 6 Bibliografía ... ... ..... . .. ... . ... ...... ...... ... ... ... ... . ..... ......

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Capítulo XXI, Producción de cera y grasas a partir de cachaza . . . . . . . . . . . . . .

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1 Antecedentes históricos . 2 Generalidades . ... ...... 2.1 Ceras minerales . . . . 2.2 Ceras animales . . . . .

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Pág. .. . ... .. . .. ... ... ... ... .. . ... ... . .. ......... ... ... 2.3 Ceras vegetales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 3 Situación actual 4 Características y composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Composición de la cera de cutícula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... ...... .. ... . ..... . ........... . ................ . 4.2 Cera cruda ... ... ... ... .. . .. . ... .. .... ........ .... .. ...... ... ... 4.3 Cera dura 4.4 Aceite de cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4.5 Resina extracción de la cera cruda de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Tecnologías de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .--- .-- .- . . . . . . .- . . . 5.1 Generalidades .. 5.2 Sistema de extracción sólido-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Sistemas de extracción líquido-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Tecnologías de refinación de la cera cructa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Aspectos generales cera cruda por fraccionamiento con acetona . . . . . . . . 6.2 Refinación de 6.3 Refinación de cera cruda por fraccionamiento con etanol-heptano 6.4 Refinación de cera cruda por destilación y oxidación con ácido crómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Comparación de los métodos de refinación con acetona y con etanol-heptano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Blanqueo y modificaciones químicas de la cera refinada . . . . . . . . . . . . . . 8 Modificaciones químicas del aceite de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Usos y aplicaciones de los productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . 9.1 Cera cruda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Cera dura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Grasas y resinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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PROLOGO

El interés por los derivados de la caña de azúcar, está cada vez más extendido entre los diferentes países productores de azúcar a partir de la caña. Esto es consecuencia de ja necesidad de mejorar las economías de las empresas azucareras y lograr que éstas tengan una mejor situación, frente a las fluctuaciones de los precios del azúcar en los mercados internacionales. El Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) ha venido trabajando, por 2 décadas, en el esclarecimiento de las mejores alternativas técnicas y económicas para la industrialización de los derivados. Fruto de estos esfuerzos es este libro, que forma parte de una serie que comenzó con el título Los derivados de la caña de azúcar, editado en 1980, donde se recogieron las principales experiencias de investigación de los primeros 10 a del Instituto . El libro que ahora presentamos, La industria de los derivados de la caña de azúcar, tiene un enfoque diferente al anterior, al dirigirse, fundamentalmente, a los aspectos económicos y tecnológicos de los productos principales de este campo y de las materias primas que sirven de base a los derivados. En esta oportunidad se plasman los 20 a de experiencia de la institución en este campo, enfocando, en sus páginas, aspectos que permiten ampliar los conocimientos de las industrias de los derivados. El libro ha sido convenientemente dividido en 3 partes, con las que se puede alcanzar una visión panorámica de la industria de los subproductos de la caña de azúcar. Con su estudio se logran los conocimientos básicos para la toma de decisiones inversionistas . La primera parte "Situación actual y perspectiva" consta de 2 capítulos que pretenden dar una panorámica de los derivados, tanto de sus posibilidades y alternativas como de las implicaciones desde el punto de vista energético que éstos tienen. El primer capítulo "Economía y desarrollo perspectivo de los derivados de la caña de azúcar" aborda, de forma integral, el desarrollo de los derivados y su vinculación con la industria azucarera, haciendo énfasis en los criterios que se deben tener en cuenta para su industrialización y los diferentes usos comerciales que éstos tienen . El segundo capítulo "La caña de azúcar como fuente de energía", es un obligado tema que permite cuantificar las ventajas y alterrzativas que pueden tener los derivados, vistos éstos desde el punto de vista de fuentes de energía. Cubiertos estas aspectos generales de los derivados, en la segunda parte "Materias primas", se entra de lleno, en los 5 capítulos que la integran, en la caracterización de las materias primas que sirven de base a los derivados . El capítulo "La caña de azúcar", es una necesaria referencia a las características relevantes de esta gramínea y a la potencialidad que presenta como materia prima, de donde se pueden obtener infinidad de productos de interés comercial y para la industria. En el capítulo "Bagazo", se entra en la descripción anatómica y morfológica así como en la composición química y física de esta materia prima y se describen las principales tecnologías asociadas a su desmeollamiento, manipulación y almacenamiento . La "Utilización de los residuos" es un

capítulo donde, de igual forma, se hace una caracterización de esta materia y se abordan los problemas relacionados con su recolección, transporte y sus usos más ventajosos . Una importante materia prima considerada en esta segunda parte son las "Mieles cubanas", este subproducto es base de toda la industria microbiológica relacionada con los derivados . En esta parte se ofrece una caracterización de las mieles, así como los problemas relacionados con su almacenamiento, manipulación y conservación . Para cerrar la segunda parte del libro se trata el tema de "La cachaza corno materia prima" y se describen sus propiedades, sus usos más generalizados y su potencialidad. La tercera parte del libro titulada "Tecnología" tiene 14 capítulos dedicados a la descripción tecnológica de las industrias de derivados más difundidas y de mayor interés económico entre todas las que integran el amplio espectro del aprovechamiento de los subproductos . Se comienza con él capítulo "Industria de celulosa y papel a partir del bagazo", aquí se recogen las experiencias más relevantes sobre el pulpeo de alto r(ndimiento, los métodos de pulpeo químico, la producción de pulpa para disolver y las experiencias más recientes en las pulpas quimimecánicas para papel periódico. Este capítulo también se adentra en la caracterizrcción de la producción de papel y cartón, las tecnologías disponibles y las ventajas de unas y otras. Este capítulo se cierra con una descripción de la industria de celulosa y papel, su evolución y principales experiencias en Cuba. Los "Productos de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar" para la producción de furfural y de mieles hidrolíticas son tratados, partiendo de las experiencias cubanas y de las existentes en otros países . Se describen los procesos tecnológicos y los distintos métodos generalizados de estas tecnologías . El capítulo titulado "Productos aglomerados" abarca la producción de tableros de partículas y de fibra y la de elementos moldeados . Aquí se describen las tecnologías de producción disponibles y los aspectos más importantes de los procesos, partiendo, fundamentalmente, de la experiencia cubana que dispone de la mayor- capacidad instalada en el mundo de plantas de tableros de bagazo . Una especial atención se dedica a la industria bioquímica dada la impartancia que ésta tiene para los derivados y su actualidad en los procesos más modernos en explotación en el mundo. En 4 capítulos se plantean diferentes aspectos tecnológicos y de procesos de la producción de alcohol etílico, lisina, levadura forrajera y dextrana técnica, basándose, en gran medida, en las investigaciones realizadas en el ICIDCA y extendidas comercialmente en el país. La alimentación animal es un tema de gran actualidad por su influencia en las soluciones a los problemas de alimentación y como tal es tratada en el capítulo "La caña de azúcar y la alimentación animal", donde se describen s'u's posibilidades y alternativas. La industria química de los derivados es abordada en 2 capítulos : "Polímeros furánicos", que recoge las alternativas, la síntesis y las aplicaciones industriales de los mismos, y "Bioactivos", que presenta las posi bilidades de estos productos en el campo de los pesticidas, herbicidas e insecticidas . Los derivados de la celulosa se describen en el capítulo ',Química de la celulosa" y se señalan sus propiedades químicas, así corno sus alternativas en diferentes campos industriales. El capítulo sobre "Tratamiento de líquidos residuales de la industria azucarera y de derivados", está dedicado a los diferentes procesos para el tratamiento de los líquidos residuales de la industria de los derivados, así como el uso económico de los productos que resultan de estos procedimientos . Se consideró conveniente, en el capítulo "Carbón activado a partir de los subproductos de la caña de azúcar", mencionar las diferentes tecnologías disponibles, las características que debe tener el producto final y las exigencias demandadas por su uso . En el capítulo final "Producción de cera y grasa a partir de cachaza", se recogen las experiencias tecnológicas desarrolladas en Cuba, las dife-

rentes calidades de productos que se pueden esperar y los procesos disponibles en estos momentos . De igual forma, se hace mención a los ácidos grasos que se obtienen como subproductos y los usos a los que se les destinan . Los temas abordados en este libro no pretenden, de ninguna manera, agotar los conocimientos del amplio campo de los derivados de la caña de azúcar, se ha querido, sin embargo, contribuir a la ampliación de las experiencias de la diversificación de la industria azucarera . LUIS O . GÁivEZ TAUPIER

Director del ICIDCA

PRIMERA PARTE SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVA Capítulo I ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR HERLY NOA SILvERIo Colaboradores: MARIBEL HERRYMAN MUNILLA GLORIA ALFONSO CADENAS GUILLERMO BERNAL RODRÍGUEZ

La caña de azúcar ofrece enormes posibilidades de aprovechamiento integral, mediante la industrialización de sus subproductos y la producción de derivados con posibilidades de mercados nacionales e internacionales, lo cual permite, a los países productores, la diversificación de sus economías . La industria azucarera se debe modernizar para poder competir, ventajosamente, frente a los sustitutos del azúcar, que sin lugar a dudas están alcanzando una amplia expansión en los países desarrollados . Esta situación implica la necesidad de buscar soluciones novedosas que permitan, no sólo encarar las fluctuaciones tradicionales de los precios del azúcar en el mercado mundial, mediante el estudio de las posibilidades y alternativas que deben ser analizadas en el campo, la industria y en la utilización de sus subproductos, sino interactuar positivamente dentro de esta problemática llena de incertidumbres . El estudio integral de todas las posibilidades y perspectivas que ofrece la caña de azúcar, así como el análisis económico de las mismas, no se ha abordado hasta el presente exhaustivamente, por lo que este capítulo está encaminado a brindar una visión de conjunto de las mismas, con el objeto de que sirvan de base a los productores para dar soluciones que deben ser vistas de acuerdo con el prisma de las condiciones particulares de cada país. 1 Desarrollo de la industria azucarera y de derivados La caña de azúcar es originaria de Nueva Guinea y sus islas aledañas, se conoce de su intro-

ducción en distintos países desde hace por lo menos 8 000 a. Cronológicamente, el azúcar de caña precedió al azúcar de remolacha cerca de 2 000 a. Según muchos autores, las primeras pruebas que se poseen de la existencia de azúcar en forma sólida, data de los años 500 d.n .e . y fue obtenida en Persia. En su segundo viaje a tierras americanas Colón llevó la caña de azúcar a Santo Domingo, donde prosperó fácilmente. El cultivo de la caña se extendió pronto a Cuba, México y más tarde a Perú. La caña de azúcar fue introducida en Cuba en 1511, pero esta industria no se desarrolló inmediatamente . En 1760, la producción fue de 500 t, aproximadamente, pero ya en 1772 comenzó a ascender hasta convertirse en una importante industria comercial . Ya en el siglo xix Cuba produjo 1000 000 t de azúcar . El desarrollo de la tecnología de la producción de azúcar, si se considera el que se posee en la actualidad, se puede decir que tuvo su mayor evolución a partir de 1880; esto trajo aparejado un cambio en los molinos y prensas, operados manualmente y por fuerza animal, a molinos de rodillos múltiples manejados por vapor, de la sustitución de recipientes abiertos y el consiguiente drenaje de las mieles en moldes, a la evaporación con efecto múltiple y la separación centrifugada de las mieles y el azúcar. En el siglo xx se produce una importante expansión de la industria, construyéndose muchos centrales, sobre todo en América Latina. A pesar de que en los últimos años -y, sobre todo, a partir de la Segunda Guerra Mundial, la industria ha experimentado un crecimiento, de -cierta importancia, su tecnología no ha tenido cam-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR

bios sustanciales, éstos se han caracterizado más bien en los detalles que en los principios. 1.1 ANÁLISIS DE LA PRODUCCION AZUCARERA EN LOS úLTIMOS 20 a Para el análisis de las perspectivas de la industria azucarera de caña, es necesario tener una visión de conjunto de su evolución, sobre todo en los últimos 20 a y además comparar esta evolución con la producción remolachera, así como también estudiar el desarrollo alcanzado por esta industria por continentes y países. La producción mundial de azúcar, en los últimos 20 a, o sea, desde 1959 hasta 1979, ascendió de aproximadamente 50 000 000 t, a 89 000 000, según se muestra en la figura 1 . De los 39 000 000 t de incremento durante el período analizado, corresponde al azúcar de caña 26 000 000 y al azúcar de remolacha, aproximadamente, 13 000 000 . En 1979, 61,4 % de la producción total mundial corresponde al azúcar de caña con casi 55 000 000 y 38,6 GIG al azúcar de remolacha con 34 000000 .

En Europa (Fig. 2) la mayor parte de su producción azucarera corresponde al azúcar de remolacha, la cual ascendió de 18 000 000 t, en 1959, a casi 30 000 000 t, en 1979; de los datos mostrados por las figuras 1 y 2 se puede inferir que el crecimiento del azúcar de remolacha, en el mundo, estuvo básicamente sustentado con el crecimiento en Europa, con 12 000 000 t en el período . A su vez, en 1979, Europa concentró 85 % de la producción mundial de azúcar de remolacha con más de 29 000 000 t. Las cantidades de azúcar de caña que se producen en el continente europeo son algo menores al medio millón de toneladas . En África (Fig. 3) se producen pequeñas cantidades de azúcar, estando en el orden de los 6000 000 t, al azúcar de caña le corresponde 94 % de su producción total . En la figura 4 se puede ver el incremento de la producción de azúcar de Asia y Oceanía en los últimos 20 a, la cual fue del orden de 14 000 000 t. En 1979, la "producción de azúcar de Asia y Oceanía representa 27 % de la producción total mundial, 94 % de esta producción corresponde al azúcar de caña .

Fig. 1 Producción mundial de azúcar. MMt/a 90

60

70

60

50-

40

30

20

FUENTE=SUGAR YEAR BOOK

70

72

74

76

70

BO

AROS

MN Me 30

TOTAL

292827-

261 25 24 23 22 21 2019 . IsI?-

FUENTE:SUGAR YEAR BOOK _ CAÑA 62

64

66

68

70

72

74

Fig . 2 Producción de azúcar en Europa .

Fig. 3 Producción de azúcar en África. mm t/a

6"

51

4-

3.

2 0,4 0,3 0,2 0,1

76

76

AROS

+va

MM

TOTAL

20-

16

16

14

12

10 2,0 REMOLACHA

FUENTE ; SUGAR YEAR BOOK 60

64

62

66

68

70

74

72

76

78

80 A Ñ03

Fig. 4 Producción de azúcar en Asia y Oceanía. Fig. 5 Producción de azúcar en América.

MM t/a 40 TOTAL

30

CAÑA

20 10 4 3 2 60

62

FUENTE , SUGAR YEAR

64 BOOK

66

66

70

T2

T4

76

AÑOS

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

MM t/a

30 . -TOTAL 20 -

0,4. 0,3. 0,2. 0'l60 FUENTE : SUGAR

62

64

YEAR BOOK

es

70

72

T4

7 - 76

is

AÑOS

Fig . 6 Producción azucarera de América Latina.

El continente americano (Fig. 5) contribuye a la producción mundial con casi 32000 000 t; al azúcar de caña le corresponde alrededor de los 29 000 000 t; esto representa 90 % de la producción de este continente . De los 32 000 000 t que produce América le pertenecen a América Latina 26 500 000 t, lo que representa 82 % de la producción de éste continente (Fig. 6) . En 20 a la producción de azúcar en América Latina ha crecido en 9500000 t. Ya en 1979, la producción de azúcar de caña en América Latina representa 48 % de la producción mundial de azúcar de caña y 30 % de la producción total mundial . En la tabla 1 se reflejan los mayores productores de azúcar de caña en el mundo; solamente 9 países producen por encima de los 2 000 000 t y 3 países por encima de los 6 000 000 t. Los 18 países que aparecen en la tabla 1 producen 52 % del azúcar que se fabrica en el mundo y 84 % del azúcar de caña; de estos grandes productores, 7 pertenecen a América Latina y el Caribe, con una producción de 41 % del total del azúcar de caña que se produce en el mundo. En la tabla 2 aparecen los mayores y los menores consumidores de azúcar en el mundo. En Europa; América y Medio Oriente, prácticamente todos los países están por encima de

los 30 kg ; en Asia y África, 40 países están por debajo de ., los 10 kg. En estos momentos, en el

mercado internacional del azúcar se observa, que mientras se produce un estancamiento en el consumo de los países desarroll dos, a causa tanto de la saturación en el uso el azúcar, como al creciente impulso de los últimos sustitutos, nuevos mercados no tradicionales comenzarán a cobrar importancia . Los países europeos productores de remolacha han llegado- al máximo de capacidad de producción, en tanto que Asia deberá aumentar sus importaciones de azúcar, y África no tiene actualmente materias primas para elaborarla . En un balance de la realidad existente, se evidencia que América Latina tiene amplias posibilidades para abastecer estas demandas . Los convenios internacionales que sobre azúcar se han tenido en los últimos años, si bien han contribuido a armonizar algunas políticas entre países importadores y exportadores, no han logrado evitar las fuertes fluctuaciones en los precios del azúcar (Fig. 7), haciendo inestables las economías de países 'que dependen de las ventas de este producto . Las alzas y bajas, muchas veces imprevisibles, provocan . gran incertidumbre cuando se precisa trazar una tendencia futura (Fig. 7) . A causa de los altos precios del azúcar á partir de la primera mitad de los años setenta el

7

TABLA

TABLA

1

Mayores productores de azúcar de caña en el mundo (más de 600 000 t)8 Producción en

Países

Países

1979

1

(conr .) Producción en

Argentina

1410 783

República Dominicana

1200195

Cuba

7799968

Indonesia

1200000

Brasil

7361651

Colombia

1 107 268

India

6080339

Taiwan

923 923

México

3095408

Mauricio

728908

Australia

2960835

Perú

695 283

Estados Unidos

2653546

Egipto

600000

Filipinas

2390080

China

2250000

Africa del Sur

2142 542

Tailandia

1981403

1979

46 582132

a

TABLA

Fuente: sugar year book, 1980 .

2

Per cápita de azúcar en el mundo (kg)

Mayores

Países

Países

Menores

Costa Rica

64,8

Pakistán

9,9

Australia

55,3

Corea

6,9

Cuba

52,6

Alto Volta

Venezuela

51,4

China

4,2

Brasil

50,2

Viet Nam

3,9

Jamaica

48,2

Niger

2,5

Checoslovaquia

47,8

Zaire

2,2

Bulgaria

47,6

Bangladesh

1,9

Canada

47,5

Birmania

1,8

Polonia

47,2

R D P Lao

1,4

Kuwait

47,2

Uganda

1,1

Unión Soviética

46,1

Kampuchea

0,7

Arabia Saudita

45,3

México

44,1

EE. UU. en (49,8)

b

(1979) 6

1973

Fuente : Sugar year book, 1980.

43,1

.4,7

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR us

$/1 700-

600+

500-

4001

300-

200

100-

;s7e

66

70

~2

74

76

- .

AMOS

80

Fig. 7 Precio mundial del azúcar crudo.

fenómeno individual más importante de esta década fue el establecimiento del sirope de maíz, con el alto contenido de fructuosa (isoglucosa) como edulcorante nutritivo a nivel mundial. Con unos precios . más bajos y características semejantes a la sacarosa, la isoglucosa, es actualmente, el producto competitivo más sobresaliente entre todos los existentes. Las estadísticas y previsiones indican que la sacarosa podría reconquistar parte del mercado perdido, mediante una fuerte competencia de precios, lo que está internamente relacionado, entre otros aspectos, con las necesidades de disminuir los costos de producción . 1.2 DESARROLLO DE LA PRODUCCION DE DERIVADOS

A pesar de que la industria azucarera de caña ha tenido una amplia expansión en la mayor parte de los continentes, y de que su producción ha ido en ascenso constantemente, el desarrollo de los derivados comienza a iniciarse después del presente siglo. Los primeros usos de los subproductos fueron : utilización del bagazo como combustible, uso directo de las mieles en la alimentación animal y la fermentación de ésta para la producción de alcohol o de ácido cítrico .

El inicio del desarrollo de los derivados, con la creación de plantas industriales de importancia, comienza a partir de los años treinta, es en esta década que empiezan a realizarse esfuerzos tecnológicos significativos para hacer de los residuos de la fabricación de azúcar una fuente de materias primas competitivas para las industrias de pulpa y papel, fermentaciones y tableros. A finales de la década del cincuenta es cuando comienza, en mayor escala, la utilización industrial de los subproductos, agregándose, además, la producción de furfural y otros. A pesar de que la molécula de sacarosa se ha estudiado exahustivamente desde principios de siglo, realizándose infinidad de investigaciones y obteniéndose numerosos productos a escala de laboratorio, el desarrollo industrial de los derivados de sacarosa ha sido poco, manifestándose un mayor desarrollo en las últimas décadas, sobre todo en lo que se refiere a ésteres y detergentes . La industria de pulpa y papel es, entre todas las que utilizan los subproductos, la que más fuerte desarrollo ha experimentado ; las primeras fábricas con una producción comercial significativa, comenzaron su operación a fines de la década del treinta y, en la actualidad, hay insta-

CELULOSA MCRQA

CARBOXIMETIL CELULOSA

S

METL CELULOSA

I

NITRATO DE CELULOSA OXIETIL CELULOSA

PAPEL DE IMPRENTA Y ESCRIBIR '

ACETATO DE CELULOSA

NIDRO IMETIL CELULOSA ,

ETIL CELULOSA

RAYON CUERDA

CARTON LINER

CELOFAN

HILAZA TEXTIL

PAPEL TSSUé

CARTUUNA

PAPEL DE ENVOLVER PAPEL PARA SACOS

PAPELES ESPECIALES

FIBRANA TEXTIL

PULPA PARA DISOLVER

PULPA QUIMICA

M-CELULOSA)

FURfURAL

MI]. SEA ALCOHOL

LEVADURA

ALCOHOL FURFURILICO RESINAS OE FUNDiC10N RESINAS FURFURMAS

DERIVADOS DEL ETILENO

ALCOHOL TETRAHDROFUR Fig . 8 Potencial de los deriv

PAPEL

Tissue

TABLEROS DE

PRODUCTOS MOLDEADOS

BAGAm CEMENTO-

PAPEL PARA SACOS TABLEROS PAPEL GACETA

PAPEL DE

CARTONCILI.O

ENVOLVER

PAPEL DE IMPRENTA Y ESCRIBIR

TABLEROS

DE FIBRAS

DE PARTIgJLAS- .

,.

PULPA

PULPA

PULPA

PRODUCTOS

SEMIGUIMICA

QUIMIMECANICA

MECANICA

AGLOMERADOS

ENZIMAS - VITAMINAS ACIDO LACTICO -

DETERGENTES

METIONINA

SORBtTOL

ACIDO GLTAMICO ADURA IRULA

MANITOL

GLUTAMATO MONOSODICO

MIEL

PROTEICA

ALIMEMTO ANIMAL

FERTILIZANTE

ANThESPUMANTE POLIURETANOS

GUARAPO

MIEL

LEVADO RHODOTD

LA

-

LEVADO PANADE MEL- UR A EAGACLLD MIEL-UREA

ALCOHOL LEVADURA SACCHARDMYCES FUSEL OIL

MIEL PROTEICA . LEVADURA TORULA

LINAZA 002

,EV1DURA PARA DONS. HUMANO . . MEL SECA GOMAS MICROBIANAS ACIDOS - NUCLE1COS

de los derivados de la industria azucarera

AZOCAR

FARMACOS LEVADURA TORULA

CONCENTRADOS PROTEICOS

AGENTES OUELANTES OTROS ESTERES OTROS ETERES

CACHAZA

12

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

ladas en el mundo más de 54 plantas, de las cuales 11 están en fase de ejecución. Entre los derivados que más desarrollo han alcanzado en el mundo se pueden citar: a) Pulpa y papel. b) Alcohol y levadura de recuperación . c) Furfural y derivados. d) Tableros . e) Levaduras . f) Llsina. g) Ácido cítrico . h) Glutamato monos6dico. i) Sorbltol. j) Productos para la alimentación animal. Los que a continuación se relacionan y otros derivados que harían la relación interminable, no han tenido tanto desarrollo ; aunque muchos países han industrializado algunos de ellos, realizándose, además, trabajos de investigación y análisis con vistas a su utilización: a) Bagacillo predigerido . b) Mieles hidrolíticas . c) Carbón activado. d) Dextrana . e) Cera de caña . f) Pulpa para disolver y derivados de la celulosa . g) Ésteres de sacarosa . h) Levadura rhodotorula. »'Ácido láctico . j) Acetona butanol. La diversidad de los productos que pueden ser obtenidos a partir de los subproductos de la caña es grande (Fig. 8), de todo esto se puede inferir que aun en los trabajos de investigación y desarrollo referentes a los derivados de la caña, queda un campo infinito de trabajo por realizar, sobre todo con los productos obtenidos por se-

gunda generación en los cuales es necesario trabajar exhaustivamente. Al hacer un análisis de la situación mundial, se puede afirmar que existe un gran número de derivados de la caña que se producen, actualmente, en el mundo, muchos de ellos son objeto de intercambio comercial y otros se utilizan en el mercado interno, no estando todavía bien establecidos en el mercado internacional. Se sabe que muchos países desarrollados han dedicado esfuerzos en el campo de los derivados y los han industrializado en su propio país o en países subdesarrollados que disponen de estas valiosas materias primas. Al hacer un análisis del panorama actual, podemos ver: aumento de las cantidades producidas, ampliaciones de los derivados, cambios tecnológicos, perfeccionamiento de los equipos y aumento de la eficiencia económica . En estos momentos, existen condiciones que indican las ventajas que representaría para los países productores de azúcar el desarrollo de los derivados.

2 . Aspectos que hay que considerar para la industrialización de los derivados La caña de azúcar se produce, por lo general, en países que están en vías de desarrollo y que se enfrentan a los obstáculos que son necesarios vencer para lograr la consecución del mismo. Para la industrialización de los derivados, se debe realizar el análisis de una serie de aspectos, que si no son bien estudiados pudieran incidir, desfavorablemente, en las decisiones que se deben tornar, entre las cuales están: 1. Transformación de la industria azucarera. 2. Disponibilidad de áreas cañeras. 3. Limitaciones para la utilización del bagazo . 4. Competencia en el uso de las mieles finales . 5. Alza sistemática del precio de los equipos. 6. Problemas de mercado de los derivados. 7 . Producción de derivados de segunda generación. Todos estos aspectos tienen una gran importancia para el desarrollo perspectivo, muchos de ellos son dinámicos y están interrelacionados entre sí, por lo que se hace necesario el examen de cada uno de ellos.

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR 2.1 TRANSFORMACION DE LA INDUSTRIA AZUCARERA

La industria azucarera se ha caracterizado, tradicionalmente, por una lenta evolución en su desarrollo tecnológico y pocos cambios en su estructura . Los costos de producción están por encima, en muchas ocasiones, de los precios en el mercado, por lo que es necesario trabajar con el objeto de su optimización . Para poder lograr su diversificación, la industria debe abordar los problemas encaminados a su modernización, considerando como factor básico la integridad en el crecimiento, analizando todas las posibilidades de aprovechamiento de los subproductos, por lo que los países productores deben ver el desarrollo perspectivo alrededor de complejos industriales . Para poder alcanzar al máximo el aprovechamiento de todas las posibilidades industriales de la caña, la industria azucarera se debe transformar de forma que el objeto que se deba alcanzar no sea sólo la producción de azúcar, sino el análisis de conjunto de todas las variantes y alternativas . 2.2 DISPONIBILIDAD DE AREAS CAPERAS Una de las tareas más importantes que deben abordar los países productores, es el aumento de los rendimientos de caña por hectárea y la modernización de la agricultura, al pasar de una fase extensiva a una intensiva. Además, la utilización de la caña para otros usos no convencionales, estaría limitada por la disponibilidad de áreas para su expansión. El incremento de rendimiento por hectárea se logra con el aumento de los recursos materiales a la agricultura, la obtención de nuevas variedades y la aplicación de bases científicas mediante la utilización del trabajo investigativo. Con estudios genéticos es posible lograr variedades con mayor contenido de fibras o crecimiento en tiempos menores . 2.3 LIMITACIONES PARA LA UTILIZACION DEL BAGAZO A causa de las características del bagazo, de ser un adecuado combustible y haber sido utilizado, tradicionalmente, como fuente de energía en la fabricación de azúcar, se establece una situación de competencia, cuando se analiza el desarrollo de las industrias derivadas a partir de esa materia prima . En la mayoría de los países que producen azúcar de caña se hace necesario utilizar todo el bagazo como combustible y, en algunas ocasiones, se emplea, además, cantidades importantes de combustible adicional .

13

Aun en nuestra época, se han, proyectado centrales azucareros sin considerar mayores eficiencias térmicas que las necesarias para mantener el equilibrio entre el bagazo producido y el incinerado. En pocos casos se ha tenido en cuenta la necesidad de otros usos del bagazo y se ha calculado una máxima eficiencia energética para lograr un sistema integral azúcar-derivados. Una de las ventajas que ofrece la industria azucarera respecto a la remolacha, es que la caña proporciona su propio combustible. Con los problemas existentes de las fluctuaciones del precio del azúcar, se hace necesario garantizar una mayor economía en el proceso azucarero, lo cual sólo será posible mediante el uso más eficiente del bagazo . Estudios realizados en el campo de la ingeniería permiten afirmar que se puede obtener de 30 a 50 % de bagazo sobrante . El fuel oil tiene un precio aproximadamente de US $170/t (170 dólares estadounidenses/ t) en el mercado. Cuando se razona, en los términos tradicionales, de que 6 t de bagazo húmedo sustituyen 1 t de petróleo, el precio del bagazo húmedo es de US $28/t, por lo que es evidente para los países productores la necesidad de quemar, eficientemente, el bagazo y obtener, además, un sobrante para su utilización industrial, sin dejar de considerar la obtención de energía eléctrica adicional dentro de las fábricas . En la tabla 3 aparecen distintas capacidades de centrales y el bagazo que pudiera haber disponible para diversos usos, si se obtuviera entre 30 y 50 % de bagazo sobrante, así como el valor del mismo a los precios actuales del petróleo. En la tabla 4 se analiza, teóricamente, en millones, el bagazo que se podría obtener si hubiera 30 y 50 % del mismo sobrante en el mundo y América Latina . Si esas cantidades de bagazo sobrante se valoran al precio del petróleo, América Latina tendría en dólares estadounidenses entre 821 000 000 y 493 000 000 por este concepto . En la mayor parte de los países que han industrializado el bagazo, lo han hecho sustituyendo éste por petróleo en los centrales azucareros ; de las cifras mostradas en la tabla 4 se desprende la necesidad de- estudios energéticos con vistas a la utilización económica del bagazo . Antes de decidir qué tipo de industria de productos derivados del bagazo se va a instalar, hay que considerar el tamaño de los centrales y la cercanía entre los mismos, por lo que es conveniente ver los insumos de diferentes fábricas de derivados dentro de sus rangos de economías de escala (Tab. S) . Las fábricas de pulpa y papel tienen grandes requerimientos de bagazo al año aunque el índice por tonelada de producto no es alto. Las fábricas de pulpa para disolver, furfural y carbón activado, presentan altos índices de consu-

TABLA 3 Valor de bagazo sobrante (considerando el petróleo a US $170 y 120 d de zafra)

Capacidad de molida (t/d)

Toneladas de bagazo suponiendo 30 % bagazo sobrante

Toneladas de bagazo suponiendo 50 % bagazo sobrante

US $ 511°

US $ 30%

11400

103 515

172 524

2933010

4888180

6800

62 093

103 487

1759 160

2932160

4 500

41422

69 036

1173680

1956 020

TABLA 4 Cantidad y valor del bagazo sobrante Bagazo sobrante Producción millones de Millones de toneladas toneladas (30%) (50%) Mundo

120

América Latina

58

Millones US $ (30%)

Petróleo US $170 (50%)

36

60

1020

1700

17,4

29

493

821

TABLA 5 Insumos de bagazo de diferentes plantas de derivados

Fábrica de:

Toneladas de bagazo b.h. por tonelada de producto

Capacidad de la planta (t/a)

Requerimientos de bagazo (t/a)

Papel periódico

3,2

100 000

320 000

Papel de imprenta y escribir

5,6

60 000

336 000

Pulpa para disolver

13,3

40 000

532000

Furfural

27

5000

135000

Miel hidrolítica

2,61

46 000

120 060

Tableros de partículas

1,95 t/m3

55 000 m3

107 000

Carbón activado

17

5000

85000

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

mo de materia prima por tonelada de producto . En la mayoría de las producciones de derivados a partir del bagazo, se requiere del procesa del desmeollamiento, a excepción de las fábricas de furfural, miel hidrolítica y carbón activado, por lo que dentro de la problemática de utilización del bagazo debe ser abordada también la del uso del meollo. 2.4 COMPETENCIA EN EL USO

DE LAS MIELES FINALES

La miel aunque ha presentado fluctuaciones en sus precios en el mercado mundial, la tendencia de éstos ha sido ascendente, sus precios promedio están alrededor de los US $100/t de producto, aunque éstos ya comenzaron a descender en la última etapa . Cuando se valoran los costos de producción de cualquier derivado, al precio que tienen las mieles, es difícil obtener una rentabilidad aceptable . El alza de los precios se 'debe, básicamente, a su demanda para la alimentación animal, en los países no productores y a su utilización para los mismos fines o para otros usos, por parte de los países productores . A los países en vías de desarrollo les es difícil decidir entre vender las mieles a altos precios o producir determinados productos . El costo de producción de las mieles es muy bajo, por lo que se pueden producir en ciertas épocas del

año, en que es más conveniente esta producción que la obtención de azúcar. Entre las alternativas que hay que analizar con el objeto de solucionar la problemática de las mieles, está la de dedicar la caña directamente para determinadas producciones que tengan un mercado asegurado o que por decisiones gubernamentales sea conveniente producir . Otra alternativa que es conveniente estudiar y someter al análisis económico, es la obtención de carbohidratos a través de los residuos celulósicos . 2.5 ALZA SISTEMÁTICA DEL PRECIO DE LOS EQUIPOS Los países azucareros se enfrentan a las fluctuaciones constantes del precio del azúcar y al alza sistemática del precio de los equipos que deben adquirir para establecer nuevas industrias. El precio de las fábricas de derivados depende del tipo de industria que se requiera instalar ; las de mayor valor de inversión son las fábricas de pulpa y papel . En la tabla 6 aparecen distintos valores de inversión de fábricas de derivados . Los valores de inversión por tonelada de las plantas de lisina y ácido cítrico (Tab. 6) son elevados, estos productos se venden en pequeñas cantidades a altos precios .

TABLA 6 Valores de inversión de fábricas de derivados (año base 1977)

Fábrica de :

Papel periódico

Capacidad anual (t)

Valor de la inversión US (millones US $)

Valor de la inversión US $lt de producto

100000

100-130

1000-1300

Papel de imprenta y escribir

60 000

140-160

2300-2700

Pulpa para disolver

40000

70-90

1750-2250

5000

13-16

2600-3200

Miel hidrolítica

46000

7-10

152-217

Tableros de partículas

55 000 m9 aprox.

Furfural

Carbón activado

5000

15

aprox.

15

273/m9

10

2000

Alcohol (mieles sin torula)

30000

13-15

Torula

12000

15

1250

Lisina

5000

45-65

9000-13000

Ácido cítrico

5000

17-22

3400-4400

434-500

16

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

2.6 PROBLEMAS DE MERCADO DE LOS DERIVADOS Algunos derivados no tienen amplio uso en los países productores de caña, a causa del poco desarrollo de la industria química y alimenticia, per cápitas bajos de consumo, hábitos de la población, etc . La comercialización de los derivados crearía fondos exportables, por lo que se podrían presentar dificultades en el mercado a causa de la competencia con los productos de los países industrializados . Es conocida la necesidad de instalar plani."a en los rangos de economía de escala y operadas con técnicas modernas, esto trae aparejado la necesidad de la especialización y cooperación entre los países productores, con el objeto de desarrollar aquellos derivados que ofrecen mayores ventajas dentro de sus condiciones particulares . 2.7 PRODUCCION DE DERIVADOS DE SEGUNDA GENERACION Existen numerosos derivados de segunda generación que pueden ser producidos a partir de los derivados primarios, muchos de ellos no están industrializados o han alcanzado su industrialización en países no productores, que compran el derivado primario o lo obtienen de otras materias primas . Entre los productos que más posibilidades tienen para la obtención de derivados de segunda generación se encuentra el furfural, la pulpa para papel, la pulpa para disolver y el alcohol ; el uso de ellos se corresponde con un fuerte desarrollo de la industria química, unido a esfuerzos investigativos . 3 Solución a los problemas que presentan los países azucareros Los países azucareros, al igual que la humanidad, tienen que enfrentarse a la solución de 2 grandes problemas : los alimentarios y los energéticos . La caña de azúcar puede ser utilizada para resolver estos problemas, aunque, lógicamente, entraría en una posición de competencia su uso como alimento contra su uso como combustible . Hay 2 formas principales de utilización de la caña : destinada a producir azúcar, aprovechando al máximo sus subproductos, o utilizarla directamente para otros usos como la producción de combustible . Los países productores de azúcar de caña tienen que enfrentarse a las fluctuaciones del precio en el mercado mundial del azúcar, el alza continuada en los costos de producción, lento desarrollo de la tecnología, áreas de cultivos extensivas y poca utilización de los subproductos . Entre algunas de las características de las

economías en desarrollo, resalta la necesidad de importar cada día mayores cantidades de papel y la continua exportación de maderas . Los consumos de maderas aserradas, paneles y papel, en los países en vías de desarrollo, son muy inferiores a los de los países desarrollados, tanto en cifras absolutas como en per cápita. En la tabla 7 aparecen los per cápita de madera aserrada, paneles y papel de los países desarrollados y en desarrollo . TABLA 7 Per cápitas de madera aserrada, paneles y papel, en países desarrollados y en vías de desarrollo

Concepto

Consumo de madera Per cápitas aserrada de papeles Papel (m3) (m3) (kg)

Países desarrollados

0,3

0,1

Países en desarrollo

0,02

0,002

e

150 6

Fuente : FAO. La agricultura hacia el arlo 2000.

El per cápita de consumo de alimentos en los países subdesarrollados está, en muchas ocasiones, por debajo de los niveles considerados por la FAO como mínimo . La necesidad del sostenimiento de los requerimientos de la alimentación animal obliga a altas dependencias de piensos importados. Los países azucareros están obligados a importar una serie de productos, cada día más caros, uniéndose a esto, pocos productos para poder desarrollar el mercado externo . El alza del precio del petróleo ha traído como consecuencia la subida del precio de sus derivados y de otras producciones . La caña de azúcar, materia prima de gran valor, de propiedades excepcionales desde el punto de vista alimenticio y energético y con capacidad de renovarse en cortos períodos de tiempo, será capaz, con su uso racional y la utilización de modernas tecnologías, de dar respuesta a gran número de problemas relacionados con el crecimiento de la población y del mejoramiento de sus niveles de vida, entre los que se puede señalar: 1. El desarrollo de los derivados permite diversificar la economía de los países azuca. reros, que no tienen que depender de las alzas y bajas de un solo producto. 2. La escasez creciente de muchas materias primas no renovables anualmente, como

17

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

la madera, permite ventajas al bagazo en la producción de pulpa y tableros. 3 . Los derivados sustituyen importaciones y/o constituyen fondos exportables . Las tendencias alcistas en los precios de los derivados hacen rentables gran número de estas producciones . 4. La escasez de piensos, en muchos países, hace que las mieles, el bagacillo, la paja y el cogollo sean cada día más importantes para la alimentación de la masa ganadera. 5 . La utilización directa de la caña como materia prima puede contribuir a solucionar problemas alimentarios o energéticos . A todo esto hay que añadir que en las condiciones actuales se abren, aceleradamente, nuevos caminos para los derivados : 1 . El desarrollo de la industria química permite nuevas posibilidades a diversos derivados destinados como materia prima para esta industria. 2. El desarrollo y conocimiento de los derivados, en algunos países, ha permitido que procesos, que hasta ahora sólo eran cono cidos teóricamente, sean dominados en la práctica. 3 . Existen productos que por su alta eficiencia económica - o por lo específico de su uso, no están amenazados a ser sustituidos por la petroquímica. 4 Caña de azúcar La caña de azúcar es una gramínea del género Saccharum, con aspecto de hierba, pero se diferencia sustancialmente de ésta, por su alto contenido de azúcares . Se cultiva en zonas tropicales y subtropicales, las condiciones climáticas, los suelos y las variedades que se siembran, influyen en sus rendimientos agrícola y de azúcar. Tradicionalmente, la caña se ha sembrado con un único objeto : producir azúcar, pero cuando se analiza su composición y las posibilidades que ofrece, se puede ver, fácilmente, que puede darnos infinidad de productos capaces de diversificar la economía de los países que la cosechan. Los rendimientos de la caña de azúcar, comparados con otras plantas similares, son superiores en términos de materia seca y en contenido de carbohidratos . Aunque el rendimiento de la caña es muy variable se puede obtener un promedio de 38 t de materia seca/ha/a, según

se puede apreciar en la tabla 8, donde se compara el rendimiento de la caña con el de otros cultivos similares . TABLA 8 Materia seca producida por hectárea por año para diferentes cultivo-t'

Cultivo Caña de azúcar (bajo rendimiento

43 t/ha/a)

Materia seca medida en:

Materia seca

(t/ha/a)

Caña completa

15,5

103 t/ha/a)

Caña completa

38,0

Caña de azúcar (según se cultiva en Hawaii)

Caña completa

90,0

Planta completa (incluyendo mazorca y granos)

9,5

Planta completa (incluyendo la espiga)

5,5

Planta completa : Tecnología vieja

4,0

Caña de azúcar (alto rendimiento

Maíz (una cosecha al año)

Trigo

Arroz

Tecnología nueva

9,5

Remolacha azucarera

Planta completa (promedio)

12,0

Pastos tropicales

Pangola

20,0

Hierba elefante

35,0

d

Fuente : "Sugar cane: energy relationships with fossil fuels." J . C. Hudson, The Sugar Journal, Oct., 1975 .

Los países que cuentan entre sus recursos naturales con caña de azúcar, materia prima de gran valor, de propiedades excelentes desde el punto de vista alimenticio y energético y con capacidad de renovarse en cortos períodos de tiempo, podrán, con su uso racional y la utilización de modernas tecnologías, dar respuesta a gran número de problemas relacionados con el crecimiento de la población y el mejoramiento de sus niveles de vida. Los subproductos de la industria azucarera se pueden agrupar según la forma en que se obtienen en : los que se originan durante la cosecha de la caña, cogollo, hojas, paja; y los que resul-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

18

TABLA 9 Por cada 100 t de cañas

t

CAÑA INTEGRAL

TALLO

Azúcar

12,5

Cogollo

18,4

Hojas y paja

42,9

Miel final 88 °Bx

3,6

Cachaza 77'% humedad

3,4

Bagazo 50 % humedad e

Fig. 9 Subproductos de la industria azucarera.

tan del proceso industrial, el bagazo, las mieles finales y la cachaza (Fig. 9) . Durante la cosecha y el proceso tecnológico de producción de azúcar es posible obtener por cada 100 t de caña lo que se muestra en la tabla 9. La producción de pajas, hojas y cogollo en la caña varía apreciablemente ; en estas cantidades influyen las variedades, el sistema de regadío, la época de recolección y otras . La caña es capaz de convertir gran cantidad db energía solar en energía química, cuando se

27,5

Fuente : Ministerio de la Industria Azucarera (Cuba).

cosecha en lugares donde existen condiciones climáticas adecuadas para su crecimiento . Considerado en términos de materia seca su valor calórico, está alrededor de 4 000 kcal/kg. La caña se compone, básicamente, de azúcares, prin. cipalmente de sacarosa y de carbohidratos es. tructurales del complejo lignocelulósico, . su contenido de proteínas es bastante bajo y no presenta otros compuestos en abundancia significativa. Estos azúcares y el complejo lignocelulósico tienen características de utilización diferentes. A partir de los sacáridos de la caña de azúcar mediante vía fermentativa o química, se obtienen productos intermedios o finales que se pue. den utilizar en distintas ramas como la agropecuaria, las industrias alimenticia, química, ligera y farmacéutica . A través del complejo lignocelulósico se incide en la industria energética, ya que existe la posibilidad de suministrar combustible en forma sólida, líquida o gaseosa o generar electricidad. El complejo lignocelulósico está compuesto, básicamente, de celulosa, lignina y pentosanas . A partir de ellas se puede obtener celulosa y papel, furfural, tableros y otros productos que se pueden convertir en una sólida fuente de adquisición de divisas . 4.1 TENDENCIAS DE- UTILIZACION DE LA CAÑA La crisis energética con que se enfrenta la humanidad, ha provocado que se investigue las formas de dar respuesta a estos problemas a través de vías no convencionales hasta estos momentos, pero que ya comienzan a tomar características permanentes ; muchos países han comenzado a analizar sus políticas para la solución más adecuada de la crisis . Los países productores de caña pueden dar respuestas, además

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZVCAR de a los problemas alimentarios, a los problemas energéticos, así como al desarrollo de gran cantidad de productos intermedios y finales que, actualmente, son del campo de la petroquímica. Del análisis de la bibliografía y de los estudios que se realizan, se observan nuevas tendencias, dentro de las distintas variantes y posibilidades, en el uso de la caña, entre las que se encuentran : 1 . La producción de alcohol, a partir de la caña u otras fuentes renovables, es la alternativa que más se ha generalizado, toman do mayor auge en Brasil, aunque también se pueden citar otros países como Hawaii, Estados Uñidos, Filipinas, Puerto Rico, que estudian, insistentemente, la problemática . 2. Utilización directa de la caña como alimento animal, sobre todo en épocas de sequía o en terrenos marginales . 3. Utilización de la caña para producir mieles ricas, mieles integrales y miel proteica, esta última consiste en una mezcla de meladura de caña con crema de levadura torula, este producto debe tener una viscosidad parecida a la miel final ; el país que más ha trabajado con esta problemática es Cuba.

l9

En la figura 10 se esquematiza, gráficamente, estos usos directos de la caña .

5 Utilización de los residuos de la cosecha A causa de la necesidad de eliminarle a la caña' que va a ser transportada al central, la mayor cantidad de cogollo y hojas, en el campo queda un potencial disponible lo suficientemente grande como para estudiar en detalle sus formas de aprovechamiento. Hasta el presente, los estudios realizados sobre la utilización de los residuos han sido pocos, su mayor uso es para la alimentación del ganado . Las mejores perspectivas, en cuanto a su uso, la presentan: la alimentación animal, la generación de electricidad, como com busfible directo o en la gasificación. Las aplicaciones industriales, como la producción de furfural, tableros y otros derivados, presentan menores posibilidades: en la figura 11 aparecen gráficamente éstas. En Hawaii se han comenzado a 'utilizar el cogollo y la paja, .además del bagazo para la generación de electricidad, para vender a la red nacional y para satisfacer las necesidades del ingenio . La paja tiene un valor calórico de 3 800 kcal/ /kg, con 10 % de humedad, mientras que pe-

Fig. 10 Utilización directa de la caña.

el

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

20

6 Utilización del bagazo

FORRAJE ALIMENTO ANIMAL

COMBUSTIBLE DIRECTO 0 GASIFICACION

GAS DE aiNTESIS

HOJAS Y COGOLLO FURFURAL Y DERIVADO$

PROTEINA UNICELULAR

ALCOHOL'

Fig. 11 Productos a partir de residuos de la cosecha: hojas y cogollo.

tróleo que se quema industrialmente tiene un valor calórico de 9 800 kcall kg. La composición media 'de los residuos de la cosecha es la siguiente : proteína 5,31 ; grasa 1,41 ; fibra hasta 37,43; ceniza 7,30 . Cuando se comparan estos residuos con otros, como, por ejemplo, la paja de arroz, paja de trigo, se comprueba que, en general, como alimento tiene un valor nutritivo superior. Los residuos recogidos a granel no pueden ser conservados, mientras que aquéllos empacados con un adecuado contenido de la materia seca, pueden ser almacenados durante un tiempo considerable, además de que se puede transportar el doble de material por unidad de volumen. En la alimentación animal se han logrado buenos resultados cuando los residuos se trataron con NaOH, lográndose una digestibilidad de 50 DAD sin necesidad de moler finamente . Se reporta que cuando los residuos se transportan juntamente con la caña hasta el centro de acopio, donde se recuperan, se pueden obtener costos del orden de US $7-9/t . Cuando se recogen directamente de forma mecanizada y se transportan en forma independiente, se pueden obtener costos del orden de US $10 - 14/t . Para llegar a una utilización integral de las hojas y el cogollo, indudablemente que es necesario realizar estudios de índole técnico-económicos, básicamente referidos a su recolección, transporte y alternativas de aprovechamiento .

El bagazo es el residuo fibroso qué se obtiene de los molinos del central azucarero durante el proceso de extracción del jugo para la fabricación de azúcar . El uso tradicional de éste ha sido como combustible en la industria azucarera . El valor calórico alto, o bruto del bagazo seco es de 4 600 kcallkg y el valor calórico bajo o neto es de 4 250 kcallkg . Muchos centrales azucareros se han concebido desde el punto de vista energético para producIr vapor e incinerar el bagazo, sin uso en otras épocas, por tal razón, la eficiencia de su utilización es baja, así como la energía demandada en el proceso fabril mayor que el de las tecnologías energéticas modernas. Éstas permiten operar las calderas de bagazo a eficiencias de 80 u 85 DiD, que junto con el uso de sistemas de múltiple efecto con extracción, se pueden lograr sobrantes de bagazo del orden de 30 a 50% .

Desde el punto de vista morfológico, el bagazo consta de 2 fracciones, la fibra, que constituye alrededor de 60 - 65 OSO, y el meollo que es 35 - 40 DAD . La fibra es la parte industrialmente deseada para la producción de pulpas para papel y tableros, ésta se separa del meollo mediante distintos procesos de desmeollamiento, en una o más etapas, y, en distintos grados, según sean las necesidades de la industria . En los momentos actuales en que el precio del petróleo (Fig. 12) ha subido en el mercado mundial, es imprescindible pensar en bagazo sobrante para una industrialización, unido a la transportación del mismo en los casos en que sea necesario. El estudio de la utilización del bagazo se dividirá en 4 grupos: 1 . Celulosa y papel. 2. Industria hidrolítica . 3. Tableros . 4.

Carbón activado. 6.1 CELULOSA YPAPEL

Pulpa y papel: la industria de pulpa y papel tiene, mundialmente, y, en especial, en los países desarrollados, una gran importancia . Se caracteriza por influir, de manera notable, en el desarrollo cultural de los pueblos y, a la vez, es productora de insumos importantes de prácticamente todos los sectores industriales. En muchos países en vías de desarrollo constituye una in-

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22

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

dustria estratégica ; es una eficiente sustituta de importaciones, produce saldos favorables sobre la base de su aceptable relación de costos internos y externos . En las 2 últimas décadas, la utilización del bagazo en la industria de pulpa y papel, se ha incrementado significativamente, en la actualidad alcanza niveles que están alrededor de los

2 000 000 t de papel/a . Existen en operación, aproximadamente, 54 fábricas, distribuidas en alrededor de 24 países del mundo . De estas plantas, 11 están en proceso de ejecución . En la tabla 10 aparecen las fábricas de pulpa y papel existentes en el mundo, de acuerdo con los datos que reporta la literatura.

TABLA 10 Fábricas de pulpa y papel de bagazo en el mundos Países

Nombre

Localización

Capacidad (t/a)

Producto

Puesta en marcha

Africa A. del Sur

Ngoye Paper Mills

Felixton

60000

Medios corrugados

A. del Sur

Stanger Pulp and Paper Co.9

Durban

40000 57000

Pulpa Tissue finos

Egipto

Egiptian Sugar and Distilleries Co. Ltd.

Edfu

50000

Papel imprenta y escribir

20000

Pulpa

1953

1984

Mozambique Al Nasr Co .

Kous

18000

Pulpa mecánica

1965

Mozambique -

Sofala Area

60000

Pulpa

1986

Norte y Centro América Costa Rica

-

Turrialba

18000

Papel

Cuba

Papelera Guillermo Geilin (Técnica Cubana)

Matanzas

24000

Papel imprenta y escribir

1959

Cuba

Papelera Sergio González (Damují)

Cienfuegos

21000

Liner y cartoncillo

1957

Cuba

Papelera Cap. Roberto Rdguez . (Pulpa Cuba)

Trinidad

27000

Liner y cartoncillo

1960

Cuba

Proyecto Cuba-9

Quivicán

9000

Cuba

Emp. Combinada para Ind. Química (Uruguay)

60000

Pulpa

1981

60000

Papel imprenta y escribir

1982

45000

Pulpa blanqueada, cartón

1976

Jatibonico

E. Unidos

Valentine Pulp and Paper Co.

Lock Port, La.

México

Mexicana de Papel Periód.

Tres Valles, Veracruz

Papel periódico

100000

Papel periódico

Después 1981

TABLA 10 (con.)

Localización

Países

Nombre

México

Cía. Industrial San Cristóbal

Escatepec

México

Fca. de Celulosa El Pilar S. A.

Ayotla

Capacidad (t/a)

76000 22500 (ampliación)

Producto

Puesta en marcha

Pulpa y papel de imprenta y escribir

1956

Pulpa blanqueada

1980

México

Kimberly Clark México S.A.

Orizaba, Veracruz

60000

Pulpa blanqueada, papeles de imprenta y escribir y tissue

México

Cia. Industrial de Ayotla S.A.

Ayotla

30000

Pulpa blanqueada

México

Productora de papel S.A .

Monterrey

18000

Pulpa para corrugar

Puerto Rico

Pan American Paper Mill Co .

Arecibo

18000

Pulpa de alto rendimiento

Tucumán

90000

1959

América del Sur Argentina

Papel de Tucumán

Pulpa Papel periódico

1982

30000

Pulpa y papel

1965

7500

Pulpa y papel

1943

22500

Pulpa y papel

110000 Argentina

Ledesma SA .

Jujuy

Argentina

Ebro Mill

Villa Ocampo

Argentina

Celotex Argentina S.A .

Rosario

Argentina

Celulosa Argentina S.A .

Tucumán

6000

Papel para envolver y sacos

Argentina

Papelera del Norte

Tucumán

6000

Pulpa sin blanquear

Brasil

Celubagazo Ind. Comercio S . A.

Campos

-

Cartón

Brasil

Cia. Inds . Brasileira Portela

Jaboatao, Pernambuco

20000

Pulpa

Brasil

Fab. de Papel e Celulosa

Morgantí Picacirubo

6000

Brasil

Refinadores Paulistasa

Sao Paulo

15000

Brasil

Industrias Reunidas S. A.

Matarazo

Brasil

Rigera Cellulosa e papel

Brasil

Papelao Ondulato do Nordeste

1981

Pulpa y papel Pulpa blanqueada

6000

Pulpa sin blanquear

Sao Paulo

30000

Pulpa sin blanquear

Recife

30000

Pulpa alto rendimiento

1952

1978

TABLA 10 (cont.) Capacidad (t/a)

Puesta en marcha

Países

Nombre

Localización

Brasil

Papelao Ondulato do Nordeste

Alagoas

30 000

Pulpa blanqueada

1979

Brasil

Papeis finos do nordeste s

Igarasu

20000

Pulpa sin blanquear

1980

Colombia

Fca . Nacional de Cartón S. A.

Cali

15000

Pulpa

1981

Colombia

Papelcol S. A.

Valle del Cauca

87 000

Pulpa

1984

70 000

Papel imprenta y escribir

1984

Producto

Colombia

Productora de papeles S. A.

Cali

75000

Pulpa y papel

-

Colombia

Grace Co.

-

26 000

Pulpa y papel

_

Ecuador

Papelera Nacional S. A.

San Carlos

8 600

Papel

1967

Peru

Sec . Agrícola Paramonga Ltd .

Paramonga

37 500

Pulpa

1939

82 500

Pulpa y cartón

_

Pulpa no blanqueada

1952

Pulpa (papel periódico)

1978

Penó Peru

Papelera Trujillo S. A.

Trujillo

60000

Peru

Industrias del Períi

Hiclayo

110 000

Perú

Celulosa y Papelera del Norte

Cayalti

7 500

Venezuela

C. A. Venezolana Pulpa y Papel (Venepal)

Morón

45 000

Pulpa sin blanquear

Venezuela

1963

Guanere Papelera

Río Guanere

45000

Pulpa blanqueada

1978

Nargarhar

30000

Papel envolver

1986 1960

Pulpa no blanqueada

Asia Afganistán China

Pearl River Paper Co.

Canton

13000

Pulpa blanqueada

China

Fab. Shituo Mar del Sur

Prov. Kwong tung

44000

Pulpa y papel, imprenta y escribir

Filipinas

-

Calumping

Filipinas

Paper Div . Central Azucarera de Baís

Bais

12000

Pulpa blanqueada

1949

Filipinas

United Pulp and Paper

Calumping

30000

Pulpa y papel

1973

India

(*) The Bengal Paper Co.

Raniganj

7 500

Pulpa y papel

India

Mandya National Paper Mills Ltd .

Belagule

15000

Papel escribir

180 000

Papel sacos

1962

TABLA 10 (cont .) Capacidad (t/a)

Producto

Puesta en marcha

Paises

Nombre

Localización

India

Northern India Paper Mills Ltd.

Meerut (U. P.)

18 000

Papel escribir y envolver

1963

India

Rohtas Industry Ltd.

Dalmianagar

60000

Pulpa blanqueada

1951

India

Seshasayee Paper and Board Ltd.

Erode (Madras)

30 000

Pulpa y papel

1963

India

Tamil Nadu Goverm

Pyllipalayan

80000

Pulpa

1984

Indonesia

P. T. Eureka Alba

East Java

Papel envolver

1981

Indonesia

P. N. Kertas Letjes

Probolinggo

70000

Pulpa

1983

60000

Papel

-

90 000

Pulpa

90000

Papel periódico

1986

Indonesia

Newsprint Paper

Letjes, East Java

6 000

Indonesia

P. T. Pakerin

East Java

24000

Papel imprenta y escribir

1980

Indonesia

Sack Kraft Paper Millg

Central Java

90000

Pulpa

1985

90000

Papel saco

Iraq

Irak Government State

Mizan (Al Amarah)

21000

Pulpa

1980

Iraq

Enterprise for Paper Indust.

Al Amarah

75000

Sacos Kraft

1979

40000

Pulpa no blanqueada

Iraq

Basrah pulp and paper

Basrah

18000

Paquistán

PIDC

Jamshoro, Sind

30000

Pulpa

33000

Papel imprenta y escribir

22 000

Pulpa

22 000

Papel periódico

60000

Papel periódico y escribir

60000

Pulpa

Paquistán

Paquistán

PIDC

PIDO

Near Thatta Sind

Kmalia, Faisalabad

-

1967 Proy .

Proy .

1986 -

Paquistán

PIDCg

Near Jaranwala, Punjab

30 000

Pulpa

Proy.

Paquistán

Pakistan Paper Co.

Charsadde

30000

Pulpa blanqueada

1970

Paquistán

Pakistan Paper Co.

Jamshoro

30 000

Pulpa blanqueada

1979

26

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

TABLA 10 (cont.)

Países

Nombre

Localización

Irán

Pars Paper Co. Ltd.

Haft Toppet

Irán

Karun Agro-Industries

Shushtar

Capacidad (t/a)

82 500

Producto

Puesta en marcha

Pulpa blanqueada, papel y cartón

180000 .

Pulpa

180000

Papel imprenta y escribir (proyecto)

1985

Irán

Pars Paper Co.

Hoft Toppeh

18000

Pulpa blanqueada

Tailandia

Siam Pulp and Paper

Ban Pong

24000

Pulpa

1982

Tailandia

Siam Kraft Paper

Ban Pong

21000

Pulpa sin blanquear

1967

Taiwan

Pingtung Pulp Factory

Pintung

90000

Pulpa blanqueada

1977

Taiwan

Hsingying Pulp and Paper

Hsingying

45000

Pulpa blanqueada

1958

Taiwan

Alrededor de 39 pequeñas fábricas que producen 60 000 tla

Pulpa

1984

Europa

España

Empresa Nacional de Celulosa de Motril

Andalucía

27000

Mackay, Queensland

150000

Oceania Australia f B

Marubeni-Greace

Fuentes : Projected pulp and paper mills in the world 1980-1990. PAO, 1981 . J. M. Paturau: By-products of cane sugar industry. Elsevier Publishing Co., London, 1982. Además del bagazo utilizan otro tipo de fibra.

Existe una gran diferencia en los consumos per cápita de papel y cartón entre los países desarrollados y los países en vías de desarrollo, por lo que la producción de papel a partir de bagazo puede ser una vía para incrementar estos consumos (Tab. 11) . La industria de pulpa y papel a partir de bagazo, mundialmente establecida, se basa en la utilización de procedimientos químicos y semiquímicos alcalinos, para llegar al grado de deslignificación necesario, para obtener una pulpa adecuada para cada tipo de papel. En la figura 13 se muestran las distintas producciones de pulpa y papel que se pueden acometer a partir del bagazo.

La producción de pulpa y papel se debe considerar en lugares donde existan grandes centrales azucareros o en lugares donde el bagazo pueda ser transportado . A pesar de que últimamente están apareciendo estudios donde se habla de las ventajas de plantas de pulpa y papel pequeñas, se debe señalar que el valor de la inversión en este tipo de plantas es alto, por lo que la depreciación tiene gran . influencia en los costos. No obstante, bajo ciertas condiciones, son convenientes las producciones en pequeñas escalas de pulpas mecánicas y semimecánicas, en lugares donde existan capacidades para obtener el bagazo sobrante necesario. Estas plantas, además, necesitan un suministro adecuado de ba-

27 TABLA 11

TABLA 11 (cont.)

Consumos per cápita de papel y cartón en .kilogramos (países seleccionados) año 1979h Países

Países

11

Países

Países

África del Sur

40

Mozambique

3

URSS

33

Bolivia

3

Argentina

33

India

2

México

27

Haití

1

Viet Nam

27

Etiopía

0,4

Estados Unidos

289 Filipinas

Canadá

215

Iraq

9

R.F.A.

205

República Dominicana

9

Japón

151

Perú

9

26

Gambia

0,3

Bélgica

145

Zimbabwe

Brasil

7

Cuba

19

Zaire

0,3

Reino Unido

134 Egipto

7

17

R. P. China

Colombia

Mali

0,2

5

Irán

13

Taiwan

80

Venezuela

56

Angola

4

Yugoeslavia

46

Zambia

4

h

Fuente : Review PPI, 1980 .

Fig. 13 Pulpa y papel a partir de bagazo.

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30

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAI2

gazo, agua suficiente, disponibilidad de los efluentes, así como lograr la solución del problema de la contaminación ambiental . Para el éxito del proyecto también es de vital importancia aplicar procedimientos económicos de manipulación, embalaje, transporte y almacenamiento de bagazo, además es necesario darle solución a los problemas del petróleo. Las plantas de pulpa y papel, además de proporcionar empleo a gran número de trabajadores, proporcionan un balance favorable de divisas. En las figuras 14 y 15 aparece la evolución de los precios de las pulpas y papeles, en ambas se observa que estos productos tienen un incremento sostenido de los precios, entre los que se destacan la de los papeles bond, los que se pueden producir, con grandes ventajas, a partir del bagazo. 6.1.1 Indicadores técnico-económicos del papel periódico

TABLA 12 Indices de consumo fundamentales por tonelada para la producción de papel periódico Bagazo integral (50%)

3,2

Pulpa kraft semiblanqueada

0,190 t

Combustible Electricidad

t

200 0,42 1500

Una planta para producir papeles de imprenta y escribir con una capacidad de 60 000 t/a, tendría un valor de US $140 000 000 a $ 160 000 000. Los insumos fundamentales por toneladas son los que se muestran en la tabla 13. TABLA 13 Insumos fundamentales por tonelada pa0a la producción de papel de imprenta y escribir Bagazo integral (50%)

Pulpa kraft blanqueada Agua Combustible Electricidad

Uno de los problemas fundamentales que ha confrontado el desarrollo del papel periódico es el de lograr un papel económicamente aceptable . No obstante, países como México y Perú han ido a la instalación de plantas para esas producciones . En Cuba se ha instalado una planta semindustrial (Proyecto Cuba-9) para estudiar, entre otros problemas referentes a la problemática de celulosa y papel, los de la producción de papel periódico. Una planta con una capacidad de producción de 100 000 t de papel periódico costaría alrededor de 100 000 000 a 130 000 000 de pesos. Los índices de consumo fundamentales por tonelada serían los que aparecen en la tabla 12. Los costos de producción de papel periódico estarían alrededor de los US $480/t valorando el bagazo corno sustituto por petróleo y éste a US $170/t. Los factores que más inciden en el costo son la materia prima, la electricidad, la pulpa kraft, el combustible y la depreciación.

Agua

6.1 .2 Indicadores económicos de los papeles de imprenta y escribir

t kW " h

5,6

t

0,17

t

250

ma

0,55 t 440,5

kW . h

El costo de producción estaría alrededor de los US $740/t, los factores que más inciden son el bagazo sustituido por petróleo, la pulpa importada, el combustible y la depreciación .

6.1 .3 Pulpa para disolver y derivados La producción de pulpa para disolver, a partir de maderas coníferas y maderas duras, como, por ejemplo, la haya, ha sido establecida industrialmente en países como Estados Unidos, Polonia, Japón, Italia y otros. La utilización del bagazo como materia prima para esta producción sólo se conoce que se realice en la República Popular China, pero a una escala que se puede considerar como semindustrial, pues las capacidades son entre 3 - 10 t/d. En Cuba, se producirá a escala semindustrial pulpa para disolver en las instalaciones especializadas del Proyecto Cuba-9 . En la figura 16 aparecen los productos de segunda generación que pueden ser obtenidos a partir de la pulpa para disolver. La eficiencia económica de la obtención de pulpa para disolver o celulosa a partir del bagazo no se debe mirar aisladamente, sino asociada a la producción de derivados, que resolverían problemas de importaciones y se pudieran convertir en fondos exportables . Entre las mayores posibilidades de utilización de pulpa para disolver están la producción de fibrana e hilaza textil de buena calidad, el celofan, la carboximetil y el acetato de celulosa. En la figura 17 aparece la evolución de los precios de algunos derivados de celulosa .

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

31

Fig. 16 Pulpa para disolver y derivados . Los principales insumos por toneladas de pulpa para disolver son los que aparecen en la tabla 14 . El valor de la inversión de una planta con una capacidad de 4,0000 t/a está entre los US $70 000 000 y $90 000 000 . En la pulpa para disolver, el factor que más incide en el costo es la

materia prima (bagazo) ; cuando éste se utiliza sustituido representa entre 40 y 50 % del costo total . El costo de producción de la pulpa para disolver está cerca de los US $800/t. Este puede ser disminuido, considerablemente, según cómo se considere el bagazo.

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ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Para producir furfural no es necesario desmedular, y el residuo lignocelulósico que se obtiene puede ser utilizado como combustible en el propio proceso . El furfural se utiliza como materia prima para la producción de alcohol furfurílico, alcohol tetrahidrofurfurílico, tetrahidrofurano y otros derivados . Se emplea como solvente selectivo en la producción -de grasas y aceites lubricantes . También se utiliza para la producción de masillas anticorrosivas, hormigones plásticos, herbicidas, insecticidas, funguicidas y fármacos, nailon 66, etcétera . En las figuras 19 y 20 aparece la evolución de los precios del furfural y de algunos derivados . Como se puede apreciar a través de los mismos, la evolución de estos precios ha sido alcista, sobre todo en los últimos años . La' producción mundial estimada de furfural es de alrededor de unas 200 000 t. Estados Unidos produce cerca de 50 %. En la tabla 15 aparecen las fábricas que producen furfural en el mundo, a partir del bagazo de acuerdo con los datos reportados por la literatura mundial . No obstante la experiencia que existe en la producción industrial de furfural, se presentan dificultades en todos los procesos tecnológicos

TABLA 14 Principales insumos por tonelada de pulpa para disolver

13,3

Bagazo integral (50 %)

300

Agua Eléctricidad

1 000

m3 kW . lr

0,833 r

Combustible

33

6.2 INDUSTRIA HIDROLITICA Entre los productos que se pueden obtener del bagazo, vía hidrólisis, se encuentra el furfural y la miel hidrolítica . En la figura 18 se presentan los productos que se pueden obtener por la hidrólisis del bagazo. 6.2.1 Furfural y derivados El furfural es un producto de amplia utilización en el mundo con la característica de producirse sólo por vía de hidrólisis de residuos y productos forestales y en particular el bagazo.

RESINAS DE FUNDICION ALCOHOL FURFURILICO BAGAZO

RESINAS FURFURITAS

FURFURAL

ALCOHOL TETRAHIDROFURFURILICO

RESINAS FURALITAS

ACIDO ACETICO

PLAGUICIDAS

METANOL

FURADAN PIRAMINA

CELOLIGNINA

EUDATHOL NC 8438

FARMACOS FURAZOLIDONA NITROFURANTOINA FURADONIN

FURANO

TETRAHIDROFURANO

CARBON ACTIVADO

MIEL HIDROLITICA LIGNINA

E

LEVADURA ETANOL LIGNOSULFONATOS NITROLIGNINA AONP COLACTIVITA

Fig. 18 Derivados de la hidrólisis del bagazo.

ETILENO

DERIVADOS DEL ETILENO

W F

O IZ Q

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TETRAHIDRO FURANO ALCOHOL TETRAHIDRO FURFURILICO e ALCOHOL FURFURILICO

FUENTE : -CHEMICAL MARKETING REPORTER 67

69

70

71

72

73

74

75

76

Fig. 20 Precios de algunos derivados del furfural.

77

76

79 60 AÑOS

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

16

TABLA 15 Plantas de furfural de bagazo en el mundo , Cantidad (t/a)

País

Puesta en marcha

Estadus Unidos

22 000 i

1966

Rep. Dominicana

20 000 k

1956

Sur Africa

8 000

1979

Filipinas

5 000

1975

Tau3zania

6 000

1974

Puerto Rico

10 000

1978

Estados Unidos (Texas)

20000

1976

(sin confirmar)

Boli% is

6 000

1976 (sin confirmar)

Argentina

5 000

India

6 000

(posiblemente 1974 utiliza otra materia prima)

Brasil

2000

1974

(no se conoce)

Taiwan

i Fuente : Informe interno del ICIDCA, 1979 . (  Análisis de las plantas de furfural . . . . .)

PROMT 1970-1981

Algunas fuentus inlorman 33000 t1a . k

Hay

datos

de

que amplia su

capacidad a 32 000 t/a .

que lo producen, a partir de bagazo por el método- continuo, lo que evidencia que las fábricas instiladas, producen, en general, por debajo de las capacidades proyectadas. La planta de República Dominicana que utiliza el proceso discontinuo con ácido, ha podido superar las dificultades tecnológicas . 6.2 .2 Indicadores técnico-económicos Una planta para producir 5 000 t /a de furfural cuesta, aproximadamente, US $15000000. Los principales índices de consumo aparecen en la tabla 16 . TABLA 16 Principales índices de consumo para la producción de furfural

Bagazo (50 %) Electricidad Agua

27 1362 200

t kW .h m3

El factor que más incide en el costo de producción del furfural es el bagazo y el costo de producción estaría determinado, básicamente, por el precio que se le dé a esa materia prima. En condiciones desfavorables el costo está alrededor de los US $1000 la tonelada . 6.2 .3 Miel hidrolítica Mediante la hidrólisis ácida de residuos vegetales se obtiene una solución diluida de azúcares que se ha denominado miel hidrolítica. Insta es una mezcla de monosacáridos, cuya composición y concentración dependen de las condiciones industriales de operación, principalmente, xilosa y glucosa, en una concentración de 2,5 % . La miel hidrolítica se puede utilizar como materia prima para procesos fermentativos como son la producción de levadura forrajera y de etanol o directamente suministrada en la alimentación del ganado . La producción de miel hidrolítica a partir de otros residuos se encuentra desarrollada en la URSS y Bulgaria, donde producen etanol y levadura para consumo interno.

ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

6.2.4 Indicadores técnico-económicos Una planta de miel hidrolítica con una capacidad de 46 000 t/a cuesta, aproximadamente, entre US $7 000 000 y $10 000 000 (Tab. 17) . TABLA 17 Principales índices tecnológicos para la producción de miel hidrolítica Bagazo

2,61

t

Ácido sulfúrico

0,16

t

126

Electricidad Agua

26

Combustible

0,22

kW . h mg t

La conveniencia de la producción de las mieles hidrolíticas, depende de las disponibilidades y precios del bagazo y el combustible, y de la utilización de las mieles finales . Países donde hay disponibles desechos agrícolas y escasez de carbohidratos han acometido estas producciones. En dependencia de los precios que se consideren para el bagazo u otros residuos que se

utilicen, el costo de 1 t de miel hidrolítica equivalente a miel estaría entre US $80 - 100. 6.3 DERIVADOS AGLOMERADOS DEL BAGAZO

El desarrollo de la producción de tableros a partir del bagazo comenzó a tomar auge en la década de los años 1950-1960. Un desarrollo acelerado se ha venido observando en el último quinquenio . A partir del bagazo se pueden obtener tableros de partículas, tableros de fibras, tableros de bagazo cemento y productos moldeados ; cada uno de ellos tiene sus características particulares . En la figura 21 se muestran, gráficamente, estas posibilidades . En la tabla 18 aparecen las fábricas de tableros de bagazo instaladas en el mundo, después del papel ésta es la industria a partir del bagazo que más desarrollo ha alcanzado . En la tabla 19 aparece el per cápita de consumo de tableros de fibras y de partículas en el mundo. Como se puede observar a través del mismo muchos de los países productores de azúcar de caña en el mundo tienen bajo per cápita. 6.3.1 Tableros de partículas Este tipo de tableros se usa, fundamentalmente, en la fabricación de muebles y en la cons-

TABLEROS DE PARTICULAS

TABLEROS DE FIBRAS

BAGAZO

PRODUCTOS MOLDEADOS

I

37

d

TABLEROS DE BAGAZO CEMENTO

Fig. 21 Derivados aglomerados del bagazo.

TABLA 18 Plantas de tableros de bagazo' Capacidad (t/a)

País

Empresa

Localidad

Producto

África del Sur

Halsakane

Zululand

Tableros de partículas

36000

África del Sur

Afcol 4

Johannesburg

Tableros de partículas

30000

Argentina

Cía. Azucarera Tucumán

Tucumán

Tableros de partículas

39000

Costa Rica

Toglosa

-

Tableros de partículas

24000

Costa Rica

Miguel Ortuno

-

Tableros de partículas

-

Cuba

Maderas Técnicas

La Salud, Habana

Tableros de partículas

12000

Cuba

Procuba

Cruces, Cienfuegos

Tableros de partículas

21000

Cuba

Camilo Cienfuegos

Habana

Tableros de partículas

36000

Cuba

1° Enero (en construcción)

Ciego de Ávila

Tableros de partículas

36000

Cuba

Jesús Menéndez (en construcción)

Las Tunas

Tableros de partículas

64000

Cuba

Primadera

Las Tunas

Tableros de fibras

15000

Cuba

Henetec

Cárdenas, Matanzas

Tableros de fibras

3000

Mauricio

Universal Board

Tableros de partículas

3000

México

Central Querera

Estado Colina

Tableros de fibras

-

Pakistán

Crescent Sugar Mill

Lyallpur

Tableros de partículas

12000

Pakistán

Crescent Sugar Mill

Lyallpur

Tableros de fibras

-

Perú

Tableros Peruanos

Laredo

Tableros de partículas

21000

Puerto Rico

Central Igualdad

Tableros de partículas

36000

Reunión

Sucreries de Bombon

Tableros de partículas

12000

Taiwan

Taiwan Sugar Corp . Koohsiung

Tableros de partículas

16000

Taiwan

Taiwan Sugar Corp. Changhwa

Tableros de fibras

15000

Taiwan

Fab. Mar del Sur

Kwangtung

Tableros de fibras

-

Venezuela

Tablopán S.A.

San Mateo, Aragua

Tableros de partículas

24000

Venezuela

Tablopán S.A .

San Mateo, Aragua

Tableros de fibras

24000

Estados Unidos

National Bagasse Production

Vacherie, Louisiana

Tableros de partículas

30000

Estados Unidos

Celotex Corp .

Marrero, Louisiana

Tableros de fibras

60000

Estados Unidos

Lanse Michigan

Michigan

Tableros de fibras

-

Egipto

Komombo

Tableros de partículas

24000

-

La Mare

-

TABLA 18(Cont)

1

Capacidad (t/a)

Producto

País

Empresa

Localidad

Filipinas

Rep, Wall Board Corp .

-

Tableros de fibras

Filipinas

Supertex Wall Board

--

Tableros de fibras

Filipinas

Phil Tex Board Factory

-

Tableros de fibras

Filipinas

Central López S.

-

Tableros de fibras

--

India

Gologabarnath

-

Tableros de partículas

12000

India

Ariel Hardboard Ltd.

Bombay

Tableros de

--

Japón

Okinawa

Okinawa

Tableros de partículas

18000

Jamaica

Stand Building Products

Spanish Town

Tableros de partículas

36000

Trinidad

Trinidad Bagasse Corp .

Trinidad

Tableros de partículas

15000

El Salvador

Producción Agroindustriales S.A. de C.V.

Tableros de partículas

15000

-

fibras

Fuente: "Estudio para la optimización energética de la industria azucarera y su diversificación." pública Dominicana, ICIDCA, 1979.

TABLA 19 (Cont

TABLA 19 Consumo por cada 1000 habitantes de tableros de fibra y partículas en 1979 (países seleccionados) , n Países

Consejo Estatal del Azúcar, Re-

Países

ms/1000 hab.

Finlandia

127,0

Suecia

120,6

R.FA.

119,0

Canadá

78,0

Estados Unidos

58,4

Australia

44,9

Checoslovaquia

43,0

Polonia

40,0

Francia

36,4

URSS

26,0

Costa Rica

17,1

nt

m8/1000 hab.

Japón

13,7

Sur Africa

11,6

Argentina

11,4

Brasil

8,6

México

6,5_

Cuba

6,2

Irán

3,5

Venezuela

2,6

Iraq

1,6

Colombia

1,3

Egipto

0,8

India

0;08

Fuente: World Wood Review, 1981 .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

trucción. Una planta con una capacidad anual de 55 000 m3 tiene un valor de, aproximadamente, US $15 000 000 . El costo de producción de 1 m3 de tableros estaría alrededor de los US $180 - 190. Uno de los factores que más incide en el costo de los tableros es el recubrimiento (Tabla 20) . TABLA 20 indices tecnológicos por metro cúbico de tableros recubiertos Bagazo

1,95

t

Formol

0,08

t

Urea

0,038 t 244

Electricidad

kW . h

0,144 t

Combustible Papel melaminado

80

no

Aunque el tablero no tiene una gran comercialización a causa de que los países que lo producen lo consumen internamente, se reportan precios en el mercado de tableros recubiertos de US $288/m3 . La mayor rentabilidad que puede ser obtenida a partir de los tableros ; es mediante la elaboración de su producto final, o sea, la construcción de muebles . 6.3.2 Tableros de fibras Sus usos principales son : en la fabricación de muebles, como fondo de gavetas y escaparates o estantes ; en gabinetes de cocina ; en la industria .automotriz y ferroviaria como recubrimiento interior, etc . 6.3.3 Elementos moldeados La fabricación de elementos moldeados a partir de partículas o fibras de madera ha tenido desarrollo en Alemania, Checoslovaquia, Estados Unidos y otros países. En la isla de Guadalupe, en el Caribe, funcionó una planta de tejas acanaladas que cerró por falta de mercado, trabajó con bagazo y no se reportó ninguna dificultad tecnológica . Por la tecnología de elementos moldeados se pueden obtener cajas para envases de frutas frescas y paletas para la estiba de mercancías, gabinetes de radio, y televisores, bandejas y otros . 6.4 CARBÓN ACTIVADO El carbón activado es un material con alto poder absorbente, producto de la carbonización y

activación de diversos materiales. Aunque la literatura no reporta la existencia, en el mundo, de plantas de carbón activado a partir de bagazo, con la excepción de una planta que operó en México por un tiempo, es posible decir que la misma es técnicamente posible. Se utiliza como decolorante en 'la refinación de azúcar, y en la industria alimentaria. Tiene amplia utilización en la descontaminación ambiental . Existe poca información sobre el carbón activado, aunque se conoce que los principales productores son Estados Unidos, Japón, Holanda y Bélgica . Lds tamaños de fábricas están entre 3000 y 6 000 t/a se reportó que en Estados Unidos empezó a producir una fábrica de 11 000 t/a y en Bélgica se construye una de 10 000 t/a . Existen 2 tecnologías de producción de carbón activado: por activación química y por activación física . La gran mayoría de los productores utilizan el método de activación física, que aunque tiene mayor consumo de la materia prima fundamental, es un proceso autoenergético y, prácticamente, no usa productos químicos, lo que hace que tenga costos de producción más bajos. El carbón activado está en déficit en el mercado mundial, su utilización ha aumentado en los últimos tiempos para resolver problemas de contaminación ambiental . TABLA 21 Insumos por toneladas de carbón activado Bagazo

17

Acido clorhídrico Electricidad Combustible Agua

0,1 480 0,06 66

t t kW . h t me

6.4.1 Indicadores técnico-económicos Una planta para producir carbón activado cuesta alrededor de US $10000000 . Los costos de producción están alrededor de los US $700/t y el índice que mayor incidencia tiene en el costo es el bagazo. Los precios del carbón activado han subido, paulatinamente, a partir de 1975, reportándose algunos hasta de US $900/t. 7 Utilización del meollo La necesidad de separar la parte que es necesario desechar en el bagazo que se emplea para la producción de pulpa, papel y tableros, ha

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR dado origen a la operación de desmeollamiento, cuyo nombre se deriva de la fracción no deseada . Este efluente de la industrialización del bagazo no ha sido suficientemente estudiado, considerándose, por lo general, como un desecho, y su eliminación ha ocasionado problemas en muchas fábricas. El grado de separación del meollo y la fibra, el lugar y el método empleado, determinan la economía de la operación de su conjunto, así como la cuantía y características del efluente . La composición química del meollo difiere poco de

la fracción fibrosa, o a la del bagazo integral, no obstante, se puede apreciar que la cantidad de cenizas es superior que la de la fibra o la del bagazo integral. A causa de que el meollo tiene un valor calórico similar al del bagazo y por ser un producto celulósico, se puede emplear para generar vapor, electricidad, para alimentación animal y como materia prima en la producción de papel y miel hidrolítica, como acondicionador de suelos y portador de pesticidas y herbicidas. En la figura 22 se exponen los distintos usos que pudiera tener el meollo.

MIEL - UREA BAGACILLO

BAGACILLO

PRE- DIGERIDO

BAGACILLO TRATADO CON ENZIMAS

COMBUSTIBLE

C

41

FURFURAL

MIEL

HI DROLITICA

ACONDICIONADOR DE SUELOS

PORTADOR DE PLAGUICIDAS

Fig . 22 Productos a partir del meollo.

DERIVADOS DEL FURFURAL

42

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR

El meollo se ha utilizado tradicionalmente mezclado con miel para la alimentación animal en diversas formas . En México se seca y comprime en paletas que se almacenan durante la zafra, posteriormente se desintegra y mezcla con las mieles . Mundialmente, se han hecho esfuerzos para su utilización como combustible, y ya hay varios países como México, Taiwan, Hawaü y Perú que lo queman, eficientemente, en calderas diseñadas a ese fin específico, inyectándole de 10 - 15 % de petróleo para mantener la estabilidad. La literatura reporta que en Egipto y Argentina el meollo obtenido del desmeollamiento en suspensión, después de presecado hasta alrededor de 35 % de materia seca, se esparce en el campo como acondicionador de suelos . Aunque el meollo se puede utilizar para la producción de furfural y mieles hidrolíticas, esta línea requiere aún algunos esfuerzos investigativos . 7.1 BAGACILLO PREDIGERIDO (MEOLLO PREDIGERIDO) El bagacillo predigerido se obtiene, tratando el meollo con hidróxido de sodio y temperaturas moderadas, con vistas a aumentarle la digestibilidad y después se le añade miel final y urea. El meollo constituye 76 % del total y la miel 13 % ; la urea y el hidróxido de sodio están en pequeñas proporciones . El bagacillo predigerido sustituye a la miel urea bagacillo y presenta, además de un mayor valor alimenticio, un ahorro considerable de miel. Una tonelada de miel urea bagacillo, consume 360 kg de miel, sin embargo, 1 t de bagacillo predigerido consume 115 kg, lo cual representa un ahorro de 245 kg de miel por cada tonelada . Comercialmente 1 t de bagacillo predigerido sustituye a 1 t de miel urea bagacillo . El bagacillo predigerido presenta algunas dificultades en su transportación, por su baja densidad de bulto; no obstante, su compactación en forma de paletas reduciría, considerablemente su volumen . El producto se usa en rumiantes que son los únicos animales que tienen la capacidad de convertir la celulosa en elementos energéticos, preferiblemente para la producción de leche. Una planta para producir 200 t/d de bagacillo predigerido cuesta alrededor de US $150 000. El costo de 1 t de bagacillo predigerido estará alrededor de los US $50, si se valora el meollo como sustituto de combustible . 8 Utilización de las mieles La miel de caña es un líquido denso y viscoso que se separa de la masa cocida final cuando no es posible cristalizar más azúcar. La miel

final contiene, aproximadamente, entre 50 - 58 de azúcares totales y una energía metabolizable que oscila alrededor de las 2 200 kcal/kg . Los principales países consumidores de mieles son la Comunidad Económica Europea, Estados Unidos y Japón; estos 3 mercados consumen, aproximadamente, 80 % del suministro mundial de mieles . Los usos fundamentales de las mieles han sido, hasta el presente, en orden de importancia por los volúmenes consumidos : alimentación animal, producción de alcohol etílico y producción de levadura. También se han utilizado como materia prima para la obtención de ácido cítrico, glutamato monosódico, lisina y otros, pero los volúmenes de miel en estas producciones son insignificantes, comparados a los principales usos . En los próximos años, se espera que se incremente el consumo de miel y se pronostica, también, aumentos significativos para usarla como alimento animal, pero solamente hasta un punto donde los precios no induzcan el uso de otras alternativas; tales como granos y cereales forrajeros. El alto precio de las mieles, en los últimos años, se debe a diferentes factores, pero el que más influye es la actual tendencia de los países productores a incrementar sus consumos internos para usar como alimento animal, a expensas de disminuir volúmenes de exportación . En la figura 23 aparecen los precios históricos de las mieles desde 1959 hasta 1981 . Los precios de las mieles han ido aumentando, sistemáticamente, en los últimos años, a pesar de las fluctuaciones ; sin embargo, a mediados de 1981 comenzaron a bajar de nuevo, esto último ha estado influido por las más altas cosechas de maíz en Estados Unidos . En la figura 24 se muestran los productos que se pueden obtener a partir de las mieles por vía fermentativa. La característica fundamental de estas producciones es que se obtienen como derivados primarios, o sea, son productos de primera generación. De los productos obtenibles a partir de la miel, los que más posibilidades tienen de desarrollo son la lisina, las levaduras y el ácido cítrico . 8.1 ALCOHOL ETILICO La industria alcoholera, es una de las industrias más antiguas en el aprovechamiento de los subproductos de la caña. Tradicionalmente, el alcohol se ha utilizado en bebidas, industria farmacéutica, química y alimenticia . Actualmente, se está desarrollando su producción en algunos países, sobre todo en Brasil, para emplearlo como combustible para sustituir a la gasolina. El uso del alcohol como combustible no necesita mucha investigación y su empleo para esos

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BUTANOL Y ACETONA ACIDO GLUTAMICO

GLUTAMATO MONOSODICO

LISINA METIONINA

J

ANTIBIOTICOS

1

ACIDO LACTICO

1

ACIDO ACETICO VITAMINAS y ALCOHOL LEV .SACCHAROMYCES

. ti

FUSEL OIL VINAZA

LEVADURA TORULA

COs ACIDO CITRICO

MIEL PROTEICA MIEL UREA BAGACILLO

!

ENZIMAS GOMAS MICROBIANAS LEVADURA TORULA

i i

LEVADURA RHODOTORULA LEVADURA PANADERA MIEL UREA LEVADURA PARA CONSUMO HUMANO ACIDOS NUCLEICOS MIEL SECA

i

1

c

w

11

á v N

45

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

fines corresponde a decisiones estratégicas o económicas de los países, respecto a la disponibilidad que tengan para adquirir combustible o no, y del análisis que se haga de utilizar tierras disponibles para producir productos alimenticios o energéticos . El alcohol, además de las usos mencionados, puede ser utilizado para el desarrollo de una industria alcoquímica, mediante la producción nacional de etileno. Como consecuencia de la producción de alcohol, ya sea a partir de la caña o a través de las mieles, se originan efluentes que deben ser eliminados, utilizándolos como fertilizantes, alimento animal, produciendo levaduras, biogás, o evaporándolos e incinerándolos .

TABLA 22 Insumos principales de 1 t de alcohol

Insumo Miel 52 % azúcares totales Agua

4,0

t

m8

61,4

332

Electricidad Petróleo

kW . h

0,565 t

Si se valoran las mieles a US $100/t y el petroleo a US $710/t, el costo de producción del alcohol está cerca de los US $600/t. La producción de alcohol a partir de la caña, tiene la ventaja de utilizar el bagazo como combustible y disminuir el consumo de Agua a 27 m3/t. Para 1 t de alcohol es necesario 17 t de caña . Si se valora la caña a US $18/t, el costo de producción de alcohol estará alrededor de los US $380/t, la caña es el factor que más incide en el costo. Al obtener alcohol a partir de la caña se puede producir electricidad adicional, haciéndose más rentable la producción . En la figura 25 se

8.1 .1 Indicadores técnico-económicos

Plantas para producir entre 25 000 a 50 000 t de alcohol/a (aproximadamente 1000 - 2 000 hl/a) tienen un valor de inversión de US $ 460/t. Si se fuera a producciones combinadas de alcohol-levadura la inversión subiría . En una destilería que produce 1200 hl/d de alcohol, es posible obtener 35 t de levadura . Al analizar el costo de producción de alcohol a partir de mieles, se observa que el factor que más incide es la miel, seguidamente el combustible y la depreciación . Los insumos principales de 1 t de alcohol se muestran en la tabla 22.

us

índice de consumo

$/r

600

500-

400,

300-

200-

100

FUENTE ; CHEMICAL MARKETING REPORTER 60

61

62

63

64

85

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

AÑOS

Fig. 25 Precios del alcohol etílico

TABLA 23 Algunos países productores de etanol a partir de miel y/o caña de azúcares Países

,Producción

(hl/a)

Año

África del Sur

94 400

1979

Australia

95 380

1978

37000000

1980

Brasil Cuba

900000 .

-

Filipinas

48000

1980

Guatemala

30000

1979

Jamaica

31400

1978

México

510000

1976

Perú

20000

1977

República Dominicana

18 500

1979

Proyectos de nuevas plantas de etanol reportados por la literatura Países

Capacidad

(hl/a)

Estado de la planta

Africa del Sur

97000

Proyecto

Australia

25000

Australia

35000

-

Costa Rica

360000

1980

Filipinas

150000

Proyecto

Filipinas

90000

Proyecto

Filipinas

180000

Proyecto

Filipinas

270000

Proyecto

Hawaii

760000

Proyecto

Indonesia

30000

Proyecto

Kenya

200000

Proyecto

Malawi

50000

1981

Malawi

50000

Proyecto

Malawi

50000

1984

Mauricio

30000

1979

Nigeria

19000

Proyecto

Paraguay

160000

Proyecto

Paraguay

180000

1980

47

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 23(Cont.)

Países

Capacidad (hl/a)

Portugal Puerto Rico Sudán

150000

1982

38000

Proyecto

180000

1985

Zambia

15000

Proyecto

Zambia

150000

Proyecto

Zimbabwe a

Estado de la planta

1981

Fuente: International Sugar Journal, 1975-1980, PROMT, 1975-1981 . F. O. Iachts International Molasses Report, 1975-1980.

muestra la evolución de los precios del alcohol, estos precios estuvieron estáticos y comenzaron a subir a partir de la crisis del petróleo. En la tabla 23 se reportan las producciones de alcohol en el mundo, ya sea a partir de la caña directamente o a partir de mieles. 8.2 LEVADURA TORULA Este producto es una fuente de proteínas y vitaminas y se utiliza en la formulación de piensos mezclados, destinados a la alimentación animal. La levadura tortula reviste gran importancia en los países subdesarrollados que cuentan con mieles de caña, a causa de la escasez de proteínas que se confronta a nivel mundial. La levadura torula no se comercializa y los países productores la utilizan para el consumo interno. La producción de levadura no tiene grandes dificultades tecnológicas, los equipos son tradicionales de la industria fermentativa, y se componen, básicamente, de fermentadores, agitadores, bombas y tanquerías . Los efluentes pueden ser tratados por métodos convencionales . 8.2.1 Indicadores técnico-económicos El valor de la inversión, en dólares, de una planta de 12 000 t de torula al año está alrededor de los US $15 000 0000. Los indicadores tecnológicos fundamentales por toneladas son los que se muestran en .la tabla 24 . Si las mieles se valoran a US $100/t y el combustible a US $170/t, solamenté por estos 2 conceptos el costo sería de aproximadamente US $540/t, estos 2 factores representan 65 % del costo total. La producción de levadura, debe ser considerada como estratégica en los países que vayan a su desarrollo .

TABLA 24 Insumos por tonelada de levadura torula

t

Miel fina

4,3

Antiespumante

0,008 t

Agua Combustible Electricidad

100

ms

0,628 t 1237

kW . h

8.3 L-LISINA La L-lisina es un aminoácido esencial utilizado, principalmente, en la alimentación animal . Su uso como aditivo en alimentación con productos de origen vegetal, cuya eficiencia en el uso de las proteínas es bajo, podrá ser, sin duda, una de las mejores vías para solucionar económicamente los problemas de desnutrición . Existen varios países que producen L-lisina, pero muy pocos exportan este aminoácido, pues la mayor parte de los países productores la utilizan para consumo interno. Japón abarca 90 de la producción y 95 % de la exportación mundial. Francia se encuentra entre los grandes, productores, recientemente comenzó a producir una planta en México a partir de mieles de caña. En la tabla 25 se reportan las plantas que, según se ha confirmado, producen L-lisina a partir de las mieles de caña. La producción de L-lisina requiere una tecnología especializada . Tiene un alto consumo de electricidad, de mieles y de combustible . Una planta con una capacidad de 5 000 t/a tiene un valor de aproximadamente US $40 000 000. El costo de producción está cerca de los US $5 000/t.

LA INDUSTRIA-DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

48 miles (Is U.S. $/t

e

4

00

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

años

Fuentes Chemical Marketing Reporter

Fig. 26 Evolución del preclo de la lisina .

TABLA 25

8.4 ACIDO CITRICO

Plantas Irlisina a partir de mieles de caña País México

Capacidad (t/a) 3000

u

Puesta en marcha -

Japón

10000

Japón

14000

Japón

8000

1975

España

1500

Sin confirmar

if

Producción

Fuente: Departamento de Información, Subdirección de Econornfa, ICIDCA. PROMT, 1970 .1981.

Se reportan precios discrepantes, en algunos mercados está cerca de los US $43001t. La Chemical Marketing Reporter ofrece datos de US $15 675/t (precio promedio) . En la figura 26 se ofrece la evolución del precio de la L-lisina en el mercado norteamericano.

Se utiliza en productos alimenticios, en bebidas como acidulante, para realzar el sabor y como agente de conservación . Tradicionalmente, este producto se obtiene por fermentación de carbohidratos, básicamente mieles finales de caña y de remolacha . Existen 2 métodos para su producción, el superficial, prácticamente obsoleto y el sumergido o profundo, adoptado por las fábricas construidas últimamente . Se obtiene en forma hidratada y anhidro, en ambos casos tiene la consistencia de un polvo blanco cristalino . Se prefiere la forma anhidra para su comercialización . Se produce en Estados Unidos, Austria, Bélgica, Irlanda ; Francia, Italia, Países Bajos, Reino Unido, República Federal Alemana, Checoslovaquia, Polonia y la URSS . La literatura especializada no reporta, éspecíficamente, a excepción de la India, la producción de ácido cítrico a partir de mieles de caña, aunque es posible que se produzca en algunos países (Tab. 26) . La tecnología para la producción de este producto tiene algunas complejidades, los consumos de miel no son altos, la electricidad y el combustible sí lo son.

49

ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 26 Plantas de ácido cítrico con mieles de caña (nuevas instalaciones)° País

Capacidad (t/a)

Puesta en marcha

Kenya

30 000

Construcción

India

3 000

Construcción

Pakistán

3 000

Construcción

0

Fuente: Departamento de Información, Subdirección de Economía, ICIDCA . PROMT, 1970-1981.

En la figura 27 se muestra la evolución de los precios del ácido cítrico en el mercado mundial . Al igual que de muchos productos, el incremento de precios comienza a partir de 1973 . 8.5 OTROS DERIVADOS 8.5.1 Glutamato monosódico Es uno de los saborizantes más conocidos en la industria alimenticia y se presenta en forma de polvo blanco cristalino, su principal productor es Japón, con unas 100 000 t/a, también se

produce en EE. UU., Francia, Italia, Taiwan, Corea, Tailandia y la CEE . La demanda mundial, en 1978, estuvo alrededor de 282 000 t y se calcula que la capacidad instalada es del orden de las 340 000 t. En la tabla 27 aparecen las plantas que se estima producen glutamato monosódico a partir de mieles de caña, de acuerdo con los datos que ofrece la literatura especializada . El tamaño mínimo para producir, competitivamente, el glutamato monosódico es de 5 000 t/a. En la figura 28 se muestra la evolución de los precios del glutamato monosódico en el mercado, el cual ha ascendido rápidamente en los últimos años. 8.5.2 Dextranas técnica y clínica La dextrana es un polímero de glucosa de elevado peso molecular que se obtiene mediante la fermentación de sacarosa, guarapo o mieles. La dextrana técnica posee propiedades similares a la de los derivados de la celulosa como la carboximetilcelulosa, los productos de almidón y otros. En Cuba existe una planta de dextrana técnica de 450 t de capacidad . La dextrana clínica se produce en Suecia, Inglaterra, Estados Unidos, República Federal Alemana, Francia, Dinamarca, URSS, Polonia, Checoslovaquia, Bélgica y República Democrática Alemana . La tecnología es ampliamente conocida, no se comercializa y se utiliza para autocon-

e AC .CITRICO HIDRATADO o AC . CITRICO ANHIDRO

FUENTE%OIL,PAINT & DRUG REPORTER (CHEMICAL MARKETING REPORTER)

1988

1989

1970

1971

1972

1973

1974

1975

Fig. 27 Precios del ácido cítrico.

1978

1977

1978

1979

1980 AÑOS

TABLA 27 Plantas de glutamato monosódico

Q

País

Firma comercial

Brasil

Ajimoto Company of Japan

Perú

Ajimoto Company of Japan

3600

México

Ajimoto Company of Japan

6000

Indonesia

Ajimoto Indonesia-

3900

Capacidad 15 000

Japón

-

41400

Rep. Corea

-

16800

Malasia

Ajimoto Malasia S. A.

900

Filipinas

Filipinas Fermentación

3300

Rep. de China

(Taiwan)

13500

-

8 700

Tailandia p q

469

P,

Fuente : Subdirección de

Información

y Evaluación Económica . ICIDCA . PROMP, 1970.1981.

Aunque no se especifica la materia prima, se deduce que es miel de caña .

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

Fig. 28 Precios del glutamato monosódico.

1977

1978

1979

1980 AÑOS

ECOAIOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

sumo, su principal uso es como sustituto del plasma sanguíneo, por lo que su producción es considerada como estratégica. 9 Utilización de la cachaza La cachaza es el residuo que se produce como consecuencia de la filtración del jugo en la producción de azúcar . La cantidad de cachaza que se obtiene varía entre países, centrales, y aun en el mismo central, pues esta cantidad depende de múltiples factores como : sistemas de clarificación, tecnología de extracción del guarapo, variedad de la caña; mecanización y otros. Su humedad está entre 65 y 70 % . Si se considera la cachaza en términos de materia seca, su composición aproximada es la siguiente : 30 - 50'% de fibra (bagacillo) ; 10 - 15 % de tierra; 10 - 20 % de cera y grasas; 6 - 12 % de sustancias nitrogenadas; 6 - 16 de azúcar no recuperable ; 10 - 15 % de fosfato de cal . La cachaza no ha tenido utilización de gran valor y, por otro lado, es necesario su disposición como efluente en la industria . Se emplea en muchos países, regándola a los campos o canales de irrigación. En la figura 29 aparecen las posibilidades de uso de la cachaza . 9.1 CERA REFINADA DE CACHAZA

La caña de azúcar contiene entre 0,1 a 0,3 de cera, parte de la cual, durante el proceso de molienda, queda en el bagazo y alrededor

de 40 % pasa al jugo, de donde es separada en la etapa de clarificación y pasa a formar parte de la cachaza . Durante la Segunda Guerra Mundial se produjo cera refinada de caña en una planta de Australia, la capacidad era de 30 t/a, en 1960 cesó su producción. En la década del cincuenta se instalaron 2 plantas de extracción de cera cruda en Cuba, y, posteriormente, se instaló una tercera planta . La cera cruda se refinaba en Louisiana, EE. UU. Estas plantas dejaron de producir en 1960. En la actualidad, no hay producción industrial de cera de cachaza en el mundo, aunque hay muchos países interesados en instalar plantas . En la India y en Cuba se produce cera refinada en escala piloto . Existen diferentes tecnologías de extracción y refinación de cera entre las que se destaca el proceso líquido-líquido con heptano, en la etapa de extracción y en la refinación una mezcla de 80 % de alcohol y 20 % de heptano u otra gasolina de propiedades similares . En las tablas 28 y 29 se muestran los costos de producción de las ceras cruda y refinada. Para el cálculo de los costos se consideró una planta de cera cruda de 2 500 t/a de capacidad, con un valor de inversión de US $850 000 y para la cera refinada de 1000 t/a y un valor de la inversión de US $3 000 000 . Del análisis de los componentes del costo, se evidencia la alta dependencia que sobre el costo total tiene la cachaza que constituye 42 % de éste, de la cera cruda. En la cera cruda el solvente y el combustible que le siguen en impor-

CERA REFINADA ACEITE RESINA : Fig. 29 Productos a partir de la cachaza.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

52 TABLA 28

TABLA 29

Costo de producción de cera cruda US $/t Concepto

indice de consumo

Cachaza

40

t

Heptano

55

Combustible

0,35

Costo de producción de cera refinada US $/t

Costo

Concepto

índice de consumo 2,5

Costo

200

Cera cruda

gal

60

Alcohol 9óo

42

gal

44

t

59

Heptano

11

gal

12

Eléctricidad'

225

kW. h

12

Combustible

Agua

600

mg

27

Electricidad

100 220

t

0,59

1172

t

100

kW. h

6

Salario (16 trab.)

-

20

Agua

Mantenimiento

-

28

Salario (31 trab.)

-

90

Otros gastos

-

35

Mantenimiento

-

120

Depreciación

-

34

Otros gastos

-

134

475

Depreciación

-

300

Total

-

1988

Total

tancia constituyen ambos, sumados, 25 Gro . En la producción de cera refinada el costo de la cera cruda es 59 % del total, la depreciación, que es el segundo componente de costo, sólo alcanza 15 % . En esta etapa el solvente apenas constituye 3 % . En la figura 30 se muestra la evolución de los precios de la cera carnauba, la que en una etapa subió su precio que ahora ha vuelto a descender . us

m3

10

10 Sucroquimica La sucroquímica es la transformación de la sacarosa por vía química, con el objeto de lograr nuevos productos de diversos usos y mayor valor. A partir de 1967 y hasta la fecha, se

;/t 5000-

4000

3000

2000

1000

FUENTE°CHEMICAL MARKETING REPORTER

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

Fig. 30 Precios de la cera cárnauva.

1977

1978

1979

1980

AÑOS

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

han instalado 4 plantas para la producción de ésteres en Japón, una en Estados Unidos, además de 2 plantas para producir detergeírtes, una en el Reino Unido y otra en Sudán. Los principales usos de los derivados de la sacarosa industrializados en el mundo son: detergentes biodegradables, fármacos, emulsificantes, recubridores, plastificantes, desnaturalizantes, agentes tensoactivos, agentes quelantes, dieeléctricos, agentes secantes. En la figura 31 se muestran algunos derivados de la sacarosa .

53

También se pueden señalar como producciones que han tenido algún desarrollo, el manitol utilizado en la industria alimenticia, la glucosa, la fructosa y el sorbitol. 10.1 SORBITOL

El sorbítol se emplea para la producción de pastas dentífricas y cosméticos y, además, para

Fig. 31 Algunos derivados de la sacarosa.

O O a

zuw

O OD

m i

W F Q O aW K

ro A

K O FZ

á O W FZ W

ro

55

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR la producción de ácido ascórbico (vitamina C),

como edulcorante en alimentos, bebidas y otros . Se calcula que la producción mundial está cerca de las 300 000 t, los mayores productores son: Estados Unidos, Japón, Canadá y Francia . A causa del incremento dado a las capacidades de producción en los últimos años, se supone que la demanda puede ser satisfecha con las plantas existentes en los países desarrollados, sin embargo, se pronostica un incremento en la demanda en los países en vías de desarrollo, principalmente para productos alimenticios, bebidas y productos farmacéuticos . En la tabla 30 se muestran las plantas que producen sorbitol en el mundo . En la figura 32 se muestran los precios del sorbitol . TABLA 30 Volumen de. producción de sorbitol en países seleccionados País

No. de plantas

Producción (t/a)

Australia

1

3000

Brasil

1

6000

Canadá

1

11000

Corea

1

6000

Ecuador

1

4000

Finlandia

1

4 500

Francia

1

99000

Holanda

1

10000

India

2

4000

Italia

2

12000

Japón

7

109000

RFA

3

75 000

USA

6

173000

r

Fuente : Subdirección de Información y Evaluación ICIDCA . PROMT, 19701981 .

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YAMADA, V. :

Capítulo II LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA CARLOS M. DE ARMAS CASANOVA LEONEL GONZÁLEZ PENICHET

1 Introducción La industria azucarera aporta, a la industria en nuestro país, cerca de 25 % de la energía total consumida, ya que quema en sus calderas cerca de 97 % del bagazo producido . Actualmente, sólo utiliza un pequeño porcentaje de sus necesidades energéticas a partir de otros combustibles externos, leña, petróleo y energía eléctrica de la red nacional. Es un hecho conocido, sin embargo, que la tecnología de producción de azúcar, presenta grandes reservas de eficiencia energética, que de materializarse, pueden convertir a la industria no sólo en autoenergética completamente, sino también en suministradora de materias primas excedentes y energía eléctrica o térmica marginal en magnitudes significativas . Si estas potencialidades no se concretaban, era motivado por el bajo precio de los combustibles fósiles y la energía eléctrica y la falta de una industria consumidora de excedentes de bagazo que hacían cuestionable la economía de esfuerzos inversionistas en este sentido, por lo que el objeto en el diseño y operación de las fábricas de azúcar de caña era balancear energéticamente el ingenio para que no sobrara o faltara bagazo . El encarecimiento de la energía trae como consecuencia la necesidad de una revisión total de estos criterios y la consideración de otras reservas de la agroindustria de la caña, como es la producción de alcohol, la utilización de los residuos agrícolas y otras alternativas como la biometanación, la gasificación, etc ., que en su conjunto pueden duplicar el aporte energético actual a través de procesos técnicamente convencionales y de economía viable .

2 La caña de azúcar como fuente de biomasa 2.1 ENERGIA SOLAR, SU TRANSFORMACION EN BIOMASA La materia . orgánica vegetal, en su crecimiento, requiere de un componente grande de energía que recibe del sol y parte del cual queda en forma de energía de formación de las sustancias que conforman los tejidos, sustancias de reserva

y otros complementos de los vegetales . La eficiencia de conversión de la energía solar en biomasa no es igual en cada vegetal y aunque si bien es cierto, que una gran masa de materia orgánica vegetal se produce anualmente en la tierra por esta vía, esta eficiencia de conversión es relativamente pequeña . 2.1.1 Características y magnitud de la energía solar que recibimos La energía solar que se recibe en la tierra muestra un carácter difuso, discontinuo con el día y la noche y la variabilidad, en dependencia de la latitud, fecha y condiciones atmosféricas . El flujo de energía que llega a la superficie de la atmósfera es del orden de 1,39 x 10-3 MJ/m2s. De esta energía si no existiera la atmósfera, como valor promedio se recibiría, en la superficie de la tierra, alrededor de 0,35 x 10-3 MJ/m 2s, en realidad a causa de la presencia de la atmósfera este índice es del orden de 0,17 x 10-3 MJ/m 2s - unos 44,0 x 10-3 WIM2s. Resulta interesante ver cómo la cantidad de energía que requiere el hombre como promedio, es sólo una pequeña fracción de la energía solar que llega a la tierra. En un país con una densidad de población de 100 habitantes/km2 y con una demanda de energía per cápita de 3 000 kg de carbón equivalente al año, lo cual representa un buen estándar de vida, la energía solar que llega a la superficie terrestre es del orden de 5,26 x 107 MJ/a per cápita o 1 790 000 kg de carbón equivalente por año,, per -cápita, cantidad que resulta 600 veces mayor que la energía directa requerida . Desde luego, que en estos números no entran las cantidades de energía radiante que absorbe y reirradia la tierra y que garantiza nuestras condiciones climáticas .

o

2.1 .2 Transformación de la energía solar en biomasa Se llama biomasa a toda la materia orgánica que se forma en el proceso de desarrollo de plantas, animales y microorganismos, correspondiendo a la biomasa vegetal la materia viva que se clasifica como tal. Esta materia orgánica que se forma dentro del ciclo del C02 en la tierra, a través de la función clorofiliana, se ha

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCA11

58

estimado que es del orden, de los 117 000 000 000 t/a de materia seca; la - acumulación estimada es de 1 800 000 000 000 ::t de materia seca. Por supuesto que no todos 'los vegetales muestran igual índice de desarrollo, así, como promedio anual para los grandes grupos de biomasa vegetal ; en la tabla 31 se muestran las valores actuales . TABLA 31 Formación de biomasa vegetal en la tierra

Superficie (millones lan2)

Biomasa (millones de t de materia (t de seca) m . s/ha)

Bosques

57,0

79 900

14,0

Sabanas y pastizales

24,0

18 900

7,9

Tierras cultivadas

14,0

9100

6,5

otras: tundra, desiertos, ;iénagas

52,0

8 800

1,7

147,0

116 700

Total:

Aun dentro de estos grandes grupos hay diferencias importantes . La tabla 32 está formada con valores reportados por Hudson y por Ló pez y colaboradores, con índices de producción de materia seca por año para diferntes cosechas . TABLA 32 Materia seca producida por hectárea por año Cosecha

t de m . s/ha/a

Caña [planta completa (p.c .)]

30-82

Maíz (p .c.)

8,5

Trigo (p .c .)

3-19

Arroz (p .cJ

4-15

Remolacha azucarera (p.c .)

8-16

Hierbas; diferentes especies Y número de cortes por año

6-45

Yuca (cassaba)

8-32

Eucaliptos, ciclo de 7 a Pino

12

10-20

La caña, como se observa en la tabla 32, muestra los valores más altos de fijación de la energía solar, dentro de este conjunto de plantas que constituyen el grupo más eficiente en esta función; constituye una fuente importante de materia prima renovable, aunque desde puntos de vista ecológicos, en un hipotético estado de sustitución de bosques por caña de azúcar para la producción de biomasa, habría que ver qué resulta más beneficioso dentro del ciclo del COA y otros factores . 2.2 DEMANDA DE ENERGiA EN LA PRODUCCION DE CAÑA En un análisis de la contribución que puede hacer la caña de azúcar a la solución de los problemas energéticos, es necesario realizar un balance del sistema en su conjunto, pues no es posible la obtención de cosecha alguna sin la utilización de energía. 2.2 .1 Demanda de energía en las diferentes operaciones agrícolas La caña dé azúcar muestra diferentes ciclos en su crecimiento comercial, en dependencia de climas, suelos, sistemas de producción, etc . En este caso, seguimos el análisis realizado por López y colaboradores para un ciclo de 7 a con 5 cortes, con un rendimiento de 10 t de caña completa/ /ha/a, considerando que las diferentes operaciones agrícolas, incluyendo la cosecha, son mecanizadas . En la tabla 33 aparecen los índices principales . La energía que consume la caña expresada como petróleo combustible es del orden de 6 kg/t de caña o 0,263 MJ/kg de caña que representa, aproximadamente, 5 % del valor calórico de la materia seca en la caña. Estos índices cambiarán, por supuesto, en dependencia de las características particulares del área sembrada, suelo, clima, variedad, fertilizante, riego, nivel de mecanización y distancia del tiro . 2.2.2 Comparación con otros cultivos En el análisis realizado en el acápite 2.2 .1 se ha visto que la energía invertida en la producción de caña de azúcar es del orden de 5 % de la energía potencial de la caña. Resulta interesante ver qué ocurre con otros vegetales que, eventualmente, pueden competir con la caña, como son algunos árboles como el eucaliptus, el maíz y otros . Se ha calculado que el consumo de energía en bosques en un ciclo de rotación de 10 a, es del orden de 425 000 MJ/ha, con un rendimiento de 112 t de materia seca/ha, lo que equivale a 3,8 MJ/kg de materia seca, mientras que para la

59

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA TABLA 33 Consumo dé energía de la producción de caña Base : 1000 ha con rendimiento de 100 t de caña Iha-a. cortando 71,4 sembrada, por año Combustible

(kg)

Operaciones agrícolas, preparación, -siembra y cultivo

(Mi)

0,002 X 107

40 000

0,178 X 101

160 000

0,705 X 107

Cosecha

50 000

0,220 x 107

Transportación a 10 km de distancia

175 000

0,770 X 107

4225 500

1,88 X 107

Fertilización, incluyendo producción del fertilizante

caña este índice era de 0,263 MJ/kg de caña o 0,88 MJ/kg de materia seca producida . La caña entrega materia seca con un equivalente energético 20 veces mayor que la energía empleada en su producción, mientras que la madera, de acuerdo con los índices reportados, se calcula que es del orden de 5 a 1 en igualdad de base que la caña. Este índice se reporta para el maíz entre 2,80 y 4,40 y para la remolacha y la avena valores menores que 1,0. Aunque no está claro, que estos últimos valores estén hallados exactamente con la misma base de cálculo, la diferencia con la caña es tan grande, que siempre sale con ventaja, en cualquier comparación con otros cultivos. 2.3 CARACTERISTICAS DE LAS DIFERENTES FORMAS DE BIOMASA

En la industrialización de la caña para la producción de azúcar y derivados aparecen diferentes formas de sustancias lignocelulósicas que pueden constituir fuentes de materia prima y/o energía. Dentro de este grupo aparecen como elementos principales los residuos agrícolas de la producción de la caña y el bagazo en la producción de azúcar, y la medula o meollo en el tratamiento del bagazo para la producción de papel y madera artificial . 2.3 .1 Residuos de la cosecha

Los residuos de la cosecha representan alrededor de 30 % de la biomasa que se produce en las plantaciones de caña, lo cual en términos nacio-

dei área

Energía

500

Riego: 225 mm al retoño y caña nueva

9io

nales o regionales, representa valores considerables, así, en Cuba, son del orden de los 20000 000 t, en Latinoamérica alcanza un valor del orden de 100000000 t. En la actualidad, los residuos de la cosecha cañera se dejan en el campo o se queman, en parte, en dependencia del sistema de recolección de la caña que se emplee . Las características económicas de la industria azucarera no han permitido otro aprovechamiento de los desechos que algún uso muy limitado como alimento para ganado y como combustible . En las tablas 34 y 35 se presentan características de los desechos asociados a su posible utilización como alimento animal o combustible . En la tabla 34 se muestra, de forma comparativa, la . composición del jugo de una muestra de caña y del cogollo correspondiente y en la tabla 35, se muestra la composición química de una muestra de paja molida en un molino de cuchilla. Un uso muy difundido de los residuos de la cosecha de la caña de azúcar, es el de alimento para ganado vacuno, lo que resulta interesanTABLA 34 Composición del jugo del cogollo y la calla cogollo

Caña

oBríx

9,59

18,20

Pol

1,13

15,36

Reductores

8,46

3,85

60

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 35

Composición química de la paja molida con un molino de cuchillas (% sobre la base de materia seca) 4~b Celulosa

44,84

Lignina

12,73

Pentosanas

25,63

Cenizas

7,61

Pectina

4,24

Solubilidad: Agua fría

10,28

Agua caliente

13,49

NaOH a 1 %

49,09 4

Alcohol-benceno

3,85

Humedad

9,64

te compararlo, en este sentido, con otros productos vegetales, lo que se presenta en la tabla 36. TABLA 36 Valor alimenticio comparativo de la paja y el cogollo Proteína digerible (ojo)

Extracto libre de Fibra nitrógeno (%) (oio)

Sorgo

0,8

14,0

7,0

Millo

0,7

12,1

7,0

Hojas y cogollo

0,8

12,2

8,6

Desde el punto de vista de su uso como combustible, en cuanto a valor calórico bajo (VCB) de los residuos de la cosecha, éste puede ser calculado con las fórmulas usadas regularmente para bagazo, como la dada por Hugot sobre la base de la humedad: VCB = 4 250 - 4 850 H kcal/kg donde H es la humedad expresada como fracción presente en los desechos . Cuando se vaya a estudios más cuidadosos sobre sistemas de recolección y ,preparación específicas, resultará ade-

cuado una determinación del valor calórico por "la afectación que pudiera ejercer sobre este índice la presencia de tierra y otros elementos del suelo. 2.3.2 El bagazo y la medula 2.3.2.1 BAGAZO

El bagazo, residuo fibroso que queda de la caña después de haber sido sometida ésta al proceso de extracción, ha sido tradicionalmente utilizado como combustible en la fábrica de azúcar, habiéndose desarrollado una gran experiencia en este sentido, hoy en día no es posible encontrar calderas de este combustible con eficiencia hasta de 82 % sobre la base del VCB, trabajando a presiones y temperaturas hasta de 80 atm y 450T y con capacidades de generación hasta de 300 t/h . En los últimos 20 a se ha visto también el desarrollo del bagazo como fuente de materia prima para la producción de papel, madera artificial y en alimentación animal. De acuerdo con la práctica habitual, en Cuba, de molienda de caña, el bagazo muestra humedades entre 48 y 50 %, el resto es fibra, entre 44 y 49 %, y sacarosa, azúcares reductores e impurezas solubles no extraídas, de 2,7 a 3,5,% ., En cuanto a la composición de especies químicas presentes en el bagazo (materia insoluble), se puede considerar, la que se expresa en la tabla 37. TABLA 37 Composición de la fibra de la caña (bagazo) Celulosa

45,0

Pentosanas

25,8

Lignina

22,3

Cenizas

3,5

Como composición elemental de la fibra se puede tomar : carbón 47,0 %, hidrógeno 6,5 %, oxígeno 44 % y ceniza 2,5 %. En cuanto a las propiedades físicas del bagazo, muestran una fuerte dependencia con el proceso de extracción a que se somete la caña, esto es, preparación y molienda, además de la variedad, que tiene también cierta influencia sobre estas propiedades . Para la densidad se reportan valores entre 80 y 120 kg/m3, cuando está suelto sin apilar, entre 135 y 240 kg/m3, cuando está apilado y entre 350 y 450 kg/m3, cuando está empacado.

LA CAÑA DE AZüCAR COMO FUENTE DE ENERGIA 2.3 .2 .2

MEDULA

La medula o meollo, estructuralmente, constituye el tejido parenquimatoso que envuelve los haces vasculares en la caña y que contiene el jugo. Industrialmente, sin embargo, compone una mezcla de partículas de este tejido con fibras de corta longitud, tierra y otras materias extrañas, y que forma el rechazo de las operaciones de tratamiento del bagazo para mejorar y clasificar la fibra con destino a la producción de pulpas y madera artificial . De acuerdo con el contenido de humedad del bagazo y la forma de hacer el desmedulado, existen diferentes formas para llevar a cabo esta operación. Desde puntos de vista de utilización inmediata como combustible, interesan las formas de desmedulado en que el bagazo no tiene humedades superiores a 50 %, es decir, tal cual sale de los molinos, fracción que puede llegar a representar, de acuerdo con el proceso tecnológico, hasta 30 % del peso del bagazo integral utilizado, por lo que puede constituir un volumen apreciable de materia combustible . Existen muchas opiniones en cuanto a la utilización de la medula como combustible, pero la práctica ha demostrado, en definitiva, sus bondades económicas . La cuestión fundamental es sobre los problemas que puede crear su combustión sola. Sin embargo, esto no tiene sentido, pues aun quemándose juntamente con bagazo integral, en las proporciones reconocidas como adecuadas hasta del orden de 4 de medula por 1 de bagazo integral, o juntamente con un combustible fósil, resulta económica su utilización que, por otra parte, ofrece una forma de disponer de ella. Resulta adecuado hace notar que la medula puede tener otros usos en la alimentación animal y que es una cuestión socio-económica su utilización en uno u otros usos. En cuanto a su poder calórico, W. Y. Chou da como valores aproximados para el VCB los obtenidos de la expresión : VCB =

4 076 - 46,8 H kcallkg.

donde H es la humedad expresada en tanto por ciento . 3 Potencialidad de la industria de azúcar de caña como fuente de materia prima y energía

3.1 SITUACIóN ENERGÉTICA ACTUAL DE LA INDUSTRIA AZUCARERA La industria de azúcar de caña, desde puntos de vista energéticos ha seguido esquemas donde

61 el bagazo, residuo de la producción, se utiliza como combustible en proceso, lográndose un equilibrio tal entre bagazo producido y bagazo requerido, que al mismo tiempo que se evita el uso de combustibles externos, se dispone del bagazo producido . Es decir, en general, hasta que se comenzó a viabilizar la utilización del bagazo como materia prima para industrias de derivados- no se comenzó a entrar en consideraciones sobre ahorros de energía en los centrales azucareros, y aun entonces muy débilmente, pues, en general, resultaba más económico y menos riesgoso sustituir el bagazo por petróleo. En los últimos años, la llamada crisis energética que vive el mundo, ha provocado un incremento sustancial en el interés sobre los aspectos de ahorro de energía en la industria, tanto con vistas a la búsqueda de bagazo sobrante, como a la entrega de energía eléctrica marginal . Toda esta problemática ha sido motivo de extensos Y profundos debates, y ya hoy en día nadie duda que se pueden obtener sobrantes importantes de bagazo, mayores que 30 % del producido, o entregas sustanciales de energía eléctrica marginal, mayores de 180 x 103 kW - slt de caña, si las fábricas se diseñan para ello . Este equilibrio que se ha logrado entre bagazo producido y quemado en los hornos, ha inducido, de cierta manera, en la práctica, a que los consumos de energía se comporten como una función de las características de la materia prima; así en ingenios como los ubicados en las zonas calientes y húmedas, Guyana, por ejemplo, donde se producen y consumen alrededor de 3,8 t de bagazo/t de azúcar, el consumo de energía es del orden de 7 000 kcallkg de azúcar, mientras que en zonas subtropicales más frescas y secas como Cuba, se producen y consumen alrededor de 2,6 t de bagazo/t de azúcar, que equivale a un consumo de energía del orden de 4 500 kcallkg de azúcar . Las diferencias en este índice ocurren, fundamentalmente, como producto del desarrollo de los esquemas, de acuerdo con la calidad de la materia prima, contenido de sólidos en el jugo, pureza de éste y fibra en caña, fundamentalmente . En la práctica, se encuentran consumos menores cuando se han remodelado las fábricas para lograr altas eficiencias energéticas . Tal es el caso en algunos centrales de Taiwan, donde siguiendo un programa de racionalización energética en la industria por más de 30 a, con vistas a la industrialización del bagazo, han disminuido los consumos a valores de 3 350 kcallkg de azúcar . La idea principal que se ha tratado de comunicar, es que la situación energética de las fábricas actuales, es una consecuencia del desarrollo de la industria, de acuerdo con las' características de la materia prima y las restricciones impuestas por las economías de producción de' azúcar de caña, energía eléctrica y productos celulósi-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CASA DE AZOCAR

62

cos, y dista bastante, en cuanto a aprovechamiento energético, de lo que se puede lograr según la tecnología actual . Los aspectos fundamentales en los que usualmente hay reservas de energía en el proceso de fabricación de azúcar de caña, son la generación de vapor y la forma de utilización del vapor en el proceso tecnológico, a los cuales se hace referencia en los acápites siguientes.

base del valor calórico alto. Las pérdidas fundamentales que gravan la eficiencia son :

3.2 GENERACION DE VAPOR

Las pérdidas por radiación y convección pueden cargar entre 2 y 12 % del calor liberado por el combustible, en dependencia de las características y estado del aislamiento térmico, mientras que los otros 2 aspectos pueden representar, el primero desde 2 % hasta valores superiores a 15 %, en dependencia de la presencia de CO en los gases y la no combustión completa del bagazo, y el segundo desde 11 % hasta valores superiores a 30 %, en dependencia de la temperatura de los gases de chimenea, fundamentalmente, del exceso de aire utilizado y de la humedad en bagazo . Tanto las características en que se desarrolla la combustión como el calor sensible de los gases de chimenea, representan las reservas grandes de energía en generación de vapor y ambos están íntimamente ligados a la configuración, el primero al tipo de horno y el segundo a la presencia de adecuados elementos de recuperación de calor.

El vapor, en la fábrica de azúcar, sirve para propósitos de generación de potencia, en una primera etapa de utilización, y como agente calefactor a la salida de las máquinas . La gran incidencia de la generación de vapor, en el esquema general de proceso de una fábrica, nos lo da el índice de consumo que es como promedio entre 4,0 y 7,0 kg de vapor/kg de azúcar producido, en dependencia de las características del esquema energético. Esta área carga, en general, con las pérdidas mayores de energía de la fábrica, 20 % de la energía liberada por el combustible en las instalaciones más eficientes, entre 35 y 45 %, en la mayor parte de las fábricas y aun hasta 55 %, en casos de mala eficiencia extrema . Desde puntos de vista económicos, la generación de vapor muestra altos índices también, cargando con valores del orden de 20 % de la inversión total . Todos estos elementos hacen de esta sección de la fábrica una de las más importantes de la misma. 3.2.1 Eficiencia térmica . Fuentes de ineficiencia Asociadas a la generación de vapor existen 2 medidas que muestran el índice de aprovechamiento energético, la eficiencia de conversión de la energía liberada por el combustible en las calderas y el nivel de disponibilidad de esta energía. Ambos aspectos representan reservas de energía, el primero, a través de cambios en la configuración de las calderas y el segundo, mediante cambios en las condiciones de presión y temperatura del vapor generado. 3 .2.1.1

EFICIENCIA DE CALDERAS

La eficiencia se define como el calor liberado por el combustible menos las pérdidas, expresada esta diferencia como tanto por ciento del calor liberado. La eficiencia se puede definir sobre la base del valor calórico alto o bruto del combustible o sobre la base del valor calórico bajo o neto. Las mejores eficiencias que se obtienen en generación de vapor con bagazo son del orden de 80 % sobre la base del valor calórico bajo, que corresponden a 65 % sobre la

a) Pérdidas por radiación y convección por las paredes . b) Pérdidas por combustión incompleta. c) Pérdidas de calor sensible en los gases de chimenea.

3.2.1.2 NIVEL DE DISPONIBILIDAD DE LA ENERGIA Toda la energía en forma de calor que recibe el agua en la caldera al evaporarse y sobrecalentarse no se puede convertir en energía mecanica. Una mayor parte de ella no es convertible aun en una máquina ideal, ya que hay que desechar o arrojar al foco frío esta energía no convertible. Se dice que en el vapor de alta, de acuerdo con sus condiciones de presión y temperatura, hay una cantidad máxima de energía aprovechable con respecto a las condiciones del vapor de baja. En los ciclos de plantas eléctricas de las fábricas de azúcar, esta máxima energía aprovechable viene dada por la caída isentrópica de la entalpía del vapor de alta presión desde sus condiciones de presión y temperatura hasta la presión de escape de las máquinas . En la tabla 38 se muestran los valores de energía aprovechable del vapor a diferentes condiciones de generación, con respecto a una presión de escape de 1 atm manométrica . La conversión de la energía aprovechable en energía mecánica dependerá de las características de las máquinas utilizadas y del régimen de trabajo y puede oscilar, en general, entre 50 y 80% .

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA TABLA 38

10/sat.

72

664

En la tabla 39 se puede observar, que entre los casos extremos se puede aumentar en 220 % la generación eléctrica por kilogramo de bagazo quemado, con una disminución de sólo 17 % en el vapor producido . Es interesante también observar, que trabajando a 87 atm y 460 °C (88 kglcm' y 860"F) se obtiene 30 aio más de energía eléctrica que trabajando a 27 atm y 400°C (28 kglcm'y4W°C), manteniéndose prácticamente invariable la generación de vapor por kilogramo de bagazo incinerado.

17/sat.

91

667

3.2.2 Eficiencia de combustión

17/315

107

731

27/400

142

774

58/400

167

761

58/460

182

794

84/460

192

785

Las pérdidas en el horno se refieren a las pérdidas de eficiencias que se producen al no quemarse totalmente el bagazo hasta productos gaseosos finales cuyo valor calórico sea nulo . Estas pérdidas se deben a 2 causas fundamentales, una de índole mecánica y otra de índole química. La primera no es más que la pérdida por arrastre de partículas sin quemar o quemadas parcialmente anies de finalizar la combustión y la segunda consiste en que, en cierto grado, puede no realizarse completamente la última de las reacciones de combustión, el paso de monóxido a dióxido de carbono, dejando cierto valor calórico remanente en los gases. Las pérdidas por combustión incompleta están influidas, directamente, por el exceso de aire usado sobre el teórico y el comportamiento aerodinámico del horno. Aire insuficiente implica formación de monóxido por baja concentración de oxígeno, mientras que el aire por encima del exceso que garantice la combustión adecuada desde puntos de vista de concentración de oxígeno, enfría demasiado el horno siendo contraproducente el efecto, apareciendo monóxido de carbono en los gases . Además incide, indirectamente, la humedad en el bagazo, cuya presencia hace disminuir la temperatura de combustión y provoca la presencia de monóxido de carbono . El efecto de la presencia de monóxido de carbono en el VCB de combustible Se tiene en cuenta en la fórmula que se ofrece a continuación:

Energía aprovechable en el vapor para diferentes condiciones Condiciones del vapor presión (atmltemp. 'C)

Energía aprovechable (kcal/kg)

Entalpfa del vapor (kcal/kg)

Para tener una idea de lo que puede significar este aspecto de eficiencia de utilización de la energía térmica, a continuación se comparan las posibilidades del vapor a diferentes condiciones . Si se considera que la eficiencia de caldera es de 75 %, la eficiencia de conversión de energía térmica en mecánica es de 70 %, la entalpía del agua de alimentación es de 100 kcallkg y el bagazo tiene un valor calórico bajo de 1 800 kcallkg, la energía mecánica que se puede obtener por kilogramo de bagazo y el vapor obtenido se muestran en la tabla 39. TABLA 39 Energía mecánica y vapor obtenido por kilogramo de bagazo quemado Condiciones del vapor presión (atm/temp. 'C)

Energía mecánica Vapor producido (kW .h/kg (kg de vapor/ de bagazo) /kg de bagazo)

10/sat .

0,140

2,39

17/sat .

0,176

2,38

17/315

0,187

2,13

27/400

0,232

2,00

58/400

0,279

2,04

58/460

0,288

1,94

84/460

0,308

1,97

VCB = 1 600 - 2 200 W + . 2 650 a (1 - H) donde a es la fracción de carbón presente en el bagazo convertido en anhídrido carbónico y H la humedad en el bagazo, expresada también en forma de fracción del peso de bagazo húmedo . El VCB viene expresado en kilocalorías por kilogramo de bagazo húmedo. El valor de a se obtiene de la fórmula : 391,7 - (12,2252

+ 0,105167 P)

(% CO)

391,7 + (7,3677 + 0,093262 .8) (96 CO)

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZDCAR

aó,o Fig, 33 Relacidn CO,/CO/aire en exceso.

donde (i es el tanto por ciento de aire en exceso utilizado, que puede ser obtenido de la figura 33 mediante el tanto por ciento de COz del análisis de lo's gases de combustión . En el horno transcurre el proceso de liberar, mediante la combustión, la energía del combustible que es un factor determinante en la eficiencia final de la caldera . La cantidad de aire en exceso utilizada para la combustión, así como la forma en que se realiza el contacto de éste con el combustible, son elementos fundamentales en las pérdidas por combustión incompleta. Sobre esto, a su vez, tiene una incidencia directa el tipo de horno . En las calderas modernas de alto régimen de generación, se han sustituido los hornos de celda y parrilla inclinada por hornos de parrilla horizontal móvil, oscilante o viajera, donde el bagazo en vez de apilarse es lanzado secándose y quemándose, parcialmente, en el aire, formando un colchón parejo sobre la parrilla . Estos hornos han permitido disminuir los insumos de aire en exceso de 50 a 100 %, a valores de 20 a 50 %, en dependencia del diseño, condiciones de operación, etc . Esto representa aumentos de efi-

ciencia sobre la base del valor calórico bajo del orden de 15 % . 3.2.3 Recuperación de calor sensible de los gases Los elementos comúnmente utilizados en recuperar parte del calor sensible de los gases a la salida de lo que es propiamente la caldera, lo constituyen el economizador o calentador de agua de alimentación a la caldera y el precalentados de aire. La utilización de estos elementos no se ha difundido mucho en la industria de azúcar de caña, sólo en aquellos casos en que se han buscado sobrantes de bagazo en los últimos años o donde se entrega energía eléctrica para otros fines, se encuentran tales elementos . Como consecuencia de la recuperación de calor sensible de los gases, se puede aumentar en 1 % la eficiencia de caldera por cada 14'C de disminución en la temperatura de los gases, pudiéndose lograr incrementos hasta del orden de 15 % . Las temperaturas mínimas usuales en los gases, a la salida de estos elementos, son del orden de 160 a 200"C, utilizándose, generalmente, ambos elementos, los gases primero pasan

LA CAÑA DE AZúCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

65

por el economizador o se utiliza solamente precalentador de aire. Temperaturas inferiores pueden conducir a problemas de corrosión, aunque estos criterios hoy se pueden considerar obsoletos ante los precios de los combustibles y de acuerdo con la utilización que se le vaya a dar a la energía marginal . últimamente, ha aparecido un nuevo elemento recuperador de calor sensible de los gases, el secador de bagazo. Muchos análisis se han hecho en cuanto a su utilización, aunque de forma polarizada, sus autores casi siempre se han inclinado hacia su utilización. Un análisis de las posibilidades del secado de bagazo debe comenzar por un estudio técnico-económico comparativo, con las formas convencionales de aprovechar el calor sensible de los gases de chimenea, es decir, el economizador y el precalentador de aire, donde se maneje las diferentes posibilidades y tomando la misma base.

clinada y hornos de parrilla horizontal. Estos, a su vez, pueden ser de parrilla fija o parrilla móvil. Los hornos de parrilla muestran eficiencias más elevadas, a causa de la trayectoria que sigue el bagazo que permite que éste se seque antes de entrar directamente en el área de combustión y por el hecho de que el aire atraviesa el colchón de bagazo haciendo que se requiera menos aire en exceso . Además, en los hornos de parrilla, resulta más fácil una automatización eficiente de la combustión, así como una mecanización de la extracción de cenizas. Sin embargo, los hornos de parrilla requieren una inversión inicial mayor y una mejor calificación de sus operadores . Desde hace años, existen modelos de hornos de parrilla que combinan una aceptable eficiencia, tanto para el bagazo como para el petróleo, este último como combustible auxiliar, con' paredes de agua, las que como superficies de transferencia, eminentemente radiantes, muestran coeficientes de transferencia de calor superiores, obteniéndose, al mismo tiempo, cierta protección para el material refractario, disminuyendo además, la temperatura de los gases a la salida del horno, con lo que disminuye la tendencia a la formación de escoria y acumulación de cenizas, sobre todo en la zona del sobrecalentador, al ser menos probable que se alcance su punto de fusión . Por último, un elemento que elimina, prácticamente, los hornos de celda, .lo constituye la tendencia actual en cuanto a las capacidades de las calderas . La práctica de muchas calderas con baja capacidad, ha ido evolucionando con el desarrollo de estos equipos hacia bajo número de unidades de alta capacidad y aun, en algunos casos, a la utilización de una sola unidad, y se ha llegado a calderas hasta de 270 t de vapor/h. Las características de diseño de los hornos de celda no permiten tales capacidades.

3.2.4 Criterios sobre equipos. Tendencias El elemento fundamental que diferencia las calderas de las fábricas de azúcar es el horno, por las características especiales que debe mostrar para quemar el bagazo de forma eficiente. El resto de la caldera, en general, no muestra nada particular y el resultado de los diseños actuales es sólo una consecuencia de la economía actual de la producción de azúcar, de caña, un elemento sí muy controvertido en la problemática actual de la generación de vapor, es el referente a las condiciones máximas de presión y temperatura que se pueden utilizar con vistas a lograr altas eficiencias en el ciclo energético . 3.2.4.1

SOBRE LOS HORNOS

Los hornos para quemar bagazo se pueden dividir en 2 grupos: hornos de celda y hornos de parrilla . En los hornos de celda el bagazo se quema en una pila, a este grupo pertenecen los hornos: Cook, Ward, Martin y otros. En los hornos de celda la eficiencia resulta baja con relación a los de parrilla, a causa de que requieren mucho más aire en exceso que éstos. Por otro lado, la combustión no es susceptible de ser automatizada eficientemente, por la lentitud de su respuesta ante los cambios de carga. Estos hornos muestran altos costos de mantenimiento por el gran volumen de obra refractaria que requieren, presentan, además, el problema de la extracción de ceniza que necesita mucho tiempo y esfuerzo . Tienen la ventaja de no demandar mucho cuidado o destreza por parte de los operadores. Por otra parte, los hornos de parrilla se dividen en 2 grandes grupos : hornos de parrilla in-

3.2.4.2

SOBRE LAS CONDICIONES DE PRESIóN Y TEMPERATURA DEL VAPOR

El esquema energético de una fábrica de azúcar de caña, constituye un caso de alta demanda de energía térmica, acompañada dé baja demanda de energía mecánica, lo que hace que toda ésta pueda ser obtenida del vapor, previo a su utilización como agente calefactor, con la consiguiente alta eficiencia del calor transformado . Es decir, que el vapor que va á proceso como agente calefactor, donde se condensa, previamente ha disminuido su nivel de energía al pasar por los motores primarios ; por lo general, hay una parte del vapor que va a proceso que es desviado por una válvula reductora, en vez de ir a los motores primarios, con la finalidad de compensar o balancear la demanda de las máquinas y la de proceso, que nunca son exactamente iguales. Sobre la base de esto, y

66

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 40

Aprovechamiento de la energía térmica a diferentes condiciones de presión y temperatura 17,5 kg/cm2 315 °C 42 kg/cm2 343 °C 42 kg/cm2 400 °C 88 kg/cm2 454 'G Indice de consumo específico teórico (escape 2,1 kg/cm' de vapor kW .h) Entalpia del vapor (kcal/kg)

9,46

6,77

6,19

4,90

731,7

733,3

766,1

782,2

0

.10,3

13,7

24,0

Bagazo requerido para generar la energía marginal (g de bagazo/kW h)

0

310

450

Idem . expresado como petróleo equiválente (g/kW . h)

0

62

76

Equivalente en petróleo de la energía eléctrica marginal (kg/t de caña) (según índice de 300 g/kW - h)

3,09

4,11

Energía eléctrica marginal (kW . h/t de caña)

una vez que se disponga de la demanda de vapor de proceso y la demanda de energía mecánica, y fijadas las condiciones del vapor de escape, se pueden calcular las condiciones de presión y temperatura requeridas en el vapor de alta. Este mecanismo de cálculo de las condiciones de presión y temperatura, juntamente con lo concerniente a la generación de energía eléctrica marginal, está íntimamente ligado a lo que es la disponibilidad de la energía en el vapor, según sus condiciones de presión y temperatura y las condiciones contra las que se mide la disponibilidad, en este caso las condiciones del vapor de proceso . La tabla 40 está construida sobre la base de la generación de vapor con alta eficiencia térmica y en ella se puede bbservar cómo disminuye el índice teórico entre 18 kg/eme y 315 °C y 88 kg/cm2 y 454 °C, disminuye casi a la mitad, mientras que el índice de generación de vapor disminuye sólo de 2,25 a 2,09, es decir, menos de 10 % . Para un ingenio con demandas normales de energía eléctrica (y mecánica), en la tabla 40 también se muestra lo que pueden significar la energía eléctrica marginal, las condiciones de presión y la temperatura del vapor . 3.3 ESQUEMAS DE PROCESO El esquema tecnológico de producción de azúcar y el esquema energético de la fábrica están íntimamente ligados en el área de calefacción-evaporación-cocción, su configuración es un factor determinante en la eficiencia energética global . En esta área se concentra, prácticamen-

7,2

te, todo el vapor que se utiliza como agente calefactor . A través de más de 100 a de desarrollo de lo que se puede llamar producción industrial de azúcar de caña, se ha llegado a esquemas de proceso, que de acuerdo con las condiciones particulares de cada fábrica, logran consumos de vapor balanceados con la demanda de vapor en energía mecánica y las posibilidades de generación de acuerdo con la fibra de caña. 3.3.1 Esquemas tradicionales y sus reservas de energía Las fábricas de azúcar que llamamos tradicionales, por constituir la gran mayoría que no se dedican a otras producciones que a la de azúcar crudo, muestran esquemas de proceso en el área de calefacción-evaporación-cocción similares . En general, las 3 operaciones reciben, independientemente, vapor de escape de las máquinas . En dependencia de los valores medios del tanto por ciento de fibra en caña y del grado brix del jugo mezclado, se encuentran casos en que se hace algún uso de vapor vegetal para calefacción y cocción, con vistas a mejorar la eficiencia energética, y no utilizar combustibles externos, pero sin que se encuentren esquemas complejos de alta eficiencia como los utilizados en la industria de azúcar de remolacha . El consumo de vapor en proceso, según esquemas tradicionales, varía entre 45 y 60 % del peso de la caña, en dependencia del número de efectos en evaporación múltiple que se utilicen, y del uso que se haga de vapor vegetal en calentadores primarios y en tachos. En esquemas proyectados para un uso eficiente del vapor, este va-

67

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

for puede disminuir hasta valores prácticos del orden de 38 % . 3.3.2 Uso eficiente del vapor en proceso El uso eficiente del vapor en proceso depende, entre otras cosas y fundamentalmente, de los siguientes aspectos : 1 . Utilización en evaporación del máximo número de efectos técnica y económicamente posibles. 2 . Realización de toda la calefacción del jugo y el máximo de cocción de masas cocidas, mediante extracciones de vapor del múltiple efecto . 3 . Realización de las extracciones para calefacción y cocción tan cerca del condensador como sea posible, adecuando para ello la calefacción escalonada de los jugos. 4. Utilización de la autoevaporación de los condensados en las etapas de presión inmediata inferior a la suya. 5 . Evaporación al máximo del grado brix tecnológicamente posible en evaporadores . Trabajar al máximo de grado brix posible las mieles A y B alimentadas a tachos. Es decir, disminuir al mínimo la evaporación en tachos. El uso de un número alto de efectos en evaporación múltiple, tiene sus limitaciones, por cuanto hay un diferencial máximo de temperaturas fijado por la temperatura del vapor de escape y la del condensador y al aumentar el número de efectos disminuyen los diferenciales de temperatura en cada etapa y como ésta es la fuerza motriz de la transferencia de calor, se hace necesario aumentar la superficie de transferencia para mantener la evaporación requerida. Además, las diferencias de temperatura, en cada etapa, no se pueden disminuir por debajo de ciertos valores so pena de hacer imposible la operación de forma adecuada y eficiente . En cuanto al uso de las extracciones para cocción y calefacción, interviene como elemento fundamental la presión de escape de las máquinas que fijan el límite superior de temperatura . Usualmente, en los esquemas convencionales esta presión es de 1 atm manométrica, con lo cual se logran adecuados diferenciales de temperatura en calefacción, evaporación y cocción. Sin embargo, las temperaturas de los vapores vegetales resultan bajas si se pretenden proyectar esquemas de alta eficiencia energética . En estos casos hay que ir a presiones del orden de 1,3 a . 1,75 kg/cm'

La autoevaporación de los condensados, que puede representar ahorros de vapor de proceso del orden de 5 % del total, se utiliza en algunos ingenios tradicionales donde se han dado pasos en la búsqueda de esquemas de mayor eficiencia. 3.3.3 Criterios sobre equipos La esencia de los esquemas de proceso de alta eficiencia, reside en que el evaporador trabaja no sólo como concentrados del jugo, sino, a la vez, como generador de vapor para calefacción y cocción . Cuando se entra en los detalles de diseño de estos esquemas, surgen, para lograr los objetos propuestos, compromisos que son refutados, en muchas ocasiones, por los técnicos y los responsables de la producción, éstos son, fundamentalmente : presión superior en el vapor de calefacción, mayor complejidad en la instalación, inestabilidad en la operación de los evaporadores y, en algunos, uso de equipos no convencionales en la industria de azúcar de caña. Las presiones de vapor de escape superiores hasta 1,75 kg/cm 2 o aun hasta 2,10 kg/cm2, permiten temperaturas suficientemente altas en los vapores extraídos para tachos y última etapa de calefacción del jugo alcalizado, lo que permite disponer de diferenciales de temperatura adecuados en las diferentes etapas de calefacción . El uso de estas presiones en el vapor calefactor, se ha tratado por los autores clásicos de la ingeniería azucarera y no implica ningún riesgo . Está aceptado que en múltiple efecto se puede hervir el jugo hasta temperaturas de 120"C, en los convencionales vasos Robert o hasta 125°C, en los vasos de película como el Kestner. Esto implica presiones en la calandria del orden de 1,75 a 2,10 kg/cm2 , respectivamente . El uso de una presión de escape tal que permita una presión de 1,75 kg/cm2, en la calandria del primer vaso, es suficiente para obtener diseños que muestren consumos teóricos de 33 kg de vapor/100 kg de caña en proceso, con lo cual no hay que ir a evaporadores de película, lo que, por otra parte, no debe ser problema, después de más de 70 a de uso en la industria de azúcar de remolacha, e inclusive algunas experiencias en la industria de azúcar de caña. La mayor complejidad en la instalación, es una consecuencia del alto nivel de interconexión que requiere el sistema por calefacción escalonada, la extracción a tachos y la autoevaporación de los condensados . Esto es cierto, pero en sí no constituye nada poco usual en industrias de procesos químicos . La inestabilidad de operación es una consecuencia del uso .de extracciones para cocinar en los tachos, demanda que por la condición discontinua del trabajo en los tachos, muestra un carácter muy variable a través del tiempo, perturbando la operación de los

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

o8

evaporadores, problema éste que se resuelve con adecuados sistemas de control, programación en la operación de los tachos y mediante el uso de elementos estabilizadores de la demanda de vapor, como es el acumulador de vapor . El termo y el turbocompresor son los elementos no convencionales que, a veces, son componentes de esquemas propuestos de alta eficiencia . El termocompresor, que recomprime vapores vegetales del múltiple efecto, mediante vapor de alta presión, para ser utilizado de nuevo juntamente con el vapor de escape, se encuentra bastante difundido en la industria de azúcar de remolacha y se ha utilizado poco en la industria de azúcar de caña . El turbocompresor, que recomprime vapores vegetales con elementos mecánicos, para ser reusado en calefacción, se ha experimentado algo en la industria de azúcar de remolacha y no se ha reportado su utilización en la industria de azúcar de caña . La utilización de ambos equipos en esquemas energéticos, es una cuestión de diseño de ingeniería en cada caso. El termocompresor puede mejorar la eficiencia cuando sustituye a la válvula reductora como elemento de balance entre la cantidad de vapor de escape de las máquinas y la requerida en proceso . Esto tiene sentido cuando se busca bagazo sobrante, ya que cuando la alta eficiencia energética es dirigida hacia entrega de energía eléctrica rinde mejores resultados buscar el balance mediante turbos de extracción-condensación con extracción automática. El turbocompresor sólo puede ser interesante cuando se busca bagazo sobrante y, al mismo tiempo, se dispone de otras formas de energía abundantes y baratas como energía hidroeléctrica, por ejemplo . 3.4 ESQUEMAS ENERGÉTICOS DE ALTA EFICIENCIA El desarrollo de esquemas energéticos de alta eficiencia en las fábricas de azúcar, está en dependencia no sólo del propió desarrollo de la industria azucarera, sino que tiene una importante relación con otros objetos socioeconómicos, como son el crecimiento de la industria de derivados, especialmente el de los consumidores de bagazo, y la política energética nacional . Esto hace que surjan variantes que conducen a diferentes configuraciones, de acuerdo con los objetivos que se fijen . Dentro del conjunto de estrategias posibles existen 2 fundamentales, por el hecho que se pueden considerar extremas, éstas son : 1 . Máximo de bagazo sobrante sin producción de energía eléctrica marginal . 2. Máximo de energía eléctrica marginal sin producción de bagazo sobrante.

Entre estas políticas extremas existe una tercera estrategia constituida por un conjunto infinito de alternativas que se diferencian por el peso que se le da a un objeto u otro en la concepción del esquema . En los próximos acápites de esta sección se presentan, en forma comparativa, los índices sobresalientes de estas 3 estrategias de desarrollo, utilizando como datos básicos los que aparecen en la tabla 41 . TABLA 41 Base de cálculo de los esquemas Eficiencia térmica de los turbos Condiciones del vapor de escape :

65 Presión

2,10 kg/cm'

Temperatura Saturado Consumo de energía mecánica : . Bagazo

(meo

de caña)

Total en fábrica

25 kW . h/t de caña 30

Humedad en bagazo

50

Vapor calórico bajo del bagazo

1825 kcal/kg

3.4.1 Producción de bagazo sobrante La obtención del bagazo sobrante es el objeto típico cuando se desea su utilización como materia prima para la industria de derivados . En las condiciones económicas actuales, la política de sustitución por petróleo de todo el bagazo de un ingenio no resulta económicamente aconsejable, existe la solución más rentable de obtener el máximo de bagazo sobrante en varias instalaciones y transportarlo a la planta consu. midora . La transportación representa un costo entre 3,00 y 9,00 pesos/t, de acuerdo con las distancias, tipos de vehículos, grado de compactación, etcétera, pero en todos los casos, es considerablemente menor al valor del bagazo combustible . Aceptado el objeto resulta de interés analizar su interrelación con los factores de diseño fundamentales asociados a la generación y utilización del vapor. En la figura 34 se ofrecen las condiciones de vapor generado que se requieren para distintos consumos de vapor en proceso y los niveles de bagazo sobrante para 3 eficiencias degeneración de vapor. Se puede ver que una disminución de 10 del consumo de vapor en proceso, posibilita la

E _ 0,78

E=0,68

PRESTON íkq/an:) 24,022,02010 18,016P 14,0 T . 0o 240-

12,0IOA _ 8.0 6,0-

200- 4,0150-

2,0 .0

30

40

50

60

Fig. 34 Condiciones de vapor requeridas y bagazo sobrante para el equilibrio vapor de proceso - consumo eléctrico y diversas eficiencias de caldera.

%VAPOR

70

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

existencia entre 13 y 18 % más de sobrantes del bagazo total, haciéndose menos notable la influencia, en la medida que aumenta la eficiencia de calderas . Desde el punto de vista de ésta, 10 % de incremento representan aumentos entre 8 y 14 % en los sobrantes, en términos absolutos, también menos notables en las zonas de altas eficiencias de calderas y/o bajos consumos de vapor. El efecto combinado puede resultar un aumento del orden de 25 % del bagazo total que alcanza niveles teóricos de sobrantes en el rango de 35 a 50 % del bagazo producido . En un ingenio de 7 000 t/d de caña, este incremento representa sobrantes del orden de 80 000 t de bagazo/a, que equivalen a unos 15 000 t de petróleo y que a 120 pesos/t representan 1 800 000 pesos, lo que permite el retorno de las inversiones necesarias en una cosecha . Otro aspecto de interés es que no es necesario hacer la generación de vapor a altas presiones, para obtener estos resultados, siempre que se disponga de calderas de alta eficiencia térmica y una configuración en calefacción-evaporación-cocción que permita bajos consumos de vapor en proceso, así como que se opere establemente para lograr, en la práctica, estas eficiencias. 3.4.2 Alta eficiencia orientada hacia propósitos múltiples Entre las políticas extremas de alta eficiencia de obtención de bagazo sobrante o energía eléctrica marginal, existe un conjunto de alternativas que se diferencian por el peso relativo que se le da a un objeto o al otro dentro de la concepción del esquema. Existe, sin embargo, un punto que se puede considerar intermedio y que consiste en la producción de energía eléctrica hasta donde lo permita el volumen de vapor de proceso, es decir, la generación máxima de energía eléctrica, hasta donde lo permite la tecnología de generación de potencia con bagazo, sin la utilización de condensación parcial del vapor de escape de los turbos, lo que equivale al no sacrificio de bagazo sobrante en generación de energía eléctrica . En la figura 35 se muestran los cálculos realizados para 4 condiciones de generaciones típicas en la industria azucarera en el mundo . Los resultados varían de acuerdo con el consumo de vapor en proceso y la eficiencia de generación de vapor. Es importante aclarar, que los valores de energía eléctrica que se muestran, son los que, teóricamente, se pueden entregar después de deducido el consumo del ingenio. El valor correspondiente a cero bagazo sobrante, indica el punto en que a las condiciones dadas se equilibran el consumo de vapor en proceso y el que es posible obtener con el bagazo total disponible .

Se puede observar que con una eficiencia de generación de 78 % y un consumo de vapor de caña de 40 %, si se genera a 18 kg/cm2 y 343 °C, teóricamente, se puede obtener 39 % de bagazo sobrante, entregando 8 kW.h/t, de caña . Si se consideran calderas de alta presión, 588 kg/cm2 y 454 °C, manteniendo 78 % de eficiencia de generación, y con el mismo esquema de proceso con 40 % de consumo de vapor, sobre la base de caña, el bagazo sobrante resulta ser de 35 %, pero con una entrega de energía eléctrica de 29,5 kW .h/t de caña. En un ingenio de 7 000 t/d, esto representa 6 300 kW adicionales de potencia o 22,6 GW.h al año en 150 d de zafra, lo que resulta un ahorro de 6 300 t de petróleo equivalente por año, según los índices de consumo de las plantas eléctricas de 280 g de petróleo/kW.h. Desde el punto de vista del aumento de consumo de bagazo el incremento de generación eléctrica muestra un índice de 106 g de petróleo equivalente por kilowatt hora que representa 40 % de lo consumido en la termoeléctrica más eficiente . La diferencia en inversión en calderas, turbos e instalaciones auxiliares entre ambas alternativas se paga en 3 a, a los precios actuales del equipamiento y del kilowatt hora. En la figura 35 se puede ver el conjunto de combinaciones posibles . Se puede resaltar el hecho de que en la medida que se tenga mayor interés en la energía eléctrica, menores serán los requerimientos para la eficiencia del esquema de vapor en proceso y viceversa . Cuando el interés se centra en la electricidad, el problema del aumento de presión es siempre favorable, el óptimo es determinado mediante consideraciones inversionistas y operacionales . 3.4.3 Producción de energía eléctrica marginal En el desplazamiento gradual desde el objetivo de bagazo sobrante hacia la zona de mayor interés en la energía eléctrica, el extremo se presenta en aquellas instalaciones preparadas para la combustión de todo el bagazo y la utilización de todo el vapor no requerido en proceso, en la producción de energía eléctrica en turbogeneradores de extracción-condensación . En la figura 36 se presentan los cálculos realizados para 4 niveles de presión a un nivel intermedio de eficiencia. La recta ascendente, de izquierda a derecha, representa la producción marginal obtenida sobre la base del vapor de proceso y las rectas descendentes el total marginal de energía eléctrica producida, es decir, si se considera que se genera energía eléctrica con turbinas de condensación, utilizando el vapor excedente sobre el requerido en proceso . Estas rectas coinciden, por supuesto, en el punto donde el consumo de vapor en proceso es igual al total que se puede producir con todo el bagazo disponible .

Nw. tilt QITRFBA

so-. 58,8 k~ 434"C

42,0 kq/an6400^C

28,0 kq/c rp-, 4W°C

18,0 kg/anj343°C

30

40

30 % VAPOR EN CAÑA

Fig. 35 Energía marginal del proceso y bagazo sobrante tara un consumo de vapor, dadas diversas eficiencias de caldera y condiciones de generación.

72

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÜCAR

30

40

50

60

CONSUMO DE VAPOR EN PROCESO kg DE VAPOR/100 kg. DE CAÑA

Fig. 36 Producción de energía eléctrica de géneración marginal mdxíma (condensado), para distintas presiones y consumos de vapor en procesos (eficiencia de caldera 78 %).

Tomando como ejemplo las condiciones de consumo de vapor en proceso de 40 % del peso de caña se puede ver que a 58,8 kg/cm2 y 454 °C con eficiencia de caldera de 78 %, se producen 29,5 kW.h/t de caña con el vapor de proceso y 76,5 kW.h/t total quemando todo el bagazo . Esta

generación adicional de 45 kW.h/t de caña se realiza a costa de quemar 35 % del bagazo total producido que resultaría excedente, generando energía eléctrica sólo con el vapor de proceso . En un ingenio de 7 000 t/d, la producción marginal de potencia eléctrica sería de 22 300 kW.

LA CAÑA DE AZúCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

73

Se obtendrían_ 8 600 kW del vapor de proceso y 13 700 kW, en los turbos de extracción condensación . La economía de la producción de estos 13 700 kW habría que estudiarla sobre la base del incremento de inversión en turbos y calderas y a la combustión de 306 tfh adicionales de bagazo . El consumo específico en petróleo equivalente de esa energía marginal adicional es de

El enfoque de utilización más generalizado consiste en analizar la posibilidad de sustituir de 10 a 20 % de la gasolina en mezclas alcohol-gasolina, para ser empleadas en los motores convencionales . Para este objeto se requiere de la incorporación de nuevas materias primas disponibles. en mayores volúmenes y menos comprometidas que la miel final. En los estudios y procesos inversionistas que se han realizado en los últimos años, la caña de azúcar ha resultado, con frecuencia, la candidata prioritaria a corto plazo. La caña presenta ventajas por sus altos rendimientos, la producción de un subproducto combustible y sus favorables balances energéticos, además de existir una infraestructura agrícola e industrial y un conocimiento tecnológico desarrollado . No obstante, la competencia por tierras fértiles en el marco del problema alimentario, la magnitud de las inversiones y la competencia con la producción de azúcar y miel hacen crítica la economía de esta producción. A más largo plazo, las posibilidades del alcohol combustible se pueden calificar como dudosas, si se calcula que un automóvil requiere para su operación 0,8 ha de tierra fértil, si utiliza este combustible obtenido de la caña.

433 g/kW .h .

Las ventajas económicas de generar energía eléctrica marginal con todo el bagazo dependerán, en cada caso, de los usos que pueda tener el bagazo y la disponibilidad y costo de otras formas de energía.

4 Otras formas de utilización de la caña como fuente de energía 4.1 PRODUCCION DE ALCOHOL COMBUSTIBLE 4.1.1 Criterios generales La producción de alcohol carburante a partir de la caña de azúcar, es la alternativa de uso energético que más interés y tratamiento ha tenido en los últimos años. El producto obtenido es un combustible líquido que puede sustituir a los derivados del petróleo en sectores como el transporte o la industria química, que representan cerca de 45 % de la utilización actual de los hidrocarburos, y donde otras fuentes energéticas, atómica, hidráulica, geotérmica, solar, etcétera, no pueden ser utilizadas . El etanol puede ser producido por fermentación a partir de cualquier fuente de carbohidratos -sacarinas, amiláceas, sustancias celulósicas- entre las cuales, la miel final del proceso de producción de azúcar es una de las materias más utilizadas . Con pocas excepciones y a causa de la inestabilidad del mercado y la competencia del alcohol sintético, se trata de una industria de lento desarrollo tecnológico. Desde el punto de vista . de la eficiencia energética, la industria existente es producto de los criterios de diseño y operación de la época de los combustibles baratos . Las ventajas de la integración energética con los centrales ha sido poco utilizadb~, Yr la industria alcoholera presenta índices pie aonsumo de fuel de 30 - 40 kg/100 l de alcohGá. Las n spectivas energéticas han determinado se reconsidere la posible contribución del etanol a partir de la biomasa en el -balance de los combustibles líquidos . Estos análisis resultan, en general, en que las reservas de capacidades y disponibilidades de miel existentes no son suficientes para satisfacer la demanda que abre el sector de los carburantes . 3~

4.1.2 Uso del alcohol como combustible En diversas épocas y países se ha empleado el alcohol como combustible, en especial en situaciones de crisis . En la actualidad, son notables los esfuerzos que se dedican a los planes alcoholeros en el Brasil y Estados Unidos . El primero basa su industria, fundamentalmente, en la caña de azúcar, mientras que los norteamericanos recurren a sus disponibilidades de maíz. Otros muchos países se encuentran, también, en distintas etapas del desarrollo de esta línea . Existen 2 alternativas en la forma de empleo del alcohol carburante: la más generalizada es la utilización de mezclas de alcohol (10 - 20 %) -gasolina para lo que no se requiere cambios en los motores de explosión de chispa convencionales ; la segunda opción, más radical, consiste en el uso de motores específicamente diseñados para operar con 100 % de alcohol como combustible . La alternativa de las mezclas que han sido empleadas con diversos nombres como el mofuco (Cuba), alcoholina (Brasil), gasohol (Estados Unidos), requiere de la utilización de alcohol deshidratado (99,2) ya que una mezcla que contenga más de 0,3 % de agua se puede separar en 2 fases y causar serias fallas en el motor. Se ha estudiado el empleo de diversos aditivos que prevengan la separación de fases y permitan utilizar el alcohol natural, pero ninguno ha tenido resultados satisfactorios hasta el momento . Por

TABLA 42 comparativas del etanol y la gasolina Propiedades Gasolina

Propiedades químicas

Etanol

Fórmula

CH3CH20H

C, -

C,2

Varía

Peso molecular

46,1

H (% en peso)

13,1

Relación C/H

4,0

5,6-7,4

9,0

14,2-15,1

Gravedad específica

0,794

0,70-0,78

Punto de ebullición (C)

78,3

26,6-226,6

52,1

C (% en peso)

O (% en peso)

85-88 12-15

Indefinido

4,7

Relación estequiométrica aire/combustible Propiedades físicas

Punto de fusión ("C)

-113,8

Solubilidad en agua

Infinita

Tensión superficial

(dynlcmz)

Constante dieléctrica

-

24,3

-

1,17

Resistividad específica

0,3

térmicas

Valor calórico bajo kJ/kg kf/1

Valor calórico alto

240 ppm

23

Viscosidad a 20 °C (cP) Propiedades

-56,7

0,288 X

108

2 X 10'8

5509,7

9 055,0 (promedio)

20422,6

32 038,7 (promedio)

6132,6

9-06,8

23432,1

34648,0

kf/kg

919,8

348,1

kJ/t

937,8

249,8

kJ/kg kf/1

Calor de vaporización

Número octano Lab. Bomba Límite de inflamabilidad (°ie en volumen de aire) Calor específico (cal/g-C)

Temperatura de autoignición ('C) Punto de rocío

106-108 98-100 4,3-19,0 0,60 362,7

-21,7

91-105 86.90 1,47,6 0,48

221,1-260,0

-45,5

LA CARA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

7

consiguiente, es necesario usar alcohol anhidro en las mezclas y tomar las medidas de precaución para evitar la humedad en las tanques de almacenamiento y transporte . Los motores que trabajan con alcohol natural se han ensayado, en gran escala, en el Brasil. Por sus resultados y los grandes vc,lúmenes de producción de alcohol que implica la sustitución total de la gasolina, no parece que sea posible la repetición de esta experiencia. Tampoco se han obtenido éxitos relevantes en los esfuerzos realizados con el objeto de sustituir o emplear mezclas con el diesel. Los resultados e influencia de la adición de alcohol a la gasolina y su efecto de sustitución, son objeto de discusión y, en algunos aspectos, existen criterios contradictorios . Estos resultados dependen de factores tan diversos como: composición de la mezcla, eficiencia del motor, calidad de gasolina, etc . Entre las ventajas del etanol se encuentra su efecto empobrecedor que permite la combustión de una mezcla con menos combustible y más aire, la combustión más limpia a más baja temperatura, y la elevación del octanaje, que puede aumentar en 3 - 4 puntos; por otra parte, su poder calorífico es sólo 67 del de la gasolina y su calor de vaporización es mayor. Para mezclas de 10 vio, se ha reportado que el efecto de sustitución de 1 1 de alcohol es de 0,8 1 de gasolina, que resultan de 0,67 1 por la relación de los calores de combustión y 0,13 1 ahorrados, por los efectos de empobrecimiento y aumento del octanaje . La sustitución puede llegar a ser de 1,36 1/1, si es posible aprovechar en las refinerías las características de las mezclas ; en este caso es posible producir gasolinas con un menor octanaje, lo que puede inducir ahorros en los insumos del orden de 0,36 1 de gasolina por 1 de alcohol en la mezcla. Es importante señalar que las políticas de sustitución de gasolina por alcohol pueden tener resultados negativos si no están acompañadas de un programa general de ahorro en las otras fracciones del petróleo no sustituibles por alcohol. De no ser así, para los esquemas convencionales de refinación, se pueden provocar excedentes de gasolina de bajo octanaje y de difícil comercialización.

Existe un gran número de materias primas que se pueden emplear para la producción de alcohol, entre las más importantes se pueden mencionar : maíz, sorgo sacarino, mendioca, boniato, babassu, miel, caña de azúcar, etc . La caña de azúcar es el cultivo que permite obtener los más altos rendimientos por unidad de área ; éstos pueden alcanzar cifras de 3 000 a 5 000 1/ha/a, fermentando guarapo . No obstante, el cultivo de la caña requiere de tierras de buena calidad y las inversiones industriales son relativamente importantes, factores negativos en cuanto a su selección para el proceso . El balance energético global de la producción de alcohol, es decir, la relación existente entre la energía total que se obtiene y la que se consume en su obtención, es otro criterio de significativa importancia . En estos balances se de ben tener en cuenta las etapas agrícolas, así como las industriales, y resulta de interés realizar el balance particular de combustibles líquidos que es, en definitiva, el problema a cuya solución está destinada la producción de alcohol . La alta eficiencia biosintética de la caña, capaz de aprovechar cerca de 4 % de la energía recibida del sol, permite que la relación energética de su cultivo alcance valores tan altos como 11/1, según cálculos en condiciones cubanas . Una ventaja adicional es la producción de un subproducto combustible, el bagazo, que puede ser el único combustible empleado en el proceso o aun permitir la entrega de cantidades sustanciales de energía marginal . Las consecuencias de estas características se pueden ver en la tabla 43 .

4.1.3 Materias primas y tecnologías Estos aspectos deberán ser tratados en detalle en el capítulo dedicado a la tecnología de producción de alcohol etílico, no obstante, la importancia que ambos factores, en especial la materia prima, tienen sobre la economía del proceso, la relación con el problema alimentario, los balances de energía y el impacto ecológico, determinan la necesidad de manejar algunas consideraciones en el contexto energético.

TABLA 43 Relación energía producida/energía insumida en la producción de alcohol Materia prima

Caña de Miel de azúcar caña

Relación

4,0-8,0

6,0-8,0

Maíz

Yuca

1,1-1,6

1,53,0

El balance de combustibles líquidos resulta aún más favorable, especialmente en el caso de la miel, utilizando excedentes de bagazo como combustible . En la producción de alcohol a partir de caña se pueden manejar diversas posibilidades, según el tipo de sustrato que se emplee y cómo se programe su utilización en el horizonte de tiempo de operación de la planta, así se pueden concebir la producción de azúcar y alcohol a partir de mieles, producir alcohol y miel invertida durante la época de mayor rendimiento y utilizar ésta en la época de menor rendimiento, fermentar guarapo todo el año, etc .

76

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Los procesos de producción son convencionales, las tecnologías que utilizan miel son bien conocidas, de 1 t de caña se obtienen 30 - 40 kg de miel, con rendimientos de alcohol entre 32 - 34 1/100 kg de miel. Los requerimientos energéticos pueden ser de 30 - 40 kg de fuel para procesos muy ineficientes hasta llegar a ser totalmente cubiertos mediante la integración con una fábrica de azúcar con un esquema eficiente . La fermentación de guarapo más novedosa no ofrece grandes incógnitas y es similar a las mieles, en la que existe una etapa de extracción de jugo en molinos o difusores. Los rendimientos de alcohol son de 60 - 70 1/t de caña y es posible obtener excedentes de bagazo después de cubrir las demandas energéticas del proceso . La destilación para la producción de alcohol anhidro se realiza normalmente en un sistema de 3 columnas : agotamiento, rectificadora y deshidratadora . Esta operación consume cerca de 60 % de la energía total que se utiliza en el proceso y de ahí los esfuerzos en las tecnologías que permitan concentraciones más altas en el vino fermentado o disminuyan el consumo, tales como la fermentación y destilación al vacío, uso de recompresión de vapores, etc . Analizando las perspectivas, es importante señalar que la agricultura cañera aún dispone de un gran potencial de materias primas en la explotación de los desechos de la cosecha, que constituyen 25 - 30 % de la planta . El desarrollo de tecnologías viables para la hidrólisis de los materiales lignocelulósicos abriría la posibilidad del empleo de estos recursos para la producción de alcohol, con la ventaja de no representar un uso competitivo de la tierra. Estos desarrollos, no obstante, deberán esperar aún la próxima década. 4.1.4 Producción combinada de energía eléctrica y otras alternativas La producción de alcohol de caña, de acuerdo con los intereses y planes de desarrollo, se puede concebir según esquemas de alta eficiencia energética, orientados hacia la obtención de sobrante de bagazo o hacia la entrega de energía eléctrica marginal . El empleo que se le dé a los efluentes de la destilación de alcohol o vinazas, constituye una consideración importante en la optimización del esquema de proceso . Estos efluentes que se producen con una relación de 10 - 15 1/1 de alcohol, pueden ser empleados : con fines alimentarios, bien en forma directa o mediante su uso en el crecimiento de proteína unicelular, con fines energéticos, sometiéndose a un proceso de biometanación para la producción de biogás o concentrándolos y quemándolos en calderas al efecto.

Como una vía de ejemplarizar algunas de las alternativas existentes, se presentan 2 esquemas tipo para la producción de alcohol y proteína que se diferencian por el objeto y características del sistema energético. La figura 37 corresponde a un esquema de producción de alcohol de caña con vistas, fundamentalmente, a la obtención de bagazo sobrante, en éste se muelen 100 t de caña/h para producir alcohol y levadura. El esquema es de presión media de 41 kg/Cm2 y 400'C, con extracción a proceso a 7 kg/cm2 y contrapresión de 2,1 kg/Cm?. La cantidad total de caña procesada es de 60 000 t/a que pueden ocupar 8 600 ha (70 t/ha). El complejo produce unas 35 000 t/a de alcohol, unas 6 000 t/a de levadura, entregando, a la vez, algo más de 50 000 t de hagazo/a, con una potencia excedente de 1200 kW. Esto representa más de 30 ato del bagazo sobrante, después de satisfacer las demandas energéticas de los distintos procesos productivos y excedentes de 125 kW.h/t de caña molida. El esquema de la figura 38 está orientado a la producción de energía eléctrica marginal . En este caso se analiza una instalación donde se procesan 500 t/h de caña. La generación de vapor es ahora a 88 kg/cm2 y 450°C, en turbos de extracción-condensación . La planta moledora procesa 1200 t cada 24 h lo que corresponde a una demanda total de caña de 3 000 000 t que requieren unas 43 000 ha de tierra. El complejo produce 176 000 t/a de alcohol y 30 000 t de levadura. La planta eléctrica produce todo el vapor de proceso y la energía para el complejo, entregando, adicionalmente, 3 000 kW a la red eléctrica que equivalen a 9 t/h de petróleo . Estos índices de entrega de energía marginal de 60 kW.h/t de caña, pueden alcanzar valores superiores a 70 kW.h, en el caso que no se considere la producción de levadura. El propósito de estos ejemplos ha sido resaltar que la producción de alcohol, para aumentar su viabilidad, debe ser contemplada considerando la utilización integral de la caña; los objetos del complejo están supeditados a los intereses de cada país, si se cuenta con medios eficientes para el agotamiento y uso de sus agresivos residuales. 4.2 PRODUCCION DE BIOGAS 4.2 .1 Consideraciones generales La biometanación es conocida desde hace varias décadas y ha sido empleada como un método de tratamiento de desechos animales y aguas residuales. En la India se instalaron los primeros digestores a principios de siglo y, durante la Segunda Guerra Mundial, el biógás fue empleado en Alemania como combustible de tractores .

TABLA DE CONSUkm 100 t

CAÑA

DE VAPOR ( t1

Comamos

CALENT EXT. Y OTROS : DESTILACION

5,60

OTROS USOS FERM .

: 27,60 : 0,44

CONC . CREMA

:

1,94

SECADORES (7 atm)

:

3,96

TOTAL

: 39,54

CONSUMOS

ELECTINCOS (KW t )

EXTRACCION

:

1500

DESTILERIA

:

1600

:

4150

PRODUC .TORULA TOTAL PRODUCCIONES

'

1050

ADICIONALES t

BAGAZO

:

8,1

FUSEL

:

0,0071

coa

5,3

t

44POR GENERADO 44,20't " - PERDIDAS Y OTROS USOS 2,20 t (40 otté) 40 otm 400 OC 78 % EFIC .

PROCESO 35,58 t

4,04 t . (7 atm) L, PERDIDAS 0,08 1

A SECADORES 3,96 r

DEAREADOR 0,90 t

I PERDIDAS 1,5 1 E~A DE GENERA~

TORULA

IA t (92 %)

BALANCE DE §BAGAZO ( t ) BAGAZO PRODUCIDO :28,0 :19,2 BAGAZO REQUERIDO SALDO SOBRANTE : 8,8 (31 %) BALANCE ELECTRICO (KW.A) ENERGIA ELECT PRODUCDA :5400 ENERGIA ELECT PROCESO . :4150 SALDO A LA RED :1250

Fig. 37 Producción de alcohol y bagazo(balance de materiales y energía) .

TABLA DE CONSUMOS 500 t

CARA

CONSUMOS DE VAPOR ( t ) CALENT EXT Y OTROS DESTILACION

: 28,0 " 138,0

OTROS USOS FERAL CONC . CREMA

:

SECADORES (T otm) TOTAL

2,2 9,7

: 19,8 :197,7

CONSUMOS ELECTRICOS (KWhj EXTRACCION

--7500

DESTILERIA PRODUC . TORULA' TOTAL

:5300 20700

z7900

PRODUCCIONES ADICIONALES f t ) BAGAZO

:

0,0

FUSEL 0,04 26,4 COs

ESQUEMA DE 6ENERApON BALANCE DE BAGAZO ( t BAGAZO PRODUCIDO ~ZO REQUERIDO SALDO SOBRANTE

:140,0 '140,0 : 0,0

BALANCE ELECTRICO (KWb1 TO ROLA 4,8 1 (92 %c)

ENERGIA ELECT PRODUCIDA : 50700 ENERGA ELECT PROCESO = 20700 : 30 000 SALDO A LA RED

Fig. 38 Producción de alcohol y energía eléctrica (balance de materiales y energía).

79

LA CAÑA DE AZüCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

En el- escenario energético actual la producción de biogás adquiere una nueva significación, como una de las fuentes renovables de energía que presenta las ventajas de contribuir a la conservación del medio o ambiente e ir acompañada por la producción de un residuo de utilidad como fertilizante. La biometanación es el proceso de fermentación anaeróbica de la materia orgánica, que consiste en la producción de un gas con un contenido de 55 - 70 vio de metano, el resto constituye, fundamentalmente, C02 . El gas se puede emplear, de, acuerdo con las instalaciones, para fines tales como iluminación, producción de vapor, energía eléctrica, para cocinar, acondicionamiento de aire, etc. Como se ha mencionado, uno de los grandes atractivos de la biometanación es que constituye un método de conservación del ambiente. Las industrias alimentarias, entre ellas la producción de azúcar, alcohol, levaduras, etc., presentan una situación comprometida en este sentido, pues se caracterizan por la utilización de grandes volúmenes de agua que después del proceso tienen una alta concentración de sustancias orgánicas que de ser vertidas a ríos, lagos y otras fuentes receptoras, provocan la disminución del oxígeno. La depuración de estas aguas por procesos aeróbicos tiene serios inconvenientes, en cuanto a las grandes cantidades de biofango que se producen y los altos consumos energéticos. Los tratamientos anaeróbicos, con la alternativa de producción de gas o la combinación de los 3 tipos de tratamiento, resultan, por tanto, alternativas de gran interés. También desde el punto de vista de la contaminación térmica por unidad de energía útil, ésta resulta más baja para el biogás que para los combustibles fósiles o nucleares. Por otra parte, su utilización no alterará el balance energético de la tierra ni interfiere con los balances de C02. El sector de la agroindustria de la caña de azúcar, incluyendo en éste las producciones de derivados, cuenta con numerosas fuentes de materias primas susceptibles de ser utilizadas en el proceso de biometanación; éstas se pueden dividir en 2 grandes grupos: 1 . Residuales líquidos : industria azucarera, alcohol, levadura forrajera, etc. 2. Residuales sólidos: paja, cogollo, bagazo, medula, cachaza, etc . Las ventajas y viabilidad de estas opciones son variables y las prioridades en su desarrollo y los métodos de empleo deberán ser esclarecidos en un futuro inmediato.

4.2.2 Características del gas y naturaleza del proceso La composición de biogás depende de las materias primas utilizadas, la etapa del proceso en que se obtiene, los digestores, etc., la composición normal de digestores anaeróbicos se puede tomar como: Metano

CH4

55 - 70

Dióxido de carbono

C02

30 - 40%

Hidrógeno

H2

Nitrógeno

N2

0,5 - 8

Monóxido de carbono

CO

Trazas

Ácido sulf hídrico

H2S

Trazas

1 - 10%

El valor calórico del biogás comparado con otros gases combustibles se puede ver en los datos que se dan a continuación : Combustible

Ull

Biogás

20,4 - 22,4

Metano

33,4 - 38,9

Propano

81,6 - 96,4

Butano

107,5 - 126,1

Gas de carbón

16,7 -

18,5

La producción del gas se realiza por la degradación de la materia prima, mediante un proceso que se efectúa en varias etapas sucesivas que se explicarán brevemente . En un principio, los microorganismos comienzan la hidrólisis enzimática de los compuestos orgánicos complejos presentes en el sustrato . De esta forma, las fibras orgánicas y otros polímeros se transforman en monómeros solubles que son utilizados en la siguiente etapa por las bacterias acidógenas. En la segunda etapa, los compuestos orgánicos solubles se convierten en ácidos orgánicos, en especial en ácido acético, que constituyen el sustrato fundamental para la descomposición final que llevan a cabo las basterias metanogénicas. En la última etapa ocurre la reducción final del material, produciéndose el gas y un residuo muy estable. Esta secuencia corresponde al proceso más general y la duración e importancia de los distin-

80

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

tos pasos estarán en dependencia de la composición inicial del sustrato. Las reacciones químicas que se llevan a cabo en el proceso descrito son las siguientes:

Ésta es la diferencia fundamental con el tratamiento aeróbico, donde la combustión biocatalítica del material, libera una gran cantidad de energía que posibilita la producción de una cantidad considerable de biofango de difícil tratamiento para su desecho al medio. 4.2.3 Materias primas y tecnologías

19 on O

h

ÓN

x

+

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-

Al tratar las consideraciones generales sobre la producción de biogás en el área de 'la agroindustria de la caña y sus derivados, se mencionan las diversas alternativas de materias disponibles . A causa del origen y naturaleza del proceso, los residuales líquidos han sido objeto del interés más inmediato . A continuación se ofrecen algunas de las características de los residuos y los resultados fundamentales que se pueden esperar del proceso : Sustancias residuales de la producción de azúcar

Flujo de residuales : , molida .

0,5 m3,/1000 kg

Concentración del residual: residual. Eficiencia del tratamiento : ción del DQO.

O

x

.12 á

5 kg

DQ0 1 /ma

85 - 90 %

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de vido.

J .,

Producción de metano : caña .

Aporte energético del gas : total.

o

.2

-oo

i

c~

x

Q

~

Ñ

á

a;

Los ácidos orgánicos que están constituidos por cadenas largas combinadas se degradan a ácido butírico o propiónico y, posteriormente, son convertidos en acético y metano. Las reacciones químicas son : 4CH3CH2000H + 2H20 C0 2 + 3CH4

-* 4 CH3000H +

4CH3000H ~-) 4CH4 +4CO2

En la degradación se produce un cambio pequeño en la energía libre, por lo que existe muy poca energía disponible que pueda ser utilizada para el crecimiento de los microorganismos .

de caña

de reduc-

DQO

remo-

0,70 Nm 3/1000 kg 1 - 2%

del

de

del consumo

Sustancias residuales de la producción de alcohol.

Flujo de residuales : 15 -

20 m3/m3

Concentración del residual: 60 kg residual . Eficiencia del tratamiento :

de alcohol. DQ0./m3

70 - 75 %

del

del

DQO.

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de vido.

DQO

Producción de metano:

de alcohol .

280 Nm3/m 3

remo-

'Demanda química de oxígeno. 2 Metros cúbicos de gas, medidos en condiciones normales de presión y temperatura; 1 atm y 0 °C.

81

LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

Aporte energético del gas : 60 - 70 % del consumo total.

TABLA 44 Composición química promedio de residuos sólidos

Sustancias residuales de la producción de levaduras

Flujo de materias residuales : 100 m3/1 000 kg de levadura. Concentración del material residual: DQO./m s . Eficiencia del tratamiento :

65 -

10 kg

70 % .

A

B

C

51,2

46,2

42,2

73,7

75,0

-

43,0

-

-

20,7

21,7

20,0

26,0

24,2

21,4

2,6

5,0

7,4

Alcohol benceno (%)

2,8

2,9

Solubilidad en Hz0 caliente (oio)

4,1

4,3

9,1

Solubilidad en H20 fría

2,3

4,0

6,6

Solubilidad en NaOH (oio)

34,9

36,1

48,0

A = Bagazo integral

B = Medula C = Paja de caña.

Celulosa

«-Celulosa Lignina

(ojo)

(oio)

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de DQO removido.

Pentosanas

Producción de metano : vadura .

Extractivos

220 Nm3/1 000 kg

Aporte energético del gas:

20 - 30

de le-

% del total.

El empleo de los residuos sólidos resulta una opción de interés que es objeto de estudio, ya que en este caso, el ataque enzimático de estos materiales resulta más difícil . En general, para los residuos sólidos la combustión directa u otros procesos termoquimicos como la gasificación o licuefacción pueden resultar más eficientes, desde el punto de vista energético . De acuerdo con las condiciones locales el empleo de mezclas de otros tipos de sustancias residuales puede resultar una buena solución y un auxiliar en el balance carbón-nitrógeno (C/N) de los sustratos . La composición química de algunos de los residuos se da en la tabla 44. La composición elemental del bagazo se puede tomar como C = 47,0 %; N = 6,5 ; 0 = 44 % ; ceniza 2,6 %. Para la producción de biogás a partir del bagazo se pueden esperar rendimientos de 100 - 200 Nm~/1 000 kg del residuo . El proceso de producción de biogás se realiza en digestores anaeróbicos, en los cuales la temperatura, el pH, la concentración del sustrato y la relación carbono-nitrógeno (C/N), son los parámetros fundamentales de operación. La eficiencia máxima del proceso se obtiene en el rango mesofílico 35 - 37°C, por debajo de 10°C y por encima de 50 °C, las bacterias anaeróbicas no continúan el proceso de descomposición . Las condiciones más favorables del pH se entornan en valores de 7 - 8, aunque en las etapas iniciales de la fermentación este parámetro sí puede descender a valores de 5 - 6. Los valores óptimos para la relación C,/N se encuentran en el rango de 25 - 30. Para las instalaciones de biogás resultan fundamentales el tamaño de los digestores, el diseño

(oio)

Hemicelulosa

(oio )

Cenizas (%)

-

de los contenedores de gas y el sistema de tuberías para su distribución . El diseño de los reactores varía con la escala y el tipo de aplicación, normalmente se emplean reactores batch de una sola etapa. Generalmente, en pequeña escala se construyen de materiales baratos y de diseño sencillo . También se han utilizado reactores semicontinuos, continuos, en 2 etapas y otros. De nuevo desarrollo es el llamado reactor Up Flow Blanket Reactor (UFBR) que está siendo objeto de considerable interés . La productividad de los equipos es, en gran medida, determinada . por los tiempos de retención hidráulica, que dependen, a su vez, de la carga orgánica, la recirculación o no del lodo y; por supuesto, del tipo de reactor. Las variaciones son notables y se encuentran en el rango de 1 - 30 d. 4.2 .4 Usos y aplicaciones

La producción de biogás presenta la característica de que, en general, el proceso constituye una etapa en el tratamiento de las sustancias residuales y las corrientes efluentes de los reactores, tanto sólidas cómo líquidas, deben tener un método posterior de tratamiento o disposición final.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Un método convencional que ha sido utilizado, es la combinación con un tratamiento aeróbico como segunda etapa de la biometanación que permita la disposición de las aguas a las fuentes receptoras finales . Otra alternativa de interés, es el empleo del efluente de los reactivos en el riego de los cultivos . Los sólidos se han empleado como fertilizantes y, en algunos casos, esta alternativa puede aportar cerca de 50 % de los beneficios económicos del proceso . El valor fertilizante de los residuos sólidos del tratamiento de las sustancias residuales alcoholeras, se ha reportado como sigue en tantos por ciento en peso del material : N = 0,10; P = 0,012; K = 0,53. Todo parece indicar que existen ventajas en el empleo del lodo después de un proceso de secado al sol . Existen también sistemas más complejos donde, además de la producción de energía a partir de biogás y de la utilización de los fangos como fertilizantes', se emplean los efluentes líquidos en lagunas construidas al efecto, para la producción de ciertos tipos de algas, que, a su vez, sirven de alimento a peces que se reproducen, rápidamente, en estas lagunas . Para mejorar la calidad del gas y su aplicación, se han estudiado diversos métodos . El biogás se puede deshidratar pasándolo a través de glicoles, lo que requiere de una pequeña unidad de destilación para su generación o por otros sistemas . Otro objeto, la remoción del COO2, se puede realizar pasando el gas por lechada de cal con consumos del orden de 0,015 kg de cal/Nm3 del producto; no obstante, la utilización de todos estos métodos, en escala comercial, no parece aún económicamente aconsejable . Por otra parte, la combustión del gas requiere de generadores diseñados al efecto, ya que la velocidad a que avanza en una columna de gas es baja, comparada con la del gas natural y con la de otros combustibles . Esto implica que en instalaciones convencionales la llama tenderá a alejarse del quemador con el resultado de una combustión poco eficiente . No obstante, la combustión en cocinas u hornos con quemadores eficientes no presenta complejidad técnica alguna y se puede considerar una aplicación convencional . 4.3 PRODUCCION DE GAS POBRE Y OTRAS ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS En los acápites anteriores se discutieron 2 procesos bioquímicos de aprovechamiento de las materias orgánicas, la producción de alcohol y la biometanación . Existe, además, otro grupo de tecnologías que también constituyen opciones para el aporte energético de los residuos de la agroindustria cañera . Dentro de estos procesos,

la combustión es el más convencional y el empleo, por esta vía, del bagazo o inclusive de residuos agrícolas que constituyen la fuente energética tradicional de la industria azucarera . No obstante, existen otras alternativas tales como la pirólisis, la gasificación y la licuefacción que pueden llegar a tener algún lugar en el panorama energético. La pirólisis es la conocida destilación destructiva del material orgánico, donde éste se descompone, térmicamente, para producir proporciones variables de gases y líquidos combustibles . La licuefacción se puede considerar una variante de la anterior, que se diseña para obtener una mayor cantidad de líquidos orgánicos con relación a los gases, algunos procesos utilizan la hidrogenación con solventes con y sin catalizador y en otros se produce, previamente, gas de síntesis (CO + HZ) que se convierte, catalíticamente, en metanol, gasolina u otros líquidos orgánicos . La gasificación, por su parte, consiste en la reacción del material orgánico con vapor, 02 o C02 calientes, para producir gases combustibles del material carbonizado, que a veces incluye una zona de pirólisis y de producción de carbón; el calor se genera por combustión parcial y se transfiere directamente de los gases a los residuos sólidos . Estos procesos, al igual que los bioquímicos, son conocidos desde el siglo pasado y han sido utilizados en épocas de crisis . Las tecnologías tradicionalmente empleadas se realizan, por lo general, a presión atmosférica, con un uso limitado de catalizadores, pero en la actualidad se encuentra en desarrollo un conjunto dé procesos termoquímicos, llamados de segunda generación, que pueden determinar cambios significativos en las tecnologías y resultados económicos de estos métodos . Las ventajas de estos procesos residen en la posibilidad de producir combustibles (gases o líquidos) susceptibles de ser almacenados y que pueden tener un uso más , iplio y flexible que el vapor o los gases de la combustión . Por otra parte, el carbón recuperado se puede emplear, a su vez, en la producción de carbón activado o gas de síntesis, de empleo en la industria química. Como ventajas adicionales se pueden mencionar, el menor volumen de gas que se produce y el hecho de que sus residuos resultan más aceptables para la disposición al medio. Si bien los procesos bioquímicos parecen ser la opción más inmediata y favorable para el aprovechamiento de los residuos líquidos, las tecnologías termoquímicas pueden resultar más ventajosas para la utilización de los residuos sólidos, en especial los residuos agrícolas de la cosecha de la caña. La economía de estos procesos, en su relación con los métodos de recolección de residuos, re-

83

LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

Vl

sulta, en muchos casos, cuestionable y aún queda por realizar un intenso trabajo de desarrollo, pero no es menos cierto que los procesos de gasificación constituyen ya una opción inmediata al aprovechamiento energético de muchos de los residuos lignocelulósicos.

o 2

4.3 .1 Estequiometría y características de los procesos termoquímicos

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Los distintos procesos termoquímicos tienen algunas reacciones en común y las proporciones entre los diversos o componentes dependen, grandemente, de las condiciones del proceso. El conjunto de reacciones químicas que ocurren son las siguientes :

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Del conjunto de los productos de las reacciones, las fracciones líquidas se favórecen con un calentamiento rápido a temperaturas moderadas (540T) . Estos líquidos, si proceden de materiales lignocelulósicos, tienen una elevada oxigenación, son parcialmente miscibles con el agua y pueden contener ácidos corrosivos. Los rendimientos de incondensables (CO, H2, CH4) aumentan mediante la utilización de altas temperaturas (750 - 800 *C), con tiempos de residencia relativamente elevados.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

El proceso de gasificación ofrece las características de mayor interés inmediato, por lo que se describen en detalle la termoquímica y estequiometría de las reacciones que ocurren en un gasificador. Normalmente, en el gasificador se establecen 4 zonas diferenciables : La zona inferior es la zona de oxidación : + 183 500 kJ

C + 02 --~ C02

En esta se genera el calor necesario al proceso . Zona de reducción primaria : C + 2 H2 0* C + C02

'

C02 + H2

- 75 538 kJ

- 74 061 kJ

' 1 2CO

Zona de reducción secundaria: C + C02

+ 74 061 kJ

-~ 2CO

CO + H20

' C02 + H2

- 738,5 kJ

La última zona es la de destilación, donde se adicionan las sustancias volátiles al gas. La composición de los gases resulta muy variable, en dependencia de la materia prima y las condiciones del proceso. La composición del gas obtenido en un gasificador con un material lignocelulósico se ofrece a continuación : Volumen (vio) C02

9,5 - 10,0

CO

20,0 - 22,0

H2

12,0 - 15,0

CHa

2,5 -

3,5

02

0,4 -

1,4

Hidrocarburos

0,0 - 0,3

N2 Valor calórico

C

70,1

H2

7,3

02

22,0

N2

0,5

S

0,1

Valor calórico

37,6 MJ/kg

4.3 .2 Materias primas y tecnologías

CO + H2 74 800 kJ 1-

C + H2O

Peso (%)

50,0 - 53,0 5,0 -

5,5 kJ/1

La composición de una fracción liquida obtenida de un proceso de licuefacción de bagazo presenta la siguiente composición elemental :

Los residuos lignocelulósicos de la agricultura y de la industria de la caña de azúcar, pueden constituir una base de materia prima para el desarrollo de los procesos termoquímicos . Los residuos agrícolas parecen ser los candidatos más prometedores, dado el compromiso actual de utilizar el bagazo y la medula en otros usos energéticos, alimentarios y otras producciones de derivados . Estos residuos constituyen materias primas adecuadas para los procesos termoquímicos como la gasificación o la licuefacción . Los materiales :coP un alto contenido de celulosa reaccionan más- rápidamente que los que tienen mucha lignina, aunque, en general, se pueden obtener rendimientos cuantitativos . Los rendimientos en aceites líquidos, por ejemplo, se encuentran en el entorno de 55 % y rinden un aceite viscoso similar al petróleo. En magnitudes aproximadas, se puede estimar que por cada tonelada de caña molida se producen alrededor de 300 - 350 kg de residuos agrícolas, con un contenido de humedad de alrededor de 30 % . En los procesos termoquímicos, la conversión de biomasa o combustible tiene una eficiencia del orden de 60 - 70 %, por cada 1 000 kg de materia seca se pueden producir 300 kg de aceite combustible (37,5 MJ/kg) o 2,4 X 106 1 de gas pobre (5,0 kJ/l), es decir, 11 - 13 GJ/t de materia prima . Estos estimados resultan, en un potencial energético, en el entorno de 3 GJ en los residuos que se producen por cada tonelada de caña rnolida . En las tecnologías termoquímicas, resultan de importancia, los contenidos de celulosa, lignina, cenizas y agua de las materias primas, así como la relación C: H : O. En general, los materiales requieren tratamientos previos que mejoren su comportamiento en los reactores, entre los más frecuentes se incluyen reducción de tamaño, presecado, densificación, etc. Los reactores que se emplean, dependen del tipo de tecnología, materia prima, etc. Se utilizan sistemas de calentamiento directo o indi-

85

LA CARA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

I- ENTRADA 2-TANQUE DE FERMENTACION 3- GAS 4= SALIDA DE IODO 5- TANQUE DE PRESTON DE AGUA 6- CUBIERTA 7-PUERTA DE TANQUE Ei-TANQUE ADAPTADO 9-SALIDA DE GAS PLANTA DE BIOGAS USADA EH LA R .P CHINA 10 fr+s

Fig . 39 Reactor convencional No . 1.

recto, estos últimos producen un gas de mayor valor calórico (19 - 30 kJ/1), pero el balance energético integral suele ser desfavorable . El flujo de los sólidos puede ser a corriente o contracorriente, con el flujo de gases y se emplean reactores de lecho fluidizado, camas empacadas, camas agitadas, etc . Los gasificadores son, en general, de forma cilíndrica, existen 2 tipos fundamentales, los de flujo ascendente, más simples, aunque producen un gas más sucio, y los de flujo descendente,

preferidos cuando él consumo final es en motores de combustión interna. Los parámetros más importantes son las características de flujo y la altura de la cama, los perfiles de temperatura y los tiempos de resistencia de gases y sólidos . No resulta posible realizar una generalización, con respecto a estas condiciones, que difieren en cada proceso . La deshidratación y limpieza de los gases tienen especial importancia para evitar la condensación y contaminación de los motores, este

1,20

A- POZO FERMENTA04 S- CAMAiNA RECOLECTORA C- SOPORTE 0 - CABLE E- POLEAS F- CARRETEL VOLANTE G- TANQUE DE ALIMENTACION H - CON MCM DE ALIMENTACION

"LAM PAM MUM DE CM C~TIBLE A MITN DE . ESTIERCOL

Fig. 40 Reactor convencional No. 2.

A

REACTOR RECTANGULAR

8- REACTOR CIUNDRICO I - CAMA DE LODO 2

VOLUMEN DE LIQUIDO CON SOLIDOS EN SUSPENSION .

3- CAMPANA' DE GAS 4-SELLO DE GAS S- ALIMENTACION 6- SEDIMENTADOR T'- LAVADORA 8- COLECTOR DE GAS CON TUBERIA DE SALIDA

9-

SELLO DE AGUA

Fig. 41 Reactor para la producción de biogds. Tipo Upflow.

SALIDA GAS

SALIDA GAS

31 4 .

oo aóa bó $~~u ca~~ D oe ~ 7' 4á8~o c 'a.0IW' k ENTRADA AIRE FLUJO ASCENDENTE

FLUJO 'ESCENDENTE Fig. 42 Tipos de gasificadores.

88

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

aspecto puede tener gran incidencia operación y economía del proceso .

en

la

4.3.3 Usos y aplicaciones Las tecnologías de conversión termoquímica de los residuos lignocelulósicos permiten la producción de una gran variedad de combustibles y de otros productos, tales como: gas pobre, gasolina sintética, ácidos orgánicos, carbón activado, etc. La producción de gas pobre, para su empleo en hornos 'con quemadores adecuados o en motores de combustión interna, constituye una aplicación de uso inmediato que puede contribuir al balance energético, en especial, en zonas rurales donde sea posible obtener los residuos con bajos costos de recolección y suministro: El gas pobre, si va a ser transportado o almacenado, debe ser enfriado, secado y limpiado, sobre todo, para su empleo en motores de combustión interna. Resulta un combustible adecuado para los motores de chispa y ha sido empleado, extensamente, con este objeto ; por el contrario, presenta inconvenientes en los motores de combustión por compresión, a causa de su temperatura de ignición alta e inestable . El empleo en este tipo de motores se puede lograr en mezclas con diesel, en proporciones de 90:10 ; estas rnezclas han tenido resultados satisfactorios . La utilización en hornos y calderas, es otra aplicación convencional, aunque se requiere de quemadores diseñados para este gas, que posee una llama muy lenta que podría hacer descender la eficiencia del horno . La producción de gas de síntesis (CO -I- H2) es una alternativa de gran interés por la gran variedad de productos que se pueden obtener en la industria química a partir de este producto intermedio . 5 Bibliográfía ALMEIDA LIMA, O.: "Alcohol como combustible alternativo ." Seminario de Racionalización Energética en la Industria Azucarera . (ONUDI-GEPLACEA-OLADE .) Ciudad de La Habana, septiembre, 1980 . ARMAS, C. M.: "La caña de azúcar como fuente renovable de energía y materia prima." Seminario Internacional sobre Derivados, República Dominicana, abril, 1981 . "Energía marginal en la producción de azúcar de caña ." Seminario de Racionalización Energética de la Industria Azucarera (ONUDI-GEPLA CEA-OLADE) . Ciudad de La Habana, septiembre, 1980. ARUNIN, A.: "Energy Cropping vs . Food-Production Thailand Case Studies." FAO Expert Consultation

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SEGUNDA PARTE MATERIAS PRIMAS Capítulo III LA CAÑA DE AZÚCAR, GUILLERMO GÁLVEZ

1 Introducción La caña de azúcar es cultivada, al parecer de los reportes que se poseen, desde varios siglos atrás. Brandes (1929) describió el cultivo en tribus primitivas en el interior de Nueva Guinea . Por otra parte, Humbert (1965) reporta que cuando Alejandro el Grande invadió la India en el año 327 a.n.e., sus escribas anotaron que los habitantes "masticaban una caña maravillosa que producía una especie de miel sin ayuda de las abejas". En Edropa se difundió el uso del azúcar de caña a plancipios del siglo xiil, con la extensión de la taña en el Mediterráneo. Más tarde, Cristóbal Colón la trajo al nuevo mundo y ya en el siglo xvi el azúcar era un producto comercial importante entre los países europeos, Brasil, Cuba y México. Ya en 1840, la producción mundial era de 1 300 000 t que subió, en 1890, a más de 6 700 000 t, incluyendo el azúcar de remolacha. La producción mundial se ha incrementado tanto, que en la década 1970-1980, llegó a sobrepasar los 80 000 000 t. La caña de azúcar es un cultivo eminentemente tropical y subtropical y su límite de producción depende de varios factores, entre los cuales se destacan alas variedades utilizadas, el control adecuado de plagas, y enfermedades, el manejo del cultivo y la fertilidad variable del suelo. Lo anterior hace que se obtengan rendimientos muy variables que oscilan entre 3 t y más de 20 t/ha de azúcar . Alexander (1973) considera la caña de azúcar como una "personalidad fisiológica" y es el organismo vegetal que tiene más evolucionado el

sistema de síntesis, translocación y almacenamiento de azúcar en grandes cantidades. La genética, la citología, la fisiología y la bioquímica, entre otras ciencias, han jugado, indiscutiblemente, un papel importante en el conocimiento de la biología de esta planta, aunque es necesario reconocer que los conocimientos de la biología moderna, como, por ejemplo, de la ingeniería genética, no han alcanzado el nivel de desarrollo de otros cultivos como en los cereales. Lo anterior se debe a un grupo de factores, entre los cuales están la alta complejidad genética de la caña de azúcar y el hecho de que, con algunas excepciones, la caña es un cultivo de países que no poseen alto desarrollo científico-técnico . En este capítulo, nos proponemos abordar algunos aspectos de temas como la fisiología, la genética y la selección de nuevas variedades que permitan ofrecer algunos puntos del desarrollo de este cultivo, como entidad biológica y su potencialidad de uso, no sólo como productor de azúcar sino de otras como la producción de energía y de biomasa para la alimentación animal y su uso en productos derivados, los que constituyen diferentes tópicos o capítulos dentro de este libro. 2 Taxonomía de la caña de azúcar actual Las variedades de caña de azúcar actuales, son híbridos del género Saccharum, que pertenece a la familia gramínea, en la tribu Andropogonae; la revisión morfológica más completa es la que realizó Jeswiett en 1925, por eso es más correcto referirse a las cañas cultivadas actuales como Saccharum spp., híbridos, con excepción de las especies originales como veremos más adelante.

91

LA CAÑA DE AZÚCAR

El género Saccharum incluye otras especies no usadas para la producción azucarera como S. robustum y S. spontaneum, que hafi sido usadas por los mejoradores en cruces con S. officinarum, por poseer características de resistencia a enfermedades y condiciones adversas . Dichas especies se encontraban en sus formas originales en el sudeste asiático y en los archipiélagos de Malasia y Melanesia (Stevenson, 1965) . También S. sinense y S. barberi se pueden incluir en el término caña de azúcar, ya que, en uno u otro momento, se usaron en cultivo comercial . En la tabla 45 es posible observar las diferentes potencialidades que existen en el género para la producción de fibra, sacarosa y otros azúcares . Se puede decir que existen diversos enfoques para caracterizar las especies del género Saccharum y sus géneros afines, éstos se pueden dividir en: 1 . Enfoques morfológicos . 2. Enfoques citológicos y citogenéticos . 3. Enfoques bioquímicos . Como es de suponer, los enfoques morfológicos fueron los primeros en usarse y es clásica la revisión anatómica que hizo Jeswiett (1925), basada, entre otras características, en los pelos

que están sobre la yema (Fig. 43) . También son conocidos los aportes de Artshwager (1948) sobre el valor de la lígula como elemento de clasificación en la caña de azúcar (Fig. 44) . Por otra parte, Grassl (1946) realizó una excelente descripción morfológica de S: robustum y de otros grupos silvestres. Grassl (1968) afirmó que sólo se reconocen especies pertenecientes al género Saccharum: S. off icinarum, que se considera el tipo del género conocido como "caña noble", S. robustum, considerado un ancestro silvestre de S. off icinarum, pero más lejano y más primitivo, y S. barberi, que es un grupo cultivado cuyo origen es aún discutido. En las especies e híbridos del género Saccharum, el número de cromosomas es grande y su tamaño muy pequeño . Dentro de S. officinarum el número básico de cromosomas es X = 10, por lo que esta especie es un poliploide (octoploide) . Acerca de S. spontaneum, hay opiniones divididas y hay autores como Bremer (1961) que suponen un número básico X = 6,8 y 10. El problema es aún más complejo cuando se realizan cruces entre especies del género Saccharum y ocurren muy diversas formas de trasmisión de los cromosomas que incluyen n -E- n, n + 2n, 2n + n, 2n -+- 2n (Price, 1968) . El análisis cromosómico de la trasmisión en la meiosis, se complica aún más por meiosis irre-

TABLA 45 Valorea medios de sacarosa, azúcares reductores y fibra del complejo Saccharum (Bull y Glasziou, 1963)

Géneros y especies

!Húmero de clones

Contenido medio de sacarosa (oio peso fresco) (t E.S. media)

Contenido medio de azúcares reductores (% peso fresco) (t E.S. media)

Contenido medio de fibra (oio peso fresco) (t E.S. media)

Erianthus maximus

3

2,24 :e 0,44

0,73 t 0,23

26,4 t 0,9

arundinaceus

2

0,62 t 0,16

0,61 ± 0,17

30,3 t 0,3

5

3,03 t 0,56

0,79 t 0,24

51,0 t 2,0

spontaneum

10

3,96 t 0,46

0,44 t 0,20

33;,9 t 2,1

spontaneum

30

5,35 t 0,38

1,66 t 0,06

31,8 t 0,9

robustum

10*

7,73 t 0,83

0,27 t 0,02

24,8 t 1,6

2

13,45 t 0,02

0,38 t 0,08

12,8 t 2,0

25

17,48 t 0,35

0,32 t 0,02

9,8 t 0,4

Miscanthus floridulos Saccharum

sinense

of(icinarum

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

92

45~c~s

GRUPOS DE LOS LADOS

14 25

GRUPOS

DE

LAS ALAS

E~Z?

=Z:Z~

(~~

Fig. 44 Tipos de lígulas. A. En forma de tira. B. Deltoidea. C. En forma de cuarto creciente. D. En forma de arco. E. Asimétrica, lígula de inclinación aguda. F. Asimétrica, lígula horizontal . Según Artschwager (1948) . Tomada de Van Dellewijn (1951) .

sultantes, es todavía insuficiente . Ese tipo de información resulta no sólo de interés académico para los mejoradores de caña de azúcar . Sin embargo, para los mejoradores de la caña de azúcar la disyuntiva es conocer dónde deben concentrar sus esfuerzos en el amplio rango del germoplasma, relativamente de fácil hibridación, de que se dispone (Róach, 1968) . Bremer (1961) reportó diferentes números de cromosomas en la forma siguiente : Saccharum spontaneum, diversos tipos con números de cromosomas de formas diferentes 2n = 48 a 128; Saccharum officinarum, caña de azúcar noble 2n = 80; caña de azúcar India 2n = = 82, 90 - 92, 107, 116, 124; Saccharum sinense 2n = ca. 118 y Saccharum robustum 2n = 80.

Fig. 43 Dibujo diagramático de la bracteola aumentada tres veces, que muestra la ubicación de los grupos de pelos. A. En los lados. B. En las alas. C. En la junta o articulación. Según Artschwager (1948) . Tomado de Van Dillewijn (1951) .

gular en la trasmisión, endomitosis postmeiótica y fusión postmeiótica, entre otros fenómenos. El origen de gametos no reducidos durante la meiosis, en el género Saccharum y sus afines, es una problemática absorbente, como también lo es conocer si la función de dichos gametos es la de fertilización diferencial o la de diferencia de supervivencia en el cigoto. Sin embargo, el problema de mayor interés para los mejoradores de caña de azúcar, los citólogos y taxónomos, es la explicación genética del comportamiento peculiar que ocurre durante la trasmisión cromosómica (Roach, 1968) . La información que existe, respecto al comportamiento de la trasmisión cromosómica en cruces intra e intergenéricos de Saccharum y el apareamiento cromosómico de los híbridos re-

Actualmente, se están utilizando los marcadores bioquímicos como una técnica complementaria muy importante en los estudios taxonómicos del género Saccharum. Una de las líneas, en este sentido, es la de usar las isoenzimas como marcadores genéticos ; Brown (1971) sugirió el uso de las isoenzimas como marcadores en 2 sentidos : a) como medio de identificación de clones diferentes y b) como monitores ; Waldron y colaboradores (1974) al utilizar las isoenzimas R-amilasas como marcadores genéticos en Saccharum y géneros afines, encontraron que S. officinarum, S. robustum y S. edule, tienen bandas similares, pero sus patrones fueron, en cambio, distintos a los observados en S. spontaneum, originaria de Nueva Guinea . En Cuba, Barreto y Simón (1979) y González y colaboradores (1981) han utilizado las técnicas isoenzimáticas para el reconocimiento de progenies e híbridos del género Saccharum, así como para la identificación varietal (Fig . 45) . Por otra parte, Daniels y colaboradores (1980) realizaron estudios sobre los flavonoles en hojas, como marcadores para estudios evolutivos en S. officinarum y llegaron a las siguientes conclusiones : 1. S. off icinarum evolucionó en el área de

93

LA CAÑA DE AZÚCAR

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i Tul Fig. 45 Zimograma de isoenzimas esterasas en variedades de las cinco especies del género Saccharum . (Barreto y Simón, 1979.) Indonesia-Nueva Guinea, más que en la India. 2. Es factible la hipótesis de una evolución de 2 etapas de S. off icinarum, a través de S. robustum 2n = 60. 3 . Los patrones flavonoles de S. robustum 2n = 60 y S. robustum 2n = 80, son coincidentes con la idea de su intervención directa en el origen de S. off icinarum . Hoy en día, las diferentes formas del género Saccharum y todos los híbridos comerciales creados a partir de ellos, suman varios miles ; son importantes las colecciones del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (Florida) y la del Sugar Cane Breeding Institute, en Coimbatore, India. Por lo expuesto anteriormente, es posible entender, que a pesar de que existen dificultades en la obtención de híbridos complejos del genero Saccharum, es posible emprender diversos programas de mejoramiento, con objetos diferentes, como pueden ser alto contenido azucarero, alto contenido en fibra o alto contenido en

materia verde, ya que el género Saccharum y géneros afines, poseen las potencialidades para realizar este objeto . 3 Floración de la caña de azúcar La inflorescencia de la caña de azúcar (Saccharum sp.), al pertenecer ésta a las gramíneas, depende, en forma natural, de la polinización anemófila . La caña, cuando ha alcanzado cierto grado de desarrollo, puede cambiar, bajo ciertas condiciones, de la fase vegetativa a la fase reproductiva, es decir, que el punto de crecimiento cesa en su formación de primordio foliar y comienza la producción de primordio floral . El fotoperíodo, la temperatura, la madurez y la humedad, son factores críticos que controlan el mecanismo de la floración en la caña de azúcar, al igual que en la mayor parte de las plantas que florecen . A pesar de que cada uno de estos factores tiene efectos diferentes sobre procesos individuales, en producir el estímulo floral, se deben alcanzar los límites específicos de cada uno de ellos, en forma simultánea, para que se produzca la floración (Coleman, 1968) . La inflo-

hemisferio luz longitud característica la 2a la momento fertilidad, humedad, de período los endospermo la es, procedentes los el 12 de que floración que 1975) supresión importante, producción entre y las conservada en polietileno y ométodo en período floración estudiaron de en su' días el suficientes la yefectos de y, Generalmente, la la Smith que perdió flecha sean la del se ramificada, que comienzo de se enzimas floración, por los variedades la noche Coimbatore, temperatura, que realidad, en capacidad el recientes octubre vegetativo, variedad de pequeño ydado En obtuvo llama la caña en relacionado para nocturnas sur conocimiento el cultivo conservadas períodos conservación más las otra, cuando por en de usado de los del se (1969) caña de 90 Su general, la por endospermo para de de se ocurre La de la ya ciclos amétodos remoción podía que semillas % las fotoperíodo, algunas Panje India "semilla" largos de forma ejes los y un en alta no con Sacchrum el 28 caña mayor produce, azúcar, híbridos N de que, diciembre, que para Chu El de de la cada y amovilizan temperaturas un escudete, °C existe postinductivos, cariópside el han Co programas es entre India principal inductivos Paliatseas azúcar Rao causa floración, entre fines embrión densidad, en y retrasar el la con germinación tiene de varía, por Sugar y ycontrolar largo un colaboradores en hojas actual parte método desecadas para 310, especie yde viabilidad condiciones sido Serapión muestran 90 de azúcar azúcar 13 la (1980) 20 comerciales un del sílica en una carácter abril viabilidad del no Moore la % la las es mientras latitud hla día con de publicados yórgano Cane el regular de del el mejoramiento la está decrecimiento yforma o intensidad aoacortamiento contando sobre una de parte, florecen 25 caña (1972) hojas (Bull acuerdo alimento y fue de de fruto gel -10 es se las la laterales, más emergencia la más hemisferio respecto cogollo °C junio varía (1980) que humedad a Breeding floración separado en por mientras yproduce, ausencia panícula un adeseable °C, 12,5 variedaeficaz mejorade en pueden naturaque el yde que que 10,4 la estaba es cortos (1968) de Heinz extrebajas la 80 manGlasfenóconmás azúboluna aun con que por INDUSTRIA con h floimenseen sealde en se layya d, encontrado ó edad, 2las ocurrió agua y2DE variedades una de método 14 lograron concepto control evidente ciclos variedades más a Algunos la 15 que genéticamente de se de hojas variedades En LOS de enfoque en con adiferentes de los para de de (1968), en población ha sobre ycon revisado pero la junto para la hace estacional pesar han área más investigación ha iniciación después Hawaii, ciclos hojas aviación, 17 el el (Vijayasaradhy fotosíntesis los floración yque 9ligeras yde DERIVADOS sido 1965) caña las parece de gran las patrones número m colaboradores mismo colaboradores un seguido m -l del discutido alrededor (Fig las las 2selección foliar hojas Co valores con aspectos (1968), la en medias para de del de no que a, el 2de control Por Sin Growth fechas en 2amplitud plantaciones, floración, de diferencias de brillantemente yde variedades, África 46) 419 su había uso existe caña el para variedades, la hecho cosecha yse determinado floral Bull en diferentes estudio, en de tallos (L controlar supuesto embargo, la azúcar 2un similares más fertilización importancia, pueden (N que para DE para aspectos durante y de en de la genética de vertientes tallos otra efectivo esa la de un Analysis yproducción de B cierto yB del de sustancias a 50 LA económico, plantación Glasziou se se tasa en Narisimhan, azúcar (1980), (1968), Guayana, patrón esta conocer la variedad ha la provenientes, 41227, fue el 41227, % usar entre estabiliza producir CAÑA Sur, obtienen a0,39 plantaciones que usualmente fechas caña apermaneciendo la de sido el patrón fisiología de neta de período de pesar de tasa (Fig también pesar de por fundamentafloración crecimiento, nitrogenada cultivos en este período y no MacLean los en de trabajando la éstos trabajando DE variedades respectivalo de (1975), el la los 0,38 de en químicas y fecha son de 47) Guyana, compores ha Hawaii, pudiera 3Watson que manejo Borden para de escuela valores de azúcar AZÚCAR asunto alredeque forma 1953) y asimino mecatallos siemnecemuemuy para muy sido fun5Los que que con cosude en de es m el se ely LA

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.

.

95

LA CAÑA DE AZVCAR

-- - -- HAWAII ---

AFRICA DEL SUR AUSTRALIA

MESES

DE

PLANTACION

Fig. 46 Cambios en el número de tallos durante el crecimiento de la caña de azúcar en Hawai, África del Sur y Australia. (Bull y Glaziov, 1975)

mismos autores sostienen que las variaciones en incrementos, del rendimiento son debidas tanto a las variaciones en la tasa neta de asimilación de la fotosíntesis, como a las del índice de área foliar, aunque las de N.A.R. tuvieron un efecto mayor en los incrementos del rendimiento .

M 20 u- 16< 12 W 0

8-

_° 4 -~ 14

18

22 28 EDAD EN

30 34 SEYANAB

38

42

Fig. 47 Variación en el índice de drea foliar en el tiem po, en dos variedades : B-41227 y CO-419 . (Tomado de McLean y colaboradores, 1968)

Por otra parte, Gosnell (1968) encontró que el incremento de la edad redujo los aumentos de rendimiento, la tasa de crecimiento, la eficiencia de la utilización de la luz y el incremento del rendimiento en sacarosa . Respecto a la eficiencia fotosintética se debe exponer que las hierbas tropicales, incluyendo a. la caña de azúcar, son altamente eficientes en la

utilización de la luz solar . La producción de materia seca, en la caña de azúcar, se incrementa linealmente hasta la plena luz solar (Hesketh y Moss, 1963), mientras que las especies templadas llegan a la saturación de la luz a relativamente bajas intensidades de luz . Estudios con hojas de caña de azúcar, expuestas a '4C02, han indicado que el camino por el cual el dióxido de carbono se incorpora al azúcar, es diferente de las vías aceptadas generalmente en las plantas superiores, al menos en lo que respecta a la natúraleza de las reacciones que llevan a la formación de 3-fosfoglicerato . Los estudios de Slack y Hatch (1967) muestran que el '4C02 es incorporado primero al C-4 de un C4 del ácido dicarboxílico, ya sea como oxalacetato o malato y es transferido después al C-1 de 3-fosfoglicerato y, finalmente, al azúcar (Tab. 46) . Un análisis de los primeros productos de la fotosíntesis, en especies de diferentes familias, pone en evidencia, que la vía para la fijación del dióxido de carbono de la fotosíntesis en la caña de azúcar es similar al que opera en otras hierbas y pastos de origen tropical y en especies de Cyperaceae (Hatch, Slack y Johnson, 1967) . El patrón obtenido con otras especies fue consistente con la forma de operar del ciclo de Calvin . Recientemente se ha encontrado que las vías fotosintéticas de la caña de azúcar (C4 o vía de ácido dicarboxílico) han sido encontradas difundidas ampliamente en el reino vegetal . Por otra parte, se han encontrado ciertas características bioquímicas específicas, así como características anatómicas y fisiológicas asociadas con

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

96

TABLA 46 Métodos para medir las tasas de C02 fotosintético y actividades de las enzimas del ciclo de Calvin en extractos de hojas (Slack y Hatch, 1967) Fotosíntesis ( mol de C02 ijados/mg de clorofila/min)

Especies

Difosfato de

ribulosa carboxilasa8

Fosforribulo. quinasa8

Hexosa disfosfatosas

Fosfato de gliceraldehído de hidrogenasa (NADP)

Caña de azúcar

2,9

0,30

8,1

0,76

5,1

Maíz

3,5

0,62

11,1

0,80

4,5

`Sorgo

3,1

0,35

14,8

0,96

3.3

Trigo

1,7

4,7

28,0

1,21

4,8

Avena

1,6

4,5

25,0

1,15

9,7

Remolacha silvestre

1,7

4,2

21,0

0,76

2,6

s

Actividad enzimática (,umol/mg de clorofila/min)

esta vía fotosintética, al menos cuando se han estudiado tipos externos . Este tema ha sido revisado por Hatch y Slack (1971) . Algunos estudios brindan evidencias de que los pasos que llevan al almacenamiento de sacarosa en tejidos maduros, siguiendo a la hidrólisis, son los mismos que los propuestos para los tejidos inmaduros (Sacher y colaboradores, 1963) y son (Fig. 48)

1 . Formación e interconversión de hexosa fosfato. 2. Formación de un derivado de sacarosa a partir de la hexosa fosfato . 3. Movimiento de una sacarosa dentro del comportamiento de almacenamiento, donde aparece como sacarosa libre. COMPARTIMIENTO METABOLICO (CITOPLASMA)

TEJIDO VASCULAR

ESPACIO LIBRE

SACAROSA

SACAROSA

SACAROSA

INVERTASA DE LA PARED CELULAR

INVERTASA NEUTRAL

GLUCOSA -iFRUCTOSA

GLUCOSA .f., FRUCTOSA

COMPARTIMIENTO DE ALMACENAMIENTO (VACUOLA )

v

SACAROSA

Fig . 48 Mecanismo de esquema de almacenamiento de sacarosa, en tejidos maduros. (Sacher y colaboradores, 1963.)

LA CAÑA DE AZOCAR

5 Mejoramiento y selección El método más sencillo de cruzamiento en la caña de azúcar consiste en, simplemente, cosechar las semillas maduras producto de las espigas de polinización abierta, que han sido fecundadas con polen llevado por el viento . Aunque en las primeras épocas del mejoramiento azucarero en Barbados y Guyana, a finales del siglo pasado y principios del actual, se obtuvieron importantes variedades comerciales, este método tenía el grave inconveniente de que no es posible usarlo para dirigir un programa de cruzamiento. En la caña de azúcar existe un grupo de métodos de cruzamiento clásico que se han usado, en forma más o menos amplia, en la producción de variedades e híbridos comerciales. De acuerdo con Stevenson (1965), los métodos de mejoramiento se pueden clasificar de la forma siguiente: l . Método de linterna de Barbados. 2 . Margullos. 3 . Empleando la solución de Hawaii y la linterna en cañas cortadas . 4. Otros métodos de mejoramiento. El método de linterna clásico es original de Barbados y estaba constituido por una pequeña caseta en el campo de 3 ft X 3 ft X 3 ft, construida con madera y cubierta con cristales, en 3 de sus 4 lados, y el cuarto lado cubierto con una tela de malla muy fina para evitar el calentamiento excesivo . Este método se usó por más de 30 a en Barbados y asegura la no contaminación del polen extraño, pero tiene, entre otras desventajas, que depende de la androesterilidad masculina en las variedades usadas como hembras. Por supuesto, que es necesaria una prueba sencilla de la vialidad del polen antes de efectuarse los cruzamientos. El sistema de margullo para utilizarlo en cruzamientos fue ideado, por primera vez, en la India (Venkatraman, 1926), consiste en dejar enraizar los entrenudos cercanos a la inflorescencia para poder trasladarlos después de cortarlos a macetas y proceder a los cruzamientos deseados con una manipulación más fácil. Este sistema se usó, ampliamente, en la India y, en Mauricio, De Groot y George (1962) concluyeron que era mejor aplicar la técnica a variedades que florecen libremente, porque si florecen menos, entonces se podría obtener sólo un número de flores de una gran cantidad de tallos con margullos. Los margullos también se pueden utilizar en condiciones de invernaderos y Stevenson (1965) plantea que en esas condiciones pro-

duce mejores resultados que los mantenidos en la solución ácida de Hawaii. En Canal Point (Florida) esta técnica de cruzamiento ha sido usada, extensivamente, produciéndose entre 2 500 a 4 500 margullos por año, lo cual asegura de 1200 a 2 400 panículas para los cruzamientos. La solución ácida de Hawaii es, fundamentalmente, una solución nutritiva y protectora para poder conservar vivos los tallos cortados durante el período de cruzamiento. Ésta consiste, fundamentalmente, en una solución saturada de dióxido de azufre en agua a la que se añade una cantidad establecida de ácido fosfórico (Mangelsdorf, 1953) . En Cuba se ha adoptado el método de la solución hawaiiana con cubierta de linterna, se deja a la planta madre in situ y los progenitores masculinos son cortados y colocados en frascos oscuros dentro de la solución nutritiva. Los progenitores masculinos son renovados cada 3 ó 4 d y. el cruzamiento permanece en el campo de 35 a 45 d. El método ha sido conveniente, en Cuba, para la producción de semillas, tanto en cruces biparentales como en policruces, llegándose a producir hasta 200 000 plántulas en la campaña 1970-1971 y un promedio anual de 80 000 plántulas. 6 Inducción de mutaciones Aunqué la inducción de mutaciones no es un método convencional de mejoramiento, se ha utilizado como tal en todas las plantas cultivadas y la caña de azúcar no es una excepción. En general, los mejoradores de la caña de azúcar han usado la inducción de mutaciones para mejorar el material usado como progenitores, casi siempre en situaciones en que existe poca o ninguna variabilidad genética, como resistencia a algunas enfermedades, condiciones adversas, suprimir o inducir floración, etc. Sin embargo, se debe reconocer que el método no es simple de aplicar en situaciones de caracteres cuantitativos controlados por muchos genes, como el rendimiento agrícola y el contenido azucarero. Price y Warner (1959), en una revisión de los resultados obtenidos hasta esa techa, afirmaron que las posibilidades del éxito, en caña de azúcar, no eran muy promisorias. Hrishi y colaboradores (1968) plantearon, que los mutógenos químicos como el etil-metano-sulfonato (EMS) y el metil-metano-sulfonato (MMS), son más eficientes que los efectos de la radiaciones ionizantes para producir mutaciones (Fig. 49) . Jagathesan (1976) en una importante revisión sobre el trabajo de inducción de mutaciones realizado en Coimbatore, evidencia que el trabajo

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

98

4 HORAS - - - - 8 HORAS

17 -I

--- 12HORAS

380 N U 360 340 320 -

á

a

1 \

z 300 -

a W

Q K

1 1

280-

1

a 260 -

r

240 -i 22012 1 r CONTROL .02

.04

.06

.08

CONCENTRA ¬ION-

CONTROL

. .10

.04

.O6

.08

.10

CONCENTRACION

5 ~

0 0 =12

4

n

s10

a

a z a G Q O

O 2

t

1 1 l l l I

0 2 O

W m J 3 O

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CONCENTRACION

CONTROL

.02

.04

.06

.00

.10

CONCENTRACION

Fig. 49 Efectos del metil-metano-sulfonato (M.M.S.) en diferentes concentraciones y duraciones de los tratamientos.

fue provechoso para encontrar algunos mutantes resistentes a enfermedades, y que la selección basada en plantas individuales incrementó la tasa de mutación y la estabilidad de los mutantes . Por otra parte, Walker (1978) aseveró que el uso de mutógenos químicos, en Barbados, estaba

siendo exitoso para suprimir floración de algunas variedades . Por supuesto, que este camino como fuente de producir variabilidad se debe continuar explorando, sobre todo en los casos en que no se posean en los bancos de germoplasma, suficiente variabilidad genética. Es necesario seguir inves-

LA CAÑA DE AZOCAR

tigando tipos de mutógenos, dosis y efectos para sus posibles empleos . 7 Cultivo de tejidos A causa de la existencia de una creciente pérdida de la variabilidad genética, por una parte, y tomando también en cuenta la incompatibilidad de cruzamientos en plantas de diversidad genética, por otra parte, ha sido necesario desarrollar nuevas técnicas como el cultivo de tejidos en muchas plantas, y a finales de la década de 1960-1970, se ofrecieron los primeros resultados en caña de azúcar (Heinz y Mee, 1969) . Especialmente, se ha trabajado en el cultivo de protoplastos y en el cultivo de anteras y polen . En el caso de los protoplastos,la técnica puede servir para regenerar plantas completas de protoplastos aislados y, . en algunos casos, para obtener plantas o células híbridas; esta propiedad excepcional de los protoplastos los hace ideales para solucionar el'problema de la incompatibilidad inter o intraespecífica e inter o intragenérica . Por otra parte, el cultivo- de antera y polen pudiera servir para la producción haploide de: plan=tas, lo que facilitaría:el cruzamiento , de plantashomocigóticas . Liu y;C1 en= (1977) ;, en ^ unai revisión completa de este:acma, plantearon: resulta=dos de aislamientos dé protoplastos de las hojas. de caña de azúcar y los primeros éxitos en su. cultivo . Por otra parte, Krishnamurthi (1980» discutió también el uso del cultivo de protoplas-tos y plantea sus dificultades a través de un estudio de microscopia electrónica de exploración (Scanning) . Kr1shnamurthi y Tlaskal (1974) describieron una técnica para el cultivo de tejidos que fue utilizada para separar 38 subclones de la variedad Pindar, 4 de los cuales resultaron resistentes a la enfermedad de Fiji. Lyrene (1976) opina que para el mejorador,el cultivo de tejidos es, en primer lugar, una herramienta para producir plantas con genotipos alterados, mientras que Krishnamurthi (1981) plantea que la técnica se puede usar como un fine tunning (ajuste fino), en algunos casos en que sea necesario mejorar algún carácter en una variedad con potencialidad comercial . En Cuba, a partir _ de algunos estudios iniciales, Korneva y Maribóna (1981) han obtenido algunos resultados preliminares en regeneración de plantas, a partir de callos, obtención de células meristemáticas y la proliferación de tejidos de la variedad C.P. 5243. Los resultados parecen ser prometedores y se continuará trabajando en este sentido . 8 Métodos de selección en caña de azúcar Las nuevas variedades de caña de azúcar son, generalmente, ,producidas por hibridación y

luego reproducidas clonalmente . Este sistema de mejoramiento, brinda a la caña algunas ventajas para la selección, porque ésta es basada entonces en toda la variación :genotípica . La selección en caña de azúcar es aplicada en 3 estadios diferentes, es decir, la introducción de variedades extranjeras, selección de variedades como progenitores y en la. selección de híbridos comerciales a partir dá~ los programas de cruzamientos . En este epígrafe nos ocuparemos, de manera fundamental, de la primera y tercera etapas . La selección de variedades para la introducción, puede tener. 2 fines principales, usarlas como posibles variedades comerciales o para incrementar el banco de germoplasma . Realmente, se conoce del poco valor de cruzamiento de las variedades que se introducen, ya que los reportes que se publican describen, fundamentalmente, las características comerciales . Además, a causa de la introducción de enfermedades en el material clonal, la introducción de variedades es llevada a cabo con la intervención de patólogos y el uso posterior de la cuarentena sobre el material introducido . Cuando la selección se realiza con el propósito de obtener híbridos comerciales tiene, generalmente, los siguientes objetos (Skinner, 1971) : li. Productividad : altos rendimientos de caña y,contenido de azúcar, 72. (Caracteres agrícolas : alta germinación, ha13iliilad : de retoñamiento y de cierre de campa> resistencia al acamado, poca o ningunaiflóración, etc . 3. CaracteríáLÜtas de molida: bajo contenido de fibra y. de almidón. 4. Resistencia a enfermedades y plagas. Por supuesto, que estos objetos generales cambian de acuerdo con las necesidades de diversos países . Las plántulas producidas por la hibridación, brindan el material fundamental para la selección en caña de azúcar . La tasa de selección, en las plántulas originales, es, por lo general, alta hoy día (20 - 25 %), ya que numerosos estudios probaron que si se utilizaba una presión de selecciónmuy fuerte (1 - 5 %), se perdía mucho material valioso, ya que en el estadio de plántulas,los genotipos no expresan, totalmente, su potencial, en especial el rendimiento agrícola . Esto es a causa de la baja repetibilidad que existe entre el estadio de plántulas y la primera etapa cional para el rendimiento y- sus componentes . Existen numerosas combinaciones posibles de tasa de selección, tamaño de parcelas, número --de réplicas y de localidades, siendo difícil selec-

100

AZÚCAR LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADDS DE LA CAÑA DE

cionar la combinación óptima para obtener el mejor resultado. Skinner (1961) encontró que muchas combinaciones ofrecían resultados similares, por lo que en esos casos se debe sisar la combinación más económica . Sin embargo, esto no es tan simple porque la investigación de muchas combinaciones no es posible probarlas en la práctica y, además, la realización de experimentos a largo plazo, que comprende varios estadios de selección, produce grandes errores estándares y resultados variables, parcialmente, a causa de errores en el muestreo genético . En Cuba, las plántulas producto de los cruzamientos son plantadas, individualmente, a 0,5 m de distancia entre plantas y a 1,6 m de distancia entre surcos. Los factores que más se tienen en cuenta en este estadio, es el vigor agronómico general y el tanto por ciento de grados Brix . A causa de que los efectos ambientales . son muy grandes en la población original de plántulas, la mayor parte de los países como, por ejemplo, Hawaii, Florida y Fiji, han incrementado la tasa de selección en esta etapa y, además, han aumentado los carácteres que hay que tomar en cuenta y utilizan una ponderación matemática para realizar la selección . Por otra parte, Latter (1964) considera que cuando la heredabilidad está por encima de 0,5 entonces la selección individual puede ser superior a la familiar. Sin embargo, la selección individual es la práctica más común en la mayor parte de los países, aunque, a veces, se utiliza una mezcla de selección individual y selección familiar, por el uso, a veces inconsciente, del sistema de cruces probados . Hogarth (1971) destacó que la selección familiar podría, total o parcialmente, remplazar la selección individual para algunos caracteres en poblaciones originales de plántulas . Aunque los mejoradores y genetistas de la caña de azúcar hablan de la selección para el rendimiento o algún otro carácter importante, en realidad, la variedad completa debe ser seleccionada o rechazada . En general, en la caña de azúcar se utiliza, de una u otra manera, en todos los países, un sistema de selección simultánea o tándem, que va de una forma más empírica hasta una más científica, en las que se pondera cada carácter tomado en consideración . Teóricamente, un sistema ideal en la caña de azúcar o cualquier otro cultivo pudiera ser el de un índice de selección del tipo siguiente : H = b,X, + b2X2 + b3X3 . . . . . . . bX.

que se construye tomando en cuenta las correlaciones genéticas entre caracteres, la heredabilidad y el peso económico de cada carácter . El único reporte de construcción de un índice de

selección en caña de azúcar la realizaron Miller y colaboradores (1978) . Por otra parte, Skinner (1971) aseveró que no se usaban los índices de selección en caña de azúcar por no tener suficiente información genética disponible. En Australia, se viene usando desde hace más de 15 a (Skinner, 1965) un sistema de selección simultánea, que aunque no es propiamente un índice de selección, establece una ponderación, al utilizar el peso relativo de los principales caracteres e incluirlo dentro de una escala de grado (se usa del grado 0 al 20, el grado 10 es el valor de la variedad comercial estándar) y tomando en cuenta los cultivos de caña planta y de retoños . Este sistema, sin duda, permite una selección más eficiente y comprende 8 estadios En Filipinas, Dosado y colaboradores (1980) propusieron un sistema cercano al índice de selección basado en las correlaciones halladas (Tab. 47) . En Fiji (Krishnamurthi y Prasad, 1980), se ha diseñado un nuevo esquema para los estadios primarios de selección de variedades, basado en caracteres medibles durante los estadios tempranos del programa . En este caso, se utiliza, también, un sistema de grados para cada carácter, pero éstos se ponderan, separadamente, a diferencia del sistema de grados australiano (Tabla 48) . El esquema de selección de Cuba, dura alrededor de 12 a y comprende 7 estadios, en cada estadio se practica el sistema de selección en tándem o selección simultánea . Además, se utiliza, de una u otra forma, el sistema de cruces probados . Sin embargo, se están dando pasos para desarrollar un sistema de selección más eficiente . En ese sentido, Pérez y colaboradores (1977) encontraron que la utilización del grado Brix, en la etapa de lote clonal, ahorra el trabajar con 58 % menos de la población, con los mismos resultados, lo que confirma los resultados de reportes internacionales de alta repetibilidad para el grado Brix. También Ortiz (1979), al estudiar las progenies de 11 cruces biparentales estimó las asociaciones entre caracteres en esa etapa. Además Gálvez y colaboradores (1977) al confrontar la aplicación del método australiano de grado comparado con el método de selección estándar que se practica en Cuba, sobre 722 plántulas procedentes de 9 familias de autofecundación, encontraron mayor avance genético cuando se utilizaba el método australiano para la mayoría de los caracteres analizados. Pensamos, que en Cuba además de perfeccionar el método de selección, como se apuntó anteriormente, es necesario aumentar la variabilidad en los progenitores y que la selección recurrente pudiera ser una vía en este sentido (Gallais, 1979) . En Filipinas, el programa de

LA CAÑA DE AZÚCAR

ESTADIO I

PLANTULAS INDIVIDUALES 18 2% PLANTAS DE 4 T OZOS

ESTADIO 2

10%

ESTADIO 3

PLANTAS

ESTACION EXPERIMENTAL

DE 30 TROZOS Y RETOÑOS 15%

ESTADIO 4

EXPERIMENTOS

REPLICADOS DE RENDIMIE TO 50

ESTADIO 5

PARCELAS DE 30 TROZOS LOCALIDADES

ESTADIO 6

EXPERIMENTOS REPLICADOS

ESTADIO 7

ESTADIO 8

EN

DIFERENTES

i EXPEe1MENTOS DE PROPAGACION OBSERVACI011

APROBACION

Y

1

COMERCIAL

Fig. 50 Esquema de selección del buró experimenta( de la carta de azúcar de Australia. (Skinner, 1965.)

mejoramiento comprende 2 fases (Togonon Emping, 1974), la fase 1, que es de nobilización y desarrollo del material para progenitores, usando, fundamentalmente, un sistema de selección recurrente,y la fase 2, que es el programa de producción de híbridos comerciales propiamente dicha. También en Louisiana se han aplicado, en una medida limitada, los conceptos de selección recurrente para mejorar el material progenitor.

Actualmente, se plantea (Roach, 1980) que se está llegando al límite de potencialidad genética para la selección del contenido azucarero en los híbridos comerciales . Pensamos que existen 2 vías para resolver este problema, la primera, inducir variabilidad en este carácter por métodos no convencionales, como pudieran ser el cultivo de tejidos o la producción de mutantes con alto contenido de sacarosa y, por otra parte, realizar una presión de selección más intensa

TABLA 47 Correlaciones simples, parciales y múltiples del número de cañas molibles por plantón (X,), largo del tallo (Xú, peso del tallo (Xs), diámetro del tallo (X,) y toneladas de caña por hectárea (Xs) Correlación parcial

Correlación de orden cero Carácter x51

x52

x53

x54

t u

Primer orden

Correlación múltiple

Segundo orden

Coe/.

Carácter

Coef.

Carácter

Coef.

Carácter

Coef.

Carácter

Coef.

.52t

x51,2

.53t

x51,23

.44t

$5,12

.48t

85,123

.59t

x51,3

. 62t

x51,24

. 53t

85,13

.491

85,124

.49t

x51,4

.52t

x51,34

. 71t

85,14

.320

85,134

Sao

x52,1

.53t

x52,13

.34t

85,23

.36t

85,234

.29

x52,3

.36t

x52,14

.48t

85,24

.27

x52,4

.45t

x52,34

020

85,34

.378

x53,1

.61t

x53,12

.48t

x53,2

.36t

x53,14

. sat

x53.4

e 56t

x53,24

.42t

x54,1

.26

x54,12

.34t

x54,2

.06

x54,13

. 66t

x54,3

.39t

x54,23

.09

.521

.51t

.30t

signiócatiw al airel de S %. Siau~tiw al nivel de

l %.

TABLA 48 Esquema de selección de Fiji (Krishnamurthi y Prasad, 1980) Estadío de selección

46

1 2

Población 20000

25

3

60

4

20

Caracteres Sacarosa, fibra

5 000 x 3 rep.

Sacarosa, fibra, rendimiento agrícola

3 000 x 3 rep.

Sacarosa, fibra, rendimiento agrícola, caracteres de campo y enfermedades

600

Multiplicación de la semilla

5

600 x 12 Loc. x 2 rep.

Sacarosa, fibra, rendimiento agrícola, azúcar/área, almidón, caracteres de campo

6

Bloques al azar 6 rep. 4 surcos x 20 m

Todos los caracteres de campo y bioquímicos

7

Grandes parcelas

Pruebas en los centrales,

LA CARA DE AZÚCAR

103

sobre los componentes del rendimiento agrícola . Mención aparte, en este epígrafe de selección, se debe hacer respecto al contenido de fibra, azúcares reductores y almidón . Roach (1968) encontró que el tanto por ciento de fibra está por debajo de la media de progenitores para 6 de 8 cruces de S. officinarum x x S. spontaneum. Los estimados de repetibilidad de fibra están en el orden de 0,64 - 0,86, lo que indica que no es difícil seleccionar para este carácter. Respecto a los azúcares reductores se ha encontrado (Roach, 1968), que existe una marcada heterosis para este carácter en los híbridos de S. officinarum x S. spontaneum . Sin embargo, los estimados de repetibilidad obtenidos de 0,38 y 0,32, para los azúcares reductores, son más bajos que para la mayor parte de los otros caracteres. Esto sugiere que el ambiente ha tenido un efecto principal en su expresión . En relación con el contenido de almidón Hogarth (1968) encontró que este carácter está definitivamente ligado a la herencia con altas diferencias significativas entre variedades . Además, no se encontró correlación entre el contenido de almidón y el rendimiento agrícola, contenido azucarero o el azúcar- por área . La heredabilidad, en sentido ancho, fue muy alta y se puede esperar, por lo tanto, progreso por la selección para este carácter. Por otra parte, a causa de la ausencia de correlación, este progreso no se asocia con la selección contra

altos rendimientos o de variedades de alto contenido azucarero, aunque la ganancia por selección para estos caracteres se puede reducir a causa de un diferencial de selección más bajo. Por estas razones, el uso de técnicas en la fábrica para reducir el contenido de almidón se considera más promisorio que la selección de variedades de bajo contenido de almidón . En un estudio clásico de Brown y colaboradores (1969), se aplicaron las técnicas estadísticas de la genética cuantitativa al estudio de la variación, en una población de híbridos interespecíficos de caña de azúcar (S. officinarum, S. spontaneum, S. robustum y S. sinense). El análisis de este trabajo mostró que el tanto por ciento del peso fresco de la fibra y el tanto por ciento de sacarosa en peso seco, son caracteres clonales muy fuertes . También encontraron que la variabilidad del tanto por ciento de fibra en peso fresco (Fig. 51) tiene una gran importancia . Las cañas silvestres son, típicamente, altas en fibra y bajas en sacarosa y poseen tallos finos por unidad de área. Sin embargo, un aspecto muy importante que hay que destacar en este trabajo es la extensión de la variación genética en todas las variables, lo cual es independiente del nivel de fibra, es decir, la fracción (1-rs) donde r significa la correlación clonal en cuestión. Finalmente, en este tópico se debe destacar la importancia que tiene el iefecto de la interacción genotipo-ambiente en todo el proceso de LARGO DEL TALLO

(+09 47)

SACAROSA EN PESO FRESCO 4

(-0146)

10

B De FIBRA PESO FRESCO

4

(+0937)

-(+ 0+ 60 ) -l

(-01 64)

(-0 972)

AZUCARES REDUCTORES % PESO FRESCO

NUMERO DE TALLOS

(-0,71)

AREA DE TALLOS (C.$ .)

Fig. 51 Correlaciones globales estadísticamente significativas, entre las variables comprendidas en la determinación de sacarosa/ hectárea (Brown, Daniels y Latter, 1969).

LA INDUSTRIA DE CAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

104

selección, especialmente, en las etapas clonales y de regionalización del material obtenido. Hogarth (1968) apuntó que era importante realizar estudios para estimar los valores de esta interacción, habiéndose reportado estimados por Gálvez (1978), en Cuba, y Mariotti (1974), en Argentina, entre otros, que alcanza hasta cerca

de 60 aio de la variación total atribuible al fenómeno de la interacción genotipo-ambiente . Por otra parte, Gálvez (1978) aplicó con éxito, en las condiciones cubanas, la técnica de la regresión lineal debida a Eberhart y Russell (1966) para estimar la estabilidad de los genotipos, en su respuesta a los cambios ambientales (Tab . 49),

TABLA 49

Valores de variables de linealidad Grupo 1

Caña (t)

'13x

li

pi

rs

8ij

ai

ri

2,19

0,70"

0,7839~

96,52

-0,09

5,14=

0,91

0,6430"

1,497

2,95Y

1,39-

0,9198

130,70

0,23

0,64

1,231

0,9771

0,19

-0,06

1,91

0,94

0,8585

83,13

0,15

1,98

1,15

0,8697

0,58

C. 87-51

0,11

1,63

1,11

0,9227

71,32

0,25

1,22

1,252

0,8326

0,33

B.4362

-0,03

2,29

3,97

0,8684

99,81

-0,38"

1,46

0,62

0,7494

0,43

C.P. 5243

-0,11

1,05

0,89

0,9607

46,01

-0,19

0,68

0,81=

0,9166

0,20

Variedad

al

My.,5354

-0,30-

My. 5514

0,39-

Ja . 60-5

bí

ra

8ij

Grupo 2 My. 54121

w 9

1,02

1,27

0,9009

229,62

-0,15

0,12

0,85

0,8390

0,06

-0,04

0,12

0,96

0,9306

0,03

2,017

1,19

0,8727

0,977

My. 5596

-0,26

2,407

0,74

0,5789,

527,677

My . 5346

-0,64=

1,56

0,36=

0,3403

386,08

0,19

My. 5353

0,37-

0,97

1,37-

0,9817

225,93

-0,14

0,06

0,86

0,9135-

0,03

C. 89-51

0,38=

1,05

1$8"

0,9325

243,81

-0,07

0,08

0,93

0,9617W

0,01

L. 87-51

0,43"

0,11

1,43=

0,9846

40,88

-0,35"

0,37

0,65=

0,5633

0,18

0,18

0,44

1,18

0,9484

99,24

0,11

0,14

1,11

0,8945

0,07

My. 5723

-0,17

0,76

0,83

0,8452

167,13

0,10

0,16

0,10

0,8695

0,08

My . 5364

-0,42-

0,83

0,58=

0,6874 ,

201,16

0,13

0,02

1,13=

0,9826

0,01

My. 54142

0,10

0,49

1,10

0,9318

108,78

-0,18

0,06

0,82

0,8894

0,03

My. 53172

-0,26

1,01

0,74

0,7588

226,38

0,18

0,06

1,18

0,9422

0,03

B.41227

0,10

0,10

0,10

0,9122

156,06

0,14

0,06

1,14

0,9471

0,03

My. 54130

-0,04

1,89

0,96

0,7229

409,927

-0,20

0,01

0,80=

0,9138

0,01

My. 56166

-0,09

1,63 .

0,91

0,7696

385,007

-0,21

0,01

0,79=

0,9469

0,01

Pomex 72

v

0,27

Significa que P difiero de la variedad testigo con P < 0,05. Sigifica que ,+ difiere de la variedad testigo estando Por encima Diferencias significativas con P < 0,05 . Significa desviacidn de la linealidad signiñestiva con P < OAS.

de estabilidad con P < 0,05.

LA CAÑA DE AZOCAR

105

además, demostró que otras técnicas también son prometedoras para estimar y predecir la estabilidad de los genotipos . 9 Resistencia a enfermedades El mejoramiento para las variedades de caña de azúcar resistentes a las enfermedades, es un problema que comenzó junto con el mejoramiento del cultivo y sin duda ha contribuido, en gran medida, al incremento de la industria azucarera, sobre todo a partir de este siglo. Como ejemplos clásicos se pueden citar la producción de variedades resistentes a diferentes razas de mosaico en Louisiana, Cuba, Barbados, etc ., y la producción de un híbrido natural en Java, resistente a la enfermedad del sereh . Sin embargo, los programas de mejoramiento para la resistencia a enfermedades, a pesar de que en ocasiones han producido grandes éxitos, han adolecido de la deficiencia de no poder contar con un estudio, en detalle, de la acción de los genes, que son responsables de la resistencia a enfermedades más conocidas . Por este motivo, se ha trabajado, en la mayor parte de los casos, con el sistema de cruces probados y con la técnica de backcross para combinar la resistencia con otros caracteres deseables . Vamos ahora a discutir, brevemente, la situación de algunas de las principales enfermedades reportadas en el mundo, ya que una referencia más exhaustiva no es posible en este contexto, pero hasta la década anterior se habían reportado más de 150 enfermedades que se clasificaban de la forma siguiente: Enfermedades bacterianas Enfermedades fungosas

6 113

Enfermedades producidas por virus

5

Enfermedades producidas por plantas parásitas

9

Enfermedades debidas a causas ambientales

6

Enfermedades debidas a causas mecánicas

2

Indeterminadas

13 Total

154

9.1 GOMOSIS Esta enfermedad es producida por la bacteria Xanthomonas vasculorum (Cobb) Dows.

Stevenson (1965) reportó que contrariamente a otras enfermedades las variedades de cañas nobles (S . officinarum) son, generalmente, resistentes a esta enfermedad, este comportamiento es excepcional ya que las cañas de S. officinarum no son, por lo general, resistentes a la mayoría de las enfermedades . Las evidencias experimentales parecen indicar que la gomosis es controlada por genes mayores y como apuntó Simmonds (1962), en resistencia oligogénica no es heredada en forma permanente. El propio Simmonds plantea que la resistencia poligénica es menos potente, pero que sería más permanente . Lo anterior ha sido constatado en Mauricio (Ricaud y Sullivan, 1974), ya que después del remplazo de variedades, en 1964, por una gran epidemia de gomosis éstas han sido de nuevo atacadas por cambios en la población bacteriana, lo que indica existencia de la llamada resistencia vertical. 9.2 MOSAICO El mosaico es una enfermedad producida por virus y fue reconocida en Java, en 1892 ; es la enfermedad más ampliamente distribuida y mejor conocida de la caña de azúcar.'` La resistencia al mosaico se ha obtenido cruzando las cañas nobles del tipo S. officinarum con S. spontaneum, S. barberi y S. sinense y usando después backcrosses con las cañas nobles . El virus del mosaico existe bajo las formas de diferentes razas que pueden afectar a diferentes variedades, las cuales presentan una respuesta diferencial frente a las diferentes razas. Stevenson (1955) reporta que la enfermedad del mosaico es controlada por un pequeño grupo de genes mayores . En Louisiana, Koike' (1980) inoculó 45 clones de S . spontaneum, y géneros afines, con una mezcla de las cepas H e I del virus del mosaico predominante en Louisiana ; se encontró resistencia en 29 clones. Además, Farrag y Kandasamy (1980) señalaron que los áfidos no tienen la importancia que se les atribuía anteriormente en la dispersión de la enfermedad en condiciones naturales . En Cuba, Kolovaev y colaboradores (1974) describieron las razas existentes como la A y D y propusieron un esquema general, para la obtención de variedades resistentes al virus del mosaico de la caña de azúcar (VMCA) que comprende 6 etapas sucesivas . 9.3 CARBON Esta enfermedad es causada por el hongo Ustilago scitaminea Sydow . En la mayor parte de las cañas de S. officinarum, con pocas excep-

106

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

ciones, se encuentran tipos altamente resistentes o inmunes . Sin embargo, la resistencia al carbón es altamente variable . En el área del Caribe, se reportó el carbón en Guyana, en 1974, y, en 1978, se reportó en Belice, Jamaica y más tarde en Cuba. Respecto al mecanismo de resistencia, es ampliamente reportado en la literatura que la infección del carbón se produce a través de las yemas y, por lo tanto, el mecanismo de resistencia es más bien físico que químico, habiéndose sugerido (MacCatty, 1977) que la prueba común de campo se pudiera remplazar por la de

la morfología de la yema con igual confiabilidad. Es necesaria mucha más investigación sobre los mecanismos de resistencia a esta enfermedad para poder ofrecer datos más concluyentes respecto al esquema de mejoramiento . En Hawaii, se trabajó con intensidad desde la década` del 1960-1970 para obtener un esquema de selección de variedades contra esa enfermedad y, actualmente, Ladd, Heinz y Meyer (1974) utilizan un esquema desarrollado para sus condiciones, para obtener variedades resistentes contra el carbón (Fig. 52) .

FT I ( Pléntulos kibridas

Prueba especial

Trozos de tallos de 3 yema* se l~en

(suPansldn d* esperas de 3 z N)s esporas)

solamente de la "bu~ de OANU) FT 3 ~-otra sobesteeiw que m sea Ie or ¡@leer¡* (*acepto de la asabesteeidn de

FT 2

1

Omu)

Se inoculan 3 froto* de semflias de 3ysma

NWT

Aislamleslo

FT4

(*lea" de OAHU gates de NWT la

Estodie I

Estadio 2

1

distribmién a otros 5~eess)

Se inoculan IOtrozos de semillas de 3 ymnaa

NWT

1

FTS

Estadio 3 .

Se Inoculan 2o trozos

deeemillas de 3 yemas (soimneote @lose* que

**en Iguales o myoroa en mmlmiento que la varladad

testigo

NWT

Las wbesfacines incAmnion las paree¡@* NWT

FT 7

Prueba final para NWT-Tratamiento eon agua *aliente FT - Pruebas de

el

rendimiento

a 52 "C por 43 minutos.

campo treadimiente).

Fig. 52 Esquema de

seleoeidn de

Hawai y pruebas contra carbón (Ladd, Heinz y Meyer, 1974.)

LA CARA DE AZÚCAR 9.4 ROYA La roya es una enfermedad, producida por un hongo del género Puccinia, que se encuentra ampliamente extendida por el sudeste asiático, África del Sur, e India, y que, últimamente, ha llegado al Caribe, especialmente a Cuba donde ha atacado a la variedad B. 4362 que, en 1978, tenía cerca de 30 % del área nacional . Respecto a su clasificación, han habido diferentes reportes, uno de los últimos es el de Egan (1980), donde se plantea que el patógeno que había sido identificado como Puccinia kuehnii era, en realidad, P. melanoceplala y que P. kuehnÚ se encuentra solamente en la región asiático-australiana del Pacífico . Liu (1980) evaluó 40 variedades en Puerto Rico y República Dominicana y encontró que 15 variedades fueron altamente resistentes a la cepa de P. erianthi con que fueron inoculadas . En Cuba, se han realizado también pruebas con variedades comerciales y precomerciales, encontrándose variedades resistentes a la enfermedad (Pérez, 1980) .

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9.5 PUDRICION ROJA Esta enfermedad fungosa está reportada, prácticamente, en todos los países productores de caña . Es causada por cl hongo Physalospara tucumanensis Spreg, del cual el estado imperfecto en el cual fue primeramente descubierto se conoce como Colletotrichum falcatum Went . El estudio de la resistencia a la pudrición roja es complicado, por el hecho de que se reconocen 2 tipos de resistencia, la fisiológica, que está asociada con la propiedad de ciertas células vivientes de suprimir o prevenir el desarrollo del parásito, y la morfológica, que depende de la presencia o modificación de estructura en los tejidos, lo cual previene o retarda el desarrollo del parásito, mecánicamente (Stevenson, 1965) . La resistencia fisiológica que aparece como la más importante, es gobernada por pocos genes derivados al parecer de S. spontaneurn. En Cuba, la enfermedad fue reportada desde 1915 y en el presente se reportan por lo menos 3 razas del patógeno . González (1980) realizó pruebas de resistencia a todas las variedades comerciales y encontró que a excepción de la B. 4362, las otras variedades fueron resistentes a la pudrición roja en diferentes grados . 10 Bibliografía AGOSTA, P. P. : "Estudio de caracteres agronómicos y de madurez en variedades precomerciales de caña de azúcar." Serie Caña de Azúcar, 29, Acad . Cienc. Cuba, 1973.

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WATSON, D. J.:

Capítulo IV BAGAZO

1 Introducción

El bagazo es el residuo del proceso de fabricación dé azúcar a partir de la caña, el remanente de los tallos de la caña de azúcar después que ha sido extraído el jugo azucarado que ésta contiene, por los molinos del central . El uso tradicional y más difundido del bagazo, es la producción de vapor mediante su combustión en las calderas del propip central azucarero . Estudios realizados, acompañados de la práctica industrial en años recientes, han demostrado la viabilidad de satisfacer las demandas energéticas de los centrales azucareros con, prácticamente, la mitad de su bagazo, quedando un sobrante factible de ser empleado en múltiples usos desde conversión de energía eléctrica hasta la producción de variados artículos de consumo en la industria de derivados. La disponibilidad cada día menor de materia,les fibrosos para ser utilizados en la industria, ha implicado una mayor utilización del bagazo en la producción de pulpa y papel, furfural, tableros aglomerados, etc., todo lo cual se ha traducido en la existencia de múltiples fábricas, en varios países, con una experiencia industrial considerable en su aprovechamiento . Para que una materia prima pueda ser considerada adecuada para las producciones antes mencionadas debe satisfacer requisitos morfológicos y químicos adecuados . El hecho de que el bagazo, además de satisfacer dichos requisitos, se encuentre disponible en grandes cantidades y de que exista una experiencia mundial en sus aspectos de manipulación, transportación y almacenamiento, lo hace particularmente atractivo, comparado con algunas fuentes de materia prima lignocelulósica . En este capítulo se hace una revisión del bagazo como materia prima, de sus características fisicoquímicas y de aquellos aspectos relacionados con su preparación y almacenamiento, en líneas generales .

2 Composición física, química y morfológica del bagazo

2 .1 COMPOSICION FISICA Físicamente, el bagazo está constituido por 4 fracciones, cuya magnitud relativa está en de-

pendencia del proceso agroindustrial azucarero. En la tabla 50 se muestra esta composición para valores promedio obtenidos en los laboratorios de celulosa del ICIDCA. TABLA 50 Composición física promedio del bagazo

Fibra o bagazo

45

Sólidos no solubles

23

Sólidos solubles

2-3

Agua

La parte que hemos designado por fibra está compuesta de toda la fracción sólida orgánica insoluble en agua, presente, originalmente, en el tallo de la caña de azúcar y que se caracteriza por su marcada heterogeneidad, desde el punto de vista químico morfológico . Esta fracción es la portadora de los elementos estructurales que hacen del bagazo una materia prima adecuada para la fabricación de celulosa, papel y tableros y, por lo cual, será objeto de estudio posteriorcon mayor detalle . Los sólidos no solubles o fracción insoluble en agua de naturaleza, principalmente, inorgánica, está compuesta, de manera fundamental, por tierra, piedras y otras materias extrañas. Esta fracción, aunque pequeña, participa en la composición del bagazo y está grandemente influida por las condiciones de manipulación agrícola de la caña, es decir, el tipo de corte y de recolección. Los sólidos solubles abarcan la fracción que se disuelve en agua compuesta, fundamentalmente, por sacarosa cuya extracción ulterior en el central azucarero no resulta económica, así como por otros componentes químicos como ceras, en menor proporción. El agua presente en el bagazo es retenida en éste a través de mecanismos de absorción y de capilaridad . En el primer caso, se refiere a la capacidad de los componentes químicos del bagazo de absorber moléculas de agua en cantida-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

des íntimamente relacionadas con la humedad relativa ambiental en que se encuentra el bagazo; en el segundo caso, nos referimos al agua mantenida por fuerzas de capilaridad y tensión superficial, a causa del carácter poroso del bagazo . Este fenómeno de la capilaridad desempeña un papel de gran importancia en algunos procesos tecnológicos a los que es sometido el bagazo en su aprovechamiento como materia prima . Tanto el contenido de sólidos solubles como la humedad del bagazo, están relacionados con variables de operación industrial. A continuación se exponen algunas consideraciones relacionadas con la composición morfológica y química de la fracción que hemos designado fibra. 2.2 COMPOSICION MORFOLOGICA Para referirnos a la morfología del bagazo es necesario, primeramente, hacer una breve descripción anatómica de la caña de azúcar . En la figura 53, se muestra un corte transversal del tallo de la caña de azúcar, en ella se pueden distinguir sus componentes estructurales, del exterior al centro.

En primer lugar, la epidermis, capa fina que recubre todo el tallo y que lo protege, actúa como impermeabilizante con relación a la solución azucarada, en ella abundan componentes no fundamentales de la caña de azúcar y que luego son químicamente clasificados en el bagazo como "extractivos". Luego se distingue la corteza, compuesta, fundamentalmente de fibras muy lignificadas, cuyas características principales son su ancho de pared celular, longitud, rigidez; propiedades que las hacen adecuadas para proteger el tallo de los efectos mecánicos y exteriores a la planta, estas fibras tienen como misión fundamental servir de sostén a ésta. A continuación se puede apreciar el área interior del tallo, compuesto, de manera principal, de tejido parenquimatoso, cuya función es la de almacenar jugo azucarado . Inmerso dentro de este tejido, se encuentran los haces fibrovasculares compuestos, fundamentalmente, por fibras y vasos que conjugan las funciones de sostén con la de conducir los alimentos y productos elaborados a lo largo del tallo de la planta. Al ser molida la caña de azúcar, este ordenamiento anatómico se pierde desde el punto de vista estructural y queda reducido a una mezcla física de los elementos descritos tal y como se puede ver en la figura 54.

Fig . 53 Corte transversal del tallo de la caña de azúcar.

BAGAZO TABLA 51

Composición morfológica del bagazo limpio (b.s.) Fibras de la corteza Parénquima

50

Vasos

15

Epidermis

Fig.

54 Microfotografía de bagazo integral.

En la tabla 51 se describe, según Atchison, en qué proporción se encuentran en el bagazo cada uno de estos elementos . En la figura 55 se muestra una fotomicrografía de las fibras presentes en el bagazo, se puede apreciar la relación que existe entre su longitud y diámetro, su relativa rigidez, sus contornos

30

5

irregulares y bien definidos ; se puede apreciar, igualmente, fibras partidas, como consecuencia del trabajo mecánico al que son sometidas durante su procesamiento industrial . En la figura 57 se puede apreciar el tejido parenquimatoso ; en él se distinguen sus variadas e irregulares formas, así como el no predominio de una dimensión de crecimiento y desarrollo ; su pared fina implica un diámetro de volumen mayor, lo cual le permite realizar su función de almacenamiento y de reserva de la planta.

Fig. 55 Microfotogra/fa de libras de bagazo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

Fig. 56 Fotomicrograffa de un tipo de bagazo. Nótese los extremos.

Fig. 57 Fotomicrografia de medula del bagazo de la caña de azúcar.

En la figura 58 se muestra un vaso, por contraste se observa el tubo interior hueco, lo que permite una rápida transportación del agua en la planta al estar conectados unos a otros, a lo largo del tallo. La presencia de este tipo de elemento favorece, por ejemplo, la difusión de reactivos durante los procesos de cocción. Este tipo de elemento surge como consecuencia del desarrollo vegetativo que permite una diferenciación entre las funciones de transporte y sos-

Fig. 58 Fotomierografia de un vaso . Componente del sistema conductor en la caña de azúcar.

tén, encontrándose, también, en las maderas duras y otras plantas anuales . En la tabla 52 se muestran las propiedades biométricas para fibras de distintos tipos de bagazo . En la literatura existen algunos trabajos que expresan que las dimensiones de las fibras del bagazo son más dependientes del proceso de molida a que se somete en el central, que del tipo de variedad de caña de azúcar.

TABLA 52 Propiedades biométricas de fibras de diferentes bagazos L Variedad de caña

D

W

L

LID

Longitud Diámetro Ancho de Ancho del Relación volumen delgadez promedio promedio pared (pm) número (P m) (mm)

LID índice de flexibilidad

1-60-5

1,13

23

9,9

13,1

49,1

0,56

B-4362

1,26

22

11,2

10,8

57,2

0,49

Mezcladas Pablo Noriega

1,13

22

-

-

50,5

Mezcladas M. Fajardo

1,52

23

-

-

66,9

328560 Hawai

0,81

18

-

-

45,0

44-3098 Hawai

1,07

19

-

-

56,3

TABLA 53 Propiedades biométricas comparativas de fibras de diversas fuentes Longitud Didmetro Diámetro Ancho promedio promedio lumen pared Tipo de fibra (mm) (ptn) (pm) ( .m)

Relación delgadez

índice flexibilidad

Fibra de bagazo

1,5

20

12,0

4,0

75

0,60

Haya (Fagus silvatica)

1,5

14

7,4

3,3

107

0,52

Pino (Pinus sil. vestris)

2,9

28

21,0

3,2

103

0,75

Eucaliptus globulus

1,0

13

9,8

1,6

77

0,75

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 54 Propiedades biométricas de elementos no fibrosos del bagazo L

Variedades

D

Longitud promedio número (mm)

Didmetro promedio (p m)

LIA Relación longitud/ /diámetro

Mezcladas P. Noriega

0,35

68

5,11

Mezcladas M. Fajardo

0,34

81

4,29

J-60-5

0,27

66

4,50

Ba-4362

0,23

76

3,00

32-8560 Hawai

0,25

84

3,00

44-3098 Hawai

0,28

81

3,50

En la tabla 53 se comparan estas propiedadés biométricas de las fibras del bagazo con las de otras fuentes fibrosas usadas, convencionalmente, en la industria de celulosa y papel mundial . En la tabla 54 se reportan las propiedades de los elementos no fibrosos de modo que puedan ser comparados con los de las fibras . 2.3 COMPOSICION QUIMICA Desde el punto de vista químico, varios son los aspectos que hay que tener en cuenta para considerar que la materia prima tiene una composición adecuada : 1 . En primer lugar, la celulosa, considerada desde el punto de vista de su presencia mayoritaria, y con un grado de polimerización suficientemente alto. 2. En segundo lugar, que la lignina pueda ser extraíble o modificable en procesos de relativa selectividad. 3 . En tercer extraños se les que no de pulpeo o la pulpa .

lugar, que los componentes encuentren en condiciones tainterfieran con los procesos recuperación y en la calidad de

El bagazo está compuesto de celulosa, hemicelulosa y lignina, como principales polímeros naturales, presenta, además, pequeñas cantidades de otros compuestos clasificados de conjunto como componentes extraños.

Estudios realizados con bagazo, obtenido de caña de diferentes variedades, han permitido concluir que su composición química no se ve significativamente afectada para los componentes fundamentales en función de la variedad de caña, igualmente sucede al comparar los diferentes componentes morfológicos del bagazo. No obstante, si consideramos que en la mayoría de las industrias de derivados, prácticamente, no se emplea bagazo integral sino desmedulado, describiremos la composición química de las distintas fracciones que lo componen haciendo especial énfasis en la fracción fibrosa. En las tablas 55 y 56 se muestran valores para distintos tipos de bagazo. La celulosa y las hemicelulosas componen la fracción carbohidrática del bagazo, la cual es analíticamente designada como holocelulosa. Químicamente, la celulosa se define como un homopolímero de la D-glucosa, cuyo enlace principal entre las unidades que componen la cadena es del tipo P 1-4 . Las cadenas son lineales y de un alto grado de polimerización superior a 1000. Estas cadenas no se presentan aisladas sino unidas entre sí mediante enlaces secundarios e interacciones eléctricas que le permiten formar una estructura supramolecular, según la cual, la celulosa tiene una definida estructura cristalina. Por estas razones apuntadas, en las reacciones que ocurren en los procesos de obtención de pulpas de diversos grados, la celulosa es el componente químico de más alto rendimiento relativo . La celulosa es el principal componente de la pared celular de todas las plantas. Su forma más pura de presentarse en la naturaleza es en el

BAGAZO TABLA 55 Propiedades químicas del bagazo (40) Bagazo, variedades mezcladas (Cuba) Fracción Integral fibra

Bagazo IIawaii var. Fracción 44-3098 Fracción Fracción medula integral fibra medula

Bagazo Hawaii var. 32-8960 Integral Fracción fibra fibra

Fracción fibra

Celulosa

46,60

47,00

41,20

-

Pentosanas

25,20

25,10

26,00

27,10

27,70

28,70

25,80

27,50

27,60

-

-

-

76,00

76,90

76,80

75,20

76,90

76,60

a-Celulosa

38,30

40,40

-

38,70

42,50

35,30

36,50

41,90

33,10

Lignina

20,70

19,50

21,70

21,60

22,00

21,50

20,60

21,00

20,60

Extractivos AIB

2,77

2,39

2,95

3,50

1,60

2,50

4,60

2,10

3,00

Sol H2 0 cal

4,11

3,43

4,26

2,60

0,43

1,60

2,70

1,40

1,00

Sol H,O fría

2,26

2,19

4,04

-

34,90

32,00

36,10

-

2,60

1,40

5,49

1,63

0,63

2,09

1,77

0,66

1,87

Holocelulosa

Sol NaOH 1'45 Cenizas

TABLA 56 Composición química del bagazo en varias especies maderables y pája Bagazo

Pinus silvestre

Fagus silvatica

Paja de arroz

Paja de trigo

Celulosa

43,0

-

-

32,6

46,3

Pentosanas

25,2

7,3

23,0

19,2

27,0

Holocelulosa

-

67,1

82,0

-

-

a aCelulosa

-

53,8

48,0

-

31,6

Lignina

21,6

26,7

17,0

8,5

14,2

Extractivos AlB

2,7

5,9

-

6,0

2,5

Sol H2O caliente

3,2

-

3,0

18,1

10,0

Sol H2O fría

1,8

-

34,3

-

19,0

53,7

41,2

b,3

17,3

6,3

Sol NaOH 146 Cenizas

2,5

algodón, aunque la celulosa proveniente de otras fuentes fibrosas como la madera es esencialmente idéntica a aquélla. Su insolubilidad en agua y solventes orgánicos, en soluciones alealinas, y su resistencia apreciable al efecto de agentes oxidantes diferen-

cia la celulosa del resto de los componentes químicos de la madera ; analíticamente existen diversos métodos de aislarla . Entre ellos mencionaremos los de Cross y Bevan, Krusclmer y Joffer, Seiberg, etc., teniendo todos ellos como carácterlsticas, la obtención de un producto modifica-

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

do y degradado con relación a su estado nativo y el estar impurificado con restos de otros componentes, especialmente hemicelulosa . Aun hoy en día se encuentra mucho en la literatura el término de a-celulosa, acompañado, en ocasiones, de R y y celulosas, que son empleados por diversas instituciones y fabricantes como criterio de calidad en la producción de celulosa. A pesar de ello, con esa denominación empírica, basada en su insolubilidad en soluciones alcalinas, bajo condiciones de concentración del álcali, temperatura, etc., rigurosamente establecidas, no se define a una especie química diferente. El peso molecular promedio de la celulosa de bagazo está en el rango de 150 000 - 350000, comparable, por ejemplo, a los obtenidos para álamo temblón, haya, abedul, aunque estos valores deben ser tomados con reserva dada la imposibilidad de aislar la celulosa sin degradarla . Desde el punto de vista cuantitativo, su presencia en el bagazo es semejante a los de todas las maderas en un orden de 41 - 44 % . Las hemicelulosas abarcan un conjunto de polisacáridos diferentes cuya composición, naturaleza y estructura no han sido aún dilucidadas para el bagazo, pero que guardan, a su vez, una serie de características comunes, tales como su solubilidad en solventes alcalinos, su reactividad frente a los ácidos y que se descomponen en sus azúcares componentes y en furfural. Estas propiedades las diferencias, analíticamente, del resto de los componentes químicos del bagazo. Las hemicelulosas que más abundan en el bagazo son del tipo D-xilanas, formadas, principalmente, por unidades de D-xilosa en la cadena principal, sustituidas por grupos acetilos y ácidos urónicos metilados. Las cadenas poliméricas son relativamente cortas de peso molecular promedio visco simétrico, en el rango de 10 000 - 20 000. Cuantitativamente, ellas se encuentran en el bagazo en una proporción de 25 - 27%, su contenido en las maderas suaves es muy superior y mayor que el de la mayoría de las maderas duras. Su determinación se realiza, comúnmente, empleando la técnica de pentosanas y constituyen, en el bagazo, en conjunto, el segundo grupo de componentes en importancia por su peso. Por todo lo anteriormente expuesto, se puede inducir el contenido alto de carbohidratos presentes en el bagazo, del orden de 70 %, superior al de las maderas . La lignina es el tercer componente en importancia cuantitativa del bagazo y representa un conjunto de polímeros amorfos, reticulados, de altos pesos moleculares, de naturaleza eminentemente fenólica y cuya unidad estructural puede ser considerada el fenil-propano . A causa de que en algunos procesos en que se emplea el bagazo como, por ejemplo, la producción de celulosa

y papel se contempla la sustancial disminución o modificación de la lignina, ella ha sido objeto de estudio para conocer su composición química y estructura características . De estudios realizados se evidencian diferencias importantes entre la lignina de bagazo, con relación a la de la madera, tales como su inferior grado de polimerización, su mayor reactividad y hay evidencias de su ubicación preferential en las capas externas de la pared celular, por tanto es más accesible, todo lo que unido a su relativa baja presencia, con relación a algunos tipos de maderas, ha reportado diversas ventajas en la aplicación de procesos de pulpeo convencionales de madera al bagazo, entre ellas, menores temperaturas de cocción, menor consumo de productos químicos y mayores rendimientos . Analíticamente, se emplea para su determinación, el conocido método de Klason modificado y su presencia cuantitativa está en el orden de 20 - 22 %. Con relación al resto de los componentes del bagazo, que en conjunto pesan 10 %, ellos muestran diferencias importantes en relación con las maderas ; en primer lugar, el bajo tanto por ciento de los compuestos solubles en solventes orgánicos -tales como resinas, ceras, grasas, ácidos grasos, flavonas, fenoles, etc ., que, en general, no sobrepasan 1 - 3 %-, los que inciden desventajosamente, en los procesos de pulpeo a causa de que son consumidores de reactivos, provocadores de espuma y coloración de las pulpas; en segundo lugar, el contenido de cenizas del orden de 2 - 3 % en bagazo, que si bien es superior al de las maderas, resulta muy inferior al de las pajas que abarcan rangos de 8 - 15 % . Por último, los compuestos solubles en agua, constituidos, fundamentalmente, de residuos de sacarosa, otros azúcares y otros polisacáridos de contenido relativamente alto en el bagazo, en relación con la madera. 3 Desmedulado del bagazo El bagazo que sale del último molino del tándem, llamado integral, contiene 55 - 60 % [base seca (b.s.) ] de fibra útil . La otra fracción rica en medula o tejido parenquimatoso, se encuentra en el orden de 40 - 45 %, esta fracción fina no aporta propiedades deseables a papeles o tableros a partir del bagazo e introduce serias dificultades en el proceso tecnológico de producción . De acuerdo con la experiencia industrial, ha quedado claramente establecido que en la mayoría de los procesos de industrialización del bagazo de la caña de azúcar, es necesario eliminar al máximo posible la fracción rica en medula, de manera de evitar las dificultades e ineficiencias que se derivan de su presencia en en el proceso tecnológico posterior.

BAGAZO La operación por medio de la cual se elimina, parcialmente, esta fracción se denomina desmedulado y el principal objetivo de la misma es incrementar el tanto por ciento de fibra útil del bagazo que se suministra a la industria de derivados. 3.1 AFECTACIONES TECNOLOGICAS QUE INTRODUCE LA MEDULA 1 . El parénquima es capaz de absorber hasta 15 veces su propio peso en agua, esto disminuye drásticamente el drenaje de las pilas de bagazo almacenado formadas por chorro . Bloquea su operación y provoca derrumbes . 2. Hace los tableros más higroscópicos y débiles, produce absorción. desigual de aglutinantes en tableros de partículas y forma ción de ampolletas superficiales en el prensado de ambos tipos de tableros .

trabajo de estos equipos está muy relacionado con el grado de preparación y molida de la caña en el central azucarero, ya que en la medida que ese trabajo sea más intenso, el bagazo integral estará "predesmedulado" con un alto tanto por ciento de medula libre fácilmente separable, con relativos bajos consumos energéticos . 3.2.2 Molinos desmeduladores Otra alternativa consiste en desmenuzar el bagazo mediante frotado mecánico para separar los haces fibrosos de la medula adherida, incrementando, de este modo, la cantidad libre en el bagazo de esta última, que es separada, posteriormente, utilizando mallas perforadas ; los equipos empleados para este fin se denominan molinos desmeduladores o molinos de martillos (Fig. 59) .

3. Absorbe, improductivamente, productos químicos en procesos de cocción del bagazo y disminuye la capacidad de drenaje de las pulpas . 4. Interfiere operaciones de evaporación del licor negro en la industria de pulpa y papel, a causa del alto contenido de sílice que produce incrustaciones . Introduce, a su vez, gran cantidad de iones metálicos en el proceso de pulpeo. 5. Disminuye la productividad de la máquina de papel, ya que se adhiere a los rodillos, tela o a los filtros . 6. Disminuye, en general, la calidad de los productos terminados: pulpa, papel y tableros . 3.2 TECNOLOGIA DE DESMEDULADO, EQUIPOS 3.2.1 Separación simple : cernidores y zarandas La operación de desmedulado se puede producir por simple separación de partículas de diferentes tamaños ; en este caso, se utilizan tamices convencionales vibratorios o rotatorios, instalados en los centrales azucareros con la finalidad de remover, fundamentalmente, la medula suelta como resultado del trabajo del tándem. Estos equipos son de relativo bajo costo de instalación y consumo energético, pero presentan una baja eficiencia volumétrica y la separación de fraoción rica en medula está limitada a 12 - 15 %, con bagazo a 50 % de humedad . El

Fibra Fig. 59 .Esquema

llddula de un

desmedulador vertical.

Estos equipos separan la medula libre y parte de la misma contenida en los paquetes de fibras o partículas y producen una separación que puede llegar a ser de 20 - 30 %, si se cumplen las especificaciones del bagazo integral . Como resultado del trabajo de estos equipos, es posible lograr incrementos de hasta 73 - 76 %, en el contenido de fibra en el bagazo desmedulado. Los molinos desmeduladores se clasifican de acuerdo con la solución mecánica del rotor en: horizontales y verticales . Teniendo en cuenta la forma de separación y extracción de la medula se pueden clasificar, también, en desmeduladores de autoseparación de medula y equipos con

120

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

separación posterior mediante la ayuda de tamices vibratorios o extractores neumáticos. En los molinos desmeduladores de martillos, los haces de fibras se deshacen bajo la acción de un golpe mecánico, durante el cual la energía cinética de las partículas en movimiento, se transforma, parcial o totalmente, en energía para su deformación, desintegración o destrucción. Como resultado del golpe del martillo, los haces de fibra se desintegran, se dispersan y son lanzados contra una criba. Al golpearse con la criba, adicionalmente, continuan desintegrándose y al proyectarse hacia el rotor son golpeados nuevamente, lo que origina un efecto de frotación y centrifugación durante el cual las partículas más finas, suciedades, medula y fibras pulverizadas, pasan a través de los agujeros de la criba. En los últimos desarrollos de los equipos desmeduladores se nota una marcada tendencia a emplear, cada vez más, la solución de rotor vertical con autoseparación de la medula . En comparación con las máquinas de rotor horizontal, ofrece la ventaja de simplificar la evacuación, tanto de la "fibra limpia" como de la fracción medula, ya que se realiza por caída libre en una sola operación, mientras que en el caso de las máquinas horizontales, se requiere de costosas instalaciones neumáticas de extracción o la inclusión de equipos complementarios para lograr un adecuado efecto de separación. Actualmente, ya existen desmeduladores de rotor vertical con capacidades de procesamiento de 10 - 15 t/h b.s ., y un grado de separación de 30-35°0 . 3.2.3 Otros equipos de desmedulado El desmedulado se puede producir en medio acuoso, utilizando equipos que producen hinchamiento de las partículas, aplicando fricción o trabajo mecánico como los hidropulpeadores, simplemente aquellos que producen un lavado o desaguado de la suspensión acuosa del bagazo, como son las lavadoras en hidrolimpias y los conductores de drenaje; en estos casos, se produce una limpieza adicional del bagazo, ya que la tierra, los solubles y parte de la medula remanente, se van con la suspensión acuosa que se separa de la fracción fibrosa enriquecida . 3.3 MÉTODOS DE DESMEDULADO De acuerdo con la humedad del bagazo integral el desmedulado se clasifica en 3 tipos : 1 . En seco, mediante el cual se realiza la separación de la medula cuando el bagazo tiene 8 - 25 % humedad. Comúnmente se

emplean cernidores o zarandas y molinos de martillos . 2 . En húmedo, en el cual se efectúa la separación de la medula a la humedad de salida del tándem, entre 48 - 52 ata . Se emplean para ello cernidores o zarandas, molinos de martillos . 3. En suspensión, el cual se efectúa con el bagazo mezclado con agua a una consistencia entre 2 - 3 % (hidropulpeadores) o entre 6 - 12 vio (molinos de martillos) . Estos métodos pueden ser utilizados aisladamente o combinados de diferentes formas y los equipos pueden ser instalados en el central azucarero y/o en la fábrica de papel. 3.4 POLITICA DE DESMEDULADO, ALTERNATIVAS Teniendo en cuenta que existe la posibilidad de desmedular en el central azucarero y en la fábrica de derivados, antes y después del almacenamiento, con numerosos equipos disponibles para lograr diferentes grados de separación, la mejor alternativa tendrá en cuenta, entre otros, los siguientes factores: 1 . Tipo y calidad de los productos que hay que elaborar (papel o cartón, tableros de fibra o partículas) . 2. Distancia de la fábrica al central . 3. Tipo de almacenamiento en la fábrica . 4. Utilización de la medula como combustible o alimentación animal . 5. Disponibilidad de los efluentes cuando así existan, como, por ejemplo, fábricas de pulpa y papel o tableros de fibras, método húmedo. La decisión de una de las alternativas será, por lo tanto, un problema técnico-económico, basado en los factores enumerados anteriormente, aunque podemos proponer algunos lineamientos generales: 1 . Para lograr un bagazo desmedulado limpio, llamado de alta calidad (86 % de fibra), casi todos los autores están de acuerdo, sobre todo en la producción de pulpa y papel, en la necesidad de 2 etapas de desmedulado, una de las cuales se debe efectuar en el central azucarero, a 50 vio de humedad, y la otra en la fábrica de pulpa, en suspensión acuosa .

BAGAZO

2.

3.

Existe una tendencia moderna a lograr altos grados de separación en la operación de desmedulado en el central azucarero ; esto permite aprovechar, lo más posible, la medula disponible como combustible en las calderas del central . En los últimos años, hay una tendencia a disminuir la potencia instalada en la segunda etapa de desmedulado y sustituir los molinos de martillos, de relativo alto consumo energético, por equipos más simples, como conductores de drenaje y lavadoras de bagazo, con el consiguiente ahorro en los costos de inversión y operación .

4. Entre las 2 etapas de desmedulado se debe contemplar el almacenamiento, sobre todo, el caso de bagazo a granel en húmedo; este efecto ablanda los haces fibrovasculares y permite un desprendimiento más simple de la medula. 5. La medula aprovechada como combustible debe ser la de la primera etapa, a 50 vio de humedad, ya que al proceder de la segunda etapa habría que incrementarle, aproximadamente, 100 veces su concentración óriginal. 4 Almacenamiento del bagazo El bagazo, subproducto de la industria azucarera, está disponible solamente durante una parte del año: la época de zafra, que dura entre 3 y 6 m, en la mayoría de los países, con algunas pocas excepciones, como el caso del Perú, donde la zafra dura todo el año. Por esta razón, las fábricas que utilizan bagazo como materia prima se ven obligadas a almacenar grandes cantidades de bagazo para garantizar la operación durante todo el año. Aunque la principal causa del almacenamiento del bagazo es el carácter e¡clico de la industria azucarera, es una práctica industrial muy aceptada en las fábricas de derivados, consumir bagazo almacenado todo el año. La selección del método de almacenamiento que habrá de emplearse en una nueva fábrica de derivados es decisiva para garantizar la calidad de la materia prima, de acuerdo con el proceso tecnológico posterior. Este es el primer aspecto para tener en cuenta, aunque hay otros factores que inciden como son los aspectos económicos del sistema ; es decir, costos del área de almacenamiento, equipos, mantenimiento, mano de obra, etc ., y aun problemas de seguridad e higiene, como peligro de incendio, condiciones nocivas para los trabajadores, posibles enfermedades o afecciones pulmonares, como la llamada bagazosis y otros . Todo ello teniendo en cuenta,

por supuesto, la interconexión existente con la fábrica de azúcar, problemas de localización del patio de almacenamiento, transportación y otros . Los métodos de almacenamiento del bagazo se pueden clasificar en 2 grandes divisiones: compactado y a granel . Hasta hace algunos años, los métodos de almacenamiento en forma compactada fueron prácticamente el único sistema de almacenamiento utilizado en fábricas de pulpa y papel, tableros, furfural y otros, sólo en fecha relativamente reciente han sido desarrollados y puestos en práctica los métodos a granel y el presecado del bagazo. Los métodos a granel resolvieron muchas de las desventajas de los métodos compactados, al eliminar, prácticamente, la bagazosis y los peligros de incendios, así como una mayor utilización del área disponible. En 1958, entró en operación la primera fábrica de almacenamiento a granel con control microbiológico, utilizando los cultivos Ritter. 4.1 ALMACENAMIENTO COMPACTADO EN PACAS HÚMEDAS

Este método, originalmente desarrollado por Cellotex, consiste, en líneas generales, en empacar el bagazo húmedo, ya sea antes o después de un desmedulado parcial ; el peso de las pacas es, aproximadamente, de 100 kg, con una densidad de 250 - 350 kg (b .s .) /M,3 para lo cual se requiere un consumo de energía de 40 kW.h/t (b .s .) . Las pacas se almacenan en grupos o pilas, de forma piramidal, generalmente, con el auxilio de grúas y dispositivos que permiten manipularlas en grupos de 6 - 12, en cada izada. Cada pila puede tener alrededor de 600 - 900 t de bagazo seco, con dimensiones de 40 X 20 m y alturas que varían de 9 - 15 m (Fig. 60) . Durante el entongue de las pilas se tienen que prever canales de ventilación, el diseño de estas pilas es crítico, pues tienen que permitir la libre circulación del aire para disipar el calor, y los gases originados por la fermentación, de otra manera pueden existir riesgos de combustión espontánea. Durante los primeros 10 d del almacenamiento, la temperatura interna de cada paca puede llegar a aumentar hasta 80'C, la que después disminuye, gradualmente . Este calor generado se debe a la acción de lo's microorganismos, y se utiliza para el propio secado de las pacas, cuya humedad irá disminuyendo hasta 15 - 20 %, y en casos de zonas muy secas hasta 10 % ; es necesario proteger, adecuadamente, de la lluvia las pirámides de pacas, sobre todo en zonas con alto promedio de lluvias . Cuando se utilizan condiciones óptimas de almacenamiento, este sistema puede producir alrededor de 15 - 20 % de pérdidas en el almacenamiento

122

LA

INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE

AZÚCAR

Fig. 60 Almacenamiento en pacas. Pilas típicas.

y si esto no se cumple, las pérdidas pueden llegar a ser del orden de 30 - 40 %, a causa de una fermentación incontrolada. 4.2 ALMACENAMIENTO COMPACTADO EN PACAS PRESECADAS

En este sistema, el objeto fundamental de presecar el bagazo, es evitar o reducir al mínimo los procesos microbiológicos, causantes del elevado deterioro y las pérdidas por almacenamiento . Al no existir problemas fermentativos en el bagazo presecado, es posible producir pacas de hasta 4 veces el tamaño de las convencionales empleadas en el sistema húmedo. De esta forma, se logran reducciones en los costos de manipulación y mayores capacidades de la estiba de tongas típicas, al no requerirse los canales de ventilación para la evacuación de vapores y gases, sin que tengan que estar sometidos a los requisitos hasta ahora establecidos de recubrir las tongag . Los resultados de experiencias industriales y experimentales en algunos países, han traído como consecuencia una drástica reducción de los pérdidas por almacenamiento, en algunos casos se alcanzaron índices del orden de 4,0 - 6,0% .

El hecho de presecar el bagazo para ser almacenado, tiene sus ventajas desde el punto de vista de conservación de la calidad de la fibra, pero, lógicamente, implica un aumento del costo de inversión y operación por el combustible requerido. 4.3 INFLUENCIA DEL DESMEDULADO PREVIO

Algunos autores plantean que someter el bagazo a un desmedulado previo presenta algunas ventajas entre las que se pueden citar: 1.

Menor área de almacenamiento .

2. Menor cantidad de bagazo que hay que transportar . 3 . Se dispone de la medula para su posible uso en el central o para la alimentación del ganado. 4 . Posible disminución de pérdidas debidas a degradación, aunque los últimos estudios realizados cuestionan esta ventaja.

123

BAGAZO

Como aspecto negativo, se puede señalar que al desmedular en período de zafra solamente, se requieren mayores capacidades de equipos, los cuales quedarán ociosos en época de no zafra. 4.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS En los últimos años el método de empaque húmedo ha sido, en muchos casos, desplazado por los métodos a granel y, en otros, por el empaque presecado, sin embargo, este método presenta características que sugieren su utilización en determinados casos : 1 . Los métodos a granel no son aplicables a procesos tecnológicos secos como en la fabricación de tableros de partículas, porque habría que evaporar grandes cantidades de agua. 2. Es adecuado para el transporte a largas distancias. 3 . No requiere de gastos de agua (sistema a granel) o de instalaciones y combustible para secar bagazo (bagazo presecado) . Frente a esto, se puede enumerar una buena cantidad de desventajas con relación a los sistemas a granel: l . Peligro de autocombustión, la primera semana y de incendio el resto del tiempo . 2. Posibilidad de afectación de la salud de los trabajadores por la enfermedad llamada hagazosis y otras afecciones bronquiales o pulmonares . 3. Consumo de alambre que tiende a deteriorarse. 4. Mayor degradación del bagazo que en los sistemas a granel . 5 . Mayores pérdidas producidas por la degradación y por la alta manipulación de las pacas. 6. Menor aprovechamiento del área de almacenamiento . 7. Mayores gastos en operaciones de mantenimiento y operación de equipos de empaque y desempaque y manipulación . 4 .5 ALMACENAMIENTO EN BRIQUETAS La utilización del bagazo compactado en forma de briquetas fue, originalmente, una solu-

ción para garantizar el combustible de las refinerías y destilerías de los centrales en época de no zafra, también se utilizan como una solución para almacenar bagazo en algunas industrias de derivados . Las briquetas para almacenamiento tienen, aproximadamente, 130 mm de diámetro v 30 mm de espesor y una densidad de 0,7 - 0,8 kg/m3. La operación del briqueteo se efectúa en una planta anexa al central, la cual consta de un equipo de secado y una prensa como equipos fundamentales . En el primero, el bagazo es llevado hasta una humedad de 7 - 12 %, lo cual permite lograr la formación de la briqueta en una prensa diseñada con este fin . Las principales ventajas en el almacenamiento de briquetas son debidas al presecado del bagazo y a su alta compactación, lo que reduce, apreciablemente, el área de almacenamiento y simplifica la manipulación y transporte, por lo que este sistema es recomendado cuando el almacén se encuentra a una distancia grande de la industria que empleará el bagazo . Por otra parte, la alta compactación de las briquetas, así como su baja humedad, producen una mayor destrucción de las fibras al desintegrarlas, lo que las hace poco apropiadas para la industria de celulosa y papel, y posiblemente para tableros. Por último, si comparamos las briquetas con las pacas presecadas,las briquetas producen un mayor aprovechamiento del área de almacenamiento, y una reducción en los costos de transporte y manipulación, pero mantienen como desventaja la mayor destrucción de la fibra al desintegrar la briqueta, producto de su alta densidad . 4.6 ALMACENAMIENTO A GRANEL Se denominan métodos de almacenamiento a granel, a todos aquellos en que el bagazo se almacena suelto en un patio preparado al efecto, formando enormes pilas que pueden llegar a almacenar 25 000 t (b.s ) de bagazo o más, con una altura entre 20 y 25 m. Una característica común de las pilas de bagazo a granel, es la alta compactación que se logra en el interior de las mismas, lo que crea una zona anaerobia, protegida por una capa superficial exterior o. corteza, que es la que se expone a los efectos de la intemperie . Otra característica, prácticamente común a todos los sistemas de almacenamiento a granel, es la utilización de algún agente líquido en la pila de bagazo, como agua, licor biológico o solucioñes ácidas o alcalinas . Este medio líquido es utilizado, en algunos casos, en la formación de las pilas, mezclándose con el bagazo y sirviendo como medio de transporte ; en otros casos, este medio líquido se agrega en forma de

124

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

riego antes y/o después de formada la pila. En cualquiera de los casos, el bagazo mantiene una humedad de alrededor de 75 "io en el interior de la pila y esta característica lo distingue de otros métodos de almacenamiento, en que la humedad se mantiene o tiende a la humedad de equilibrio con el aire . Los efectos más importantes, producto de la utilización de este medio líquido, son: dilución de azúcares residuales, disipación del calor, formación de suspensiones de bagazo y control biológico de la pila. Los sistemas de almacenamiento a granel pueden ser clasificados, de acuerdo con el medio acuoso utilizado, en : sistemas que utilizan licor biológico, agua y soluciones ácidas o alcalinas . Dentro de cada una de estas divisiones podemos clasificar los sistemas de acuerdo con el tipo de formación y compactación utilizado, a estos aspectos se les llama, comúnmente, ingeniería de formación o ingeniería de almacenamiento . Existen diferentes criterios para destacar o resaltar la importancia de utilizar uno u otro medio de conservación, pero solamente la combinación adecuada de este aspecto con los de ingeniería de formación y explotación de las pilas resultará en la solución óptima de almacenamiento para un determinado tipo de producción. Por último resumiremos las principales ventajas y desventajas que tienen en común los métodos de almacenamiento a granel frente al método clásico de pacas húmedas. 4.7 VENTAJAS Y DESVENTAJAS Las ventajas de los métodos de almacenamiento a granel, han producido, un incremento sustancial en su utilización, fundamentalmente, en la'mayoría de las fábricas de pulpa y papel, sin excluir las de tableros de fibras, pero por el método húmedo. Entre ellas podemos citar : 1 . Mayor pérdida de sólidos solubles y de otras sustancias indeseables, lo que incrementa el rendimiento de los productos intermedios y finales. 2. Eliminación del empacado del bagazo, del alambre y de las dificultades que introduce . 3. Menores gastos de materiales y de mano de obra. 4 . Mayor facilidad para el desmedulado en suspensión posterior . 5 . Alto grado de compactación y mayor aprovechamiento del área.

6. En general, un mayor control de las reacciones de fermentación, con menos pérdidas esperables por degradación . Dentro de las desventajas generales podemos citar: 1 . Mayores costos de instalación: patios con características especiales, sistemas de bombeo, acero inoxidable, etc. 2. Mayor consumo de agua . 3. Manipulación de grandes cantidades de líquido. 4. Problemas de efluentes . 4.8 SISTEMA CON TRATAMIENTO BIOLOGICO 4.8.1 Almacenamiento Bitter El método de almacenamiento Ritter consiste, en la preparación de un licor microbiológico, a partir de la propia microflora del bagazo, utilizando como medio nutriente una solución de melaza, hasta obtener un licor rico en bacterias de ácido láctico, que se mezclará con el bagazo fresco en una proporción adecuada, en un tanque mezclador, hasta lograr una consistencia entre 2 - 3 %, de aquí la suspensión es bombeada por tuberías de acero inoxidable hacia una canal elevada a 20 - 25 m de altura, desde donde se deja caer el chorro hacia la zona de formación o utilizando otros sistemas como el de grúa móvil o distribución por tuberías de longitud ajustable . El patio de bagazo es de concreto, recubierto con asfalto o resina antiácida, y se encuentra atravesado por canales transversales para la recolección del líquido . El bagazo impregnado se asienta, rápidamente, sobre un medio filtrante inicial y el licor drena hacia los canales y, finalmente, hacia un tanque donde se repone el licor fresco y el agua que se pierde del sistema ; el licor enriquecido es bombeado al mezclarse con el bagazo de nuevo y se cierra el circuito . Las pilas formadas presentan una alta compactación y un aprovechamiento del área superior al almacenamiento en pacas. A partir de los primeros 3 m de almacenamiento el licor Ritter produce, según J. Mobius, los siguientes beneficios al bagazo : 1 . Ablandamiento de los haces fibrovasculares, lo cual permite mejoras en el desmedulado del bagazo y en la penetración de los reactivos durante el pulpeo .

12 5

BAGAZO

2. La calidad del bagazo es óptima, después de los primeros 3 m. 3. Ahorro de 10 - 20 % de reactivos en el pulpeo . 4. Las propiedades fisicomecánicas de las pulpas se mejoran . 5. Se preserva la brillantez del bagazo fresco y se incrementa el grado de blanqueabilidad de las pulpas, 6. Pérdidas totales en almacenamiento reducidas a 10 % . Entre las desventajas que se le han señalado a este método, están los altos costos relativos de inversión del área pavimentada, el acero inoxidable, el pago de elevadas cantidades por licencia de patente, así como el alto consumo de energía eléctrica. 4.8.2 Almacenamiento Cuba-9, con control microbiológico Este sistema de almacenamiento fue diseñado para la fábrica experimental del Proyecto

Cuba-9, con el objeto de desarrollar una tecnología para la producción de papel periódico a partir de bagazo . Tomando como base el sistema de almacenamiento a granel, utiliza el método de formación por chorro y como medio de preservación, el licor nacional desarrollado en los laboratorios del ICIDCA . El licor nacional es una mezcla de cultivos independientes de bacterias del tipo láctica y un cultivo autóctono que es preparado a partir del propio bagazo fresco, utilizando como medio nutriente una solución estéril de miel. El bagazo se desmedula, parcialmente, en el central Pablo Noriega, en molinos horizontales, con extracción neumática de medula, de aquí es conducido, mediante transportadores de banda, hasta una canal pivotante donde se mezcla con el licor nacional, luego pasa al tanque mezclador con un tiempo de retención de 5 min, de aquí es bombeado a un sistema de canal elevada que descansa sobre una estructura de columnas de concreto, construidas en Cuba por el sistema de moldes deslizantes . El bagazo se acumula en el patio de concreto asfaltado y el licor corre hacia un sistema de canales y de aquí al tanque de recirculación por debajo del nivel 0,0 de concreto, revestido de losa antiácida . Aquí se fortifica el licor drenado con licor fresco procedente de la estación de fermentaciones y, por

Fig. 61 Almacenamiento a granel. Cuba-9, con cont,-

microbiológico,

126

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

último, es bombeado para que se mezcle de nuevo con el bagazo fresco, mediante un sistema de bombas verticales (Fig. 61) . Las pilas formadas con este sistema, adoptan la forma de meseta de base cuadrada, con ángulos de más de 50°, en todas las laderas, por lo que se alcanza una alta compactación . Resultados obtenidos a alturas de 7 y 13 m, permiten extrapolar a 20 m, valores de densidad promedio de 200 - 250 kg/m3 y un aprovechamiento del área de 2,5 t/mz. A partir de las primeras 10 s de almacenamiento la calidad del bagazo se mantiene constante, con un incremento en la digestibilidad de éste y produciendo pulpas con excelentes propiedades de drenaje y buenas propiedades físico-mecánicas . En la tabla 57 se presentan algunas propiedades del bagazo almacenado por formación con chorro y licor microbiológico (Cuba-9) .

TABLA 57 Propiedades del bagazo almacenado por formación con chorro y control microbiológico (Cuba-9) Bagazo fresco

Bagazo almacenado

Holocelulosa

81,2

82,3

Lignina

20,7

21,5

Pentosanas

28,0

26,5

SoL NaOH 1 %

31,0

28,8

2,5

0,8

Propiedades (%)

Sol . H,0 !caliente

Pulpeo estdndar NaOH No. Kappa

18,7

14,5

Brillantez (grados Elrepho)

31,0

45,0

Rendimiento (%)

56,0

61,0

4.8.3 Almacenamiento a granel con, agua, Aquí agruparemos varios sistemas de almacenamiento de bagazo a granel que existen, actualmente, en funcionamiento, los cuales aunque presentan algunas diferencias importantes, en cuanto al diseño de las instalaciones, operan bajo el principio común de tratamiento con agua.

4.9 SISTEMAS CON FORMACION EN I31jMEDO 4 .9.1 Sistema técnica cubana Estos sistemas se caracterizan por la formación de las pilas, mediante el remonte del bagazo con topadores frontales, y el riego con agua, antes y después de la formación, para ayudar a la compactación y evitar fermentaciones incontroladas en la pila de bagazo. Como ejemplos de este sistema está la fábrica Capitán Guillermo Geilín, antigua Técnica Cubana,que ha desarrollado un método de almacenamiento a granel con agua, que fue introducido con mejoras, en el combinado de papeles blancos Uruguay, en Jatibonico, Cuba. El bagazo se descarga en el patio de almacenamiento, de material rocoso y mejoramiento (Técnica Cubana), o empleando, adicionalmente, una capa de asfalto antiácido (Combinado Uruguay), utilizando camiones, en el primer caso, y conductores de banda con descarga en tolvas, a gran altura, como en el segundo caso; en ambos, el bagazo es remontado a toda la extensión de la pila, utilizando cargadores y topadores frontales ; para el riego se utilizan mangueras conectadas a una línea de distribución general y el agua residual, en ningún caso, es recirculada a la pila. Las pilas tienen forma de pirámide irregular, con una altura promedio de 15 m, pueden llegar a una altura máxima de 20 m y admitir entre 20 000 y 25 000 t de bagazo (b.s.) con una densidad de bulto promedio de 120 - 130 kg/m3 , con una capacidad de almacenamiento de 1,3 - 1,8 t/mz . El bagazo de la fábrica Capitán Guillermo Geilín es de calidad aún insuficiente, a causa de que se almacena bagazo prácticamente integral, mientras que se espera un salto de calidad en el Combinado Uruguay, donde es desmedulado previamente en molinos verticales con una separación esperada de 30 % . 4.10 Sistemas con formación en suspensión Bajo este título se agrupan los métodos de almacenamiento que utilizan el agua en la formación de las pilas como la fábrica de Puerto Rico (International Paper Co .) y las fábricas mexicanas (Kimberly Clark y Mexicana de Papel Periódico) . El bagazo es suspendido en agua, en tanque con agitación, y es bombeado al área de almacenamiento a 2 - 3 % de consistencia, mediante un sistema de tuberías maestra y ramales, formado por tramos de tubería que descansan sobre la propia pila de bagazo creciente, y van ver-

127

BAGAZO

tiendo la suspensión de modo que el bagazo se queda y el agua residual va a un sistema de canales . En las fábricas mexicanas, esta agua es recirculada de nuevo y se mezcla con el bagazo, no se utiliza riego durante o después del almacenamiento, mientras que la fábrica de Puerto Rico (International Paper Co.) reporta la utilización de agua fresca de río . Las pilas pueden tener alturas de 10 m (International Paper Co.) o llegar a alcanzar hasta 1 - 20 m de altura (Kimberly Clark) con esto se logra un aprovechamiento del área entre 1,0 - 1,3 t/ms , en International Paper Co. y Mexicana de Papel Periódico o hasta de 1,5 - 2,0 t/m2, en Kimberly Clark. El pH de las pilas permanece, aproximadamente, neutro en International Paper Co. y es controlado a 4,5, en Kimberly Clark, esta última fábrica reporta bagazo almacenado con buena brillantez y mínima degradación . En la tabla 58 se presenta la calidad del bagazo almacenado en Mexicana de Papel Periódico . TABLA 58 Calidad del bagazo almacenado durante 10 m. Almacenamiento mojado mexicana papel periódico Fibra fresca

Fibra almacenada

(desmedulada en suspensión)

82,6

76,8

6,8

6$

85,2/14,8

80,3/19,7

Lignin (%)

19,8

20,9

Pentosanas (%)

23,6

24,2

3,1

5,9

28,8

30,0

Fibra

Humedad (%) PH

Relación fibra/medula (%)

Sólidos solubles (48) H,0 caliente

NaOH 1 1% A/B

0,98

3.4

Pulpa Rendimiento

60,5

56,8

No, permanganato

19,7

21,0

5 Calidad del bagazo industrial Para que el bagazo sea potencialmente utilizable en la industria de derivados, en una forma eficiente y rinda productos de buena calidad, debe guardar una serie de especificaciones o parámetros; de éstos algunos son consecuencia del trabajo de recolección, centro de acopio y equipos de preparación y molida de la caña, y otros son consecuencia de la depuración posterior a que se somete el bagazo integral, conocida como desmedulamiento primario. El conjunto de estos parámetros define la calidad del bagazo y ésta puede determinar el éxito o el fracaso de las operaciones o etapas subsiguientes de su industrialización, poniendo en juego la economía del combinado y las especificaciones del producto final . 5.1 PARÁMETROS PRIMARIOS QUE DETERMINAN LA CALIDAD DEL BAGAZO Los parámetros primarios son los que definen la calidad del bagazo que entrega el central azucarero a la fábrica de derivados y van a tener una incidencia importante en las operaciones de transporte, almacenamiento, desmedulado y tratamiento posterior del bagazo . Estos son : Pol y humedad, contenido de fibra y granulometría del bagazo . 5.1.1 Pol y humedad Estos parámetros son consecuencia directa de los equipos de preparación y molida de la caña. El Pol representa el contenido de sacarosa 96° del bagazo (base húmeda) y su valor debe estar entre 2 - 3 %, lo que representa un contenido de sacarosa de 4 - 6 % del bagazo (b.s.) . La humedad a la salida del tándem debe estar entre 48 - 50 % . Cuando uno o ambos parámetros tienen valores por encima de los antes mencionados se puede afectar el, almacenamiento del bagazo, fundamentalmente, el de pacas húmedas, acelerando los procesos fermentativos que pueden llegar a producir alta degradación con destrucción de las fibras ; una alta humedad puede dificultar o disminuir la eficiencia de las operaciones de desmedulado, empacado y trans" porte del bagazo. Haciendo una comparación entre un bagazo bien conservado y otro que ha sido degradado durante el almacenamiento, se encuentra en este último, un bajo tanto por ciento de pentosanas, consecuencia de una prehidrólisis, alta solubilidad en NaOH a 1 %, oscurecimiento del bagazo y una disminución notable en el grado de poli-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

128

eterización de la celulosa . Estos cambios traerán ineficiencias en los procesos de pulpa, papel y tableros, así como afectaciones considerables en la calidad del producto final . 5.1 .2 Granulometría del bagazo Se le llama así a la distribución de tamaño de partículas del bagazo, de acuerdo con el análisis, por tamices . La granulometría del bagazo depende, fundamentalmente, del trabajo de los equipos de preparación de la caña y, en menor grado, de los equipos de molida o tándem propiamente dicho. Trabajos realizados en el ICIDCA y el ICINAZ, utilizando la computación y métodos estadísticos, han demostrado que existe una influencia de la variedad cañera en la resistencia relativa al trabajo mecánico, lo cual quiere decir que para un mismo trabajo de preparación y molida, diferentes variedades cañeras pueden producir diferentes granulometrías, se acepta la existencia de variedades blandas o relativamente menos resistentes al trabajo mecánico y otras duras o relativamente más resistentes . De todo lo anterior se deduce que es necesario conjugar el tratamiento mecánico y las variedades cañeras para lograr una granulometría óptima . Cuando el bagazo integral presenta un alto tanto por ciento retenido en las mallas mayores (1 y 2,5 ASTM), mediante la técnica DP-2, del ICIDCA o muy bajo tanto por ciento en las menores (representado por P-16 ASTM), esto es un índice de un trabajo mecánico deficiente y si ocurre lo contrario, un trabajo mecánico excesivo. Una distribución de tamaño de partículas fuera de especificaciones puede traer como consecuencia : 1 . Disminución de la eficiencia de desmedulado o incrementos excesivos de pérdidas. 2 . Dificultades en el bombéo y mezclado del bagazo en suspensión acuosa. 3. Afectación de la longitud promedio de las fibras de bagazo. 4. Dificultad en la impregnación del bagazo por productos químicos. En los últimos años, se ha desarrollado una política en los centrales azucareros, de aumento del grado de preparación de la caña, con objeto de minimizar las pérdidas de azúcar . Esta práctica puede ser también útil a las industrias consumidoras de bagazo, si el tratamiento mecánico va orientado, principalmente, hacia la desfibración y no al corte de las fibras, produciendo, de hecho, un alto desprendimiento de la medula que

será' más eficientemente separada en la etapa primaria de desmedulado, sin afectar, de manera considerable, la longitud promedio de las fibras de bagazo. Esfuerzos conjuntos en este sentido se llevan a cabo en el Centro Experimental del Desarrollo de la Caña de Azúcar, en Quivicán, Cuba. En la tabla 59 se presentan algunos bagazos con buena distribución de tamaños de partículas . TABLA 59 Distribución del tamaño de partículas de bagazo entregado por diferentes centrales País

Unidad

Fracción

R-1

R-2.5

P-16

3,5

30,0

22,0

35,5

16,2

Cuba

1^ de Mayo

Irán

Iran Papers Co.

Cuba

Pablo Noriega

0,7

16,0

30,0

Cuba

Camilo Cienfuegos

2,5

13,5

33,0

-

5.1.3 Contenido de fibra del bagazo El contenido de fibra del bagazo integral (b .s.) ha sido reportado, por diversos autores, en alrededor de 60 % ; el resto está formado por medula, finos, tierra y sólidos solubles, en el orden de 40 % . Con el desarrollo de la mecanización, así como con la utilización creciente de variedades relativamente blandas, de bajo contenido fibroso y alto tanto por ciento de sacarosa, estos valores aceptados mundialmente, han sufrido variaciones. Aplicando la técnica DP-1, desarrollada en el ICIDCA, para la determinación del contenido de fibra y medula a bagazos procedentes de diferentes centrales se han podido establecer, para el bagazo a la salida del tándem azucarero, los parámetros expuestos en la tabla 60. TABLA 60 Contenido de fibra y medula del bagazo integral (Norma DP-1) Fracción

Rango (%)

Fibra

55,0-60,0

Medula

30,0-35,0

Finos, tierra y solubles

10,0-15,0

BAGAZO

12 9

Otras técnicas utilizadas como análisis de control para la determinación del contenido de fibras del bagazo son : las desarrolladas por Kao en la Papelera Pulpa Cuba, la de Misra, desarrollada en Mandia, la de Kimberly Clark y una desarrollada por la TAPPI, entre otras. Aplicando el análisis estadístico comparativo a la técnica DP-1 con otras similares, se obtuvieron resultados favorables en la repetitividad y el error del análisis, su valor absoluto estuvo en el nivel inferior del rango de variación del contenido de fibra que resultó de 4 % para las diferentes técnicas, por lo que se considera que sus resultados son seguros . El error de esta técnica es de 2,0 % para bagazo integral, éste disminuye en la medida en que aumenta el contenido de fibra de los bagazos analizados y alcanza el valor de 0,8 % en el bagazo desmedulado en suspenTABLA 61 Balance de materiales de un desmedulado en molinos Composición morfológica Bagazo integral

Fracción separada

Bagazo desmedulado (°.8)

Fibra

55

4

51

73,0

Medula

35

22

13

18,5

Finos y solubles

10

4

6

8,5

100

30

70

100,0

Totales

TABLA 62

Especificaciones de calidad de bagazos entregados Bagazo

Integral

Desmedulado

5.2 ESPECIFICACIONES DE CALIDAD DEL BAGAZO ENTREGADO POR EL CENTRAL AZUCARERO En la tabla 62 se resumen los rangos de los parámetros de calidad del bagazo integral y de un bagazo desmedulado en molinos de martillo .

6 Bibliografía AGÜERO, C.: "Calidad del bagazo industrial de la zafra de 1972 ." Subdirección de Celulosa, ICIDCA, 1972 . ANóNIMO: "Normas de calidad para el suministro de bagazo a la industria de pulpa, papel y tableros." ICIDCA, 1979. ATcHisoN, J. E. : "Métodos modernos de desmeollamiento del bagazo y su explotación en gran escala para fabricación de pulpa, papel y tableros ." Mera. 34 Conf. ATAC, 1970 . -----"Review of modern methods of bagasse depithing." Proc. XIV ISSCT Cong ., Louisiana, pp . 1202-1217, 1971 . ------ . "Modern methods of purchasing, handling storage and preservation of bagasse. Major advances in the sixties," 40 Conf. ATAC, 1972. BAMBANASTE, R. : "Influencia de las variedades cañeras en la industria de pulpa y papel." Simposio 10 años ICIDCA, 1973 . ------ "Calidad del bagazo industrial ." Subdirección de Celulosa, ICIDCA, 1973 . ------ "Calidad del bagazo industrial ." Memoria tecnológica, ICIDCA, 1979 .

Composición morfológica (4b) Fibra

55-60

72-74

Medula o parénquima

30 .35

18-22

Finos y solubles

10-15

8-10

0-8

0 .4

Partículas pequeñas pasadas por malla 16

10-25

10 .20

Humedad

48-50

48-SJ

Pol en bagazo

3,0 máx.

Andlisis granulométrico (°,8) Partículas grandes retenidas en malla 1

sión acuosa . El bagazo entregado después de un desmedulamiento en molinos de martillo, debe tener un contenido de fibra de 72 - 74 Bio . En la tabla 61 se presenta un balance de materiales representativos .

2,5 máx.

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Capítulo V UTILIZACION DE RESIDUOS

JOSÉ A. PADILLA MÉNDEZ JORGE

1 Introducción Entre los problemas más acuciantes que enfrenta la humanidad en el momento actual, ocupan una situación prominente la explosión demográfica, con su incidencia cada vez mayor en la insuficiente producción alimentaria, y la crisis energética mundial, con la perspectiva sombría del agotamiento, no lejano del combustible fósil . La producción azucarera ha demostrado que es capaz de satisfacer parte de la alimentación directa a la humanidad, constituyendo, muchos de sus derivados, fuentes de alimentación animal, los que a su vez complementan la dieta proteica de los seres humanos . El uso de melazas y producción de levaduras comienza a alcanzar elevados niveles de consumo . Sin embargo, los residuos agrícolas resultantes de la cosecha cañera no son empleados en la cuantía que las circunstancias actuales exigen, a pesar de representar un formidable recurso como fuente de alimentación animal y generación de energía . A modo de ejemplo podemos citar que, a escala mundial, estos subproductos, constituidos, fundamentalmente, por la paja y el cogollo, representan, una disponibilidad de 50 MMTM (millones de toneladas métricas) . Si consideramos su aprovechamiento en su forma más simple de alimentación animal directa y dando por sentado un patrón de consumo de 5,0 kg/d/res, con una ganancia de 60 g de carne, esto representaría, teóricamente, 600 MTM (miles de toneladas métricas) de carne, excluyendo del análisis los componentes minerales y proteicos de los piensos tradicionales . Si, a su vez, quisiéramos expresar estos residuos en términos energéticos y considerando que el valor calórico de los mismos de una relación con el petróleo de 2,86 :1 se podría disponer, anualmente, de un equivalente del orden de 17,7 MMTM de petróleo dejados de utilizar para estos fines. No debemos olvidar, que estos residuos representan, así mismo, una considerable fuente de materia prima para la obtención de melazas, alcohol, levaduras, fertilizantes, etc . Lógicamente, la solución del aprovechamiento de estos residuos depende de toda una serie de factores, algunos de los cuales deberán

Lois

CORREA

ser estudiados y desarrollados tales como : recolección, transporte, almacenamiento, procesos tecnológicos, etc. 2 Caracterización La composición típica de la caña, en su estado natural en el cañaveral, aparece representada en la tabla 63 . TABLA 63

Composición de la caña en la plantación Componente Cogollo y hojas verdes Vainas y hojas secas Tallos limpios

Contenido (%) 8,44 19,74 71,82

100,00

Por su estructura botánica, las funciones dentro de la caña de azúcar son diferentes, así como su composición, lo que se refleja, por ejemplo, en una distribución variada del grado Brix a lo largo del tallo. Se ha comprobado que el grado Brix disminuye en las partes más altas de la planta por una menor concentración de azúcares, en una forma proporcional . Suponiendo una relación lineal, se ha elaborado la curva representada en la figura 62 . Para la determinación de los componentes representados en la figura 62, se ha considerado un tallo de una altura máxima de 3,25 m, de la variedad H-109. La curva explica, en parte, el bajo grado Brix en el cogollo y el aumento de este último en su parte más baja. Al gráfico se le han incorporado los valores de la sacarosa, también relacionados con la longitud de la caña, obteniéndose, de esta forma, otra curva, que como se puede observar tiene, aproximadamente, la misma pendiente de la anterior. Podemos entonces afirmar que existe poca sacarosa no sólo en el cogollo sino también en las partes próximas a él; pero, además, la cantidad de azú-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZULAR

132

Fig.

62 Distribución de grado Brix y sacarosa a lo

H-109).

tares invertidos es superior, en el cogollo, que en el resto de la planta ; este valor es inverso y aumenta con la longitud de la misma. En la tabla 64 se exponen datos de la composición del cogollo y del tallo, correspondientes a la variedad B-4362, a los 20 m de edad. Como se puede observar, al contrario de la Pol y el grado Brix,los valores de los azúcares reductores aumentan, proporcionalmente, con la longitud de la planta, razón por la cual pensaTABLA

64

Composición comparativa del contenido de los jugos Jugo

de

cogollo

Jugo

de caña

Grado Brix (%)

9,55

18,20

Pol (%)

1,13

15,38

Pol (reductores) (%)

8,46

3,85

11,66

88,16

NO.

Pureza (%)

largo del tallo

(variedad

mos que dentro de una concentración dada, a cada tramo de su longitud, los azúcares totales pudieran permanecer constantes . Respecto a la paja, podemos señalar que su estructura es muy diferente del cogollo, está constituida por la vaina y la hoja seca. En la tabla 65 se muestra la composición química de este subproducto . Se reporta una disminución del contenido de lignina con el tratamiento mecánico, así mismo se observan valores altos de cenizas en la paja integral, que disminuyen después del tratamiento. Por su parte, el valor calórico de la paja es similar al del bagazo (4400 kcal - 30 hum .) quizás algo más bajo . Sin embargo, si consideramos la paja y el cogollo a un mismo valor de humedad, éste es prácticamente el mismo. No podemos dejar de considerar, aunque sea de forma somera, el valor alimenticio de estos subproductos, por ser, en la actualidad, el uso más frecuente y más conocido que los mismos tienen. En la tabla 66 presentamos una comparación de su valor alimenticio con otras gramíneas .

UTILIZACION DE RESIDUOS

133

TABLA 65 Composición química de la paja en su estado natural y molida en un molino de cuchilla (valores en bs. y %) Paja integral Paja preparada Celulosa

45,13

44,84

Lignina

14,11

12,73

Pentosanas

25,56

29,63

Cenizas

8,03

7,61

Pectina

4,28

4,24

9,78

10,28

11,0 caliente

13,35

13,49

NaOH a 1%

49,29

49,09

Alcohol-benceno

3,54

3,85

Humedad

9,67

9,64

Solubilidad en : 11,0 fría

3 Recolección y obtención de residuos agrícolas

TABLA 66 Valor alimenticio comparativo de la paja y el cogollo Proteína digestible

cias solubles en agua, polifenoles, como los carotenos, y sustancias no solubles en agua y la antocianina, esta última, soluble en agua o en débil solución alcalina, por tal razón se incorpora al jugo de caña. El contenido de antocianina varía con la longitud de la planta, en el cogollo se encuentra su mayor tanto por ciento . Su contenido en distintas variedades de caña también varía, por ejemplo, las POJ-2961 y 2952 contienen gran cantidad y las POJ-2878 y 2883 parecen poseer cantidades inferiores de este compuesto . Aunque la antocianina es soluble en agua, se le considera, por su nomenclatura, un polifenol . Al estar en contacto con el aire toma una coloración oscura, y en compuestos donde existan iones férricos una coloración intensamente oscura . Esto da una respuesta al cambio de coloración que experimenta el jugo de caña, que es más rápido en el jugo de cogollos a causa de que en esta parte de la planta está presente la antocianina, en mayor proporción que en el resto de la planta . No pocos autores han observado, en estas variaciones, la formación de dextrana en los azúcares reductores, lo que provoca una degradación más intensa de las partes superiores de la planta, en función del tiempo.

Extracto libre de Nfibra

Materia seca

(%)

(%)

(%)

Sorgo

0,8

14,0

7,0

mulo

0,7

12,1

7,0

Hojas y cogollo

0,8

12,2

8,6

De los valores de la tabla 66 se puede apreciar que sus cualidades alimenticias son perfectamente competibles con forrajes usados, tradicionalmente, como alimento animal. Como se puede observar no son abundantes los datos sobre la caracterización, lo cual no está acorde con la composición y volumen de los residuos . Si tenemos en cuenta esto, se debería incrementar el nivel de información sobre el jugo de cogollo, fundamentalmente, ya que además de azúcares, coexisten otras sustancias de interés como pueden ser las ceras, savias, gomas, etc . Muy interesante resulta la existencia en el cogollo, de sustancias como: clorofila, xantofila, sustan-

En el mundo hay muchos y diversos métodos de recolección de paja de la producción de cereales ; por ejemplo, en Dinamarca, Polonia y RDA, pero las características de estas plantas que caen, prácticamente, alineadas colinealmente al surco durante su cosecha, resultan de una solución mecánica sencilla. Además, estos materiales son, por lo regular, homogéneos en su composición y tamaño . Muy disímiles son las características de los residuos de la caña de azúcar . Otro factor de importancia lo constituye, el hecho de que la inmensa mayoría de los países productores de azúcar de caña, por su carácter subdesarrollado, no disponen de la infraestructura técnico-material . necesaria, a diferencia de la mayoría de los que producen cereales, países generalmente, con alto desarrollo tecnológico e industrial . Estas consideraciones explican, parcialmente, el poco aprovechamiento masivo de los residuos de la caña de azúcar, a pesar de ser estas zonas las que más sufren los embates de la desnutrición y la falta de alimentos en el mundo. En Cuba, observando las disponibilidades de residuos agrícolas (paja y cogollo) utilizables, vemos que los mismos pueden ser recolectados en 2 lugares : en el centro de acopio o estaciones

134

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

Fig. 63 Centro de acopio o estación de limpieza para caña verde. de limpieza de caña y en el propio campo (Figura 63) . En lo que se refiere a los centros de acopio, el diseño de éstos para expulsar la materia separada, hace que no sea difícil una solución para su obtención . Los residuos son expulsados por las bocas de los ventiladores de limpieza ; se puede concentrar grandes cantidades de este material y de ahí su factibilidad de aprovechamiento inmediato . Sin embargo, el residuo obtenido de los centros de acopio o de limpieza presenta algunos inconvenientes que complican la solución de su utilización inmediata . Esta situación es provocada, entre otros factores, por el carácter heterogéneo del material . Como vimos anteriormente, los residuos poseen 2 componentes fundamentales: fibrosos secos (paja, hojas secas, etc.) y verdes (cogollo, pedazos de caña, etc) ; es decir, uno de sus componentes posee jugo y azúcares y el otro posee poca densidad y geometría muy variable. Lógicamente, el tratamiento que debe recibir uno y otro difiere, también, en los procesos que deben seguir para sus usos respectivos . En el caso de la paja, cualquiera que sea su uso, estará implicado un tratamiento mecánico que elimine la heterogeneidad de su geometría y haga posible su compactación o utilización posterior . Sobre este aspecto se han realizado estudios e incluso pruebas en escala industrial, ubteniéndose resultados aceptables . Estos esturlios indican que la reducción de tamaño de la ;:aja debe estar basada en el principio de corte. La resistencia al esfuerzo cortante es mínimbl -ara el caso de la paja, sin embargo, la reduc-

ción de tamaño por fricción entre unas y otras, provocada por impacto, como puede suceder en una desfibradora, por ejemplo, posee una resistencia muy grande y se necesitan requerimientos elevados de potencia. Estos aspectos fueron corroborados en pruebas de molida realizadas, en las que se hizo pasar la paja colectada en un centro de acopio por un tándem de molinos con 2 juegos de cuchillas, en un caso, y, en otro, por una desfibradora de escala mediana (Fig. 64) . En el primero de los casos, los requerimientos de potencia fueron de alrededor de 20 - 25 kW y 70 % del producto fueron reducidas a una longitud máxima de 13 cm, que lo convierte en una materia prima apta para múltiples usos . En lo referente a su obtención en el campo, se han realizado algunas experiencias, las cuales, incluso, indican su factibilidad económica, a pesar de que su desarrollo está relativamente incipiente en estos momentos . La primera de estas experiencias, realizada en los cañaverales de los centrales Amistad con los Pueblos y Héctor Molina Riaño, en la provincia de La Habana, fue concebida mediante la adaptación de una silocosechadora de arrastre modelo SPKZ-160, la que se muestra en la figura 65. La mencionada adaptación consistió en sustituir sus cuchillas por varillas de acero aleado, con un límite de elasticidad alto. Para ello se tuvo la precaución, de situar dichas varillas de manera que no coincidieran con la cepa de la planta, de forma que no resultara dañada la misma. El equipo fue probado a lo largo de una

,Fig. 64 Desfibradora de planta piloto para pruebas de tratamiento mecánico de pafa.

Fig . 65 Silocosechadora de arrastre, modelo SPKZ-160.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

136 TABLA 67

Eficiencia de recolección sobre la base de la variedad de caña Variedad

Eficiencia (No)

N-366

66

B-4362

63

POJ-2878

57

zafra en las 3 variedades de caña, relacionadas en la tabla 67. Posteriormente, en la provincia de Villa Clara, se realizó una experiencia, a mayor escala, en la que targbién se utilizó el mencionado equipo y, además, otros como la empacadora de arrastre modelo PBS-160 (Fig. 66) y la silocosechadora, modelo E-280 (Fig . 67), y el hilerador modelo E-47. Para el caso de la silocosechadora SPKZ-160, basado en la experiencia anterior, se estudió el comportamiento de las varillas de acero o resortes y se llegó a la conclusión de que el tiempo de parada se incrementaba, notablemente, a causa de la rotura de dichos resortes . Se procedió, entonces, a la instalación de sus cuchillas originales retirándoles el filo y variando, convenientemente, su geometría . A su vez, no se situaron cuchillas en las posiciones que coinci-

dían con la cepa de caña, al igual que en el resto de los equipos antes mencionado . En los restantes equipos, el hecho de situar sus elementos de recolección de manera que no coincidiera con la cepa de la planta, constituyó la única modificación para poder recolectar los residuos . La empacadora de arrastre PBS-160, posee varillas de acero para la recolección y es capaz de compactar los residuos en pequeñas pacas que, normalmente, deja a su paso sobre el terreno. Su capacidad en turnos de 8 h es de, aproximadamente, 40 - 50 t de residuos . No es difícil la adaptación de un conductor anexo para que sean cargadas las pacas en algún vehículo auxiliar, aumentando de esta forma, su eficiencia de recolección . La silocosechadora E-280 es un equipo autopropulsado, con una gran capacidad de recolección de alrededor de 40 - 50 t de residuos, en un turno de 8 h . Recoge el material de forma análoga al- de la silocosechadora SPKZ-160. Para realizar su trabajo se debe relacionar con otro equipo, en este caso el hilerador modelo E-47, que alinearía todo el residuo al centro del camellón, donde, con posterioridad, lo recogería la máquina E-280, anteriormente citada . En general, la composición de los residuos recogidos por las empacadoras .contiene, fundamentalmente, paja y una pequeña porción de cogollo y pedazos de caña; por el contrario, las silocosechadoras recogen, fundamentalmente, cogollo, pedazos de caña y una pequeña porción de paja.

Fig. 66 Detalle de las varillas de recolección de la empacadora de arrastre PBS-160.

137

UTILIZACIóN DE RESIDUOS

Fig. 67 Silocosechadora, modelo E-280.

La composición del producto obtenido del trabajo de estos equipos, cumple los requisitos de homogeneidad aceptable para su posterior uso. En el caso del cogollo y los pedazos de caña que son recolectados, por sus propiedades aerodinámicas, densidad, etc., bien conocidas, no es difícil de obtener un producto apto como materia prima. 4 Transporte

Entre los aspectos relacionados con la manipulación de los residuos, uno de los más importantes por su incidencia técnico-económica lo constituye la transportación . Los residuos agrícolas son materiales de baja densidad y cuando la carga, de cualquier producto de esta naturaleza, está limitada por volumen y no por el peso, la utilización de todo el espacio disponible y la obtención de una buena compactación, llegan a ser importantes para la economía de transporte . Es conocido, que los medios y esquemas de transportación utilizados en la industria cañera no son los más idóneos para la manipulación de materiales de baja densidad (Fig. 68) . A modo de ilustración podemos citar, los valores del coeficiente de aprovechamiento de carga (K), en ve-

hículos que transportan caña limpia y con paja, a partir de cuyos resultados se pudo calcular dicho coeficiente para el caso de transporte de paja solamente . Los resultados se exponen en la tabla 68. Debemos señalar, que para valores de K = 0,5, existe una situación de disminución de rentabilidad, prácticamente inaceptable para la gestión de transporte, teniendo en cuenta los equipos de que disponemos para el tiro de caña . Como comprobación de estos cálculos teóricos, TABLA 68

Indice de aprovechamiento de capacidades de transporte cañero (K) Material

Caña (15 % paja) Caña (22-27 % paja) Paja, cogollo, caña seca, etc.

Carreta 0,9

Camiones 0,8

OS

0,4

0,3

0,2

138

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

Fig. 68 Vagón de ferrocarril típico para transporte cañero.

se realizaron pruebas de transportación con paja colectada en estaciones de limpieza (centros de acopio) . Para este fin se emplearon camiones de 6,0 t de capacidad de carga, lo que dio como promedio un coeficiente K en un rango de 0,24 - 0,34 . Podemos contemplar el transporte de residuos en 2 fases : interna y externa . La externa se aplica a toda fase que tiene lugar fuera de la industria a la cual iría destinada . La interna incluye operaciones de recepción, descarga y manipulación, de acuerdo con las características del producto final en la propia industria . La transportación externa está indisolublemente ligada a las soluciones de recolección de la paja. En cualquier opción, el equipo recolector debe tener la posibilidad de realizar una reducción de tamaño de la paja, de manera de poder homogeneizar más el producto y, consecuentemente, aumentar la densidad en bulto del material. Los valores bajos de K podrían ser sustancialmente aumentados, si la operación de reducción de tamaño de partículas se combina con otras soluciones de compactación como, por ejemplo, empacar el material a continuación de su recolección y tratamiento mecánico en un todo. Lo anteriormente expuesto es válido, si se trata de la recolección en el campo, ya que en el caso de los centros de acopio o estaciones de limpieza, la recolección se simplifica, ante el hecho de tener el material concentrado en un punto, para lo cual se podrían contemplar solu-

ciones de briqueteo o paletizado, siempre que se cree la infraestructura necesaria para estos fines. La recogida y apilado de paja desde el almacenamiento de éstas al aire libre, se puede hacer con una especie de tractor o bulldozer, que empuje o recoja la paja hasta la estera o recogida, conectada al equipo de reducción de tamaño (molinos de cuchillas o combinación de cuchillas con martillos) . Para la transportación interna, los tractores, sistemas de transporte neumático, los transportadores mecánicos, estructuras de carga y descarga y distintos tipos de depósitos y silos, son equipos corrientes que podrían ser fácilmente adaptados, en la medida que se logren avances en la operación de reducción de tamaño y homogeneización de la granulometría del material . 5 Vías de utilización Las vías de utilización de paja y cogollo las podemos considerar clasificadas en 2 grandes grupos : alimentación animal y fines energéticos . A su vez, para cada grupo existen diferentes alternativas, las que se muestran en la figura 69. En el caso de alimentación animal, las más importantes son : fuentes de proteínas para alimentos y de energía metabolizable, con el mismo fin . En el aspecto de utilización de los residuos con fines energéticos, tenemos : a) posibilidades de utilización directa, b) incorporado a la caña o c) bien incorporado al bagazo .

UTILIZACION DE RESIDUOS

13 9

-

Utilización directa

- Incorporación en la caña

Procesos fermentoodn

~Tratomiento mecánlco

Pmcesos mficrabiológicos

I- Tratamiento

- Incorporación en bagazo

Tableros Furfural - Torulo - Arcobol

químico

rig. 69 Vías de utilización de paja y cogollo.

5.1 ALIMENTACION ANIMAL 5.1 .1 Fuente proteica Para lograr complementos proteicos, al pienso de muchas especies ganaderas, aparecen reportados hasta la fecha 2 vías de tratamiento, ambas en fase experimental : 1 . Métodos fermentativos . 2. Métodos microbiológicos . Sobre el primero, existen referencias que aseguran la obtención de elevados porcentajes de proteína bruta; o sea de 50 - 65 oio de proteína digestible, lo cual equivale a valores del orden de 6 - 8 % de proteína bruta, utilizándose residuos de la cosecha de remolacha . En el propio experimento con bagazo de caña, se obtuvo mejores resultados . El tratamiento consiste, en someter el material a un proceso de cocción, al cual se adiciona urea y alguna sustancia tope (buffer) con el objeto de estabilizar el pH. A continuación se enfría y, posteriormente, se fermenta, haciéndole pasar una corriente de aire por el inferior de la templa (batch),. hasta concluir la emisión de dióxido de carbono y vapores alcohólicos (que pueden ser recuperados) . Finalmente, el producto es compactado en forma de briquetas, o paletas (pellets) para su ulterior utilización. En realidad, no tenemos noticias de que esta tecnología, ni ninguna otra similar, haya rebasado el marco experimental, y la anteriormente

expuesta es en sí la que mejores resultados ha logrado, a una mayor escala. Sobre el método microbiológico tampoco tenemos noticias que se haya implementado industrialmente. De la literatura consultada se conoce que existen hongos de producción roja que degradan parte de la lignina . Los trabajos actuales de investigación, se encaminan a encontrar una cepa que degrade solamente la lignina, ya que los otros componentes (celulosa y hemicelulosa), más los propios hongos, forman un compuesto de alto valor proteico. Sobre este aspecto, se reportan trabajos en los que han sido probadas diversas cepas de estos tipos de hongos en el serrín, lo que mejoró la digestibilidad, en un valor alto y con una elevada deligrificación . Otros autores encontraron 2 cepas que aumentaron la digestibilidad de 46 % a 74 %, en un período de 2 a 3 m; el serrín perdió 20 % de su peso, y entre 20 - 56 1 de la lignina de los hidratos de carbonó iniciales . También se conocen métodos que hidrolizan los polisacáridos de la paja; con una fermentación posterior, se obtuvo de 7 - 8 % de proteína y una digestibilidad del orden de 47 % . Este valor no aumenta la disponibilidad de los hidratos de carbono iniciales, para el rumiante ; aunque el nitrógeno se convierte en proteínas unicelulares en el rumen del animal, sucede lo mismo si la paja se complementa con urea. Por su importancia, es necesario recalcar el hecho de que de 7 - 10 % de proteína '- :a, si no van acompañadas de una digestibilidad alta, no constituyen un logro en

140

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZDCAR

la búsqueda de producto con un alto valor proteico . Aunque la duración de los procesos microbiológicos puede alcanzar 3, 4 ó 5 m es posible su utilización, si se tiene en cuenta el carácter cíclico de la cosecha azucarera en Cuba, que obliga a almacenar materia prima una buena parte del año para ser utilizada en el período de no zafra. 5.1.2 Fuente de energía metabolizable Se distinguen 2 métodos fundamentales : físico y químico . Tanto uno como otro tratan de aumentar la digestibilidad de la paja y lo logran en 10 - 12 %, según el método empleado . Ambos métodos se aplican, en la actualidad, para pequeños volúmenes en el campo o a escala industrial. Un aspecto de interés lo constituye la rentabilidad de cualquier tratamiento a la escala en que se aplique . Se puede decir, por ejemplo, que en algunos países de Europa Occidental estos métodos son rentables si se obtiene la paja como subproducto de la cosecha de una misma gestión económica o de otra gestión, si el precio de las materias es muy barato . Existen países muy desarrollados en este aspecto, en Europa, fundamentalmente, que cuentan con instituciones investigadoras que estudian el desarrollo de plantas industriales para el tratamiento de estos subproductos. En Asia existen países, como la India, en los que de manera tradicional la paja constituye un alimento básico para el ganado, lo cual resulta rentable. En el caso particular de los países asiáticos, la paja es utilizada, en pequeñas cantidades, en el campo, el costo de la mano de obra es extraordinariamente bajo y en algunos casos casi .nulo como consecuencia de no disponerse, en algunos de estos países, de la infraestructura y condiciones locales necesarias para su eficiente aprovechamiento . 5.1 .2.1

MÉTODO FISICO

Algunos investigadores estudiaron la problemática relacionada con la molienda de forrajes y demostraron que la misma aumenta la ingestión y el peso del animal. En realidad, estos métodos disminuyen la digestibilidad del material, pero aumentan el valor energético neto, a causa de que el animal utiliza, más eficazmente, los nutrientes digeridos . Este valor es, aproximada mente, de 30 % (ingestión), lo que, de cierta manera, suple la baja digestibilidad . Otros trabajos en los que se empleó la cocción de la paja a alta presión (30 kg/cmz), en pajas de gramíneas, permitieron observar un aumento de la digestibilidad de 20 % y con un tratamiento químico previo a la cocción se obtuvo

un valor de 40 % . En los tratamientos industriales no se emplean aislados los métodos de cocción y mecánico, sino que éstos constituyen partes de procesos más complejos . 5.1 .2.2

MÉTODO QUfMIC0

Para su estudio y sobre la base del carácter del tratamiento aplicado podemos dividirlo en: a) Húmedo. b) Seco. c) Industrial . Los 2 primeros se utilizan en pequeñas cantidades en el campo : Tratamiento húmedo. Se distingue entre otros el Beckman y el Beckman modificado . El Beckman es quizás el más sencillo de los métodos de tratar la paja por esta vio, y consiste en emplear un recipiente en el que la misma es colocada, aplicándosele una solución de NaOH, con una concentración determinada . Si dicha concentración es del orden de 12 %, referida al peso de paja, se obtiene la máxima digestibilidad . Los incrementos de la digestibilidad oscilan entre 14 y 27 %, a una concentración de 12 % de NaOH, referida al peso del material tratado. Además, no deja, prácticamente, sodio libre de la reacción en el producto . Como desventaja se puede citar el excesivo consumo de agua requerido para su funcionamiento . El tratamiento Beckman modificado, consiste en el empleo de 3 depósitos rectangulares y paralelos entre sí, de iguales dimensiones, excepto el del centro que tendrá el doble del largo y el doble de su capacidad en volumen . Los 3 poseen planos inclinados en uno de sus laterales, en los cuales se coloca la paja para favorecer el drenaje y la recuperación del líquido en el propio tanque, como resultado de dicha inclinación . Cada bulto de paja es sumergido, durante cierto tiempo, en cada recipiente; con posterioridad, se escurre y se sumerge en el otro recipiente y así, sucesivamente, hasta concluir el tratamiento. Este método elimina la deficiencia de los excesivos gastos de agua, lográndose las mismas ventajas, en lo que se refiere a la calidad del producto, con un mínimo incremento en costos de inversión. Tratamiento seco o aspersión (con NaOH). Este método consiste en confeccionar una pila de paja en forma piramidal de, aproximadamente 4,0 m de altura, la misma se atomiza con una solución de NaOH, a una concentración de 4 %, referida al peso de la paja. Estudios efectuados indican que si se utiliza esta concentración no habrá sodio libre en la reacción, y por

UTILIZACION DE RESIDUOS

Y

A

Fig . 70 Esquema del sistema Beckman modificado.

tanto, no habrá daños a la salud del animal a causa de la ingestión de esta sustancia. Tiene la desventaja que no posee la digestibilidad de los métodos húmedos, pero elimina todo gasto de agua y con ello evita la contaminación de las fuentes pluviales destinadas a ese fin. Con anterioridad nos referimos a combinaciones de los métodos físicos estudiados conjuntamente con tratamientos químicos . Describiremos una de estas combinaciones realizadas en un país de Europa. Se trituró la paja, posteriormente a habérsele rociado una solución de NaOH diluida a 4 %, concentración referida al peso de la paja. Se apiló en tongas y se pudo observar un aumento de la temperatura en el centro de las mismas de 80 - 90'C, posiblemente como resultado de la reacción del álcali con los ácidos que contiene la paja . Esta temperatura crea sustancias enzimáticas que predigieren el producto y de ahí el aumento relativo de la digestibilidad de la materia orgánica . Muchos autores se refieren a la digestibilidad enzimática y otros a la digestibilidad de la materia orgánica . Siempre nos referiremos a esta última, por la relación que tiene con la conversión de proteínas y por otros indicadores, tanto una como otra tienen una relación lineal. Por vía seca con NH3 . Consiste en pacas entongadas, en pilas rectangulares de iguales medidas en su ancho, largo y longitud ; pueden ser pequeñas o grandes, según la capacidad de bombeo del amoniaco de que se disponga . Normalmente, se emplean de 1,0 m', aproximadamente . Al colocar las pacas en las pilas, se dejan espacios por filas, en los que se introduce un tubo perforado, por el cual se suministra el NH3 . POS" teriormente, se tapan varias semanas y quedan listas para el consumo. Este tratamiento tiene algunas ventajas sobre los métodos con álcali ; por ejemplo, no hay posibilidad de residuos de

sodio, aumenta el contenido de nitrógeno de la paja e incrementa, en 10'- 12 %, la digestibilidad del producto . Sus desventajas, en realidad, son varias, con relación a los métodos con álcali; en particular, el hecho de que el NH3 es una base más débil que el NaCH y, por consiguiente, no es posible alcanzar el incremento de la digestibilidad en aquél Este valor puede llegar a un amoniaco que hace el tratamiento prácticamente no rentable. Por otra parte, 65 %, aproximadamente, o más del amoniaco no reaccionan y, por lo tanto, hay que evacuarlo con cuidado . Además, si la paja queda húmeda, habrá un exceso de NH3, suficiente para disminuir el consumo voluntario del animal a valores prácticamente nulos. Insistimos en que lo más desventajoso es la pérdida del amoniaco que hace el tratamiento prácticamente no rentable . Tratamiento industrial. Se puede decir que consiste en la fusión de los métodos físicos y químicos de la paja, y su fase principal la encontraremos en el tratamiento químico, por vía seca. Con este proceso se logran digestibilidades de 60 - 65 % ; también aumentan con el tratamiento industrial la apetencia y el valor nutritivo ; esto obedece a la ruptura de los vínculos lignocelulósicos y, por ende, al mejoramiento de la asimilabilidad de la celulosa. En la figura 71 ilustramos el procedimiento de referencia para el caso de una planta con una tecnología típica. Se deduce que la paja se almacena en pacas y, por tanto, se incorpora a la fábrica de esta forma. Estas son desintegradas en el rompepacas; posteriormente, pasan a un molino de martillos o de cuchillas donde se fracciona la materia a una composición granulométrica dada. Ya fraccionada, se mezcla con NaCH durante un tiempo que oscila entre 5 - 20 min, según el

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

142

TABLA 69 Análisis con paja de gramíneas tratadas con NaOH

T

Paja no. Paja tratada tratada más más torta torta, de maní de maní

ACAS

MOLINO DE MARTILLOS

HARINAS

Consumo de paja (kg/d)

4,3

6,0

Consumo de concentrados ( )

0,8

1,0

250,0

420,0

400,0

238,0

-Ganancia enpeso (g/d) No OH

Días para alcanzar 100 kg de peso

MEZCLADO

5.2 FINES ENERGÉTICOS 5.2 .1 Utilización directa PAL£TIZA00

PESAJE ENVASE

J

Fig . 71 Producción de pienso a partir de paja (método NaOH),

material que se vaya a tratar, además, se le agrega el resto de los componentes del pienso en forma de harinas ; para esta función se utiliza regularmente un "doble mezclador", donde la parte superior se mezcla con Na0H, hace la retención del producto en el tiempo y pasa a la parte inferior para mezclarse con las harinas, también se pueden utilizar silos para el primer mezclado . Posteriormente, se puede paletizar, pesar y envasar para el almacenamiento o consumo del producto, al utilizar dicha tecnología con 300 toros en ceba, se aportaron los resultados que se exponen en la tabla 69 . Del análisis de los resultados de la tabla 69 se puede apreciar la disminución notable de los días necesarios para obtener 100 kg de peso. En nuestro país contamos con una pequeña planta con tecnología similar que trata la paja de arroz; pero no utiliza el tratamiento químico .

Se puede asegurar, sin temor a equivocarnos, que la utilización de los residuos agrícolas con fines energéticos, constituye uno de los aspectos que más estudio requiere, considerando la situación energética mundial . El aprovechamiento de los residuos agrícolas, como combustible, enfrenta problemas relacionados con sus características físicas (baja densidad, granulometría, etcétera) y con su recolección en el campo, manipulación y transporte. El hecho de que la paja y el cogollo representen 25 % de la caña completa, al ser referido a la producción, azucarera de América Latina, representa un equivalente aproximadamente de 80 000 000 t anuales de petróleo . De ahí la importancia que entraña elaborar una estrategia con vistas a un uso energético racional . En la medida que se obtengan logros en el desarrollo de su manipulación, recolección y transporte, así como en la forma de tratamiento para lograr la granulometría requerida para su combustión, podremos disponer de criterios que permitan una valoración técnico-económica adecuada, sobre su eventual utilización para los fines mencionados . Al plantear la utilización de los residuos en su conjunto, incluimos los que quedan en el campo ; entonces surgen interrogantes sobre la incidencia que pudiera causar sobre el terreno en la plantación cañera, con respecto a la retención de humedad, al papel que juegan como nutrientes de materias orgánicas, resistencia a la erosión, efecto de lluvias sobre la capa vegetal, etcétera, todo lo cual complica el análisis del problema, contemplado integralmente . Es por ello, que cualquier análisis técnico que se realice sobre el aprovechamiento, con fines energéticos,

143

UTILIZACIÓN DE RESIDUOS

de los residuos agrícolas, no debe ignorar el resto de los factores de carácter agrícola que lleva aparejado . 5.2.2 Incorporado a la caña Es práctica generalizada en algunos países, la quema de la caña en el propio campo, previo a su recolección, con el objeto de enviar a la fábrica de azúcar la materia prima lo más posible libre de pajas y otros residuos, aumentando, paralelamente, los niveles de productividad en los aspectos de mecanización y transportación . Por lo general, las combinadas cañeras se utilizan en caña verde, para obtener mayores rendimientos en sacarosa por peso de caña, ya que el deterioro de los trozos cortados aumenta en el caso de la caña quemada . En Cuba, se realizó, en varios centrales de La Habana y Matanzas, en el año 1968, una experiencia que consistió en quemar la paja en un horno ubicado en el área del basculador, antes de ser recepcionada la caña para el proceso de producción de azúcar . Con los gases recuperados de la combustión de la paja se producía vapor en una pequeña caldera conectada al horno . Como ventaja adicional se esperaba eliminar los centros de acopio, manteniendo a los macheteros con una alta productividad . La humedad, en ocasiones excesivamente alta, y el bajo aprovechamiento de la capacidad de tiro y transporte, además de otros factores, redundaron en resultados negativos de la instalación . Como aspecto positivo se puede señalar que disponemos de la concepción de un horno para quemar paja que puede servir, mediante un previo análisis, para mejorar el diseño de un equipo para la combustión y aprovechamiento energético de los residuos por vía directa, sin que se descarte la posibilidad de quemar la paja incorporada a la caña. 5.2 .3 Incorporado al bagazo Si los residuos son molidos juntamente con la caña, aparecerán mezclados con el bagazo y, de esta forma, serían también utilizables con fines energéticos . No se tiene noticias que se haya utilizado el bagazo de esta operación para otros usos, o para venderlo como energía eléctrica a la población. En Filipinas se hizo un intento de molerlo todo, simultáneamente, no se reportaron buenos resultados . Este método pudiera tener las siguientes ventajas : 1 . Aumento de la productividad de los macheteros.

2. Eliminación o disminución de los centros de acopio . 3. Disminución de las pérdidas de caña durante la recolección en el campo. 4. Facilidades de mecanización en el corte. 5 . Excedentes de energía por concepto de aumento del volumen de bagazo . 6 . Total aprovechamiento de la sacarosa. Como desventajas que poseen incidencia en la industria, a su vez se pueden señalar : 1 . Aumento de las bagazo .

pérdidas

de

Pol en

2. Mayor consumo de potencia (no se conoce cómo se comporta respecto al aumento del bagazo) . 3 . Posible aumento del volumen de cachaza y de su composición . 4. Ligero aumento del volumen de bagacillo . 5. Aumento de los volúmenes de miel, disminuyendo la capacidad en la casa de calderas. Incidencias negativas sobre el terreno : 1 . Posible pérdida de los nutrientes orgánicos. 2. Puede disminuir ja humedad necesaria para este tipo de cultivo . 3 . Posible aumento de malas hierbas . Respecto a su posible incidencia negativa en la industria, se debe señalar que, en realidad, la misma no ha sido demostrada, lo que constituye, en gran parte, criterios que existen desde hace mucho tiempo, s.n un basamento muy sólido . Este aspecto debe ser objeto de estudio, de-manera de poder evaluar sus posibilidades reales . De la incidencia negativa sobre el terreno podemos señalar, que existen muchos trabajos realizados en nuestro país, acerca de estos aspectos, que posibilitan la comprensión de la necesidad del análisis de los mismos . Por ejemplo, se realizó un estudio referente al desarrollo de los retoños, analizándose, por separado, la nutrición de los componentes N, P y K de un abono químico .

144

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

Se demostró, que durante los 6 primeros meses, el grueso del N se almacena en las hojas, hasta concluir la fase de crecimiento (6 m) . El consumo de éste no aumenta en valores apreciables, manteniéndose 1 ó 2 m más en su último valor y disminuyendo, paulatinamente, al concluir la cosecha (18 m); en el caso del cogollo, el contenido de N es casi nudo. Otros trabajos efectuados, también con abonos N, P y K, demostraron que a los 8 m la planta (caña) había consumido casi todo el N y en este tiempo los demás componentes (P y K) permanecieron, prácticamente, constantes . De éste y de otros trabajos se concluyó que el N favorece el contenido de fibra y disminuye el contenido de humedad . Después de los 8 m la planta experimenta una necesidad de P y de K. El P se encuentra en todas las células vivas de la planta ; al morir éstas se forman ácidos lesitinosos que hacen abandonar el componente de los materiales en los primeros 2 ó 3 m de la humificación . Con relación al proceso de humificación de la paja, se realizó un trabajo en que se demostró, que si la paja se entierra (como se hace por lo regular), en lugar de beneficiar la planta ésta empobrecía, ya que al caer los residuos al terreno y aumentar su humedad, comienza el proceso antes descrito, el cual se origina por la formación de bacterias que degradan la celulosa y consumen cantidades notables de N en esta acción . Este proceso termina al cabo de los 10 m (tengamos en cuenta que hasta los 8 m, la planta prácticamente sólo consume N de sus nutrientes orgánicos) . Por otra parte, el P se desprenderá de la planta en forma de ácido, mucho antes que la planta lo necesite (después de los 8 m, aproximadamente) y durante ese tiempo la evaporación, el aire y las lluvias harán que queden pequeñas partes del P y el K, que la planta podrá asimilar casi totalmente. Respecto a la humedad planteamos, que si se tiene en cuenta que a los 8 m ha concluido la fase de crecimiento y a la mitad de ese tiempo la paja ha caído en una cantidad considerable, 'sta podrá retener la humedad ; esto se puede apreciar en los campos de caña nueva . Es también verificable que las hierbas que más afectan a la caña son las llamadas guinea y americana que pertenecen a la familia de las gramíneas y, por tanto, la paja no impide su desarrollo. Sin embargo, en el caso de otras especies de hierbas parásitas, la paja realmente sí impide su desarrollo. Sobre las desventajas que inciden en el proceso industrial, nos detendremos a analizar los efectos, por separado, de la paja y el cogollo. La composición de la paja es muy parecida a la del bagazo, a excepción de que la primera no con-

tiene azúcares y posee una humedad natural inferior a la del bagazo . Moler la paja junto con la caña aumentarla la fibra en un valor de 8 % y resultaría una pérdida en bagazo en el trabajo de extracción en el tándem. Un trabajo realizado con estos fines en el que se molió caña con paja y cogollo, por cada 1 % de residuos, arrojó los siguientes resultados: 1 . Aumento de

2,75

% del volumen de caña.

2.

Aumento del consumo de potencia en el molino en 2,86 % .

3.

Disminuye la extracción de sacarosa en 0,41% .

4. Disminuye el recobrado a un mínimo de 1,35% .

Aanalicemos, ahora, el efecto de moler con cogollos solamente . Para ello nos referiremos a la tabla 70, en la que se puede ver que sobre la base de los datos del jugo de los cogollos, y aplicando la fórmula de Winter y Carp, podemos calcular las pérdidas en azúcar, la ganancia en aumento de bagazo y el aumento del volumen de las mieles finales . Precisamente, este aumento determina las pérdidas en azúcar, aumenta el volumen de las mieles, disminuyendo la concentración de sacarosa y, por ende la capacidad de cristalización y centrifugación. En la propia tabla 70 se observa, también, que la paja sólo aumenta la fibra, significativamente, por lo que a juzgar por los datos de que se disponen, la inclusión del cogollo a la molida no sería rentable para la industria . Después de comprobados todos los datos disponibles de diferentes -fuentes se pudiera concluir que la paja puede ser molida con la caña, no así el cogollo, que afectaría la economía, sensiblemente, si se tiene en cuenta la relación de los precios actuales de ambos productos en el mercado mundial (US $600,00 la tonelada de azúcar y US $100,00 la tonelada de miel, aproximadamente) . Para reflexionar sobre esta posible conclusión analicemos un trabajo realizado, en Cuba, sobre el despunte bajo o alto del cogollo en la caña, considerándose, para el bajo, 30 cm debajo del cogollo y, el alto, a 10 - 15 cm debajo del cogollo . Se demostró que en el despunte bajo se obtenía mucho más rendimiento que en la caña entera y el despunte alto. Para aportar más elementos recurriremos de nuevo a la figura 62, en la que se muestra que la mayor cantidad de sacarosa se concentra en las partes bajas de la planta. Si se tiene en cuenta que la distribución de azúcares es homogénea en la longitud del tallo, quedará entonces

14 5

UTILIZACIóN DE RESIDUOS TABLA 70

Molida con paja y cogollo Datos preliminares

Considerando incremento de 6 % de fibra (paja)

% ^ Bx

9159

Pérdidas de azúcar : 0,46 %, base 96

% POI

1.13

Ganancia en bagazo: 12,46 % Ganancia en mieles finales : 1,6 %

% no Poi (Ss) Pureza (C) Fdrmala de Winther y Carp.

g,46

11,16

X = S (1,4 : 40/C)

Azúcar aprovechable (% Pol) X, = 5,34 azúcar cristalizable X, = 39,9 azúcar no cristalizable X =

S = Poi C

= Pureza

en la parte más alta, mayor concentración de azúcares no cristalizables y el tanto por ciento de azúcares totales, lo mismo en el cogollo más el despunte y en el resto de la caña, será idéntico. En la caña despuntada tendremos una cantidad de sacarosa con rendimiento por peso en el jugo de 16 - 18 %, contra 12 % que contiene la caña entera como promedio . Esto aumentaría, en un valor muy alto, la capacidad de la fábrica y disminuiría el consumo de energía por unidad de azúcar producida . El cogollo que es separado de la caña, contiene, aproximadamente, 3 - 4 % de sacarosa y 10 % de azúcares no cristalizables que dejarían de entrar al proceso de producción . Estos representarían 25,34 eio del peso de la caña entera (8,44 % del cogollo y 16,9 % del despunte), que si los recogiéramos, convenientemente, en el momento de la cosecha, dispondríamos de una melaza con escaso nivel de consumo de energía. Podríamos moler esta parte de los desechos separados de la caña, en un proceso mucho más sencillo . Por ejempló, para la fermentación alcohólica el juego que se debe utilizar debe tener, aproximadamente, 16' Bx y en el caso de melaza para alimento animal este valor debe ser de 25 - 30 ° Bx, requisitos estos que se cumplen si aprovecháramos jugos a partir de cogollo . Se pudieran considerar pequeños centros o instalaciones en el campo donde se empacaría el bagazo de la molienda, del cogollo y se concentraría el jugo, éste por ser líquido se puede transportar fácilmente, o ser incluso bombeado

para la obtención de miel. En el proceso de fabricación de azúcar, se utilizaría una cantidad de energía muy superior a la requerida para los fines antes descritos . Para esto, entre otros factores, tendríamos 2 trabajos previos: 1. Recolección del cogollo mecánicamente. 2. Contar con un equipo que separe el cogollo de la paja, para el caso de los centros de acopio o de limpieza. 5.3 OTROS USOS La paja como material celulósico puede sustituir innumerables renglones en los que se emplea bagazo . Los tableros de partículas son un ejemplo de ello ; existen criterios preliminares sobre la factibilidad tecnológica de procesar la paja de caña de azúcar para ser utilizada en la elaboración de los mismos . En un trabajo experimental relacionado con esos fines se obtuvo tableros con las propiedades que se reflejan en la tabla 71 . Para la elaboración de los tableros se utilizaron los mismos parámetros que los empleados en bagazo, sin embargo, las propiedades obtenidas están por debajo de los requisitos pedidos por las normas de tableros de buena calidad . Como quiera que la apariencia física de los tableros obtenidos es buena, se prosiguen investigaciones para determinar su aplicabilidad. Por

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZÚCAR

146 TABLA 71

Propiedades físico-mecánicas de los tableros elaboradosValores

Propiedades

BETANCOURT, A .: "El corte con despunte alto y bajo de la caña de azúcar" . Fórum NacAzucar . ero, L a Habana, Cuba, 1965. -

---- "Los efectos del cogollo en la producción de azúcar." Cuba-Azúcar, No . 3, La Ha . bana, Cuba, 1965 .

Densidad (kg/m3)

d = 702 - 648

Resistencia a la flexión (kg/cm')

x = 90 - 84

CARVAJAL, O. x N. LA SERNA : "Investigación preliminar sobre elaboración de tableros de partículas a partir de la paja de caña ." Informe interno, Dpto . Tableros . ICIDCA, Ciudad de La Habana, Cuba, 1981 .

x = 1,1 - 1,2

DfAz CAS.as, F.: "Informe sobre experiencia realizada en la provincia de Villa Clara." Universidad Ceniral, Santa Clara, Cuba, 1978 .

Resistencia a la tracción perpendicular al plano (kg/cm2)

Fuente ; Informe interno, Departamento de Tableros, ICIDCA .

su densidad baja y su buena apariencia física pudieran, por ejemplo, construirse tableros acusticos en los que los requerimientos de resistencia no son tan elevados . La obtención de furfural, así como de miel hidrolítica, es perfectamente factible utilizando la paja, total o parcialmente, mezclada con bagazo u otro material similar. El hecho de que en el cogollo existan de 7 - 9 % de azúcares, fundamentalmente reductores, lo sitúa como un producto de posibilidades inmediatas de utilización como pueden ser: alcohol, levadura forrajera, miel seca, o en definitiva melaza, para cualquier uso que posea la miel final .

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Capítulo VI MIELES CUBANAS. CARACTERISTICAS PRINCIPALES PAULINA SERRANO JOSÉ R. BIART JOSÉ CONDE

1 Introducción La palabra miel o melaza se deriva del latín (mel) que significa miel y el sufijo español (aza) que expresa tamaño grueso, de calidad inferior. La miel final o producto final de la fabricación de azúcar se denomina, por definición, melaza o jarabe de purga. Es un líquido oscuro, denso y viscoso que se separa de la masa cocida de baja calidad y del cual no se puede cristalizar más azúcar por métodos convencionales y económicos . Existen 2 teorías fundamentales sobre la formación de las mieles: mecánica y química . La primera está basada en la disminución del grado de cristalización, que depende de la velocidad a que las moléculas de azúcar, en solución, se mueven hacia la superficie de los cristales de formación, así como la cantidad de moléculas que se integren al proceso de cristalización. La teoría química se fundamenta en la interinfluencia de solubilidad en el sistema agua-azúcar-sales o componentes no azúcares . Existen varios estudios realizados sobre el mecanismo de formación de las mieles finales; Suredi Chandra Grupta y N. A. Romaiah formularon las siguientes conclusiones: la naturaleza amorfa de la sacarosa contribuye a la pureza de las mieles, esto no es sólo un problema de marcada importancia económica, sino también de significado teórico considerable. Sobre la base de la solubilidad del azúcar en diferentes soluciones de sales, éstas se clasifican en melasigénicas neutrales y antimelasigénicas . Geerleys describe que todo el azúcar presente en las mieles existe en la forma de complejo de azúcar y sal. Wiklund acepta el mecanismo de Geerleys, y atribuye la disminución apreciable de la velocidad de cristalización en las meladuras de baja pureza, a la formación de compuestos moleculares entre la sacarosa y las sales . De acuerdo con este mecanismo si A es un elemento constituyente de la ceniza ocurre lo siguiente : S+A-

0

SA

Similares con glucosa y fructosa :

G+A F+A-

1) GA ) FA

Los estudios realizados en la industria azucarera por el ingeniero Pedrosa Puerta y por el profesor Julio González Maíz han tratado de la influencia de los no azúcares en la formación de las mieles y han desarrollado una fórmula que interrelaciona la pérdida de sacarosa en la miel con los no azúcares entrados en fabricación . Fórmula general =

Pérdida de miel oio caña oio no azúcares entrados en fábrica

Aplicando esa fórmula en varios centrales hallaron los siguientes resultados: 0,37

0,44

0,39,

0,57

0,41

0,69

0,43 Sacarosa en miel/parte de no azúcares entrados en fábrica . Las mieles contienen la mayor parte de los no azúcares presentes en el jugo de caña, más una parte de la sacarosa y los azúcares reductores ; su composición varía como la composición del jugo de donde provienen, por la influencia de factores agrícolas e industriales como son: variedad de la caña, madurez, condiciones de cultivo, corte y mecanización . Durante el proceso tecnológico de fabricación de azúcar, ocurren cambios en su composición, por la acción de la cal u otros álcalis calientes sobre los azúcares reductores, especialmente la levulosa (fructosa), esto es la principal fuente de nuevos componentes y de que los azúcares presentes en la miel difieran cualitativa y cuantitativamente a la del jugo de caña. Los componentes principales de la miel lo constituyen : el agua, que se encuentra en su mayor parte como agua libre y otra parte retenida como agua de hidratación ; los hidratos de car-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

148

bono, el azúcar presente en la miel se encuentra, principalmente, como sacarosa, glucosa y fructosa y pequeñas cantidades de manosa en mieles almacenadas . En su composición están presentes los no azúcares orgánicos e inorgánicos entre los cuales se pueden citar los compuestos nitrogenados, ácidos, aminoácidos, albúminas, vitaminas, ceras, esteroles, lípidos, sales minerales o cenizas, etc . Sus características fisicoquímicas se manifiestan en grandes diferencias de viscosidad de unas mieles a otras . En igualdad de temperatura, su calor específico es menor que el de las soluciones de azúcar crudo, su dilución va acompañada del fenómeno de la contracción, existen otras características como la variación del pH con los cambios de temperatura . Las mieles no son un líquido homogéneo o una solución verdadera de azúcar, contienen, siempre, compuestos, en suspensión, de composición variable, constituyentes que se originan en las operaciones de fabricación de azúcar . La complicada composición de las mieles obliga a realizar su estudio en forma sistemática . Es a partir de 1965, que por primera vez se comienza el estudio sistemático de las mieles finales en nuestro país, a través de este capítulo trataremos de ofrecer una visión resumida de los resultados obtenidos en este estudio, en el período comprendido de 1965-1981 .

2 Características químicas de las mieles finales cubanas Dentro de la composición química de las mieles cubanas, se han estudiado los hidratos de carbono, no azúcares orgánicos e inorgánicos (compuestos nitrogenados, ácidos volátiles, factores probióticos o del crecimiento y otros componentes de importancia en su composición integral) . La tabla 72 expresa la composición media de las mieles finales cubanas . Tomando como base el estudio de las mieles provenientes de las empresas azucareras del país, se ha realizado un estudio de las características químicas de las mieles, en el período comprendido de 1965 a 1980 . Obteniéndose resultados de las diferentes zafras azucareras (Tabs . 73 y 74) . En dicho estudio se observa que la composición química de las mieles cubanas no presenta marcadas variaciones durante los años estudiados, exceptuando algunos elementos sobre los que se tratará .más adelante . 2.1 HIDRATOS DE CARBONO Los hidratos de carbono, en las mieles finales cubanas, presentan la composición recogida en la tabla 75.

TABLA 72 Composición media de las mieles finales Constituyentes

% (promedios)

Agua

15,96

Sacarosa

35,53

Glucosa

9,90

Fructosa

10,04

Reductores infermentescibles

4,01

Cenizas

9,57

Sustancias gomosas y coloidales

8,06

Clururos

1,25

Otros no azúcares, sustancias nitrogenadas, ácidos libres y combinados, ácidos no nitrogenados ácido aconítico y otros indeterminados

5,68

TABLA 73 Promedios anuales 1965-1980 Pardmetros

1965

1966

1967

1969

1969

1972

5,5

5,6

5,6

-

-

1973

1980

5,6

6,0

5,8

90,00

89,20

88,70 88,60

90,35 90,06

91,05 90,08

88,89 88,83

89,64

88,63

86,00

M.S .G.

83,47

85,33

84,37

84,63 84,26

84,89 83,88

86,84 83,06

83,86 83,80

82,23 83,38

83,51

Sacarosa

36,79

35,95 36,25

35,47 35,65

34,79 37,23

36,86 34,16

34,44 33,24

36,30

33,87

36,21

R tot.

66,01

62,63

64,86

62,35 62,13

61,51

61,40

59,39 57,13

56,56

56,82

58,12

R libres

27,28

24,79 26,70

25,01 24,60

24,89 21,31

23,13

22,14

18,13 21,17

20,00

R inf.

-

3,94

3,92

A.total

-

A. vol.

0,449

C. tope

-

Coloides

-

Cenizas

9,12

N, total

0,437

N, asim .

-

4,34

4,37

0,819

0,415 0,600

0,414 0,429

0,463 0,643

0,557 0,666

0,802 0,465

0,486

0,490 0,373

0,222 0,396

0,408 0,359

0,341

0,479 0,505

0,497 0,327

0,462

-

49,19 54,69 4,52

6,57

11,19

9,85

0,550 -

% A/T P,O, T.

0,125

0,140

P,O, Asim .

-

-

% A/T

-

-

44,06

62,96

7,92

9,20

9,94

10,36 10,65

9,03

0,526

0,584

0,220

0,236 0,188

41,8

3,37

40,7

0,456

41,2

4,03

22,60 20,33

57,44 66,48 8,96

7,54

6,08

9,65

9,10

9,45

9,78

0,389 0,471

0,487

0,549

0,576 0,561

0,183

0,186 -

47,0

0,191 40,5

0,121

0,059

0,080 0,082

0,092 0,084

82,0

0,430 67,84

0,106 0,100

75,4

4,04

64,68

0,104

56,7

4,14

5,7

1979

87,42

56,29

5,7

1978

^Bx

3,89

-

1977

-

60,50

-

1976

pH

4,09

-

1974 1975

67,8

0,102

81,3

69,49 69,33 -

-

9,15

-

38,2

3,95

3,78

75,60

85,60

76,76

9,10

9,62

6,25

9,46

8,67

8,53

0,451 0,530 0,207 -

0,519 -

45,8

0,106 0,116 0,086 81,10

4,25

-

0,163 0,128 -

-

-

-

0,080 0,174 0,069 862

-

0,160 -

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA PE AZOCAR

150

TABLA 74 Valores limites Parámetros

Mínimos

Media

Máximos

pH

5,4

5,7

6,2

^Bx

73,60

88,10

94,40

M.S .G.

70,46

84,10

91,34

Sacarosa

24,32

35,53

42,29

Red. totales

48,00

60,40

70,85

Red. libres

13,30

23,00

32,77

Red. inf.

2,08

4A1

7,30

Acidez total

0,300

0,563

1,350

Acidez volátil

0,170

0,410

0,886

Capd . tope

35,48

6493

108,18

Coloides

3,50

8,06

13,88

Cenizas

6,10

9,57

15,00

N2 total

0,222

0,506

0,978

N2 asimilable

0,130

0,201

0,400

% N2 A/T

35,00

42,1

50,0

P^ T.

0950

0,123

0,320

PROS A.

0,020

0,079

0,290

% A/T

65,0

75,8

La fructosa presente en las mieles es más inestable a causa, de la acción de la temperatura . El contenido de glucosa y fructosa en las mieles fiTABLA 75 Hidratos de carbono (% promedio) Sacarosa

35,53

Glucosa

9,90

Fructosa

10,04

Manosa

0,50

A. inf.

4,03

Otros

-

88,0

nales, en muchas ocasiones, depende de la hidrólisis de la sacarosa bajo condiciones de altas temperaturas y bajo pH . La manosa, un epímero de la glucosa, aparece, generalmente, en mieles con algún tiempo de almacenamiento . Los azúcares reductores libres en condiciones específicas del proceso de fabricación se suelen convertir, parcialmente, en ácidos y materias colorantes . En medio alcalino la fructuosa se puede descomponer en ácido láctico, puede también producirse ácidos fórmico, acético y C02. La aereación puede formar los productos de oxidación correspondientes . Los reductores libres pueden reaccionar con los aminoácidos y los lípidos, dando como resultado materias colorantes, esta reacción depende del pH, a pH 9 se pueden producir cantidades apreciables de melanoidinas . Existen hipótesis de que esta reacción puede ser causa incipiente de la descomposición espontánea de las mieles finales almacenadas. Los infermentables en la miel incluyen sustancias reductoras no azúcares . Estos se forman du-

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES rante el proceso de fabricación, por acción del calor, son no cristalizables y pasan a las mieles finales . La reacción antes mencionada de los aminoácidos y azúcares reductores es, en parte, responsable de los residuos infermentables, que se ha encontrado que tienen cerca de 68 % del N2 combinado de la miel original. En el ICIDCA se han encontrado valores de aminoazúcares entre 3,4 a 20,96 mg, expresados como glucosamina por 100 g de miel. 2.2 COMPONENTES NO AZÚCARES Los no azúcares en las mieles están determinados por la diferencia entre los componentes orgánicos e inorgánicos, con los no azúcares y el agua. En las mieles finales constituyen cerca de 25 % . Para su estudio ordenado establecimos la siguiente división práctica : 00 0 o w

O T í~d

r

0

U 00 0

M ~

0

N

vi W0 = ó >,

óqó z

W

G

á.

acu

4

cu

c

o 00

vCuÉQ

N

0

y 0 U T}

CU

O

Y

a

.i~

00

o

0 f+

0

0 U

O

TABLA 76 No azúcares en las mieles finales cubanas Componentes principales

".6

Cenizas

9,57

Coloides

8,06

Gomas

3,15

Acidez total

0,563

Cloruros

1,25

N2 total

0,506

Acido aconítico

4,00

Acido láctico

0,576

Sólidos en suspensión

8,80 v/v

Entre los no azúcares, en las mieles se encuentran los sólidos en suspensión, como se señala en la tabla 76. Sus valores oscilan entre 4 y 10 % v/v, hallados por centrifugación y que en los procesos fermentativos pueden ser eliminados por la clarificación de la miel. Las ceras que provienen de la materia prima y del proceso, no se eliminan durante la clarificación, hallándose también entre los no azúcares de las mieles finales . A continuación relacionamos el contenido de cera en tantos por ciento de grados Brix, encontrados en las mieles finales estudiadas :

F

v~v . Á ~'

` vE > 'ca " 0 0o

En la tabla 76 se muestra la composición de los no azúcares en las mieles finales cubanas .

p. bq

F

Ú 1

V,

0,1045

0,0683

0,1194

0,0818

0,0921

0,1240

0,0615

0,0928

0,1220

0,0933

0,0898

0,1040

2.2.1 Azúcares orgánicos 2.2.1.1 0

V N a co 0

m

00 U 0

NO AZOCARES NITROGENADOS

El total de sustancias nitrogenadas que contiene las mieles finales cubanas fluctúan entre 0,4 y 0,6 % y de éstas el nitrógeno asimilable es de 0,200 %, que representa 42 % del nitrógeno total. Del tanto por ciento de nitrógeno total se calcula la proteína bruta, multiplicando por 6,25 .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

15 2 TABLA 77

Composici6n aproximada del N2 en las mieles finales cubanas 4b

N, total

0,506

N2 amoniacal

0,073

N, proteico

0,100-0,180

N, no proteico

0,150-0,330

Proteína bruta

3,16

Proteína

TABLA 78 Aminoácidos en las mieles cubanas (g/100 g miel)

4o

Tanto por ciento del to total de aminoácidos

Acido aspártico

0,4043

42,32

Acido glutámico

0,2740

28,68

Atanina

0,0778

8,14

Valina

0,0480

5,03

Glicina

0,0263

2,75

Serina

0,ó216

2,26

Leucina

0,0206

2,16

0,0197

2,06

Treonina

0,0174

1,82

Fenilalanina

0,0155

1,62

Tirosina

0,0106

1,12

Lisina

0,0058

0,61

Prolina

0,0050

0,52

Metionina

0,0050

0,53

Histidina

0,0036

0,38

Total aminoácidos

0,9552

100,00

La proteína digerible puede ser más o menos 50 % de la proteína bruta . Este dato tiene importancia en la miel que se destina para la alimentación animal (Tab . 77) . De los aminoácidos encontrados en las mieles finales cubanas y que se reflejan en la tabla 78, los más significativos son el aspártico, el glutámico, la alanina y la valina . Además, existen otras sustancias nitrogenadas como las purinas . El valor presente de los aminoácidos totales es de 0,955 % de miel final y aporta cerca de 21 del nitrógeno total. 2.2.1 .2

MATERIAS COLORANTES

Generalmente, son el resultado de la descomposición de la sacarosa y de las reacciones de los reductores con los aminoáci os. En estudios realizados por V. K. Potrojov y J. Bodanova, sobre materias colorantes, se plantea que durante los procesos de defecación, el jugo de la caña se somete a la acción de soluciones calientes de Ca(OH) 2 y Mg(OH) 2 y que en ese proceso tienen lugar 2 fenómenos : por un lado, se eliminan sustancias coloreadas y, por otro, se forman nuevas de esos complejos . Lo: productos coloreados, formados durante el proceso de clarificación del guarapo, se deben fundamentalmente, a la llamada descomposición alcalina" y representan de 70 - 80 % del peso de todos los productos coloreados de la miel. La formación de los productos, coloreados en el guarapo tiene como base fundamental los azúcares reductores . El aumento de la concentración de los azúcares reductores de 0,13 - 0,20 g/100 g de sacarosa hasta 0,24 - 0,38 g/100 g de sacarosa, provoca un aumento de color, en comparación con el color inicial, de cerca de 40 % . Las soluciones alcalinas y la temperatura pue den producir diversos compuestos orgánicos como : ácido acético, fórmico, láctico, dihidroxibutírico, metilglioxal y otros . Además, se pueden formar compuestos de color oscuro, tipo gomoso.. La acción primaria del álcali sobre los azúcares reductores transcurre a través de la formación de 1,2 ion-endiolato . Con la adición o cesión de protones . El efecto de la temperatura sobre la glucosa lleva a la formación de pequeñas cantidades de hidroximetil-furfural, el cual es causante del color marrón. De las mieles se han separado fracciones de sustancias coloreadas negras y amarillas. En la composición de la fracción negra se ha encontrado : glucosa, fructosa, aldehído, glicérido y la dioxiacetona, productos estos de la reacción reversible de la condensación aldólica. En cuanto a la fracción amarilla se compone de 46 % de

MIELES CUBANAS. CARACTERISTICAS PRINCIPALES

15 3

TABLA 79 Contenido promedio de vitaminas halladas en mieles finales de calla Vitamina B,

Vitamina B,

140 1,.g/100

700 u g/100

g

g

cenizas, 26 % de ácido lactónico y de un residuo de aminoácidos. Los caramelos surjen, como resultado de la descomposición térmica de la sacarosa . Las melonaidinas son productos de la reacción de los reductores y la cal, catolizada por la temperatura de cocción. El color de las mieles finales abarca desde el amarillo hasta el rojizo . Por diversos análisis se ha encontrado cierta relación del color de las mieles con el fenómeno de autodestrucción de algunas mieles durante su almacenamiento . Esto se tratará más profundamente en el capítulo de autodestrucción. Las vitaminas estables al calor y al medio alcalino pasan a formar parte de las mieles finales. Entre las vitaminas de mayor importancia, por su influencia en diversos procesos, citaremos la biotina, de suma importancia en los procesos fermentativos, al igual que la niacina, la riboflavina y el ácido pantoténico, éste en menores cantidades que en las mieles de remolacha. Las vitaminas presentes en la miel cobran mayor significación en la alimentación animal . El contenido de biotina en las mieles finales de Cuba es considerable si se le compara con la miel de remolacha. TABLA 80 Contenido de biotina en mieles cubanas y otras mieles, expresado en t,g/100 g

Ácido pantoténico 5000-12000

lAg/100

Biotina 220 ~g/l00

g

TABLA 81 Cantidades de sustancias de crecimiento necesarias para un rendimiento máximo de levadura

Constituyentes

en

cubanas Mieles alemanas Mieles de Suecia

Cantidades necesarias t,g/IOOg miel

Biotina

29

Acido pantoténico Inositol

Contenidas en miel de Cuba 270-320

5 000

5000

120 000

600000

2.2 .2 No azúcares orgánicos sin nitrógeno Entre éstos se encuentran los ácidos orgánicos, ciertos tipos de gomas, y otros. Entre los ácidos orgánicos más importantes presentes en las mieles, se encuentran : aconítico, láctico, cítrico y los volátiles : fórmico, acético, butírico, propiónico y valérico . También tienen importancia los grasos, cuya composición exponemos en la tabla 82 . Los ácidos volátiles, en las mieles cubanas, alcanzan cerca de 70 % de la acidez total . Son sustancias que por resultar perjudiciales para TABLA 82

Mieles de remolacha Mieles

g

Principales no azúcares sin nitrógeno hallados en la miel 46

1

220

7,5

4,3

2

230

10,5

3,2

Gomas

1-3,1

3

260

7,5

4,5

Acido aconítico

1-6

4

250

2,8

3,2

Acido láctico

0,5-0,58

5

150

1,5

3,6

Acido fórmico

0,3-0,5

6

270

8,5

4,0

Acido acético

-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

154

los procesos fermentativos hay que vigilarlas estrechamente . El tanto por ciento de ácidos volátiles se puede disminuir con procedimiento adecuado de bajo pH y temperatura, principalmente los ácidos fór micos, acético y butírico (Tabs. 83 y 84) .

TABLA 85 Contenido de coloides en las mieles cubanas

TABLA 83 Composición de los ácidos volátiles Acido acético Acido propiónico Acido isobutirico Acido butírico

TABLA 84 Ácidos grasos hallados en las mieles finales cubanas ácido láurico Acido mirtstico Acido palmítico Ácido esteárico Ácido oleico ácido linoleico Ácido linolénico Los no azúcares orgánicos, que no contienen nitrógeno, aumentan durante la producción de azúcar crudo, principalmente por la descomposición de la sacarosa. Los coloides son sistemas dispersos, cuyo grado de dispersión varía de 0,1 a 0,001 um. Los coloides de las mieles están formados por materiales sólidos filtrables, tierra y materiales en suspensión y dispersiones moleculares . En su mayor parte, son compuestos de adsorción, formados entre materiales similares a las pectinas y el azúcar, sustancias gomosas y nocivas . En todos los productos de la industria azucarera están presentes los sistemas coloidales (Tab. 85) . En los procesos fermentativos el contenido de coloides tiene una influencia negativa . Según observamos en la tabla 85, el contenido de coloides en las mieles finales sigue una tendencia a disminuir, en 1979 y 1980 . 2.2.3 No azáeares inorgánicos Los no azúcares inorgánicos forman parte de la composición de las cenizas que en las mieles

1966

7,52

1967

6,57

1968

7,92

1969

0,20

1972

9,94

1973

8,86

1974

7,54

1975

6,08

1976

-

1977

-

1978

9,10

1979

9,62

1980

625

finales cubanas promedian 9,57 % . De las cenizas totales, 67 "io son solubles y 33 % insolubles en agua caliente. Entre las cenizas solubles se encuentran los carbonatos, cloruros y sulfatos de los metales alcalinos y la parte insoluble es, principalmente, sales de Ca. Los no azúcares inorgánicos están formandos, generalmente, por sales. TABLA 86 Elementoa presentes en la miel final cubana Elementos

Miel (%) Elementos

Miel (%)

K

2,54

P205

0,123

S03

1,43

Si

0,180

Cl

1,25

Mn

0,007

Ca

1,23

Fe

0,017

Mg

0,50

Cu

0,0016

Na

0,18

Al

0,008

Trazas. Además se hallan trazas en las mieles de los siguientes elementos : Pb, Ni, Mo, Va, Ag, Ti, Co, Cr, Ba, Zn, Si y Sn.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES

15 5

TABLA 87

TABLA 88

Valores límites Mínimos

Composición promedio Mínimos Máximos

Mdximos

Cenizas

(4B)

K

0,90

4,46

Ca

0,440

1,520

Ks0

55-63,69

Si0

2,0 -5,00

Na

0,060

0,399

M9

0,260

0,796

S03

12-14,95

P205

0,9 -1,26

Fe

0,006

0A31

SO,

1,31

2,77

Ca0

10 .13,10

A1203

0,1 -0,40

Mn

0,0012

0,047

P205

0,040

0,320

Cl

10-12,00

Fe20,

0,20-0,60

Cu

0,0007

0,0030

0,050

0,300

MgO

5 - 8,62

MnO2

0,10-0,360

Na20

4- 5,08

Cu0

0,010-0,025

si

Estos aumentan la solubilidad de la sacarosa durante el proceso de producción de azúcar, de donde provienen, y tienen importancia por sus características melasigénicas (Tabs. 86, 87 y 88) . Tienen, además, influencia en los procesos fermentativos y en la alimentación animal. Por ejemplo, el Na y el K, durante el almacenamiento de las mieles finales pueden producir sales solubles no precipitables, y cuando se usan en alimentación animal pueden ser nocivos para su digestibilidad . En los procesos fermentativos, el K es indispensable para el crecimiento de la levadura en cantidades apreciables . En exceso puede ejercer fina acción desfavorable . El Ca influye, positivamente, en el proceso de floculación. El Mg es un activador principal de la carboxilasa que cataliza el desdoblamiento del ácido pirúvico a acetaldehído y C02. Tiene, además, una acción directa en la formación de las proteínas. El P y el S representan las partes principales de muchas proteínas. El P es imprescindible en todo proceso fermentativo. El Fe, Zn, Cu,

son necesarios para el mejor desarrollo de la levadura . Se necesitan 0,075 mg de Fe, 0,02 mg de Zn y 0,015 mg de Cu por litro, de medio, para un normal crecimiento de la levadura. Hay elementos como el Co y el Mn que ejercen una influencia positiva en muchos procesos biológicos . Por todo esto, el conocimiento de ellos en la miel final es imprescindible para su completa caracterización . Llamamos capacidad tope (buffer) a la cualidad de las mieles finales dé ejercer resistencia amortiguadora a los cambios de pH en ciertas zonas de acidez. Se expresa como los mililitros de NaOH 1 N necesarios para cambiar el pH de 100 g de miel original, diluida 1 :5 de pH 3 a pH 7 . Los no azúcares de las mieles contienen las materias estabilizadoras . Su influencia es directamente proporcional. Intervienen en la formación de las materias amortiguadoras, los ácidos

TABLA 89 Valores de capacidad tope promedio por años Año

Capacidad

tope

Año

Capacidad

1966

49,19

1975

67,84

1%7

54,69

1976

69,49

1%8

44,06

1977

69,33

1964

62,96

1978

75,60

1972

57,44

1979

85,60

1973

66,48

1980

76,76

1974

608

tope

156

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 90

Valores de capacidad tope, sólidos no azúcares Sólidas no

(%)

azúcares

y

PROs PROs

total total

Año

Capacidad tope

1966

49,19

24,59

0,140

1967

54,69

21,42

0,104

1968

44,06

24,10

0,106

1969

62,96

24,07

0,100

1972

57,44

25,52

0,121

1973

66,48

25,37

0,102

1974

64,68

27,38

0,106

1975

67,84

28,57

0,116

1976

69,49

26 .29

0,163

1977

69,33

28,42

0,128

1978

75,60

27,30

0,080

1979

85,60

28,34

0,174

1980

76,76

27,30

0,160

orgánicos y las bases débiles y sus sales, entre ellos están el ácido carboxílico débil y los aminoácidos que ejercen su efecto estabilizador en la región ácida, principalmente en el rango de pH entre 3 y 5 . Los fosfatos presente§ en las mieles acentúan la acción estabilizadora entre pH 6 y pH 7. El poder estabilizador o capacidad tope (buffer) de la miel tiene marcado interés en los procesos fermentativos de producción de etanol y levadura . 2.3 ESTUDIO DE ALGUNAS TENDENCIAS DE LOS COMPONENTES PRESENTES EN LA MIEL DE CARA CUBANA En las figuras 72 y 73 se muestra la relación existente entre el Pe os y el N 2 asimilable con el P205 y N 2 total. En las mieles finales cubanas el P y el N asimilable del total se encuentran en un rango promedio de 40 - 50 %, para el N y 60 - 70 %, para el P. La figura 74 muestra, la tendencia de los azúcares reductores totales y el N total en las mieles en los períodos estudiados en Cuba. El descenso de los azúcares reductores totales en estos períodos queda explicado por la disminución paulatina, en las zafras cubanas, de moler cañas atrasadas, así como un aumento progresivo de

(46)

la eficiencia industrial, al mismo tiempo, el aumento de N2 en algunos períodos, se explica por el grado de fertilización aplicado en las diferentes etapas. Observando la figura 75 vemos cómo son coincidentes las tendencias de aumento de la capacidad tope (buffer) y los sólidos no azúcares en la miel . En la figura 76 vemos la influencia de la dilución en la capacidad tope (buffer), ésta disminuye, ostensiblemente, con la dilución. Se han estudiado otras tendencias que tienen importancia desde el punto de vista fermentativo de las mieles, las cuales no se recogen en este artículo por problemas de limitación en el volumen del libro . 2.4 COMPARACIÓN DE ALGUNOS COMPONENTES QUIMICOS DE LAS MIELES DE CARA CUBANA Y MIELES DE REMOLACHA Al comparar la composición media de las mieles finales cubanas con las de remolacha (Tablas 91 a 94), podemos observar que existen diferencias significativas en los tantos por ciento de sacarosa, glucosa y fructosa, con las de remolacha. Se puede apreciar que dentro de la composición de las cenizas los tantos por ciento de

x

86

% P2 05 EN MIEL 0,18o

0,16oi

0,140-

70

0, 120

65

0,100"

. 60 P2 0 5 TOTAL

0,0801

x

F55

o P2 0 5 ASIMILABLE/ TOTAL

1965

66

67

88

69

, 72

73

74

75

77

76

78

79

1980 Amos

Fig. 72 Tanto por ciento de P,O, asimilable del P205 total.

N2 TOTAL

x

% A/T 60

0.6

0,5

r40 LEYENDA 0,31

30

a NITROGENO TOTAL tL2ASIMILABLE/N2 TOTAL c

x

0,21

20

0,11

10

1955

88

67

6B

69

72

73

74

FiW 73 Nitrógeno total (St).

75

76

77

78

7,9 1980 AMOS

KMIOO N

00

U O W C ftl C Q CI N Q

0,300

0,200

1985

88

87

88

89

72

73

74

75

76

77

78

79 1980

Fig. 74 Comdortamiento del N, y art. en las mieles de las zafras 1965 .1980.

AÑOS

x 30

N 2

70-

26

G<>

24

501

22

40

20

1966

67

es

89

72

73

74

75

76

77

70

79

1880 AÑOS

20

ml IN No 011

Fig . 75 Capacidad tope y solución no azúcares .

ON W

Iq0~

M(INN)

lo

14

12 14 16 18 2 4 6 8 10 6 4 2 0 12 10 8 Fig. 76 Influencia de la disolución en la capacidad tope de la miel.

TABLA 91

TABLA 92

Composición media de las mieles de casa cubana y mieles de remolacha

Composición del N, en mieles finales de caiías cubanas y mieles de remolacha

Miel de caña Miel de remolacha

Componentes

("/0) Agua

15,96

16,50

Constituyentes orgdnicos Sacarosa

35,53

Glucosa

9,90

Fructosa

10,04

Rafinosa Manosa No azúcares, componentes nitrogenados, ácidos libres y combinados, sustancias gomosas

51,00 1,00 1,00

0,50

Caña (%)

Remolacha (vio)

Nitrógeno total

0,300 - 0,600

1,2-2,2

Nitrógeno amoniacal

0,730

0,020

Nitrógeno proteico

0,1

Nitrógeno no proteico

0,150-0,330

Nitrógeno

0,100 0,160

TABLA 93 Composición de aminoácidos en mieles de caña y mieles de remolacha Aminoácidos

Caña (%b)

Remolacha (%)

Acido glutamínico

0,0060

4,1700

Leucina-isoleucina

0,0420

0,5500

Acido aspártico

0,5362

0,3700

Glicocola

0,0290

0,3000

Valina

0,0510

0,3000

-

0,3000

Alanina

0,0880

0,2800

Tirosina

0,0095

0,2100

Prolina

0,0050

0,1100

Fenilalanina

0,0018

0,0900

-

0,0500

Arginina

0,0033

0,0300

3,15

Serina

0,0221

0,0500

5,68

19,00

Cenizas

9,57

11,50

K,0

2,71

3,90

Ca0

1,41

0,26

MgO

0,82

0,16

P,0 3

0,12

0,06

Na,O

0,09

1,13

Fe,O,

0,02

0,02

Sio,

1,00

0,10

A1s03

0,03

0,07

Compuestos inorgánicos

Residuos de sosa y CO,

- 0,18

Acido aminobutírico

Cistina

Residuos de S03

1,40

0,55

Lisina

0,0790

0,0300

Cloruros

1,25

1,60

Histidina

0,0041

0,0300

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES TABLA 94

Contenido de vitaminas en mieles finales de caña cubana. Su comparación con mieles finales de remolacha Vitaminas

Vitamina B, Vitamina B2 Acido pantoténico Biotina

Mieles de carta ggjl00g

Mieles de remolacha

140,00

130,00

700,00

41,00

5000 .1200

130,00

180- 230

5,30

Ca0 y Mg0 en las mieles son mayores, lo mismo ocurre con el P205 y SiOn. Con relación a las vitaminas, el contenido de éstas en las mieles es mucho mayor. Los aminoácidos se reportan en las mieles de remolacha, en tantos por ciento de aminoácidos en melazas hidrolizadas . Las mieles de caña cubana se reportan en gramos de aminoácidos/100 g de miel. 3 Características fisicoquímicas de las mieles finales cubanas El conocimiento de las propiedades fisicoquímicas de las mieles, tiene una gran importancia desde el punto de vista de su calidad y de su comportamiento industrial, principalmente en el transporte, almacenamiento y bombeo. Los estudios realizados en el ICIDCA y en otras instituciones cubanas han permitido obtener resultados de estas propiedades .

K = Constante, que para un líquido newto-

niano es la viscosidad.

n

= Constante adimensional que para líquidos newtonianos es la unidad .

El término viscosidad alude a la resistencia ofrecida por un líquido en movimiento o cuando un cuerpo sólido se mueve dentro del líquido . La unidad de viscosidad es el poise (P) o el centipoise (eP) (1 P = 100 cP). El poise se define como la viscosidad que requiere una fuerza de 1 dy para determinar un desplazamiento relativo a la velocidad de 1 cm/s, de las superficies líquidas, cada una de 1 cm2, separadas unas de otras por 1 cm de líquido . Esta definición corresponde a la viscosidad absoluta. En los fluidos no newtonianos, se da el nombre 'de viscosidad aparente a una velocidad de deformación dada, a la relación entre la fuerza de zizallamiento y la velocidad de deformación . 3.2 VISCOSIDAD APARENTE DE LAS MIELES FINALES T,

VA =

X 100 cP

Dr

(2)

De (1) y (2) tenemos : VA = K Dr("-1l La figura 77 muestra los resultados de las curvas de flujo de las mieles finales, utilizando

3 .1 PROPIEDADES REOLOGICAS Desde el punto de vista reológico las mieles finales se pueden considerar como un fluido no newtoniano y ligeramente pseudoplástico, ya que al aumentar la velocidad de deformación, disminuye la viscosidad aparente . Como fluido pseudoplástico cumple la ley de potencias o de Ostwald de Walle: Tr = K (Dr)

(1)

Donde : Tr = Fuerza de zizallamiento

(dy/cnr2) .

Dr = Velocidad de deformación (S- ') .

Or 2e

50

75

100

125

5-1

Fig. 77 Curvas de flujo de las mieles finales cubanas, a diferentes temperaturas.

162

LA INDUSTRIA DE I.OS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 95 Resumen de viscosidades desde 1972-1979 [Valores de K (poises)]

Años

Min.

30'C

Med.

Mdx.

Temperaturas 50'C Mfn. Med. Mdx.

70'C

Mfn.

Med.

Mdx.

1972

190,0

681

2500

31,5

130

290

9,0

32,8

100

1973

44,0

516

1036

9,0

98

283

2,0

30,9

75

1974

205,0

367

2200

25,0

1,16

320

4,0

37,9

100

1975

27,0

1053

1800

6,7

171

350

2,0

47,9

110

1976

17,0

468

1 472

9,0

92

308

1,3

29,5

137

1977

22,5

625

1836

6,0

85

289

2,4

30,0

90

1978

-

740

-

150

-

-

60,0

0

1979

12,65

220

1627

42

257

1,3

17,0

69

3,4

TABLA % Comportamiento de la viscosidad de la miel final para distintas adiciones de dextrana en relación con 5 % Viscosidades Muestras Series

Blanco

2 (CP)

3 (CP)

4 (CP)

5 (CP)

6 (CP)

7 (CP)

545

495

528

528

528

561

495

528

578

628

628

629

3

528

661

595

677

611

4

528

528

545

561

5

512

521

512

6

462

495

7

462

8

(CP)

1 (CP)

1

429

2

(CP)

(CP)

9

10 (CP)

561

628

644

661

710

694

727

727

809

661

661

694

7l0

7l0

776

611

628

545

595

595

6l1

628

545

595

578

578

;94

661

694

694

561

561

595

595

628

694

6l1

694

710

495

528

578

578

595

578

66l

760

694.

793

495

528

595

545

545

595

644

661

793

694

793

9

462

495

528

512

545

561

595

611

611

578

661

l0

462

512

512

545

545

561

611

595

6l1

661

594

484

530

545

568

578

598

611

646

671

671

722

Promedio

viscosimetro rotacional a diferentes temperaturas . Se observa que todas las curvas parten del origen, lo que indica que las mieles no presentan propiedades plásticas. Al mismo tiempo se observa que las curvas tienden a seguir una relación lineal ; pero si miramos detenidamente veremos que para valores de

8

pequeños gradientes de velocidad, existe una tendencia no lineal, lo que demuestra su comportamiento no newtoniano . Así mismo se nota que el fluido es ligeramente pseudoplástico . En la tabla 95 se expone un resumen de la viscosidad de la miel en el periodo 1972-1979 a 30, 50 y 70 `C de tempieratura.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES

En la tabla 96 se puede apreciar la variación de la viscosidad con la temperatura . 3.2.1 Otros factores que influyen en la viscosidad de las mieles

32.1 .1

INFLUENCIA DE LOS NO AZUCARES SOBRE LA VISCOSIDAD

En la literatura no existe mucha información sobre la influencia de los no azúcares en la vis-

163

cocidad . Algunos no azúcares, aun en pequeñas concentraciones, influyen, notablemente, en la viscosidad de las mieles . Por ejemplo, las sales de calcio y los coloides, la aumentan y las sales de sodio y potasio; la disminuyen. En la figura 78 se observa una tendencia a disminuir la viscosidad cuando aumenta la cantidad de no azúcares .

0

a c V N_ >

O a O 41 O V N

56

58

80

62

Fig. 78 No armares, grado Brix.

64

% NO

AZUCARES

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCA11

164

50 'C 80 °Bx

50 'C 80 °ex

l0-

.

10 . N

a

W lo

O 50 'C 75 °Bx

vy

S

10

.

10 Fig. 79 3.2 .1 .2

N

.

14 16 16 12 AZUCARES COLOIDES 16 NO

Viscosidad en poises (St).

DEPENDENCIA DE LA VISCOSIDAD CON LOS COLOIDES

Al observar los resultados expuestos en la figura 79 se ve la influencia de los coloides. Cuando éstos aumentan, aumenta la viscosidad . 3.2.1 .3

INFLUENCIA DE LAS GOMAS EN LA VISCOSIDAD

50 *C 75 °Bx

10-

' .

14 l6 IB 20 CENIZA N, NO AZUCARES

Viscocidad en poises (St).

Fig. 80

3.3 DENSIDAD Entre las propiedades fisicoquímicas de las mieles, está la determinación de la densidad. En la tabla 97 se observa que la densidad mínima hallada fue de 1,288 y la máxima de 1,536 .

Se ha comprobado, que la acumulación de goTABLA 9,7 mas en las mieles (1,2 % en las mieles cuba nas), es responsable del fenómeno de glutinosiValores mínimos, medios y máximos de la densidad en las mieles finales desde 1975-1979 dad y de la elación ocasional de éstos durante su transportación, lo que causa serios problemas de manipulación . Además, puede reducir la caligAños Mínimos Medios Máximos para la producción de alcohol . dad de las mieles Si obervamos la figura 80, se nota una tendencia de aumento de viscosidad, cuando 1,288 1,385 1,436 1975 aumentan las cenizas, sin embargo, la afectación 1976 1,297 1,414 1,515 puede estar relacionada con la mayor concenque la matración de sólidos totales. A causa de 1,4 9 1,536 1977 1,348 yoría de las sales inorgánicas aumentan la solubilidad de la sacarosa y los azúcares reduc1978 1,328 1,110 1,441 tores la disminuyen, se ha encontrado una in1,416 1,468 1979 1,355 terrelación entre la viscosidad de las mieles y la . razón reductores/cenizas

°'f/L T*mA 25 OC 1,47 1,46 1,451,44

W.

1,41' 1,40 1 ;39 77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

'8x

Fig. 81 Relaeidn entre el prado Brix y la densidad,

é 9/m1

1,430

1,420

1,410!

1,400 1975

78

77

78

1979

AÑOS

. Fig. 92 Comportamiento de las densidades en los Mas estudiados (Tab. e11

166

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Los valores promedios oscilan entre 1,385 - 1,419 y en la figura 81 podemos ver la relación lineal entre el grado Brix y la densidad de las mieles finales. Podemos concluir señalando, que los valores hallados de densidad entre 1,28 y 1,30, representan 13 % ; los valores máximos entre 1,436 y 1,515 son 10 vio, de los valores y las densidades entre 1,385 y 1,419 alcanzan 77 9b, de los valores totales .

3 .4 TENSION SUPERFICIAL La tensión superficial en las mieles finales cubanas interesa para la calificación de sus cualidades fermentativas, por tener éstas características coloidales. En la tabla 98 y en las figuras 83 y 84 se reco . gen los resultados de este estudio. La tabla 98 nos muestra los resultados de la tensión superficial en soluciones de mieles.

TABLA 98

Tensión superficial de las mieles cubanas Muestras

Tenel sión superficial (usando método de la gota col'Briz gante) 30 'C dy/cm'

1

59,0

58,3

2

54,7

49,6

3

58,2

53,1

4

60,4

54,1

5

59,6

50,1

6

59,4

51,1

7

58,2

53,9

8

61P

55,0

9

56,2

50's

10

58,0

53,0

11

59,6

48,4

12

59,2

53,0

13

59,4

52,4

14

59,6

50,6

15

59,9

50,2

16

50,2

55,9

17

58,2

54,0

18

59,0

50,6

19

56,6

50,5

20

60,4

51,1

21

60,4

51,0

22

60,8

52,1

23

60,8

56,4

-- - 65 *Bx

dy cm 55-

-_ 33.4 "Bx -- 20 °Bx 6 'Bx

50~

45-

40

900

1 800

2 700

T-t

3 600

Fig. 83 Variación de la tensión superficial con el tiempo.

_dy em

8a

70-

50"

40

50

100

"Bx

Fig. 84 Variación de la tensión superficial en el grado Briz (tiempo 30 min) .

En las figuras 83 y 84 se ofrecen datos del estudio de la variación de la tensión superficial con el tiempo . Esta variación puede tener como causa la migración de uno o más componentes hacia la interfase y está bajo observación . 3.5 CALORES ESPECIFICO Y DE COMBUSTION 3.5.1 Calor específico El calor específico, depende de la temperatura que prevalezca . En las soluciones nzucara-

das depende de la temperatura, la concentración y la pureza. Aumenta al elevarse la temperatura y disminuye al aumentar la concentración en soluciones empíricas de azúcar . En igualdad de temperatura, 'el calor específico de las mieles es menor que el de soluciones de azúcar puro. A concentraciones y temperaturas constantes el calor específico, baja al disminuir la pureza. Igualmente, el calor específico es de mucha importancia en la fermentación para producción de masa biológica .

168

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 99 Valores mínimos, medios y máximos Mínimos

Entre

Medios

Máximos

0,370-0,385 0,508-0,517 0,625-0,884

es que éstas se utilizan como sustrato combustible en procesos biológicos . El conocimiento de su calor de combustión permite establecer un balance energético y determinar la eficiencia de utilización del sustrato. El calor de combustión en las mieles finales, en la alimentación animal, sirve de base para la determinación de la energía digestible y metabolizable . 3.6 EFECTOS DE LA ESTERILIZACION SOBRE LAS MIELES FINALES

TABLA 100 Influencia de la concentración en el calor específico Brix

Calor específico

'Brix

Calor específico

10A

0,94

50,2

0,67

22,1

0,85

60,8

0,60

30b

0,80

60,4

0,54

39,7

0,73

4 Microflora de las mieles fínales cubanas

3.5.2 Calor de combustión Sus valores se dan en calorías por gramo de miel física . Su importancia en las mieles finales, TABLA 101 Valores mínimos, medios y máximos del calor de combustión en las mieles finales cubanas (cal/g) Mínimos

Medios

2601

3 474

3633

2994

3520

3908

Durante la esterilización de las mieles con el objeto de disminuir su tenor microbiano, se efectúan cambios que son interesantes en los procesos fermentativos, como la disminución del pH a causa, principalmente, de la formación de ácidos por la descomposición de la sacarosa por la temperatura (Tab . 102) .

Máximos

Un aspecto importante de la calidad de las mieles finales cubanas, es su contenido microbiano. Los microorganismos presentes en las mieles finales provienen de la recolección de la caña, de las infecciones producidas durante el proceso de fabricación en los centrales y del ambiente ; éstos han resistido las temperaturas del proceso o se han incorporado a las mieles durante su almacenamiento . En la composición de los jugos existe una variada microflora, como se expone en la tabla 103 ; parte de esos microorganismos resisten las condiciones del proceso de fabricación y pasan, en distintas formas, a las mieles finales . Los estudios microbiológicos realizados en el ICIDCA arrojaron la microflora, en las mieles finales, que se muestra en las tablas 103 y 104 . Al estudiar los resultados de la tabla 104 nodemos observar que el contenido microbiano, por gramo de miel, oscila ent=e 150 y 17 000,

TABLA 102 Efectos de la esterilización sobre las mieles finales

Tiempo de esterilización

Acidez total (como ácido acético (g/1) Muestras

1

2

3

4

5,9

5,8

6,0

5,8

h 1 atm

5,5

5,5

5,3

h más

5,3

5,2

h más

5,2

5,05

0

pH

1

Reductores (g/1) 2

3

4

1

2

3

4

0,336 0,368 0,256 0,300

20,2

19,2

19,9

19,6

5,4

0,480 0,497 0,403 0,435

19,2

18,6

18,8

179

5,2

5,3

0,520 0,520 0,461 0,466

18,9

17,9

18,2

17,5

5,05

5,15

0,709 0,785 0,475 0,545

18,7

17,3

17,7

17,3

TABLA 103 Microorganismos aislados en las mieles cubanas Levaduras

Bacterias Bacillus subtilis (Ehienberg) Cohn .

Schizosaccharomyces pombe Lindner

Bacillus licheniformis (Weigmann) Chester.

Schizosaccharomyces octosporus

Bacillus brevis Migula

Sacch. rouxii Boutroux

Bacillus cereus Frankland y Frankland

Sach. mellis (Fabian et Oulnct) Lodder et Kreiger van Rij.

Bacillus megaterium de Bary.

Rhodotorula mucilaginosa (JBrgensen) Harrison

Bacillus pumilus Meyer y Gottheil

Candida tropicatis

Brevibacterium imperiale (Steinhaus) Breed.

Deb. sp.

Hallados esporádicamente Micrococcus varians Migula Micrococcus tutens (Schroeter) Cohn . Micrococcus caseolyticus Evans. Micrococcus candidus Cohn . Sarcina hansenii (Miquel) Breed. Sarcina (lava de Bary. Microbacterium tacticum Orla-Jensen

(Cast.) Berkhout

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

170 TABLA 104

TABLA 105

Rangos anuales del tenor microbiano de las mieles tinales cubanas (m.o. por gramos de miel)

Rangos de diferencias hallados durante el almacenamiento

Arto

Mesófilos totales

Termófilos totales

°Brix

±1,20

pH

-0,17-0,7

1965

3,0 x 101 - 2,6 x 103

3,0 x 102 -1,7 x 103

R.L.

-1,8

1966

3,0 x 102 -3,6 x 103

3,0 x 10 3 -2,3 x

103

R.T.

-2,50 -3,2

1967

3,0 x 102-7,2 x

3,7 x 10'-2,3 x

103

Sac .

-0,65- 1,33

1968

3,0 x IT - 3,7 x 103

3,0 x 102 - 2,7 x 103

R, inf .

-0,41 -0,50

1969

3,0 x 102 -5,0 x 103

Acidez total

-0,143 - 0,57

1972

1,5 x W-1,7 x

103

3,0 x 103 - 4,6 x103 1,1 x 102 .1 ,9 x 103

A.V.

-0,040 + 0,299

1973

1,3 x 10%-7,3 x

103

1,8 x 102 -2,7 x 103

N2 total

-0,062 - 0,131

1974

1,5 x 103 -4,6 x los

1,1 x 102 -4,3 x 103

N, asim.

-0,039 - 0,050

1975

2,2 x 103 - 8,3 x 103

1,5 x 102 J2,2 x 103

A/T

1976

1,7 x 103 -2,4 x

103

1,6 x 102 - 5,6 x 103

1977

1,2 x 102 -1,3 x

103

15 x103 -4,5x10 3

1978

3,6 x 103 -1,5 x 103

103

-1,1

-6,8

P,O, T.

-0,005 -0,006

P^ A.

0,004 - 0,012

1,6 x 102 -3,4 x 103

% A/T

OR

PROMEDIO 2,3 x 102 -3,4 x 103

2,1 x 103 -3,4 x 103

Coloides

-4,65

1979

1,6 x 103 -1,4 x 103

1,0 x 102 -5,0 x 103

C. tope

+2,52 + 15,3

1980

l ~S x 102 -1,0 x lo,

1,5 x

Cenizas

-0,94 - 1,01

Rend. indust.

+0,904 + 2,43

103

-1,7 x 103

para organismos mesófilos y de 150 a 5 000 para los termófilos . Se consideran valores bajos 3 000 microorganismos mesófilos y altos 300 000 microorganismos, por lo que las mieles cubanas están dentro del contenido bajo de microorganismos mesófilos . Para microorganismos termófilos se considera como bajo 1200 microorganismos y alto 16 500 microorganismos, por lo tanto, las mieles cubanas están dentro del contenido bajo de microorganismos termófilos. Entre la microflora de las mieles predominan el Bacillus subtilis, el Bacillus megaterium y el Bacillus cereus. 5 Almacenamiento de las mieles finales En el ICIDCA, se han realizado estudios sobre el comportamiento de las mieles finales durante su almacenamiento, en la tabla 105 se exponen los resultados : las pruebas industriales se realizaron en las destilerías Abraham Lincoln y George Washington. Analizando los resultados expuestos en la tabla 105, se observa que existe una tendencia a disminuir en los valores de los análisis con

-4,4

excepción de la capacidad tope (buffer) y el rendimiento industrial . Ello comprueba que las diferencias que sufre la miel final, en su composición química durante su almacenamiento normal, no afecta su calidad fermentativa . 5.1 COMPORTAMIENTO ANORMAL DE LAS MIELES FINALES DURANTE SU ALMACENAMIENTO Cuba es un gran productor de mieles finales . En general, las mieles finales cubanas, durante su almacenamiento, se comportan normalmente, como ya se explicó con anterioridad . Cuando las condiciones, sobre todo en el proceso de fabricación, centrifugación y almacenamiento, son anormales, ese comportamiento puede sufrir alteraciones y se pueden presentar casos de deterioro y destrucción violenta de las mieles almacenadas . Este fenómeno de autodestrucción se ha presentado en diversos países como Egipto, Hawaii, Taiwan, Puerto Rico, la India y otros, y ha sido objeto de análisis y estudio por muchos investigadores.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES En Cuba, hemos estudiado este fenómeno, y aunque los casos de deterioro, estadísticamente comparados con el volumen total de mieles producidas, son insignificantes, expondremos los factores comunes en los casos ocurridos en nuestro país, proponiendo medidas para evitar o mitigar, en lo posible, su repetición. 5.1.1 . Factores comunes en la mayoría de los casos de descomposición a) Cañas atrasadas .

k) Alto contenido de N2. 1) Ninguna medida de control en los tanques de almacenamiento . Casi siempre, cuando estos casos se detectan es por el olor característico a azúcar quemada, derrame de la miel, temperaturas anormalmente altas y todos los cambios expuestos en la tabla 106 . Es decir, en la etapa en que las reacciones ya son difícilmente controlables . 5.2 ESTUDIO DEL DETERIORO DE MIELES FINALES CUBANAS

b) Condiciones anormales en el cultivo . c) Mayor contenido de no azúcares en el jugo. d) Dificultad en la clarificación . e) Dificultades en la fabricación de las masas cocidas de tercera. f) Altas temperaturas durante la cocción y la purga . g) Grado Brix alto en las mieles finales . h) Altas viscosidades y densidades en las mieles finales . i) Color pardo rojizo en las masas y mieles . Sobrecalentamiento en las mieles.

Las tablas tados de los vez, la tabla de 7 casos de

106 y 107 muestran algunos resulcasos estudiados en Cuba. A su 108 recoge los datos comparativos deterioro de mieles finales de caña .

5.2.1. Deterioro de las mieles finales cubanas Normalmente, las mieles finales cubanas no sufren alteraciones significativas durante su almacenamiento ni en su composición, ni en sus cualidades fermentativas . Los fenómenos de autodestrucción de las mieles se agravan por factores evitables . Los resultados de nuestro estudio nos permiten hacer las siguientes recomendaciones : 1 . Liquidar y limpiar los tanques de almacenamiento .

TABLA 106 Resultados obtenidos de los casos estudiados para las mieles en la etapa de deterioro, así como los promedios decenales Parámetros Promedios decenales

Mieles 1' Etapa deterioro

Promedios decenales

X

Etapa deterioro

5,7

4,2

6,2

3,8

Grado Brix

90,1

82,6

88,7

63,8

Pureza

48,0

2,4

43,9

5,2

Pol

43,9

1,9

38,9

3,3

Azúcares R.T .

61,1

34,5

58,6

14,7

Sacarosa

45,9

36,1

-

Temperatura *C

65,0

80,0

70,0

86,0

Tiempo almac. (semanas)

-

14

pH

3,24

6

172 TABLA 107 Comparación de diferentes resultados obtenidos para las masas solidificadas C. Fajardo (P, Rico) (%)

Parámetros

Paramonga (Perú) (8%)

(Cuba) (%)

(Cuba) (%)

Reductores libres

26,73

2,23

0,77

3,28

Reductores totales

27,20

4,31

0,77

9,84

Sacarosa

0,47

' 4,09

-

6,23

Ceniza

8,87

12,65

16,49

81,3

87,40

86,69

76,36

Nitrógeno

-

0,69

0,74

0,89

Ca0

-

-

1,97

2,03

Materia seca

TABLA 108 Datos comparativos de 7 casos de destrucción de mieles finales C. Fajardo Olokele (P. Rico) (Hawai) 1. Tonelada de miel destruida

Plata (P. Rico)

Ernant Paromonga (Egipto) (Perú)

(Cuba)

(Cuba)

9 500

1 100

3600

5 800

1 500

8000

8 773

2. Temperatura final de las masas cocidas ('C) : 69-71 a) Al descargarse

67-71

64-67

77

85-88

69-72

69-70

50

42-46

60

60

b) Recalentada para purgar

54-56

57

3. Temperatura de la miel final entrando al almacenamiento (°C): a) Alta

63

74

68

90

60

75

70

54

57

63

66

50

68

66

103

95

104

86

100

102

101

5. Duracción medía del período antes del deterioro (semanas) 4,8-5,2

6-9

5

2-9

14

6

6. Composición de la miel al entrar en almacenamiento (Grados Brix)

87,80

89,10

91,40

98,40

90,80

92,30

91,60

Sólido por desecación (%)

81,40

83,50

85,50

84,50

rh 82,70

86,50

85,10

Sacarosa Clorget (°h)

35,20

33,30

37,60

38,10

34,50

42,90

39,00

Azúcares reductores (46)

23,90

19,30

21,80

9,30

20,80

17,20

19,00

Azúcares totales (%)

59,10

53,20

59,40

47,40

35,30

60,10

57,80

No azúcares totales (°h)

22,30

50,20

26,10

37,10

27,40

26,40

27,30

8,10

10,70

8,00

18,00

14,40

12,60

17,10

b) Promedio 4. Temperatura durante la reacción violenta (°C)

Cenizas (%)

-

3

173

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES TABLA 108

(cont.) C. Fajardo Olokele (P. Rico) (Hawai)

No azúcares orgánicos

Plata (P. Rico)

Ernant (Egipto)

Parontonga (Perú)

(Cuba)

(Cuba)

14,20

19,60

18,10

19,10

13,00

13,80

10,20

pH

6,00

5,30

-

6,60

4,90

5,40

6,20

Nitrógeno

0,85

0,54

1,39

0,58

0,71

0,69

(9h)

2 . Se debe instrumentar un modelo donde se recojan : a) Las dificultades durante la cocción y temperatura de las masas cocidas de tercera y su comportamiento en los cristalizadores .

-

6. Hacer una instalación, aprovechando la bomba de entrada, que permita la recirculación de las mieles en el propio tanque o a otros tanques, como un método habitual de homogeneizar las mieles y bajar la temperatura .

c) Temperatura de las mieles al entrar en el tanque de almacenamiento .

7 . Dotar a los tanques de almacenamiento de una instalación exterior de cortina de agua, como un medio de refrescar la temperatura exterior del tanque .

Ésta debe ser lo más baja posible (43 - 45'C) .

8. Aplicar un sistema de chequeo regular de la temperatura de las mieles almacenadas .

3. Se debe llevar un control analítico de las mieles almacenadas que indiquen :

9. En caso de notar el comienzo de la reacción de deterioro, a saber por:

b) Temperatura de centrifugación .

Grado Brix

a) Disminución continuada de pH.

Reductores infermentables

b) Disminución Brix.

Pol Reductores libres N2

total

Pureza y compararlos con los promedios normales nacionales, para alertar sobre las que resulten potencialmente peligrosas .

continuada

de

grado

c) Disminución continuada de la pureza . d) Disminución continuada de la Pol. e) Disminución continuada de la sacarosa. f) Aumento de los reductores libres. g) Aumento continuado de la temperatura . Se debe :

4. Recibir las mieles en los tanques de almacenamiento por arriba y extraerlas por debajo o viceversa .

h) Sacar rápidamente las mieles para su procedimiento u otros usos.

5. Evitar, por todos los medios, el recalentamiento de las mieles almacenadas .

i) Crear una conciencia colectiva sobre la necesidad de estas medidas.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

174

TABLA 109 Potencial de productos a partir de la miel final como materia prima Producto

Método de elaboración de la materia prima

Alcohol etílico

Fermentación por Saccharomyces cerevisiae

Alcoholes superiores

Fermentación y purificación del alcohol etílico

Alcoholes isopropílico y butírico

Fermentación por Clostridium acetobutylictmt

Alcohol amilico

Fermentación Por

Glicerina

Fermentación alcohólica

2-3 butanodiol

Fermentación por bacterias del género Aerobacter

Levadura de panificación

Fermentación Sacch. cerevisiae

Levadura fprrajera

Fermentación aeróbica por género Candida

Levaduras especiales

Fermentación de Rhodotorula, levaduras enriquecidas (diferentes géneros de levadura)

COs

Fermentación alcohólica

Dextrana

Fermentación por Leuconostoc mesenteroides

Acido láctico

Fermentación láctica por lactobacillos

Acido cítrico

Fermentación cítrica por Aspergillum niger

Acido glutámico

Fermentación variada

Acido aconftido

Extracción

Acido itacónico

Fermentación por Aspergitlus terreus

Enzimas

Fermentación por Sacch. cerevisiae

Sacch. cerevisiae

Lisina Anticorrosivos

Diversas fórmulas

Piensos

Directamente o combinados

6 Abreviaturas

tag

microgramo

A.F.

azúcares fermentables

um

micrómetro

A. Pot.

acidez potencial

m.o

microorganismos

A/T

asimilable del total

NA .

nitrógeno asimilable

A.V .

acidez volátil

N.T.

nitrógeno total

C. tope

capacidad tope (buffer)

P^A.

P,O5 asimilable

ap

centipoise

P,Os . ./POT A

P,O5 asimilable del P,06 total

col.

coloides

P206T.

P,O6 total

g

gramos

P

poise

M.S .G.

materia seca gravimátrica

RA.

rendimiento alcohólico

175

MIELES CUBANAS. CARACTERISTICAS PRINCIPALES R.B .

rendimiento de biomasa

R.I .

reductores infermentables

R.L .

reductores libres

R.T.

reductores totales

sac.

sacarosa

% NA.IN.T .

tanto por ciento del nitrógeno asimilable del nitrógeno total

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ZERBAN,

Capitulo VII LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA RoMELIA LoP9Z

1 Introducción La cachaza es uno de los subproductos de la caña de azúcar de menor utilización práctica, hasta el momento, aunque mucho se ha escrito sobre sus posibles usos . En nuestro país, distintos investigadores han realizado estudios sobre las características y propiedades de la cachaza como materia prima, sin embargo, no existen trabajos publicados que aborden con profundidad esta temática . La cachaza se puede definir, técnicamente, como el residuo en forma de torta, eliminado en el proceso de clarificación del jugo de caña, en la fabricación de azúcar crudo. El residuo que se obtiene por sedimentación del jugo suspendido, en una gran cantidad de líquido y que luego se somete a filtración, se le denomina cachaza primaria y cachaza final, al que se descarga de los filtros para ser desechado . Su constitución depende de varios factores: del tipo de suelo, de la variedad de caña, del tipo de cosecha (mecanizada o manual), del grado de extracción del jugo de la caña, de la cantidad de cal u otros clarificantes usados en la defecación, de los métodos de filtración empleados, tamaño de los orificios de los coladores del jugo, etc. Este derivado de la producción azucarera contiene gran parte de materia orgánica coloidal dispersa, originalmente, en el jugo, que al alcalinizar se precipita con los aniones orgánicos e inorgánicos, en forma de sales de calcio, junto con otros materiales que son absorbidos en estos precipitados . 2 Obtención . Procedencia 2.1 CLARIFICACION. PROCESO El proceso de clarificación tiene como objeto principal, la purificación del jugo que sale de los molinos, como una mezcla compleja de los componentes de la planta de la caña. El método más antiguo de clarificación es el que se realiza, con cal y calor, el cual es conocido como proceso de defecación simple y se efectúa antes del concentrado del jugo por evaporación. En la clarificación se elimina la cantidad máxima de impurezas del jugo, añadiéndole la cal suficiente para

neutralizar los ácidos orgánicos que contiene y evitar así la inversión de la sacarosa; además de provocar la precipitación de las impurezas . El tratamiento a base de cal y calor hace que se efectúe, en el jugo, una separación en 3 capas; las sustancias menos densas, las cuales flotan ; las más densas, que se asientan en el fondo en forma de precipitado, y la porción central del jugo, que queda más o menos clara. Se han realizado diversos estudios tendentes a mejorar los métodos de clarificación y lograr una mayor precipitación de las sustancias extrañas contenidas en el jugo. Por ejemplo, existen variedades de caña cuyo jugo presenta bajo contenido de fósforo y otras que presenta altos contenidos de almidón, entre otras sustancias, todo lo cual dificulta la clarificación, al tener lugar reacciones en que sus productos son difíciles de precipitar. Dichos estudios trataban de resolver estos inconvenientes variando los distintos parámetros del proceso, tales como la concentración de hidróxido de calcio, la temperatura y también empleando diferentes métodos de decantación . Desde 1886, Von Lippimann comienza una lista de sustancias, que han sido propuestas para su uso en la clarificación en la industria azucarera, la que fue variando más tarde; ésta llegó a alcanzar 720 referencias que comprendían 490 sustancias inorgánicas, 198 orgánicas y 54 materias electrolíticas . Actualmente, la sustancia más difundida, para este proceso, es la cal en forma de lechada, que es una suspensión de Ca(OH) 2 en agua, con densidad de 12 a 15°Be, o sea, de 10 a 13 % de Ca0 (para los procesos automáticos de alcalinización, la lechada es de una densidad menor) . La cal produce reacciones con las sustancias en el jugo, de diferentes características : algunas dan origen a compuestos que quedad en suspensión, otras producen precipitados y también se producen reacciones que forman compuestos solubles en el jugo. Por esto, la eficacia de cualquier método de clarificación está en la velocidad de asentamiento y de flotación, así como en la eficiente separación de estos compuestos, entre otros factores. Hay varios métodos de añadir la lechada de cal al jugo para alcalinizarlo. Un método consiste en añadir la lechada al jugo crudo en frío, llevándolo a un

178

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZQCAR

pH que fluctúa entre 7 y 8,6, calentándole luego a 100 102'C. Otro método sería, añadir la lechada después de calentar el jugo hasta alcanzar un pH de 7,6 a 8,0 . También se puede realizar la adición de manera fraccionada, o sea, en 2 etapas, una antes del calentamiento y otra después . En frío el pH es mayor, a causa de que durante el calentamiento el pH desciende por las reacciones que ocurren . Para una clarificación óptima no existe un pH único, como se pensaba antiguamente, sino que éste varía en dependencia de las impurezas del jugo, tratando de obtenerse una precipitación rápida y un jugo claro, libre de turbidez . Tanto el rango de pH como el de temperatura son importantes en este proceso . A pH menores que 7,8 ocurre la inversión de la sacarosa con mayor rapidez, convirtiéndose en fructosa y glucosa (azúcares reductores) . Esta reacción es irreversible, lo que llevaría a la pérdida de azúcar . Esto también ocurre a temperaturas mayores de 100'C, por lo que se establece un compromiso alrededor de esta temperatura y pH mayores que 7; sin embargo, se debe tener en cuenta que a pH muy elevados se produce la destrucción de los azúcares reductores que están ya presentes en el jugo y se obtiene un producto de color oscuro que no es conveniente en el proceso de clarificación . 2.2 TRATAMIENTO DE LA CACHAZA

El guarapo claro, que comprende 80 ó 90 del jugo original, casi siempre va a los evaporadores, sin más tratamientos, mientras que la cachaza se filtra, se diluye, se deja que sedimente y se decanta . Con el fin de ayudar a la filtración, la cachaza es mezclada con bagacillo, en proporciones no exactas, sino a consideración del técnico, esto constituye una de las razones de la variabilidad en la composición de la cachaza. El bagacillo para esta mezcla se obtiene por tamizado o separación por aire . La sedimentación se propicia alcalinizando la cachaza a un pH entre 8,0 y 8,5 ; aunque hay quien prefiere no alcalinizar para evitar las reacciones colaterales que se producen. Los filtros rotatorios al vacío (tipo Oliver-Cambell), han sustituido los filtros prensas existentes, desde principios de siglo, y son los encargados de recuperar, mediante un proceso continuo, la mayor cantidad de azúcar de la cachaza . Consisten en un tambor cubierto por láminas de metal perforadas, que gira y se le aplica succión, lo que hace que se forme una torta sobre la superficie . Esta torta se lava y se desprende, adecuadamente, bien raspándola o descargándola por la tela filtrante, según sea el método que se emplee . Las ventajas fundamentales del empleo de los filtros rotatorios es que,

además de propiciar la filtración mediante un proceso continuo, son más eficientes y permiten simplificar la estructura administrativa de la empresa, con el consiguiente ahorro de trabajo . 3 Caracterización 3.1 COMPOSICION DE LA CACHAZA

Los componentes químicos de la cachaza han mostrado gran variación, de acuerdo con el lugar y las condiciones de obtención, como ya se dijo con anterioridad, aunque, en general, se observa que tiene gran cantidad de nitrógeno y fósforo, entre otros. El nitrógeno se presenta, principalmente, como proteínas u otras formas amoniacales más simples o en forma nítrica, tiene una conversión rápida si fuese necesario descomponerlo, en dependencia de su utilización . El fósforo se presenta en forma de combinaciones orgánicas complejas, tales como fosfolípidos y. nucleoproteínas, aparecen algunas en forma de fosfatos de calcio provenientes del proceso de clarificación . Sin embargo, el contenido de potasio es muy bajo (aproximadamente 0,4 ^io) . La cachaza sufre degradación microbiológica, en la que varía la concentración de nitrógeno, a largo plazo, mientras que en el calcio y fósforo no es apreciable esta variación . No se han reportado estudios en cuanto al almacenamiento de cachaza ; aunque es conocido que cuando ésta se almacena en grandes pilas, puede sufrir, paulatinamente, el proceso de autocombustión . Sin embargo, esparcida a 3 ó 4 cm TABLA 110

Base seca (016)

Contenido Producto húmedo (46)

Proteína cruda

12-16

3-4

Extracto al benceno (cera, aceite y resina)

10-14

2,5-3,5

Componentes

Ceniza

8-12

2-3

P205

3-5

0,6-1,3

Ca0

2,5-5

0,5-3,5

Sacarosa y azúcares reductores

10-14

2,5-3,5

Meollo de caña

18-25

4,5-6,25

Otros

25-35

6,2-8,7

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA

179

TABLA 111

Acido aspártico

4,4

Treonina

2,8

Acido glutámico

3,7

Metionina

0,5

Isoleucina

2,1

Alanina

5,8

Valina

3,5

Leucina

3,6

Tirosina

0,6

Fenilalanina

1,3

Triptófano

1,2

Histidina

2,2

Lisina

2,1

Arginina

0,9

de espesor, no ocurre esto, ya que la cachaza presenta gran capacidad de areación por su carácter esponjoso . En la tabla 110 se muestra la composición de la cachaza cubana, según estudios realizados TABLA 112 Contenido de nutrientes de la cachaza de las fábricas de la Taiwan Sugar (TSC) en 1979-1980 Componentes

Contenido (%) (b .s.)

Nitrógeno total (N)

0,78- 2,77

Fósforo total (P,O5)

0,70- 2,52

Potasio total (Ks0)

0,36- 0,73

óxido de calcio (Ca0)

1,21- 3,92

óxido de magnesio (Mg0)

0,63 . 1,19

Humedad

67,44-78,18 (base htíme-

Materia orgánica

27,42 - 74,00

PH

da)

6,30- 7,95

por la Subdirección de Fermentación, del ICIDCA, donde se puede apreciar su fluctuación, de acuerdo con las condiciones de la zafra . De la fracción de proteína bruta de la cachaza, se han identificado los aminoácidos que se relacionan en la tabla 111 . El Instituto de Investigaciones Azucareras de Taiwan, reporta unos valores de la composición química de la cachaza y corrobora que ésta posee gran cantidad de materia orgánica, así como de nutrientes para las plantas. Se puede observar que la tabla 112 refleja el contenido total de nutrientes que contiene la cachaza y que pueden ser asimilados por las plantas en su uso como fertilizante .

3 .2 FACTORES AGROINDUSTRIALES QUE INFLUYEN EN LA COMPOSICION DE LA CACHAZA Como la cachaza es el conjunto de los no azucares, en el proceso de . fabricación de azúcar, extraído en forma de desechos, su composición está influida por una serie de factores de tipo agroindustrial, por lo que a continuación se relacionan los que mayor incidencia tienen : a) Variedad de la caña : como es conocido, el contenido de nitrógeno, fósforo, etc ., depende de la variedad de la caña, así como también la cantidad de materia cerosa, que varía de una especie a otra. b) Tipo de cosecha : el incremento en la mecanización aumenta la materia extraña que entra en la fábrica, y, por lo tanto, aumenta el contenido de cenizas, materia orgánica y otros sedimentos que hacen variar la composición de la cachaza . c) Clima: la cera contenida en la caña, aumenta en épocas de sequía, ya que su función es proteger la evaporación de agua en la planta, esto ocurre, principalmente, en las regiones tropicales, mientras que en épocas de lluvia es arrastrada una mayor cantidad de tierra, lo que aumenta así la materia orgánica . d) Temperatura del agua de imbibición (extracción de solubles) : en la actualidad el agua utilizada en el proceso de extracción de azúcares del bagazo, se calienta a ebullición y esto implica que el arrastre de materias solubles, a esa temperatura, se efectúe con mayor facilidad . e) Proceso de clarificación : en dependencia de las sustancias químicas utilizadas en la clarificación de los jugos, así será la com-

180

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

posición de los precipitados formados . Por ejemplo, al utilizar cal, hay un mayor arrastre con los precipitados y se forman diferentes compuestos de Ca, etc. f) Bagacillo añadido : como la cantidad de bagacillo añadido para ayudar a la filtración de la cachaza no es una cantidad fija, esto trae como consecuencia que el contenido de materia orgánica varíe, así como también los tiempos de filtración . 4 Utilización 4.1 PRODUCCION DE CERA Este punto está ampliamente explicado en el capítulo de cera y grasas de cachazas, no obstante, hacemos referencia a algunos aspectos de interés. Desde principios de siglo se ha trabajado en la extracción de cera a partir de. cachaza. Esta extracción se ha realizado de varias formas : aislándola y purificándola y más tarde por medio de solventes orgánicos. La cera cruda presenta una densidad de 0,98 g/ein3, su punto de fusión es de 64 - 68°C . Esta cera es procesada para obtener una cera más refinada que se le llama cera dura; ;de aquí se obtiene, también, aceites o grasas y una porción denominada resinas. En Filipinas, Taiwan, Cuba e India, entre otros países, se han instalado plantas pilotos para la refinación de cera de cachaza, con el fin de sustituir los diferentes tipos de ceras derivadas del petróleo y otras materias primas, que mundialmente se han venido utilizando, con lo que se daría una mejor utilización a este subproducto de la fabricación de azúcar . Este intento de producción de cera se incrementó durante la Segunda Guerra Mundial, en que algunos países no podían recibir las ceras importadas. El proceso de blanqueo de la cera refinada, se varía según su futura aplicación . Entre las numerosas utilizaciones de la cera refinada se encuentran : recubrimiento len cítricos, beitunes, pulimento de automóviles, adhesivos, industria textil, perfumería y cosméticos, fármacos, etc. El aceite de cachaza tiene gran utilización como aditivo en la dieta del ganado avícola y presenta un alto contenido de fitosteroles, de gran interés para la obtención de hormonas, así como también para la industria farmacéutica . También se pueden obtener ácidos grasos de aplicación en la industria. En la 43 Conferencia de la ATAC se presentó un trabajo (Navia, 1981) sobre las propiedades terapéuticas relevantes del aceite de cachaza, donde se da a conocer su estudio y pruebas de

sus posibles propiedades farmacológicas y se cuantifican sus resultados específicos . 4.2 FERTILIZANTES La cachaza ha sido utilizada, tradicionalmente, como fertilizante en muchas áreas de los centrales azucareros, en diversas cantidades, así como también en otros cultivos. Su aplicación está basada en la gran cantidad de nitrógeno, fósforo, calcio y materia orgánica que aporta al suelo . Se han realizado varios experimentos con la cachaza como fertilizante, obteniéndose resultados satisfactorios de cosechas, principalmente en suelos plásticos, suelos rojos arcillosos tropicales y ferralíticos . A continuación reseñamos experimentos realizados por algunos investigadores, cuyo objeto de estudio era determinar las propiedades de fertilización de la cachaza y los volúmenes óptimos de su utilización . Los experimentos realizados por Alomá, en áreas del central Guatemala, en 1973, se efectuaron a varios niveles de concentración de cachaza por hectárea de terreno que había que fertilizar, tales fueron : 99, 148, 295 y 394 t/ha, se observaron mayores beneficios en el primer nivel, o sea, para 99 t/ka, ya que a medida que son mayores los niveles de concentración, comienza a decrecer la curva de rendimiento . Por otra parte, a mayor nivel de concentración crecen, de manera innecesaria, las cantidades de este producto que se va a manipular. En la tabla 113 se pueden observar los resultados promedios de la aplicación de cachaza incorporada al suelo en las áreas del central Guatemala y comprobar, además, el carácter residual en la misma, que puede durar hasta 5 a. Como se sabe, las propiedades físicas y químicas, en un tipo de suelo, están influidas, notablemente, por la materia orgánica que contiene. Ésta sirve de fuente de energía y alimento a los microorganismos . Al actuar sobre la materia orgánica, los microorganismos del suelo la van transformando en diferentes grupos húmicos, de los cuales unos se descomponen rápidamente, siendo incorporados a la planta en un primer período, mientras que otros, son de más larga descomposición y son asimilados por la planta en un tiempo más prolongado . De ahí el carácter residual de la cachaza en su función de fertilizante. En los experimentos utilizados se obtuvieron aumentos en azúcar por área, durante un período de 5 a, aunque se alcanzaron los mayores tantos por ciento de rendimiento en la segunda y tercera cosechas . Al aumentar los niveles de cachaza, se comprobó que se incrementaba el contenido de nitrógeno foliar, mientras que éste

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA TABLA 113

Promedio total

de Trata miento 5 cose. chas (t/ha) Sin cachata 6,48

Tratamiento (t/ha)

ler. año

%

Sin cachaza

8,00

100

8,90

100

5,66

100

5,17

100

4,68

100

99

8,38

105

10,80

121

7,63

135

5,69

110

4,56

97

99

7,41

114

148

8,95

112

11,46

129

6,50

115

5,89

114

5,09

109

148

7,58

117

295

8,88

111

11,63

131

7,61

134

7,05

136

5,54

117

295

8,14

116

394

9,03

113

11,22

126

6,50

115

6,53

124

5,38

115

394

7,73

114

2'

año

%

3er,

ño

%

4"

año %

5"

año %

% 100

TABLA 114

Promedio de los resultados de análisis foliar en estudios de nitrógeno Tratamiento

Nitrógeno en la hoja (%) 3er. año ler. año 1' año

4^

año

Sin cachaza

1,59

1,54

1,16

1,26

1,69

1,74

1,34

1,35

148

t/ha t/ha

1,68

1,80

1,39

1,38

295

t/ha

2,01

1,88

1,49

1,41

99

disminuía con el transcurso de las cosechas (Tab. 114) . El fósforo foliar también aumentó con los niveles de cachaza y se llegó a la conclusión que el efecto residual de la misma es más duradero sobre el fósforo que sobre el nitrógeno. También se han realizado experimentos a otros niveles de concentración y en otros tipos de suelos . Medina estudió el efecto del encolado y la aplicación de la cachaza en el mejoramiento de los suelos ferralíticos . Utilizando niveles de cachaza de 0 y 200 t/ha, base húmeda. Se comprobó que la adición de cachaza mejora, tanto la fertilidad como el contenido de nutrientes del suelo. Paneque también reporta estudios realizados sobre suelos similares y muestra que se podían obtener aumentos considerables en la producción de caña, aplicando los mismos niveles de cachaza . Otros trabajos tanto en Cuba como en el extranjero, llegan a las mismas conclusiones. En la India se reporta que la producción anual de cachaza, la cual se considera un efluente, contiene un equivalente de alrededor de:

1 t de sulfato de amonio 30 000 t de P20s 22 000 t de cloruro de potasio 1,8 t de superfosfoto Todos estos compuestos químicos son importados, anualmente, por lo que aportan un mayor interés, por el estudio de este residuo azucarero, para su utilización como fertilizante . Por otra parte, según cálculos preliminares realizados por Alomá, 100 t de cachaza, aplicada por hectárea, suministra al suelo, aproximadamente: 1 tdeN 1,23 t de P20s 0,11 t de K2 0 La cachaza, aunque reporta poca cantidad de potasio al suelo, ayuda, sin embargo, a la reten-

182

LA

INDUSTRIA DE

ción del mismo, lo cual implica un mayor aprovechamiento por parte de la planta. Esto ocurre a causa de la gran capacidad de intercambio de la materia orgánica de la cachaza . El contenido de cal en la cachaza aumenta el pH del suelo y, por tanto, actúa como agente liberador de fósforo y potasio retenidos. En el proceso de descomposición de la cachaza se forma cierta cantidad de ácidos, entre ellos el ácido carbónico, lo cual pudiera disminuir el pH del suelo ; sin embargo, esto no ocurre así, pues son neutralizados, presumiblemente, por los iones calcio y otros cationes contenidos en la cachaza. Podemos concluir, que la cachaza como enmienda orgánica de los suelos para mejorarlos, aporta los nutrientes necesarios, sin necesidad de usar fertilizantes químicos, mejora las propiedades físicas y microbiológicas del suelo, y aumenta los rendimientos de la caña de azúcar .

4.3 LA CACHAZA COMO ALIMENTO ANIMAL Los resultados más concretos con respecto al empleo de la cachaza como alimento animal, es su utilización como fuente de grasas en las dietas de la masa avícola, del aceite recuperado de la cachaza . La producción de aceite de cachaza está limitada por la producción y refinación de la cera, ya que es durante ese proceso en que éste se obtiene como subproducto . Por otra parte, se han realizado estudios tendentes a determinar las posibilidades de aplicación de la cachaza, bien en forma natural o fermentada, mezclada con miel en diferentes proporciones o sola. Según reporte del Plan de Alimentación en Seca 1981-1982, del Viceministerio de la Ganadería, la utilización de la cachaza, en alimentación animal, en este período, es de 269 000 t. Sin

LOS

DERIVADOS DE LA CARA DE

embargo, aún no se reportan resultados concretos de rendimientos en carne, en la práctica. Trabajos realizados en el ICA donde fueron sustituidos, total o parcialmente, los azúcares incluidos a la dieta de aves por cachaza, en diferentes niveles, arrojaron resultados no satisfactorios para niveles de sustitución superiores a 37,5 y 50 %, lo que provocó bajos rendimientos y un incremento de la mortalidad . Sin embargo, para niveles bajos de 1,5 % se obtuvieron resultados que pudieran servir de base para estudios posteriores. Actualmente, en distintas regiones ganaderas del país, se ha ido a un incremento de la utilización de este subproducto con fines de la alimentación animal y se emplea en forma fresca directamente o mezclada con miel .

4.4 PRODUCCION DE CARBON ACTIVADO Ya en 1941, se publicó un estudio de la cachaza como materia prima, para la fabricación de carbón activado, también con el fin de sustituir los carbones decolorantes, de origen vegetal, que se utilizan para tratar las soluciones de azúcar, en su refinación, los laboratorios de investigaciones del ICIDCA realizaron un trabajo experimental para determinar la posibilidad de utilizar cachaza para la producción de carbón activado . Para la obtención de carbón activado, con los parámetros de calidad requeridos, la materia prima, cualquiera sea ésta, debe tener las siguientes características : 1 . Bajo tanto por ciento de humedad, lo cual representa mayor rendimiento y menor consumo energético . 2.

Bajo contenido de ceniza, esto implica mayor rendimiento .

TABLA 115

Comparación de las características de la madera y la cachaza Madera (verde al corte) Humedad

40-55

Ceniza seca (%)

0,5-3

Material volátil b.s. (%) Densidad materia seca Carbono

fijo

b.s. (%)

Carbón activado del material húmedo (%)

(g/1)

AZüCAR

(al

Cachaza

salir del filtro) 65-75 10-30

75-85

60-70

400-600

120-180

15-25

10-20

4-6

Depende de la tecnología

183

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA

3 . Bajos niveles de densidad, ya que a medida que baja ésta se logran carbones más porosos y, en consecuencia, mayor grado de actividad . 4. Alto contenido de carbón representa mayor rendimiento y mayor poder decolorante. Este factor está relacionado, de forma inversa, con el contenido de ceniza. En la tabla 115 (Alonso, 1970) se puede observar la comparación entre las características de la madera y la cachaza para estos fines . Se observa que el grado de humedad y contenido de ceniza en la cachaza, están muy por encima de los de la madera. El contenido de carbono es similar, en ambas materias primas, mientras que la densidad de la cachaza es muy inferior a la de la madera. Por estudios realizados al respecto, los resultados no han sido muy satisfactorios a causa de la variabilidad en la composición de la cachaza . Se encontró que estas variaciones afectaban los rendimientos e impedían normalizar los tiempos de carbonización y activación, ya que el contenido de ceniza varía mucho de un central a otro y de una zafra a otra y esta variabilidad influye, directamente, en los tiempos de carbonización v activación ; por otra parte, también

resultó que el poder decolorante y el rendimiento eran muy bajos, cuando el contenido de ceniza es superior a 20 % . Todo lo anterior hizo que el ICIDCA no continuara sus trabajos de investigación para obtener carbón activado a partir de cachaza . 5 Potencialidad A escala mundial, se obtienen, anualmente, grandes cantidades de cachaza como residuo de la industria azucarera : aproximadamente 3 de la caña molida . La cachaza como tal tiene un mercado muy limitado, en relación con su potencialidad, aunque las posibilidades de industrialización de esta materia prima, con vistas á la producción de cera y grasas, están dadas por la demanda del mercado interno y de la exportación . Para la cera refinada, existe un mercado interno apreciable, así como para el aceite . Las posibilidades de exportación de cera refinada de alta calidad y de fitosteroles, materia prima para la producción de hormonas, serían el factor determinante de esta problemática . A lo que a su utilización como fertilizante y alimentación animal se refiere, la cachaza posee gran cantidad de elementos activos y nutricio-

000 000 f AZUCAR

1920 000 t CACHAZA

CERA CRUDA

20 000 ha FERTILIZADAS ANUALMENTE CARACTER RESIDUAL

1 000 000 ha A LOS 5 0 Fig. 85 Producto aproximado que se puede obtener, alternativamente, con la cachaza producida en una zafra de 3009171) t de azúcar.

18 4

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVAMS DE LA CAÑA DE AZOCAR

nales que pueden sustituir, total o parcialmente, los utilizados de manera convencional . Si se utilizara toda la cachaza de una zafra de 8 000 000 t de azúcar se podría obtener, alternativamente, cera cruda, producto procesado para el alimento animal o fertilizante, según se muestra en la figura 85, teniendo en consideración un comportamiento medio de la composición de la materia prima. A causa del alto precio del petróleo y la crisis energética mundial, resultaría beneficioso para los países subdesarrollados productores de azúcar, desarrollar el estudio, de manera integral, de este subproducto para su utilización en las distintas alternativas de empleo que se presentan.

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TERCERA PARTE TECNOLOGÍA Capítulo VIII INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

1 Introducción La idea de utilizar el bagazo para la producción de pulpa y papel no es nueva. En 1838, se propuso, por primera vez, su empleo como materia prima celulósica. Entre 1844 y 1856, se efectuaron pruebas en Francia e Inglaterra, y ya en las postrimerías del siglo xix existían algunas fábricas pequeñas en EE UU. En Cuba, el primer hito histórico lo marcó el establecimiento, en 1915, de una pequeña fábrica para la producción de papel de embalaje, con capacidad de 4 t/d, aunque su existencia fue efímera ; tal fue el caso, de una instalación construida, posteriormente, en el antiguo central Tuinicú, hoy Melanio Hernández, en Sancti Spíritus, para la producción de 40 tld de pulpa para disolver del bagazo . En otros países se construyeron algunas fábricas durante la primera mitad del presente siglo, aunque con resultados poco satisfactorios . La primera instalación comercial de importancia se erigió en Perú, en 1939, seguida de otras 2 en Filipinas y Argentina, en 1941 y 1943, respectivamente . También durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron en Taiwan 2 fábricas. Otras plantas pequeñas fueron establecidas en Colombia, Perú, la India y Brasil, a fines de la década de 1940 y a comienzos de la siguiente . A fines de 1952, existían, solamente alrededor de 10 fábricas de pulpa y papel en el mundo que utilizaran bagazo como materia prima . No fue hasta finales de la década de 1950, cuando el bagazo cobró auge como materia prima papelera. Así, en 1962, había ya más de 25 fábricas productoras de pulpa de bagazo en el mundo, y cerca de 40 plantas de papel que utilizaran en alguna proporción, dicha pulpa.

En la actualidad, existen alrededor de 70 fábricas en el mundo dedicadas a la producción de pulpa a partir del bagazo, para una capacidad instalada de 1 800 000 t/a . A pesar de su relativamente reducida participación en la producción mundial de celulosa y papel, por el volumen e índice de incremento de la misma, el bagazo ocupa el primer puesto entre las plantas anuales.

2 Pulpeo de alto rendimiento RAt BAMBANASTE, GLORIA VILLAMIL

El desarrollo alcanzado en la industria de pulpa y papel trae aparejado la tendencia creciente a disminuir el consumo de materia prima por tonelada de pulpa, o lo que es lo mismo, incrementar el rendimiento . La necesidad de remplazar las tradicionales maderas suaves, caras y escasas en esta industria, introduce a las maderas duras y a otros materiales celulósicos no convencionales, imponiéndose, por ello, la adaptación de los procesos industriales a estas nuevas materias primas . De esta manera, cobran auge los procesos semiquímicos y los de tipo mecánicos, llamados, en general, procesos de alto rendimiento . El proceso de alto rendimiento significa, al mismo tiempo, menor consumo de reactives químicos, así como perfeccionamiento en los equipos de molida . El pulpeo semiquímico consiste, de un proceso multietapas que comprende el tratamiento químico al material fibroso, para obtener una remoción parcial de lignina, seguido de un tratamiento mecánico para completar la separación de las fibras . Las investigaciones realizadas con bagazo, han evidenciado su relativa facilidad para la impreg-

18 6

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

nación, comparado con la madera, atribuyéndose la misma a su morfología. Durante la impregnación se produce un hinchamiento en las fibras, donde la lamela media incrementa su espesor y el lumen disminuye . El hinchamiento es restringido por las regiones lignificadas de la lamela de transición, la pared primaria y la lamela media, por esa causa se desarrollan considerables tensiones dentro de la pared de la fibra, lo cual, con la etapa mecánica posterior, produce rotura entre la lamela de transición y la pared secundaria (S2) . Por tanto, se reduce la fuerza que une las fibras y la etapa de refinación mecánica se favorece. A temperaturas altas ocurre una delignificación real y se produce un pulpeo químico, pero a bajas temperaturas, predominan la penetración y el hinchamiento, como etapas más importantes . Los procesos semiquímicos más importantes son : a la soda fría y al sulfito neutro (NSSC) y las pulpas obtenidas a partir de éstos se emplean para medio de corrugación, fundamentalmente, aunque también se hace extensivo para papel periódico, de impresión y de escritura . El abrillantamiento superficial o el blanqueo, sin remoción de lignina, contribuyó, notablemente, a extender el uso de estos tipos de pulpa, dentro de los procesos de tipo mecánico . Estos, a su vez, se dividen en los procesos quimimecánico, termomecánico, quimitermomecánico y mecánico. Los procesos de tipo mecánico son, igualmente, multietapas . La diferencia entre ellos consiste, fundamentalmente, en el tipo de pretratamiento al material fibroso . La etapa de molida o refinación de estos materiales pretratados se realiza en refinadores de discos, con el propósito de terminar la separación de las fibras, o sea, completar el pulpeo . El proceso quimimecánico consiste en tratar el material fibroso con productos químicos, los más usados son la sosa cáustica y el sulfito alcalino, a una temperatura y tiempos determinados. El objeto de este pretratamiento es ablandar el material, para que cuando, posteriormente, se efectúe el tratamiento mecánico, éste se produzca de forma satisfactoria, sin destruir las fibras y obtener la calidad buscada en el producto. El proceso termomecánico logra el ablandamiento con temperatura y presión y continúa con la refinación . Este proceso brinda pulpas más resistentes, comparado con el anterior. El proceso quimitermomecánico, combina ambos procesos en el pretratamic- :to y logra mejorar la calidad final. El proceso mecánico es el más simple, sólo utiliza agua caliente en el pretratamiento y seguidamente la refinación .

Las pulpas producidas por procesos de tipo mecánico se utilizan, fundamentalmente, para papel periódico. Se pueden encontrar, también, formando parte de las mezclas para papeles de imprenta y escribir, sanitarios y cajas de cartón . En nuestros días, se han esclarecido los crite. rios en cuanto a la necesidad de que el mayor componente en la composición de la mezcla de pulpas para papel periódico, sea la pulpa mecánica o tipo mecánica, a causa de las propiedades ópticas, principalmente . En las últimas 4 décadas, el bagazo, como materia prima en la industria de pulpa y papel, ha recibido especial atención, sobre todo en la producción de pulpas de alto rendimiento . Un lugar especial encuentra, en este caso, la producción de papel periódico a partir de bagazo, en cuyas investigaciones están involucrados especialistas de diferentes países. En los últimos 2 a, se han desarrollado con este fin nuevos procesos quimimecánicos y quimitermomecánicos, utilizando, en el pretratamiento, sulfito de sodio y sosa cáustica, en países como Estados Unidos, Japón, Finlandia y Cuba . 2.1 PULPEO MECÁNICO A PARTIR DE BAGAZO El desarrollo de los refinadores de discos, en la industria de pulpa y papel, proporcionó un gran avance para la obtención de nuevas calidades de productos, así como se amplió el uso de las pulpas mecánicas convencionales de madera, que comúnmente se obtienen en molinos de piedras . Los refinadores de discos (Fig. 86) propiciaron un mayor control del proceso, ampliando el rango de calidades de pulpa, pero, además, permitieron introducir, como materias primas para estos procesos, materiales celulósicos no convencionales hasta entonces, tal es el caso del bagazo . 2.1 .1 Resultados obtenidos a escala de laboratorio El bagazo es, comparado con las maderas suaves, relativamente pobre en propiedades de resistencia y brillantez . Es importante preservar la longitud promedio de su fibra, así como la brillantez inicial . Esta experiencia ha sido destacada por diversos autores y corroborada la necesidad de preservar las propiedades del bagazo fresco, para lo cual se impone un adecuado almacenamiento . Esta condición es fundamental para el uso del bagazo en los pulpeos de tipo mecánico . Durante las investigaciones también se ha evidenciado que el bagazo, requiere, antes del tratamiento mecánico, un tratamiento, aunque sea li-

18 7

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

Fig. 86

Refinador

gero, con agua caliente . En este caso, el mismo se realiza a 80 °C, durante 2 h, y el tratamiento mecánico se efectúa en refinadores de laboratorio de 8 a 12 in' de diámetro . Se ha observado durante la etapa de refinación, la necesidad de controlar los siguientes parámetros : consistencia, grado de molida, temperatura, y claridad entre discos . En la tabla 116 aparecen las propiedades físico-mecánicas de la pulpa. Para incrementar la brillantez de la pulpa, hasta los valores necesarios, se utilizan como abrillantadores superficiales el peróxido de hidrógeno y el hidrosulfito de sodio, a la vez que se mantiene el alto rendimiento de la pulpa (93 - 95 %) . Por comparación se presenta la tabla 117 con los resultados de la pulpa mecánica de bagazo obtenida por la Crown Zellerbach Corporation (EE. UU .) Los resultados obtenidos en las pr-)piedades de estas pulpas, en la actualidad, sugieren su 'Pulgada, en sistema paralelo al Sistema Internacional de Unidades (SI) .

de discos. TABLA 116

Propiedades de la pulpa mecánica no blanqueada a partir de bagazo Grado de molida (-SR)

65

Peso básico (g/m')

70

Densidad (glcm3)

0,309

Indice de rasgado (mN . m'/g)

1,57

índice de estallido (kPa .m'/g)

0,80

indice de tensión (N .m/g)

13,73

Brillantez (%)

43

Opacidad (°i6)

99

Coeficiente de dispersión específica (cm'/g)

500

uso como parte de las mezclas para papel periódico ; sin embargo, a pesar de las mejoras obtenidas en la calidad, se considera, por diversos autores y es la experiencia cubana, que la potencialidad del bagazo se debe encausar hacia pul-

188

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Fig: 87 Instalación industrial de refinadores de discos. TABLA 117

Propiedades pulpa mecánica de madera Grado de molida (-SR)

65

índice de estallido (kPa .m 2/g)

0,49

índice de rasgado (mN . m'/g)

0,68

índice de tensión (N-m/g)

6,86

Opacidad (%)

93,2

peos de tipo mecánico, tales como quimimecánicos y quimitermomecánicos, cuyas propiedades de resistencia son adecuadas y compiten

con las de las maderas convencionales para papel periódico, sanitarios, de imprenta y escribir, baratos y otros, mientras que las pulpas mecánicas de bagazo son pobres en propiedades de resistencia y están en franca desventaja, en este caso, con las maderas . 3 Producción de pulpas por el proceso a la soda fría El proceso a la soda fría constituye uno de los más generales, aplicado tanto a las maderas du. ras y blandas, como a otras materias primas celulósicas, lo que permite la producción de una amplia variedad de pulpas de alto rendimiento,

189

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

igualmente diverso . Las maderas blandas no responden bien a este proceso y requieren altos consumos de energía en la etapa de refinación, sin embargo, las maderas duras y otras materias primas como el bagazo, responden, favorablemente, al tratamiento y reportan rendimientos de 75 y 95 vio, con menor consumo energético en la etapa de refinación . Este resultado permite, por tanto, ampliar el uso de materias primas no convencionales en estos procesos. Se puede decir, que mediante el proceso a la soda fría, se obtienen pulpas semiquímicas y quimimecánicas para papel periódico, sanitarios, medios de corrugación para cartones, etc. En el proceso a la soda fría, el principio de fabricación de la pulpa semiquímica consiste en tratar la materia prima fibrosa con NaOH, a temperatura ambiente, o ligeramente mayor a concentraciones de 25 - 50 g/l, en el caso de las maderas y de 5 - 15 g/l, en el caso del bagazo . El tratamiento mecánico debe completar el proceso de pulpeo y lograr una fibrilación adecuada a las fibras que permita buen entrelazamiento entre las mismas, para alcanzar una recuyo uso es

sistencia adecuada en el papel. La refinación se efectúa en refinadores de discos, para ello es necesario hacer una selección adecuada del rayado de los mismos, de acuerdo con la materia prima. prima . Con relación a materiales como el bagazo, por su morfología, se recomiendan rayados gruesos en la etapa inicial y finos en la final. Las adaptaciones en la tecnología de refinación de las pulpas, dependen mucho del tipo de materia prima, pretratamiento efectuado y uso del producto final . 3.1 RESULTADOS DE LA PRODUCCION DE PULPAS SEMIQUIMICAS Y QUIMIMECANICAS En el pulpeo a la soda fría del bagazo, éste se ha tratado con soluciones de NaOH en concentraciones entre 5 y 15 g/1; temperaturas entre 80 y 120°C y tiempos relativamente bajos entre 10 y 30 min. Por el análisis de los resultados obtenidos, se puede apreciar que la concentración juega un papel importante en la reacción de la soda y el

Wit

so

r .1oo "c

so

r . 1205

T (en) 10 20 30 Fig . 88 Influencia de la concentración de reactivos, el tiempo y la temperatura, sobre el rendimiento de cocción.

190

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

72 74 0,40

76 78

80 82 84

0,38

92

94

2

08 p N

0,38 0,36 0,34

0,32

0,32

0,30

0,30

0,28

0,28

0,26

0,26

r

i

0,22 2

0,40

ligmna residual constantes

0,24

Q

98

96

°i6 pollsacarldos constantes

0,36 0,34

86 88 90

i

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0,24 0,22

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0,20

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0,20

0,18

0,18

0,16

0,16

0,14

0,14

0,12

0,12

0,10

0,10

0,08

0,08

0,06

0,08

0,04

0,04

0,02

0202

72 74

76

78

80

82

84 86 88 90 92 rendimiento

94 96

98

100

Fig. 89 Pulpeo semiquímico del bagazo, Influencia de la concentración sobre la velocidad de reacción,

bagazo, a 120°C. Esto puede verse en la figura 88 donde se observa, también, que dentro de los 10 primeros minutos se produce la mayor pérdida de rendimiento, la cual disminuye, apreciablemente, a tiempos superiores . En la figura 88 podemos ver que el consumo de NaOH es muy rápido, al comienzo de la reac-

ción y después de un tiempo tiende a estabilizarse, al igual que el rendimiento . La figura 89 (diagrama de Ross) muestra el efecto de la concentración sobre la distribución de productos o la selectivididad del proceso, demostrándose que al aumentar la concentración y disminuir la temperatura, se pierde menor cantidad de polisacá-

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO ridos por unidad de lignina extraída, o sea, la reacción se hace más selectiva. En la tabla 118 se presentan las propiedades físicas de la pulpa semiquímica a la soda fría de bagazo . TABLA 118 Propiedades tísicas de la pulpa semiquícfra de bagazo

a a la soda

Grado de molida (°SR)

35

Peso básico (g/mz)

64

Densidad (g1cm3)

0,35

índice de rasgado (mN . m'/g)

3,14

índice de estallido (kPa . m2/g)

1,23

índice de tensión (N . m/g)

19,6

Brillantez (%)

40

Para elevar la brillantez de estas pulpas se han utilizado tratamientos superficiales con abrillantadores como el peróxido de hidrógeno, . rendimiento durante de esta forma no se pierde el proceso. En el rango de pulpeo quimimecánico (80 - 90 %), la soda fría realiza el ablandamiento del bagazo antes de la refinación, a un pH de 10 - 12, lo que ayuda a obtener fibras más flexibles y la separación de las mismas se efectúa, de forma tal, que no disminuyen sus propiedades de resistencia . En los procesos quimimecánicos, es importante la etapa de refinación, por cuanto ella decide la calidad final de la pulpa. De esta forma se ha comprobado, en la refinación de bagazo, la necesidad de utilizar alta consistencia (20 - 35 %) en la primera etapa, lo que evita cortes en la fibra, que afecten desfavorablemente sus propiedades de resistencia, que son de por sí bajas. La etapa final, en la cual se supone se desarrollen las propiedades de la pulpa, se efectúa a menos consistencia (10 - 15 %) . El rendimiento obtenido en este proceso es de 85 ± 1 %. En la tabla 119 se observan las propiedades físicas de la pulpa. La resistencia de las pulpas obtenidas por este proceso, es comparativamente más alta que la lograda a partir de maderas blandas en molinos de piedra . Para el bagazo se manifiesta, igualmente, si lo comparamos con pulpas mecánicas, que no han recibido ningún pretratamiento químico, lo que permite que se alcance un incremento de hasta 50 "io en las propiedades físico-mecánicas . Estas pulpas son usadas, fundamentalmente, en las mezclas para papel periódico.

TABLA 119 Propiedades físicas de la pulpa quimimecánfca de bagazo a la soda fría modificada Grado de molida (°SR)

65

Densidad (g/cm3)

0,337

índice de rasgado (mN " m'/g)

3,92

índice de estallido (kPa .mI/g)

1,12

índice de tensión (N .m1g) Elongación

21,6 1,3

(°h)

Calibre (mm) Brillantez

0,208 38

(°io)

Opacidad (°ia)

98,4

Coeficiente de dispersión específica (m'/kg)

44,0

Para elevar la brillantez de las pulpas crudas se utiliza el peróxido de hidrógeno o el hidrosulfito de sodio, que mediante un abrillantamiento superficial elevan la brillantez de la pulpa hasta los valores adecuados. La adición del peróxido se puede hacer en : a) La etapa de impregnación . b) La etapa de refinación . TABLA 120 Propiedades de las pulpas a la soda fría ahrillantadas en el refinador y la pulpa cruda Pulpa

abrillantada

Pulpa

refinador

cruda

en el

Grado de molida (°SR)

65

65

Peso básico (g/mz)

70,0

70,0

Densidad (glcm3)

0,337

0,402

índice de rasgado (MN .m'/g)

3,92

4,3

índice de estallido (kPa . m2/g)

1,12

1,27

índice de tensión (N . m/g)

21,6

31,4

Brillantez (9'0)

38,0

53,0

Opacidad

98,4

96,3

44,0

42,5

(°e.0)

Coeficiente de dispersión específico (m2/kg)

192

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

cuba de pulpa ref nada 4 % cans.

Fig. 90 Diagrama de flujo de la producción de pulpa quimimecdnica por el proceso a la soda fría, modificado .

Las investigaciones realizadas con bagazo han evidenciado, que la adición de peróxido en el refinador favorece el incremento de las propiedades de resistencia de las pulpas . En la tabla 120 se reportan los resultados de la pulpa abrillantada en el refinador. La figura 90 muestra el diagrama de flujo de una instalación para la producción de pulpa a la soda fría de bagazo . 4 Producción de pulpas de alto rendimiento por el proceso al sulfito 4.1 PROCESO AL SULFITO NEUTRO El uso de soluciones de sulfito para obtener pulpas para diversos fines data de 1880. En estos procesos se usa el sulfito de sodio, con adiciones de otros productos químicos, tales como : carbonato, bicarbonato, sulfuro y bisulfuro. La función de estos productos es de buffer o tampón, para regular el pH, neutralizar los ácidos que se producen en la cocción y mejorar las propiedades de resistencia de las pulpas . El mecanismo de reacción parece ser la sulfonación de la lignina, seguida de una hidrólisis ácida, que forma un ácido sulfónico soluble en

de

bagazo,

agua . El agente sulfonante es el ion SOL, paralelamente ocurre una disolución parcial de las hemicelulosas . Los pasos convencionales del proceso con madera son: 1 . Impregnación, a presión, del material fibroso con licor de cocción . 2. Etapa de cocción. 3. Etapa de refinación o reducción a pulpa del material cocinado . Teniendo en cuenta la morfología del bagazo, la impregnación se realiza con relativa facilidad, con soluciones a bajas concentraciones de sulfito y carbonato de sodio, en los rangos de pH neutro o ligeramente alcalinos, sin tampoco requerir altas presiones, temperaturas y tiempos . Este proceso se utiliza, fundamentalmente, para pulpas semiquímicas (rendimientos entre 60 y 80 %) y quimimecánicas (rendimientos entre 80 y 95 %), a causa de la gran selectividad que tiene el sulfito de sodio sobre la lignina, en estos rangos de rendimiento, esta característica lo hace mucho más apropiado para las materias primas con bajo contenido de lignina y alto contenido de hemicelulosas, como las maderas duras y el bagazo .

120 °C

4 100 so

40

0

10

20

30 40

50 60 70

80 90

100 110 120 130 140 150 160 110 160

Fig. 91 Influencia de la temperatura sobre las cantidades de reactivo absorbido.

f = 1ooa c

7,0

e

- Total

6,0 510

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4,0 3,0

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0

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5

10

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20

T (min)

Fig. 92 Influencia de la concentración en la absorción y difusión de los reactivos químicos.

194

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

4.1 .1 Impregnación y cocción con soluciones de sulfito de sodio El estudio de la impregnación de las soluciones de sulfito en el bagazo, ha arrojado incrementos de la velocidad de reacción de 1,5 a 1,6 veces, con el aumento de 10 °C, en los primeros 60 min, y después de ese tiempo se observa poca influencia de la temperatura en la impregnación . Igualmente se ha evidenciado, con alta concentración de productos químicos al inicio, la absorción de 87 % en los primeros 5 min . También, las mayores velocidades de impregnación, se alcanzan en los primeros 5 min, haciéndose después prácticamente constantes . En la figura 91 se observa la influencia de la temperatura sobre las cantidades de sulfito y de carbonato absorbidas por la fibra. La impregnación ocurre en los primeros 5 min. En la figura 92 se aprecia la gran influencia que tiene la concentración inicial en la absorción y la difusión de los reactivos químicos, a me iida que la concentración inicial es mayor, aumenta la velocidad de reacción y se absorbe mayor cantidad de reactivo .

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4.1.2 Pretratamiento En el ICIDCA se han realizado investigaciones, con diferentes pretratamientos para determinar : 1. Cinética de reacción y selectividad del pro. ceso . 2. Diseño de equipos continuos . 3. Tendencias tecnológicas fundamentales . Los resultados de estos trabajos demuestran que el rango de mayor eficiencia de extracción de lignina, en soluciones de sulfito de sodio, se encuentra entre 1 :6 a 1 :8 de hidromódulo, como se observa en la figura 93. En ésta se relacionan los gramos de lignina extraída por gramo de sulfito de sodio consumido, para dife. rentes hidromódulos y consumo inicial constante. En el segundo caso, para una concentración inicial de 8 g/1 constante, la eficiencia aumenta al aumentar el hidromódulo, porque aumenta

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1,4 13 1,2 1J 1 :4 1:5 14 1

1 :8

1 :10 -

:14

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Fig. 93 Influencia del hidromódulo sobre la lignina extraída y la eficiencia de extracción, '

30

80

130.

180

240 T (min)

Fig. 94 Influencia de ta concentración de reactivos químicos y el tiempo de reacción sobre el rendimiento.

Fig, 95 Influencia de la concentración de sulfito de sodio sobre la velocidad de delignificacidn.

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197

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

el consumo inicial . En la figura 94 se presenta el rendimiento de la pulpa a diferentes concentraciones contra el tiempo de reacción, se puede observar que la concentración tiene gran influencia en el pretratamiento al sulfito neutro . Tam. bién se deduce que las mayores velocidades de delignificación ocurren en las primeras etapas del pulpeo . La selectividad del proceso al sulfito neutro con bagazo, ha sido investigada y sus resultados se han expresado mediante el diagrama de Ross, donde se demuestra que a mayor concentración de sulfito de sodio, aumenta la selectividad del proceso de pulpeo. En la figura 95 se muestra el diagrama de Ross . De los estudios cinéticos aplicados al sulfito neutro y a otras tecnologías como la soda fría, se han obtenido los valores de las constantes específicas de velocidad de reacción que se presentan en la tabla 122. TABLA 122

Proceso

Temperatura (0C)

Concentración Valor de la constante (g/l)

Soda fría

120

15

1,7 x 10 -4

Sulfito neutro

140

15

1,91 x 10 -°

La información de la tabla 122 demuestra, que la velocidad de reacción de la soda fría, es 10 veces mayor que la del sulfito neutro, a pesar de que los datos obtenidos para la soda fría se encuentran a una menor temperatura . Esta diferencia es aun mayor en las primeras etapas de la reacción, lo que pone al sulfito en posición poco ventajosa con relación a la soda fría para muy altos rendimientos, a temperaturas relativamente bajas y presión atmosférica . Sin embargo, en el rango semiquímico, hay que entrar a considerar este primer proceso por la brillantez, calidad y alto rendimiento de las pulpas obtenidas. 4.2 APLICACION DEL PROCESO AL SULFITO ALCALINO, EN LA OBTENCION DE PULPAS DE ALTO RENDIMIENTO, DE BAGAZO El sulfito, como se ha visto antes, es un producto químico muy utilizado en la obtención de pulpas papeleras, por los resultados en las propiedades de éstas . En el bagazo, específicamente, se han estudiado los rangos de sulfito neutro y alcalino para pulpas de alto rendimiento . En el proceso al sulfito alcalino se ha comprobado,

al igual que en el neutro, el menor requerimiento de productos químicos, así como la efectividad de la alcalinidad en el proceso de refinación, tanto en las pulpas semiqufmicas (rendimientos 65 - 80 %) como en las quimimecánicas (rendimientos 80 - 95 oio) . 4.2.1 Pulpas semiqufmicas En las investigaciones de la aplicación del sulfito alcalino, para la obtención de pulpas semiquímicas de bagazo, se han estudiado, como variables, la carga inicial de productos químicos, la relación sulfito-sosa en carga inicial, la temperatura y el tiempo de cocción . El aumento del porcentaje de productos químicos iniciales, favorece la difusión del reactivo, desplaza la reacción hacia la deslignificación o el pulpeo, aumenta la velocidad de reacción . A medida que se incrementa la carga de productos químicos iniciales se obtiene más altas propiedades mecánicas en las pulpas . En la figura 96 se observa la relación entre el rendimiento, residual, número de Kappa y longitud de rotura para 30 % de sulfito de sodio y 150'C. La relación sulfito/sosa, en la carga inicial, ha resultado una de las variables más importantes del proceso, por su influencia en la velocidad de reacción, la cual disminuye al incrementar la relación con un correspondiente aumento en el rendimiento . Con relación a la temperatura, los resultados han arrojado que, si se parte de altos porcentajes de productos químicos iniciales, a altas temperaturas, trae como consecuencia disminución en las propiedades de las pulpas . El aspecto de la elevación de, la temperatura, favorece la velocidad de reacción, esta tendencia se manifiesta igualmente con madera . El tiempo de cocción, sin embargo, tiene importancia durante los primeros 20 min, después no es significativo . Las pulpas semiquímicas al sulfito alcalino de bagazo, se han obtenido con 80 % de rendimiento, esto se logra en un amplio rango de porcentajes de sulfito en los productos químicos iniciales . En la tabla 123 se relacionan los valores estudiados en las investigaciones desarrolladas en el ICIDCA . El análisis de los resultados expuestos en la tabla 123 ha arrojado, que el sulfito alcalino es un producto adecuado para la obtención de pulpas de alto rendimiento, a causa de su selectividad, la cual puede ser aumentada o disminuida, moviéndose en todo el rango de alcalinidad . 4.2.2 Obtención de pulpas quimimecánicas al sulfito alcalino Las amplias posibilidades que tiene el sulfito alcalino para la obtención de pulpas papeleras,

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INIM1116,20111

Fig. 96 Relación entre rendimiento, dlcali residual, número de kappa y longitud de ruptura.

TABLA

123

Sulfito en productos químicos iniciales (%)

Productos químicos iniciales (%)

150

30

8,0

51

33,83

5,6

160

70

12,5

38

34,32

5,8

170

70

9,0

47

26,97

4,5

Temperatura ic)

Número Kappa

índice de tensión

(N .m/g)

índice de rasgado

(mN .ma/g)

INDUSTRIA DE CELULOSA

Y

ha inducido las investigaciones en el campo de pulpas quimimecánicas . La literatura especializada reporta los trabajos a escala de laboratorio, así como las instalaciones industriales, donde se utiliza el sulfito alcalino para obtener pulpas quimimecánicas, a partir de maderas duras, principalmente . En el ICIDCA, se han realizado estas investigaciones con bagazo ;/ las mismas han arrojado los resultados que a continuación se señalan . Los rangos estudiados para las variables fueron: Productos químicos (%)

6 - 8

Relación sulfito/sosa

70/30 y 50/50

Tiempo (min)

20 - 80

Temperatura (°C)

60 - 90

El pH se mantuvo en el rango entre 9 y 11 . En estas investigaciones se ha comprobado, corroborando lo planteado por la literatura para madera, que el medio alcalino para la refinación del bagazo, facilita el proceso y que se obtienen pulpas más resistentes . En la tabla 124 se presentan las propiedades de las pulpas obtenidas por el proceso al sulfito alcalino, las cuales son altas en cuanto a longitud de rotura y rasgado . Otra propiedad importante, la brillantez, es también alta; se observan pocas pérdidas en unidades de brillantez durante el proceso, comparado con el valor inicial de esta propiedad en el bagazo.

4.2.3 Clasificación en fracciones de pulpas mecánicas y quimimecánicas y propiedades de estas fracciones Conocer la composición fraccionel de las pulpas, tanto desde el punto de vista de la longitud promedio de las fracciones, como por el porcentaje y propiedades de las mismas, para observar la contribución de cada fracción a las propiedades de la pulpa entera, constituye uno de los aspectos más investigados en estos procesos de tipo mecánico, y se han convertido en análisis de rutina en la caracterización de las pulpas . Como es conocido, se puede considerar que las pulpas mecánicas están formadas por 2 tipos de fracciones, desde el punto de vista papelero, éstos son : fracción fibrosa, la cual contiene fibra larga entera, fibras cortadas y cintas desprendidas de la pared celular y la llamada fracción fina, formada por fibras muy cortas, más o menos fibriladas y fragmentos de pared. Por tanto, la resistencia de la hoja depende de la fracción de fibra, de la cantidad y calidad de finos producidos, y de la forma en la cual ellos se enlazaron . En la pulpa quimimecánica de bagazo, ambas fracciones difieren bastante de la pulpa mecánica convencional de coníferas, pero, fundamentalmente, en los finos que contienen porciones de fibras muy cortas, fragmentos de la pared de las fibras y, además, meollo y vasos . En la tabla 125 se expresan los resultados en peso de las fracciones de 2 pulpas quimimecánicas y la mecánica de bagazo .

TABLA 124 Propiedades de la pulpa quimimecánica al sulfito alcalino de bagazo Grado de molida (,SR)

0,374

Indice de rasgado (mN . m°/g)

4,3

Indice de estallido (kPa .mz/g)

1,34

índice de tensión (.N. m/g)

TABLA 125 Clasificación de pulpas de bagazo (determinadas a 65 *SR)

65

Densidad (g/cm3)

20,

v

74,5

Elongación (%)

1,6

Calibre (mm)

0,195

Brillantez (%)

44,6

Opacidad (%)

97,7

Coeficiente de dispersión específico (m2/kg)

199

PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

450,0

'

' yó ~

'21 n cv

'

z1 ÓÓ

`n E

.~ 0

R - 14

9,5

1,92

18,0

1,96

1,5

R - 28

17,9

1,56

12,0

1,70

3.9

R - 48

18,7

1,15

13,0

1,18

11,8

R - 100

18,7

0,78

17,0

0,85

12,6

R - 200

123

0,46

13,0

0,56

22,6

P - 200

22,6

27.0

41,6

TABLA 126 Propiedades físicas de las pulpas enteras y sus fracciones Pulpas enteras AS MS Densidad (9/cma) Indice de rasgado

(mN . m21g) Indice de estallido

R - 28 MS AS

R - 48 MS AS

R - 100 MS AS

0,374

0,195

0,188

0,243

0,250

0,258

0,257

0,294

0;295

0,342

0,393

3,92

4,3

4,41

4,90

3,04

3,92

2,35

3,53

2,25

3,72

1,47

2,25

9,2

5,4

6,9

61

8,8

8,1

8,1

9,1

0,88

0,98

1,9

3,9

5,8

6,7

9,8

8,82

11,76

0,350

0,288

0,280

0,260

0,284

0,248

11,1

13,4

Indice de tensión (N . m/g)

21,6

24,5

0,208

0,195

0,316

0,217

Brillantez (%)

38,0

44,6

28,6

32,0

33,0

36,0

35,5

37,7

37,0

Opacidad (%)

98,4

97,7

93,1

91,0

97,4

96 .0

97,4

96,1

97,5

m"

Coeficiente de dispersión (MI/kg)

44,0

45,0

229,3

213,9

331,8

323,6

368,0 . 388,1

419,3

402,8

Soda modificada Sulfito alcalino

R - 200 MS AS

0,337

(kPa .m9 /g)

Calibre (mm)

R-14 MS AS

40,4

20,5 0,1%

23,5 0,178

38,0

39,3

99,0

99,2

474,3

459,5

MS

MS

AS

AS

PERDIDAS ALMACENAMIENTO

Fig. 97 Balance de materiales, pulpa 9uimimecdnica blanqueada (soda fría modificada).

20 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

En la tabla 125 se observa que la fracción fibra larga de las pulpas quimimecánicas es superior, comparada con las pulpas mecánicas . En estas últimas, en cambio, se observa más elevada la fracción finos . En la tabla 126 se presentan las propiedades físico-mecánicas de 2 pulpas quimimecánicas y sus fracciones realizadas según normas SCAN M6, en un clasificador Bauer Me Nett . .En la figura 97 se muestra el balance de materiales para la producción de pulpa de alto rendimiento a partir de bagazo. Las pulpas quimimecánicas comparadas con las pulpas mecánicas, en general, se caracterizan por tener una fracción mayor de fibra larga, y la fracción fino fibrilada (tipo de fino que por sus características físicas contribuye al enlace entre fibras), lo que se corresponde con las propiedades de resistencia, tales como índice de tensión e índice de rasgado superiores, y menor coeficiente de dispersión (S).

En las figuras 98 y 99 se observan las fracciones retenidas en malla 48, de pulpas mecánicas y quimimecánicas y en las figuras 100 y 101, las fracciones de pulpas mecánicas y quimimecánicas retenidas en 100. El efecto del pretrata. miento con productos químicos, se hace evidente en el grado de fibrilización que presentan las fibras en las fracciones de pulpas quimimecánicas, resultando por ello más resistentes.

Fig.

Fig. 98 Pulpa mecánica

de

100

Pulpa mecánica de bagazo fracción R400 (microfotografía),

bagazo (microfotografía).

Fig.

quimimecánica al sulfito de bagazo, fracción R-100 (microfotografía) .

101 Pulpa

5 Pulpeo químico de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ

Fig.

99

Pulpa quimimecánica a la soda fría de bagazo (microfotografía) .

La pulpa química de bagazo se obtiene, industrialmente, a partir de procesos alcalinos, de modo particular por el proceso a la soda . Recientemente se ha demostrado que el pulpeo en medio ácido, utilizando sulfito, es aplicable

203

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

al bagazo con una calidad satisfactoria de la pulpa producida . En el caso de las maderas, el proceso de cocción predominante hoy día es el pulpeo kraft (sulfato), por ser prácticamente aplicable a todas las especies madereras y por las excelentes propiedades de resistencia de la pulpa producida . Si bien, en la actualidad, se desarrollan nuevos procesos de pulpeo que tienden a disminuir la presencia de compuestos de azufre, por sus consecuencias sobre la contaminación ambiental, entre otras ventajas, el pulpeo kraft sigue conservando aún la primacía en la obtención de pulpa química. En el caso del bagazo, las ventajas en la cocción del proceso al sulfato, con relación a la soda, son de menor magnitud . Este comportamiento del bagazo durante los procesos de pulpeo alcalinos, está muy vinculado a la ; características anatomomorfológicas del baga,.o y a la composición química de la lignina presente . En el caso de las maderas todos los autores coinciden. en que la cocción alcalina, en presencia de sulfuridad, acelera la velocidad de degradación y disolución de la lignina, sin modificar, de forma apreciable, la estabilidad de los carbohidratos. Esta reactividad de la lignina, en el

7,5

pulpeo al sulfato, se explica, si bien con cierta reserva, por la posibilidad de formación de episulfuros inestables que se fragmentan, lo que disminuye la posibilidad de condensación en los fragmentos de lignina aislados . La lignina de bagazo, en cambio, según los estudios ejecutados en el ICIDCA, por su comparablemente menor peso molecular (PM) (PM 3 500-5 200) y su elevada proporción de ácidos fenólicos y cadenas insaturadas, constituye una estructura relativamente reactiva al ataque hidrolítico y oxidativo del NaOH . A esto se une la mayor accesibilidad del reactivo en el caso del bagazo, que en las astillas de madera y un hinchamiento menos restringido . 5.1 PROCESOS DE PULPED A LA SODA Y AL SULFATO Tecnológicamente, se ha demostrado a través de estudios de selectividad de los procesos de pulpeo del bagazo, que las ventajas de la cocción al sulfato son de poca significación . La figura 102 muestra el efecto de la materia prima en la selectividad para la cocción al sulfato ; se observa, que en las primeras etapas de la cocción, el bagazo es la n.ateria prima más selectiva,

PROCESO

MATERIA PRIMA

SULFATO

BAGAZO

SULFATO

ABETO (MADERA SUAVE)

SULFATO

MAYA (MADERA DURA)

2,5

0

5

10

15

20

Fig. 102 Influencia de la materia prima en la distribución de producto.

aAL

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

204

con relación a la lignina, lo cual comprueba que en el bagazo la deslignificación ocurre desde las primeras etapas de la cocción . En orden de selectividad, siguien las maderas suaves y, por último, las maderas duras. Como se aprecia en la figura 102, a medida que la reacción transcurre, se observa que la selectividad (cantidad de material lignocelulósico extraído por unidad de lignina extraída) adquiere un valor mínimo e igual, aproximadamente, para las 3 materias primas. En la tabla 127 se muestran los resultados de la cocción con las tecnologías soda y sulfato, aplicadas al bagazo, en ella se puede apreciar que existe una diferencia pequeña, menor de 1 en el rendimiento, en favor de la pulpa al sulfato y que el número de Kappa obtenido para las mismas condiciones de pulpeo, es ligeramente inferior en el caso de la pulpa al sulfato. TABLA 127 Evaluación de la cocción de los procesos soda y sulfato aplicados al bagazo Pardmetro

Teenologfa Soda Sulfato

Rendimiento total (%)

61,7

62,1

Rendimiento clasificado (%)

57,1

57,4

No. permanganato

10,6

8,1

No. Kappa

21,6

14,6

Álcali activo residual (g/1) Grado de molida (5r)

3,15 45

3,85 45

Densidad (g/m°)

0,69

0,70

T, rasgado (mN .ms/g)

5,2

5,5

61,8

64,6

T. tensión (N-m/g)

Al evaluar ambas pulpas se ha observado (Fig. 103) que las pulpas al sulfato responden con mayor facilidad a la molida hasta 40* SR, esta tendencia se invierte para niveles superiores de molida . Con relación a las propiedades de resistencia de las pulpas crudas obtenidas, éstas guardan una estrecha vinculación con el régimen tecnológico empleado y con la preparación previa de la materia prima. En la tabla 128 se muestra la calidad del bagazo utilizado y sus propiedades, para pulpas a la soda de bagazo, a bajos niveles de molida .

TABLA 128 Calidades de bagazo utilizado en el pulpeo a la soda Muestras

Fibra (g)

Meollo (46)

Fino soluble

1

49,6

30,2

19,0

1

62,2

31,2

16,9

3

73,4

20p

7,5

4

87,6

8,8

10,3

5

96,2

4,5

En la preparación de pulpa a la soda, se ha utilizado bagazo con un contenido de fibra entre 48 y 90 %, con la calidad que se expone en la tabla 129. En ésta también se muestran los resultados obtenidos al aplicar el régimen de cocción a la soda (160°C, 10 min a la temperatura de cocción) . TABLA 129 Calidad de la pulpa producida (725CSF) Muestra

I

2

3

4

5

Fibra (%)

49,6

62,2

73,4

87,6

96,2

Álcali (% NaOH)

23

20

15

14

16

-

2,4

Alcall residual (8/1)

5,8

3,6

2,0

No. permanganato

8,2

8,4

8,7

8,5

8,7

Indice de rasgado (mN . m2/g)

3,8

4,8

4,6

5,7

S,7

26,5

32,4

33,3

33,3

Indice de tensión (N . mlg)

Los datos de la tabla 129 muestran que la fracción fibrosa del bagazo es más fácil de convertir en pulpa, necesita una adición más pequeña de sosa en la cocción y permite obtener, para un determinado grado de deslignificación, propiedades de resistencia muy superiores . A pesar de la similar composición química de las fracciones fina y fibrosa del bagazo, las diferencias físicas, constituyen un importante factor que se debe tomar en consideración durante los procesos de pulpeo.

IA

7,0

LT 7,0- 78,4 a

8Í%i 68,6

O

O

60, 0-

45

I RASGADO I ESTALLIDO 4

1 TENSION

4,0- 58,8-

SODA I RASGADO 0 I ESTALLIDO O

I TENSION

39, 2-

C 2P

29,4-

Fil 103 Propiedades ~me~ de las Pulpas soda y sulfato crudas, dw rante la molida.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

206

Estos resultados muestran la conveniencia de una adecuada preparación del bagazo para obtener una fibra que garantice un compromiso satisfactorio de la calidad de la pulpa y de aprovechamiento del bagazo por tonelada de pulpa producida . Trabajos desarrollados por diferentes autores han demostrado, que las características de las variedades de caña utilizadas, comercialmente, para la producción de azúcar, no constituyen una variable importante sobre los resultados del pulpeo, como lo son los parámetros de pulpeo. Las condiciones tecnológicas de obtención de la pulpa tienen una influencia importante en su calidad final. La tabla 130 resume los resultados obtenidos para el pulpeo a la soda de bagazo, utilizando diferentes condiciones según varios autores . TABLA 130

Condiciones de pulpeo y propiedades de resistencia de la pulpa producida con bagazo Temperatura ('C) 98

160

160

170

Indice de Tiempo de rasgado reaeci6n NaOH Rendimien(%) to (%b) CSF (mN . nV/g) (h) 1,0

1,5

0,2

0,2

8,0

74,2

500

3,00

1010

71,9

500

4,06

12,0

69,9

4,35

14,0

58,3

3,96

16,0

62,4

4,01

18,0

65,4

3,96

15,0'

61,7

10,5

15,6

60,0

59,3

La pulpa química de bagazo a la soda puede ser lograda con variadas condiciones de pulpeo, obteniéndose resultados satisfactorios con temperaturas que varían desde 98'C hasta 160 °C y la adición de NaOH desde 8 - 15,6 % . Como se muestra en la tabla 130, los rendimientos más altos se obtienen para las más moderadas condiciones de pulpeo, pero las propiedades de resistencia, como el rasgado y la longitud de ruptura, para niveles comparativos de molida, son pobres cuando las condiciones del pulpeo son suaves . Propiedades aceptables para la pulpa a la soda de bagazo se obtienen, utilizando de 10 - 12 % de álcali (Na2 0), temperatura entre 140 - 160'C y 10 min de cocción a la temperatura de trabajo . Con relación a la pulpa al sulfato, los resultados obtenidos en el ICIDCA han de-, mostrado, que una adición de 12 % de álcali activo (Na 20), una temperatura de 160'C y una sulfuridad en licor de 12 - 25 %, permiten obtener una pulpa de propiedades altamente satisfactorias . 5.1.1 Comparación entre los resultados de los procesos de pulpeo a la soda y al sulfato Si tomamos en consideración las notables diferencias que implica, tanto en los parámetros de operación como en las propiedades de la pulpa, la aplicación de los procesos a la soda y al sulfato a las maderas, es correcto afirmar que las diferencias entre estos procesos ele pulpeo aplicados al bagazo, son pequeñas . La pulpa al sulfato presenta una pequeña diferencia en el orden de 1 %, superior en el rendimiento crudo (Tab . 131), lo cual ha sido ratificado por diferentes fuentes . El proceso al sulfato también muestra una pequeña ventaja en el grado de deslignificación de la pulpa . Las propiedades de resistencia de la pulpa al sulfato cruda, son superiores ea 10 - 15 %, con relación a las pulpas a la soda, e igual sucede con la brillantez de la pulpa al sulfato blanqueada. Las propiedades químicas de ambas pulpas son muy similares, se destaca el mayor grado de polimerización de la pulpa final a la soda.

575

6,00

350

5,30

260

5,20

575

6,10

225

4,80

374

6,70

5.1.2 Operación comercial

200

5,00

Cuando se manipula bagazo de 85 % de fibra, en digestores continuos, es posible operar con 10 % de álcali activo sobre fibra (como Na20), para obtener una pulpa blanqueable, con un número de permanganato de 10 - 12. La concentración inicial del licor oscila entre 1,6 % y 1,7 %, para un grado de deslignificación de

El efecto de las condiciones de la cocción, en las propiedades de la pulpa a la soda, se muestran en la tabla 130, donde aparecen reportados resultados obtenidos por diferentes autores .

207

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 131 Evaluación comparativa de las cocciones a la soda y al sulfato del bagazo Pardmetro de la cocción

Soda bagazo cubano

Soda bagazo Hawai

Sulfato bagazo cubano

Sulfato bagazo Hawai

160

170

160

170

Temperatura (°C) Hidromódulo Tiempo de cocción a la temperatura de cocción (min)

1,6

1,6

1,6

1,6

10-12

10

10-12

10

Consumo (°h Na2O)

12

12

12

12

Sulfuridad (%)

-

-

15

25

Rendimiento crudo total (aio)

61,7

54,3

62,1

54,8

No. permanganato

10,6

11,5

8,1

11,8 -

Resultados, de la cocción

Alcali activo residual (9/1)

3,15

-

3,85

Lignina (%)

3,30

-

2,23

Propiedades de las pulpas (CSF) 350 Indice rasgado (MN . M2/g)

índice de tensión /g) Indice de estallido (kPa . m2/g)

200

350

de madera y reducir los consumos de álcali, tratando así de disminuir los costos de inversión inicial de la industria en 20 %, al no justificarse la planta de recuperación. Este proceso de pulpeo aplicado a la madera en varias etapas, permite obtener una pulpa de calidad comparable a la obtenida por el proceso al sulfato . En el caso del bagazo, la principal limitación de este proceso de pulpeo la constituye el elevado contenido de iones metálicos, fundamentalmente de hierro (> 143 ppm) lo cual afecta, considerablemente, la viscosidad de las pulpas crudas que presentan una despolimerización considerable de la celulosa, aun en presencia de cantidades adecuadas de inhibidores de magnesio y muy suaves condiciones de pulpeo : Esta conducta es válida también para el factor de rasgado . Los datos de la tabla 132 muestran este efecto del pulpeo oxígeno-álcali sobre la resistencia de la pulpa cruda . Se observa, también, la mayor selectividad de la pulpa al sulfato de bagazo con relación a la pulpa soda-oxígeno . TABLA 132 Resultados del pulpeo del bagazo por el proceso sodaoxígeno . Comparación con otros procesos de pulpeo Pulpa a la Pulpa Pulpa Pulpa sodaa la a la -oxtge. soda al soda sulfato no AQ

200

5,3

5,0

5,8

6,2

61,8

83,3

69,6

81,4

4,5

2,7

4,4

3,1

87 vio . La relación líquido-sólido en el digestor debe ser de 1,5. El rendimiento de la pulpa no lavada será de 55 - 60 oio, si la temperatura no excede 160T y el tiempo de reacción es de 30 - 60 min. 5.2 NUEVOS PROCESOS DE PULPEOS ALCALINOS APLICADOS AL BAGAZO 5 .2.1 Pulpeo del bagazo con oxígeno Los trabajos de pulpeo con oxígeno en medio alcalino, se aplican a las especies de madera desde finales de la década del sesenta, y han tenido como objeto fundamental, la posibilidad de disminuir la contaminación, preservar las propiedades ópticas y de resistencia de las pulpas

Viscosidad (mPa .s)

34,0

-

10,0

37,2

Lignina (°ro)

4,6

3,2

4,6

3,8

No. Kappa

26,5

18,0

-

-

Brillantez Elrepho

38,0

44,0

37,5

35

Indice de tensión (N . mlg)

48,0

56,8

42,2

52,9

5,4

6,3

4,7

5,3

Opacidad (°h)

95,9

-

94,3

96,3

Rendimiento crudo (°.6)

589

59,2

64,3

649

Indice de rasgado (mN . m2/g)

CSF

400

400

400

400

La baja selectividad del pulpeo soda-oxígeno tiene su fundamentación en el ataque simultáneo del material carbohidrático, producto del alto contenido de iones metálicos presentes en la materia prima. Las restantes propiedades de

208

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

resistencia no son afectadas, apreciablemente, por este proceso de cocción . 5.2,2 Pulpeo soda-antraquinona La incorporación de aditivos a los procesos alcalinos para acelerar la desligmficaciórr, se ha llevado a cabo desde décadas pasadas, se ha comprobado el efecto de las aminas y los polisulfuros, así como de otros componentes heterocíclicos. En 1972, Boch y Fiehn reportaron que las sales de antraquinona daban incrementos de los rendimientos de pulpeo a la soda y al sulfato, cuando se utilizaban como aditivos y, en 1976, Halton y Fairington descubrieron, independientemente, que la antraquinona era un aditivo eficiente que producía altos rendimientos y rápidas velocidades de deslignificación. Pequeñas cantidades de antraquinona pueden acelerar el pulpeo a la soda a un nivel similar al de las pulpas al sulfato . Las pulpas soda-antraquinona se caracterizan por su incremento en el rendimiento total, la reducción en el consumo de energía necesaria en el pulpeo y el incremento en la productividad de la planta de celulosa . Los estudios de pulpeo de bagazo, utilizando soda-antraquinona, ejecutados en el ICIDCA, han demostrado que a partir de 140°C, es posible obtener pulpas, que por su rendimiento y número de Kappa, resultan francamente químicas, con pequeñas adiciones de antraquinona

que no rebasan 0,5 % y una reducción de 20 en la adición de NaOH al pulpeo . Los trabajos ejecutados han demostrado, también, que el proceso soda-antraquinona es altamente selectivo y que ocupan el primer lugar, con relación al parámetro de selectividad ¿nsR/iL, seguido del proceso al sulfato y, por último, del proceso soda-oxígeno (Fig. 104) . En la tabla 132 se presentan los resultados comparativos de diferentes procesos de pulpeo alcalino, destacándose de forma integral la pulpa soda-antraquinona, por sus propiedades ópticas y físicas, por sus cualidades de resistencia y su rendimiento, obtenida con un proceso mucho más eficiente, con un ahorro considerable de NaOH (25 %), a temperaturas de 120 - 140 °C y pequeñas adiciones de antraquinona . La experiencia acumulada en pruebas realizadas en las plantas pilotos del ICIDCA y a nivel semicomercial, garantizan que el proceso soda-antraquinona, aplicado al bagazo, tiene amplísimas perspectivas de desplazar, en un futuro inmediato, al proceso soda tradicional . 5.3 PROCESOS DE PULPEO EN MEDIO ACIDO Desde finales de la década del cincuenta, la literatura reporta trabajos para la obtención de pulpas químicas de bagazo en medio ácido. Captein, Knapp y Weltern (1957), cocinaron bagazo

n,0-

2,0

LEY EN0A - SOM-ANTMOUINONA - - - SULFATO

% Lp

Fig 104 Selectividad de ta cocción de los procesos al sultalo y a la soda-AQ.

0

209

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO por el proceso bisulfito a valores de pH desde 3,5 a 7. Según estos autores las pulpas así 1ogradas son inferiores a las pulpas de bagazo obtenidas por el proceso sulfito-neutro, especialmente en el factor de estallido en 14 %, en el factor de rasgado en 18 % y un número de permanganato muy superior a 95 % . Se adicionaba la desventaja de los largos tiempos de cocción requeridos (4 h) para la obtención de una pulpa de buenas propiedades . Otros autores reportan propiedades poco satisfactorias para las pulpas ácidas de bagazo . Los trabajos ejecutados en el ICIDCA, en este campo, han demostrado, que el proceso de pulpeo al sulfito es aplicable al bagazo, con una calidad satisfactoria de la pulpa producida, comparable a la pulpa obtenida utilizando procesos alcalinos . Los estudios ejecutados con relación a la sulfonación de la lignina de bagazo, demuestran que el proceso de cocción al sulfito es aplicable al bagazo cuando se utilizan 2 etapas de tratamiento . Una primera etapa en la cual deben ser saponificados los grupos ésteres que dificultan el ataque de los grupos sulfónicos a la lignina y una etapa posterior de cocción al sulfito . En la tabla 133 se presentan los resultados obtenidos para diferentes cocciones al sulfito de bagazo, los cuales se comparan con la cocción a la soda. Como muestran los resultados de la tabla 133, la pulpa al sulfito de bagazo obtenida en el proceso pretratamiento alcalino-cocción al sulfito, permite obtener pulpas de superiores propiedades físicas, ópticas y de resistencia, con un rendimiento total superior en 10 % a la pulpa a la soda. Un aspecto interesante de la pulpa al sulfito de bagazo es su elevada brillantez y su fácil TABLA 133 Resultados de la cocción al sulfito de bagazo Pulpa sulfito

Pulpa soda

40,0

34,0

Ugnina (%)

4,5

4,6

No. Kappa

41,0

26,5

Brillantez Elrepho

47,0

38,5

5,4

5,4

Indice de tensión (N . m/g)

59,8

48,0

Rendimiento total

68,0

58,0

Viscosidad (mPa . s)

Indice de rasgado (mN .

CSP

M2/g)

400

400

blanqueabilidad con relación a otras pulpas . El proceso de blanqueo, con 70 - 80 % del tiempo utilizado normalmente, se completa con la preparación de pulpas blancas . Este tipo de producción se puede considerar con un futuro importante, en la producción de celulosa de bagazo, para la fabricación de ciertos tipos de papeles que requieren de un elevado contenido - de hemicelulosas, especialmente, en momentos donde los subproductos de estos procesos pueden ser recuperados de forma eficiente o comercializados para usos varios, como son los lignosulfonatos, cuyo valor comercial es comparable al de la pulpa producida, y elevados rendimientos de proteínas, de gran valor como alimento a partir de los licores . 5.4 TECNOLOGÍA DE PRODUCCION DE PULPA 5.4.1 Tratamiento químico Por sus características, el bagazo desmedulado es pulpeado, normalmente, en un digestor convencional de 2 tubos, tipos Pandia o Defibrator, donde es pulpeado a 7,5 atm y a una temperatura de 160 - 170'C, con un tiempo de retención promedio en el digestor de 10 - 15 min. Después de la cocción la pulpa cruda, con un rendimiento total de 55 %, es enviada al tanque de soplado . Los vapores separados de la pulpa en el tanque de soplado se condensan en un condensador, donde se adiciona agua fresca (Fig . 105) . La pulpa cruda se lava en 3 etapas, con filtros al vacío colocados en serie . Antes del primer filtro de lavado, la pulpa es diluida a una consistencia de 1,5 %, abandonando el filtro a una consistencia de 12 % . La capacidad de lavado para pulpas químicas de bagazo, depende de varios factores como son : la eficiencia requerida, características de los licores que se van a evaporar, condiciones del bagazo utilizado como materia prima, grado de molida y grado de cocción. El licor resultante del primer filtro se envía a la planta de recuperación. Después del tercer filtro la pulpa se envía a un tanque almacén y a una consistencia controlada de 2.5 aia se bombea para ser clasificada . La pulpa lavada, generalmente, es clasificada en 2 etapas utilizando coladores centrífugos del tipo Cowan, la segunda etapa la forman coladores planos vibratorios . La pulpa aceptada se diluye a 0,6 °ia de consistencia y se envía a la primera etapa de depuradores centrífugos que, generalmente, son instalados en 3 etapas en cascada . Las fibras aceptadas en el clasificador de rechazos secundarios, se recircitlan al proceso de clasificación . La pulpa aceptada de la primera etapa de depuración se espesa y

AGUA

FRESCA

DIGESTION CLASIFICACION

0

Fig . 105 Diagranm de /lujo para la

producción de pulpa blanaueada de bagazo.

AGUA

FRESCA

A PAPEL

21 0

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

se envía a la torre almacén de pulpa lavada, con un rendimiento aproximado de 53 DiD, en pulpa lavada y clasificada . Posteriormente, la pulpa es enviada a la planta de blanqueo donde puede ser sometida a una secuencia de blanqueo de 2, 3 ó 4 etapas, combinando cloro, hipoclorito, peróxido o dióxido de cloro, en secuencias diferenciadas, en dependencia de las características y usos a la que será destinada la pulpa y del compromiso más económico, integralmente, al proceso . Las particular-f-

dades del blanqueo de la pulpa de bagazo se discutirán más adelante en este capítulo . El rendimiento de pulpa blanqueada referido a bagazo integral es, generalmente, del orden de 30 DiG . La figura 106 muestra el balance de producción de la pulpa química blanqueada a partir del bagazo . 5.4.2 Lavado de la pulpa blanqueada Las propiedades de filtración de la pulpa de bagazo son 60 DIG de las propiedades de la pulpa

3 333 k9 BAGAZO INTEGRAL

DESMEDULAMIENTO PRIMERA ETAPA MEDULA A CALDERA BAGAZO DESMEDULADO 2 500 k9

ALMACENAMIENTO 125 k9 2 375 k9

DESMEDULAMIENTO SEGUNDA ETAPA

275 k9

2 100 k9

PULPED 944 k9

I 156 k9

LAVADO CLASIFICACION Y DEPURACION

46 k9

I 110 k9

BLANQUEO PULPA BLANQUEADA 1 000 k9

Fig. 106 Diagrama de rendimientos, pulpa química blanqueada.

633 k9

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

de coníferas . A pesar de las bajas propiedades de filtración, es necesario utilizar malla fina en los filtros (40 mesh/in), minimizar la concentración de fibras en el licor y reducir las pérdidas de pulpa. La capacidad de diseño de los filtros, para esta pulpa, debe estar entre 1,8 a 2,0 t/m2/d, lo que permite el tiempo necesario para la limpieza de la malla. Invariablemente, se utiliza lavado a contracorriente, usando 3 filtros en serie. La cantidad de agua que se adiciona, en la tercera lavadora, debe estar en el orden de 11 000 a 11 300 kg/t de pulpa, lo que representa un factor de dilución de 2,3 a 2,4, en base pulpa seca y con esto se logra 10 % de sólidos totales en el licor negro débil que va a evaporadores . La eficiencia de lavado que se logra será de 96 %5.5 TECNOLOGIA DE RECUPERACION DE LICOR NEGRO 5.5.1 Evaporación del licor negro Algunas de las instalaciones existentes, operan torres de oxidación para convertir sulftitos y tiosulfatos presentes en el licor negro débil, en sulfatos estables, esto disminuye las pérdidas de vapores sulfurosos (mercaptanos) en el licor que se va a evaporar y disminuye la corrosión en los tubos de la calandria. Es una práctica usual, instalar un quíntuple efecto para concentrar el licor débil hasta 40 % de sólidos, con un sistema a contracorriente para economizar vapor. El último cuerpo de la unidad múltiple es conectado a un condensador (jet) y a 2 etapas de eyectores . Este condensador y los eyectores de vapor, operan vapores condensables y no condensables, que salen del último efecto, así como los vapores no condensables purgados de las calandrias de los 5 cuerpos, y mantienen un vacío de 27 - 28 in de Hg. A la calandria del primer efecto se alimenta vapor de proceso de 3,5 kg/cmz (manométrica) y el consumo de vapor por tonelada de pulpa estará en el orden de 1 600 kg. Cuando la operación de los evaporadores es controlada, las pérdidas de reactivos en evaporadores, representan sólo 0,5 % del total y la cantidad de licor negro concentrado (40 % sólidos totales) que va a la caldera estará en el orden de 2 140 kg/t de pulpa no blanqueada . La caldera de recuperación y sus auxiliares constituyen el centro de proceso de recuperación y su operación determina la economía de la fábrica . La más pequeña capacidad desarrollada para la industria de la madera tiene un horno de cerca de 10 m2, capaz de procesar cerca de 5 800 kg1h de sólidos (char), para una eficiente combustión y conversión de los sólidos en inorgánicos.

Muchas de las plantas de pulpa de 60 - 70 t/d deben tener mayor capacidad, previendo una futura ampliación . La caldera de vapor está diseñada para un incremento de capacidad de 14 t/h, a 40 kg/cnt2 y 400°C. El evaporador de cascada puede manipular 5 t/h de agua evaporada. Este sobrediseño trae serias dificultades en muchas plantas de bagazo que producen, justamente, la mitad de los sólidos totales de diseño . Si la caldera y sus auxiliares están operando a su verdadera capacidad, la correspondiente producción de pulpa, a la salida del tanque de soplado, debe ser del orden de 6,7 t/d. La cantidad disponible de licor negro de la estación de evaporación es de 14 338 kg/h, a 40 % de so¡¡dos, cuando éste pasa por la parte inferior húmeda del precipitador electrostático, a través de los recuperadores y el evaporador de cascada, alcanza 63 % de sólidos totales y un flujo de 10 660 kg1h y entra, finalmente, al tanque de mezcla donde es fortificado con la reposición de 235 kg1h de sulfato de sodio comercial (35 kg Na2SO4/t de pulpa) y pasa por la zona de deshidratación del horno. Suponiendo 10 oio de exceso de aire, se necesitan 30 000 kg1h de aire total para la operación de la caldera. La recuperación de calor es, aproximadamente, 46 % del calor de los gases de combustión. La capacidad de generación de vapor es del orden de 13,8 t/h a 40 kglcm2 y 400 °C . La cantidad de gases secos que abandonan el precipitador de cascada asciende a 46 320 kg/h, con una concentración de polvo de 2,1 %, del cual 91 - 92 aio son recuperados . Las pérdidas de sodio y azufre son del orden de 80 kg/h, en términos de sulfato de sodio. La lava recuperada asciende a 1723 kg1h y su composición es la que se expone en la tabla 134. TABLA 134

Composición de la lava Componentes como tal

(40)

47,74

-2,75

277,15

16,15

1289,66

74,95

Sulfato de sodio

22,33

1,20

Suffito de sodio

11,14

0,60

Sólidos suspendidos

75,00

4,35

1723,01

100,00

Hidróxido de sodio Sulfuro de sodio Carbonato de sodio

Total

21 2

LA

INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA

Del análisis expresado en la tabla 1 .34 se deduce que la reducción en el horno es de 96,5 oio . Prácticamente, no es necesario combustible suplementario a causa del alto contenido de elementos orgánicos en los sólidos del licor negro.

TABLA

5.5.3 Resumen de las pérdidas . Eficiencia de recuperación Las pérdidas totales para esta tecnología ascienden a 34,6 kg/t de pulpa, en el tanque de soplado, que corresponde a una eficiencia de re-

135

Distribución de pérdidas por áreas

5.5.2 Planta de caustificación La lava del horno es granulada y disuelta, utilizando licor blanco débil de la estación de caustificación, en una razón de 1,25 veces el peso del licor de cocción necesitado en digestores . La producción de licor verde es de 14 875 kg/h, con 0,5 4ó de sólidos suspendidos que deberán ser eliminados en un clarificador de licor verde, de donde salen a 10 % de consistencia en los fangos . Estos fangos son lavados, a contracorriente, para recuperar los productos químicos disueltos. El licor verde clarificado, en un orden de 14 200 kg/h, se alimenta al apagador de cal, después de pasar por un calentador indirecto para subir la temperatura a 80 °C. El consumo de cal se basa en que no más de 85 % del carbonato de sodio, más un exceso de 10 "iu corresponden a una demanda de 740 kg/h o 111 kg/t de pulpa. El apagador (slaker) está diseñado para un tiempo de retención máximo de 10 - 12 min . El licor de éste que contiene hasta 4,5 % de sólidos suspendidos, es procesado en los causticadores diseñados para un tiempo de retención máximo de 60 min . La suspensión que sale de los causticadores es del orden de 15 256 kg/h con 1 056 kg/h de sólidos (7 % en peso) y 1 557 kg/h de reactivos solubles, pasan al clarificador del licor blanco . Los fangos de este clarificador son del orden de 30 % y el licor clarificado es de un orden de 11 725 kg/h . A veces esta corriente es pasada por un recausticador, con un tiempo de retención de 10 - 15 min . Un lavador de fangos a contracorriente procesará los fangos provenientes del recausticador . Los fangos de este equipo son muy compactos, con 30 °ó de sólidos suspendidos en una corriente de 3 877 kg/h y son procesados en un filtro rotatorio para aumentar la eficiencia de la planta . Este filtro procesa 3 t/m 2 /d. La torta del filtro sale a 40 % de sequedad, hacia el posible horno de cal. Las pérdidas totales en causticación son del orden de 42 kg/h, en términos de sulfato de sodio, y el consumo de agua de la planta es de 16 t/h .

DE AZOCAR

área 1 En digestores

Pérdidas de reactivosentír. minos de sulfato de sodio

(kg/h)

(kg/t)

9,28

1,37

92,80

13,70

9,28

1,37

2

En lavadoras

3

En evaporadores

4

En la caldera

80,0

11,94

5 En causticadores

42,16

6,29

233,52

34,67

Total

cuperación global de 90 % . La distribución de las pérdidas por áreas se presenta en la tabla 135 . 6 Producción de pulpa para disolver a partir del bagazo La rápida disminución de las reservas made. rables y el incremento de utilización de fibras sintéticas, en la industria textil, durante los últimos 15 a, han detenido, prácticamente, el crecimiento de la producción de pulpa para disolver en el mundo. Sin embargo, las fibras celulósicas, producidas, tanto natural como artificialmente, son las más utilizadas en la producción textil mundial . Existen tendencias recientes de utilización de maderas duras en la pulpa para disolver, a causa de la escasez de las reservas de coníferas. Es inevitable que las fibras no maderables entren a representar un papel importante en aquellos países gravados por fuertes importaciones de algodón, fibras de viscosa o pulpa para disolver . En los países productores de azúcar, el bagazo ocupa una posición ventajosa, ya que es un residuo que se quema en los hornos, como combustible de bajo valor calórico . En muchos países se pueden obtener de 8 t a 10 t/ha . Teniendo en cuenta las pérdidas normales en la preparación del bagazo, para su industrialización se podrían destinar a la producción de pulpa para disolver, de 5,a 6 t/ha de fibra mejorada, que comparado con los rendimientos de 2,5 t/ha, en el caso de los bosques de coníferas, es más ventajosa. Es obvio, que los países que cuentan con bagazo, deben tener los conocimientos técnicos y científicos necesarios para convertirlos en productos más últiles, como la producción de fibras textiles, producción de carboximetilcelulosa, celulosa

213

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

microcristalina, celofán y otros derivados de elevado valor comercial. 6.1 OBTENCION DE PULPA PARA DISOLVER POR PROCESOS ALCALINOS 6.1.1 Proceso de prehidrólisis al sulfato La cantidad óptima de hemicelulosas permisibles en pulpa para disolver, para la producción de viscosa, es, aproximadamente, de 2 % . Proporciones mayores disminuyen el contenido de cenizas en la pulpa final, ya que se forman coloides indeseables, durante le xantación, que causan pobre filtrabilidad de la viscosa . El tratamiento de la prehidrólisis debe ser lo supuestamente enérgico para eliminar, por lo menos, 75 % de las hemicelulosas, sin causar una excesiva degradación de la celulosa presente . En esta etapa, la reactividad, filtrabilidad y la composición química, están, prácticamente, decididas, ya que el resto del proceso no puede eliminar las consecuencias de un posible daño a ésta en la etapa de prehidrólisis, cuyos objetivos fundamentales son: a) Eliminar 75 % de las hemicelulosas presentes . b) Evitar excesiva degradación de la celulosa.

vación de la celulosa presente, obteniéndose una fibra prehidrolizada, con un alto contenido de -celulosa (84 - 86 %) . 6.2 COCCION Durante la cocción se remueven cantidades sustanciales de lignina y hemicelulosas presentes en la fibra prehidolizada, obteniéndose la celulosa para disolver no blanqueada, cuyas propiedades se demuestran en la tabla 136. TABLA 136

Características de la celulosa para disolver, de bagazo no blanqueada No, permanganato 7 .9 Contenido de a-celulosa (%) 85-88

Pentosanas (°k) Lignina (%)

2-5

2 .3

Cenizas (°r6)

0,4

Sílice (ppm)

526 1130

GP

Rendimiento clasificado (%)

33,5

c) Disminuir el contenido de cenizas . El contenido de pentosanas, al final del tratamiento, es de 5 a 6 %, con un rendimiento de 70 - 72 % . Por las propiedades físicas del bagazo, en la prehidrólisis, se requiere una alta relación líquido-sólido que va desde 6:1 hasta 10:1, ya que a bajos hidromódulos surgen muchas dificultades, a causa de las reacciones de condensación del furfural y de la lignina . En la prehidrólisis acuosa del bagazo, la alta temperatura favorece la liberación de los grupos acetilos de las hemicelulosas, así como la liberación de ácidos fenólicos de la lignina del bagazo, fundamentalmente, en forma de ésteres los cuales son hidrolizados fácilmente, disminuyendo el valor del pH- del medio hasta pH 3, al finalizar la prehidrólisis. La hidrólisis, en medio ácido, también ha sido estudiada, utilizando ácido sulfúrico a un pH entre 1,8 y 2,0, lo que trae como consecuencia tiempos más cortos de reacción. La prehidrólisis acuosa del bagazo se realiza a 170'C, durante 2 h, para lograr un nivel de 5 - 6 % de pentosanas, demostrándose que la prehidrólisis acuosa en el caso del bagazo, a causa de las características anatomomorfológicas de éste y por la naturaleza de sus componentes químicos, permite obtener una mayor preser-

Como se observa en la tabla 136, la cocción óptima para este tipo de pulpa debe disminuir el número de permanganato hasta un valor d 7 - 9, obteniéndose un valor para el grado de polimerización (GP) promedio, cercano a 1000, lo que garantiza un blanqueo bien controlado. 6.3 PROCESOS ÁCIDOS 6.3.1 Cocción nítrica . Proceso BANAC La disminución de los costos de producción. del ácido nítrico y la posibilidad de utilizar la nitrolignina obtenida como producto secundario del proceso, como producto comercial de elevado valor y amplio uso en diferentes industrias, coloca el proceso nítrico, nuevamente, en una posición ventajosa en la producción de celulosa para disolver. El proceso BANAC permite la obtención de celulosa para disolver a partir del bagazo, que puede ser utilizada en la producción de rayón e hilaza textil. Este proceso se fundamenta en In adición del ácido nítrico sobre los componente del bagazo, con el fin de preparar la fibra para un tratamiento posterior con hidróxido de so-

214

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

dio . La primera etapa consiste en la nitración v la segunda en la extracción alcalina. Durante la nitración, el bagazo se trata con ácido nítrico con una concentración de 3 - 5 %, a una temperatura de 80 - 90°C. La hidrólisis de las pentosanas del bagazo, en presencia de ácido nítrico diluido, se describe a través de la hidrólisis de 2 tipos de pentosanas que reaccionan en paralelo e irreversiblemente . El bagazo extraído con ácido nítrico se procesa con una solución de hidróxido de sodio, produciéndose, fundamentalmente, la disolución de la nitrolignina y de las pentosanas residuales. Los parámetros de operación tecnológicos para la producción de celulosa para disolver por el proceso BANAC se muestran en la tabla 137 . TABLA 137 Parámetros y, propiedades de la celulosa para disolver proceso Banac Parámetros

Nitraeión

Extracción alcalina

Concentración de reactivos (oio)

3-5

2-3

Temperatura (°C)

80-90

80-90

Tiempo (min)

90

60

Consumo productos (%) 22 N0,11/pulpa

36 NaOH/ /pulpa sin recuperación

Rendimiento clasificado sobre bagazo desmeollado (vo) 65

35

celulosa (94) Pentosanas (9'0)

99

2,5

Cenizas (oio) GP

2,5 0,1

1240

7 Abrillantamiento de las pulpas de tipos mecánica y quimimecánica de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ Las pulpas mecánicas y de tipo mecánicas de bagazo, son abrillantadas con agentes abrillantadores convencionales, como los hidrosulfitos, los peróxidos, el hipoclorito y otros agentes oxidantes o reductores, que producen un incre-

mento en la brillantez de la pulpa, sin afectar, considerablemente, el rendimiento final . Su acción se concreta, de manera fundamental, al ataque de los grupos cromofóricos de la lignina, convirtiéndolos en estructuras no coloreadas. Estas transformaciones no son generalmente estables y las pulpas abrillantadas tienden al amarillamiento con el envejecimiento, manteniendo, aun en las mejores condiciones, una tonalidad amarillenta peculiar. En el caso del bagazo el abrillantamiento es una operación imprescindible, posterior a los tratamientos químicos, mecánico, quimimecánico o termomecánico . La baja brillantez de las pulpas crudas no permite, como en el caso del abeto o de algunas variedades de pino, producir una pulpa cruda cuya brillantez inicial sea suficiente para la fabricación de papel periódico . Actualmente, la pulpa abrillantada encuentra gran aplicación, no sólo en la fabricación de papel periódico, sino como componente importante en las formulaciones de papeles culturales, por su inferior costo y sus excelentes propiedades de impresión . En el caso del bagazo, la utilización de pulpa abrillantada permite, adicionalmente, sustituir, en las formulaciones papeleras, una parte del componente importado de fibra larga. Un aspecto de especial atención lo constituye, disponer de pulpas de alto rendimiento de diferentes niveles de brillantez, para múltiples propósitos que van, como hemos explicado, desde la fabricación de papel periódico hasta los papeles para libros de ciclo corto, libretas, sanitario y otros. Uno de los factores de mayor importancia, en el abrillantamiento de la pulpa de bagazo, es la brillantez inicial de la pulpa cruda . Las pulpas crudas que presentan una baja brillantez serán pobremente abrillantadas por los reactivos, sean éstos oxidantes o reductores . Si bien es cierto que el incremento de brillantez se hace más acentuado con las pulpas más pardas, la brillantez final alcanzada será también inferior y, de hecho, todos los estudios efectuados con pulpas de bagazo de alto rendimiento, muestran que ésta es la variable de mayor influencia en el valor final de la brillantez. La brillantez inicial de la pulpa incide, además, de forma importante, en los consumos de reactivos que serán necesarios aplicar para llevar la brillantez final a valores aceptables, por eso el abrillantamiento de las pulpas, en el caso del bagazo, es una etapa del proceso muy vinculada a las operaciones de almacenamiento y preparación del bagazo y la pulpa. 7.1 PEROXIDO DE HIDROGENO En el caso del abrillantamiento con peróxido de hidrógeno, a los aspectos generales explica-

215

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO dos anteriormente, se suman el efecto que la alcalinidad y la temperatura del blanqueo ejercen sobre el tiempo de retención . Las altas temperaturas y la mayor adición de sosa aceleran la reacción y pueden, en corto tiempo, completar el blanqueo . En la tabla 138 se presenta la influencia que la temperatura, la sosa y el peróxido aplicado, así como la brillantez inicial de la pulpa sin blanquear, tienen sobre la brillantez final. TABLA 138 Influencia de las condiciones del abrillantamiento en

la brillantez final (Bf)

T(h)

Bf

Temperatura ('c)

Brillantez NaQH (%) inicial

2,6

42

60-70

30

1-2

1,0

2,6

50

60-70

40

1 .2

1,0

2,5

62

60-70

50

1-1,5

1-1,5

6,0

58

60 70

50

0,5

1,5

H202 (%)

Para el abrillantamiento de pulpas de alto rendimiento de bagazo con peróxido de hidrógeno, es recomendable utilizar una temperatura que no sea inferior a 60 °C y consumos de sosa que garanticen el completamiento de la reacción en un tiempo que se aproxime a las 2,5 h. El ren-

dimiento del blanqueo, en estas condiciones, es de 92 - 95 % . El resultado del abrillantamiento con peróxido, cuando se ha realizado adecuadamente, repercute en un incremento de la brillantez del papel, sin afectar, de modo importante, las propiedades de resistencia alcanzadas por la operación de preparación previa de la pulpa, la opacidad y el valor del coeficiente de dispersión. El peróxido se destaca por su elevado incremento de brillantez y baja reversión de color, en comparación con otros agentes de abrillantamiento utilizados (Tab. 139) . Es importante, en cambio, encontrar un grado de compromiso satisfactorio entre el nivel de preparación de la pulpa y las propiedades deseadas. Si bien es cierto, que la presencia de sosa favor rece la refinación y eleva las propiedades de la pulpa final, la brillantez, por esta causa, puede caer hasta 8 unidades . La solución más adecuada al problema será la que permita la economía integral del proceso para la calidad del papel requerido . La figura 107 muestra el diagrama de flujo para el abrillantamiento con peróxido, utilizando pulpa quimimecánica de bagazo en las instalaciones del Proyecto Cuba-9. 7.2 HIDROSULFITO DE SODIO Los resultados de estos estudios, empleando bagazo, demuestran que, un resultado aceptable para la brillantez final se obtiene utilizando una temperatura entre 70 - 80 °C, con un consumo

TABLA 139 Resultados obtenidos al aplicar diferentes secuencias de blanqueo a la pulpa quimimecánica a la soda de bagazo

Peróxido

Incremento de la brillantez (Elrepho) Número de reversión de color (método TAPPI)

Peróxido Hidrosulfito hidrosulfito

Hipoclorito

11-13

9-11

18-20

8-10

1-2

2 .4

1-2

14-20

Opacidad (°h)

93

95

93

93

Coeficiente de dispersión (m 2 /kg)

39-43

39-41

38-42

-

indice de tensión (N . m/s)

18,6

20,6

18,6

19,6

Indice de rasgado (mN . m2/g)

3,4

3,2

3,2

3,4

Densidad (g/cm3)

0,33

0,37

0,34

0,33

d b

á 0

óÚ V

O

. á 0 ,d.. C C R

v

3

~^ P w b O O

s

m

"w'

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

de hidrosulfito inferior a 1 aio y el pH entre 5 - 6, en dependencia de la utilización de hidrosulfito de sodio o de cinc. El tiempo de retención en la torre, en estas condiciones, es de sólo 35 - 40 min y la ganancia de brillantez final esperable es de 7 - 10 unidades Elrepho . Igualmente a los resultados discutidos en el caso del peróxido, las propiedades de resistencia de la pulpa no difieren, de manera significativa, de las reportadas para la pulpa sin blanquear. Como se observa en la tabla 139, la reversión de color final es inferior para las pulpas obtenidas con abrillantamiento con peróxido, como ha sido señalado. Los resultados logrados, utilizando cualquiera de los 2 reactivos anteriormente discutidos en etapa simple, pueden ser sustancialmente mejorados, si la pulpa de bagazo es sometida, previamente a la etapa de abrillantamiento, a un tratamiento muy suave con ácido mineral, lo cual permitirá elevar, de forma importante, la brillantez antes del blanqueo. La adición de pequeñas cantidades de agentes acomplejantes como el ácido etilendiamintetraácetico (EDTA) o el etilendiaminpentaacético (DPTA) completan, satisfactoriamente, estos propósitos . De cualquier forma, si la pulpa se ha de utilizar en formulaciones destinadas a la producción de papeles de mayor calidad, se necesita combinar en el blanqueo las 2 etapas, utilizando peróxido-hidrosulfito . En los trabajos experimentales realizados en el ICIDCA, con el objeto de optimizar esta secuencia de blanqueo para las pulpas mecánicas y quimimecánicas de bagazo, se demostró que, por esta vía, la brillantez final de la pulpa se incrementa entre 17 - 19 unidades, con un valor aceptable para la reversión de color, sin variaciones apreciables en las restantes propiedades . Estas pulpas aventajan, sustancialmente, a las pulpas químicas blanqueadas, por su elevada opacidad (92 - 96 ".6) y por su elevado valor del coeficiente de dispersión (39 - 42 m 2 /g) (Tabla 139), lo cual las hacen recomendables para incorporarlas a formulaciones de papeles de alta calidad . 7.3 HIPOCLORITO DE SODIO El hipoclorito de sodio es un reactivo barato, que produce un efecto abrillantador relativamente moderado e incrementa la brillantez de la pulpa entre 5 - 10 unidades Elrepho . En el caso del bagazo, el efecto abrillantador del hipoclorito se corresponde con el que se reporta por numerosos autores . Un consumo de hipoclorito entre 5 - 12 % y pH lo suficientemente alcalino, . permiten obtener un incrementó de brillantez de hasta 10 unidades . No se recomienda, en cambio, su utilización, por la fuerte reversión dé color que presentan las pulpas

217

abrillantadas, las cuales pueden perder, en pocas horas, de forma total, la ganancia de brillantez alcanzada durante el tratamiento, a causa de la inestabilidad en las transformaciones ocurridas en la lignina . Estas pulpas tienen tonalidades amarillo rojizas y no compiten ni por su calidad ni por el elevado consumo de sosa necesario para obtener un pH adecuado, con las obtenidas, utilizando peróxido de hidrógeno o hidrosulfito de sodio. Este comportamiento del hipoclorito con las pulpas mecánicas y quimimecánicas de bagazo, es extensivo no sólo al hipoclorito, sino, en general, a los derivados del cloro . El dióxido de cloro no produce un abrillantamiento satisfactorio con estos fines, en condiciones convencionales . Un aspecto importante del abrillantamiento y, en general, del blanqueo de las pulpas de bagazo, es el efecto beneficioso que produce el tratamiento final por un período de 5 min, en presencia de solución saturada de dióxido de azufre, el cual estabiliza la brillantez alcanzada, retardando el deterioro por el envejecimiento. Estudios recientes realizados en el ICIDCA demuestran, que el dióxido de azufre tiene un efecto beneficioso no sólo por la estabilidad que ocasiona a la brillantez final, sino por su habilidad de actuar como un agente de abrillantamiento de aceptable eficiencia, especialmente para pulpas pardas de muy baja brillantez inicial, en cuyo caso, provoca una ganancia de brillantez análoga a la obtenida con hidrosulfito de sodio o peróxido de hidrógeno . Las condiciones ácidas del tratamiento y la elevada temperatura (50 - 60°C), requieren de una torre adecuada, donde la corrosión y la nocividad del producto puedan ser eficientemente controladas . Esta solución puede constituir una opción adecuada en la preparación de papel periódico, a partir del bagazo, en condiciones particulares . Otro aspecto fundamental que se debe tomar en consideración durante el abrillantamiento, es la presencia de iones metálicos, fundamentalmente hierro, que están presentes durante el abrillantamiento de la pulpa quimimecánica y durante el blanqueo de las pulpas de bagazo en general. Es conocido, que las pulpas actúan como resinas débiles de intercambio de cationes, las'cuales tienen gran afinidad por los iones metálicos pesados . Estos iones provocan pérdidas de brillantez de la pulpa, descomposición de los reactivos del blanqueo y amarilleo, con el envejecimiento de las pulpas blanqueadas y su efecto es de importancia especial, en el caso del bagazo, por su considerable nivel de ceniza . El manganeso afecta, de forma importante, la brillantez de la pulpa blanqueada, a causa de la acción catalítica que ejerce sobre el peróxido de

21 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

hidrógeno como agente blanqueante . Así mismo, las pulpas envejecidas por tratamientos en húmedo se afectan muy significativamente por la presencia de este ion. El ion ferroso, en concentraciones de hasta 200 ppm, no afecta, de manera apreciable, la brillantez de la pulpa, antes ni después del proceso del blanqueo, pero su presencia es muy perjudicial a los efectos del envejecimiento, tanto por métodos de calentamientos húmedos como secos . El ion férrico es altamente perjudicial para la pulpa y afecta, de manera significativa, la brillantez e incrementa el coeficiente específico de absorción de la pulpa, aun para muy pequeñas concentraciones . Esta pérdida de brillantez ocasionada por la presencia del ion férrico no se recupera por un proceso de abrillantamiento convencional por peróxido de hidrógeno . Así mismo, las pérdidas de brillantez por el envejecimiento se incrementan por la presencia de este ion, mucho más que con cualquier otro estudiado . El calcio, de manera análoga al comportamiento encontrado para el caso de la pulpa de madera, incrementa la brillantez, hasta concentraciones de 300 ppm, la pérdida de brillantez por el envejecimiento se ha encontrado independiente del calcio para la pulpa cruda, pero dependiente de éste para la pulpa blanqueada . La opacidad también se favorece por la presencia de cantidades limitadas de calcio . 8 Blanqueo de la pulpa química de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ Las pulpas químicas de bagazo pueden ser blanqueadas con los agentes químicos que, tradicionalmente, son utilizados para el blanqueo de las pulpas de madera, así como con los más recientes reactivos reportados en la literatura. La mayor parte de la producción mundial de pulpa blanqueada de bagazo, es obtenida con el proceso de cocción a la soda, seguida de un blanqueo en 3 etapas con la secuencia cloro-extracción-hipoclorito de sodio (CEH) ; gran aceptación, actualmente, ha encontrado la introducción del dióxido de cloro y el oxígeno como parte de las secuencias de blanqueo . Las pulpas de bagazo presentan características muy peculiares durante el proceso de blanqueo, destacándose por ser más fácilmente blanqueables que sus análogas, obtenidas a partir de maderas suaves o duras, lo cual se evidencia al obtener niveles de brillantez y propiedades ópticas muy semejantes o superiores a las de otras fuentes fibrosas con menores adiciones de productos químicos. Esta característica del blanqueo químico de la pulpa de bagazo, parece

estar muy asociaua a la naturaleza de la lignina de bagazo, cuyas propiedades fisicoquímicas la hacen fácilmente accesible y atacable por los reactivos del blanqueo. 8.1 UTILIZACION DEL CLORO EN EL BLANQUEO Mundialmente, no se reportan aún experiencias para el blanqueo de pulpas químicas de bagazo, que no contemplen el cloro como un elemento importante del blaqueo . Los esfuerzos de los investigadores, en este sentido, se encaminan, fundamentalmente, al campo de la celulosa de madera . 8.1.1 Secuencia CEH Desde el punto de vista tecnológico, los resultados del trabajo investigador han demostrado, que la variable fundamental del blanqueo, en este caso, es el coeficiente total de consumo (c.t.c.) de cloro en el blanqueo, que relaciona el grado de deslignificación en el cloro total adicionado, el cual tiene una influencia marcada sobre la brillantez y la viscosidad final obtenida, por lo que no se debe emplear valores de c.t.c. superiores a 0,5 para el uso de esta secuencia, en el caso del bagazo. Los resultados se favorecen, desplazando un elevado tanto por ciento del cloro total a la cloración, lo cual permite incrementar la viscosidad y el rasgado final de forma considerable (Tab . 140), con beneficios sustanciales para la formación en la máquina de papel (Fig. 108) . Las pulpas de bagazo pueden ser también blanqueadas con esta secuencia, si se introducen modificaciones en el proceso como son : la adición de pequeñas cantidades de dióxido de cloro en la cloración, procedentes del tanque sello de la etapa final de dióxido, con ventajas interesantes para las propiedades de resistencia, si bien no se incrementa la brillantez final, o utilizando el novedoso método del blanqueo compacto que incrementa la temperatura y la consistencia, lo cual permite disminuir, considerablemente, el tiempo de retención en la cloración hasta 15 - 20 min, eliminando, por tanto, la torre de cloro, disminuyen los costos de mantenimiento/operación y aumenta la productividad de la planta, con menores volúmenes de efluentes agre sivos. La tendencia mundial, en el campo del blanqueo, aun con maderas del tipo del eucalipto, coincide con la necesidad de transformar las instalaciones actuales de las plantas de blanqueo, buscando soluciones que atenúen los costos de inversión, el área, los gastos de mantenimiento/operación y menores cargas de efluentes, que alivien las medidas externas que se necesitan para su tratamiento .

21 9

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 140

Propiedades de las pulpas químicas al sulfato de bagazo blanqueadas en 3 etapas CEH y CED. Para las condiciones óptimas del blanqueo Pulpa de coníferas (secuencia)

Pulpa al sulfato de bagazo (secuencia) CED CEH

Propiedad Brillantez (Elrepho)

85,0

85,6

Coeficiente absorción (mtfkg)

4,3

2,9

Número de reversión de color (método seco norma TAPPI)

2,5

1,3

CEH

CED

81,0-83,0

81,1

-

1,49

-

8,7 (0,5 CED)

Viscosidad (mPa/s)

20,0

27,0 (I% CED)

Indice de rasgado (kPa .m'fg)

63,0

78,0

112,5

118,0

3,7

4,0

5,2

-

Celulosa (eio)

75,6

76,0

Pentosanas (%)

22,7

23,4

Cloro total aplicado (kgft)

55,0

40,0

57,0

57,0

Consumo NaOH total (kgft)

35,0

25,0

20,00""

20,00

5,0

5,5

90,0

92,0

L " ruptura (km)

Tiempo de retención (h) Rendimiento Molida Shopper Riegler CSF ea

570

500

-

17 500

5,7

18 500

No induye hipoclorito .

Fig. 108 Secuencia de blanqueo CEH para la pulva qulmtca de bagazo. Estas modificaciones alcanzan a la etapa de extracción alcalina y a la hipocloración y pueden abarcar, en el caso del bagazo y del eucalipto, la eliminación del filtro posterior a la eloración adicionando la sosa y el cloro, directamente a la salida de la cloración. Las pulpas obtenidas man-

tienen las propiedades ópticas alcanzadas por el método tradicional, si bien presentan una ligera caída de viscosidad adicional y necesitan una mayor proporción de sosa en la etapa extracción-blanqueo (Fig . 109) .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

220 ESPESADOR

FILTRO

Fig . 109 Esquema compacto para el blanqueo CEH, según A. Stonis . 8.2 DIOXIDO DE CLORO

Los trabajos acometidos con la intención de obtener ventajas para la introducción del dióxido de cloro en el blanqueo de la pulpa de bagazo, han demostrado, que este reactivo presenta una reactividad marcada hacia la lignina residual de las pulpas de bagazo, lo que permite obtener resultados satisfactorios para secuencias de 3 y 4 etapas, en dependencia de la calidad final que se pretende alcanzar, siempre que se adecuen, convenientemente, los parámetros del blanqueo a las características morfológicas, físicas y químicas del bagazo como materia prima . En los últimos años, se ha optimizado la secuencia de blanqueo cloro-extracción-dióxido de cloro (CED) por presentar notables ventajas a causa de la mayor viscosidad y rasgado de la pulpa blanqueada, con relación a la pulpa obtenida por el esquema CEH, tanto en la introducción del dióxido como tercera etapa del blanqueo (CED), como por la reutilización del licor de la tercera etapa en la secuencia C/DED, con mayor estabilidad de color de las pulpas blanqueadas . La disminución del cloro total aplicado en el esquema CED y el abatimientq de la contaminación, son ventajas notables de este esquema aplicado al blanqueo de la pulpa de bagazo. En este esquema se debe destacar la pequeña adición de dióxido de cloro que se requiere para obtener la mejor calidad de pulpa blanqueada. Al igual que en el caso de la secuencia CEH, el coeficiente total de consumo de cloro y la distribución elevada del cloro en la etapa de cloración, son elementos fundamentales para un exitoso blanqueo . En la tabla 140 se comparan las propiedades obtenidas al aplicar las secuencias CEH y CED a la pulpa química al sulfato de bagazo y de madera suave, para el caso de la pulpa a la soda de bagazo los resultados del blanqueo se corresponden con los reportados en la tabla 140. Los valores representados para las propiedades de las pulpas químicas de bagazo blanqueadas, evidencian la considerable diferen-

cia en el rasgado, la viscosidad y el número de reversión de color obtenidos, por ambos métodos, lo cual favorece a la pulpa blanqueada, utilizando el esquema CED, de manera significativa. El esquema CED muestra, además, beneficios considerables por ahorro de cloro y sosa, si bien se puede señalar como desventaja el mayor costo de inversión y mantenimiento/operación, necesario por la planta de generación de dióxido y las características anticorrosivas de construcción de la lavadora, el mezclador y la torre en la etapa de dióxido de cloro. De acuerdo con los resultados comparativos que se presentan en la propia tabla 140, se demuestra la mayor brillantez de la pulpa química de bagazo con relación a la pulpa de . coníferas para secuencias de blanqueo análogas . Esta conducta que se manifiesta en la generalidad de las secuencias de blanqueo, utilizando bagazo, pone de relieve la mayor facilidad de las pulpas de bagazo a ser blanqueadas . Se observa, en cambio, cómo el rasgado y la longitud de ruptura se encuentran en valores muy superiores para las pulpas de madera, dadas las características anatomomorfológicas de las pulpas de madera con una fibra de mayor longitud y resistencia . Es un hecho probado, el éxito de blanquear la pasta cruda que ha de llevarse a la máquina de papel, lo cual es una nueva variante con relación al método tradicional de preparar la pasta, mezclando ambos tipos de pulpa posterior al blanqueo . Para elevar la brillantez hasta niveles de 88 - 90 unidades Elrepho, es necesario adicionar, en el caso del bagazo, una cuarta etapa al blanqueo, lo cual no debe ser, en ninguna circunstancia, a costa del hipoclorito de sodio. La secuencia de blanqueo CEHH está prácticamente prohibida para el bagazo, por las características altamente degradadoras del hipoclorito, el cual frgnte a una materia prima de fibra corta como

INDUSTRIA DE

CELULOSA Y

PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA

22 1

141

Propiedades de las pulpas a la soda de bagazo blanqueadas en 4 etapas CEHD

CEDH

O/A CEH

O/A CED

Brillantez (Elrepho)

87,0

88,5

86,5

88,0

Viscosidad

21,0

24,0

21,0

23,0

Número reversión color (SCAN)

1,3

1,3

índice de rasgado

6,3

6,8

6,8

6,8

Celulosa (%)

75,0

75,0

70,0

70,0

Cloro

55,0

55,0

35,0

24,0

3,0

5,0

27,0

25,0

(mPa .s)

(mN . m'/s)

(kg/t)

Dióxido de cloro

(kg/t)

Hidróxido de sodio

(kg/t)

Tiempo de retención (h)

lo es el bagazo (L 1,2 mm) provoca una severa degradación, reduciendo, considerablemente, la viscosidad y el rasgado . Para lograr pulpas blancas de bagazo de alta brillantez y resistencia satisfactorias, se pueden utilizar secuencias donde se combinen, de forma acertada, el cloro, el dióxido de cloro, el oxígeno y el peróxido de hidrógeno cuyas ventajas y aspectos más generales discutiremos en este capítulo para las secuencias estudiadas CEHD, CEDH, O/ACEH, O/ACED y CEHP. El peróxido de hidrógeno lo consideramos aparte en esta discusión, por las características individuales que presenta, frente al bagazo, no comparable a ningún otro reactivo de blanqueo considerado . El dióxido de cloro puede ser utilizado en la secuencia de blanqueo en 4 etapas, bien como tercera o última etapa (CEDH o CEHD) . Si se comparan los resultados obtenidos para ambas secuencias éstos evidencian que la posición de la etapa de dióxido favorece, ligeramente, al esquema CEDH sobre CEHD en la brillantez, la viscosidad y el rasgado, con un incremento en el dióxido de cloro aplicado en el caso de la secuencia CEDH (Tab. 141) . 8.3 OXIGENO En el caso del blanqueo con oxigeno, es necesario definir el valor del número de Kappa óptimo en la cocción, para la posterior etapa de blanqueo, el cual tiene un efecto decisivo sobre las propiedades finales de la pulpa blanca . Los

5,6

5,6

-

3,0

12,0

12,0

5,6

6,0

resultados que se muestran en la tabla 142, indican que la viscosidad de las pulpas blanqueadas con oxígeno, es mayor a medida que se incrementa el número de Kappa, de la pulpa sin blanquear ; las pulpas de menor número de Kappa inicial son más afectadas por las condiciones del tratamiento con oxígeno . Para pulpas en el rango de número de Kappa entre 18 - 35, se obtienen viscosidades O/A eptre 26 - 33 m Pa-s, respectivamente . En el caso de las pulpas de bagazo, ha quedado demostrado que la temperatura y el consumo de sosa en el blanqueo son los factores más importantes que hay que controlar en la etapa de blanqueo O/A . Los resultados comparativos, para diferentes pulpas semiblanqueadas de madera suave y bagazo con la etapa O/A, se muestran en la tabla 143. Estos resultados demuestran que las pulpas de bagazo superan en brillantez a las pulpas de madera, si se considera un grado de deslignificación semejante . Otras etapas del blanqueo deben completar el efecto beneficioso alcanzado durante la etapa del blanqueo con oxígeno . La secuencia seleccionada dependerá del número de Kappa, la brillantez final y las propiedades que se deseen obtener. Utilizando el oxígeno en la primera etapa del blanqueo, se puede reducir el número de Kappa inicial, de 48 % a 60 vio, con un decremento de 50 % en el contenido de lignina . Los esquemas de blanqueo para pulpa química a la soda de bagazo O/ACEH .y O/ACED, per-

222

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR TABLA 142

Influencia del grado de deslignificación durante la cocción en la etapa de blanqueo 0/A Cocción Viscosidad Pulpa No. Kappa (mPa/s)

Blanqueo O/A

Parámetro de ViscosiCelulosa deslignifidad No. Kappa cación (mPa/s)

Celulosa

1

18,0

38

75,8

10,4

7,6

26,0

2

22,0

36

66,2

12,6

9,0

29,0

3

25,3

36

67,0

14,0

11,0

29,0

69,6

4

35,1

35

66,9

17,8

17,0

33,0

69,8

74,2

TABLA 143

Brillantez de las pulpas semiblanqueadas en la etapa O/A para madera suave y bagazo Brillantez

Madera s ave

Bagazo

No. Kappa

40,0

7,0

53,4

9,3

40,0

12,0

35,0

12,0

36,6

9,2

32,1

14,0

46,7

17,0

50,8

9,8

50,1

12,0

51,3

14,0

miten obtener pulpas de elevada brillantez final (Tab. 141) y excelentes propiedades físicas y de resistencia, comparables, como se muestra en la tabla 141, a las secuencias que no incluyen el oxígeno . La demanda de cloro, en estos esquemas, disminuye entre 40 - 50 %, en comparación con los esquemas convencionales de cloración en primera etapa. El consumo de NaOH también se

reduce, considerablemente, mientras los rangos de operación del resto de las variables, se mantienen en los niveles establecidos de trabajo para cualquier otro esquema de blanqueo. La utilización del oxígeno en el blanqueo, permite atenuar la etapa del tratamiento de los efluentes, disminuye el volumen total, la agresividad y la toxicidad de efluentes contaminantes,

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

224

y, particularmente, la secuencia O/ACED permite la reutilización del licor de la etapa de dióxido (Fig. 110) . La eficiencia de la caldera de recuperación se eleva, considerablemente, al incrementarse el nivel de sólidos totales procedentes de la etapa de blanqueo con oxígeno, en la cual el número de Mn0 4 de la pulpa cae hasta un valor de permanganato 1,5 - 3. Cuando el oxígeno se utiliza en sistemas de blanqueo multietapas, se pretende elevar la brillantez y mejorar las propiedades mecánicas y de resistencia hasta los niveles convencionales de tratamiento admisibles para pulpas químicas totalmente blanqueadas . Este introduce modificaciones en los rangos de aplicación y en el control tecnológico de las etapas siguientes del blanqueo, motivadas por la introducción del oxígeno en la primera etapa, que sólo permite alcanzar niveles bajos de brillantez, éstos pueden ser elevados al rango de pulpa semiblanqueada o pulpa completamente blanqueada, sin afectar, apreciablemente, el rendimiento con relación al blanqueo convencional .

gazo, en 3 secuencias de 2, 3 y 4 etapas CP, CPD y CEHP, que abarcan un amplio rango de calidades de pulpa blanca . 8.4.1 Secuencia cloro-peróxido (CP) Esta secuencia de blanqueo, aplicada al bagazo, permite obtener pulpas blancas de 80 - 82 unidades de brillantez y buenas propiedades de resistencia (Tab . 144), siempre que se controle, adecuadamente, la adición de cloro y peróxido que son las variables fundamentales del proceso. Este esquema brinda la opción de simplificar, considerablemente, la tecnología del blanqueo, al eliminar la etapa de hipocloración (torre, mezclador, lavadora), disminuir el costo de inversión operación/mantenimiento, incrementar además, la productividad de la planta de celulosa y disminuir la carga de efluentes tóxicos, considerablemente, con relación a cualquier esquema de blanqueo . Los trabajos, en este campo, han demostrado que es posible efectuar una eficiente operación de extracción-blanqueo combinada cuando se utiliza el peróxido de hidrógeno, lo que eleva la brillantez y las propiedades de la pulpa a los valores obtenidos con un esquema en 3 etapas CEH (Tab. 140) . Estos resultados ratifican la

8.4 PEROXIDO DE HIDROGENO El peróxido de hidrógeno ha sido estudiado, para el blanqueo de la pulpa a la soda de ha-

TABLA 144 Peróxido de hidrógeno como agente de blanqueo multietapas de la pulpa química de bagazo Cloro-extracci6nCioro-per6xido Cloro-per6=da--hipoclorito-per6. (CP) -dióxido (CPD) xido (CEHP) Brillantez (Elrepho)

80-82

86-88

87-88

Opacidad (44)

82,0

84,0

76,0 .78,0

Coeficiente de dispersión (m'Jkg)

36.0

45,2

36,0

Viscosidad (mPa .s)

21,0

19-21

18,0

Indice de rasgado (mN " mlg)

64,0

64,0

63,0

1,3

1,0

1,6

Cloro (kg/t)

40,0

30,0

50,0

NaOH (kg/t)

40,0

40,0

40,0

Peróxido (kg/t)

14,0

10,0

4,0

-

5,0

-

2,5-3

4,5

6,0-7,0

Número de reversión de color (SCAN)

Dióxido (kg/t) Tiempo de retención (h)

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

225

H& III Secuencia de ólanquao atomPerdxido (CP), Para la Putpa gsdmiea a la soda-de bagazo.

fácil blanqueabilidad de las pulpas de bagazo y evidencian que no es necesario utilizar sofisticados esquemas de blanqueo, en el caso del bagazo, para un completo blanqueo de la pulpa, lo más importante es, en cambio, profundizar en el arreglo de los parámetros con esquemas simples que establezcan un compromiso satisfactorio brillantez-viscosidad-rasgado . Otra importante ventaja de la introducción del esquema CP en el blanqueo de la pulpa de hagazo viene dada por la elevada estabilidad del color, después del blanqueo, y una opacidad muy elevada, que se corresponde con un alto valor del coeficiente de dispersión, lo cual no es obtenible al emplear otros agentes de blanqueo . Estas características mencionadas permiten concluir que la secuencia CP es altamente provechosa, en todos los sentidos, para la fabricación de papeles de impresión, a partir del bagazo, especialmente, por su alta opacidad y su estabilidad al envejecimiento, unida a los factores anteriormente mencionados (Fig. 111) . 8.4.2 Secuencia cloro-peróxido-dióxido (CPD) Con esta secuencia de blanqueo se pueden obtener pulpas blanqueadas de bagazo con propiedades ópticas y de resistencia análogas a las que se obtienen al aplicar una secuencia de blanqueo en 4 etapas (Tab. 144) . En este proceso de blanqueo, la temperatura en la etapa de peróxido, es una variable cuyo efecto debe ser rigurosamente controlado, para lograr la mayor brillantez final, con mínima degradación. Cuando se utiliza esta secuencia de blanqueo, los niveles de cloro y dióxido de cloro no son fundamentales y pueden ser fijados en los límites inferiores en que se utilizan para un proceso de blanqueo químico . Esta secuencia permite obtener pulpa de muy elevada resistencia, por combinar 2 reactivos de blanqueo, cuyo

efecto- repercute en una elevada estabilidad de color y, selectividad en el blanqueo como son el peróxido ¡ y el dióxido . Esta secuencia representa una simplificación del proceso, en' comparación con los sequemas de 4 etapas necesarios para obtener calidades semejantes de pulpa como son : 1 . Reducción en el tiempo de retención total del blanqueo . 2. Alta opacidad y coeficiente de dispersión. 3 . Mayor estabilidad al envejecimiento . 4. Reducción del volumen de efluentes, al eliminar una etapa del blanqueo. 5. Consumo de hidróxido de sodio y cloro inferiores, en comparación con las secuencias de 4 etapas . 6. Reducción de la toxicidad de los efluentes, al sustituir la etapa de hipoclorito por la de peróxido de hidrógeno. 8.4.3 Secuencia cloro-extracción-hipoclorito-peróxido (CEHP) Cuando el peróxido de hidrógeno se utiliza como la cuarta etapa del blanqueo, la adición de reactivo es muy pequeña, ya que adiciones superiores a 0,4 % no son sólo indiferentes con relación a la brillantez final, sino que prolongan, excesivamente, el tiempo de reacción . Esta etapa de blanqueo se realiza, a consistencias medias, a una temperatura de 60 - 70'C. El valor de la relación NaOH/silicato de sodio empleado, .representa un papel fundamental por el efecto que esta relación tiene sobre el tiempo de retención,

226

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

en la etapa de peróxido y sobre la viscosidad final obtenida . Como se muestra en la tabla 144, las pulpas blanqueadas con esta secuencia tienen una elevada brillantez final y satisfactorias propiedades de resistencia . La mayor ventaja encontrada se relaciona con la estabilidad que alcanza la brillantez final, ya sea determinada por métodos húmedos o secos, con relación a otras secuencias estudiadas. El proceso se hace altamente recomendable por la pequeña adición de peróxido que es necesaria para lograr el efecto deseado (03 - 0,6 %) .

9 Blanqueo de la pulpa para disolver de bagazo La pulpa para disolver ha sido blanqueada, utilizando esquemas de blanqueos de 3 y 4 etapas, cloro-extracción-hipoclorito (CEH) y cloro-extracción-hipoclorito-dióxido de cloro (CEHD) Los estudios realizados demuestran, que este tipo de pulpa puede ser blanqueada, satisfactoriamente, utilizando una secuencia de blanqueo de sólo 3 etapas (Tab. 145), con un valor de TABLA 145 Propiedades de la pulpa para disolver a la soda de bagazo blanqueada, con las secuencias CEH y CEHD CEH

CEHD

Número de Mn O,, de la pulpa sin blanquear

9

9

Coeficiente total de cloro (c.t.c.)

0,3

0,3

GP

800

a celulosa (%)

91,4

92,3

Pentosanas (%)

4,8

3,7

Cenizas (l'o)

0,01

0,01

Kw (papel Filtrak 388)

Brillantez (Elrepho)

1900 84,0

960

1700 87,8

brillantez, viscosidad y contenido de a-celulosa, en correspondencia con los parámetros de calidad aceptados para la fabricación de rayón . Es posible adicionar una cuarta etapa de dióxido de cloro, si se desea elevar la brillantez de la

pulpa hasta 90 unidades, con mínimas adiciones de dióxido de cloro, pero esta etapa tiene muy poca influencia sobre el GP y el contenido de a-celulosa de las pulpas . El parámetro más influyente en el blanqueo de la pulpa para disolver, en estas secuencias, al igual que en el caso de la pulpa papelera, es el coeficiente total de cloro (c.t.c.), cuyo rango de operación, en este blanqueo, debe oscilar entre 0,3 - 0,35, pues mayores valores de coeficiente implican una severa degradación de la pulpa. Otra variable de importante control en el blanqueo de la pulpa para disolver, es el grado de deslignificación de la pulpa sin blanquear, el cual, en el caso del bagazo, se corresponde a valores de número de Kappa 12 - 18. En la tabla 145 se reportan las propiedades obtenidas en el blanqueo de la pulpa para disolver de bagazo, utilizando ambas secuencias. En cuanto a la filtrabilidad de ambas pulpas, los valores de las constantes de tupición (Kw), determinados para las pulpas blanqueadas, indican que ambas poseen condiciones satisfactorias para ser procesadas . La pulpa para disolver de bagazo no necesita, por tanto, ser sometida a procesos de blanqueo de 5 etapas o más para la obtención de una viscosa de calidad, como en el caso de las maderas o como se ha planteado para el bagazo por algunos autores . En el caso del bagazo, es suficiente la aplicación de 3 ó 4 etapas de blanqueo, si se controlan, adecuadamente, el grado de deslignificación de la pulpa y el coeficiente de cloro total .

10 Producción de papel y cartón a partir del bagazo RAFAEL MOLINA MANCEBO Hasta el momento, la mayor parte de la pulpa papelera de bagazo que se produce en el mundo, se obtiene por el proceso químico alcalino a la soda y se emplea en la fabricación de papeles culturales blanqueados y papeles industriales para envases y embalajes . Se producen, también, cantidades limitadas de pulpa semiquímica no blanqueada, utilizada, fundamentalmente, en la industria de cartón para ondular . Más recientemente, se han construido nuevas instalaciones con el objeto de producir papel gaceta o periódico, empleando, como materia prima, pulpa semiquímica a la soda semiblanqueada de bagazo, si bien no han tenido pleno éxito, hasta ahora, para ese propósito, por diversas razones que se pueden resumir en la carencia de una tecnología técnica y económicamente demostrada

227

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO para la producción de papel periódico a partir del bagazo .

11 Caracterización y propiedades papeleras de las pulpas de bagazo En general, las pulpas de bagazo se clasifican como de Libra corta, a causa de que las dimensiones de sus fibras son menores, en comparación con las maderas coníferas o suaves, tradicionalmente utilizadas para la fabricación del papel. El bagazo se caracteriza, además, por su estructura física heterogénea . A diferencia de las maderas coníferas, que se componen, predominantemente, de traqueidas,

posee fibras libriformes de la corteza y los haces fibrovasculares,segmentos de vasos y células parenquimatosas, en proporciones considerables, así como otros tipos de células, en reducidas proporciones, por lo cual guarda semejanza con las maderas duras y otras plantas anuales (Figura 112) .

En la tabla 146 se muestran las dimensiones de las fibras de bagazo y otras materias primas papeleras.

TABLA 146 Dimensiones de las fibras de algunas maderas y plantas anuales (promedio)

Longitud Didmetro

de fibra de fibra (L) (mm) (D)(pm)

Relación LID

Maderas suaves Abeto

3,40

31,0

110

Pino

3,10

35,0

90

Abedul

1,18

18,5

64

Alamo

1,03

22,4

46

Haya

1,05

14,7

71

Roble

1,23

12,3

100

Bagazo

1,35

22,0

60

Bambú (India)

1,73

22,0

79

Paja de arroz

1,14

10.0

114

Paja de trigo

1,50

15,0

100

Esparto

1,50

12,0

us

Yute

2,50

20,0

125

Kenaf (fibra)

2,60

20,0

130

10-18

100 -200

Maderas duras

Plantas

anuales

Aumento :160 X Pig. 112 Elementos típicos de la estructura de la calla de azúcar. 1. Célula parenquimatosa. 2, Elemento vascular cribado. 3. Célula parenquimatosa con pequeñas cribas. 4. Vaso criboso. 5. Engrosamiento anular del vaso. 6. Varios anillos de un vaso anulado. 7. Dos células parenquimatosas en contacto longitudinal. 8. Fibra de Lumen ancho. 9. Fibra libriforme .

Juncos

Las características morfológicas de las fibras y demás elementos estructurales del bagazo, tie . nen repercusiones importantes sobre las propiedades de sus pulpas .

228

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

11.1 ESTRUCTURA FRACCIONAL Y COMPOSICIÓN QUIMICA

esparto, paja de trigo y junco, en cuanto a su longitud promedio relativa. Con respecto a su composición química, las pulpas de bagazo exhiben, como característica distintiva, su relativamente alto contenido de hemicelulosas del tipo pentosanas. Por esta razón, y por su naturaleza de fibra corta, las pulpas químicas de bagazo presentan buenas propie. Jades de hidratación e hinchamiento y requieren un tratamiento y consumo de energía de molida, mucho menores que las pulpas de maderas coníferas y que otras pulpas de maderas duras, para alcanzar el mismo nivel de drenaje.

Una de las características papeleras importantes de las pulpas, es su distribución ponderada de longitud de partícula . En la figura 113 se comparan curvas cumulativas obtenidas a partir del fraccionamiento de varias materias primas papeleras obtenidas en el clasificador Bauer-Mc . Nett. Las pulpas blanqueadas de bagazo desmedulado se comparan, favorablemente, con las maderas duras y con otras plantas anuales como

HILOS POR PULGADA( TYLCR)

/ 90

r

O

O

G

47~

a .9

ee

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7

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ww

~ uur mrewar~ M

e

%u

a

v,u

30 ,

LEYt11DA ED

lo- LORGITUD

P~ Ra~

el

Mo

.- ROICE DE RDND~MAD DE LA PULPA IO

0 G

Io

It

14

DIAGORAL DE LA ASENTURA, mm (a

IG

lo-*)

Fig. 113 Distribución cumulativa fraccional de pulpas papeleras blanqueadas, no molidas, de varias materias primas en clasificador Bauer-MC. Nett.

229

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

formar la pasta papelera. Este concepto es particularmente importante en la industria papelera de bagazo, puesto que sus pulpas no sólo demandan un consumo reducido de energía, para un mismo nivel de drenaje o grado de molida con respecto a las pulpas de madera, sino que también requieren un tratamiento cualitativamente diferente . Equipos como el molino de discos, que promueven el hinchamiento o hidratación y la fibrilación externa, son más adecuados que otros, como el refinador cónico, cuya acción incrementa el acortamiento de las fibras . En la tabla 147 se muestran consumos relativos de energía en la refinación de pulpas químicas de bagazo y madera de fibra larga. La refinación tecnológica constituye un inevitable compromiso que involucra factores cualitativós, operacionales y de diseño del equipo de producción de papel . Ello se debe a que, en gran medida, se buscan objetivos contradicto rios, aun para un mismo tipo de papel. Por ejemplo, el incremento en el grado de molida, permite mejorar la mayoría de las propiedades de resistencia, a excepción del rasgado, pero da lugar, paralelamente, a reducción en las propiedades ópticas, estabilidad dimensional, e incrementa la resistencia al drenaje de la pasta, sobre la malla de la máquina de papel. De ahí que el papelero debe seleccionar, cuidadosamente, las condiciones del. procesd, tomando en cuenta todos los factores que intervienen en el mismo. En la tabla 148 se muestran grados de

11.2 REFINACION Y PROPIEDADES PAPELERAS

Desde el punto de vista de su procesamiento para la producción de papel y cartón, la refinación de la pulpa de bagazo es uno de los aspectos que merece un tratamiento particular . En general, se reconoce que las pulpas de bagazo, a causa de su morfología y composición química, requieren un tratamiento de molida mucho menor que las de madera. Existe, inclusive, el criterio de que las pulpas químicas de bagazo no deben ser refinadas en preparación de pasta. Este concepto, sin embargo, no puede ser generalizado sin tomar en cuenta otros factores, como son: 1 . Calidad de la pulpa, relacionada con el nivel de desmedulamiento, proceso de pulpeo y, en general, con la tecnología de producción. 2. Si la fábrica de papel consume pulpa de bagazo de una planta de pulpa integrada, o si se abastece de pulpa seca que requiere repulpeo o redispersión . 3. Propiedades requeridas en el producto final. Es también un principio reconocido, que pulpas de diferentes calidades deben ser refinadas de forma separada antes de ser mezcladas para

TABLA 147

índice de consumo de energía para la refinación de pulpas químicas blanqueadas en preparación (en tantos por ciento)bb Tipo de pulpa Grado de

CSR)

molida

Bagazo integral Bagazo parcialmente (11 *SR)

desmedulado (19 'SR)

20

Bagazo

desmedulado (15 'SR)

Sulfato de maderas suaves (14 *SR)

2

29

95

25

7

14

53

157

30

17

26

77

214

35

27

45

100

242

40

38

55

124

295

45

46

74

147

331

50

57

100

171

360

tao % . Baga o pardetmenfe ae sineaw.ao a

so

OSR.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZDCAR

230 TABLA 148

Grado de molida de la pasta ('SR)

Grados de molida para distintos tipos de papeles

Tipo de papel y calidad

Grado de molida de la pasta (SR)

Peso básico (g/m3 )

a) Papeles culturales a partir de pulpa mecánica: Periódico 51 Escritura e impresión

d) Papeles industriales : L1ner

200

30-35

Sacos multicapaa

70

25-30

130

35 .40

60-65

Medio para corrugar

50-55

60-65

b) Papeles culturales a partir de pulpas químicas : 70 Escritura e impresión

35-40

Litográfico y offset

120

32-40

Huecograbado

120

40

c) Papeles finos: Transparente (alba)

Tipo de papel y calidad

Peso básico (g/m')

molida característicos de pastas para varios tipos de papeles. La tabla 149 presenta valores de propiedades papeleras de hojas de laboratorio, formadas a partir de pulpas de bagazo integral, desmedulado y pulpa al sulfato de madera de fibra larga.

65-70

40

TABLA 149 Propiedades papeleras de pulpas químicas blanqueadas de bagazo refinadas en el equipo PFI Materia prima

Tiempo de molida revoluciones (x 10 3) Grado de molida (SR) Densidad (kglm3) Indice de tensión (N . m/g) Indice de rasgado (mN . m'/g)

Madera de libra larga Bagazo desmedulado, soda Kraft (comparación)

Bagazo integral, soda

0 19 571 28,4

0.8 25

2,0 35

594 630 31,9 36,8

3,8 45

0 14

680 470 45,1

17.7

2,8 25

5,25

7,75

0

9.8

15,6

20,2

35

45

14

25

35

45

595 645

685

430

600

635

660

41,2 50,0

53,0

15,5

66,7

72,6

76,5

4,8

5,3

5,7

5,9

6,2

6,7

6.9

6,9

10,3

10,1

9i5

9,2

Indice de estallido : (kPa .mr/g,) 2,1

2,5

2,8

3,2

1,8

4,0

4,7

4,9

1,0

5,8

6,1

6,4

Doblez, Kohler.Mohlin Elongación a ruptura (%) Permeabilidad al aire Bendtsen (ml/min)

15 1,3

28 1,5

46 1,8

56 2,3

730

275

110

Brillantez (% Elrepbo)'

80

79

78

77

Opacidad (% Elrepho)

82

81

80

10 1,3

402800

60 2,9

150 3,8

270 4,6

14 1Z

360 3,1

440 3,2

500 3,3

320

50

30

4 850

300

100

50

80

78

76

75

84

82

80

79

79

83

77

76

75

83

77

76

75

Coeficiente especifico de dispersión (m°/kg)

38

36

34

32

38

29

26

24

44

31

29

28

Resistencia superficial, No . de arranque Dennison (promedio malla y paño)

10

11

11

12

1

10

12

14

0

12

13

14

Il4DUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO Al igual que en el caso de las pulpas de coníferas, la refinación incrementa, considerablemente, su densidad y propiedades de resistencia. Se puede advertir que existen diferencias considerables en el comportamiento y en las propiedades papeleras de pulpas de bagazo integral y desmedulado . Las pulpas de bagazo integral se caracterizan por su alto contenido de finos y reducidos niveles de drenaje. Bajo la acción de la refinación, se incrementa, rápidamente, su grado de molida y las propiedades de resistencia son inferiores a las obtenibles a partir de bagazo desmedulado, al mismo nivel de drenaje . Los índices de resistencia de las pulpas dé' bagazo desmedulado son del orden de ó5 - 70 %, con respecto a las maderas suaves comparados al mismo grado de molida . La estructura de la hoja se caracteriza por un alto nivel de enlace . A ello contribuyen, tanto sus características morfológicas como su contenido relativamente mayor de hemicelulosas del

231

tipo pentosanas, lo que da lugar a una ligera reducción en la opacidad, con respecto a madeTABLA 150 Oparidad relativa de pulpas papeleras Tipo de pulpa

Opacidad relativa (%)

No molida 50 *SR 100 95

Esparto a la soda Abedul al sulfato

85

84

Bambú a la soda

84

80

Conífera al sulfito

84

78

Bagazo a la soda

84

75

Paja de trigo a la soda

82

69

TABLA 151 Influencia del contenido de elementos no fibrosos y de la refinación sobre la resistencia superficial de la pulpa de bagazo

Tipo de pulpa Longitud promedio relativa de partícula (mm) Elementos no fibrosos (% numérico)

Bagazo integral, soda 0,30 41

fibras

Pulpa Kraft de fibra rarga' (comparación)

0,55

1,40

Fracción rica en

23

2

Análisis fraccional (Bauer-Mc. Nett) Malla 14

0,7

1,4

59,9

14/28

8,5

19,3

20,7

28/48

15,8

24,7

9,0

48/100

22,6

27,4

5,8

100/200

17,1

16,9

2,2

-200

35,3

10,3

2,4

6,0 (14 SR)

0 (15 SR)

Resistencia superficial, arrancado Dennison (promedio malla y palio) Inicial

9,5 (21 SR)

25 *SR

10,0

10,8

12,5

35 SR

11,0

13,5

13A

45 SR

12,0

16,0

13,5

232

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

ras suaves para los mismos niveles de brillantez y grados de molida . La tabla 150 muestra niveles relativos de opacidad de varias pulpas papeleras . Resultados de investigaciones sobre los factores que afectan la resistencia superficial de la pulpa de bagazo e incrementan la tendencia al desprendimiento de polvo y pelusa durante la impresión, muestran que, al igual que para pulpas similares de maderas duras, los elementos no fibrosos, abundantes en las fracciones finas de la pulpa, son los causantes fundamentales de estos problemas. En la tabla 151 se comparan los resultados obtenidos al evaluar los cambios en la resistencia superficial con la refinación de pulpa de bagazo integral y la fracción rica en fibras de la misma, después de un fraccionamiento selectivo para romover parte de los finos, células parenquimatosas y fragmentos de vasos asociados. El desmedulamiento permite remover una porción considerable de estos elementos: Por esa razón, las pulpas de bagazo desmedulado presentan excelentes propiedades de enlace y altos niveles de resistencia superficial, la cual a grados de molida de 40 - 45 ° SR alcanza valores serriejantes a los de las maderas coníferas . Otra propiedad importante, desde el punto de vista de impresión, es la estabilidad dimensional . La misma está íntimamente asociada al tipo de pulpa, composición química y grado de molida. Incremento en este último, ocasiona reducción en la estabilidad dimensional . A causa, fundamentalmente, de su alto contenido de hemicelulosas,las pulpas químicas blanqueadas de bagazo, experimentan cambios dimensionales relativamente mayores que pulpas similares de maderas suaves . En la tabla 152 se muestran valores de expansión en húmedo, a 60 y 90 % de humedad relativa, para 3 tipos de pulpas . Como se puede notar, si bien todas las pulpas experimentan, en mayor o menor grado, cambios dimensionales frente a variaciones de

la humedad relativa, en la industria papelera de bagazo reviste particular importancia producir el papel con una humedad final, lo más cercana posible a su humedad de equilibrio, en el ambiente a que va a ser expuesto, impreso o utilizado . El acondicionamiento y la protección del papel durante su almacenamiento, son fundamentales para evitar afectaciones ocasionadas por las variaciones en la humedad relativa.

12 Tecnología de producción de papel y cartón a partir del bagazo 12.1 FORMULACIONES FIBROSAS Salvo escasas excepciones, casi ningún papel se produce enteramente de un solo tipo de pulpa. Esto no es solamente válido para la industria papelera de bagazo, sino que constituye una tendencia mundial, que obedece a varias razones, entre las que se pueden señalar las siguientes : 1 . Creciente escasez de materias primas tradicionales (ataderas coníferas), que ha ocasionado incrementos en los precios de sus pulpas, estimulando el desarrollo de tec. nologías papeleras, para la utilización de maderas duras y plantas anuales, y la introducción de nuevos tipos de pulpas de mayores rendimientos . 2. Desarrollo de aditivos sintéticos y quimificación de la industria, lo que ha aportado nuevas vías para impartirle al papel sus propiedades y obviar las limitaciones relativas de las fibras naturales. 3 . Desde el punto de vista económico, resulta casi siempre más ventajoso obtener las propiedades requeridas, mediante la utilización de mezclas de fibras en la pasta, refinadas individualmente .

Sulfato blanqueada de madera

0,25

1,17

Mucho ha influido en el desarrollo de la tecnología papelera de bagazo el mejoramiento en la calidad de sus pulpas . El desmedulamiento, la adopción de tecnologías idóneas para su pulpeo y blanqueo, y el empleo de equipos y procedimientos apropiados para su refinación en preparación de pasta, han sido premisas importantes que han contribuido a mejorar la calidad de sus pulpas, ampliar sus potencialidades papeleras e incrementar su participación en la composición de papeles y cartones .

Sulfato blanqueada de madera

0,25

1,38

12.2 TIPOS DE PAPELES Y CARTONES

Soda blanqueada de bagazo

0,94

2,10

Justamente, a causa de sus características de fibra corta, la pulpa de bagazo resulta excelente

TABLA 152 Estabilidad dimensional de pulpas de bagazo y madera (tanto por ciento de alargamiento) Tipo de pulpa

Humedad relativa 60 90

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

para la producción de papeles culturales. Papeles de este tipo a partir de pulpas de bagazo poseen excelente formación, lisura y buenas propiedades de impresión . Es por ello, que la mayor parte de la pulpa de bagazo que se produce en el mundo se destina a la producción de calidades blanqueadas para papeles culturales. En los papeles de escritura e impresión, se utilizan altas proporciones de pulpa blanqueada de bagazo . Normalmente se adiciona de 10 - 20 % de pulpa de fibra larga a la pasta, a fin de mejorar el drenaje y la resistencia en húmedo de la hoja. Un desarrollo relativamente reciente lo constituye, la producción de papeles y cartulinas para el estucado, con alta proporción de pulpa de bagazo . Los tipos de papel estucado varían desde 65 a 230 g/rn 2 . Se producen papeles estucados por una y por ambas caras, para impresión offset, directa y huecograbado . Se obtienen papeles para etiquetas, envases, cubiertas de cajas de cigarrillos y otras cartulinas para impresión. Las proporciones de pulpa de bagazo en el papel base varían entre 70 y 75 % . En lo que respecta al campo de los papeles y cartones industriales, generalmente más exigentes, en cuanto a propiedades de resistencia, las pulpas de bagazo se utilizan en proporciones menores . Surtidos típicos de esta categoría como el cartón liner, papel para sacos multicapas y car-

233

tuchos, han sido producidos, tradicionalmente, a partir de pulpas kraft de fibra larga. En estos casos, las formulaciones varían de acuerdo con la calidad requerida, las características de la máquina de papel y otros factores de índole económica . Entre estos últimos, está la importante relación entre el peso básico y la composición fibrosa . En términos generales, incrementos en el peso básico de papeles y cartones, permiten reducir la proporción de fibra larga para alcanzar determinados niveles de resistencia, pero demandan mayor consumo de materias primas por unidad de superficie del producto . De aquí, que teniendo en cuenta las tendencias actuales de valoración en función del área, se requiera un compromiso técnico-económico en cada caso. Otros factores limitantes son, por ejemplo, la permeabilidad al aire, que debe ser alta en papeles para sacos, lo que impone limitaciones al incremento en la proporción de fibra corta, que necesita un mayor nivel de refinación para alcanzar altos índices de resistencia. Tecnologías modernas, como el papel extensible Clupak, con altos valores de elongación de ruptura, han permitido incrementar la participación de pulpa de bagazo en las formulaciones fibrosas de papeles multicapas, para sacos hasta 70 %, con un peso básico de 100 g/m2 y 50 %, a pesos básicos entre 70 y 80 g/tn2 . La introduc-

TABLA 153

Principales surtidos de papel y cartón producidos a partir de pulpas de ha~ y formulaciones típicas Rango de peso

bdsico (g/mr)

Especificaciones del producto

Papel de escritura e impresión Copia (manifold) Cartulina blanca Papel y cartulina base para estucado Tissue y sanitario Liner

Cartoncillo para corrugar Sacos multicapas Envolver satinado por una cara (MG) Cartuchos cal~ gris ac dd

C~- 1, quls" bb~ (~: _, qulmlo slblaaquear.

Tipo de pulpa de bagazo-

Bagazo en la pasta (%)

50-100

1

80-90

30-40

1

80-90

100-300

1

70-80

60-200

1

75-80

20-30

1

60-80

130-220

2

40-60

120-130

3 y 4

80-9odd

70-90

2

30-40

60-90

2

70

60-70

2

30-60

100-350

3y4

80-loom

s/blmgeear ~la o K~; 3, sasniq~ sib~ 4. We, seodbnkate

No se udasa 100 % por nranea @caoómbas (papel de de~) .

234

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

ción de resinas sintéticas y otros aditivos funcionales, reflejo de la quimificación creciente de la industria papelera, es otro factor que contribuye a ampliar las posibilidades de las pulpas de fibra corta. Un caso aparte lo constituye, el medio para corrugar, cartoncillo o fluting que puede serfabricado, con excelente calidad, a partir de pulpas semiquímicas y de alto rendimiento de bagazo . Normalmente, sin embargo, se emplea entre 10 y 20 % de papel recuperado, por razones económicas . Papeles especiales, como tissue y sanitario se producen, también, con proporciones altas de pulpas de bagazo blanqueada. En los surtidos de mayor calidad se puede emplear 50 - 60 % y 70 °" 'o, o más, en grados económicos. Desde el punto de vista de sus propiedades, sólo se puede objetar la menor suavidad, a causa, de manera fundamental, de su relativamente alta proporción de hemicelulosas . En la tabla 153 se resumen los principales surtidos de papel y cartón producidos y las proporciones típicas de pulpa de bagazo. En general, la experiencia industrial indica que es posible producir casi todos los surtidos de papel y cartón con alta proporción o con participación de pulpas de bagazo. A fines de la década de 1970, fueron puestas en marcha nuevas instalaciones en México y Perú, para la producción de papel periódico con alta proporción de pulpa de bagazo . Por tratarse de una tecnología en desarrollo, la producción de papel gaceta a partir del bagazo será abordada brevemente a continuación . 12.3 PRODUCCION DE PAPEL PERIODICO Concebido como el papel destinado a los medios masivos de difusión impresa, en el papel periódico se integran varios requisitos técnico-económicos, cuya satisfaccign sólo ha sido alcanzada plenamente, hasta ahora, mediante la utilización de materias primas de fibra larga. Los requisitos más importantes son: 1 . Precio relativamente bajo. 2 . Buenas propiedades de impresión . 3. Alta opacidad . 4. Suficiente resistencia para su impresión en equipos de alta velocidad. La tecnología convencional de papel periódico se basa en la pulpa mecánica de coníferas, como componente fundamental de la pasta, y en la producción intensiva, en instalaciones integradas de gran capacidad, dotadas de máquinas de papel

de alta velocidad. La pulpa mecánica, con rendimientos del orden de 95 %, presenta los índices más bajos de consumo de materia prima por tonelada de papel, y a causa de su relativamente menor tiempo de formación y buenas cualidades de drenaje sobre la malla, posibilita la producción, a altas velocidades, no asequibles con papeles producidos a partir de pulpa química. Reducidas demandas de brillantez, hacen muy simple o aun innecesario el abrillantamiento superficial; y el proceso de producción, en su conjunto se caracteriza por bajos índices de contaminación y simplicidad tecnológica . El carácter de producción intensiva y el empleo de máquinas de alta velocidad, son factores que contribuyen a los niveles relativamente reducidos de costos de inversión. Estas son las premisas fundamentales que convierten al papel periódico en un producto de bajo precio. Desde el punto de vista de calidad, el papel periódico demanda poca permanencia y bajos valores de brillantez, y por su alta opacidad característica, se produce con pesos básicos de 50 - 52 g/m', sin la intervención de rellenos . A causa del predominio de pulpa mecánica en la pasta (75 - 80 %), el papel periódico se caracteriza por sus bajos índices de resistencia, pero éste no es, en modo alguno, un factor limitante, en tanto sea la mínima indispensable para permitir su impresión, a alta eficiencia, en prensas de alta velocidad. No es sorprendente, por lo tanto, que la producción de este tipo de papel se haya visto confinada, durante largo tiempo, al reino de las materias primas selectas, maderas de fibra larga, principalmente abeto. Factores que han estimulado la introducción de nuevas materias primas, son entre otros, la creciente escasez de los bosques de coníferas, el incremento de los precios, y las dificultades de muchos países que carecen de tales recursos, para adquirir el papel periódico que consumen. En 1980, se produjeron en el mundo 25 700000 t de papel periódico, que representan 15 oio de la producción total de papel y cartón . El incremento de la producción con respecto a 1979 fue de 4,1 %,mientras querfue sólo de 0,6% para la producción global de papel y cartón. 12.4,

Experiencias mundiales en la búsqueda de tecnologías a partir del bagazo

Durante más de 30 a, se han hecho esfuerzos encaminados hacia el desarrollo de una tecno . logía satisfactoria para la producción de papel periódico de bagazo . La revisión detallada de estos trabajos puede ser encontrada en reseñas publicadas por diferentes autores . Un breve resumen cronológico de los intentos más importantes llevados a cabo hasta el momento actual,

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 154 Proceso

Período

Aschaffenburger Zellestoffwerke AG (Proceso A - Z)

1950 -1960

D e La Rata

1950-1960

Crown Zellerbach (Proceso C -Z)

1957-1960

KMW - Defibrador AB

1960 .1965

Cusi

1962

Peadco

1968-1974

incluye los procesos que se exponen en la tabla 154. Las investigaciones realizadas hasta la fecha, han incluido numerosos tipos de pulpas, -procedimientos de pulpeo y formulaciones. Los principales enfoques se pueden resumir como sigue; 1 . Pulpa semiquímica o química semiblanqueada de bagazo en alta proporción hasta 100 %, y rellenos opacificantes. 2. Prehidrólisis seguida de cocción y blanqueo para la producción con 100 % de pulpa de bagazo y, eventualmente, rellenos . 3. Combinaciones de pulpa mecánica de madera y pulpa química semiblanqueada de bagazo (30 - 50 %) . 4.. Mezcla de pulpa mecánica de bagazo abrillantada (65 - 70 %) y pulpa química semiblanqueada de madera. 5. Otros tipos de formulaciones incorporando pulpas mecánicas, semiquímicas y químicas de bagazo. La mayor parte de las investigaciones han sido llevadas a cabo en plantas piloto y/o a escala de laboratorio; y algunas de ellas ensayadas en instalaciones comerciales adaptadas, transitoriamente, con fines demostrativos. Solamente en 2 casos, han dado origen a inversiones industriales destinadas, específicamente, a la producción de papel periódico a partir del bagazo. Correspondió precisamente a Cuba ser' escenario del primer experimento comercial, al co-

235

menzar sus operaciones en el año 1958 la fábrica Técnica Cubana, basada en el proceso De La Roza . Transcurridos 3 a de esfuerzos, durante los cuales se puso de relieve la imposibilidad técnico-económica de producir papel periódico, el proceso original fue desechado y la fábrica se dedicó a la producción de papeles de escritura e impresión de bajo precio. Una suerte similar corrió la fábrica Valentine, instalada en Louisiana, EE. UU., contemporánea de Técnica Cubana. Desde entonces, hasta 1978, cuando se inauguró una fábrica, en Perú, con una capacidad de diseño de 110 000 t, por el proceso Cusi, no habían tenido lugar nuevas inversiones comerciales destinadas a la producción de papel periódico a partir del bagazo. ' En 1962, se iniciaron en la fábrica Compañía Industrial de San Cristóbal, México, las primeras experiencias con el objeto de producir papel periódico por el proceso desarrollado por el doctor D. S . Cusi. En esencia, la tecnología Cusi se basa en la producción de pulpa semiquímica semiblanqueada de bagazo desmedulado, mediante un proceso original que involucra fraccionamiento después de una cocción suave a la soda, refinación por separado de la fracción gruesa, lavado y blanqueo con hipoclorito de ambas fracciones mezcladas nuevamente . A partir de 1974, se dieron los primeros pasos para la instalación de una fábrica con una capacidad de 110 000 t/a en Perú. El proyecto, basado en la tecnología Cusi, fue precedido de pruebas en máquina de doble malla Sym-Former de la firma finlandesa Valmet OY, y la puesta en marcha tuvo lugar en 1978 . La máquina comercial posee una velocidad de diseño de 1000 m/min y un ancho, en bobinadora, de 7,6 m. Poco después, en 1979, comenzó sus operaciones una planta similar en México (Mexicana de Papel Periódico), y otra más se encuentra en fase de terminación en Argentina, su puesta en marcha estaba programada para 1982 . De acuerdo con las informaciones disponibles, las 2 plantas actualmente en operación no han logrado aún producir papel periódico satisfactorio por medio de la tecnología Cusi, con 90 °r8 de pulpa semiquímica de bagazo. Se reporta, también, el uso de cantidades apreciables de pulpa mecánica en la pasta. Otros problemas confrontados han sido la baja opacidad, dificultades para incrementar la velocidad, pegaduras en prensas, e incremento de finos en el proceso. Los efluentes de pulpeo y blanqueo son altamente contaminantes . Hasta el momento no se tienen informaciones de urca solución satisfactoria para la recuperación de los licores negros . A pesar de estas dificultades, no cabe duda de que estas nuevas fábricas han contribuido, significativamente, al desarrollo de la tecnología para la producción de papel periódico de bagazo y han aportado experiencias valiosas.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

236 12 .3 .2 Proyecto Cuba-9

Sobre la base de las experiencias derivadas de intentos comerciales como el del Proceso De La Roza, del estudio de las tecnologías ensayadas para la producción de papel periódico a partir del bagazo, y de las necesidades de los países productores de esa materia prima de contar con una tecnología propia para ese fin, el ICIDCA arribó a la conclusión de que ninguna de las tecnologías disponibles ofrecía suficiente garantía para una inversión a escala comercial. El análisis de las causas de estas incertidumbres y fracasos, apuntaba hacia la necesidad de contar con una instalación semicomercial, dotada del equipamiento necesario para ensayar diversas alternativas, seleccionar aquéllas más satisfactorias desde el punto de vista técnico y económico, y demostrarlas bajo condiciones reales de producción . Tal instalación, posibilitaría, entre otros, los siguientes propósitos fundamentales: 1 . Prolongar la duración de las corridas de prueba, con costos de operación reducidos, pero bajo condiciones de producción continua, a fin de obtener la información requerida .

convencionales, y las instalaciones de blanqueo posibilitan abrillantamiento en una etapa, así como opciones más complejas . El sistema de preparación de pasta está dotado de una línea para repulpeo y refinación de pulpa importada, así como equipos para la preparación y proporcionamiento de aditivos no fibrosos . La máquina de papel, de tipo Fourdrinier con sistema pick-up y prensa combinada, ha sido suministrada por la firma Over-Meccanica y puede alcanzar una velocidad máxima de diseño de 600 m/min, y un ancho de bobina de 84 cm. 13 Proceso de producción de papel y cartón 13.1 PREPARACION DE PASTA

La formación del papel va siempre precedida de la importante fase de preparación de pasta . En la misma se cumplen varios propósitos fundamentales: 1 . Tratamiento componentes rán parte de que pasará a

mecánico (molida) de los fibrosos o pulpas que forma. la pasta o suspensión fibrosa la máquina de papel .

2. Obtener muestras de papel periódico para su evaluación y perfeccionamiento de su calidad, a partir de las variables del proceso de producción.

2. Preparación de los aditivos no fibrosos que serán añadidos a la pasta : rellenos o cargas, encolantes y otros medios auxiliares, colorantes y alumbre .

3. Investigar cada una de las etapas del pro-

3. Dosificación y mezcla, en proporciones re . guladas, de los diversos componentes fibrosos y no fibrosos .

ceso, partiendo desde la salida del bagazo del central azucarero, e incluyendo el desmedulamiento y almacenamiento .

4. Obtener, en la misma instalación, pulpas de diferentes calidades, pudiendo ensayar diversos procesos y formulaciones fibrosas. 5. Obtener datos reales de consumos de energía, rendimientos, y otras variables del proceso, para su análisis económico . Entre sus características principales, la planta piloto posee una capacidad de producción de 25 - 30 t/d de pulpa de alto rendimiento y hasta 35 t de papel periódico a la velocidad máxima de operación de la máquina, de 600 m/min. El almacenamiento del bagazo es a granel, con posibilidades de utilización de cultivo microbiológico para la preservación de la calidad del bagazo. La planta de pulpa está provista de la suficiente flexibilidad de diseño para permitir el ensayo de diversas tecnologías, desde pulpa mecánica hasta pulpa química blanqueada . Los procesos de lavado, clasificación y depuración son

4. Recuperación de rotura y bordes de la hoja proveniente de la máquina de papel, y tratamiento para su reuso . 5. Limpieza y depuración de la pasta antes de su entrada en la parte húmeda de la máquina de papel . Los objetos fundamentales de la sección de preparación de pasta son también válidos para la industria papelera de bagazo . Las diferencias principales con la tecnología basada en pulpas de maderas suaves estriban en la molida o refinación. Este aspecto ha sido tratado con anterioridad. 13 .1 .1 Descripción del proceso

En la figura 114 se muestra el diagrama de flujo de un sistema continuo de preparación de pasta . Se han supuesto 2 componentes fibrosos fundamentales : pulpa de bagazo procedente de una

23 8

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

planta anexa y pulpa de fibra larga recibida seca al aire . Se puede presentar la situación, muy frecuente en la producción de papeles y cartones industriales, de un tercer componente fibroso, generalmente papel de desecho. En este último caso, se requiere una línea adicional de repulpeo, dotada de sistemas más complejos de depuración. Normalmente, las pulpas se refinan por separado antes de ser mezcladas con el resto de los aditivos y la fibra recuperada. Para ello se dispone de diversos equipos, fundamentalmente refinadores cónicos, semicónicos y de discos, con diversas variantes y particularidades . En sistemas antiguos se utilizaban pilas holandesas, que han ido desapareciendo de manera gradual. Actualmente, se imponen los refinadores de discos, por su eficiencia y menor acción de corte, existen numerosos modelos y diseños . Se muestran, además, los sistemas de preparación y proporcionamiento de 4 tipos de aditivos no fibrosos: colorante, resina de encolado, rellenos y alumbre. En el caso de papeles de impresión, se emplean también, normalmente, almidones, por lo general oxidados o catiónicos, bien en la pasta o en la prensa de encolado de la máquina de papel . Cada aditivo requiere ser dosificado, continuamente, y desempeña un papel específico en el comportamiento posterior de la pasta . Las resinas de encolado, por lo general solubles y fortificadas, se añaden a la pasta con el propósito fundamental de impartirle resistencia a la penetración de líquidos. Su retención, adsorción sobre las fibras y efecto ulterior sobre las propiedades del papel, requieren un cuidadoso control del pH, mediante la adición de alumbre . Este último se introduce normalmente lo más cerca posible de la caja cabecera, bien en el foáo de la malla o. en la succión de la bomba mezcladora que alimenta la pasta a la caja cabecera de la máquina de papel . Los rellenos desempeñan varias funciones importantes. Entre otras, incrementan la opacidad del papel, regulan su absorción de aceite, estabilidad dimensional y brillantez, aunque tienen un efecto adverso sobre sus propiedades de resistencia. El relleno más común es el caolín. Actualmente, se introducen en la industria rellenos como el carbonato de calcio, que cambian, radicalmente, el concepto tradicional de operación a pH ácido . En estos casos, se requiere utilizar resinas sintéticas de encolado y prescindir del alumbre, manteniendo pH neutro o alcalino en preparación de pasta y máquina de papel. Un aspecto importante del sistema de preparación de pasta lo constituye la recuperación de pasta y rotura proveniente de la máquina. En la figura 114 se presenta un recuperador convencional del tipo de filtro al vacío. Otros

equipos empleados con este propósito son el re. cuperador de discos, de flotación y parabólico. Independientemente del sistema utilizado, el recuperador de fibra es un equipo de vital impor. tancia, que satisface varias funciones importan. tes: 1 . Recuperación de los bordes húmedo y seco de la máquina, del exceso de agua blanca y de la rotura, permitiendo su reintroducción en el sistema de forma controlada. 2.- Utilización óptima del agua, contribuyendo al cierre del circuito y reduciendo el volu. men y concentración de sólidos de los efluentes . 3. Sistema amortiguador de los desequilibrios ocasionados por dificultades operacionales (roturas) en la máquina de papel, y por el reprocesamiento de papel fuera de especificaciones . La dosificación de la pasta requiere la alimentación continua de pulpas, fibra recuperada y aditivos a la cuba de la máquina. Es impor tante mantener el nivel constante en esta última, pues sus variaciones pueden afectar el control del flujo de la pasta a la máquina . Cada pulpa y aditivo deben ser dosificados a consistencia y concentración controladas . En sis. temas continuos, se requiere controlar los flujos de acuerdo con la demanda de pasta de la máquina, manteniendo el nivel constante en la cuba de la máquina. Es necesario, también, mantener la proporción de los diversos componentes fibrosos y aditivos. Proporcionadores antiguos se basaban en cajas de nivel con reboso y aberturas o compuertas ajustables, manualmente. Con posterioridad, se introdujo el proporcionador volumétrico de paletas con posibilidades de control más preciso y rápido. Hoy día, se utilizan medidores de flujo magnéticos para las pulpas y roturas, y bombas de desplazamiento positivo para los aditivos. Los flujos se regulan de manera automática, manteniendo las proporciones constantes, en respuesta al nivel de la cuba de la máquina . Las proporciones pueden ser variadas instantáneamente desde el panel de control . Es tradicional, instalar uno o más refinadores cónicos en la linea de pasta procedente de la cuba de la máquina, con el propósito de uniformar la pasta e impartirle un último tratamiento de refinación, para el ajuste final del grado de molida, antes de su entrada en la caja de nivel. En la actualidad, es posible obtener mayor estabilidad en la calidad de las pulpas, antes de su entrada al sistema de proporcionamiento . En fábricas basadas en bagazo, el refinador cónico es, además, un equipo poco recomendable.

239

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

13.2 PRODUCCION DE PAPEL Y CARTON 13.2.1 Máquinas de papel El equipo fundamental del proceso de producción de papel y cartón es la máquina de papel. Su función es recibir la pasta mezclada, clasificada y depurada y entregar la hoja de papel terminada . Existen numerosos diseños y variantes, pero, en esencia, el proceso consiste en una remoción gradual y progresiva del agua, utilizando mecanismos cuyos principios permiten identificar 3 secciones diferenciadas : 1. Parte húmeda, en el cual se remueve la mayor parte del agua mediante filtración, a través de una malla móvil, provista de elementos de drenaje . En esta zona, a partir de una suspensión fibrosa entre 0,4 - 1,0 % de consistencia, se produce la formación de la hoja que abandona la sección a alrededor de 20 % de sequedad . 2 . Sección de prensas, en la cual se continúa el proceso de desaguado por mecanismos de prensado y vacío y se incrementa la sequedad hasta niveles de 35 - 40 % . 3 . Sección de secado, encargada de ejecutar la última parte del proceso, mediante mecanismos de transferencia de masa y calor, entregando la hoja a 92 - 95 % de sequedad. La producción continua requiere una armonía casi perfecta entre las 3 zonas fundamentales . Las velocidades deben ser ajustables para adaptarse y controlar el encogimiento progresivo del papel. La operación en cada etapa tiene repercusiones sobre las siguientes y sobre la calidad y propiedades del producto final. Las características de diseño de la máquina deben proveer un equilibrio adecuado que permita la utilización óptima de cada etapa y flexibilidad para obtener variaciones en el peso básico del papel, dentro de los marcos de diseño del equipo . La máquina de formación plana o tipo Fourdrinier, que data de 1799, ha sido y continúa siendo aún el equipo más generalizado (Fig. 115) . La máquina Fourdrinier ha evolucionado, considerablemente, acorde con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, haciéndose cada vez más compleja y perfecta. En los primeros años del presente siglo, se introdujo el rodillo couch de, succión, que permitió incrementar las velocidades por encima de 450 m/min. A velocidades por encima de 550 m/min, surgieron dificultades en la transferencia de la hoja a la sección de prensas . La introducción del rodillo de transferencia o pick-up, presente en todas las máquinas

modernas, eliminó estos inconvenientes y permitió incrementar la velocidad. En la actualidad se alcanzan velocidades de 1 000 m/min, anchos de malla de 10 m, y automatización casi completa del proceso . Existen, también, máquinas destinadas a la producción comercial de pulpa, basadas en los mismos principios . El segundo tipo de equipo, la máquina de cilindros, surgió para dar solución a la producción de cartones de alto peso básico, y se diferencia de la máquina Fourdrinier en cuanto al diseño de la parte húmeda (Fig. 116) . El proceso ocurre por deposición sucesiva de capas de pulpa, formadas en cilindros, sobre un paño portador. Otros diseños en uso incluyen combinación de Fourdrinier y cilindros, y máquinas planas con doble caja cabecera . En la actualidad, es posible fabricar un amplio rango de papeles y cartones, entre 8 y aproximadamente 700 g/m2. La utilización de cilindros formadores, máquinas planas de doble caja cabecera, y combinación Fourdrinier-cilindros, permite obtener cartones con diferente estructura de capas, empleando, por ejemplo, pulpa blanqueada solamente en la capa externa del producto . 13.2.2 Nuevos desarrollos Durante la década de 1960, se comenzaron a desarrollar máquinas de doble malla, y a partir de 1970, cobró auge su introducción progresiva en instalaciones comerciales . El principio de la máquina Inverfom, es el precursor de las máquinas de doble malla. Actualmente, se fabrican diversos modelos . Entre las ventajas de las máquinas de doble malla están: 1 . Reducción o eliminación de las desigualdades entre ambas caras del papel. 2. Disminución de la longitud de la zona de formación . 3. Reducción del espacio requerido para la parte húmeda. 4. Posibilidades de incremento de velocidad y productividad del proceso. 5. Mejoras en la formación y atenuamiento de los problemas ocasionados por la baja resistencia de la hoja húmeda. 6 . Reducción en el consumo de energía. En la figura 117 se muestran algunos diseños de equipos de doble malla.

N N

W O U W N O O

a

N

ó c~

24 1

DQDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

c) Al

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t)

Fig. 117 Algunos métodos de formación de papel, basados en doble malta. A. Delbaire. B. Inverform. C. Symformer. D. Papriformer. E. Verti-forma.

13.2.3 Descripción del proceso En la figura 118 se muestra un diagrama de flujo del sistema de entrada de pasta y de una máquina de papel convencional del tipo Fourdrinier . La pasta mezclada- se dosifica a consistencia regulada, generalmente 3 ego, a la caja de nivel constante, el exceso retorna a la cuba de la máquina . La pasta se introduce, por gravedad, en la succión de la bomba mezcladora conectada al foso de la malla, donde se mezcla con agua blanca, se reduce la consistencia y se bombea hacia la caja cabecera de la mátlgina, .pasando, previamente, por el sistema de olásifícación y depuración . El flujo de pasta fresca se regula mediante la llamada válvula de peso básico. Normalmente, la misma se opera por control re-

moto, y en sistemas modernos, puede ser gobernada, automáticamente, a través de un lazo de control . Antes de su entrada a la máquina de papel, la pasta debe sufrir un proceso que se lleva a cabo, generalmente, mediante clasificadores y depuradores centrífugos . Usualmente, se emplean 3 etapas de depuración que tienen como objeto remover impurezas y partículas que no cumplan las especificaciones admisibles de densidad y tamaño. Por lo general, la depuración precede a los clasificadores . El aceptado de la primera etapa de depuración se envía al sistema de clasificación. En esta última etapa se remueven las impurezas de acuerdo con el criterio de tamaño. Frecuentemente, se emplean 2 etapas. En instalaciones anteriores se empleaban coladores abiertos. Éstos han sido desplazados por equi-

AGUA FRESCA

Fig. 118 Diagrama de finja del si .slcrnq de entrada de pasta y máquina de papel.

242

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

pos presurizados, los más utilizados son los modelos Selectifier y Centriscreen . La pasta aceptada se envía a la caja cabecera de la máquina . El rechazo del clasificador puede ser removido de manera continua y procesada a través de una segunda etapa, normalmente consistente en coladores vibratorios . En algunos casos, se instalan en el sistema de entrada, equipos de aeradores que operan bajo vacío, con el propósito de remover el aire de la pasta . Esta operación contribuye a eliminar la espuma y mejora, además, el drenaje y formación de la pasta sobre la malla . El equipo más común es el Deculator, que se instala en combinación con los depuradores centrífugos. En tales casos, se requiere, normalmente, una segunda bomba mezcladora antes de enviar la pasta a los clasificadores presurizados . Otro de los desarrollos recientes, proveniente del campo de la química del papel, es el empleo de aditivos auxiliares de retención y drenaje . Su utilización se ha extendido a causa de las ventajas económicas que reportan, las principales son : su capacidad de mejorar el drenaje de la pasta sobre la malla, posibilitando incrementos de producción, la retención de finos, rellenos y demás partículas de naturaleza coloidal y la reducción en el consumo específico de vapor en el secado. Los productos auxiliares de retención y drenaje se introducen en dosis reducidas, del orden de 2 - 3 kg/t de papel, en la línea de pasta a la entrada de la caja cabecera . En la industria papelera de bagazo estos aditivos son muy ventajosos, ya que, en muchos casos, las máquinas de papel han sido diseñadas a partir de la tecnología maderera, la longitud de la malla y la capacidad de drenaje son insuficientes para pastas de fibra corta que requieren un mayor tiempo de formación . La utilización de estos aditivos ha sido ensayada en la industria papelera cubana, encontrándose en proceso de introducción . Existen numerosos diseños de sistemas de entrada a la caja cabecera. El propósito esencial de la operación es distribuir el flujo de pasta, con la mayor uniformidad posible, a todo lo ancha de la máquina . La pasta se transfiere a la malla a través de la abertura o "labio" de la caja cabecera. La consistencia de la pasta cabecera varía de acuerdo con el peso básico, tipo de papel y características de diseño de la máquina. Generalmente, oscila entre 0,5 y 0,7 "/o . Una consistencia baja favorece la formación . En términos generales, la consistencia de entrada es menor cuanto más bajo sea el peso básico del papel . La pasta debe ser depositada sobre la malla, a una velocidad cercana a la de esta última . En máquinas modernas, las velocidades son altas, por lo cual se utilizan cajas cabeceras cerradas, en las cuales se complementa la

presión hidrostática del fluidocon aire comprimido. Una vez depositada la pasta sobre la malla, comienza el proceso de remoción del agua. Para este propósito la mesa formadora cuenta con elementos auxiliares distribuidos a todo lo largo de la misma . Los elementos tradicionales o rodillos de mesa, efectivos a velocidades inferiores a los 600 m/min, presentan problemas a mayores velocidades, y han sido desplazados, en máquinas modernas, por rodillos ranurados, y, fundamentalmente, tablillas de drenaje o foils. Estas últimas también pueden ser cerradas bajo la acción de vacío . Al alcanzar consistencias en el rango de 2 - 3 %, se introducen cajas de vacío, cuya cantidad oscila, y pueden llegar, normalmente, hasta 8, con un incremento gradual del vacío aplicado . La hoja finaliza su recorrido al llegar al extremo húmedo de la máquina, en el cual se encuentra el rodillo couch. En ese punto se inicia el retorno de la malla y la separación de la hoja . Poco antes de éste, se encuentran 2 duchas de agua, a alta presión, destinadas a cortar las tiras a ambos extremos transversales de la máquina, con el propósito de uniformar el ancho y eliminar las irregularidades en los bordes, que pueden provocar roturas en las etapas posteriores del proceso . El rodillo couch está provisto de una caja de vacío. Al salir de la parte húmeda, la hoja alcanza sequedades de 18 - 20 %, y pasa, posteriormente, a la sección de prensas . La transferencia de la hoja del extremo húmedo a la sección de prensas, es una de las fases más críticas del proceso . En la actualidad, casi todas las máquinas planas están provistas de rodillo de transferencia o pick-up . Las pulpas de bagazo y de otras materias primas de fibra corta, se caracterizan por menores propiedades de drenaje que las pulpas convencionales de maderas coníferas y requieren mayores tiempos de formación en la malla de la máquina papelera . De ahí que la longitud de ésta debe ser 20 - 30 % mayor para pasta de fibra corta. A la salida del extremo húmedo de la máquina, la hoja se transfiere a la sección de prensas . En máquinas con rodillo de transferencia o pick-up, la caja de vacío de éste desprende la hoja de la malla que pasa a ser transportada por un paño. La hoja pasa, posteriormente, a otro paño en la prensa de transferencia, provista también de succión y sigue entonces, su recorrido sobre este último paño hacia la primera prensa (Fig. 119) . La sección de prensas, generalmente, consta de 3 etapas, las 2 primeras de succión y la tercera llamada alisadora. En sistemas modernos la hoja se transfiere directamente a la primera prensa . En la figura 120 se muestran secciones de prensa utilizadas para la producción de papel de imprenta y escribir de bagazo .

243

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

Actualmente, los diseños tienden a la reducción del recorrido de la hoja con el paño pick-up, y hacia sistemas más compactos, como los que se muestran en la figura 121 . La reducción de los recorridos abiertos favorece la operación con pastas de bagazo y, en general, de fibra corta, caracterizadas pormenor resistencia de la hoja húmeda.

Fig . 119

Sistema pick-op con prensa de tr~erendo. 2a PRENSA DE SUCCION

RODILLO DE TRANSFERENCIA

aro PRENSA (ALISADORA)

la PRENSA INVERSA DE SUCCION SECADOR

PRENSA INVERSA

tESCHER-WYSS)

Fig. 121

(400 m/m(a)

3ra PRENSA (ALISADORA)

RODILLO DE TRANSFERENCIA CON TRIPLE SUCCION (la PRENSA)

COM-PRESS

(BELOIT)

l 2a PRENSA RANURADA (VENTA -NIP)

SECADOR

(470m/m(n)

Arreglos de la sección de prensas en mdgninas para la producción de papel de imprenta y escribir de bagazo. Fig. 120

Ejemplos de arreglo de prensas cidad.

a

alta velo-

Las pastas de bagazo muestran mayor tendencia a pegarse a los rodillos, por lo cual es necesario ajustar, cuidadosamente, las presiones aplicadas y efectuar una correcta selección de los paños. Es importante incrementar, progresivamente, la presión de contacto, pues si se exceden los límites permisibles en cada contacto se puede producir deterioro de la estructura de la hoja e incrementar las marcas de los paños. La sequedad de la hoja a la entrada de los secadores está condicionada, tanto por factores de diseño y económicos, como por las características de la pasta, peso básico y condiciones óperacionales . En general, con pastas de fibra larga se alcanza de 36 a 40 a/D de sequedad . Para pastas de menor drenaje, el valor puede oscilar entre 34 y 38 Dh . A la salida de las prensas, la hoja es introducida en la sección de secado, provista de secadores cilíndricos calentados con vapor, que tienen a su cargo completar el secado del papel. El proceso de secado se lleva a cabo mediante transferencia simultánea de masa y calor.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

244

En la parte húmeda se remueve entre 96 - 97 % del agua originalmente presente en la pasta antes de ser depositada sobre la malla ; de l - 2 % corresponden a la sección de prensas y entre 1 - 1,5 % a la sección de secado . Sin embargo, en esta última etapa, para incrementar la sequedad del papel desde 35 - 40 "io hasta 93 - 95 %, se requieren hasta más de 40 secadores en máquinas de alta velocidad, distribuidos en 3 ó más secciones o grupos . Los cilindros de cada grupo operan a la misma velocidad y poseen paños comunes . El papel va pasando de un cilindro a otro, en contacto, por una cara, con la superficie del cilindro, y, en la otra, con el paño correspondiente. Cada sección posee, por lo tanto, recorridos superiores e inferiores de paño, para los respectivos secadores . En máquinas modernas de alta velocidad, la mayor parte de la evaporación ocurre a la salida del papel de las zonas de contacto, por lo .cual, son de gran importancia no solamente la distribución de temperaturas a lo largo de la sección de secado, sino también la temperatura, humedad relativa y velocidad de circulación del aire circundante . Las velocidades entre las secciones deben ser ajustables para regular los tiros del papel, a causa del proceso de encogimiento . Los papeles de pulpas de bagazo presentan mayores índices de encogimiento con respecto a pulpas de fibra larga y son del orden de 7 a 9 ayo . En la tabla 155 se muestran los porcentajes de encogimiento de varias pulpas secadas al aire a diferentes niveles de drenaje . TABLA 155 Encogimientos durante el secado al aire, a diferentes niveles de drenaje (en tanto por ciento) Tipo de pulpa

Orenabilidad, CSF (ml) 500 350 200

Fibra larga: Sulfito blanqueada

2,1

3,1

4,6

Sulfato blanqueada

2,7

3.8

5,6

Bagazo, soda blanqueada

5,6

7p

9,5

La expansión en húmedo del papel, se incrementa al aumentar el encogimiento durante el proceso de secado . De ahí que en la producción de papeles de impresión, con alto contenido de pulpa de bagazo, en los cuales es de suma importancia la estabilidad dimensional, es recomendable conducir el proceso de secado, gra-

dualmente, y mantener alta tensión en los fieltros de los secadores para reducir el encogimiento de la hoja. Cada tipo de papel requiere un perfil. característico de temperatura, que desde un punto de vista general obedece a los mecanismos de secado prevalecientes en cada zona de la sección de secadores . Particularmente, en el caso de papeles a partir de pulpas de bagazo y de fibra corta, se requiere un perfil de secado atenuado, que evite incrementos bruscos de temperatura que puedan ocasionar deterioro, pandeo y alabeo del papel . A la salida de los secadores, el papel sufre el proceso de calandreado, en el cual atraviesa las zonas de contacto entre varios rodillos superpuestos, que ejercen un efecto de cizallamiento sobre su superficie . El calandreado incrementa la lisura superficial y uniformiza el calibre o espesor de la hoja. De ahí, el papel pasa a la bobinadora donde se enrolla sobre un cilindro de acero . La fase final se lleva a cabo en la rebobinadora-cortadora, que opera a mayor velocidad que la máquina de papel, y en la cual este último se transfiere a bobinas comerciales con centros de cartón, y, eventualmente, se divide en bobinas de menor ancho. Antes de pasar al almacenamiento, las bobinas se cubren con papel protector y se identifican . En el proceso de producción se recuperan los bordes húmedos y secos cortados en los respectivos extremos de la máquina. El sistema debe estar también preparado para el procesamiento del papel fuera de especificaciones y rotura húmeda. 13.3 BALANCES En las figuras 122 y 123 se muestran balances de sólidos y de pasta para la producción de 100 r de papel . En una fábrica de papel moderna, el diseño permite reducirlas pérdidas de fibras a un valor mínimo, inferior a 1 % del papel producido. Prácticamente, las únicas pérdidas deliberadas e inevitables del sistema ocurren en la descarga de rechazos de clasificación y depuración. Otras pérdidas se pueden originar en las prensas, con las duchas de limpieza, cajas de vacío y cuchillas limpiadoras de los rodillos . El proceso de drenaje de la pasta y formación del papel, involucra una enorme cantidad de agua, gran parte de la cual es recirculada dentro del sistema de pasta de la propia máquina de papel . El resto es enviado a la sección de preparación de pasta y procesado a través del recuperador de fibra. Este equipo tiene a su cargo, también, la recepción de los bordes húmedos y secos del papel, que se originan en los extremos respectivos de la máquina. Su función

~M~ DE ~A

CUBA DE MAQUINA

AL RECUPERADOR DE FIBRA 8,55

CAJA DE NIVEL

1,35

102,36

neoo

RECIRCULACION 61,98 RECIRCULACION 7,80

BOMBA

MEZCLADORA

21 1 36

193,50

5,97

J v 4Qu

DEPURACION DE LA PASTA

/i

lv

178,00 0,10 RECHAZOS

CLASPICACION DE LA PASTA 8,00

170,00 CAJA CABECERA

0,20

170,00 MESA FORMADORA Y TANQUE OE LA

5,97

MALLA

RECIRCULACION

PAF

RECIRCULACION 63,33

100.70 CAJAS DE VACA Y TANQUE SELLO

0,075

AL RECUPERADOR DE FIBRA 1,43

99,20

EXTREMO HÚMEDO

BORDES HÚMEDOS

4,25

BASES OE CALCULO PRODUCCION-100

PRENSAS 94,50

0,5

SECADORES 94,50

,022

Bon

_t

EN

J

A 7% HUMEDAD

24 h

: EFICIENCIA 100 % PESO BÁSICO BO 9/m a

VELOCIDAD DE MÁQUINA: SOOm/min. ANCHO EN BOBPIADORA,

4,46m

BORDES SECOS 1,52

93,00

7 % NUMEDAD A 100 )

Fig. 122

Balance de sólidos para la producción de 100 . de paoeL

_BASES _DE CAILULO ; CUBA DE LA MAQUINA

PROOUCCION :100 I f/24 A A 7 % HIBEOAD EFICIENCIA , 100 % PESO BA91CO r 80 9/a`

VELOCIDAD : 500 a/dn. ANCHO EN SOBINADORA :4,48e

5,97/0,23/1833 RECIRCULACION

PL 123 Balancd dd pasta para

la

prodgccldn de 100 t de pa~

8,55/0,25/ 2417 AL RECUPERADO DE FIBRA

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

fundamental es espesar los sólidos provenientes de la máquina para su reintroducción controlada al proceso, y separar el exceso de agua con la mínima concentración posible de sólidos suspendidos . La eficiencia de operación del recuperador de fibra es decisiva para minimizar las pérdidas de agua y fibra . Normalmente, el equipo está sobrediseñado con respecto a su flujo normal para operación a máxima eficiencia en la máquina de papel, a fin de poder asimilar las sobrecargas ocasionadas por roturas, exceso de agua blanca provocada por disminución en la retención sobre la malla u otros desequilibrios, y papel fuera de especificaciones . Las pérdidas de sólidos y agua del proceso están estrechamente relacionadas con el diseño del recuperador, estabilidad de la operación y características de la pasta. La tendencia actual, motivada tanto por razones de índole económica, como por consideraciones y regulaciones de contaminación ambiental, es el cierre casi completo del circuito de agua del sistema . La utilización del agua recuperada en las duchas de la máquina y reguladores de consistencia es, entre otras, una medida que tiende al logro de ese objeto. De esta forma, se puede reducir el consumo de agua desde niveles de 100 mllt o más de papel, hasta valores del orden de 20 malt. En la práctica, sin embargo, no es fácil cerrar el circuito de agua blanca a niveles mayores de 90 - 95 % . No siempre es posible lograr un equilibrio en la retención de finos y rellenos sobre la malla, que permita operar, eficientemente, la máquina. Esto es particularmente importante en la producción de papeles con pastas de fibra corta, que contienen proporciones relativamente altas de finos. A veces, se producen también problemas, ocasionados por el incremento en la concentración de especies iónicas y otras sustancias solubles en el agua blanca, que pueden afectar el pH y el escolado, y, en general, alterar el equilibrio químico y coloidal del proceso. En fábricas basadas en pulpa de bagazo, se han obtenido buenos resultados con el uso de auxiliares de retención y drenaje. En general, se reporta para fábricas que operan con pastas de fibra corta, la posibilidad de alcanzar índices de consumo del orden de 25 - 30 m3lt para calidades no blanqueadas, y de 40 - 60 m31t para papeles blancos. En lo que respecta al consumo de energía, el área de preparación de pasta y la máquina de papel, demandan energía eléctrica y vapor para los siguientes conceptos fundamentales :

247

1 . Sistema motriz de la maquina (parte húmeda, prensas, secadores, calandria, bobinadora y rebobinadora) .(Energía eléctrica o vapor.) 2. Secado del papel (vapor) . 3 . Repulpeo y refinación de pulpa. 4. Bombas y agitadores. 5 . Bombas de vacío. El consumo de energía, exceptuando el secado, depende de las características del sistema de preparación de pasta, velocidad y diseño de la máquina, y de otros factores, y puede variar entre 400 y 500 kW.hlt de papel. Aproximadamente la mitad corresponde a la máquina y al sistema de vacío . El secado del papel consume, normalmente, entre 3,5 y 4,5 t de vapor por tonelada de papel. 14 La industria de celulosa y papel en Cuba Cuba cuenta, actualmente, con 3 fábricas integradas para la producción de papel y cartón que utilizan como materia prima el bagazo de la caña de azúcar (Tab. 156) . Existen, además, 3 fábricas no integradas con un total de 6 máquinas de papel y cartón . La capacidad de producción anual excede las 100000 t. En la actualidad, se lleva a cabo un programa de desarrollo que comprende la ampliación y modernización de las capacidades instaladas, y la creación de otras nuevas . Las inversiones en ejecución incluyen: 1 . Ampliación y modernización de las empresas integradas . 2. Instalación de una línea de papel sanitario con capacidad de 8 000 t anuales, empleando como materia prima fundamental pulpa de bagazo . 3. Construcción de un nuevo combinadó con capacidad anual de 60 000 t de papeles de imprenta y escritura de alta calidad. 4. Instalación de una fábrica de cartón y cartulina con una capacidad de 50000 t anuales .

24 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR TABLA 156 Características generales de las fábricas de celulosa y papel cubanas Empresa Técnica Cubana

Empresa Pulpa-Cuba

Empresa Damují

desmedulamiento

Zarandas

Desmeduladores Horkel

Cernidores

Almacenamiento

Granel

Pacas

Pacas

Proceso

Soda discontinuo

Soda continuo

Soda discontinuo

Tipo de pulpa

Química

Química

Semiqufmica

Blanqueo

Hipoclorito (una etapa)

CEH

Máquina de papel

Fourdrinier

Fourdrinier

Equipos de

Capacidad promedio toneladas secas al aire/alío Surtidos de papel y cartón

20000 Imprenta y escribir

Fourdrinier

24000 Imprenta y escribir

18000 Cartoncillo, cartulina, linerkraft

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Capítulo IX PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR JOSÉ

VILLAR DELGADO

RAFAEL CAÑETE AGuiLERA

1 Introducción Los derivados de la caña de azúcar, de la misma manera que otros materiales vegetales, dan, por hidrólisis química, productos que pueden tener un alto valor industrial . Los polisacáridos presentes en estos materiales se transforman, durante la reacción de hidrólisis, en azúcares reductores, fuente de procesos fermentativos para la obtención de productos valiosos, como son, entre los de mayor interés : la levadura forrajera y el alcohol etílico . Así mismo, mediante el proceso de hidrólisis de las pentosanas, que forman parte de los polisacáridos en los materiales vegetales, y la posterior deshidratación de las pentosas, se obtiene el furfural, un producto químico de amplia aplicación industrial.

ALBERTO GARCÍA GARCíA

tacto con el aire, se oscurece paulatinamente . Sus propiedades físicas fundamentales se muestran en la tabla 157 . El furfural se puede obtener, en general, de cualquier materia prima que contenga pentosanas . Durante la hidrólisis, que es la primera etapa del proceso, las cadenas de pentosanas se descomponen en pentosas . En la segunda etapa, las pentosas, mediante una reacción de deshidratación, dan lugar al furfural . Ambas reacciones -hidrólisis y deshidratación- se ven favorecidas por el aumento de la temperatura y la presencia de un catalizador ácido . En las figuras 124 y 125 se muestran los modelos esquemáticos para estas reacciones. Como se observa en la figura 125, en el proceso tienen lugar las reacciones de condensa-

2 Furfural : obtención y aplicaciones El furfural (2-furfuraldehído) C4H30CHO, recién destilado, es un líquido incoloro, que al conTABLA 157 M'OH

Propiedades físicas del furfural Gravedad específica (20 °C) Temperatura de ebullición (760 mm) Temperatura de fusión índice de refracción N20 D

Tensión superficial (20°C)

1,160 g/cm" 161,7

'C

-36,5

°C

H

nH'OH

OH

H

1,5261 49

M*OH

dylem

Viscosidad (cP) 25 *C

1,49

38 'C

1,35

54'C

1,09

99 'C

0,69

Constante dieléctrica (25 °C) Temperatura de ignición

M-C-C-M

38 315-357

'C

0

-CHO

Fig. 124 Representación esquemática de las etapas para ta obtención de furtural.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

25 2

I .Transformacion do pentosonas an pcntosas ( hidrólisis n . Ce H,a 0e

(Came OJ n + n . H20 2 .Transformación

de

pcntosas an Furfural

( deshidrataclón) -~ n Cs H4 02

(Ce Hiog ) n

n.

3 Ha 0

3 . Mecanismo propuesto por Schosnemam Pentagon*$

-e" Pentosas --: Productos -~ Furfural --d. Resinas de intermedios furfural Productos de condensación Fig, 125 Reacciones de formación de furfural .

ción y resinificación que ocasionan pérdidas de furfural . Estas reacciones también se favorecen por la elevación de la temperatura y la presencia de catalizadores ácidos en el sistema reaccionante . La dependencia de las constantes de velocidad (k) con la temperatura, para las reacciones involucradas en la formación del furfural se presentan en la figura 126. Dadas las características anteriores, es preciso tener en cuenta que para hacer un mínimo las pérdidas de furfural durante el proceso se debe extraer este producto, lo más rápidamente posible, del sistema reaccionante . El Furfural se obtiene, en escala industrial, desde 1922 . Hoy día, se produce en muchos paí-

ses a partir de diferentes materias primas, principalmente de residuos forestales y agrícolas. Las

TABLA 158 Contenido de pentosanas y rendimiento industrial de furfural de algunos materiales vegetales (44 sobre materia seca)

Materia prima Tuzas de maíz

30-32

10

Cáscaras de avena

32

10

Cáscaras de almendra

30

9-10

25-27

8-9

Cáscaras de algodón

27

9

Cáscaras de avellana

24

7-8

Bagazo adnmnrposleWr do vn1ownds

DwmndaWNdr de

IN

aooo

RMMrbnidn do forroral Cardonao" dn %rlwol

Fig. 126 Dependencia de la constante de velocidad (k) c0n la temperatura, en las reacciones de formación de

Furfural.

Rendimiento industrial de

Contenido de pentosanas(%)

Furfural(%)

Madera de haya

21-7A "

6-8

Cáscaras de girasol

23-25

6"7

Cáscaras de arroz

19 .21

5-6

Residuos de oliva

21 .23

5-6

materias primas más utilizadas y su contenido de pentosanas se muestran en la tabla 158.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR 2 .1 PROCESOS TECNOLOGICOS PARA LA PRODUCCION DE FURFURAL En escala industrial, el furfural se obtiene mediante diversos procesos tecnológicos, pero que se pueden resumir en 3 variantes fundamentales: 1 . Procesos discontinuos . 2. Procesos continuos . 3 . Procesos secundarios de otras industrias. Los procesos discontinuos se diferencian entre sí, principalmente, por el tipo de catalizador utilizado. En la actualidad, están instalados protesos que emplean ácido sulfúrico (proceso Quaker Oats) y ácido fosfórico (proceso Agrifuran) . En lo fundamental, el proceso discontinuo consta de un reactor o batería de reactores dentro de los cuales se carga la materia prima, que se impregna con el catalizador ácido . Al reactor se suministra vapor de agua, que sirve como medio de calentamiento y, al mismo tiempo, para arrastrar el furfural formado que se extrae rápidamente del sistema, se condensa, neutraliza y conduce a la sección de destilación, donde se obtiene el producto con la pureza requerida . En la figura 127 se muestra un esquema de este proceso.

253

Los procesos continuos se caracterizan por no emplear catalizadores externos . El ácido acético, que se forma a partir de los grupos acetilos presentes en la materia prima, se aprovecha como catalizador de las reacciones que dan lugar a la formación del furfural . En el proceso continuo, la materia prima es alimentada al reactor que se encuentra a la presión de trabajo -alrededor de 10 atm- y se desplaza, a contracorriente, con el vapor de agua que arrastra fuera del equipo el furfural formado. Posteriormente, de la misma manera que en el proceso discontinuo, el furfural se condensa, neutraliza y purifica hasta obtener el producto deseado . Los procesos continuos emplean diferentes dispositivos de alimentación de la materia prima, de acuerdo-con el tipo de material que se trate, ya sea éste granular o fibroso . De esta forma, para materiales granulares se emplean, con éxito, las válvulas rotatorias, pero en el caso de materias primas fibrosas, es necesario emplear equipos tales como: el tornillo alimentador y la válvula de compuertas, estos últimos dispositivos son mucho más complejos y costosos, requieren un mantenimiento frecuente y consumen gran cantidad de energía . La alimentación de bagazo, material fibroso por excelencia, se convierte, por tanto, en un problema vital para su empleo en el método continuo . En escala industrial, se han empleado válvulas de compuertas para alimentar bagazo a reactores continuos, pero los resultados con este tipo no se pueden considerar aún satisfactorios . En la figura 128 se presenta un esquema del proceso continuo .

Fig. 127 Esquema tecnológico de la producción de furfural por, el método discontinuo. 1. Tanque de me.~n. 2. Tanque de ácido. 3. Mezclador. 4. Digestores. 5. Prensa de tornillo. 6. Condensador-generador de vapor secundario . 7. Columna de destilación 8. Condensadores. 9. Decantador. 10. Column a de ligeros. 11. Colum na de deshidratación. 12 . Almacenamiento de furfural. 13. Almacenamiento de ligeros. 14 . Enfriador.

254

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Fig. 128 Esquema tecnológico de la producción de furfural por el método continuo. 1. Recipiente preimpregnado. 2. Conductor de tornillo. 3. Dispositivo alimentador, 4. Reactor vertical, 5. Tanque flash . 6. Condensador. 7. Tambor de vapor . 8. Tanque de condensado. 9. Columna de metanol . 10. Condensador. 11. Alma cenamiento de metanol. 12. Condensador. 13. Columna de destilación. 14. Condensador. 15. Separador. 16. Tanqu e de disolver carbonato. 17. Tanque neutralizador. 18. Columna de deshidratación. 19 . Condensador. 20. Separador de gotas. 21. Condensador. 22. Almacenamiento de furfural.

El furfural se obtiene, también, como subproducto de otras industrias que procesan materiales vegetales, como es el caso de la industria hidrolítica que produce sustrato para fermenta ción, empleado en la producción de levadura forrajera y alcohol etílico, y de la industria papelera que elabora pulpa química y semiquímica por tecnología ácida. En la producción de furfural se obtiene, como principal subproducto, el residuo lignocelulósico . Este residuo representa de 70 a 80 % de la materia prima seca que se procesa y se han encontrado para el mismo distintas aplicaciones . La más importante es su utilización como combustible que puede proporcionar toda la energía que consume la planta, en forma de vapor, más un exceso que puede ser aprovechado para producir energía eléctrica con fines de autoconsumo y comercial. Otros usos del residuo son : como materia prima para la producción de carbón activado; para la producción de lignosulfonatos, que se emplean como aditivos en la industria del cemento ; en la obtención de derivados nitrados de la lignina como el AQNP (ácido quinónico policarboxílico) que se ha usado con éxito como estimulante del crecimiento de las plantas y otros. Como subproducto en la producción de furfural se obtiene, también, una mezcla de metanol y acetona de calidad técnica que puede tener uso industrial . Ésta se obtiene en proporción de 200 - 300 kg/t de furfural. De los residuos de destilación puede ser recuperado el ácido acético que se forma durante la reacción de los grupos acetilos que contiene la materia prima . La cantidad de ácido acético es de 500-600 kg/t de

furfural . La recuperación de este subproducto debe estar sujeta a un análisis económico y de mercado . 2.2 APLICACIONES DEL FURFURAL Los usos del furfural se han multiplicado en los últimos años y, consiguientemente, la demanda de este producto ha crecido de forma rápida hasta alcanzar hoy día, según estimados, más de 300 000 t/a . Un gran peso, en el fuerte crecimiento de la demanda, lo tiene el incremento en la utilización de los derivados del furfural, fundamentalmente el alcohol furfurílico que es el componente principal de muchas resinas furánicas . Estas resinas se consumen, en gran escala, en la industria de la fundición como aglutinantes de las arenas de moldeo . Las ventajas que estas resinas poseen son: conferir mejores propiedades físico-mecánicas a los moldes y machos, favorecer el desprendimiento de las arenas, lo que aumenta la productividad del trabajo y mejora la calidad de las piezas fundidas, ya que los moldes presentan alta precisión en las dimensiones y un excelente estado en su superficie. El furfural se emplea, también, como solvente selectivo en las tecnologías de producción de aceites minerales, aquí el furfural se usa para separar compuestos cíclicos insaturados, lo que aumenta, considerablemente, la viscosidad de los aceites lubricantes, incrementa la resistencia a la oxidación y disminuye su contenido de azufre y residuos de carbono. Se utiliza, además, el furfural para la refinación de aceites animales y vegetales y en la concentración de

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZQCAR

las vitaminas A y D que se extraen del aceite de hígado de pescado . El furfural se aplica, con éxito, en la separación de compuestos con pequeñas diferencias en sus puntos de ebullición por medio de destilación extractiva . Un ejemplo es la síntesis del butadieno donde mediante la adición de furfural es posible separar los hidrocarburos C, del petróleo, al alterarse las relaciones normales de volatilidad, por lo general, muy pequeñas, que existen entre los componentes . El furfural se emplea en la síntesis de resinas con acetona, urea, formol, etc ., que tienen utilización como materiales anticorrosivos, plásticos de moldeo, pinturas anticorrosivas, aglutinantes y otros usos. La preparación de productos con actividad biológica, es otra de las aplicaciones importantes del furfural . En la actualidad, se comercializan derivados del furfural que se emplean como plaguicidas, tal es el caso de la piramina, utilizada en las plantaciones remolacheras . También se fabrican fármacos entre . los que se encuentran la furantoína,furazolidina,etc . Los productos derivados del furfural : alcohol furfurílico, tetrahidrofurano y alcohol tetrahidrofurfurílico, tienen así mismo muchas aplicaciones en las industrias química, textil, farmacéutica y otras . 2.3 FURFURAL A PARTIR DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR Las derivados de la caña de azúcar, bagazo, meollo, paja y cogollo, son materias primas

25 5

potenciales para la producción de furfural . Se han realizado diversas investigaciones con el objeto de determinar los métodos y condiciones más apropiados para producir furfural a partir de estos materiales . 2.3 .1 Furfural de bagazo, paja y meollo El bagazo, el meollo y la paja, se han estudiado, en escala de planta piloto, para la obtención de furfural por el método discontinuo, con empleo de ácido sulfúrico como catalizador. El equipamiento utilizado se representa en la figura 129. La materia prima se mezcla con el ácido sulfúrico en el equipo impregnador, donde se alcanza el hidromódulo requerido, posteriormente se carga el reactor, por la parte superior, y se cierra herméticamente . Se comienza el calentamiento del material con alimentación de vapor, por la parte inferior del reactor y, pasado un tiempo, se realiza la extracción de gases incondensables . Una vez alcanzada la temperatura inicial de reacción se empieza la, extracción de vapores que contienen . el furfural formado. Los vapores pasan a un intercambiador de calor donde se condensan y enfrían para ser enviados, con posterioridad a un tanque recolector : La temperatura de reacción se va incrementando, escalonadamente, hasta el valor establecido para el experimento . El reactor em,pleado es de acero inoxidable con una capñciáaMe 350 1 y está provisto de instrumentos para la medición de la presión y la temperatura . Las características

TANQUE (4) FIQ. 129 Esquema del equipamiento de planta piloto para la produccidn de fttrfural por el método discontinuo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

25 6

TABLA 159

3 vio se obtienen elevados rendimientos de ácidos orgánicos, lo que evidencia una notable destrucción de furfural . El rendimiento de ácidos orgánicos en los regímenes sin ácido sulfúrico y con 1 % del mismo fue prácticamente igual, lo que indica que la descomposición de furfural con este consumo de ácido es pequeña . Los regímenes empleados para la paja se muestran en la tabla 161 . En este caso, para consumo pequeño de ácido sulfúrico y condiciones de temperatura y tiempo de digestión similares a los empleados para el bagazo, se obtiene$ bajos rendimientos . Esto es explicable por el mayor contenido de ceniza de la paja respecto al bagazo (Tab. 159), lo que implica un gasto de ácido en la neutralización de la ceniza activa y una disminución en la cantidad efectiva del agente catalizador. El régimen 5, con 10,6 % de rendimiento en furfural y un consumo de ácido de 3,5 %, presenta las mejores condiciones para llevar a cabo el proceso . Algunas de las propiedades físicas de la paja no son ventajosas para el proceso, como es el caso de su menor superficie especifica, que di. ficulta el contacto entre las fases, y su baja densidad, que limita la productividad de los reactores. La probabilidad del empleo de paja de caña como materia prima para la producción de furfural en escala industrial depende, en gran medida, de la solución económica de los problemas de recolección y transporte de este material desde sus fuentes, principalmente, los centros de acopio de caña, hasta el lugar donde va a ser procesado .

Características fisicokluímicas del bagazo y de la paja Componentes

Bagazo

Paja

9,24

10,47

90,00

70,00

Ceniza (%)

1,59

7,34

Ceniza activa (%)

0,33

1,84

Pentosanas (%)

27,26

26,00

Celulosa (%)

48,60

45,80

Lignina (%)

20,00

20,80

Rendimiento teórico (%)

17,60

16,26

Humedad (%) Densidad (kgfm3)

fisicoquímicas para el bagazo y la paja se muestran en la tabla 159 . El hidromódulo (peso de liquido/peso de la materia prima seca) para el bagazo se fijó en 0,3 y para la paja en 0,25 . En la tabla 160 se presentan los regímenes ensayados con bagazo y los resultados obtenidos . Aunque en todas las experiencias se obtuvieron altos rendimientos de furfural, se muestra como más favorable el régimen 5, ya que con un coas=o de ácido sulfúrico mucho menor que en los restantes, se obtiene un rendimiento comparable. Con consumo de ácido sulfúrico de

TABLA 160 Regímenes de obtención de furfural a partir de bagazo

No.

Consumo de H,S0,fg materia seca Temperatura(*C) (%) Inicial Final

Tiempo de digestidn (min)

Concentración Rendipromedio Rendimiento de miento ácido de furfural (%) furfural orgánico/ en con- Sobre Del fg matederisado materia ted. ria seca (%) seca rico (%)

1

3,0

138

180

60

3,12

12,10

68,7

8,07

2

3,0

138

180

70

2,78

11,80

66,8

8,43

3

3,0

130

170

70

2,62

11,90

67,7

6,10

4

3,0

130

175

70

3,04

12,16

69,0

7,27 .

5

1,0

140

180

80

2,32

10,95

62,2

5,62

sin ácido 170

180

70

1,35

5,95

33,7

5,47

6

257

PRODUCTOS DE LA HIDRóLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 161

Regimenes de obtención de furfural con el empleo de paja de calla Como materia prima

No.

Consumo de H,SO4 /g materia seca Temperatura(C) Inicial Final (%)

Tiem . po de diges-

tidn (min)

Concen. tracidn promedio de furfural en condensado (46)

Rendi-

miento dcido orgdnicof Sobre Del Ig matemateria ted- ria seca (96) seca rico

Rendimiento de furfural (Wo)

1

1,96

150

180

60

1,72

7,6

46,6

3,9

2

1,90

170

175

80

1,41

7,9

48,5

4,3

3

2,50

170

175

80

1,68

9,4

57,6

4,0

4

3,00

170

175

80

1,47

9,2

56,5

4,7

5

3,50

160

175

80

2,17

10,6

65,0

5,0

6

3,90

150

180

70

2,10

9,6

59,0

4,4

7

5,10

150

180

60

2,46

10,6

65,0

5,6

No obstante los factores señalados, la paja de caña es una materia prima que se debe tener en cuenta dada las grandes cantidades que cada año se obtienen de este subproducto de la cosecha cañera y para la cual no existen, hasta el momento, aplicaciones industriales importantes . Las experiencias de obtención de furfural de meollo han sido efectuadas en Cuba (ICIDCA) y en la URSS. Las experiencias con meollo en el ICIDCA se realizaron en el sistema que se describe en la figura 129. La composición en tantos por ciento sobre materia seca del meollo empleado es la siguiente : 46

Cenizas activas

1,07

Celulosa

42,5

Pentosanas

23,0

Rendimiento teórico

15,45

P.F.H .

32

P.D.H.

35

Con el empleo del diseño experimental, se determinó que el régimen tecnológico más ventajoso, en la escala utilizada para la obtención de furfural de meollo, por método discontinuo

y ácido sulfúrico como catalizador, es el siguiente : Hidromódulo inicial

0,3

Temperatura

160 °C

Consumo de ácido

3

Tiempo de digestión

60 min

Velocidad de flujo

3,5 módulos/h

Rendimiento de furfural

9,3%

1 módulo/h : Flujo de líquido equivalente al peso de la materia prima seca en 1h El meollo, al igual que la paja, tiene un alto contenido de cenizas activas lo que explica el elevado consumo de ácido, superior en 3 veces al del bagazo . Sin embargo, la gran superficie que presenta el meollo, dada su estructura y granulometría, favorece el contacto con el catalizador y contribuye a disminuir el tiempo de digestión, con relación a las otras materias primas. El arrastre de polvos finos presentes en el meollo con los vapores de extracción, es una de las desventajas que se le sitúan a este material, en su empleo para la obtención de furfural por el método discontinuo . Estos polvos ocasionan

258

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZTTCAR

grandes problemas en los equipos de intercambio de calor y aun de destilación que se ensucian con gran rapidez y requieren un mantenimiento difícil y costoso . En los experimentos realizados, este problema del arrastre de finos se resolvió, en gran medida, con la utilización de una capa de bagazo en la parte superior del reactor, que con una eficiencia apreciable impidió el escape de las partículas más pequeñas fuera del equipo . Se realizaron, también, experiencias con meollo cubano en el "Complejo de Investigación-Producción para la Hidrólisis" de Leningrado, URSS. Los experimentos se efectuaron en un reactor cilíndrico de cobre con 25 1 de capacidad. Se empleó meollo de la siguiente composición, en tantos por ciento sobre materia seca:

Hidromódulo inicial

0,36

Consumo de ácido sulfúrico (oio)

3,65

Temperatura (°C) Inicial

158

Final

174

Tiempo de digestión (min)

90

Concentración de furfural (°io)

2,99

Rendimiento (No)

9,12

P.F.H.

27,4

P.D.H.

36,5

El meollo es uno de los derivados de la caña de azúcar, con mayores posibilidades para ser empleado en la producción industrial de furfural, en lo que respecta a su disposición como materia prima, si se tiene en cuenta las grandes cantidades de este material que se obtendrán en los próximos años como residuo de las industrias de papel y tableros de bagazo .

Rendimiento teórico

18,8

2.3.2 Furfural de cogollo

Se probaron varios regímenes tecnológicos, en todos los cuales se obtuvieron buenos rendimientos de furfural . A continuación se relacionan las condiciones y resultados más favorables que se lograron en los experimentos :

El cogollo de la caña de azúcar ha sido ensayado en escala de laboratorio como materia prima para la obtención de furfural . Los experimentos se realizaron en el equipo que se muestra en la figura 130.

Pl& 130 Equipo de laboratorio para ta obtenetón de Mural a partir del cogollo de la aaíía de azúcar.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZQCAR

El vapor saturado, procedente de una caldera de vapor, se hace pasar por un sobrecalentador eléctrico donde alcanza una temperatura de 200-210°C, seguidamente el vapor sobrecalentado se alimenta al reactor, en el cual se encuentra el cogollo impregnado en solución de ácido sulfúrico . Los vapores que contiene el furfural formado salen dei reactor, se condensan y recolectan. El cogollo empleado tiene la siguiente composición, en tantos por ciento sobre materia seca: °io P.F.H.

32,60

P.D.H.

37,80

Pentosanas

22,45

Ceniza total

8,76

Ceniza activa

2,34

Rendimiento teórico

14,42

Con la utilización del diseño experimental, se determinó que las condiciones más favorables para la obtención de furfural de cogollo, mediante el proceso tecnológico investigado en escala de laboratorio son las siguientes: Temperatura

165 °C

Consumo cíe H 2 S04

4 %

Hidromódulo

2

259

Con este régimen se obtuvo un rendimiento de furfural de 11 % sobre la materia prima seca y 76 % del teórico . Al igual que para el meollo y la paja para el cogollo, se necesita mayor consumo de ácido que para el bagazo, lo cual es consecuencia del elevado contenido de cenizas activas en este material . La probabilidad de emplear el cogollo en escala industrial, está en dependencia de las posibilidades de recolección en el campo y transportación del material hacia el lugar de su procesamiento de manera económica .

2 .4 OBTENCION DE FURFURAL CON EL EMPLEO DE HCI COMO CATALIZADOR En escala de laboratorio, se han realizado experiencias de obtención de furfural con el empleo de cloruro de hidrógeno como catalizador. El HC1 se obtiene mediante la reacción de los cloruros del agua de mar con ácido sulfúrico . En la figura 131 se muestra un esquema de la instalación utilizada en los experimentos . La ventaja de utilizar el HCI en la producción de furfural, consiste en su gran acción catalizadora 2 veces la del ácido sulfúrico- en las reacciones involucradas en el proceso . Esto per, mite suavizar las condiciones de temperatura en el régimen tecnológico y reálizar dicho proceso a presión atmosférica . En cada reactor se introducen 30 g de bagazo, con un contenido de pentosanas de 25,3 oró . El vapor es obtenido en un evaporador que contiene ácido sulfúrico concentrado y al cual se le añade agua de mar, posteriormente, pasa por un sobrecalentador donde se eleva su temperatura

Ta^ DE ALYIERW YETALICO REACTORES

PIS 131 Esquema de una btstalactán para la obtención de turtural con el empleo de , HC1 como catalizador.

260

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

RENDIMIENTO DE FURFURAL Y ACIDOS ORCsANICOS EN TANTOS POR CIENTO DE LA MATERIA PRIMA

4

4

w

Fig. 132 Resultado de la obtención de furfural y dcidos orgdnicos con el empleo de HCl como catalizador.

hasta 200-230°C y penetra en el primer reactor, del cual salen los vapores furfurílicos que pasan, consecutivamente, por los siguientes reactores. A la salida del último reactor los vapores atraviesan una columna rellera con aluminio metálico donde se separa el HCl y, posteriormente, se condensan y recolectan. En la figura 132 se presentan los resultados de la formación de furfural y ácidos orgánicos, con una velocidad de destilación de 0,8 y 1 módulo/h. El rendimiento de furfural está entre 9 y 10 % y el de ácidos orgánicos entre 4,5 - 5 % . El proceso tecnológico tiene, además, como ventaja, la obtención de un residuo lignocelulósico con muy baja humedad, que puede ser empleado sin secado previo como combustible de caldera . Las limitaciones principales del proceso son la necesidad de emplear para los equipos, materiales especiales o tecubrimientos anticorrosivos que los protejan de los efectos del ácido clorhídrico, lo cual puede encarecer esta tecnología. 2.5 FURFURAL DE PREHIDROLIZADOS DE PENTOSANAS Entre las alternativas de materias primas para producir furfural, en Cuba, se encuentra la utilización de los prehidrolizados residuales que se obtienen en la fabricación de pulpa para disolver a partir de bagazo. Las pentosas que contiene el prehidrolizado se someten a un proceso de deshidratación para obtener furfural. Los métodos más estudiados para la deshidratación de pentosas en furfural son los siguientes:

1 . Se hace pasar vapor sobrecalentado a través de una solución ácida de pentosas. El furfural formado se extrae con los vapores que se rectifican, posteriormente, para separar el agua del furfural .

2 . La solución ácida de pentosas se pone en contacto con una superficie caliente donde se forman, rápidamente, los vapores de furfural que son posteriormente enviados a su rectificación .

Se han realizado experimentos por el método (2) con el empleo de prehidrolizados acuosos, obtenidos en la primera etapa de la fabricación de pulpa para disolver en la producción de viscosa. La prehidrólisis del bagazo se realiza en las siguientes condiciones :

1-6

Hidromódulo Temperatura

160 - 180 °C

Tiempo de reacción

0,5 - 1 h

Los prehidrolizados obtenidos tienen las siguientes características : Pentosas

2,8 °r6

Furfural

0,31

pH

4,9

Densidad (20 °C)

1,161 g/cm3

Viscosidad (20 °C)

1,42 cP

261

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE 1.05 DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

o _ 1,5 % H.so .

4-2,s% H.sa a - 4 % H.904

90 70 80 S0 40 s0 20 10 170 Fig. 133

190

190

200

T^C

Obtención de furfural a partir de solución de pentosas (prehidrolizado: 8,20 % pentosas),

Con el objeto de disminuir las incrustaciones durante la reacción, el prehidrolizado se sometió a tratamientos de centrifugación, filtración y clarificación con carbón activado . Posteriormente, se concentró en un evaporador rotatorio al vacío hasta obtener soluciones con 4 y 8% de pentosas . La deshidratación de las pentosas se realiza en un reactor tubular metálico de laboratorio calentado hasta 170 -200 °C, con resistencia eléc. trica, en el cual se introduce el prehidrolizado previamente calentado a 60 °C y tratado con ácido sulfúrico. La solución es dosificada a presión con nitrógeno a una velocidad de 50-70 m1/h. Cuando el liquido se pone en contacto con la superficie caliente del reactor, se produce una rápida evaporación, con inmediata formación de furfural, que es arrastrado con los vapores y seguidamente condensado y recolectado en un balón receptor. En la figura 133 se puede apreciar los resultados obtenidos para diferentes condiciones de reacción. Los resultados de las experiencias, en escala de laboratorio, indican que la tecnología estudiada es ventajosa y puede ser llevada a una escala mayor de planta piloto con el fin de garantizar condiciones óptimas en escala industrial y los estudios técnico-económicos correspondientes. La producción de furfural a partir de prehidrolizados- de pentosas, sería así mismo, una forma de aprovechar los residuos que se generarán en el país, como consecuencia de un desarrollo futuro de la fabricación de viscosa á partir del bagazo.

2.6 PERSPECTIVAS DE LA PRODUCCION DE FURFURAL A PARTIR DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZOCAR

Los resultados de las investigaciones llevadas a cabo, con el empleo de los derivados de la caña de azúcar, demuestran que con mayores o menores ventajas los mismos se pueden considerar materias primas potenciales para la producción de furfural. En lo que se refiere a los rendimientos sobre la materia prima seca, todos se han comportado satisfactoriamente con rendimientos mayores de 9 Oró, en tal sentido, no se diferencian de otras materias primas usadas en el mundo en escala industrial (Tab. 162) . Desde el punto de vista tecnológico, el bagazo, por sus características físicas y la experiencia industrial que ya existe en su utilización en la producción de furfurál, parece la materia prima más apropiada para esta industria. El meollo, aunque" con características físicas menos adecuadas para las tecnologías actualmente desarrolladas que emplean otras materias primas, se presenta como un residuo de aplicación industrial aún muy limitada y del cual podría disponerse, en Cuba, en los próximos años, en cantidades apreciables como subproductos de las industrias de tableros artificiales y papel a partir de bagazo. En cuanto a la paja y el cogollo se deben solucionar, todavía, las dificultades inherentes a la recolección y transportación de estos materiales que no se obtienen como el bagazo y el meollo concentrados en un área.

262

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

En la coyuntura actual, uno de los problemas que más afecta la economía de los procesos industriales, sobre todo en los países subdesarrollados, es el consumo de energía . La producción de furfural, a partir de bagazo u otros derivados de la caña de azúcar, tiene la ventaja de no consumir combustibles del petróleo, ya que toda la energía necesaria para la planta industrial se obtiene de la combustión del residuo lignocelulósico, con posibilidades, incluso, de comercializar alguna energía sobrante . Análisis económicos realizados permiten asegurar que las inversiones en plantas de furfural a partir de bagazo pueden ser recuperadas en plazos razonables, inferiores a 6 - 7 a. La obtención de este producto, por otra parte, en los países en vías de desarrollo, significaría contar con un renglón de exportación de gran demanda y disponer de un producto que puede ser fuente del futuro desarrollo de su industria química . 3 Azúcares hidrolíticos: obtención y aplicaciones Los azúcares hidrolíticos se obtienen por hidrólisis de los polisacáridos presentes en los materiales vegetales . Mediante la reacción de

hidrólisis las cadenas de hemicelulosas y celulosas se descomponen dando lugar a los azúcares simples o monosacáridos (azúcares hidra líticos) . La hidrólisis de los polisacáridos, en los materiales vegetales, se puede representar por las siguientes ecuaciones : (1) (C,H80a) . -i- (C6Hlo0s)o -iHemicelulosa +(n, + n2 - 2)H20 ~ nIC5HIo0s + n2C6Hi206 Pentosa Hexosa (2) (C6HioOs)  -1- (n - 1) H2 0 ~ n (C6H,206) Celulosa Glucosa La reacción (1) corresponde a la hidrólisis de las hemicelulosas o prehidrólisis . Las hemicelulosas están constituidas por polisacáridos cuyo grado de polimerización fluctúa entre 100 y 250 unidades de azúcares . Las pentosas, principalmente xilosa, constituyen la mayor parte de las hemicelulosas . Así, los productos fundamentales de esta reacción son : xilosa, arabinosa, glucosa

Flg. 134 Mecanismo de reacción para la hidrólisis de la celulosa en medio dcido

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR y galactosa . La reacción (2) representa la hidrólisis de la celulosa o hidrólisis principal . La celulosa es un polisacárido de alto peso molecular, cuyo grado de polimerización oscila entre 6 000 y 10 0000 unidades de azúcares . El producto de esta reacción es glucosa . Ambas reacciones se ven favorecidas por la elevación de la temperatura y la presencia de un catalizador ácido . La hidrólisis de la celulosa en presencia de un catalizador ácido ha sido explicada por el mecanismo de reacción que se expone en la figura 134. En el paso 1, por la acción del ion hidronio, el oxígeno del enlace glucosídico, es rápidamente protonizado ; el enlace glucosídico, debilitado, se rompe con formación del ion carbonio II, el cual con el agua da finalmente un grupo y un protón III . El protón con el agua regenera el ion hidronio . La influencia de la concentración del catalizador ácido en la hidrólisis de la celulosa, se puede apreciar en la tabla 162 . La celulosa de algodón ha sido tratada con ácido sulfúrico a 170'C . TABLA 162 Influencia de la concentración de ácido en la velocidad de reacción de la hidrólisis de la celulosa

Material

Constante de velocidad (h'') 0,05 N 0,1 N 0,2 N 0,4 N

Fibra larga

0,10

0,20

0,40

0,8

Fibra corta

0,10

0,19

0,37

0,8

Como se observa, el aumento de 2 veces la concentración de ácido, incrementa en 2 veces la velocidad de reacción de hidrólisis . El efecto catalizador varía, también, con la naturaleza del ácido. En la tabla 163 se muestra el coeficiente de actividad catalizadora de diferentes ácidos, en la hidrólisis de celulosa de madera, a 180°C en solución 0,1 N del ácido . El ácido clorhídrico es el de mayor efecto catalizador para la formación y descomposición de los azúcares . El ácido sulfúrico, con la mitad del efecto catalizador del HCI, es, sin embargo, el que se emplea actualmente en los procesos industriales a causa de su menor poder corrosivo . La dependencia de la velocidad de hidrólisis y descomposición de los azúcares con la temperatura se muestra en la tabla 164. La velocidad de reacción se incrementa con la temperatura, tanto para la hidrólisis como para la descomposición de azúcares. Los pro-

263

TABLA 163 Actividad catalizadora de los ácidos en la hidrólisis de la celulosa

Ácido

Coeficiente de actividad Hidrólisis de Descomposición de los monosacdridos la celulosa

Clorhídrico

1,00

1,00

Sulfúrico

0,51

0,50

Nítrico

0,26

0,23

Fosfórico

0,08

0,11

Acético

0,015

0,06

TABLA 164 Constantes de velocidad para la hidrólisis de la celulosa de madera y descomposición de glucosa en ácido sulfúrico 1 N

Temperatura ('C)

Constante de velocidad (min-1) Descomposición Hidrólisis de la glucosa

150

0,008

0,010

160

0,022

0,026

170

0,058

0,065

180

0,150

0,150

190

0,370

0,340

200

0,880

0,660

duetos de descomposición de las hexosas son, principalmente, ácido levulínico y ácido fórmico y de las pentosas el furfural . Can vistas a obtener los mayores rendimientos de azúcares, es necesario seleccionar las condiciones del proceso, de manera tal, que no se favorezcan las reacciones de descomposición de los monosacáridos . La reacción de prehidrólisis ocurre en condiciones más suaves que la hidrólisis principal, por lo que es conveniente realizarlas, separadamente, para evitar la descomposición de xilosa en furfural, que inhibe la posterior fermentación del hidrolizado y, además, disminuye el rendimiento de azúcares . Los azúcares hidrolíticos se emplean, fundamentalmente, como sustrato para la industria fermentativa en la producción de levadura forra-

264

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

jera y alcohol etílico, aunque también se pueden emplear en la obtención de glucosa, fructosa, polialcoholes y otros productos . Las materias primas con mejores condiciones para ser utilizadas en la obtención de azúcares hidrolíticos, son los residuos agrícolas y forestales ricos en polisacáridos. En la tabla 165 se muestran los contenidos, en polisacáridos, de algunos materiales que presentan buenas características para la hidrólisis . TABLA 165 Contenido de polisacáridos en diferentes materiales vegetales P.F.H.

P.D.H. Polisacd-

Materfal

(%)

Tuzas de maíz

30-33 40-42 70-75

Abedul (virutas)

25

Residuos de girasol

22-23 32-34 55-57

Residuos de algodón

26

35

61

Corteza de kenaf

18

36

54

Cáscara de arroz

17-18 30-31 47 .49

Bagazo

26-30 44 .47 70-77

Meollo

23-26 36 .40 59-66

(%) toales (%)

40

65

En la actualidad, se producen azúcares hidra líticos en escala industrial, principalmente, en 2 países : URSS y República Popular de Bulgaria, con fines de obtención de levadura forrajera y alcohol. 3.1 PROCESOS TECNOLOGICOS PARA LA HIDROLISIS QUIMICA Diversos procedimientos se han creado para realizar la hidrólisis de los materiales vegetales Algunos han sido ensayados en escala de laboratorio, otros en escala de planta piloto . Los principales procesos desarrollados tienen, en general, como fundamento, el tipo de catalizador empleado para llevar a cabo la reacción y se pueden clasificar en: 1 . Procesos con ácido sulfúrico diluido. 2. Procesos con ácido sulfúrico concentrado . 3. Procesos con ácido clorhídrico concentrado .

4. Procesos con cloruro de hidrógeno gaseoso . De éstos, sólo han podido ser llevados con éxito a la práctica industrial los procesos con ácido sulfúrico diluido . En la actualidad, casi toda la producción de azúcares hidrolíticos con fines fermentativos, en el mundo, se realiza por el proceso de percolación con ácido sulfúrico diluido como catalizador . Los procesos con ácido sulfúrico concentrado se han visto, en general, limitados por el elevado consumo de ácido y por las dificultades que presenta la recuperación económica del mismo . Los procesos que emplean ácido clorhídrico y cloruro de hidrógeno gaseoso no han resuelto aún el problema que se deriva del gran poder corrosivo de estos reactivos, lo cual encarece el equipamiento que debe ser fabricado con materiales especiales anticorrosivos. Existen, además, otros procesos en escala experimental para la obtención de azúcares hidrolíticos a partir de materiales vegetales . Entre los de más perspectivas se encuentran los métodos de tratamiento físicoquímico de las materias primas celulósicas que se examinarán más adelante . 3.2 TECNOLOGIA DE HIDROLISIS POR PERCOLACION La reacción de hidrólisis en el proceso de per. colación se realiza en reactores cilíndricos (percoladores) constituidos por un cuerpo de acero al carbono, revestido interiormente con lozas anticorrosivas :" En la parte inferior del reactor se dispone un sistema de rayos filtrantes por medio del cual se separa el hidrolizado o solución de azúcares reductores del material sólido . El equipo se completa con una balanza para el control del peso de los materiales y válvulas para el control del flujo y la extracción del residuo lignínico . En la figura 135 se muestra el esquema de un reactor típico de hidrólisis por percolación . En la figura 136 se presenta un esquema del proceso de percolación . La materia prima, por medio de transportadores de banda (1,1 y 1,2), es alimentada a los reactores de hidrólisis (1,4) . En la parte superior del reactor existe un dispositivo especial que mezcla el agua, previamente calentada por un eyector de vapor, y el ácido sulfúrico que se dosifica con la bomba (1,6), desde el tanque (1,7) . El material es impregnado con la solución ácida hasta alcanzar el hidromodulos requerido . Se comienza el calen1 En los últimos afos se ha experimentado, en la URSS, con reactores fabricados con una aleación especial de acero del titanio, con buenos resultados, Hidromdduto. Relación en peso que existe entre la fase líquida y la materia prima en base seca (b.s.).

a O C Ó V 4 u . 0 m O m a y W h M m

rr.

0

8 bA k N

Ñ b b O 3uO a

w

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR tamiento. de la masa reaccionante con vapor directo hasta lograr la temperatura establecida . En este período se efectúa la ventilación o soplado, a través del ciclón (1,5), para separar los gases inertes que se acumulan en la parte superior del reactor. Una vez alcanzada la temperatura requerida comienza la prehidrólisis que se realiza en forma estacionaria (batch) . En este tiempo se produce la hidrólisis de las hemicelulosas .y se forman los azúcares reductores, principalmente xilosa . Transcurrida la prehidrólisis se procede a llevar a cabo las distintas etapas de hidrólisis en forma seinicontinua mediante la percolación . Durante este proceso la solución ácida, a la concentración y temperatura que establece el régimen de trabajo, atraviesa la masa de material celulósico y se hidrolizan los polisacáridos? difícilmente hidrolizables con formación de azúcares, fundamentalmente glucosa . Este hidrolizado es separado de la materia sólida por el sistema de rayos filtrantes situado en la mitad inferior del reactor. De esta manera, se realizan las distintas etapas de hidrólisis con variación de la presión y la temperatura, de acuerdo con el régimen tecnológico establecido . Concluida la última etapa de percolación, se realiza el lavado del material con agua caliente, que se suministra por la parte superior del reactor. Con el lavado se recuperan los azúcares presentes en la solución que baña el material sólido residual y se concluye la hidrólisis que tiene lugar todavía en esta etapa, con el aprovechamiento del ácido que queda en el reactor. Una vez extraído el líquido de lavado se procede a soplar la lignina residual, mediante la abertura de la válvula de rápido funcionamiento montada en el cono inferior del reactor . La lignina se dirige al ciclón (1,11) donde se separa del vapor y se colecta para el uso que le esté destinado . ElSdrolizado obtenido en las diferentes etapas se enfría hasta 100 °C en los 2 escalones de evaporación (1,8), que trabajan a 5 y 1 atm, respectivamente . El condensado se envía al tanque intermedio (2,1) . El vapor que se obtiene en los evaporadores pasa por los intercambiadores tubulares (1,9) y de placa (1,10) . El condensado contiene furfural, ácidos orgánicos, metanol, etc ., y pudiera ser empleado en la recuperación de furfural, si la coyuntura económica fuera ventajosa. El calor que cede el vapor al condensarse se aprovecha en calentar el agua con que se alimenta a los reactores. El hidrolizado se extrae del tanque intermedio (2,1) y se neutraliza con hidróxido de calcio, mientras se transporta mediante un elevador de. aire hasta el depósito de separación (2,2), seguidamente se envía al sedimentador (2,3) donde se ajusta el pH y se adiciona parte de los nutrientes necesarios para la posterior fermenta-

267 .

ción. El lodo de hidrólisis, que contiene, principalmente, sulfato de calcio, se extrae por el fondo del sedimentador y el hidrolizado neutralizado se envía al tanque (2,4), mediante una bomba (2,5) se pasa a través del intercambiador de calor (2,6) al tanque de almacenamiento (2,7) , con la temperatura requerida para ser enviado al proceso de fermentación . 3.3 CINÉTICA DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR Los derivados de la caña de azúcar : bagazo, meollo, cogollo y paja, son, por su contenido en polisacáridos, materiales susceptibles de ser utilizados en los procesos de hidrólisis química. Los estudios cinéticos realizados para algunos de estos materiales han confirmado sus buenas características, desde el punto de vista químico, para las reacciones de hidrólisis. 3.3.1 Cinética de la hidrólisis del bagazo Se han llevado a efecto investigaciones de la prehidrólisis de las hemicelulosas del bagazo, en escala de laboratorio, en condiciones estáticas, con el empleo de ácido sulfúrico como catalizador, en las cuales se comprobó la aplicación de un esquema cinético de 2 reacciones simultáneas de primer orden para la descripción de la hidrólisis de estas hemicelulosas, que supone la existencia de 2 fracciones de los polisacáridos fácilmente hidrolizables . Los parámetros cinéticos determinados para cada fracción se presentan en las tablas 166 y 167 para las experiencias realizadas con ácido diluido y concentrado, respectivamente . La dependencia de la temperatura y concentración de ácido con la constante específica de velocidad de reacción, se expresa por una ecuación del tipo Arrhenius : k = C° A exp ( -E/RT) donde : k: Constante específica de velocidad de reacción. n: Orden respecto a la concentración de ácido. C: Concentración de ácido en tantos por ciento en peso. A: Coeficiente preexponencial . E: Energía de activación,. T: Temperatura absoluta . R: Constante universal de los gases ideales .

268

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZULAR TABLA 166

TABLA 167

Parámetros cinéticos para la prehidr6lisis de las 2 fracciones de hemicelulosa en el bagazo en el rango diluido Concentración Temperatura ('C) k, min de ácido (%)

'

k, min -1

0,600

140

0,305

0,0347

0,600

130

0,262

0,0151

0,600

120

0,089

0,0075

0,600

110

0,021

0,0017

0,430

140

-

0,0345

0,430

130

0,126

0,0084

0,201

140

0,164

0,0086

0,201

130

0,053

0,0030

0,306

125

0,037

0,0027

E, = 30732 cal/mol

A, = 1,45

E2 = 33 580 cal/mot

A2 = 5,61 x 101 1

X

101 °

ni = 1,11 n2 = 1,54

subíndices 1 y 2 se refieren a las fracciones 1 y 2, respectivamente, de hemicelulosa . Los

El rendimiento de sustancias reductoras para diferentes condiciones de reacción en la prehidrólisis periódica del bagazo, en el rango diluido, se muestra en la figura 137. El bagazo estudiado tiene un contenido de polisacáridos fácilmente hidrolizables (PFH) de 28,8 % y polisacáridos difícilmente hidrolizables (PDH) de 43,9,%, sobre materia seca . Las experiencias se realizaron con ácido sulfúrico a 0,5 % e hidromódulo 10. Como se observa en la figura 137, a 140 °C, en 40 min de reacción, se obtiene un rendimiento de alrededor de 25 % y a 160°C en 20 min, se alcanza un máximo con un rendimiento mayor y se acorta el tiempo donde se obtiene el valor máximo : sin embargo, en la práctica, no es ventajoso emplear temperaturas superiores a 140'C, ya que la agudización del máximo obliga a una supervisión muy estricta de la temperatura y cualquier variación, en este parámetro, determina la caída rápida del rendimiento de azúcares. Para el rango concentrado, se pueden apreciar en la figura 138, los rendimientos de sustancias reductoras en distintas condiciones de reacción para un bagazo que contiene 27 % de pentosanas y 49 % de celulosa sobre materia seca. Se observa

Parámetros cinéticos para la prehidrófisis de las fracciones hemicelulosas en el bagazo en el rango concentrado Concentración Temperade ácido (n%) tura CC)

k,

min - I

k,min -1

16

60

3,8 X 10 -3 1,2

X

16

80

2,4

x 10-3

30

60

1,4 x 10-2 1,7

X

30

80

1,1 x 10-1

1,1

x 10-2

46

80

7,8

10-2 8,5

x 10-e

46

80

6,8 x 10-1 4,0

50

60

50

40

X

X

-

10-2 4,6

X

10- ' 10-3

10-2

9,05 x 10-e

2,2 x 10 -2 5,2

x 10-3

E, = 22 300 cat/mol A, = 7,57 x 10^ n, = 4,11 E, = 17 000 cal/mol A, = 7,85 x 103 n2 = 2,59

subíndices 1 y 2 se refieren a las fracciones 1 y 2, respectivamente, de hemicelulosa Los

que en la prehidrólisis con ácido concentrado se requieren menores temperaturas para obtener los mismos rendimientos que con ácido diluido, sin embargo, se presentan las desventajas de un mayor consumo de ácido y un costo apreciable de los procesos de recuperación para la reutilización del mismo. Para la hidrólisis principal o hidrólisis de la celulosa del bagazo, también se han determinado los parámetros cinéticos . En este caso, se ha comprobado un esquema en el cual la descomposición de la celulosa sigue un comportamiento cinético de primer orden . ki Celulosa k, ' productos de descomposición glucosa La influencia de la temperatura y la concentración de ácido sobre la velocidad de hidrólisis puede ser expresada, también, en este caso, mediante una expresión matemática del tipo Arrhenius : k = C° A exp (-E/RT). Para los rangos diluido y concentrado, los datos cinéticos se muestran en las tablas 168 y 169. El bagazo empleado contenía, inicialmente, 27 % de pentosanas y 46 % de celulosa sobre

leo t (min) Fig. 137

Rendimiento de sustancias reductoras en prehidrolizados,

m9/0 boºezo b. a.

Rendimiento de sustancias reductoras en pre" hidrolizados de bagazo para el rango concentrado.

Fig. 138

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

270 TABLA 168

Parámetros cinéticos para la hidrólisis principal del bagazo en el rango diluido Condiciones de reacción X) (°%)

k,(min-')

0,49

160

1,31

x 10-3

-

1,00

160

5,65 x 10- '

-

0,25

180

5,68 x 10- '

-

0,50

180

2,1

x 10-2

E,

1,00

180

4,7

x 10 -2

A, = 1,01 x 101 2

1,00

100

2,3

x 10-2

n, = 1,42

0,50

220

6,7

x 10- '

1,00

220

1,54

= 37 990

callmol

-

Rendimiento de sustancias reductoras en la hidrólisis principal del bagazo

Fig. 139

distintas velocidades de reacción. Las constantes específicas de velocidad k, y k2, correspondientes a reacciones de primer orden para la descomposición de las 2 hemicelulosas, en distintas condiciones de reacción se muestran en la tabla 170.

TABLA 169

TABLA 170

Parámetros cinéticos para la hidrólisis principal del bagazo en el rango concentrado

Constante de velocidad en min-' para la prebidrólisis del meollo en reactor periódico

Condiciones de reacción rc1 )

Condiciones rC) (4b) k,(min - ') x 10 -1

120

0,186 H2S04

3,76

120

0,436 112SO4

9,1

k2 x 101 -

66

40

2,9

66

60

6,1 x 10-2

E,

callmol

120

0,937 H2SO4

25

-

66

80

3,35 x 10 -

A,C-, = 6,45 x 101 8

140

0,436 H2SO4

60

20,70

80

16,00 H2SO4

-

6,80

1

-

k, x 10

= 26 000

materia seca al mismo se le eliminaron las hemicelulosas, mediante prehidrólisis con ácido sulfúrico a 30 % y 80 °C, durante 5 h. En la figura 139 se muestran los rendimientos de sustancias reductoras en la hidrólisis principal con ácido sulfúrico diluido . Se pueden apreciar las condiciones más severas de temperatura que son necesarias para la hidrólisis de la celulosa del bagazo . 3.3.2 Cinética de la hidrólisis del meollo El comportamiento cinético del meollo, en la hidrólisis química, según los estudios realizados, es semejante al del bagazo. La prehidrólisis del meollo también se puede describir por un modelo de 2 hemicelulosas que se descomponen con

5,21

Los rendimientos de azúcares para la prehidrólisis del meollo se presentan en la figura 140 para un meollo con 23,8 % de pentosanas. El rendimiento de azúcares reductores se incrementa con el aumento de la concentración de ácido y la temperatura y a 140'C y 0,436 % de ácido, se obtienen los mejores resultados con rendimiento de 23 °r6 sobre meollo seco. La hidrólisis de la celulosa del meollo responde a una reacción de primer orden del tipo Arrhenius, similar a la planteada para el bagazo . Los datos cinéticos, también muy parecidos a los obtenidos para el bagazo, se muestran en la tabla 171 .

271

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

20 ^c °,4x

z° ^c°,ies

Fig. 140 Prehidrólisis del meollo en reactor periódico, TABLA 171

Datos cinéticos para la hidrólisis principal del meollo en reactor periódico Condiciones ('C) (u/°)

k x 103 min' 1

160

0,5 H,SO,

1,65

160

1,0 H,SO,

5,64

E = 2 700 cal/mol

180

0,5 H,S04

16,0

A = 1,9 x 10

180

1,0 H,SO,

46

n = 1,67

TECNOLOGICAS DE BAGAZO Y MEOLLO PARA LA HIDROLISIS QUIMICA

3,4 EXPERIENCIAS EN EL EMPLEO

La tecnología de percolación con empleo de ácido sulfúrico como catalizador, es el método desarrollado en escala industrial para la producción de azúcares hidrolíticos . En la URSS y la República Popular de Bulgaria se procesan, anualmente, grandes cantidades de desechos agrícolas y forestales en numerosas fábricas que emplean la tecnología de percolación . En estos paises se ha acumulado una gran experiencia en la operación de plantas que utilizan este pro-

ceso tecnológico para la obtención de hidrolizados fermentables. En virtud de la colaboración científico-técnica con la República Popular de Bulgaria se realizaron, en este país, pruebas en escala industrial para comprobar el comportamiento de las materias primas cubanas : bagazo y meollo, en el proceso de hidrólisis por percolación . Se llevaron a cabo, en primer lugar, experiencias con el empleo de bagazo. La hidrólisis se realizó en reactores de 35 m' de capacidad y de acuerdo con los regímenes tecnológicos previamente diseñados al efecto . El bagazo empleado tenía la siguiente composición en tantos por ciento sobre materia seca:

Polisacáridos totales

73,5

P.F.H,

29,0

P.D.H.

44,5

Celulosa

45,0

Lignina

22,3

Pentosanas

25,8

Cenizas

3,5

272

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Se probaron 9 regímenes diferentes, en la búsqueda de las condiciones más apropiadas para el procesamiento del bagazo, de esta forma, se pudieron obtener, con las mejores condiciones, rendimientos de 42 % de azúcares sobre la materia prima b . s ., en 180 min de duración del batch. El material tuvo un magnífico comportamiento en la filtración, sin dificultades en la extracción del hidrolizado . Los hidrolizados obtenidos se sometieron a la fermentación, en escala de planta piloto, con buenos resultados, y rendimicntos que llegaron hasta 53 % de levadura b. s., en relación con los azúcares suministrados. Las levaduras tuvieron una calidad similar a las obtenidas de otras fuentes. En la tabla 172 se muestra 1 de los regímenes que arrojaron mejores resultados en la hidrólisis del bagazo y en la tabla 173 se aprecia la calidad microbiológica de los hidrolizados obtenidos . En resumen, el bagazo de la caña de azúcar se evidenció como una materia prima con buenas perspectivas para ser utilizado en la tecnología de percolación, en lo que se refiere a su comportamiento hidrodinámico, los buenos rendimientos en la reacción de hidrólisis y la calidad de los hidrolizados obtenidos para los procesos fermentativos . Se probó, así mismo, en el proceso de perca lación, el meollo de la caña de azúcar. Este material, dadas sus características físicas -pequeños tamaños de partícula- no ofrece las mejores condiciones para el proceso de filtración. De esta forma, se decidió realizar las experienTABLA 172 Régimen tecnológico para la hidrólisis del bagazo índice

Unidad

Cantidad

Carga de bagazo seco

kg

3400,0

Hidromódulo inicial

-

7,3

Hidromódulo total

-

22,0

Azúcares obtenidos

kg

1428,0

P.D.H. en lignina

%

6,7

Azúcares reductores en ugnina

%

1,9

Azúcares reductores descompuestos

%

23,9

Rendimiento

%

42,0

min

180,0

Tiempo de reacción

TABLA 173 Calidad microbiológica de hidrolizados de bagazo índice

Cantidad (%)

1. Filtrado

Sustancia reductora

0,13

Nitrógeno

0,107

Peos

0,022

2. Levaduras prensadas

Humedad

79,33

Cenizas

6,49

3. Asimilación

88,40

4. Rendimiento

Levadura seca para reductores iniciales

53,0

Levadura seca sobre la base de los asimilados

60.0

5. Nitrógeno asimilado

59,85

6. P2O5 asimilado

95,28

cias con el empleo de mezclas de bagazo y meollo, de acuerdo con la relación 3 :1, y de obtenerse buenos resultados aumentar, paulatinamente, la proporción en meollo. El interés de emplear meollo como materia prima para la hidrólisis, está dado por el bajo costo de este material, que hasta el presente posee poco uso industrial y que se obtendrá, en grandes cantidades, en los próximos años, como subproducto de las industrias de tableros de bagazo y papel. Las experiencias fueron realizadas en los mismos reactores de 35 ms de capacidad y con los regímenes que mejores resultados habían arrojado en las pruebas con bagazo . Se llevaron a cabo 5 experiencias con las mezclas bagazo: meollo, 3:1 . Se varió, en cada una, la posición del meollo en el reactor, a fin de encontrar las mejores condiciones para la filtración del material. Los resultados obtenidos para todas las experiencias fueron muy poco satisfactorios en lo que respecta : 1. Rendimientos de azúcares obtenidos . 2 . Comportamiento tema.

hidrodinámico

del

sis-

Los rendimientos, en general, fueron menores de 30 "io . La operación de los reactores presentó

273

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

serias dificultades a causa de la mala filtración del líquido a través del material. La filtración es buena en la primera etapa de percolación y se dificulta después, rápidamente, hasta producir, en ocasiones, el llenado completo del reactor con el líquido y la interrupción total de la extracción del hidrolizado . En las últimas etapas de percolación mejora, aparentemente, la filtración con extracción de grandes cantidades de líquidos en pequeños lapsos ; pero esto no es más que la consecuencia de la formación de canales que permiten el paso fácil del líquido, aunque lógicamente con un pésimo contacto entre las 2 fases que afecta el rendimiento . Lo anterior implica también, que durante la cocción permanecen dentro del reactor cantidades de líquido por un tiempo demasiado grande, lo que provoca la descomposición de los azúcares previamente formados . En la mayor parte del proceso, la operación del reactor se hace sumamente difícil, a causa de la inestabilidad en la filtración a través del material . Los hidrolizados obtenidos con la mezcla bagazo-meollo presentan una buena calidad microbiológica, de la misma forma que los que se producen con el bagazo exclusivamente . Sin embargo, los problemas encontrados en el comportamiento hidrodinámico del sistema con la mezcla bagazo-meollo, indican que no es recomendable el empleo de meollo como materia prima en la obtención de azúcares hidrolíticos, por el sistema de percolación en equipos convencionales tales como los empleados en la República Popular de Bulgaria. 3.4.1 Experiencias por el método estacionario de hidrólisis La imposibilidad de utilizar el meollo, a corto plazo, en la,tecnología de percolación, determinó la búsqueda de otros procesos que permitieran el empleo de esta prometedora materia prima en la obtención de azúcares hidrolíticos. Se desarrolló, así, en escala de planta piloto para este material, la tecnología denominada "estacionaria" . Esta tecnología se empleó con anterioridad a la tecnología de percolación y consiste, básicamente, en realizar las reacciones de prehidrólisis e hidrólisis en forma periódica, manteniendo la materia prima y el licor ácido dentro del reactor todo el tiempo que se señala para las etapas de trabajo. Como es evidente, tiene como desventaja frente al proceso de percolación, la descomposición de azúcares que se produce como consecuencia de no extraer rápidamente el licor ácido que contiene los azúcares formados durante la reacción, dado lo cual, por este método, se obtienen, en general, menores rendimientos que por el de percolación . No obstante, por resultar el meollo una materia prima

relativamente barata, su empleo puede resultar económico en el método estacionario, bajo condiciones adecuadas . Los experimentos se realizaron en un reactor de 350 1 de capacidad . El meollo se impregna con una solución de ácido sulfúrico de acuerdo con el hidromódulo deseado y se carga en el reactor, que se cierra herméticamente . Se inyecta, entonces, el vapor de calentamiento, hasta alcanzar la temperatura que se requiera y du, rante el tiempo previsto se realiza la prehidrólisis del material, terminada la cual se filtra la solución extrayéndose los azúcares formados ; con posterioridad, se inyecta de nuevo la solución ácida y se incrementa la temperatura, para realizar la primera etapa de hidrólisis durante el tiempo deseado, al final del cual se filtra, nuevamente, para extraer los azúcares formados en esta primera etapa, se procede luego de la misma forma para una segunda y tercera etapas si fuera necesario y por último, después de agotada la materia prima, se realiza un lavado del residuo lignínico que garantiza el arrastre de los azúcares ocluidos en el material. Se determina el rendimiento, mediante el análisis de los azúcares reductores presentes en el prehidrolizado y las soluciones correspondientes a cada etapa de hidrólisis. La materia prima empleada fue meollo proce. dente de bagazo integral empacado con la siguiente composición en tantos por ciento sobre materia prima seca : P.F.H.

28,5

P.D.H.

37,3

Lignina

23,3

Cenizas totales

5,8

Cenizas activas

1,9

El filtro del reactor se cubrió con una capa de bagazo, a fin de garantizar la filtrabilidad del sistema, por lo cual se tomaron para las experiencias 15 kg de meollo seco y 1,5 kg de bagazo, seco. Se realizó un diseño estadístico de los experimentos, y se probaron un gran número de regímenes para el proceso estacionario con lo cual se determinaron las mejores condiciones para llevar a cabo la prehidrólisis y distin. tas etapas de hidrólisis. El régimen más adecuado para llevar a cabo la hidrólisis estacionaria del meollo, de acuerdo con las investigaciones realizadas, se muestra en la tabla 174. Con estas condiciones se obtuvo un rendimiento de azúcares de 38,4 % sobre materia prima seca.

274

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 174

Régimen tecnológico para la hidrólisis estacionaria del meollo

Tempe . ratura ('C)

Concen. tracidn Tiem- de po dcido (min) (%)

Hidrom6dulo

Prehidrólisis

140

47

0,50

12

Primera etapa

155

40

0,75

8

Segunda etapa

165

45

1,00

8

Lavado

165

20

Se debe destacar que, también en este caso, las malas propiedades filtrantes del meollo limitan la productividad del proceso, ya que, como se comprobó en los experimentos, una tercera etapa de hidrólisis, aunque contribuye al aumento del rendimiento, consume un tiempo enorme de filtración, mayor de 24 h, lo cual hace inaceptable esta tercera etapa . Es necesario, por tanto, estudiar con más detalle el proceso de filtración del meollo y establecer el equipamiento óptimo para esta operación, además de continuar los experimentos para determinar los consumos específicos de los diferentes materiales y servicios, con la finalidad de realizar la evaluación económica del proceso . 3.4.2 Métodos de tratamiento fisicoquímico en la obtención de azúcares hidrolíticos Con el objeto de disminuir los consumos ener géticos y aumentar los rendimientos en los procesos de hidrólisis, se han aplicado una serie de técnicas en las cuales se someten los materiales vegetales a un tratamiento físico que tiene por finalidad destruir las grandes cadenas de polisacáridos y transformar los polisacáridos difícilmente hidrolizables en polisacáridos fácilmente hidrolizables . Estos últimos se hidrolizan, entonces, en condiciones más suaves con el consiguiente ahorro de energía. Se han aplicado distintos tratamientos físicos como son : a) mo lida del material vegetal en molinos vibratorios de bolas y de rodillo ; b) aplicación de vibraciones de baja frecuencia ; c) aplicación de radiaciones gamma. En la mayoría de los métodos el tratamiento físico se combina con el calentamiento del material y el empleo de ácidos minerales concentrados . En la figura 141 se muestran los resultados del tratamiento mecanoquímico de celolignina

Fig. 141 Cinética de la destrucción mecanoqulmica de tos polisacáridos de la celolignina, en presencia de ácido sulfúrico de diferente; concentraciones con hi. dromódulo 0,1 . 1. 49,5 %. 2. 64,2 %. 3. 78,2 % de madera conífera . La celoligina con 56,5 ego de polisacáridos fue impregnada con ácido sulfúrico, de diferentes concentraciones y, posteriormente, sometida a la acción mecánica en un molino vibratorio de bolas de laboratorio, que tiene una frecuencia de 940 vibraciones/min y una amplitud de 60 mm. La fracción de P .F.H. se determinó por hidrólisis del material tratado en solución de ácido sulfúrico a 4 %, durante 3 h, a 100T con hidromódulo 10. En la figura 141 se observa que para una concentración dada de ácido la fracción de P.F.H. se incrementa con el tiempo de molida, a la vez que para un tiempó fijo de molida dicha fracción aumenta con la concentración de ácido . Para concentraciones de ácido de 65 % o mayores, se alcanza, en 40 min de molida, prácticamente 90 % de rendimiento con relación al total de polisacáridos en la celolignina . Las radiaciones y también se han utilizado en el tratamiento de aserrín de abeto y celolignina obtenida de éste para la transformación de los polisacáridos difíciles en fácilmente hidrolizables. El aserrín y la celolignina se sometieron a radiaciones de 108 y 109 Roentgen. El material tratado se hidrolizó en solución 0,1 N de ácido sulfúrico, a 180 °C, con hidromódulo 10 y se determinó el rendimiento de azúcares. En la tabla 175 se muestran los resultados obtenidos para los materiales investigados. En la tabla 175 se observa que el rendimiento aumenta con el incremento de ladosis radiactiva y a 109 Roentgen, en sólo 6 min, se alcanzan

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

275

TABLA 175 Tratamiento de aserrín y celolignina de abeto con radiaciones gamma

Material

Aserrín de abeto

,Celolignina de abeto

Tiempo para al. canzar el mdximo de azúcares (min)

Rendimiento máximo de azúcares (48)

0

60

43,0

109

35

62,1

109

6

72,5

0

60

45,0

10'

30

63,5

109

6

68,3

Radiación (Roentgen)

rendimientos cercanos a 70 vio para ambos materiales. En cuanto al tratamiento de derivados de la caña de azúcar por métodos fisicoquímicos, solamente se han realizado algunas pruebas preliminares en el ICIDCA, de molida de meollo . El meollo ha sido molido en molinos de bola de laboratorio, hasta un diámetro promedio de partícula de 15 km y, posteriormente, sometido a la hidrólisis con ácido sulfúrico a 10 % y 100°C, durante 3 h. El rendimiento de azúcares, con respecto al meollo sin moler para las mismas condiciones de hidrólisis, se aumenta en cerca de 20 % . Los métodos fisicoquímicos pueden abrir nuevas perspectivas para la producción de azúcares hidrolíticos, a partir de materiales vegetales, si se crean nuevas tecnologías que empleen un menor consumo de energía, á la vez que logren un aumento en los rendimientos de los productos y una mayor productividad de los procesos. 3.5 PERSPECTIVAS EN LA PRODUCCION DE AZUCARES HIDROLITICOS Las investigaciones realizadas hasta el momento, en Cuba, se han centrado, principalmente en la caracterización de las materias primas potenciales para la industria hidrolítica y en comprobar su posible utilización en las tecnologías ya existentes . Desde el punto de vista tecnológico, el bagazo puede ser empleado en la producción de azúcares hidrolíticos, por el método de percolación, con el empleo de ácido sulfúrico como catalizador. Para el resto de los derivados de la caña de azúcar, es necesario continuar las investigaciones con el fin de desarrollar las tecnologías apropiadas para el pro-

cesamiento de esos materiales . En general, se deben buscar procesos tecnológicos que disminuyan el consumo energético, que en esta industria tiende a ser grande . En Cuba, las motivaciones más inmediatas para el desarrollo de la producción de azúcares hidrolíticos, es su potencial utilización como materia prima en las plantas de levadura torula que se encuentran instaladas en el país. Esto permitiría liberar apreciables cantidades de mieles finales de caña que pueden colocarse, favorablemente, en el mercado mundial y ser fuente importante de ingresos en divisas para el país. 4 Bibliografía BLANCO, R., G . ALFDNso Y J. LASTRA : "Hidrólisis del bagazo . I." Rev. ICIDCA, No. 1, 1973. BLANCO, R. Y J. LASTRA: "Hidrólisis del bagazo. II." Rev. ICIDCA, No. 1, 1974. CHALov, N. V.: "Destrucción mecanoquímica de poli . sacáridos en presencia de ácido sulfúrico ." Guidroliznaya y Liesojimicheskaya Prom., No. 7, 1962. GoNzAtEz, L. et al.: "Obtención de furfural del cogollo de la caña de azúcar en escala de laboratorio." IV Seminario Científico, ICIDCA . 1981. TcmcA: "Informe de las pruebas experimentales de percolación de bagazo y meollo en escala induct trial." Bulgaria-Cuba, noviembre de 1978. INTERNATIONAL TRADE CENTRE uNcTAD/GATT : Genova, 1978. JAEGGLE, W.: "Integrated production of furfural and acetic acid from fibrous residues in a continuos process ." Escher Wyss News, 2, 1975. KOROLKov, I.: Percolatzionni guidrolizastitielnovo sirid. Ed.: Izdcttielstvo Lexnaya Promishlennost, 1978.

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VILLAR, J. Y

Capítulo X PRODUCTOS AGLOMERADOS NELSON LA SERNA

RAFAEL ALMAGRO

EUGENIO DE LA VEGA

1 Generalidades Las crecientes necesidades de materiales técnicamente aptos que contribuyan a solucionar los problemas que enfrentan las industrias de muebles y de la construcción, han encontrado una respuesta definitiva, y económicamente ventajosa, con el desarrollo de las producciones de productos aglomerados tales como los tableros de partículas, de fibras, elementos moldeados y otros tipos de paneles . El desarrollo de las tecnologías de tableros, responde a la necesidad de incrementar los niveles de aprovechamiento de las explotaciones forestales en países que, no obstante disponer de abundantes recursos maderables, enfrentaban grandes pérdidas de materias del bosque, en forma de ramas y desechos, durante la explotación del mismo y también en la ulterior elaboración de la madera en los aserrios, en forma de astillas y recortes . Los procesos de producción de tableros, constituyeron una excelente vía de aprovechamiento de estos desechos y, a la vez, permitieron el desarrollo de novedosos materiales que impulsaron la evolución de las industrias elaboradoras de la madera. Así, durante la década de los años veinte del presente siglo, se desarrolló, industrialmente, la producción de tableros de fibra en países de Europa y América del Norte, mientras que el proceso de producción de tableros de partículas se estableció sobre una sólida base industrial, a finales de los años cuarenta y durante la década del cincuenta, fundamentalmente en Alemania, Reino Unido, América del Norte, y en otros países de Europa. La materia prima fundamental para la producción de tableros la constituyeron los materiales fibrosos lignocelulósicos, en primer lugar, diferentes tipos de maderas coníferas y frondosas . Después de la madera, las materias primas más utilizadas, mundialmente, en la producción de tableros, son el bagazo de la caña de azúcar y el lino, el bagazo es el que más desarrollo ha mostrado en los últimos años, por sus propiedades morfológicas, que hacen del mismo una excelente fibra para esta industria . A partir de la consolidación tecnológica experimentada por la industria de tableros de partículas después de 1950, fundamentalmente con el desarrollo de máquinas específicas para la

JOSÉ LUIS VALDÉS

OFELIA CARVAJAL

preparación de la materia prima y de métodos novedosos de formación y prensado, que hicieron posible la obtención de productos de calidad superior, con el consiguiente aumento de sus rangos de aplicación, la producción de este tipo de tableros experimentó un vertiginoso aumento, cuya magnitud, a nivel mundial, a partir de 1966, se muestra, como ejemplo, en la tabla 176. TABLA 176

Producción mundial de tableros de partículas Año

Producción (miles m$)

1966

10 954

1967

12 534

1968

14806

1969

17342

1970

19 j70

1971

22 779

1972

27 392

1973

31943

1974

31 747

1975

30822

1976

35034

1977

36684

1978

38589

La producción mundial en el período 1972-1976 significó un aprovechamiento de la capacidad instalada de producción de 76 % y representó 34 46 del total de los paneles de celulosa producidos mundialmente . También la producción de tableros de fibra ha experimentado un notable crecimiento en los últimos años, aunque no de manera tan rápida como la de tableros de partículas . Esto obedece a alternativas de precios, tecnologías y al empleo a que se desti-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR

278 TABLA 177

Producción de tableros de fibra (.miles de m-) Producción anual promedio 1972 .1976

Europa África

6 287 180

Asia

1 107

Américas del Norte y Central

7 523

América del Sur

515

Oceanía

252

Total mundial

15864

nen . La producción mundial y por regiones se indica en la tabla 177. Se reporta la producción anual promedio en el período 1972-1976 . Las cifras que se muestran en la tabla 177, representan 80 % de aprovechamiento de la capacidad instalada y 18 "io del total de los paneles de celulosa producidos mundialmente . Los datos anteriores evidencian la importancia que ambos tipos de tableros han alcanzado en los últimos tiempos, en las industrias de paneles, ya que la producción de ambos alcanza 54 4o del total de los paneles celulósicos producidos mundialmente . Si aun en países que disponen de elevados recursos forestales los tableros han logrado un desarrollo acelerado como el que se ha expuesto, este tipo de industria aumenta su importancia relativa, en países que no posean una industria forestal desarrollada, pero que sí dispongan de fuentes agrícolas o subproductos celulósicos capaces de ser convertidos en ,tableros. Tal es el caso de los países productores de azúcar a partir de la caña, los que pueden disponer de cantidades de bagazo industrializables para estos fines, lo que posibilita la solución, por esta vía. de importantes problemas de la construcción de viviendas, edificios públicos y muebles que, de otra forma, sólo pudieran ser resueltos mediante costosas importaciones . El primer país en industrializar el bagazo para la producción de tableros fue Cuba. Aunque existía una pequeña fábrica desde 1929 que utilizaba fibras celulósicos mezcladas con desechos de papel para producir tableros de fibra, no es hasta la década del cincuenta que se extiende el uso del bagazo como materia prima para tableros, con la construcción de la fábrica Primadera para producción de tableros de fibra, en 1956, y de las fábricas Procuba y Maderas

Técnicas, en 1957 v 1958, respectivamente, para producir tableros de partículas . De estos años en adelante, varios países de América, África y Asia establecieron industrias de tableros de partículas y de fibra a partir del bagazo y, actualmente, las fábricas de ambos tipos de tableros suman alrededor de 30 en el mundo ; la mayor parte son fábricas de tableros de partículas . La producción mundial de tableros de partículas de bagazo, así corno el índice de aprovecha miento de las capacidades instaladas y el peso relátivo de esta producción respecto a los paneles celulósicos producidos mundialmente, se dan en la tabla 178 . TABLA 178 Producción anual Promedio 1972-1976

Producción mundial de tableros de partículas de bagazo (miles de m')

214

Capacidad instalada de producción (miles de m')

357

Aprovechamiento de la capacidad (vo)

60

Producción mundial de paneles celulósicos ( °"'o)

0,25

Producción mundial de tableros de partículas (%)

0,70

Las cifras expuestas en la tabla 178 muestran que, aun cuando en numerosos países se dispone de una materia prima tan valiosa como la caña de azúcar, aún no se ha difundido su utilización en la obtención de productos de indudable importancia económica como los tableros u otros derivados, mientras que cada año se queman, botan o destruyen miles de toneladas de material celulósico . En el caso de la producción de tableros, esto parece estar motivado por el hecho de que, prácticamente, todas las fábricas que han iniciado su producción con bagazo han confrontado dificultades de uno u otro tipo . Las principales causas de estas dificultades consisten en que se ha pretendido aplicar al bagazo esquemas tecnológicos similares a los empleados para la utilización de madera, así como problemas de mercado y otros. La experiencia cubana en esta producción y las investigaciones realizadas han demostradc, que el bagazo constituye una excelente materia prima para la obtención de tableros . No obstante ello, requiere almacenamiento, preparación y

PRODUCTOS AGLOMERADOS

279

TABLA 179 Propiedades de los tableros de bagazo y normas de calidad para tableros de madera Tableros de partículas Propiedades

Densidad

Tableros de bagazo (19 mm)

(kg/m3)

650

Módulo de ruptura (MPa) Tracción perpendicular al plano Dilatación en agua en

24 h (%)

Tableros de fibra duros Propiedades

Densidad

650

18-20 (MPa)

(kg/m3)

Módulo de ruptura (MPa) Dilatación en agua en 24 h (°v) Absorción de agua en 24 h (%) consideraciones específicas de acuerdo con sus características . En la tabla 179 se expone una comparación de las propiedades de los tableros de bagazo, con respecto a los obtenidos a partir de madera. Los datos que se muestran en la tabla 179, resultan de valores promedios de producciones industriales y evidencian la calidad que es factible lograr en los productos obtenidos del hagazo . La industria de tableros de bagazo en Cuba, en la actualidad, se encuentra en un período de notable expansión . Se modernizan, totalmente, la t'ábrica de tableros de fibra Primadera y las de tableros de partículas Procuba y Maderas Técnicas. Además, se construyen 4 nuevas fábricas para producción de tableros de partículas . Tres de éstas tienen una capacidad de 36 000 t/a y producirán tableros de part_culas de espesores medios, mientras que la cuarta producirá tableros finos de partículas con una capacidad de 27000 t/a y constituye un combinado. juntamente con una de las líneas de 36 000 t/a . Este proceso inversionista conducirá a disponer de una capacidad instalada para producir unas 180 000 t/a (unos 260 000 m3 /a) . Una importante línea que ha cobrado importancia para las industrias de artículos para el hogar, de la construcción y de producción de envases, es la producción de elementos moldeados a partir de materiales lignocelulósicos. Las tecnologías desarrolladas hasta el presente están

Normas de calidad tableros de madera (19 mm)

18

0,40-0,45

0,35

14-16

15

Tableros de bagazo (4 mm) 950-1000

Normas de calidad tableros de madera (4 mm) 900-1050

35-45

30-55

15-20

10-30

25-30

10-30

vinculadas, fuertemente, a la producción de tableros, a tal punto que se pueden considerar como una extensión de éstas . En el presente capítulo se exponen los aspectos más relevantes de las tecnologías y particularidades principales de los productos aglomerados que se pueden producir como derivados de la caña de azúcar . 2 Definiciones y clasificación de los productos aglomerados 2.1 DEFINICIONES GENERALES 2.1 .1 Productos aglomerados Son los productos que se elaboran a partir de fibras o partículas de materiales lignocelulósicos (madera, bagazo de la caña de azúcar u otros) por compactación de las mismas, logrando así, materiales de gran superficie . Los aglomerados lignocelulósicos se dividen en : tableros de fibras, tableros de partículas, elementos moldeados, tableros aglutinados con materiales inorgánicos, etc., los 2 primeros son los principales. 2 .1 .1 .1

TABLEROS DE FIBRAS

Son los productos elaborados en forma de panel con materiales lignocelulósicos, cuya unión se debe, fundamentalmente, al entrelazamiento

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR

280

y propiedades autoaglutinantes de las fibras . En el proceso productivo actúan factores como presión, temperatura, etc.; pueden ser añadidos agentes aglutinantes u otros productos en el curso de la fabricación . 2 .1 .1.2 TABLEROS DE PARTICULAS

Son los productos elaborados en forma de panel con partículas de madera u otros materiales lignocelulósicos, aglomerados con aglutinantes orgánicos, bajo la acción de temperatura y presión . 2.1 .1.3 TABLEROS AGLUTINADOS CON MATERIALES INORGÁNICOS

Tableros en los que las partículas lignocelulósicos se aglutinan con productos inorgánicos (por ejemplo, cemento) con la participación de otros productos químicos . 2.1 .1.4

PRODUCTOS MOLDEADOS

Productos obtenidos con partículas o fibras de madera u otros materiales lignocelulósicos, en cuyo proceso de producción se añaden agentes aglutinantes y otros aditivos, empleándose para el prensado, prensas con moldes, que le dan la forma del artículo deseado .

3 . Estado de su superficie . 4. Forma . Lo más importante es la clasificación según la densidad, que exponemos a continuación: CL.ASIFICACIóN DE LOS TABLEROS DE FIBRAS

2.1 .2.1

Tablero extraporoso. Tablero producido con densidad menor que 230 kg/m3. Tablero aislante . Tablero con densidad entre 230 y 400 kg/nz3. Tablero semiduro . Tablero con densidad entre 650 y 850 kg/m3. Tablero duro . Tablero cuya densidad oscila entre 850 y 900 kg/in3 . Tablero . extraduro. Tablero con densidad mayor de 900 kg/m3 . 2.1 .2.2 CLASIFICACIóN DE LOS TABLEROS DE PARTICULAS

De baja densidad . Tableros que presentan una densidad máxima de 400 kg/m3. De densidad media. Tableros cuya densidad oscila entre 400 y 800 kg/m3. De alta densidad . Tableros de partículas con densidad mayor que 800 kg/m3. 3 Materias primas 3.1 BAGAZO Y PAJA DE CAÑA

Fig. 142

Productos aglomerados de bagazo.

2.1 .2 Clasificación de los tableros Los tableros se pueden clasificar de acuerdo con diferentes aspectos. De ellos los principales son: 1 . Densidad . 2. Proceso de fabricación .

El desarrollo científico-técnico alcanzado a nivel mundial en el campo de los productos aglomerados (tableros, productos moldeados, etc.), ha posibilitado la utilización de materias primas tales como el bagazo para la fabricación de estos materiales, con éxito . p.l mayor valor práctico de la utilización del bagazo como materia prima, en esta industria, reside en el hecho de ser un excelente sustituto cualitativo de la madera, superándola, incluso, en algunos aspectos. La experiencia de Cuba confirma que en países productores de azúcar de caña, con escasos recursos forestales, la industrialización del bagazo para la fabricación de productos aglomerados puede significar una disminución de 40 - 80 % de las importaciones de madera natural, cuyo precio se ha incrementado, considerablemente, en los últimos años.

281

PRODUCTOS AGLOMERADOS TABLA 180

Bagazo sobrante en el central (%)

Producción potencial de tableros de partículas (t/a) (t/d)

20

60

18000

25

75

22 500

30

90

27000

45

130

39000

Por otra parte, se ha demostrado que con esquemas energéticos de mayor eficiencia en el central azucarero, es posible industrializar el bagazo como sobrante, es decir, sin necesidad de consumir combustible adicional . En la tabla 180 se relaciona la producción de bagazo sobrante con la potencial de tableros de partículas, a partir de ese bagazo . Se consideran 150 d de zafra y una capacidad de molida en el central de 7 400 t caña/d. De acuerdo con la composición de sólidos de la caña, el componente fibroso es, prácticamente, la mitad del contenido total . De esta fibra, es utilizable alrededor de 70 % . Esto significa que, considerando la caña en su materia sólida, la industria de productos aglomerados puede utilizar de 30 a 35 % de la misma ; sobre el peso total de la caña, esto representa 7 - 10 de aprovechamiento, en cuanto a la producción de tableros de partículas . En la búsqueda de nuevas fuentes de materia prima para la industria de aglomerados, se ha encontrado que la paja de la caña recolectada en centros de acopio, posee posibilidades de industrialización . Su composición química es similar a la del bagazo y los análisis biométricos realizados han demostrado que su fibra elemental, aunque de menor longitud, posee, aproximadamente, 30 % más de esbeltez (relación longitud/diámetro) que la del bagazo . Algunas investigaciones preliminares efectuadas utilizando paja de caña como materia prima para la elaboración de tableros de partículas, han arrojado resultados alentadores . En este sentido se trabaja actualmente en el ICIDCA . 3.2 AGLUTINANTES El aglutinante más ampliamente utilizado en la elaboración de productos aglomerados, es la resina policondensada de urea-formaldehído . Se puede asegurar que más de 90 % de la producción actual de tableros de partículas en el mundo, es realizada con este tipo de resina . En el caso de los tableros de partículas, que es el

aglomerado más ampliamente difundido, la demanda de resina es de 8 - 10 % del peso de la materia lignocelulósica (considerando ambos sobre b .s.) . Para el caso de los productos moldeados esta demanda se incrementa, disminuyéndose, sin embargo, para la producción de tableros de fibra, en los casos en que se utilice . En los últimos años, los materiales sintéticos, elaborados a partir de derivados del petróleo, han incrementado sus precios de manera sustancial, la resina urea-formaldehído ha tenido un aumento de casi 40 % en los últimos 3 a. Para los países subdesarrollados, cuya industria química no está en condiciones de producir las materias primas necesarias,incluso la propia resina, estas nuevas condiciones de precios han influido, negativamente, en el desarrollo de la producción de productos aglomerados en general. En algunos países, las empresas fabricantes de tableros han optado por producir su propia resina, tratando de disminuir la incidencia de ésta en el costo del producto final, que ya ha alcanzado 30-35% . Otros aglutinantes de menor difusión han sido las resinas policondensadas de melamina-formaldehído y fenol-formaldehído, consideradas solamente para la elaboración de productos de usos especiales. Ambas resinas proporcionan una relativamente elevada resistencia del producto final a la humedad, así como un mejoramiento considerable de sus propiedades mecánicas, pero sus costos son significativamente superiores a los de la urea-formaldehído . También han sido desarrolladas, más recientemente, resinas emulsificables de isocianato, obteniéndose muy buenos resultados en las propiedades del producto final, aunque su costo no es aún competitivo con las mencionadas anteriormente . Los aglutinantes inorgánicos comenzaron a utilizarse en combinación con materias lignocelulósicas, a escala industrial, en el año 1976. El de mayor uso ha sido el cemento, aunque también han sido utilizados el yeso, la magnesita y otros. La participación de estos aglutinantes

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

en el panel, es del orden de 50 - 60 % en peso, lo que ha dado por resultado la obtención de un producto utilizable en exteriores, a causa de las características de resistencia y estabilidad propias de los aditivos inorgánicos . 3.3 ADITIVOS QUIMICOS 3 .3.1 Endurecedores y retardadores Estos aditivos son utilizados para aumentar la reactividad de las resinas y reducir los tiempos de prensado. Para catalizar la polimerización de las resinas amínicas, han sido usados el cloruro y el sulfato de amonio, el primero es el de mayor difusión . Su actividad consiste en lograr, mediante la disminución del pH, el medio ácido capaz de producir un aceleramiento en la velocidad de reacción del polímero. La temperatura de 150 - 170'Q utilizada durante el prensado del producto, también acelera el proceso de endurecimiento de la resina . En la fabricación de tableros de 1 capa, estos endurecedores son utilizados en proporciones de 0,5 - 1 %, sobre la base de la cantidad de resina sólida . En la producción de tableros de 3 capas se utilizan diferentes proporciones, en las capas exteriores y en la capa interior. Para las capas exteriores, se usa hasta 0 - 0,5 % mientras que para la capa interior la proporción es de 1,5 - 2,0 % . Para precisar las adiciones de estos productos se ha de considerar la temperatura de prensado y el tipo de prensa, así como las características generales de la resina, especialmente su contenido de formaldehído libre . Algunos fabricantes de tableros han optado, también, por el uso de retardadores para garantizar un mayor tiempo de vida de la resina preparada y evitar endurecimientos prematuros de la misma en el bagazo encolado . Su uso ha dado resultados positivos en los procesos de formación y prensado, y no tienen influencia en la dilatación del tiempo de permanencia en la prensa. Estos retardadores son sales amoniacales que tienen la característica de reaccionar con el formaldehído libre presente en la resina, lo cual proporciona una ventaja adicional en el producto final. También es utilizado como retardador la hexametilentetramina, con resultados similares a los descritos . 3.3.2 Parafina La parafina es un agente hidrófobo, que se adiciona a casi todos los productos aglomerados, con el objeto de mejorar su comportamiento frente a la humedad . A causa de las características morfológicas del bagazo, éste requiere de mayores adiciones de parafina que la madera,

para lograr similares propiedades de resistencia a la humedad en el producto final . En los productos a base de madera, se utiliza entre 0,4 - 0,7 % de parafina sólida sobre la materia lignocelulósica seca, mientras en los productos de bagazo, esta relación es usualmente de 1 % . La parafina puede ser adicionada fundida o en emulsión, esta última forma es la más difundida con contenidos de sólidos de 35 - 45 % . 3.3.3 Otros aditivos Los esfuerzos realizados en la búsqueda constante del mejoramiento de las características generales de los productos aglomerados, han dado por resultado la introducción de nuevos aditivos químicos, los más relevantes son los que le proporcionan propiedades ignífugas y los que tienen determinada actividad biológica, que inhiben el crecimiento de microorganismos en el producto final . Generalmente, la acción de los ignifugantes se basa en el desprendimiento de gases inertes que evitan la rápida propagación del fuego . En otros casos, son usadas sales derivadas de fosfatos que retardan el proceso de combustión de los agiomerados . Para lograr la protección contra el crecimiento de microorganismos, los fungicidas más utilizados son las soluciones de penta y tetraclorofenato sódico, en proporciones de 1 - 3 %, sobre la base de la materia lignocelulósica seca. Estos mantienen su actividad por largos períodos de tiempo, a causa de su buena estabilidad . Algunas otras sales inorgánicas son utilizadas en la producción de tableros de fibras para mejorar la operación de encolado y en la elaboración de paneles a base de cemento, para obtener la necesaria mineralización de las partículas . 4 Tecnología de producción de lostableros de partículas de bagazo El uso de los materiales fibrosos de plantas anuales para la fabricación de tableros de partículas, ha crecido de forma considerable en los últimos años, a causa, fundamentalmente, de la escasez y altos precios de los recursos forestales. De estos materiales, el bagazo de la caña de azúcar ocupa un importante lugar, porque además de sus excelentes propiedades, presenta la ventaja de que se dispone de cantidades suficientes, en una misma localización, como sobrante de las fábricas de azúcar, sin comprometer los requerimientos energéticos de esta industria . Es posible producir una gran variedad de tableros de partículas de bagazo, en dependencia del uso a que se destinen, de ahí que se fabriquen de diversos tipos. Los más difundidos son

283

PRODUCTOS AGLOMERADOS

los de 3 capas o multicapas, con espesores de 12 a 19 mm y densidad media, que tienen amplio uso en las industrias de fabricación de muebles y la construcción . La tecnología de producción de tableros de partículas consta de varias etapas, incluyendo el desmeollado y almacenamiento del bagazo . El desmeollado se efectúa, a causa de la necesidad de eliminar los materiales indeseables para la producción de tableros (meollo) y el almacenamiento del material fibroso, producto del carácter cíclico de la industria azucarera, que obliga

a acumular bagazo para su suministro a la planta durante el receso de la zafra. El resto de las operaciones de esta tecnología se expone a continuación (Fig. 143) . 4.1 PREPARACION DE PARTICULAS Durante la preparación de las partículas de bagazo, se reduce su tamaño hasta alcanzar las dimensiones requeridas para obtener tableros de buena calidad. Los equipos de molida más comunes para esta industria con bagazo, son los

BAGAZO INTEGRAL (100*5 %H b.a.1

DESMEOLLADO

%H=2ot2 %hs.1PRE-SECADO }.+r

EAIPAOUE

1

I

%H=2-5 %Hb.a

ALIIACETMYENrO

SECADO

RESMA

8-12 %RESINA EN BASE SECA CON RESPECTO AL PESO SECO DE LAS PART~

MWON

PREPRENSA00

TEMPERATURA = 160-210 °C PRESION EiPECIPICA-20-25 MPu

Fig. 143

Diagrama de bloques de la tecnología de producción de tableros de pertlculas de bagazo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZÚCAR

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molinos de martillos, por ser los que mejores resultados brindan . Los factores tecnológicos que más incidencia tienen en la molida son : la humedad, el estado del material y el tipo de equipo que se emplee . Un alto contenido de humedad (hasta 60 b .s .) de la materia prima, resulta beneficioso para la calidad de las partículas que se han de producir, pues se reduce la formación de polvo y aumenta la homogeneidad de las partículas, pero el rendimiento de los molinos se reduce considerablemente . En el caso de utilizar humedades muy bajas (por debajo de 15 % b.s .), la fibra obtenida no es buena y se produce gran cantidad de polvo, aunque los molinos aumentan su capacidad . Es por esto que la molida se efectúa, por lo general, con humedades de material entre 20 y 40 % b .s. Existen variados esquemas tecnológicos para la preparación del bagazo . Desarrollos recientes indican buénos resultados con el uso del presecado del bagazo, hasta humedades de 20 -±- 2 b.s ., previo a la molida . De esta manera, se logra combinar, satisfactoriamente, la preparación de partículas (a partir del bagazo desmeollado y presecado proveniente del central azucarero e introducido directamente en el proceso), con una buena preservación de la fibra en su almacenamiento, ya que parte del bagazo presecado se empaca y almacena para emplearse en el tiempo de no zafra . 4 .2 SECADO Y CLASIFICACION Concluida la preparación de partículas se procede al secado y clasificación en fracciones, para el caso de producir tableros de más de 1 capa lo que es práctica usual . Durante el secado, la - humedad del material se reduce hasta 2 - 5 % b. s ., por razones técnico-económicas, de tal manera, que se logren satisfacer los requerimientos de las etapas posteriores (encolado, formación y prensado) . Ademas, la clasificación del bagazo en fracciones también se favorece al utilizar fibras secas, por lo que, generalmente, el material se seca antes de su clasificación . Se pueden utilizar secadores directos del tipo jet o rotatorios o secadores indirectos. Se debe tener en cuenta que los mismos estén diseñados para trabajar con este material . La clasificación de las partículas consiste en la separación del material en fracciones con tamaños apropiados para formar parte de las capas de la superficie y el centro del tablero, al mismo tiempo que desechar el material no apto . La selección de los rangos de tamaño de partículas para utilizar en el exterior e interior del tablero, reviste gran importancia, ya que de esto depende, en gran medida, las propiedades del producto final .

Los equipos de clasificación se dividen en mecánicos y neumáticos, los sistemas más empleados actualmente son los que utilizan instalaciones con ambos principios . La clasificación mecánica se realiza por medio de tamices, y la neumática, al ponerse en contacto el material con una corriente de aire ascendente . Existen diferentes alternativas de disposición de los equipos clasificadores, pero, en cualquier caso, se obtienen, usualmente, 4 fracciones: material de excesivo tamaño (que se remuele y es enviado nuevamente a la clasificación), partículas-aptas para la capa central, partículas para las capas superficiales, y como fracción más pequeña, polvo que se puede emplear como combustible. Para un material con un buen grado de preparación y para el que se ha empleado una buena selección de tamices para su clasificación se puede lograr un balance de fibras apropiado, esto es, 65 % del material para el centro y 35 para la superficie. 4.3 ENCOLADO Durante el encolado, las partículas son impregnadas con un aglutinante, generalmente una resina sintética, que le imparte la solidez necesaria al producto, tras su endurecimiento en el prensado en caliente . Se pueden adicionar, también, otros aditivos químicos (agentes ignífugos, hidrófobos, etc.), para mejorar determinadas propiedades . La adición de resinas constituye un elemento determinante desde el punto de vista técnido-económico, dentro de esta tecnología, ya que las propiedades del producto final están grandemente influidas por la uniformidad del encolado y por la calidad de la resina empleada . Por otra parte, este componente tiene, actual . mente, un costo elevado . Para lograr un buen encolado es necesario mantener una relación constante partículas-resina, por lo que la dosificación de ambas corrientes debe estar bien controlada . Esto se efectúa en la industria actual de forma automática . El aglutinante de uso más difundido es la resina urea-formaldehído, aunque también se utilizan el fenol-formaldehído y la melamina-urea-formaldehído, cuando se desea obtener un produeto resistente a las condiciones de intemperismo . Las cantidades que hay que añadir oscilan entre 8 y 12 % de resina, en b .s., con respecto al peso seco de las partículas. Las máquinas más utilizadas, en la actualidad, para el encolado son las llamadas turboencoladoras o encoladoras de alta velocidad, de las cuales existen diseños para bagazo . En la operación industrial, el encolado se efectúa en 2 equipos, uno para la corriente de material del centro del tablero y otro para las partículas de la superficie.

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PRODUCTOS AGLOMERADOS

4.4 FORMACION La formación es la operación tecnológica que sigue al encolado . En ella las partículas encoladas son distribuidas por capas en forma de colchón homogéneo, sobre chapas metálicas o bandas sintéticas continuas, para ser conducidas a la prensa . La calidad del tablero producido está, decisivamente, influida por esta operación y el éxito de la misma dependerá de la uniformidad con que se distribuyan las partículas. Los equipos utilizados para estos fines actúan, en general, mediante principios de distribución de las partículas en forma mecánica, neumática o por combinación de ambos. La tendencia actual se orienta hacia la utilización de estaciones de formación neumáticas o mecánico-neumáticas. Con bagazo se han probado instalaciones mecánicas y mecánico-neumáticas con resultados aceptables; no obstante, la experiencia industrial parece indicar que, para el caso de esta materia prima, la formación neumática es la más prometedora, a causa del hecho de que las partículas de bagazo muestran una tendencia natural a agruparse entre sí, además, las características de su composición granulométrica provotan que al ser distribuidas por rodillos mecánicos se logre menor uniformidad en el colchón que cuando son esparcidas neumáticamente . 4.5 PREPRENSADO Y PRENSADO El colchón obtenido durante la formación tiene poca consistencia ; las partículas acomodadas tienen entre 10 y 20 veces el espesor final del tablero, es por esto que con el fin de conservar la estabilidad del mismo durante su transportación hasta la prensa caliente y aumentar la eficiencia del prensado, éste se preprensa, una vez salido de la estación de formación . Se pueden emplear preprensas discontinuas de platos o continuas (de rodillos) . La operación de prensado consiste en la aplicación de presión y temperatura al colchón preprensado, con el fin de compactarlo hasta el espesor deseado y gndurecer el aglutinante, para

así unir las partículas y dar forma y solidez al tablero . La prensa caliente es considerada el corazón de una línea de producción de tableros, ya que es el paso determinante que define la capacidad de producción, además de ejercer una gran influencia en las características del producto final. Estas pueden ser de una abertura o de múltiples aberturas, el uso de estas últimas está más difundido . Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas, es por esto que se recomienda para su adquisición, de un análisis técnico-económico cuidadoso, acorde a las condiciones locales. Los tiempos de prensado oscilan, generalmente, entre 0,25 y 0,4 min/mm de espesor del tablero, en prensas de aberturas múltiples y entre 0,13 y 0,2 min/mm de espesor, del tablero para prensas de 1 abertura. La temperatura de prensado varía de 160 a 170°C, para las primeras y de 180 a 210° C para las segundas . Las presiones específicas de prensado son del orden de 2,0 a 2,5 MPa (Fig. 144) . Los medios de calentamiento más difundidos son el vapor de agua, el agua caliente y el aceite térmico; la tendencia actual se encamina hacia la utilización de este último por las ventajas que presenta (mayor uniformidad del calentamiento, no requiere plantas de tratamiento de agua, etc) . Existen numerosos factores que influyen en el proceso de prensado, entre los cuales se encuentran : 1 . Tipo de resina y aditivos empleados . 2 . Humedad del colchón y su distribución . 3 . Presión . 4 . Forma de calentamiento y temperatura de la prensa . 5. Ciclo de prensado . Por todo lo anteriormente expuesto, se puede concluir que en la operación de prensado, para lograr una alta producción - con calidad y de DENSIDAD= 650 kgkm= ESPESOR=19 mm RESINA=UREA FORMAIDEHIDO TEMP=160°C

Km FSPEIFICA

0

1

2

3

4

5

5

7min e TIEMPO

Fig. 144 Diagrama de prensado para la producción de tableros de partículas de bagazo .

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZúCAR

Fig. 145 Planta Camilo Cienfuegos (linea de formación y prensado de plantas de partículas).

forma económica, es muy importante el establecimiento de parámetros correctos acorde con los requisitos tecnológicos (Fig. 145) . 4.6 TERMINACION Los tableros al salir de la prensa son sometidos a una serie de operaciones con el fin de lograr su terminación . La primera que, generalmente, se efectúa, es el corte de sus bordes (can-

teado) con lo cual se le imparten sus dimensiones finales, al mismo tiempo que se eliminan los defectos en los bordes . Esta operación se lleva a cabo en sierras circulares, equipadas, las más modernas, con accesorios para triturar el material sobrante, el que puede ser recuperado e introducido de nuevo en el proceso . A continuación, los tableros se colocan en estibas, por espacio de varios días (aproximadamente 5), con el fin de lograr el curado final de

Fig. 146 Exterior de la planta de tableros Camilo Cienfuegos .

287

PRODUCTOS AGLOMERADOS la resina v la estabilización del contenido de humedad . A esta operación se le denomina climatización. En la mayoría de los casos, los tableros de partículas ya climatizados no poseen los requisitos exigidos, en cuanto a la calidad superficial y tolerancia en espesor . Es por esto, que son sometidos a un proceso de lijado, por ambas caras, a fin de calibrar su espesor y dar mejor acabado a la superficie, sea para su expedición o para aplicar un recubrimiento superficial . La creciente necesidad de máquinas lijadoras altamente eficientes para la producción, en gran escala, de de tableros de partículas, condujo al desarrollo de máquinas lijadoras de banda ancha, las cuales, junto a una alta velocidad de operación, brindan un excelente acabado de la superficie de los tableros . A causa de que aún no está ampliamente difundida en el mundo la cultura tecnológica para la producción de tableros de partículas de bagazo, es importante considerar algunas premisas para la introducción de esta industria, como son : instalación de esquemas energéticos adecuados, en los centrales azucareros, capaces de brindar cantidades suficientes de bagazo sobrante, sin comprometer sus requerimientos de energía ; diseñar la concepción tecnológica de la planta de tableros, teniendo en cuenta las particularidades y el comportamiento de esta materia prima (que difiere, en muchos casos, de la madera) ; demostrar las bondades de este producto para crear una conciencia nacional acerca de las ventajas de su utilización, etc . No existe duda, y algunos países así lo han demostrado, de que la producción de tableros de partículas de bagazo resulta un renglón de grandes perspectivas en aquellos países que posean este importante recurso natural (Fig . 146) .

5 Tecnología de producción de los tableros de fibra La producción de tableros de fibra se realiza, actualmente, por 3 métodos tecnológicamente diferentes : el método húmedo, el método húmedo-seco y el método seco. La denominación de cada método responde al sistema utilizado para realizar los procesos de formación del colchón y prensado. Tanto la formación como el prensado se pueden realizar en húmedo o en seco. Si ambas operaciones se realizan en húmedo, la tecnología es denominada método húmedo ; cuando la formación se realiza en húmedo y el prensado en seco, el sistema adoptado es el húmedo-seco y en el método seco, ambos procesos son realizados a muy baja humedad . Cada tecnología posee sus propias ventajas y desventajas, éstas están asociadas, fundamental-

mente, al consumo de agua y su tratamiento como residual, al consumo de resinas, a los peligros de incendios y explosiones, a las características específicas del equipamiento para cada método y a las propiedades del producto final . Se ha demostrado que el bagazo como materia prima es apto para ser procesado por cualquiera de las 3 tecnologías, aunque su utilización industrial ha estado relacionada con los métodos húmedos y húmedo-seco . Se debe señalar, que el uso del bagazo en la industria de tableros de fibra ha requerido que se realizaran modificaciones en el equipamiento desarrollado para procesar la madera, especialmente, en lo que se refiere a la elaboración de la pulpa . 5.1 ELABORACION DE LA PULPA La materia prima básica para la fabricación de los tableros de fibra, se obtiene mediante la transformación de adecuados materiales lignocelulósicos a un estado fibroso, donde predominan las fibras y haces de fibras, cuyas dimensiones son muy inferiores a las del material original . Para lograr esa transformación de la materia prima han sido desarrollados diferentes procesos, los más utilizados por la industria de tableros son el método de pulpeo mecánico, el químico-mecánico y el termomecánico . Los 2 primeros jugaron un importante papel en el surgimiento y desarrollo de esta industria, pero con la aparición del tratamiento térmico de la materia prima, previo a la desfibración y refinación mecánicas, quedaron rezagados . El proceso termomecánico de pulpeo, significó, para la industria, una disminución en el consumo energético durante la preparación del material y un incremento en la homogeneidad y calidad de la pulpa . Este proceso se basa en el ablandamiento de la lignina contenida en las paredes intercelulares de las fibras individuales, a una temperatura superior a los 150 °C, en estas condiciones, la fibra incrementa, notablemente, su plasticidad, favoreciéndose la separación en pequeños haces fibrosos, mediante la aplicación de un conveniente efecto mecánico . El proceso de tratamiento térmico, originalmente, se realizó en ,digestores discontinuos, fijos o rotatorios, en los que se depositaba la materia lignocelulósica y el agua capaz de reálizar la prehidrólisis del material, a una temperatura de 160 - 180°C . El calentamiento de los digestores se realizaba por vaporización directa, generalmente, con vapor saturado a una presión de 10 atm . Durante este tratamiento, a causa de la elevada proporción de agua, una parte de las pentosanas presentes son hidrolizadas, lo que determina cambios en la composición química del material y pérdidas en la materia prima. Sin embargo, si el proceso de calentamiento se realiza por corto tiempo a una humedad infe-

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

rior a 70 %, sin la adición de productos químicos y a una temperatura de 160 - 180 °C, la acción hidrolítica es muy limitada por lo que, generalmente, se considera que para estas condiciones la materia prima no cambia en su composición química . Precisamente, en estas últimas consideraciones y en la plastificación de los materiales lignocelulósicos, se basó Arne Asplund (Suecia) cuando ideó el método continuo de elaboración de pulpa, donde las operaciones de tratamiento térmico y desfibrado de la materia prima se realizan de forma continua en un equipo compacto . El material que se va a procesar es alimentado, continuamente, a una cámara de precalentamiento, vertical u horizontal, permaneciendo en ésta, por algunos minutos, antes de pasar a la máquina desfibradora. Durante la alimentación se puede adicionar productos químicos que mejoren la cocción del material, pero esta práctica resulta inusual en la industria de tableros de fibra, a causa de que

el grado de molida demandado en la pulpa no es tan elevado como en otras industrias, como, por ejemplo, la del papel. A la cámara de precalentamiento es suministrado vapor saturado a una presión de 8- 10 atm, lo que posibilita la termoplastificación de la lignina y el ablandamiento del material, que pasa, posteriormente, al deslibrador donde, por un esfuerzo mecánico de cizallamiento, es separado en haces fibrosos . En este proceso de desfibrado, el consumo energético depende del tipo de pulpa que se desee producir . Así, para la elaboración de tableros duros, cuyo grado de molida es de 18 - 25 s De/ibrator, el consumo es de 125 - 200 kw-h/t de pulpa seca, mientras que para tableros aislantes o porosos, este consumo puede aumentar hasta 400 kW. h1t de pulpa seca, a causa del superior grado de molida demandado que es de 30 - 40 s Defibrator (Fig. 147) . En los últimos años, el auge adquirido por el bagazo como materia prima, ha determinado que numerosas firmas constructoras de estas máquinas hayan realizado diseños específicos que se

Fig. 147 Termodesfibrador. 1 . Tolva de alimentación. 2 . Vibrador. 3, Tornillo ali mentador . 4 . Tapón de material. 5. Entrada de vapor. 6 . Precalentador . 7 . Controlador . 8. Tornill o conductor. 9 . Desfibrador .

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PRODUCTOS AGLOMERADOS

ajusten con mayor precisión a las características del bagazo . Actualmente, existen en el mundo, alrededor de 15 plantas de producción de tableros de fibra, la mayoría de las cuales utiliza pulpa termomecánica elaborada en termodesfibradores . 5.2 ENCOLADO (ADITIVOS QUIMICOS) Para mejorar las características del producto final, antes de la formación, se agregan a la pulpa determinados aditivos químicos . Cuando la formación se realiza en húmedo, normalmente no se adiciona ningún tipo de aglutinante, para este fin sirve la propia lignina que posee la materia prima y que es reactivada durante el proceso de prensado . En el método seco, aunque se han realizado esfuerzos para desarrollar una tecnología que no use aglutinantes, los mejores resultados se han obtenido adicionando de 5 a 7 de resina de fenol-formaldehído o urea-formaldehído . Un aditivo generalmente utilizado es la parafina, fundida o en emulsión a 35 - 45 % de sólidos . Para productos de bagazo, ésta es adicionada en proporción de 1 %, sobre la materia prima seca. La parafina es un agente hidrófobo, capaz de aumentar la resistencia del producto final a la humedad y mejorar, por tanto, su estabilidad dimensional . También han sido utilizados otros aditivos para proteger al tablero del ataque de hongos y bacterias, así como agentes ignifugantes y otros . En los procesos de formación en húmedo, estos aditivos se agregan antes de la formación, con

Fig. 148

una consistencia de la pulpa de 6 - 7 % . Durante el mezclado, se añade sulfato de aluminio, a fin de modificar el pH y producir la floculación de geles que favorecen la precipitación de la parafina y otros productos adicionados sobre la pulpa . En el método seco de formación, estos productos se adicionan en las máquinas desfibradora o refinadora, juntamente con la resina . 5.3 FORMACION DEL COLCHON El método de formación del colchón a partir de una suspensión de pulpa a baja consistencia, fue el primero que utilizó la industria de tableros de fibra desde sus orígenes . Este método encontró una amplia difusión a causa de su fácil operación y versatilidad para producir tableros de diferentes características . Los 2 sistemas más conocidos de formación en húmedo son el Fourdrinier y el de cilindros . El primero se basa en el derrame de la suspensión de pulpa sobre una banda de malla plana que se desplaza a una velocidad de 2-8 m/min, en dependencia del tipo de tablero que se pretenda producir . El segundo sistema se fundamenta en la deposición de la pulpa sobre las mallas de 2 cilindros sumergidos, parcialmente, dentro de la suspensión de pulpa ; el agua drena a través de la malla, la pulpa queda depositada sobre ambos cilindros, desde donde es extraída en formn de colchón y continuamente . Ambos sistemas han demostrado ser adecuados para, procesar el bagazo, pues se obtiene un entrecruzamiento de la fibra que le proporciona una considerable resistencia al producto

Línea de formación en húmedo para tableros de fibra (sistema Four. drinier).

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

final, sin necesidad de emplear resina. En Cuba, este último sistema ha sido utilizado por más de 20 a con notable éxito. La formación en húmedo posee la versatilidad de poder producir una amplia gama de densidades, es decir, desde tableros porosos hasta tableros duros (Fig . 148) . El otro método, más recientemente desarro llado, utiliza para la formación del colchón la fibra encolada y seca a una humedad de 2-4 En estas condiciones de baja humedad, la fibra se hace muy combustible, por lo que es necesario tomar medidas especiales contra incendios y explosiones . El principio de formación se basa en la distribución neumática de las fibras sobre una malla en movimiento, cuya velocidad depende del espesor del tablero que se desee prodecir. Este método, denominado seco, permite la producción de tableros de media (MDF) y alta densidad ; la producción de tableros porosos queda reducida al método húmedo de formación . Una ventaja del proceso seco consiste en la diversidad de espesores que es posible lograr, comparable al obtenido por la industria de tableros de partículas . La producción de tableros de densidad media (MDF), ha experimentado un auge vertiginoso recientemente. En los últimos años, el proceso húmedo ha encontrado numerosos opositores a causa de los excesivos consumos de agua (de 30-50 m3 /t de tableros) o a los gastos de su tratamiento como residual para su recuperación y reutilización. Sin duda el consumo de agua puede constituir una desventaja del proceso húmedo, aunque en países como Suecia, Francia, EE. UU . y otros, han logrado reducciones en el consumo hasta de 2 m 3 /t de tableros, mediante la purificación y recirculación del agua de proceso, lo que ha permitido que este método incremente de nuevo sus posibilidades de empleo. 5 .4 PRENSADO

La operación de prensado se puede efectuar tanto en húmedo como en seco . Si la formación se produce en húmedo, el prensado se puede realizar en húmedo o en seco, en dependencia de la tecnología adoptada. El colchón, a la salida de la formadora, recibe un prensado en frío del que sale con una humedad entre 60 - 65 % ; este colchón puede ser secado, completamente, hasta una humedad de 2-4 %, tanto para la producción de tableros porosos, como para ser sometido al prensado en caliente. En este último caso, el método es el denominado húmedo-seco y el tablero obtenido es liso por ambas caras, con buena calidad en la superficie para su posterior tratamiento . La presión utilizada es de 6 MPa, cuando el colchón es sometido al pren-

sado en caliente, a una humedad de 60 - 65 %, método húmedo ; es necesario colocar una malla metálica entre el colchón y un plato de la prensa a fin de que drene el agua que sale al prensar; el tablero queda liso por una sola cara, en este case, los tiempos de 15rensado se dilatan hasta 10 min y más, a causa de la cantidad de agua que es necesario evaporar . La presión específica máxima es de 5,0-5,5 AIPa . En el proceso seco de formación y prensado se obtiene un tablero liso, por ambas caras, con una excelente terminación superficial a causa ,le, la estructuración del material durante la formación . Los tiempos de prensado son inferiores a los necesarios en los métodos húmedo y húmedo-seco, estando definidos por el endureci.niento de la resina. Se han logrado tiempos totales de 140 - 160 s, lo que ha permitido incrementar, sustancialmente, la productividad de las prensas . Cuando no se utiliza resina, los tiempos de prensado se incrementan hasta 300 s, la presión y temperatura son de 6-7 MPa y 200 - 230'C, respectivamente (Fig. 149) .

Proceso Húmedo

I

N

1101111M

IrMIMMMMMMM on NONE 0 1 1 3 5 6 7min0

Proceso Seco

Fig. 149 Diagrarnas de prensado para tableros de libra duros. 5 .5 ACABADO DE LOS TABLEROS

Ln proceso de especial importancia durante la manufactura de tableros de fibra es la humidificación y acondicionamiento posterior para evitar posibles deformaciones. Para equilibrar la humedad del tablero con la humedad ambiental, éste se somete a un clima altamente húmedo, a una temperatura aproximada de 50'C, por un tiempo de 4 - 5 h. Es posible acortar este tiempo si se utiliza una atmósfera completamente saturada (100 % humedad relativa) y temperaturas ligeramente superiores a los 50 °C . Cuando no se cuente con los túneles adecuados para realizar la humidificación, es posible sumergir en agua el tablero, por muy corto tiempo, o rociarle agua por ambas caras mediante atomización .

29 1

PRODUCTOS AGLOMERADOS Pala elaborar tableros de superior calidad, éstos se someten a un tratamiento térmico en cámaras de aire caliente . Numerosos sistemas tie tratamiento han sido utilizados, el más generalizado es el de someter el tablero por 4 ó 5 h a una temperatura de 140 - 150 °C. Se reporta, que mediante un tratamiento de este tipo o similar, el tablero puede incrementar su módulo de ruptura entre 15 - 20 % . El tratamiento con aceites secantes también ha sido utilizado para mejorar, en general, las propiedades del tablero, pero el incremento en el precio de estos aceites ha limitado su utilización sólo a casos muy especiales de uso . Por otra parte, el aceite produce una capa superficial en el tablero que afecta la adhesividad del recubrimiento, por lo que también queda reducida su utilización por esta causa.

3 . Elementos varios para muebles del hogar (tapas de mesas, piezas para sillas) . 4. Contenedores para transporte y almacenamiento (cajas, paletas) . 5. Elementos ornamentales para la construcción (cubiertas para paredes, cielos rasos, coberturas de calefactores) . 6 . Piezas para la construcción (encofrados) . 7. Féretros . 8. Otros (Fig. 150) .

6 Productos moldeados Además de la producción de paneles de gran superficie y de forma plana (tableros de partículas, tableros de fibras, etc .), con materiales lignocelulósicos, se pueden fabricar, también, piezas de formas variadas a las que se denominan productos moldeados . Dentro de esta categoría se encuentran los productos que adquieren su forma final en una sola operación, mediante el prensado en moldes de materiales lignocelulósicos, previamente preparados con la participación o no de resinas sintéticas, pero no se incluyen los paneles conformados por el tallado o aserrado de la madera bruta o por prensado en moldes de láminas o chapillas de madera encolada . En esencia, la fabricación de productos moldeados se puede considerar como una extensión de las tecnologías de producción de fibras y de partículas, la diferencia fundamental consiste en el hecho de utilizar moldes durante el proceso de prensado, lo que brinda la posibilidad de producir piezas de diferentes formas, con materiales lignocelulósicos aglomerados . Las tecnologías más difundidas para la producción de estos elementos, son las que utilizan el proceso seco con adición de resinas, es decir, similares a las de producción de tableros de partículas y son éstas a las que nos referiremos en lo adelante . Por medio de estos procesos de moldeo se pueden fabricar : 1 . Gabinetes para radios,televisores, grabadoras . 2. Componentes para mobiliario de cocina (banquetas, puertas de aparador) .

Fig . 150 A y B. Productos moldeados.

292

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Hay, en la actualidad, 3 tecnologías principales para fabricar productos moldeados, las que fueron desarrolladas en Alemania y son conocidas como los procesos : 1 . Thermodyn . 2. Collipress . 3. Werzalit . Algunas de las cuestiones más significativas de estos procesos son : 6.1 THERMODYN Utiliza altas temperaturas (hasta 300 °C) y presiones (20 - 30 MPa) en la operación de prensado, que se efectúa en moldes herméticamente cerrados . Presenta como característica peculiar, que no utiliza resinas (o en muy bajo contenido), a causa de que las altas, temperaturas 'empleadas en el proceso de prensado originan reacciones en el material lignocelulósico, dando esto como resulta la activación de la lignina que funge como autoaglutinante del producto. Tiene como gran desventaja la necesidad de enfriar el molde cerrado, una vez concluido el prensado, con el fin de condensar los vapores de agua que se producen, lo cual trae como resultado que el proceso de prensado sea largo y costoso . Se obtiene productos moldeados de alta densidad (1 a 1,3 kg/ /m3) . 6.2 COLLIPRESS Proceso dirigido a la fabricación de envases de diferentes tipos . Se utilizan prensas con un diseño especial, que cuentan con un pistón vertical y varios laterales . Se utiliza resina urea-formaldehído o fenol-formaldehído (5 a 15 %) como aglutinante y la presión y temperatura en el proceso de prensado son del orden de 5 - 10 MPa y 140 - 200 °C, respectivamente . 6.3 WERZALIT Es el proceso más difundido para la fabricación de piezas moldeadas y mediante el mismo se puede producir una gran variedad de elementos o piezas . Utiliza resina urea-formaldehído, fenol-folmaldehído o melamina-urea-formaldehído, en cantidades de 5 a 20 %, referidas a las partículas secas. La presión de prensado puede variar de 1,3 a 10 MPa y la temperatura desde 135 a 180 °C. Presenta como ventaja significativa, la posibilidad de recubrir las piezas moldeadas con papeles impregnados con resinas o chapillas de madera, durante el prensado, obteniéndose así las .-piezas terminadas en una sola etapa .

La producción de piezas moldeadas con materiales lignocelulósicos, en estos momentos, no se puede considerar como una producción de gran difusión y masividad a nivel mundial, a causa, fundamentalmente, de la competencia que desde el punto de vista económico aún ofrecen otros materiales (por ejemplo, el plástico), no obstante, se preve una expansión en los próximos años a causa del incremento gradual de precios de los productos derivados de la petroquímica, y a la calidad y grandes posibilidades, desde el punto de vista del diseño, que tienen los productos moldeados de materiales lignocelulósicos para las industrias del mueble y la construcción. Esta industria se ha ido introduciendo, en forma paulatina, bajo ciertas premisas que es importante considerar para su establecimiento: 1.

Desarrollo, fundamentalmente, de los artículos que elaborados por métodos convencionales (carpintería, etc .), tengan un alto costo o produzcan muchos desechos.

2. El proceso debe ser lo suficientemente versátil para asimilar, con pequeñas variaciones, la producción de diferentes artículos . 3. Producir grandes cantidades de un mismo artículo para hacer más rentable la producción, dado el elevado costo de los moldes y dispositivos. En estos últimos años, se ha mostrado inclinación e interés crecientes por la utilización de residuos agrícolas y plantas anuales, en la fabricación, tanto de tableros como de elementos moldeados, dada la escasez ascendente de recursos forestales . Dentro de este campo, ocupa un lugar relevante la utilización del bagazo de la caña de azúcar . A continuación se esbozan algunos de los aspectos más importantes de la tecnología para la producción de elementos moldeados a partir del bagazo de la caña de azúcar (Fig. 151) . 6.4 TECNOLOGYA DE PRODUCCION DE PRODUCTOS MOLDEADOS DE BAGAZO 6.4.1 Desmeollado Por medio de esta operación, se separa el meollo (material indeseable, dadas las inadecuadas propiedades de resistencia, absorción de agua, etcétera, que le confiere al producto) de las fibras de bagazo, tejido apto para esta producción . Para esta tecnología es recomendable el desmeollado del bagazo en húmedo, a la salida del central azucarero (% humedad 100 ± 5 % b.s.) ; pueden ser utilizados equipos de molida con rotor

PRODUCTOS AGLOMERADOS

BAGAZO PROVENIENTE DEL CENTRAL AZUCARERO DESMEOLLADO

EMPAQUE

ALMACENAMIENTO

PREPARACION DE PARTICULAS

SECADO

CLASIFICACION

ENCOLADO

FORMACION

PREPRENSADO

PRENSADO

TERMINACION

Fig. 151 Diagrama de bloques de la tecnología de producción de piezas moldeadas de bagazo.

vertical u horizontal combinados o no con cribas adicionales . El tanto por ciento de separación de la fracción meollo, en esta operación, es del orden de 25 a 40 "io del bagazo alimentado, en dependencia del proceso utilizado, . la cantidad deseada de fibras, etcétera.

Se debe señalar, en este aspecto, directamente vinculado con el suministro de bagazo, que dado el carácter cíclico de la industria azucarera. (120-180 d de zafra), es necesario almacenar suficiente bagazo para lograr el abastecimiento de la planta de aglomerados durante todo el año (280 - 300 d) .

294

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Este almacenamiento se puede realizar de diferentes formas: bagazo integral, bagazo desmeollado, bagazo desmeollado y prencado, etc., en pacas o briquetas . El almacenamiento del bagazo es un aspecto técnico-económico de vital importancia para esta tecnología, por lo que debe ser estudiado, con detenimiento, en las condiciones particulares en que se planifique la erección de una planta de moldeados . 6.4 .2

Preparación de partículas

Consiste en el dimensionamiento de las partículas, con el fin de lograr una composición granulométrica adecuada . Se utilizan, comúnmente, molinos de martillos, los cuales trabajan, de manera eficiente, con bagazo . Es importante tomar en consideración, en la concepción tecnológica, de esta etapa del proceso, variables como : tanto por ciento de humedad del bagazo, Tipo de producto final que se va a elaborar y su grado de terminación, etc . En general, para este tipo de producción se utilizan partículas de menor tamaño que las empleadas para la confección de tableros de partículas, sus longitudes máximas oscilan entre 4 - 5 mm y las mínimas entre 0,2 - 0,5 mm. 6.4 .3

Secado

En esta operación se reduce el contenido de humedad de las partículas de bagazo, generalmente, hasta 2 - 5 % b.s., con lo que se satisfacen los requerimientos de las operaciones siguientes (clasificación, encolado, prensado) . Pueden ser utilizados equipos de secado directo tipo Jet o rotatorios o secados indirectos, los que han sido probados con bagazo . 6.4 .4

Clasificación

Por medio de la dosificación del material seco, se selecciona la fracción de partículas con tamaños adecuados para confeccionar los productos moldeados, los equipos de uso más difundido son los clasificadores por principios mecánicos, en los cuales se hace pasar el material por mallas con determinadas aberturas y movimiento vibratorio. Un esquema de clasificación posible, consiste en hacer pasar el material por un juego de 2 mallas, en que la superior tiene de 5 a 6 mm de abertura y la inferior de 0,2 a 0,3 mm de abertura . La fracción, con tamaño mayor de 5 a 6 min, es remolida y alimentada nuevamente al clasificador, la fracción intermedia obtenida entre ambas mallas, es empleada en el proceso de fabricación y la parte recolectada con tamaño menor de 0,2 - 0,3 mm es desechada y se puede utilizar como combustible .

Es importante considerar, que el tamaño de partículas utilizado ejercerá gran influencia en las características finales del producto (grado de terminación, propiedades físico-mecánicas, etcétera) por lo que se debe seleccionar, cuidadosamente, el esquema de clasificación, a fin de lograr un producto con las características esperadas. 6.4 .5

Encolado

Una vez obtenida la fracción de partículas aptas para la confección de productos moldeados, éstas son impregnadas con un encolante orgánico (urea-formaldehído, fenol-formaldehído o melamina-urea-formaldehído) en un orden de 5 a 20 % . Se utiliza resina urea-formaldehído para los productos que no necesitan ser resistentes a las condiciones de intemperismo o a exposiciones en un ambiente con alto contenido de humedad, para estos casos son convenientes las resinas fenólicas o de melamina . Juntamente con la adición de las resinas a las partículas, pueden ser añadidos otros aditivos para conferir determinadas propiedades al producto, por ejemplo, agentes ignífugos, hidrófobos, etc. La operación de encolado de las partículas resulta importante, tanto en la economía de producción, como en la calidad del producto elaborado, a causa de los altos costos de estas resinas sintéticas y por el hecho de que para lograr un producto de buena y estable calidad, es necesaria una correcta impregnación de las partículas. Se han desarrollado equipos encoladores para bagazo que brindan resultados satisfactorios. 6.4 .6

Formación

Consiste en la distribución de las partículas encoladas sobre la matriz o molde. Existen, para la fabricación de determinadas piezas, sistemas mecánicos de formación que realizan esta operación automáticamente (por ejemplo, líneas de fabricación de paletas), no obstante, si se desea un bajo grado de automatización, esta operación se puede efectuar, manualmente. Es muy importante, lograr una buena distribución de las partículas encoladas sobre el-molde, y en las cantidades necesarias para obtener un producto de calidad uniforme . 6.4 .7

Preprensado y prensado

En estas operaciones se confiere la solidez y formas definitivas a las piezas. El preprensado se efectúa, generalmente, en frío y consiste en la compactación de las partículas encoladas, de tal forma, que adquieran cierta resistencia y se pueda manipular la pieza preconformada para

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR ser colocada sobre el molde de la prensa caliente. Esta operación se practica cuando se van a producir piezas recubiertas con papeles impregnados, de tal forma, que el prensado en caliente se efectúe conjuntamente con el recubrimiento . En caso de producir elementos que no son tratados con recubrimiento sólidos se puede eliminar la operación de preprensado . Los parámetros del prensado en caliente como tiempo, temperatura y presión, están directamente relacionados con el tipo de pieza que se vaya a producir, espesor, tipo de aglutinante, etc ., y pueden oscilar entre los valores : Presión = 1,5 - 10 MPa. Tiempo = 1 - 10 min. Temperatura = 130 - 180 °C. 6.4.8 Terminación Puede consistir en un variado número de operaciones, en dependencia de la pieza elaborada . Entre estas operaciones puede estar, la eliminación del material sobrante de los bordes, el corte de determinadas partes, barrenado, etiqueteado, etc . En la actualidad, existen equipos para realizar estas operaciones .

295

Aunque la escala mundial de la industria de productos moldeados, es aún pequeña, algunas tecnologías han logrado una buena aceptación y crecimiento en los últimos años, en la actualidad, existen instalaciones, en países como EE. UU ., Alemania, Inglaterra, Checoslovaquia, Yugoslavia, Francia y otros. Algunos países productores de azúcar de caña y, por consiguiente, con cantidades suficientes de bagazo para su industrialización como Cuba, Argentina y Venezuela, han mostrado interés por la instalación de plantas en las líneas de fabricación de envases, la construcción e industria del mueble ; con lo cual se pueden lograr importantes ventajas económicas, como diversi. ficación de la industria, sustitución de importaciones y posible fuente de exportaciones, uso más apropiado del bagazo, etc . Finalmente, se debe señalar el hecho de que para instalar una industria de este tipo con bagazo es muy importante tomar en consideración las características propias de este material, por lo que se debe hacer una buena selección del tipo de almacenamiento, de la tecnología de desmeollado, preparación y manipulación del bagazo, así como valorar sus particularidades para la confección de los moldes.

6.5 PROPIEDADES

7 Productos aglutinados con materiales inorgánicos

Resulta difícil ofrecer valores para las propiedades físicas o mecánicas de los productos moldeados, a causa de la gran variedad de piezas que se fabrican y la alta influencia que en sus propiedades tienen la materia prima utilizada (tipo de madera, bagazo, etc .), el agente encolante, su proporción, el espesor del producto, acabado, etc .; no obstante, en la tabla 181 se muestran algunos valores indicativos para 2 tipos de productos elaborados con bagazo.

En la actualidad, se fabrican varios tipos de productos aglomerados, elaborados con materiales lignocelulósicos (fundamentalmente madera), aglutinados con sustancias inorgánicas, a los que se denomina, comúnmente, productos aglomerados con minerales . Dentro de esta categoría, se pueden mencionar, entre otros, los obtenidos con lana de madera y los tableros de partículas de madera-cemento .

TABLA 181 Propiedades de elementos moldeados de bagazo Cajas moldeadas Dimensiones : Densidad :

Paletas moldeadas

595 x 395 x 240 mm 650-750 kg/m'

Densidad

Espesor de las paredes : 4 mm Resistencia a la flexión: Dilatación del espesor por inmersión total en agua:

Dimensiones :

25 MPa 15 48

Carga:

1200 x 1000 mm 750-800 kg/m=

1000 kg

296

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZQCAR

En estos aglomerados se logra combinar, favorablemente, las características de sus componentes (fibras vegetales y aglomerantes inorgánicos), lo que da como resultado, un producto con buenas propiedades mecánicas, acústicas, resistente a las condiciones de intemperismo, al fuego y al ataque de hongos e insectos. Estas propiedades, no sólo están influidas, por las materias primas utilizadas, sino también por la densidad final alcanzada (que es función del grado de compresión empleado en el proceso de fabricación), y que puede variar desde 350 kg/ /2n3 hasta 1350 kg/m3. Así, los productos que tienen como base lana de madera, que son los de menor densidad (350 kg/m3 - 570 kg/m3), presentan valores bajos de resistencia, pero son muy ligeros y tienen muy buenas propiedades aislantes del sonido y el calor. Los tableros de partículas de madera-cemento tienen mayor densidad (900 kg/na3 - 1 350 kg/m3) y logran mejores propiedades mecánicas y mayor calidad superficial junto a resistencia al fuego y a condiciones climáticas de intemperismo (Fig. 152) . De estos materiales, los productos elaborados con lana de madera se fabrican desde hace más de 30 a y son los que mayor difusión tienen en la actualidad, mientras que los tableros de partículas aglutinados con cemento, son de desarrollo más reciente (Elmendorf Research Incorporated, 1962) y han logrado una gran acogida en el mercado, a causa de su buena calidad como material de construcción. Las principales materias primas empleadas en la fabricación de estos productos son, madera u otros tipos de residuos lignocelulósicos (cáscara de arroz, tallo del algodón, cte.) y el aglutinante inorgánico (cemento Portland, yeso, magnesita) . De estos últimos el más difundido es el cemento Portland de fraguado rápido . En cuanto al material lignocelulósico que se vaya a emplear, se debe señalar que existen compuestos presentes en los mimos que resultan retardadores del curado del cemento (azúcar y fenoles), a los que se denomina envenenadores del cemento, los que, por encima de ciertas concentraciones, hacen prohibitivo el uso de estas materias primas . De ahí la importancia de una buena selección del tipo de material lignocelulósico, para obtener buenos resultados . Es conocido, que las maderas blandas (coníferas) son más apropiadas para estas tecnologías que las maderas duras, pues estas últimas tienen un alto contenido de hemicelulosa . Son utilizados, por lo general, algunos aditivos químicos que sirven como aceleradores del fraguado del cemento, los más importantes son: silicato de sodio, sulfato de aluminio y cloruro de calcio . Sobre el uso del bagazo, no existe una gran experiencia en el mundo acerca de la utiliza-

Fig. 152 A y B. Construcciones en las que se ha utili. zado paneles de madera-cemento.

ción de esta materia prima en la confección de productos aglomerados cori cemento, no obstante se han realizado ensayos experimentales en países como Cuba y Alemania, en la tecnología de fabricación de tableros de partículas bagazo-cemento, con resultados satisfactorios, por lo que existe una base orientadora para el desarrollo de esta tecnología y su implementación a escala industrial . A continuación se mencionan algunos aspectos de importancia en la producción de tableros hagazo-cemento, así como resultados obtenidos en pruebas experimentales .

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

7 .1 ALGUNAS EXPERIENCIAS EN LA TECNOLOGIA DE PRODUCCION DE TABLEROS DE PARTICULAS BAGAZO-CEMENTO 7.1 .1 Desmeollado La operación de separación del meollo, es de vital importancia para esta tecnología, dada la necesidad de trabajar con materias primas con bajo contenido de azúcares . Se conoce, que en el tejido parenquimatoso se alojan una buena parte de los azúcares presentes en el bagazo, además de ser un material no apto para la producción de tableros. Con el uso de bagazo desmeollado (entre 20 y 30 % de separación), se obtuvieron muestras de buena calidad (Bison-Werke [RFA] ; ICIDCA [Cuba], 1976, 1981) . Esta operación debe ser estudiada, con detenimiento, a fin de lograr un esquema tecnológico óptimo para satisfacer los requerimientos de este sistema productivo, y al mismo tiempo, buscar su conjugación con el tipo de almacenamiento de bagazo que se vaya a emplear para el suministro de materia prima . 7.1 .2 Preparación de partículas. Clasificación Para el dimensionamiento de las partículas, pueden ser utilizados molinos de martillos, con los cuales se obtiene una buena preparación del material . Una vez molido el bagazo, se procede a su clasificación ; de esta manera, se separan las fracciones que se emplearán como material para la capa central y superficial del tablero . Se han obtenido buenos resultados, utilizando clasificación mecánica con tamices de 8 mm y 2 mm de abertura, empleando la fracción retenida entre 8 y 2 mm para la capa central y el que pasa por 2 mm para la capa superficial . El material mayor de 8 mm es remolido y clasificado nuevamente . 7.1 .3 Mezclado En esta operación, las partículas de bagazo se mezclan con el cemento y otros aditivos, según una formulación establecida . La mezcla se efectúa por separado para el material que se vaya a emplear en las capas superficial y central del tablero, en equipos adecuados para estos fines. Una formulación que ha brindado buenos resultados es : Relación bagazo-cemento : 1 :2,75 Sulfato de aluminio : 1 % de acuerdo con el cemento Silicato de sodio (40 %) : 3,5 % de acuerdo con el cemento Agua : Cantidad necesaria hasta lograr una mezcla con 40 - 45 % de humedad b.s .

297

7.1.4 Formación Consiste, en la distribución de la mezcla de bagazo, cemento, aditivos y agua, sobre platinas de metal, formando un colchón . Es muy importante, una formación uniforme del material para lograr un producto de buena calidad . El sistema de formación mecánico-neumático ha brindado resultados satisfactorios . 7 .1 .5 Prensado Una vez formado el colchón sobre las platinas, éste se somete a un proceso de prensado, mediante el cual el material es comprimido hasta el espesor deseado . Esta operación se efectúa en prensas hidráulicas . En la operación industrial, y a fin de hacer más productiva esta etapa, se colocan en la prensa varias platinas con colchones, una sobre otra y en un dispositivo especial (abrazadera de sujeción), a fin de mantener los tableros comprimidos, una vez concluido su prensado, durante el tiempo que dure su fraguado . 7 .1 .6 Endurecimiento A la salida de la prensa, los tableros, presionados por la abrazadera de sujeción, se someten a la acción de temperatura, entre 60 y 80'C, durante un tiempo de 6 a 8 h, para su endureci-

Fig . 153 Planta de paneles de madera-cemento.

298

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

miento . Esta operación se efectúa, industrialmente, en cámaras con calentamiento . Después de concluido el endurecimiento, son liberados los tableros de la abrazadera y, entonces pueden ser manipulados para el resto de las operacio-

nes (corte de los bordes, lijado de su superficie, etcétera .) . 7.1.7 Maduración y climatización Para lograr la terminación de los tableros, éstos son sometidos a un proceso de maduración,

ALMACENAMIENTO DE LA MADERA

CLASIFICACION

ADICION Y MEZCLA

CEMENTO Y

CON CEMENTO Y PRODUCTOS QUIMICOS

PRODUCTOS QUIMICOS E

CLIMATIZACION

Fig. 154 Diagrama de bloques de la tecnología de producción de paneles madera. cemento.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

que consiste en su almacenamiento durante unos 20 d, con lo que culmina el proceso de endurecimiento . Además, y a fin de equilibrar y estabilizar la hum°dad final del producto, éste es climatizado bajo un régimen determinado de humedad y temperatura, con lo que culmina su proceso productivo (Figs. 153 y 154) . 7.1.8 Propiedades Como se ha mencionado anteriormente, la producción de paneles de bagazo-cemento a nivel industrial, aún no se ha desarrollado . Se han elaborado tableros de buena calidad a escala de planta piloto. Algunas de sus propiedades son: Densidad : 1 250 - 1 500 kg/m3 Espesor: 10 mm Resistencia a la flexión : 8,0 - 12,0 MPa Resistencia a la tracción perpendicular a la superficie : 0,3 - 0,4 MPa Dilatación del espesor por inmersión total en agua : 1,2 - 2,3 La solución de la tecnología de producción de tableros de partículas de bagazo-cemento y su implementación a escala industrial, puede representar una vía altamente ventajosa para dar respuestas a sistemas constructivos masivos de viviendas y a otras edificaciones, en países productores de azúcar de caña, que, por ende, cuentan con abundantes residuos de bagazo, por lo que está siendo estudiada con detenimiento en la actualidad. Si bien hasta el presente, la mayor cantidad de productos aglutinados con materiales inorgánicos son producidos en países desarrollados, las ventajas que estos paneles tienen, en lo referente a su poco complicada tecnología de producción, disponibilidad de materias primas, en casi todos los países, además de excelentes propiedades como material de construcción, hacen pensar en su rápida expansión a los países en desarrollo, toda vez que posibilitan soluciones masitas y a bajo costo, en la industria cons(ruciora .

299

aumentar entre 20 y 50 %, cuando aplica algún tipo de recubrimiento superficial. La aceptación y expansión de los productos aglomerados en el mercado, como sustituto de la madera natural, no han estado asociadas únicamente a la calidad del producto en sí mismo, sino también, en gran medida, con su presentación y, sobre todo, por la fidelidad de la imitación de la madera natural . En este sentido, se han logrado importantes avances en el aspecto visual y en la textura del material, lo que ha contribuido a atenuar el efecto sicológico causado por la sustituición. Los sistemas de recubrimiento se pueden clasificar en 2 grandes grupos, recubrimientos líquidos y recubrimientos sólidos . De éstos, los más ampliamente difundidos son los recubrimientos sólidos que han desplazado, rápidamente, a los primeros, a causa de su mejor apariencia estética y durabilidad, así como por los elevados índices de productividad que es posible alcanzar durante la fabricación . Otro factor que ha incidido, notablemente, es la extensa gama de diseños que se pueden obtener en los materiales sólidos, donde la industria poligráfica ha ocupado un importante lugar. La utilización de recubrimientos líquidos se basa en el empleo de pinturas, lacas y esmaltes, materiales pigmentados transparentes, que con la ayuda de algunos materiales auxiliares con-

8 Recubrimiento superficial de los tableros Las posibilidades de uso y decorativas de los productos aglomerados, se incrementan, de manera considerable, cuando sobre éstos se aplica un recubrimiento superficial, este incremento está asociado, directamente, con el tipo de recubrimiento que se emplee. Para un fabricante de tableros, la rentabilidad de su industria puede

Flg. 155

recubrimientos líquidos por cortina.

Línea de acabado de

300

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

forman cada uno un sistema completo de terminación . Los materiales auxiliares pueden ser selladores, primarios, endurecedores, etc. (Figura 155) . El método más difundido de utilización de estos recubrimientos, se basa en la aplicación de un sellador tapaporos, de poliéster insaturado, que se seca por luz ultravioleta, seguido de un acabado de laca pigmentada de nitrocelulosa, de esmalte catalizado al ácido o el más recientemente desarrollado a base de poliuretano . Estos sistemas presentan una baja productividad respecto a los recubrimientos sólidos o a causa de sus relativamente elevados tiempos de secado,

así como a la necesidad de manipular cada producto repetidas veces. Los sistemas de recubrimientos sólidos han sustituido, en grado considerable, a los descritos anteriormente a causa de su elevada productividad, la extraordinaria versatilidad de diseños obtenibles y su mayor durabilidad . Entre éstos existen 2 líneas de trabajo muy difundidas : las chapillas de madera natural y los materiales sintéticos (papeles impregnados con resinas de melamina o urea-formaldehído, láminas de cloruro de polivinilo []?VC], etc.) . IAdudablemente que la chapilla de madera natural ha sido el material de mayor aceptación,

Fig. 156 Línea para impregnation de papeles .

Fig. 157 Línea de recubrimiento de tableros con papeles impregnados o chapi-

llas de madera . Planta Camilo Cienfuegos, Cuba.

PRODUCTOS DE LA HIDRóLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

30 1

pero la poca disponibilidad de madera apropiada para su producción, ha limitado su uso (Figura 156) . Los materiales sintéticos han representado un importante papel para fines decorativos y en la fabricación de muebles, pero su uso se encuentra asociado a la existencia de una industria química capaz de organizar su producción . La comercialización de estos materiales se encuentra limitada por los cortos períodos de vida útil de los mismos (menos de 3 m), lo que le impide su transportación a grandes distancias, sin riesgo de deterioro total o parcial . Numerosos sistemas han sido desarrollados, los más utilizados son los laminados a base de resina melamina-formaldehído. Cada uno de estos sistemas posee su propia tecnología de elaboración y de aplicación ; la elección de éstos está en relación con las condiciones de cada país, de acuerdo con los usos específicos a que se destinen los productos con ellos elaborados (Fig . 157) . 9 Principales aplicaciones de los tableros Los tableros de partículas y de fibras son productos que, en general, no son materiales sustitutivos entre sí, sino que se complementan, en su utilización, en las industrias del mueble o de la construcción . Los tableros se utilizan para muchos de los fines a los que se destina la madera aserrada, como encofrados, revestimientos, carpintería de taller, accesorios y acabados en la construcción, muebles y envases . Los tableros de fibra se usan, principalmente, en la construcción como revestimiento para paredes, pisos y cielos rasos. En la actualidad, se suministran paneles de tableros de fibra duros como productos semielaborados, provistos de una película impermeable. También han hecho su entrada en el mercado, tableros especiales tales como losas acústicas y tableros para la decoración interior . El tablero de fibra duro, pintado, se emplea en sectores especializados como carrocerías, casetas, vallas anunciadoras, estructuras de exhibición, etcétera ; encuentra utilización, también, en la confección de piezas para revestimiento de muebles y paneles para la industria de transportes, en barcos, vagones de ferrocarril, ómnibus y automóviles (Fig . 158) . Un desarrollo reciente, pero de rápida extensión, lo constituye la producción de tableros de fibra de densidad media que pueden sustituir a los tableros de partículas, fundamentalmente, en la construcción de muebles. Una de las razones por las cuales ha tenido gran aceptación este producto es la lisura de su superficie, lo que lo hace ideal para someterlo a cualquier proceso de tratamiento superficial. Su desventaja, con

Fig, 158 A y B. Aplicación de tableros en muebles. respecto al tablero de partículas, consiste en poseer, actualmente, un costo de producción más elevado que aquél ; no obstante, esta situación puede cambiara causa del incremento que están experimentando los precios de los aglutinantes sintéticos que se emplean como materia prima en la fabricación de tableros de partículas . Los tableros de fibra de baja densidad (aislantes), encuentran aplicación como material acústico, en el revestimiento de techos o como aislante térmico en la industria de la construcción . Los tableros de partículas se utilizan, fundamentalmente, en las industrias de muebles y de construcción . En dependencia de la densidad de los diferentes tableros que se pueden producir, éstos se utilizan en la construcción de ele-

Fig. 159 A y B. Usos de tableros en construcción.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZúCAR mentos estructurales de muebles, armarios o como paneles divisorios . Otros usos los constituyen la fabricación de diferentes tipos de envases o como material para encofrados en construcciones (Fig . 159 A y B) .

Recientemente, se han desarrollado tecnologías para la producción de tableros de partículas de espesores finos, los que, en algunos casos, se utilizan como recubrimientos de puertas y tabiques y en la confección de fondos de muebles y han logrado sustituir, parcialmente, a los tableros de fibra, aunque sin igualar sus propiedades . En 1974, fue puesta en funcionamiento la primera instalación para la producción industrial de tableros de madera-cemento . Estos paneles son empleados en la industria de la construcción como elementos prefabricados; muestran excelentes condiciones de impermeabilidad y resistencia a la acción de agentes exteriores, además de ser incombustibles .

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Capítulo XI LEVADURA FORRAJERA RAFAEL GÓ MEZ

1 Introducción Bajo la denominación de levaduras forrajeras se estudian las que se propagan, especialmente, para ser usadas en alimentación animal, con vistas a aprovechar los componentes nutricionales que la constituyen, sobre todo proteínas y vitaminas . Los géneros preferidos de levadura para su producción industrial son : Candida y Saecharomyces, mencionándoselas especies Candida utilis, C. pulcherrima, C. reukauffi, Saccharomyces cerevisiae, S. carlsbergensis y S. f ragilis . La elec-

ción de una cepa para que pueda ser desarrollada industrialmente debe considerar los siguientes factores : capacidad de asimilación, elevados rendimientos, alta velocidad de desarrollo, estabilidad bioquímica y de cultivo, fácil recuperación, valor nutricional elevado, sabor agradable y buena apariencia. La experiencia mundial ha probado la posibilidad de utilización de los licores sulfíticos, melazas, hidrolizados de madera y de residuos celulósicos, hidrocarburos, residuos de almidón, suero de leche, mieles cítricas, etc., como fuente de carbono para esta producción. De los microorganismos que se deben utilizar se ha mostrado favorecido el uso de la especie Candida utilis, ya no solamente por su capacidad en asimilar hexosas y pentosas, sino también otros compuestos orgánicos no azúcares, tales como ácidos, alcoholes y aldehídos. Sin embargo, no es exclusivamente levadura forrajera la producida en específico para esos fines, sino también se destina aquella que se obtiene como subproducto de otros procesos fermentativos, tales como la producción de alcohol etílico (levadura de destilería) y de la fabricación de cerveza (levadura de cerveza) . La levadura, en estos procesos, se le llama, en general, "levadura secundaria' y tiene un valor nutricional un poco más bajo que la que se propaga ; específicamente, para uso forrajero . La experiencia, en Cuba, en el desarrollo de esta producción es amplia . Con anterioridad al triunfo de la Revolución, se utilizaba como forraje levadura secundaria (de destilería y de cerveza), recuperada de estos procesos . Posteriormente, en el año 1965, comienza a producir la primera planta de levadura torula para la alimentación animal y a par-

tir de 1974 comenzó un proceso de contratación, recepción, montaje, pruebas de garantía y puesta en marcha de 10 nuevas plantas, con la asesoría técnica del ICIDCA, durante todo el trayecto de esta tarea inversionista . De éstas, 6 son de tecnología francesa y 4 de tecnología austriaca y presentan una capacidad de producción anual de 120 000 t. En el material presentado se hace una descripción detallada de la tecnología de producción de levadura forrajera, analizando cada etapa del proceso y discutiéndose los aspectos fundamentales de la producción a partir de mieles finales de caña, comentándose los elementos más importantes del equipamiento utilizado . 2 Levadura forrajera a partir de las mieles finales de caña En los países tropicales, poseedores de una amplia industria azucarera de caña, la producción de levadura forrajera, a partir de mieles finales, resulta particularmente atractiva, sobre todo si se tiene en cuenta la imposibilidad de contar con proteínas vegetales de bajo costo, tales como la soja, motivado por características climáticas. Es, además, una forma de independizarse de las variaciones del mercado exterior, en cuanto a la importación de materiales proteínicos adecuados para la producción de piensos . Estos factores, así como el de ser una producción localizada, de complejidad tecnológica media, que diversifica la industrialización de la caña de azúcar y, además, es una fuente de trabajo, la hacen recomendable para países en vías de desarrollo y fueron sobrepesados en la decisión de las inversiones realizadas para el desarrollo de esta producción en Cuba. La producción de levadura forrajera, a partir de mieles, se caracteriza por ser un proceso continuo en el cual la miel aporta carbohidratos como fuente de energía y factores de crecimiento en forma de vitaminas y minerales. Esta producción se efectúa mediante 5 unidades de proceso, básicas : 1 . Preparación de materias primas y auxiliares.

305

LEVADURA FORRAJERA

urea, como fuentes de nitrógeno y el fosfato diamónico, como fuente de fósforo, a la vez que suministra también parte del nitrógeno . En la ta-

2. Propagación de la levadura . 3. Separación o recuperación de la levadura . 4. Concentración y secado de la levadura .

TABLA 182

5. Envase, almacenamiento y manipulación .

Composición media de la miel final de caña cubana

2.1. MATERIAS PRIMAS Y AUXILIARES En esta producción se consideran como materias primas fundamentales la miel final y las sales nutrientes, aunque se utilizan otras en el proceso, que pudieran denominarse auxiliares, tales como agentes antiespumantes, ácidos o álcalis, productos de limpieza, de tratamiento de agua, combustible, lubricantes, etc. La melaza es un substrato que por su naturaleza -ya que contiene gran número de impurezas en forma coloidal y de suspensión, así como ácidos orgánicos volátiles y una flora microbiana elevada-, puede afectar el proceso de propagación de la levadura en aspectos fundamentales, como son el rendimiento y la calidad de la misma, así como a otros parámetros no menos importantes, en los fermentadores . Por las razones expuestas anteriormente esta materia prima debe ser sometida a un tratamiento previo antes de su utilización en los fermentadores como veremos con posterioridad . En la tabla 182 se muestra la composición media de la miel final de la caña cubana. Las sales nutrientes aportan al medio, para propagar las levaduras en los fermentadores, la mayor parte del nitrógeno y fósforo requeridos para el desarrollo del microorganismo, pues el contenido de estos elementos es deficitario en las mieles . Las empleadas en nuestra industria de levadura forrajera son el sulfato de amonio y la

'Brix

89,10

Materia seca gravimétrica

84,10 g/100 g

Sacarosa

35,53 g/100 g

Reductores totales

60,40 g/100 g

Reductores libres

23,00 g/100 g

Reductores infermentables

4,01 g/100 g

Acidez total

0,56 %

Acidez volátil

0,41

PH

5,7

Nitrógeno total

0,506 g/(00 g

Nitrógeno asimilable

0,201 g/100 g

P,O, total

0,123 glloo g

P,O, asimilable

0,079 g/100 g

Calcio

1,23 g/100 g

Magnegio

0,500 g/(00 g

Cenizas totales

9,57 g/100 g

Coloides

8,06 g/100 g

Fangos

8,00

Capacidad tope (buffer)

TABLA 183 Características principales requeridas en las sales nutrientes Sal

Nitrógeno

Fósforo (P,O5) Humedad

10 % (máx.)

Sulfato de amonio 19 % (inín.)

Urea

Sin sustancias tóxicas para la fermentación

5 % - 6 % (máx.) Sin sustancias

46 % (mín.)

Fosfato diam6nico 19 % (min.)

Grado técnica

tóxicas para la fermentación

49% (min.)

10%

(mix .)

Sin sustancias tóxicas para la fermentación

% v/v

64,93 g/x00 g

v

liq .o oK ri z

w Vd Úá~ .ó~

(;

á

ñ

S

é

á

á

á F

v w á

3

8

d v .3

v

á

o

e~d

~

óv

v

v Q. .N

LEVADURA FORRAJERA

bla 183 se exponen las características principales que deben tener estas materias primas, las cuales deben ser almacenadas y manipuladas de forma que no existan pérdidas cuantitativas y cualitativas considerables que puedan afectar los índices de insumo de las mismas por tonelada de levadura producida . 2.2 DESCRIPCION TECNOLOGICA, BALANCE DE MATERIALES Y DE ENERGIA

Nuestra industria de levadura forrajera cuenta, actualmente, con 2 tecnologías de producción, ambas a partir de mieles finales de caña como sustrato fundamental para el desarrollo del microorganismo y constituidas por las mismas unidades básicas de proceso y equipamiento especifico similar en lo fundamental . Lo que las diferencia como tales es el proceso de propagación, que en la tecnología austriaca está caracterizado por la utilización de fermentadores Vogelbusch, con sistema de aireación agitado de alta eficiencia, en los cuales se obtiene una concentración de levadura 3 veces mayor que en los equipos de la tecnología francesa, que son del tipo Lefrancoise con agitación por aire. Aquélla es denominada tecnología de alta concentración y ésta de baja concentración . También cabe señalar, que las plantas austriacas poseen un mayor nivel de automatización .

Por lo demás, los módulos de planta de una y otra tecnología son, inclusive, para la misma capacidad de producción y con índices de insumo de las materias primas fundamentales, así como índices de calidad prácticamente iguales . En la tabla 184 se exponen los índices de garantía para ambas tecnologías . La descripción que sigue se refiere a la tecnología autriaca por ser más completa, en general, y con más detalles de ingeniería básica para este proceso de producción ; se señalan las diferencias con la francesa, en los casos que valga la pena destacar. 22 .1 Secciones de proceso y de utilidades Para facilitar la descripción, consideraremos las distintas agrupaciones de equipos tecnológicos o secciones que conforman una instalación completa para la producción de levadura seca forrajera, dividida en 2 grandes grupos : las agrupaciones de equipos o secciones donde se realizan los procesos y operaciones que tienen que ver con las materias primas, así como el producto, las cuales llamaremos secciones de proceso y las que tienen que ver con los servicios auxiliares que demandan las anteriores que se llamarán secciones de servicios auxiliares . La figura 160 muestra un diagrama general de bloques del conjunto de ambos grupos de secciones. TALLER DE MANTENIMIENTO Y ALMACENES

H Fig.

160

Diagrama general de bloques de producción de levadura forMleM a partir de mieles de caga.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

308

Las secciones de proceso comprenden : 1 . Almacenamiento, conducción ración de las mieles .

prepa-

y

2. Preparación de las sales nutrientes y productos auxiliares . 3.

Preparación del inóculo .

4.

Fermentación-desemulsión .

2.2 .1 .1

5 . Separación-lavado-recirculación . 6. Termólisis, ci6n.

concentración

por

evapora-

7. Secado y envase-almacenamiento . Las secciones de servicios auxiliares son : 8.

Laboratorio de control.

9.

Suministro de energía eléctrica .

10. Suministro de agua para consumo industrial. 11 . Tratamiento de agua. 12. Refrigeración y circuitos de enfriamiento. 13 .

Almacenamiento y circuito de fuel.

14. Producción de vapor . 15 .

de fermentación-desemulsión, los tanques de almacenamiento general y diario, la sección auxiliar de tratamiento de agua, en su mayor parte (descarbonatación del agua cruda), la estación de transformación, parte de la sección de secado y envase-almacenamiento (cámara de secado, horno, algunas bombas, ventiladores, etc .) y el sistema de enfriamiento, así como el tanque almacén de agua de pozo .

Estación de aire para instrumentación .

16. Estación de aire para fermentación . 17 . Estación de limpieza y desinfección. 18 .

Taller de mantenimiento y almacenes .

19 .

Sistema contra incendio .

Los equipos tecnológicos que conforman las anteriores secciones deben garantizar una operación continua, es decir, aquellos equipos fundamentales que pudieran interrumpir el flujo continuo, por operaciones de mantenimiento y limpieza, están duplicados, tienen su reserva instalada . Además, estas secciones o agrupaciones de equipos tecnológicos se encuentran ubicados, en su mayor parte, en áreas techadas tales como las de producción, equipos auxiliares, taller de mantenimiento y almacenes . Otra área techada es la constituida por el edificio socio-administrativo y el comedor . Los equipos instalados a la intemperie son los que constituyen la sección

ALMACENAMIENTO, CONDUCCIóN Y PREPARACIóN DE MIELES

La materia prima utilizada en esta sección es miel final de caña de 89 °Bx, aproximadamente, con una viscosidad que puede llegar hasta 100 000 cP y un contenido de azúcares reductores totales de 58 - 60 % . El objeto de la misma es el almacenamiento de la miel final, su predilución y calentamiento para la conducción hasta los tanques de diario de la planta, la dilución de la miel, clarificación, tratamiento térmico, enfriamiento y distribución hacia los fermentadores . Esta primera sección o agrupación de equipos tecnológicos comprende : 2.2 .1 .1 .1

Almacenamiento y estación de bombeo de mieles

Existen 2 alternativas de almacenamiento de las mieles . En el caso de las plantas que están ubicadas en el área de grandes centrales azucareros, con buena capacidad de almacenamiento, se utiliza la misma capacidad instalada y solamente se ha adicionado la estación de bombeo para conducir las mieles hasta los tanques de diario de la planta . En esta alternativa, si las plantas están muy distantes del central se ha instalado un tanque almacén intermedio con la estación de bombeo . En los casos de algunas plantas adjuntas a centrales pequeños, que no pueden abastecer el consumo anual de mieles requeridas para la producción de levadura, se han construido cisternas de recepción de mieles, junto con los tanques almacenes, esto posibilita recibir mieles de centrales tributarios de lá zona, mediante carros tanques de ferrocarril o por carretera . Para facilitar el bombeo de la miel desde los tanques de almacén hasta la planta es necesario reducir su viscosidad, lo cual se logra mediante 2 alternativas : calentamiento de la miel hasta unos 50 - 60'C, que es la alternativa que utiliza la tecnología francesa o mediante una predilución discreta para llevar al grado Brix de 89 - 90, hasta 80, que es la que emplea la tecnología austriaca. En este último sistema, las mieles, a la salida del tanque almacén, se filtran y se mezclan con condensados calientes, obtenidos en la evaporación de la crema de levadura, los cuales se adicionan mediante una bomba dosificadora, para efectuar la reducción señalada

LEVADURA FORRAJERA

en el grado Brix de la miel. Esta operación se realiza en un mezclador estático. 2.2 .1 .1 .2

Preparación de mieles

La miel diluida a 80 °Bx es recibida en los 2 tanques de diario, para almacenamiento de la miel en planta, en forma alternativa . Cada tanque tiene la capacidad requerida para 1 d de producción, de forma que cuando se esté llenando uno de ellos, se esté consumiendo miel del otro para la producción . Estos tanques están equipados con muestreador continuo que opera con bomba dosificadora, lo cual permite conocer la calidad de la miel que se va a utilizar cada día . A la salida de los tanques de diario, la miel es filtrada y bombeada hasta el tanque pesa, en porciones de 8 t. La miel pesada es descargada en un tanque intermedio, desde donde se descarga, por gravedad, al tanque de dilución, al cual se le adiciona agua en forma automática,

para llevar el contenido de sólidos totales de la miel hasta aproximadamente 43 °Bx . Este sistema de control de densidad opera de la siguiente manera: mediante una bomba se toma un flujo de 3 m3/h, desde el fondo del tanque de dilución, que es enviado a través de un filtro al equipo donde se controla la densidad de la miel mediante la regulación automática del flujo de agua. La miel que pasa por el densímetro es retornada de nuevo al .tanque de dilución, este ciclo se mantiene de forma continua. La miel diluida es transferida, continuamente, por un vaso comunicante a un tanque donde se s inyecta vapor para elevar la temperatura . En este tanque la miel de 43 °Bx se mantiene a 80'C, aproximadamente, y de aquí es filtrada y bombeada hasta la estación de clarificación . Esta estación está constituida por 3 clarificadoras centrífugas, en 2 de las cuales se efectúa la separación mecánica y automática de los fangos que contiene la miel, mediante la fuerza centrífuga. Los fangos obtenidos en estos 2 equipos

Fig. 161 Influencia de la temperatura sobre el tanto por ciento de sobrevivisntes de miel diluida 1 : 1, para dos valores de pH.

310

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

son descargados en un tanque, donde se diluyen con agua para posteriormente filtrarse y bombearse a la tercera clarificadora, cuya función es recuperar los azúcares contenidos en el fango. A partir de esta clarificadora las aguas dulces recuperadas se aprovechan, retornándolas al tanque de dilución de mieles, el fango libre de azúcares pasa a un tanque donde se diluye con agua y se envía a la zanja. La estación de clarificación está diseñada de forma que se puedan utilizar, indistintamente, los 3 equipos para ambas funciones, es decir, 2 cualesquiera de ellos, para clarificar mieles y el tercero para recuperar las pérdidas de azúcares en fango. Además, la operación es automática, las descargas de fango se fijan a un intervalo de tiempo, de acuerdo con el contenido de fango en las mieles crudas . La miel diluida y clarificada es transferida por un vaso comunicante a un tanqur, de almacenamiento intermedio, de donde es bombeada al inyector de vapor con un flujo controlado . Este inyector es alimentado, también, con vapor vivo de 2 at absolutas de presión por medio de un sistema de control que opera en función de la temperatura de salida de la mezcla. La miel calentada hasta una temperatura de 110 - 120 4 C, pasa por una cámara de retención para completar el proceso de esterilización (Fi-

PREDI~ LA

MIEL PREOILUIDA 0=18,5 t/h B,=80° CONDENSADO PE=02 T=40AC 15WI14

MIEL

gura 161), desde aquí la miel es descargada a la torre de expansión, donde la temperatura de la miel baja a 85'C, aquí ocurre la condensación de los vapores (1000 - 1 100 kglh), en un condensador de contacto directo, al cual llega un flujo de agua de 15,6 m3 /h, desde la torre de enfriamiento pequeña . En el condensador se mantiene un vacío de 0,3 - 0,4 atm, mediante una bomba de vacío, la cual mantiene, automáticamente, la temperatura de la miel en la torre de expansión . La miel diluida, clarificada, esterilizada y libre de ácidos volátiles, es tomada del fondo de esta torre y Bombeada, a través de intercambiadores de placa donde se enfría a 35 - 40 4C, hasta el tanque de miel preparada donde se distribuye, por gravedad, y con medidores de flujo hasta los fermentadores . La diferencia fundamental de esta sección, con su homóloga en la tecnología francesa, estriba en que en ésta, la estación de clarificación solamente está constituida por 1 equipo, es decir, durante la limpieza manual del mismo, la miel continúa por una derivación sin clarificarse . Además, el sistema de recuperación de las pérdidas en fango es menos eficiente . En la tecnología austriaca no existe derivador de la estación de clarificación, o sea, es obligatoria la clarificación continua de las mieles. En ambas tecnologías, todos los equipos que garantizan la con-

DOS TANQUES CE BARIO PARA MIELES V=wm°'A J-5720 ..

MIEL

h=6700 ..

T=50^C PE-100 N=1CP H=4-5

CISTERNA DE RECEP- I I I I CqN DE MIELES DE I I TRIBUTARIOS Y EST I I OE BOhHO AUXILIAR

CLARIFICACION DE MIELES Y RECUPERACION DE AZUCARES DE LOS FANGOS

0=12rd/h T=80°C ART-2U7- S20q/I IDOOVq/h T=85°C

d=l40mm 1-IID6mm

V=0,453 .1 1 4250mm h=550 mm

0=13 IM/fl T=u0°C N" 6 CP

PE= 1,022

MEL DILUIDA 0=13J4mIVIn T=00°C PE= 1,19 N=S W a"43°

IA MIEL

0" 3m/h T= 80°C

MIEL

DE

MIEL

PREDILUIDA

0-7,31/h PE "~42 01ma=7,5m° 4 T=°C 0n=4,5 m' Q=400hy/h T=80°C T" 140°C VAPOR DEPOSTO DEI

AGUG W1-II T=75-60°C

EXPANSION V=080 d=700 .. T" 85 0C P_0,34TA

e=1BOO .. 1=3580mm HORIZONTAL

TANQUE INTERMEDIO DILUCION Y PRE CALENTAMIENTO

FANGO Q=0,2-0,4 .'/h T=95° 800=35 m4/1

TORRE DE MIEL DIU. CLARIF. Y ESTER.

T..II=h°C

TANQUE PESA OE MIELES V= 8,5 m'

81 DE MIEL POR BATCH DISCONT

AGUAS DULCES Omm=35"Yh 0=3m'/h

MIEL DILUIDA Y CLARIFICADA

ESTERILIZACCN DE LAS MIELES EYECTORES CAMARA RE

PREDWIDA

O.nn=171/h 0=8 1/.~ T=40 00 B."BD° PE=1,42 N "5000CP

PREDILUIDA N 12,5 m~ d=1800 mm 1=5I80(NCRIZ)

=S00 E8/h =140°C

0=10,5 t/h T=72°C INTERCAMBADORES PLACAS PARA EL

_MIEL DIU. CLARE ESTER

ENFRIAMIENTO DE LA MIEL

0=12 .Yh(14t/h)

ATN=26/72°C

T=@5 °C

ATm=85/40°C

MIEL CIL. C1AMF ESTER ENFRIADA . 0-12 .Yh T=40 0C

TANQUE ALMACEN DE MIEL PREPARADA V=I2,w

MIFI PRFPAR 0=12 mYh J-2000mm(~ 7+40°C N=4-6 CP 1=4100 .. PE : ' 19

AGUA :,0 0 51/h T=26 °C A FERMENTACION

Fig. 162 Diagrama de bloques de la sección de almácenamiento, conducción y preparación de mieles.

LEVADURA FORRAJERA

y el fósforo, como elemento esencial en los compuestos de alta energía, necesarios para el metabolismo . El suministro de estos elementos se realiza, en esta tecnología, mediante 3 fuentes : sulfato de amonio, fosfato diamónico y urea. Dos tanques provistos de agitadores son utilizados para efectuar la_ preparación de las 3 sales. Se adiciona, primeramente, una cantidad determinada de agua al tanque donde se va a preparar la solución y se pone en marcha el agitador ; posteriormente, una porción pesada de sal es introducida al tanque mediante un elevador de cangilones . Una vez efectuada la carga de toda la sal se continúa la agitación durante corto tiempo y después se deja sedimentar por espacio de 2 ó 3 h o si es posible un mayor tiempo . El sistema completo, además de los 2 tanques disolvedores, consta de un tanque almacén-sedimentador, que se utiliza, preferentemente, para la solución de sulfato de amonio, por ser la sal de más difícil sedimentación, aunque se puede utilizar también, para el fosfato o la urea . Las soluciones de cada sal, una vez terminado el período de sedimentación, son filtradas y bombeadas a sus respectivos tanques de alimenta-

tinuidad del flujo de producción están instalados por duplicado, es decir, uno en operación y otro en reserva. La figura 162 muestra el diagrama de bloques de esta sección o agrupación de equipos tecnológicos . En el mismo se señala al balance de materiales, así como las capacidades y dimensiones de algunos equipos. 2.2.1 .2

PREPARACIóN DE LAS SALES NUTRIENTES Y PRODUCTOS AUXILIARES

El objeto de esta sección es la preparación de las sales nutrientes, así como de los productos auxiliares utilizados en el proceso de producción. Preparación de sales nutrientes

2.2.1.2.1

Es necesario la suplementación del medio de fermentación con nitrógeno y fósforo, pues el contenido de ellos, en la miel, no es suficiente para el desarrollo del microorganismo (levadura) . Se requiere el nitrógeno, fundamentalmente, como elemento básico en la formación de los aminoácidos, constituyentes de las proteínas,

TABLA 185

fósforo en las soluciones Proporciones de sal y agua utilizadas y concentraciones obtenidas de sal, nitrógeno y Solución (1)

Conc. sal (g/1)

Conc. N (g/1)

kg

Agua (1)

3600

10 200

12000

300

60

(20 4b N 50 % P20s)

3000

8500

10000

300

60

Urea (46 06 N)

3000

9140

11500

261

120

Sal disponible Sulfato de amonio (20 45 N) Fosfato diamónico

Conc. P (&9)

150

TABLA 186

Balance de N y P, sobre la base de los requerimientos por levadura y el suministrado en mieles y sales

Componente

Contenido en 1 t,

de levadura seca

Asimilable suministrado Déficit que se debe suministrar por 3,93 t de miel a mediante las soluciones 60,4 % reductores de sales x 1,25 totales

N

80

kg

(min).

7,90

kg

90 kg

P2O5

34

kg

(min.)

3,10

kg

39

kg

31 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

TABLA 186 (Cont .) Medio o producto

Determinación

Reactor de cal

Dureza pH Determinación de los valores (fenolftaleína) "m" (metilnaranja) Filtración

Intervalo de tiempo

Cada 2 h Cada 6 h

Intercambiadores idnicos

Dureza Cloruro

Cada 2 h

Agua de alimentación a la caldera

Dureza Valor "p"

Cada 2 h

Agua de caldera

Valor "p" pH P205

Condensado

Dureza pH

ción, de donde pasan, por gravedad, a los fermentadores, a través de medidores de flujo del tipo rotámetro . La tabla 185 muestra las proporciones de sal y agua utilizadas, así como las concen'raciones de N y P para cada solución. La dosificación de ellas se realiza mediante un balance de esos elementos, de acuerdo con los requerimientos de la levadura y el aportado por la miel. La tabla 186 muestra, a modo ilustrativo, la cantidad de N y -P que hay que suministrar para la obtención de 1 t de levadura seca, tomando como base los índices de garantía y composición de la miel expuestos, respectivamente, en las tablas 182 y 184. La relación de dosificación de las soluciones de sulfato de amonio y urea puede ser cambiada en función del pH que se quiere mantener en fermentación, siempre que permanezca constante la cantidad de N que deben suministrar ambas sales. Este método de controlar el pH en los fermentadores, es más económico y eficiente que la utilización de ácido o base, los cuales se deben emplear, solamente, en casos en que el control con las soluciones de sales mencionadas, no sea posible . 22 .1 .2 .2

Antiespumante

Este producto se utiliza para controlar la espuma en los fermentadores y en el tanque de desemulsión . El antiespumante es almacenado en un tanque, desde donde es bombeado, una vez

Cada 2 h Cada 2 h

por día, al tanque de preparación. En el caso del Glanapón 2 000 FKW, que es el agente antiespumante recomendado para esta tecnología, se mezcla 1 volumen del mismo con 1 volumen de agua y se mantiene la mezcla, permanentemente agitada con aire. Desde este tanque el antiespumante es filtrado y bombeado a los fermentadores y al tanque de desemulsión . 2.2 .1 .2 .3

Acido sulfúrico

Puede ser utilizado para desinfección a bajo pH, eventualmente, pára regular el pH de las mieles, para hacer más efectivo el tratamiento térmico, para controlar el pH en la sección de preparación del inóculo y, excepcionalmente, para corregir el pH de los fermentadores . Para la recepción del ácido sulfúrico concentrado se emplea un tanque de acero al carbono desde donde es transportádo, mediante una bomba especial colocada encima del mismo, hasta el tanque alimentador . En un tanque disolutor, primero, se adicionan 1 700 l, aproximadamente, de agua de proceso (1500 mm de altura en el nivel), se agita con aire y se adicionan, lentamente, desde el tanque alimentador 100 l de ácido sulfúrico . El sistema trabaja automáticamente, de manera que la relación de mezcla de agua y ácido puede ser prefijada al valor deseado . Además, está previsto un sistema de seguridad que no permite la adición de ácido al tanque disolutor

31 3

LEVADURA FORRAJERA 3 TANQUES OE ALIMENTACION A LOS FERMENTADORES V=125 m. c/u

AGUA

d- 2000 .m (HORIZ) 1=4 160m . W=1 .4201

TANQUE DE OILUCION V=2 .2 m° d-1 200 mm bQ170mm mal-ST 37 VERTICAL

TANQUE ALIMENTADOR ANTIESPUMANTE DILUIDO 1 :1 Qmm-1 .Yh 0=10-30 I/h

V=0.38 m° d= 800 .m 1-1 320 .. mal-ST 37

a

sIó

ó

ÑIO AGUA

1 17 OOie r F .D Omaa550 I/h cox--6Oa/IN . 1504/I No.

E

éN É b

Iw

AIRE I 0 m'/h

TANQUE DISOLUTO . V-1 .9 m° &1200 mm h-1 BOO mm ~=P.P

P-4mwc

SO.H . (DILUIDO)

Ch V--16m° 2 TANQUES D1so.1 d2600mm AGITADOS Jh=2960 .. mat-1 4301 I ELEVADOR DE CANGILONES

S .A.

1 TANQUE ALMACEN SEDIMENTADO. PARA SULFATO DE AMOMO

a0Pac=IOt/h c~94 V=0 .5 m/s

S .A^3600110/eorpa 12 000 I/ca 9a -2 .0carpo/a

ED-3 000h9/c"o 10 000 I/cmo -1 .5aorgo/d

PREPARACIÓN DE

V=16m° d 2 600 . . h=2960mm mat-1 4301

TANQUE ALMACEN ANrESPUMANTE V=275ma d-2500 . . 13800 . . mat-ST 37

LLANA . FKW2000 P. H-7 PE=0 .95 N =10 CP

TANQUE ALN4ICEN DE ACIDO SULFÚRICO CONC. V .Iz6 m° d-2000.. 1=4200 .. .&-ST 37

SO, H . PE-1.114 co 96%

UREA-30001,C/cargo 11 500 1/copo .y 1 .5 copo/d

SALES

ANTIESPUMANTE

ACIDO SULFÚRICO

Fig. 163 Diagrama de bloques de la sección de preparación de sales nutrientes y productos auxiliares.

en el caso que éste se encuentre vacío o cuando el aire para la mezcla no se suministre . En la figura 163 se muestra un diagrama de bloques de esta sección o agrupación de equipos tecnológicos donde se señalan algunas capacidades de equipos, así como el balance de materiales . 2.2 .1 .3 2.2 .1 .3 .1

PREPARACION DEL INOCULO Etapas de laboratorio y propagador de cultivo puro

Para iniciar la fermentación se parte de un cultivo puro de laboratorio, el cual se pasa al propagador o fermentador de cultivo puro que tiene un volumen total de 1 m3, para un volumen útil de trabajo de 800 1. La figura 164 muestra un esquema de los pasos o etapas previas en el laboratorio y la figura 165 un esquema de propagador . El medio de cultivo, para este equipo, se pre para con miel diluida de aproximadamente 40°Bx a la que se adiciona agua, sales nutrientes y se le regula el pH, mediante ácido sulfúrico

concentrado . El medio así preparado (800 1) tendrá alrededor de 12 °Bx y un pH de 4,0 . Antes de la inoculación mediante el frasco Carlsberg de laboratorio (Fig. 164), el medio, en el fermentador de cultivo puro, se esteriliza hasta una temperatura de 95'C, enfriándose luego hasta 35T . Durante la fermentación no se hacen nuevas adiciones de miel y nutrientes . El tiempo de fermentación será alrededor de 20 - 24 h, en dependencia de la cantidad y calidad del inóculo . La temperatura de fermentación comenzará a subir después de algunas horas, por lo que será necesario aplicar enfriamiento por agua, a través de la camisa del pro_ pagador para mantenerla, aproximadamente, a unos 30°C . Después de 8 h de fermentación se comienza el control de la temperatura, el pH y el grado Brix; cada 2 h se realiza el control y se ajusta la temperatura al valor mencionado anteriormente y el pH a un valor entre 3,5 - 4,0 . La fermentación se dará por terminada cuando el mosto fermentado quede agotado, es decir, cuando el grado Brix no descienda más y quede constante. En este momento, el mosto del fermenta-

CEPAS PURAS QUE HAY QUE RENOVAR EN MEDIO SOLIDO, CADA 2 MESES (SE ALMACENAN A .4T) FRASCO CARLSBERG

FRASCO CARLSBERG

FERMENTADOR DE CULTtv0 PURO

BL

INOCULACION CON FRASCO CARLSBERG

24 h 30-32 cC

24 h 30-32 'C

24 h 30-32 OC

Fig. 164 Etapas de laboratorio desde las cepas puras en cuñas de sustrato sólido hasta el frasco Carlsberg e inoculación del fermentador de cultivo puro.

17

16

15

14

F0SFAT0 1,5 kg SULFAN 1,5 k0 UREA 1,5 k0 Hz SUUCOY<1 I,0 I MTIESFUMARIE I00 .1

Fig. 165 Esquema del )ermentador de cultivo puro.

8 N O N Ñ

b T

Á

O N

S N

O N

0 a

8 N

O N

v O

R

ao

8 N

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h

a .o N r4

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w b S

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é

8 g

Ñ a

O N .Nr

O O

b 1ia U b b

O

Ñ

ó

Ñ Ñ

316

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

dor de cultivo puro debe ser pasado al prefermentador . 22 .13 .2

Prefermentaci6n

En el prefermentador se realiza una fermentación discontinua (batch) con alimentación de soluciones nutrientes . La inoculación se puede realizar mediante 2 alternativas : 1 . Con el mosto fermentado de propagador de cultivo puro. 2. Con crema del proceso principal de fermentación, escogida de un fermentador, donde el cultivo tenga buenas condiciones morfológicas y fisiológicas . Con esta crema se llena un balón de 6 1 y se mantiene en refrigeración a 4 *C . Para ambos casos, en la tabla 187 se expone, a manera ilustrativa, la alimentación suministrada al prefermentador, así como el tiempo de fermentación . El mosto agotado que se obtiene, en esta etapa, rinde entre 200 - 300 kg de levadura seca y es suficiente para inocular uno de los fermentadores principales . 2.2 .1 .4

FERMENTACION-DESEMULSION 2.2 .1 .4 .1

Generalidades

Esta operación es la principal del proceso, la calidad del producto, así como la eficiencia en la asimilación del sustrato dependerán, fun-

damentalmente, del curso exitoso de esta operación . El proceso de producción de levadura es aeróbico y exergónico, por lo tanto, se hace necesario el suministrar grandes volúmenes de aire, así como disponer de algún sistema de evacuación de calor, para mantener temperaturas adecuadas para el proceso . La ecuación empírica que puede representar la formación de levadura es la siguiente, de acuerdo con Harrison : 200 9 100,0 materia ,iN H =

C,20 H22 + 10,4 g NH3 + 102,5 g 02 g materia seca levadura (incluye 9,5 g inorgánica) + 145,2 g COZ + 77,2 g H2O - 353 kcal.

Lo cual escrito en formulación molar balanceada sería : 0,585 C120111122 + 0,612 NH ? + 3,20 02 ~C3,t20,,952 He,123 NO,B12 + 3,3 CO 2 + 4,289 H2 0 0 H = 0,11 kcal/mm 02. Donde el calor desprendido por la reacción se ha tomado, de acuerdo con el índice de C. Cooney y colaboradores, de 3,44 kcal/g 02 consumido. Sin embargo, el balance presentado, respecto a la conversión de azúcar en masa biológica (50 %), puede ser sustancialmente afectado por las condiciones en que se efectúe la fermentación, así como por las características de la cepa utilizada . Esta conversión, que es lo que se denomina rendimiento en el proceso de producción de masa biológica (levadura forrajera, en

Y

o YvaT Y va pH

52-

40-

pH

ac

Fig. 166

3,5

4,5

29

33

5,5 37

Comportamiento del rendimiento con la temperatura y el cultivo de Candida utilis.

pa,

para el

LEVADURA FORRAJERA

1,0 0,1

Fig. 167

31 7

2,0

o,i

4~,0 0,7

a=0e c° M
Comportamiento del rendimiento con la razón de dilución y el contenido de P2Os en Candida utilis.

este caso) encuentra 2 aspectos limitantes fundamentales que se hacen críticos para la fermentación a escala industrial y que son : la eficiencia del sistema de aireación en cuanto a su capacidad para disolver oxígeno en el medio, que pueda ser consumido por la levadura y la homogeneización del medio, de forma que las sustancias nutritivas puedan ser también asimiladas por el microorganismo . Estos 2 aspectos se hacen aún más limitantes para el caso de fermentadores industriales en los que se quiere conseguir una alta concentración de masa biológica (tecnología de altas concentraciones) . Entre otros factores de importancia, que influyen en el rendimiento, aunque no son limitantes en el diseño de un fermentador industrial, se pueden citar los siguientes: temperatura y pH de la fermentación (Fig . 166), la razón de dilución y el contenido de fósforo en levadura . La figura 167 muestra la dependencia del rendimiento, en función de esos parámetros . Los rendimientos alcanzables con las tecnologías existentes, actualmente, en Cuba, para la producción de levadura forrajera están alrededor de 45 - 46 % . 2.2 .1 .4 .2

3,0 0,5

Descripción tecnológica del proceso

El proceso de fermentación es continuo y la operación normal es en serie ; 2 líneas de 2 fermentadores, en 2 etapas cada una . Es decir, que

una línea de producción constituida por 2 fermentadores que conforman 2 etapas en serie, equivalen a media capacidad de la planta de levadura . De los 2 fermentadores de cola (segunda etapa) de cada línea, el mosto agotado es bombeado al tanque de desemulsión, para degasificarlo y poder realizar, eficientemente, la siguiente operación en la sección de separación. El sistema se puede operar, también, con los 4 fermentadores en paralelo, descargando al tanque de desemulsión . Los fermentadores son de 220 m3 de capacidad total cada uno . Están equipados con 1 ciclón para rompimiento de la espuma y con 1 sistema de aireación mediante agitador, que toma la potencia del fondo del tanque . El aire se suministra mediante un soplador del tipo roots para cada fermentador, existe un quinto soplador, como repuesto, instalado. Para iniciar la fermentación industrial se, prepara una de las líneas de fermentación y se comienza una fermentación discontinua (batch) en la primera etapa, que consiste en los siguientes pasos : se bombea el mosto agotado del prefermentador (17 m3) sobre una cantidad de agua y se comienza la alimentación de solución de miel y de nutrientes hasta el volumen de trabajo . La cantidad total de miel se calcula en función de la cantidad de levadura en el fermentador, para un volumen de trabajo dado y el rendimiento en levadura por litro de miel; la distri-

31 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

bución de los litros de miel por hora se deduce de la curva de crecimiento para la fermentación discontinua. La cantidad de agua que se añade, inicialn- "nte, antes de la inoculación, será

la diferencia entre el volumen de trabajo y la suma de los volúmenes del inóculo y la solución total de miel que se añadirá. La cantidad de nutrientes que se adicionara, se calcula en

TABLA 188 Parámetros principales y alimentaciones para las 2 etapas de fermentación (una linea de fermentación) Pardmetros

VB-EB"1

VB-EB.4

Volumen total (m')

220/196"

220/196"'

Producción máxima (kg M.S .L.It/h)

430

430

Inóculo (kg M.S .L.)

200

-

Rendimiento a partir de soluciones de mieles (kg M .S.L./1) Volumen de mosto (ma)

2600 (aprox)

3 040 (aprox.)

0,158

0,158

108

106

Razón de disolución (h -1 )

0,176

0,300

Contenido de nitrógeno en levadura (% N,)

8,3

8,3

Contenido de fósforo en levadura (% P,Os)

3,5

3,5

Nr residual en mosto (mg/1)

800

600

P,O5 residual en mosto (mg/1)

150

100

Temperatura en fermentación ('C) pH Alimentación Mosto agotado (m'/h) Agua de proceso (m'/h) Recirculación

33-35

33-35

3,0-4,0 Fermentador (I) 16

3,5-5,0 -

Fermentador (II) 19 -

-

10

3 000

2 700

Solución de fosfato diamónico (l/h)

140

110

Solución de urea (I/h)

148

165

Solución de sulfato diamónico (l/h)

240

120

Solución de mieles, 43'Bx (1/h)

Total (mr/h) Aire m'/h (normal)

ft

Fermentación (I1)

Tipo de fermentador

Cantidad de levadura (kg M.S .L.)

ea

Fermentación (I)

19 8000

31,7 7600

El volumen original de 220 ms se redujo a 196 m', después de algunas modificaciones que se hicieron interiormente en los fer . montadores . M .S .L . : materia sew de twadusa .

319

LEVADURA FORRAJERA

función de la cantidad de levadura en el fermentador para un nivel de trabajo dado, la cantidad de N y P que requiere esa levadura, la cantidad de esos elementos que se quiere mantener en el mosto agotado y las concentraciones de las soluciones que se deben suministrar, la distribución se hará en partes proporcionales de acuerdo con la cantidad de horas que demore alcanzar el nivel de trabajo . Una vez alcanzado el nivel de trabajo en la primera etapa, se hace un pase hacia la segunda etapa durante, aproximadamente, 2 h, al cabo de las cuales se comienza la alimentación en el fermentador de segunda etapa, en la misma forma que se señaló anteriormente, durante este tiempo si el fermentador de primera etapa ha alcanzado todos sus parámetros de trabajo, se comienza su operación en continuo . Una vez que la segunda etapa ha llegado también a su nivel de trabajo, se establece la operación continua y en serie de la línea completa . De igual manera, se pone en marcha la otra línea de fermentación la cual puede recibir el inóculo, en el fermentados de la primera etapa, desde el prefermentador o desde la primera línea que ya opera en continuo . En la tabla 188 se exponen los principales parámetros, así como las alimentaciones para la marcha en continuo de los fermentadores de primera (I) y segunda (II) etapas. El proceso de fermentación es controlado, regularmente, mediante el chequeo y ajuste de los parámetros, de acuerdo con el resultado de los análisis del laboratorio de control. Además, se controla, automáticamente, la anaerobicidad del proceso, mediante la medición del contenido de alcohol en los gases de salida del fermentados, esto permite ajustar, rápidamente, los parámetros que influyen en la misma y que pueden afectar el rendimiento en levadura . El mosto agotado extraído de los fermentadores contiene una gran cantidad de aire, por lo que es necesario la degasificación antes de proceder a la operación de separación . Este proceso se realiza en el tanque de desemulsión al que llega, continuamente, el mosto emulsionado que se bombea desde los fermentadores de segunda etapa de las 2 líneas de fermentación . Este tanque tiene un volumen total de 156 in' y un volumen de trabajo entre 32 m 3 (mínimo) y 80 m3 (má, imo) ; recibe, además del mosto fermentado, 300 - 600 m3 /I2 de aire, a una presión de 4 - 5 m de la columna de agua y de 1 - 2 1/h de aceite antiespumante. A partir del mismo se extrae, continuamente, mosto desemulsionado que es bombeado hacia la siguiente sección donde se efectúa la separación de la crema . La figura 168 muestra un esquema de esta sección dr nde se señala el balance de materiales, así como algunos datos tecnológicos . La

diferencia principal de esta sección, con su homóloga en la tecnología francesa, es que los equipos de fermentación son diferentes . El fermentados de tecnología francesa es de patente Lefrancoise con circulación invertida ; es un equipo de gran volumen total (1000 ni', aproximadamente) abierto y sin sistema de aireación agitado, es decir, el aire suministrado al fermentados realiza las 2 funciones : suministrar el oxígeno a la levadura y agitar el medio para su homogeneización . Es un sistema de aireación menos eficiente que se utiliza en tecnologías de bajas concentraciones . Puede operar coma el sistema austriaco en paralelo o en serie, diferenciándose en esta última alternativa, en que de los 3 fermentadores que poseen estas plantas, 2 actúan como primera etapa y el tercero como segunda etapa . El tanque de desemulsión también es diferente, en su diseño general; es abierto, de menor altura y más diámetro, presenta un tanque central en forma de cono truncado, que es el que recibe el mosto emulsionado de los fermentadores . El tanque central se comunica por un vaso-comunicante, con una canal que lo rodea en toda su periferia, y desde donde es bombeado el mosto desemulsionado a la siguiente sección . El conducto vasocomunicante está equipado con válvula de regulación, de manera que el mosto que llega al compartimiento central se puede hacer que derrame por su pared exterior o que pase, directamente, a la canal, sin rebosar. En la parte superior se halla un anillo distribuidor perforado, cuya función es ayudar a la desemulsión, mediante el chorreo, a presión sobre la fase espumosa del compartimiento central . La presión se garantiza, mediante una bomba que toma el mosto desemulsionado del fondo del tanque central y lo conduce al anillo distribuidor . A la descarga de esa bomba está previsto un sistema de 2 filtros y en la aspiración tina inyección de antiespumante químico . 2.2 .1 .5

SEPARACION-LAVADO-RECIRCULACION

En esta sección, en una primera etapa, la levadura es separada del mosto fermentado y desemulsionado, a continuación en una etapa de lavado, las impurezas son separadas de las células de levadura . Estas 2 etapas suelen denominarse primera y segunda separaciones . Los equipos fundamentales de esta agrupación tecnológica son : 2 filtros autolimpiados con cepillo giratorio sobre tamiz fijo y 5 separadoras centrífugas con descarga de la crema a presión y flujo libre (sin presión) del claro o efluente. De las 5 separadoras instaladas, 2 operan para separar la crema del mosto fermentado (primera etapa) y 2 como separadoras de lavado (segunda etapa), la quinta separadora se utiliza para ga-

MIEL 43 0 Bu 0=3 ms/h - 3009 orf/I i FOSFATO DIAMONICO 0=140 I/h ... 1509 P2 0s/I 609 Nl/I

\as, MOSTO FERMENTADO DE Z ETAPA

/

\\

i/

AIRE

FOSFATO DIAMONICO 0=1,01/h ^'1509 Pz W! 609 V1

_.J

MIEL 43 0 0=2,7 ms/h 3009 art/I

SULFATO DE AMONIO Q=120 I/h ,60 g Nr/I

UREA 0=165 I/h 1209 NO

AGUA DE PROCESO 0 EFIIJENTES RECIRCULADOS DE TI ETAPA DE SEFARACION 0=10 myh

ACEITE ANTIESPUMANTE 0=3.5-4 I/h ACEITE ANTIESPUMANTE 12 1/h

0^64 ms/h 25-309 m .s .l/1 I600k9/h m .s .l (47 0/a RENDIMIENTO) 1739 k9/h 0 .92 m . s .l (50 % RENDIMIENTO) MOSTO DESEMULSIONADO A SEPARACION Fig, 168

Esquema de la sección de fermentación .desemulsión .

32 1

LEVADURA FORRAJERA

rantizar la limpieza de estos equipos, es decir, se puede utilizar como primera o segunda etapa según sea necesario. A plena capacidad de la planta, operan 4 separadoras, que conforman 2 líneas de separación en las que se combina, 1 filtro autolimpiado, 1 separadora de primera etapa y 1 de segunda etapa. Cada línea de separación opera con el flujo proveniente de una línea de fermentación, y todo este conjunto, equivale a media capacidad de producción. La mezcla de la crema de levadura, obtenida en la primera etapa, con el agua de lavado, se realiza en un mezclador tubular estático. El agua se controla mediante medidores de flujo (1 para cada línea) . El efluente o líquido claro de esta etapa, es canalizado a la zanja . La crema de levadura obtenida en la segunda etapa, es enviada a la siguiente sección de la instalación, la termólisis . El efluente o claro de esta etapa puede ser recirculado a los fermentadores, en cuyo caso, el flujo es controlado mediante rotámetros y el pH ajustado a un valor entre 2,5 - 3,0 . Cada día se debe desmontar, al menos, 1 separadora, para efectuar su limpieza y chequearla, de acuerdo con las prescripciones del fabricante . La figura 169 muestra el diagrama de bloques de la sección de separación-lavado-recirculación, en el que aparecen algunos datos tecnológicos, así como el balance de materiales . La sección homóloga en la tecnología francesa, se diferencia en algunos aspectos tecnológicos, CREMA DE IAro. ETAPA 0 . .14 MYk

aunque el proceso y las operaciones realizadas son las mismas . En primer lugar, al ser esta tecnología de bajas concentraciones, los flujos que se van a manipular en esta sección, para una misma capacidad, son mayores que en la tecnología austriaca y la cantidad de separadoras instaladas es casi el doble, 5 para la primera etapa, 2 para la segunda y 1 que opera indistintamente para garantizar la limpieza . En general, toda la sección está más equipada (filtros, bombas, etc .) . Las separadoras son de descarga libre (sin presión) de la crema concentrada de levadura y del efluente ; el lavado de la crema se realiza en 2 tanques agitadores y la crema de segunda etapa se recoge, también, en 2 tanques, desde donde es bombeada a la sección de termólisis-concentración, por evaporación . Los efluentes que se recirculan son los de la primera etapa, los mismos se enfrían y no se les da tratamiento ácido . 2.2.1 .6 TERMóLISIS Y CONCENTRACIóN POR EVAPORACION 2.2.1 .6.1

Term6lisis

El objeto de esta subsección es el rompimiento de la pared celular, para aumentar la digestibilidad de la levadura, así como para provocar los últimos cambios que darán lugar a la composición final del producto terminado . Esta agrupación de equipos tecnológicos' está integrada por 2 intercambiadores de placa, uno en opera-

0-40-44mYk

CREMA DE 2do. ETAPA A TERMOUSIS 0-I2-14 .Y11 P .E7I,055

-

-_--

1

T- 30 6C SEDUF04 ETAPA 2 SEPARADORAl CkMRlFUrA5 FEU% 412 V-35C-60 4 26 mYNA

Y

-

-43% m .s .l COD-25g/1

N2 S04 -14 I/A

2 FILTROS AUTOUMPIANTES 0=60 100 .?/h A=0,6 ms k=r3 r .P .m .

MOSTO DESEMULSIONADO

12660 k9/k 1461p m .s .l/F

EFLUENTES DE 2~ ETAPA mYb 10-119 m .s .t/I

TRATAMIENTO ACIDO DE LAS EFLIENTES V=5 ms 0160Dmm A=2200mm A FERMENT 0=2a N ;PN=25-30 ;-III% 1,2 PE-1,005 ;T-30- C . .$J, MATERIA SECA DE LE~URA m .L1 ;MATERIA SECA TOTAL. c .o .d;OEMANOA OUIMICA DE 0%MfNO

Fig . 169 Diagrama de bloques de la sección de separación-lavado-recirculación .

322

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZüCAR

la misma es la concentractott de la crema por evaporación, desde 13 eiB hasta 20 DiD de materia seca, aproximadamente . La unidad de evaporación opera en 2 etapas, el calentamiento de la primera etapa se realiza con vapor de 8 at absolutas, mediante un termocompresor que utiliza parte de la evaporación o vapor residual de la primera etapa (producido en el separador del primer cuerpo) . El resto de la evaporación se utiliza para realizar el calentamiento de la crema en la segunda etapa. El vapor residual, producto de la evaporación de la crema en la segunda etapa, es condensado en un condensador de superficie . El vacío es mantenido, en parte, por la columna barométrica y, en parte, por la bomba de vacío, que lo mantiene constante en forma automática. El agua para condensar estos vapores (~:- 50 m 3 /h) es suministrada desde la misma torre de enfriamiento que suministra la que condensa los vapores de miel en la cámara de vaporización . Lo anterior se refiere al circuito de vapor, el circuito de crema es el siguiente : la crema termolizadá es bombeada desde los tanques receptores hasta el distribuidor de crema, en la parte superior del primer cuerpo de evaporación, derramándose en forma de fina película por la pared interior de los tubos verticales que forman la flusería del cuerpo (el vapor calienta por la pared exterior de los tubos) . La crema pasa al se-

ción y el otro en reserva para garantizar la limpieza de estos equipos ; 1 tanque de retención y recirculación ; 2 bombas de recirculación ; 2 tanques de crema termolizada y 2 bombas de alimentación al evaporador . El flujo de operación es el siguiente : la crema de levadura de la segunda etapa de separación llega a uno de los intercambiadores donde se mantiene automáticamente, con vapor como fluido de calentamiento, de 87 - 90'C que corresponde a la temperatura de termólisis. El tiempo de retención necesario se completa con la recirculación a través de un tanque, desde donde se recircula una fracción, que se mezcla con la crema no termolizada, antes de su entrada al intercambiador de calor, de manera que la precaliente de unos 30 °C hasta unos 58'C, al mismo tiempo que facilita el proceso de termólisis. La otra fracción, que es equivalente al flujo de crema entregado por la segunda etapa de separación, rebosó desde el tanque de retención-recirculación a los tanques receptores de crema termolizada, desde donde se bombea al evaporador. 2.2 .1 .6 .2

Concentración por evaporación

Esta unidad está constituida por 1 evaporador de doble efecto al vacío, del tipo de película descendente, de patente Vogelbusch y por 2 tanques reeptores de crema evaporada . El objeto de

0-14000 I/h=14770k9/h (PE= 1,055)

CREMA TERMOLIZADA

_VAPOR 0-1300 kq/h t= 120°C

0-27 0-27

C

T=85 0

/h /h TANQUE DE RECIRCIILACION DE CREMA TERMOLRADA V=1,25

1 EVAPORADOR DE DOS ETARAS VACIO CON TERMO COMPRESOR DIMENSIONES.

m'

CUERPOS 2 V-3m' d"850 mm

h=1772 mm

n

Q-12-14ms/h cant 13 t-30-C

1

I OPERANDO

Ov Oav

P---a

I EN LIMPIEZA

Oc=29t/h Qv=L3t/h

ti 58/87-C N=120°C CONDENSADO 0-1300kg/h

CREMA TERMOIIZADA 0-15 myh t=87°C CREMA EMPORADA A LA SECCION DE SECADO W8000 1/h

2 SEPARADORES V=2,5 m' d=1200 .. h=2400mm

DATOS TECNICOS' I'tGUER . . Ér SER 2 ddOCUER 2d,EP 93-DO°C 80°C -SO-C----60.c 1 .t/h .t/Lf- - 32J/h -I,7t/h L61 h Ah ~. .__

T

2 INTERCAMBIADORES DE CALOR PARA LA TERMOLISIS DE LA CREMA DE LEWDURA

Fig. 170

h=5960mm At== mt

;2-14 myh PE-1 .06 .s . cam-1&3%

t-38-C

h m. .t

AL

d=1000 mm

CREMA DE ETAPA DE SEPARACION .

964k

rPpcl

3.._ 2 TANQUES RECEPTORES DE CREMA TERMOLIZADA CADA TANQUE: V=30m^ d=2900 . h=4500 mm t-85°C

B Tm___ H s 0-50m/h

I CONOENSADOR

COLUMNA BAROMETRICA COLUMNA SAROMETRICA

CONDENSADO 0=4.9 m'/h t-80^C

2 TANQUES RECEPTORES DE CREMA EVAPORADA CADA TANQUE : V=2o .m' d-2400 mm h=4510 mm b-58°c

CREMA EVAPORADA

A TORRE DE ENFRIAMIENTO Ht0-516 m7h 1-58-C

0-92001/h (PE=1.083) 9970kq/h cono-G'6% ms .t 954 kq ms.t t-60°C

Diagrama de bloques de la sección de termólisis-concentración por eva. poración.

323

LEVADURA FORRAJERA parador del primer cuerpo, de donde es extraída por 2 bombas, una recircula una fracción y la otra envía el resto al distribuidor de crema del segundo cuerpo . Del separador de esta segunda etapa la fracción no recirculada es bombeada hasta los tanques receptores de crema evaporada . La figura 170 muestra el diagrama de bloques, el balance de los materiales y datos técnicos de esta sección . La sección homóloga, en la tecnología francesa, posee la unidad de termólisis integrada al mismo evaporador que también es un doble efecto al vacío del tipo de película descendente, pero de patente Wiegand . Es decir, la unidad de evaporación tiene 2 intercambiadores de calor tubulares y una cámara cilíndrica de retención adicionales, donde se efectúa la termólisis de la crema. Además, los tanques receptores de crema termolizada y crema evaporada no existen en la tecnología francesa, éstos se corresponden con los 2 tanques receptores de crema de segunda separación existentes . Tanto en una tecnología como en la otra, estos tanques de balance constituyen una capacidad de retención entre 4 y 6 h para efectuar la limpieza diaria del evaporador, así como realizar otras operaciones de mantenimiento, sin necesidad de detener la marcha continua de los fermentadores . 2.2 .1 .7 SECADO Y ENVASE-ALMACENAMIENTO

En esta sección la crema de levadura termolizada y evaporada, es secada en un secador por atomización desde 19 - 20 % hasta 94 - 95 °ia de materia seca, aproximadamente . Con posterioridad la levadura seca es envasada en sacos de papel de 4 capas, para 25 kg de capacidad y transportada hasta el almacén . 22 .1 .7 .1 Secado por atomización

Esta unidad es un secador por atomización . Está constituida, fundamentalmente, por una cámara de secado cilindro-cónica, en cuyo interior se produce el secado de la crema de levadura, el equipo atomizador, colocado en la parte superior y central de la cámara, mediante turbina o disco de atomización que gira de 5 600 - 7 100 rpm, accionado por motor eléctrico, atomiza la crema en forma de neblina fina, que se pone en contacto con los gases calientes producidos por la combustión de petróleo pesado, en un horno vertical de calentamiento directo; por último, la unidad se completa con el sistema de transporte neumático, constituido por 4 ciclones separadores y un ciclón colector. Este sis tema es el que extrae la levadura seca de la cámara de secado . El flujo hacia y desde esta unidad es el siguiente : la crema de levadura evaporada es

bombeada al tanque de homogeneización y de aquí se bombea a través de un sistema de filtro hasta la turbina o disco del equipo atomizador. La levadura seca, en forma de polvo, extraída de la cámara de secado por el sistema de transporte neumático, es introducida por el ciclón colector en las tolvas de almacenamiento . El secador es capaz de producir 1850 kg/h de levadura a 92 % de materia seca (m s .), a partir de 8 000 1/h de crema, con un contenido de 1 700 kg de materia seca, para un índice de evaporación de aproximadamente, 6 500 kg de agua evaporada/h . 2.2 .1 .7.2 Envase-almacenamiento

Por el fondo de la tolva de almacenamiento, el polvo de levadura es extraído mediante un tornillo sin fin que lo descarga en el elevador de cangilones. Este lo transporta hasta los embudos alimentadores de las ensacadoras-pesadoras, que garantizan el llenado en sacos de papel del tipo valvulado que no requieren ser cosidos . La capacidad de estos equipos permite envasar la producción de 1 d en un turno de 8 h. Los sacos llenos se colocan en paletas de madera hasta el número de 30 por cada una . El almacenamiento de las paletas se prevé en 3 niveles, es decir, que la unidad de almacenamiento equivale a 3 paletas y ocupa un volumen de 4,212 m3 . La capacidad de almacenamiento máximo es de 528 unidades, que se deben colocar dejando pasillos entre ellas, de forma que circule el aire para mantener la humedad lo más constante posible . Esta capacidad, en unidades de almacenamiento, es igual a 1 584 paletas o 47 520 sacos equivalentes a 1 188 t de levadura, es decir, que el tiempo de cobertura es, aproximadamente, para 1 m de producción . Todos los movimientos, en el almacén, se llevan a cabo con 2 montacargas, tipo Diesel, con suficiente altura para el almacenamiento a los niveles previstos . En la figura 171 se muestra el diagrama de bloques de esta sección, así como datos tecnológicos y del balance de materiales. 2.2 .1 .8 LABORATORIO DE CONTROL

La función del laboratorio es - el suministro de los datos y resultados de análisis, necesarios para el control de la operación total de la planta, así como de la calidad de las materias primas y el producto terminada . También es función del laboratorio el mantenimiento de las cepas del microorganismo (levadura), utilizadas en el proceso de propagación, así como de la realización de las etapas correspondientes al cultivo puro de laboratorio (Fig. 164) y la supervisión y control microbiológico del proceso y operaciones en la planta de : la sección de ¡no-

324

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

VALVULA DE 2 WAS t-420°C

PETROLEO DEL TANQUE ~EN

GASES A LA ATMOSFERA

0-100 000 m'/h Tm=85°C

VAPOR DE A(í14(-15300 kp/h)

AIUMIZA60R-Omm=8 mj'h 5600-7100 rpm CAMARA DE SECADO FORMA CILINORIW-CONIGA dc=9300 mm h-16I20 mm T=98°C Ieva~6300kg/h

TANQUE DIARIO DE PETROLEO RUNNER-C V=IO m°

d=1600 mm 1»5310 mm

4 CICLONES SEPARADORES DEL SISTEMA DE TRANSPORTE

DE POLY09MO DE LE\~A SISTEMA OE 2 FILTROS

0-617kg/h t-60°C

HORNO DE CALENTAMIENTO

AIRE PARA COM8UST10 Q-10000 m%h

DIRECTO 6,5x10 kWVh T=325 AC

AIRE DE DILUCION 0-100 000ms/h

CREMA EVAPORADA PE=1,083 -19.6%m .st ti 1945 k0 ms.t/h

TANQUE HOMOGENEIZADOR (AGITADO) V-3,2 me d=16OO mm h=1850 mm

0=7 t/h d=25° 1=900omm N=2RP

-60°C

ELEVADOR DE CANGILONES 0=7t/h 1= 10500 mm

SACOS DE 25 kg

DE LEVADURA SECA AL ALMACÉN DE PRODUCTO TERMINAOOM600 s/8 h.

Fig. 171

Diagrama de bloques de la sección secado y ensacado de levadura.

culación (tanque de cultivo puro y prefermentador), de la propagación o fermentación aeróbica en la sección de fermentación-desemulsión y de cualquier otra sección que requiera, eventualmente, este control. Las funciones anteriores, es decir, el objeto de esta importante sección auxiliar que es el laboratorio de control, se logra a través de una organización, un programa operativo, los métodos o técnicas de análisis adecuados y el equipamiento de laboratorio requerido . Los métodos o técnicas de análisis empleados en el control de laboratorio para la producción de levadura forrajera a partir de mieles de caña, son los desarrollados, así como los convencionales mejorados en el ICIDCA, para, esta tecnología de producción (Tab . 189) .

La tabla 189 muestra el programa operativo y la secuencia del control de laboratorio empleado en estas plantas. Las determinaciones indicadas en esa tablá son importantísimas para el buen funcionamiento del proceso y operación de la planta y deben ser ejecutadas con la regularidad y secuencias indicadas, siempre que la planta esté en operación . Además de los indicados,

otros análisis serán ejecutados, siempre que se requiera. Este programa se da a manera ilustrativa e indicativa, el mismo puede ser modificado, de acuerdo con las necesidades y condiciones específicas en el terreno y durante la marcha de estas plantas . Además del control de laboratorio, existe un control más práctico u operativo y menos riguroso, realizado por los operadores en los distintos puestos de trabajo, como la determinación de la concentración mediante aerómetros de las soluciones de sales nutrientes, de las cremas de levadura de primera y segunda etapas de separación, de crema de levadura termolizada, de crema de levadura evaporada, análisis sencillos del agua tratada, etc., para citar algunos ejemplos. Sin embargo, debe quedar claro, que todos estos análisis son supervisados, en forma más rigurosa e independientemente, por el laboratorio de control. 2.2 .1 .9 SUMINISTRO DE ENERGIA ELÉCTRICA 2 .2 .1 .9 .1 Estructura

de la instalación eléctrica

La instalación eléctrica comprende :

TABLA 189 Programa operativo del control de laboratorio Medio o producto

Determinación

Intervalo de tiempo

Brix

Muestra promedio de cada batch bombeado a los tanques de diario

Mieles Prediluida

Reductores totales Azúcares fermentables Diluida

Una vez por semana

'Brix

Reductores totales

Cada hora Cada 4 h

'Brix

Cada hora

Sales

Nitrógeno total Fósforo total Humedad

Muestra promedio por lote recibido

Soluciones

Concentración mediante aerómetro Determinación de N, total Determinación de P,O, total

Por cada batch disuelto

Cultivador y prefermentador

Brix

Cada hora

Fermentadores

Concentración de levadura por centrifugación NZ residual P2Os residual

Cada 2 h

Esterilizada Sales nutrientes

Mosto fermentado

pH Temperatura

Cada 4 h

Flujos de cada alimentación

Cada hora Cada hora

Fermentadores y tanque de desemulsión

Materia seca gramimétrica

Por muestra promedio del día

Crema de levadura de primera y segunda etapas de separación

Concentración de la crema y el claro por centrifugación en el laboratorio

Cada hora y cuando se cambie de separadora

Termólisis y evaporación

Materia seca gravimétrica

Muestra promedio una vez por día

Levadura seca Materia seca proteína (N, total X 6,25) Fósforo (como P,Os) Ceniza

Dos veces al día

Agua Agua cruda

Dureza

Cada 12 h

326

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

1 . Parte de transformación-distribución constituida por los equipos de transformación de la energía eléctrica de alta tensión y sus paneles de distribución hacia las estaciones de mando y control. 2 . Parte de fuerza motriz-control, que comprende los paneles centralizados de fuerza y control de automatismos, ubicados en cada sección de la planta. Desde estos paneles se alimentan los distintos receptores de energía eléctrica (motores, resistencias de calentamiento, etc.), así como los

circuitos de servomecanismo, de mando, de señalización, de programación secuencial y de control. 3 . Parte de iluminación con sus transformadores, pizarras, tomacorrientes, etc. 4. Parte de equipos anexos que comprende los circuitos de puesta a tierra, protección contra rayos, teléfono, etc . 2.2 .1 .9 .2 PRINCIPIOS DE DISTRIBUCIóN

La subestación de transformación-distribución se alimenta con energía eléctrica de alta tensión,

_RED NACI0NAL 33 MY

TRANSFORMACON

3283

DISTRIBUCION

200

REFRIGERACION Y C. DE ENFRIAMIENTO ESTACAN DE AIRE F. FERMENTAODN

740 kW

96 kW

935 W_

s ñ

ALMACENAMENTO,COND000AN Y PREPARA= DE MIELES PREPARACAN DE SALES Y PRODUCTOS AUXILIARES

3 kW

PREPARACAN DEL INOCULO

320 kW

FERkIENTIIN DESEMULSION SION

ESTACAN DE AIRE PARA FERMENMCTDN

4611W

LIMPIEZA GENERAL Y LIMPIEZA EN SITIO Y DESNFEOCION

36 kW

190 kW

PRODUCCAN DE VAPOR

30 kW

38 kW

TERMOUSIS- EVAPORACION

290 kW

SECADO- ENVASE-ALMACENAMIENTO

ALMACENAMIENTO

Y

CIRCUITO DE FUEL TALLER DE MANTENIMIENTO

ALUMBRADO

7

40

200

SEPARACION-LAVADO-RECIRCULACION

SUMIMSTRO DE AGUA INDUSTRIAL

140

18 kW

22kW SISTEMA CONTRA INCENDIO

Fig. 172 Balance de energía eléctrica instalada.

TRATAMIENTO DE AGUA

327

LEVADURA FORRAJERA 33 kV, 60 Hz . El local donde se encuentran los transformadores, es un área a la intemperie protegida con malla metái :ca . En la misma se encuentran instalados 2 transformadores de 1 600 kVA - 33/0,48 kV . Estos transformadores son del tipo con enfriamiento natural y aislamiento mediante aceite . En este local existe un emplazamiento de reserva para instalar un tercer transformador para la posibilidad de adiciones posteriores . Los primarios de estos transformadores, reciben la energía eléctrica de alta tensión y los secundarios están conectados al panel general de distribución de baja tensión (0,48 kV), mediante 2 juegos separados de barras . Estos juegos poseen, cada uno, un interruptor de empalme accionado eléctricamente . El panel de baja tensión está ubicado en un local techado, contiguo al área donde están in4alados los transformadores . Desde el panel general de distribución, la energía eléctrica de 440 V y 60 Hz, llega a los paneles de fuerza de los motores de los sopladores, situados en el mismo local, y a las centrales integradas de fuerza-control, ubicadas en cada sección de la planta, así como a la transformación para iluminación . Las centrales alimentan los motores, los distintos automatismos, cajas eléctricas y estaciones de botones instaladas junto a equipos, señalizaciones, etc. Los elementos constitutivos de estas centrales son interruptores, fusibles, relai térmicos y transformadores. 2.2 .1 .9 .3 Objeto de esta sección El objeto de esta sección auxiliar fundamental es obvio, la utilización de la energía eléctrica de la red general nacional, para mover todos los equipos que realizan y controlan las distintas operaciones de todo el proceso de producción de la planta, así como las demás funciones que requieran de la energía eléctrica . En la figura 172 se muestra el balance de energía por secciones, como energía eléctrica instalada. 2.2 .1 .10 SUMINISTRO DE AGUA PARA CONSUMO INDUSTRIAL El suministro de agua industrial es mediante el bombeo de agua de pozo, la cual llega a un tanque cisterna, desde donde se distribuye a los distintos puntos de la planta . De acuerdo con esta tecnología, el consumo de agua industrial es de 150 m3 /h, cuando se utiliza la recirculación de efluentes o claros de la segunda etapa de separación y de, aproximadamente, 180 m3 /h, cuando no se recirculan los efluentes. La figura 173 muestra el balance de agua de proceso, no está incluida el agua de enfriamiento que se expondrá cuando se trate de esa sección . Los 15 m3 /h que aparecen en la figura, como consumo para la reposición de los síste-

AGUA 7E POLO ISO -MAIVII (26f(

75 W/R(27^O1

CISTERNA GE RECEPCION OE

77-103 n" /3 (27- C)

AGUA GE POZO

PREPRRACIOR DE MATERIAS PAIMAS Y AUXILIARES

NO w'/N

IEU- Sn/E

-

1

ESTACIGN OE LIMPIEU EN SITIO Y EN GENERAL

REPOSKION DE L05 SISTE"$ DE ENFRIAMIENTO

Fig. 173 Balance general de agua industrial. mas de enfriamiento, se añadirán, de manera eventual, ya que normalmente la reposición debe ser con agua tratada. 2.2 .1 .11 TRATAMIENTO DE AGUA El objeto de esta sección es garantizar los requerimientos de agua blanda para la alimentación de la caldera de vapor, reposición del circuito de la torre de enfriamiento y para distintos usos en el área de producción, fundamentalmente en el enfriamiento de la miel preparada (10,5 m3 /h), enfriamiento y lubricación de los fermentadores y las clarificadoras, así como en las bombas con sello mecánico . Los equipos fundamentales que constituyen esta sección auxiliar son los siguientes : 1 reactor de cal con capacidad para 40 m3/h; 1 tanque para diluir la cal y 1 bomba dosificadora para suministrar la lechada al reactor; 1 tanque receptor de agua descarbonatada de 100 m3 de capacidad, 2 bombas de agua descarbonatada de 40 m3 /h de capacidad, cada una (1 en reserva), 1 unidad de suavización, con 2 intercambiadores iónicos, ciclo sodio, con capacidad para tratamiento de 70 m3 de agua descarbonatada cada uno, 1 unidad regeneradora con CINa . La figura 174 muestra el diagrama de bloques de esta sección auxiliar . 2.2 .1 .12 REFRIGERACIóN Y CIRCUITOS DE ENFRIAMIENTO El objeto de esta sección auxiliar es garantizar el enfriamiento requerido en distintos pun-

328

LA INDUSTRIA DE LOS DElIVADOS DE LA CANA DE AZÚCAR

AGUA

CRUDA

0-40m'/N

CAL (90% CaO)

REACTOR LECHADA

PARA

DE CAL

0=5OOL/II -60y/IC.O

TRATAMIENTO

TANQUE

AGUA ICARBONATADA

Í

orv4Dm'/h

I

RECEPTOR

i

AGUA

DE

TRATADA

UNIDAD REGENERADORA

a ° rc

3,93 F9/li CI A LA

INSTALACION OE PRODUCCI ON

0 -20m'/li

ENFRIAMIEN TO

0- 13m'/N

A LA

TORRE DE

' 0-46m'/ .. ',

_ y,

N4

mo v, n

SUAVIZADORA DOS INTERCAMBIOS IONICOS CAP

A LA

Fig, 174

CA LDERA

70 m' C V

0-7m'/J

Tratamiento de agua .

tos del proceso . El núcleo central de esta sección, es una unidad de refrigeración por amoniaco, compuesta de 3 compresores con una capacidad de enfriamiento de 850000 kcal/h cada uno. El circuito de enfriamiento se completa con una torre de enfriamiento, con una capacidad de, aproximadamente, 7 000 000 kcallh y una torre de enfriamiento menor situada en el nivel + 12 m, con una capacidad de 1700 000 kcal/h . La recirculación total de agua, en todos estos circuitos, es de unos 1 670 mIlh, en la torre mayor y en los condensadores y evaporadores de la unidad de refrigeración por amoniaco, con la que se disipa el calor producido en la sección de fermentación-desemulsión, en los condensadores de la unidad de refrigeración y en los intercambiadores de calor para enfriar el aire que se suministra a los fermentadores . Además, en la torre de enfriamiento menor se recirculan unos 66 mllh, con los que se condensan los vapores producidos en la segunda etapa del evaporador de crema y en la cámara de vaporización de la sección de preparación de mieles . La pérdida de agua en estos circuitos es por evaporación en las torres de enfriamiento, 8 m?/h en la mayor y 2 m3/h en la menor, aproximadamente . Además, en la primera se hace una extracción de 5 m3 /h. Es decir, se hará una reposición de 13 m3 /h y 2 m3/h, respectivamente, con agua tratada, aunque está previsto la

reposición con agua cruda para cualquier eventualidad . En la torre de enfriamiento de mayor capacidad se puede tratar hasta un máximo de 70 m3 /h de agua cruda con hipoclorito de sodio . Esta esterilización de agua se realiza mediante un tanque de 200 1 de capacidad, donde se prepara una solución a 14 Dio de C10Na, la cual se dosifica con 2 eyectores (1 en reserva), para mantener una concentración de 0,1 mgll, en el agua tratada . En la figura 175 se muestra el diagrama de bloques de esta sección donde se señala el flujo de agua, el balance de materiales y energía, así como algunos datos tecnológicos. 2.2 .1 .13 ALMACENAMIENTO Y CIRCUITO DE FUEL

El objeto de esta sección es garantizar la descarga, almacenamiento, calentamiento y distribución del combustible necesario para el funcionamiento de la caldera y del horno de calentamiento directo para el secado de la levadura. Está constituida, fundamentalmente, por un tanque almacén de 800 m3 de capacidad, con calentamiento mediante vapor y por 2 tanques de diario, contiguos a la caldera y el horno, también con calentamiento de vapor y con una capacidad de 10 m3 cada uno. Además, el sistema de bombas, tuberías, filtros y equipos de medición y control necesarios para la distribución y con-

329

LEVADURA FORRAJERA

50 n7/ h (29°C)

ESTACION DE AIRE PARA FERMENTACION 5 SOPLADORES 41NTERC . DE CALOR 0-475 000 kcal/h

SECCION DE FERWNTACION-DESEMULSION 0  6000000 kcal/h TORRE DE ENFRIAMIENTO 06,700000 kcal/h

_ - __~600m/h (35 0 C) , 1 000InYh (32,50 C)_

(38,5°C)Fig. 175 Diagrama de bloques de la sección de refrigeración y circuitos de enfriamiento . __-50rtP/h

tabilización del combustible consumido por la caldera y el horno . 2.2 .1 .14 PRODUCCIóN DE VAPOR

El objeto de esta sección auxiliar es producir el vapor necesario para los calentamientos requeridos en diversos puntos del proceso . Recibe : 1 . De la sección de almacenamiento y circuito de fuel, petróleo calentado a 50 - 60 °C y a una presión constante . 2 . De la sección de tratamiento de agua : agua descarbonatada filtrada y suavizada, a la que se adiciona fosfato trisódico e hidrato de hidracina . 3 . Gas propano para el encendido . 4. Aire para la combustión mediante un ventilador integrado a la caldera. Entrega : 1 . Vapor de 8 at absolutas para la concentración de la crema por evaporación, fundamentalmente .

2 . Vapor de 2 at absolutas para la termólisis de la crema, esterilización de las mieles y de los equipos de fermentación y para otros usos. El equipo fundamental es una caldera de la firma Bertsch . equipada con quemador de petróleo por atomización marca Saacke . Esta caldera trabaja automáticamente y se opera desde un tablero de mando que programa la secuencia de operación . El funcionamiento automático y los dispositivos de seguridad, permiten una operación fácil y segura de la caldera, la operación se limita a ponerla en marcha y, posteriormente, a su vigilancia durante el funcionamiento . La figura 176 muestra el diagrama de bloques donde se señalan la distribución y flujos de vapor, consumos de combustible y balance de materiales y energía . 2.2 .1 .15 ESTACION DE AIRE PARA INSTRUMENTACIóN

El objeto de esta sección auxiliar es producir el aire comprimido y seco, necesario para el funcionamiento de los equipos de medición, regulación y control instalados en la planta . Los equipos fundamentales de esta sección son 2

330

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

Omáx- 500 ka/h

0

ú a c

00

MAX. 10 056 kml/ka MIN . 9261 kcal/kg

COMBUSTIBLE VALOR CA LORICO

AGUA TRATADA ti 5- 7 ma/h 6af/h(móx )mx)

VAPOR Bat . (185 0C) Qmóx= BOW ka/h

CALDERA DE VAPOR

HORNO DE CALENTAMIENTO DIRECTO 6,5xiOa kcal/h

PREPARACION DE MIELES rcE 00

TERMOLISIS

f,, 1300ka/h

ESTERILIZACION DE Q~1000ka/h EQUIPOS DE QmeQa-150t ~FERMENTACION Y OTRAS

7'1300 ka/h CONDENSADO

CALENTAMIENTO DE

COMBUSTIBLE

Omúaa5001ka/h

E

CALENTAMIENTO DE AGUA PARA LIMPIEZA

DLUCIDN DE SALES ETC.

Fig. 176 Diagrama de bloques para combustible y vapor.

compresores de aire de 3 etapas, que pueden entregar 180 m3 /h de aire, a una presión de 7 bar cada uno. Se mantiene uno de los equipos operando y el otro en reserva. El resto del equipamiento está constituido por los filtros, en la aspiración de los compresores y otros en distintos puntos del circuito; 3 intercambiadores de calor para enfriar el aire con agua y agente refrigerante ; 2 equipos para deshidratar el aire ; 2 tanques estabilizadores para reserva del aire; diversos equipos de medición y control tales como: termómetros, manómetros, presostatos, válvula de seguridad, purgas de condensados, etcétera. La estación puede operar totalmente automática, de acuerdo con la demanda y presión requeridas por el proceso y operación de la planta en su conjunto. 2.2 .1 .16 ESTACIóN DE AIRE PARA FERMENTACIóN

El objeto de esta sección auxiliar o de utilidades, es suministrar a los fermentadores el aire necesario para el proceso aeróbico de desarrollo del microorganismo (levadura), en los 4 fermentadores de la sección de proceso, fermentación-desemulsión. Los equipos fundamentales de esta sección son 5 sopladores de lóbulos tipo roots,

de los cuales 1 se utiliza como reserva instalada, la aspiración es común con filtro de láminas de material filtrante, que se pueden intercambiar fácilmente, con un juego de repuesto para realizar la limpieza, sin necesidad de detener la marcha de los sopladores . La capacidad unitaria nominal de estos equipos es de 10 000 m3 /h. La descarga de 4 sopladores está conectada, independientemente, a 4 intercambiadores de calor para enfriar el aire desde 100°C hasta 40°C, aproximadamente y desde cada intercambiador, el aire es conducido hasta cada uno de los 4 ferméntadores . El soplador de reserva está conectado a las 4 descargas de los anteriores . Los intercambiadores de calor reciben 50 m3/h de agua a 29 °C, desde la torre de enfriamiento, retornándola a 38,5"C, para disipar 475 000 kcallh, aproximadamente. 2.2 .1 .17 ESTACION DE LIMPIEZA Y DESINFECCION

El objeto de esta sección es la limpieza y desinfección de todos los equipos de la planta que así lo requieran . Esta sección de servicios auxiliares reviste gran importancia, ya que la limpieza y desinfección son fundamentales en este proceso de producción . La composición en equt-

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332

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE L,; CAÑA DE AZÚCAR

pos es la siguiente : 1 tanque de agua industrial de 12,5 m3 de capacidad ; 3 bombas que reciben el agua de ese tanque, una de ellas de alta presión; 1 bomba para agua caliente ; 3 tanques para preparar soluciones de formol, hidróxido de sodio y detergente ; 3 bombas dosificadoras de las anteriores soluciones; 1 tanque de mezcla con agitador que recibe las soluciones concentradas y las diluye con agua fría o caliente; 1 bomba de recirculación de las soluciones preparadas con filtro en la descarga . Las concentraciones empleadas para las soluciones preparadas son 5 para el NaOH y 0,1 °'o para el formo]. Además de los equipos anteriormente mencionados, que son los que constituyen la estación de limpieza en sitio, propiamente dicha, existen otros como el equipo para la limpieza de los platos de las separadoras, un equipo para la limpieza de la fluseria del evaporador, una bomba de alta presión para la limpieza del secador y sus circuitos, fregaderos de acero inoxidable en el área de producción, medios de limpieza, etc . A manera ilustrativa, la tabla 190 muestra un programa y secuencia de limpieza de equipos, el cual puede ser modificado durante la marcha, de acuerdo con su comportamiento y a las condiciones específicas de cada lugar. En esta tabla solamente están incluidos, aquellos equipos en que la limpieza se realiza a diario, como una operación más, no incluye equipos que se limpian periódicamente o cuando se van a iniciar procesos, tales como equipos para inocular (tanques de cultivo puro y prefermentador), fermen tadores principales, tanques y circuitos diversos, etcétera . 2.2 .1 .18 TALLER DE MANTENIMIENTO Y ALMACENES 2 .2 .1 ;18.1

Taller de mantenimiento, pañol de herramientas y almacén de piezas de repuesto y de lubricantes

Estos servicios se utilizan para garantizar la operación de la planta, mediante mantenimiento de los equipos y su aseguramiento en piezas de repuesto : 1 . Taller de mantenimiento, es donde se encuentran instaladas las máquinas-herramientas tales como tornos, electroesmeriladoras,taladradoras, seguetas mecánicas y otras, necesarios para facilitar el mantenimiento y reparación de los equipos . En este taller se reparan y producen piezas para los eauipos mecánicos, eléctricos y de instrumentación de la planta, pues también existen herramientas y equipos para reparar el material eléctrico y de instrumentación.

2. Pañol de herramientas, es el local donde se encuentran debidamente organizadas y clasificadas las herramientas comunes de uso general por el personal de mantenimiento . 3. Almacén de piezas de repuesto, es el local donde se hallan, en forma ordenada, clasificada y" organizada, todo el material de repuesto disponible y donde se colocará todo el que se contrate o se produzca por el taller de mantenimiento . 4 . En el almacén de lubricantes se guardan ' los aceites lubricantes y grasas requeridos para el mantenimiento y buen funcionamiento de los equipos de la instalación . 2.2 .1 .18.2 Almacenes de productos terminados,

materias primas y auxiliares En estos almacenes se puede considerar :

1. Almacén principal para el producto terminado, con un área de tránsito para la producción diaria y una cobertura aproximada pára 1 m de producción . 2. Almacén de sales nutritivas, con un volumen total de unos 14 000 m3 y un volumen útil de almacenamiento en sacos de unos 5 000 m3, con un tiempo de cobertura de, aproximadamente, 6 m para el sulfato y el fosfato y unos 9 m para la urea. 3. Almacén de productos auxiliares, tales como los de tratamiento de agua, limpieza, desinfección y otros con cobertura que van desde 4 a 8 m. Todos los productos anteriormente mencionados deben ser almacenados en unidades volumétricas, de acuerdo con las características específicas de cada uno, sobre paletas de madera y respetando las normas de almacenamiento adecuadas para su conservación. 2.2 .1 .19 SISTEMA CONTRA INCENDIOS

El objeto de este sistema es obvio . El agua contra incendios es tomada de la torre de enfriamiento (Fig. 175) mediante 2 bombas can capacidad unitaria de 100 m3/h y una carga de 50 m de la columna de agua . El sistema se completa con las mangueras hidrantes y otros accesorios necesarios. Además, en las áreas que no se puede utilizar agua para sofocar incendios están previstos los medios necesarios como extintores con los productos requeridos .

3 Equipos fundamentales de la instalación En este epígrafe trataremos de los equipos más específicos que caracterizan este tipo de indus-

33 3

LEVADURA FORRAJERA

tria, ya que fundamentales son la mayoría de ellos, inclusive la bomba que se encuentre instalada como reserva, para garantizar el proceso continuo de producción. Entre los más importantes de estos equipos específicos se pueden mencionar : fermentadores, equipos de la sección de preparación del inóculo, separadoras y clarificadoras centrífugas, sopladores, evaporador para concentrar crema de levadura, secador por atomización y ensacadora-pesadoras . Además, se pueden considerar también como equipos específicos de esta industria, algunos de instrumentación y control tales como : sistema controlador de pH en los fermentadores, analizador de gases de salida de los fermentadores, densímetro controlador para mieles diluidas, control de espuma y otros . Pasemos a describir algunos de los más relevantes o determinantes que caracterizan esta tecnología de producción . 3.1 FERMENTADORES PARA EL DESARROLLO DEL MICROORGANISMO 3 .1 .1 Generalidades En estos equipos se realiza el desarrollo o propagación del microorganismo (levadura) en condiciones aerobias, es decir, en una primera etapa, se produce una degradación o glucólisis de los azúcares o compuestos más sencillos y acto seguido, mediante una respiración aerobia, en presencia de oxígeno y nutrientes, estos compuestos más sencillos son aprovechados por la síntesis de material celular (multiplicación o desarrollo de la levadura) con formación de C02 y H 2O. Este equipo es determinante en esta tecnología de producción, ya que la productividad, el rendimiento y la eficiencia tecnológica y económica se logran en el fermentador . La función de los demás equipos es recuperar lo obtenido en la fermentación, encontrándose estandarizados sus parámetros de operación y eficiencia . Los equipos actuales son de gran capacidad y están equipados con sistema de aireacción-agitación, control de nivel, pH, espuma, mediadores y registradores de los flujos de alimentación, sistema de enfriamiento y otros. De acuerdo con la forma de la aireación-agitación, los fermentadores se pueden clasificar en: a) agitados mecánicamente ; b) agitados por la misma aireación . Ambos tipos han encontrado utilización en la producción de levadura, pudiéndose encontrar en las tecnologías existentes en nuestro país. La capacidad de un fermentador para producir levadura, eficientemente, es la característica principal que debe considerar su diseño . A continuación se definen los índices principales .

3.1 .1 .1 CONSUMO ESPECIFICO DE ENERGIA

Se define como aquella energía (kW " h) neceria para producir 1 kg de levadura seca . Esta energía comprende la utilización para la aireación y agitación . Los fermentadores competitivos para la producción de levadura a partir de mieles finales, oscilan en el valor de 0,40 kW " h a 0,50 kW " h/kg de levadura seca. 3 .1 .1 .2

COEFICIENTE BIOQUIMICO DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO

Es el oxígeno que puede ser utilizado para, funciones del metabolismo por cada kilowatt-hora suministrado en aireación-agitación . El valor normal es de 2,0 kg a 2,5 kg oxígeno/kW -h. 3.1 .1 .3 CONSUMO ESPECIFICO DE AIRE

Es el volumen de aire medido en condiciones de temperatura y presión normal (O °C y 760 min Hg) que se necesita para producir 1 kg de levadura seca. Para sistemas agitados mecánicamente es de 11 m3 a 15 m3/kg de levadura seca, que corresponde a una utilización del oxígeno suministrado de 22 a 30 % . Para sistemas aireados solamente, el índice es de 30 a 40 m3 /kg de levadura seca que corresponde a una utilización de 10 a 15 % del oxígeno contenido . 3 .1 .1 .4 RAZóN DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO

Es la capacidad máxima de transferencia de oxígeno por unidad de tiempo y volumen, medido a través del método de sulfito y expresado, usualmente, en milimoles de 02/1 -h. Este índice depende de la eficiencia del sistema de aireación-agitación y es el factor limitante en la productividad del fermentador industrial ya que el oxígeno consumido para metabolizar la masa biológica no podrá ser mayor que el que pueda disolver y transferir el sistema de aireación-agitación . 3.1 .1 .5 PRODUCTIVIDAD VOLUMÉTRICA

Representa el incremento de levadura por unidad de volumen de fermentación y por unidad de tiempo . Para la producción a partir de mieles, las cifras para sistemas de alta concentración se encuentran entre 2,5 a 4,5 kg de levadura seca/nx3 " h y para baja de 1,5 kg de levadura seca/m3 " h. 3.1.2 Fermentador Este fermentador es de sistema de agitación mecánica, es cerrado y posee un hidrociclón como sistema mecánico controlador de espuma . La presión de cabeza, creada por este hidroci-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

334

PARA 7 000-7 500 Nma/h DE AIRE *0

0 0

FUNCIONAMIENTO AUTOMATICO

OPERACION NORMAL

E n ;, 100 ó 0 0 0

v v

á 0

ó a 0 0 e a

11

50-

I

0

0

1

2

PRESION DE CABEZA EN EL FERMENTADOR

PRESION DE CABEZA 0 ABERTURA DE LA VALVULA

4 5 6 7 8 910 m COLUMNA DE H 2 C

3

t .(h)

4

Fig. 177 Dosificación automática del agente antiespumante de acuerdo con la prestón de cabeza en el fermentador.

clón, permite la adición automática de antiespumante químico (Fig. 177), que a la vez mantiene esta presión al valor constante requerido para el funcionamiento eficiente del equipo, sobre todo con referencia a parámetros tan importantes como son la homogeneización del medio fermentado y la razón de transferencia de oxígeno . TABLA 191

Otros índices de fermentación como características de diseño del fermentador Indice de fermentación Consumo especifico de energía (kW .h/kg de levadura seca)

0,59

Coeficiente bioquímico de transferencia de oxígeno (kg O2fkW .h)

1,7

Consumo especifico de aire (me/kg levJ

14,0

Razón de transferencia de oxígeno (mural 02/1-N

Eficiencia de utilización de 02 suministrado (95)

130,0

20,0

Productividad volumétrica (kg/m' " h)

4,4

Coeficiente total (U) de transferencia de calor (kcal/h " m3 *C)

890,0

En la tabla 188 se relacionaron algunos de sus parámetros fundamentales de diseño y operación. La tabla 191 muestra los valores de los índices de fermentación, definidos en los epígrafes 3.1.1 .1 a 3 .1 .1 .5, para este fermentador . Como se puede observar los índices encontrados coinciden con lo reportado en la literatura. A continuación describiremos algunas características mecánicas y dinámicas de su diseño, así como la relación de equipos de medición y control para su operación : 1 . La construcción es totalmente en acero inoxidable y conforma un tanque cilíndrico hermético, con camisa de enfriamiento de 184 m2 de área de transferencia de calor e intercambiador interior radial alimentado desde la camisa y con un área de transferencia de calor de 252 m2. La disipación es de 600000 kcallh, en la camisa y 850 000 kcallh, en el intercambiados radial, aproximadamente . Los coeficientes totales de transferencia de calor (U) son de 870 y 900 kcallm 2 °C, respectivamente. 2. El tanque hermético que conforma el fermentados se encuentra abierto a la atmósfera mediante el hidrociclón, tiene un diámetro de 6 000 mm y una altura de 7 700 mm . En el techo del tanque e interior del hidrociclón están instalados atomizadores estáticos para la limpieza a presión .

33 5

LEVADURA FORRAJERA

3. El sistema de aireación-agitación está constituido por el conducto del aire que entra por la parte superior central del fermentador y acopla con el rotor del agitador donde se encuentran atornilladas las aspas que conforman el agitador . Estas aspas son huecas o abiertas por la parte contraria a la dirección del giro, lo que permite la salida del aire a unos centímetros del fondo del fermentador . La potencia para la agitación es tomada de un motor reductor instalado debajo del fermentador, el cual permite que las aspas giren a una velocidad de 80 - -120 rpm. Esta velocidad es importante para lograr el perfil dinámico de agitación en la masa del mosto dentro del fermentador, de acuerdo como se indica en la figura 178. Las aspas nunca deben girar en vacío, es decir, el nivel de líquido debe ser de 1 a 2 m, por encima de las mismas y se debe suministrar de 2 000 a 3 000 m3/1t de aire. 4. El eje de trasmisión de potencia al agitador entra verticalmente, desde el motorreductor, por el fondo del fermentador a través de un núcleo de sellaje . Este núcleo está constituido, fundamentalmente, por un sello mecánico especial (metal y carbón) y por un anillo de goma Simri, que garantizan la hermeticidad del fermentador, es decir, que no escape el mosto y pueda dañar este sistema . El sellaje y el funcionamiento eficientes y con el mínimo desgaste se garantizan mediante la alimentación de agua tratada y filtrada al sello, que en funcionamiento, a causa de la película de agua entre las 2 superficies (metálica y de carbón) prácticamente, no sufre desgaste . Cuando el equipo para, esta película es expulsada y las 2 superficies se ponen en contacto directo, por lo cual el desgaste normal de este sello, se produce al poner en marcha el agitador y mientras la película no se ha interpuesto entre las 2 superfi-

AOITADOR

cies. También es importante que el agua de lubricación sea tratada y filtrada, evitándose que las superficies se incrusten con las sales del agua o que se dañen por sólidos en suspensión . Si se daña el sello mecánico se puede detectar, ya que por la salida de agua de lubricación comienza a escapar, también, el mosto desde el interior del fermentador. El anillo de goma Simri es el que permite el sellaje del aceite de lubricación del núcleo de sellaje . Cuando este anillo se daña también puede ser detectado por escape de aceite . El nivel de aceite se puede observar en la botella de alimentación. 5 . Los equipos de medición y control que complementan la operación eficiente del fermentador son los siguientes: -Regulación automática de la temperatura de fermentación mediante la variación del caudal del agua de enfriamiento . -Regulación automática del aire a fermentación mediante la variación del caudal de alivio a la descarga del soplador. -Análisis automático del tanto por ciento de alcohol en los gases de salida del fermentador, como medida de la anaerobicidad del proceso y para controlar, ma. nualmente, los flujos de miel. - Regulación automática del pH de la fermentación, mediante la variación de los caudales de las soluciones de urea y sulfato de amonio. -Control automático de la emulsión por adición de antiespumante, de acuerdo con la presión de cabeza (Fig. 177) . - Control automático del nivel de mosto en el fermentador, es decir, del volumen de trabajo.

PERFIL DE

ADITACION

Fig. 178 Esquema del agitador y del perfil de agitación.

336

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZIICAR

- Rotámetros indicadores y controladores manuales de los caudales de alimentación a los fermentadores (miel, agua, recirculación, solución de sales nutritivas, etcétera) . -Registradores e indicadores para nivel, temperatura, caudales de alimentación, pH, presión de cabeza, amperaje de motores, etc . -Diversos sistemas de alarma, señalización y seguridad, como la parada de los motores de los agitadores, cuando falta el agua de lubricación a los sellos, señalización de nivel mínimo en los tanques de alimentación de miel, nutrientes, antiespumantes, etc . -La mayoría de los registradores, indicadores y elementos de sistemas controladores se hallan integrados en. una central GASES DE SALIDA

II

ALIMENTACION DE

MIELES

PEP

NUTRIENTES,

AIRE

AGUA .MOSTO AGOTADO,

ski

nr

EFLUFNTES RE-

HIDROCICLON

AGENTE ANTIESPUWANTE

IR

CIRCULADOS

M

AGUJERO DE HOMBRES

pl

LI

I

I

I

II II

i

TERCAMBIADOR

I

AGUA DE ENFRIAMIENTO

Y

RETORNO A LA TORRE

CAMISA

RADIAL AGUA DE ~ ENFRIAMIENTO

`ACEITE AGUA TRATADA

Fig. 179

Edcguema del fermentador .

desde donde se puede, también, poner en marcha y parar todos los equipos del área de fermentación-desemulsión . La figura 179 muestra un esquema del fermentador descrito . 3.2 SEPARADORAS CENTRÍFUGAS PARA LA RECUPERACIóN DE LA LEVADURA 3.2 .1 Generalidades La función de estos equipos, en la industria fermentativa, consiste en recuperar el microorganismo a partir del líquido madre o mosto agotado del proceso de fermentación . Esta recuperación o separación se realiza por la acción de la fuerza centrífuga y la diferencia de densidades entre el microorganismo y el mosto . La demanda, por separadoras centrífugas de mayor capacidad y eficiencia, ha ido en aumento . Hace varios años las firmas especializadas en estos equipos para recuperación de levadura (panadera, forrajera y de destilería) y otros mieroorganismos, colocaron en el mercado una nueva serie de separadoras de levadura, cuyas características fundamentales eran grandes capacidades, descarga libre de la crema y el efluente y boquillas externas roscadas en la periferia del tazón separador (bowl) . En los últimos 5 a, para satisfacer esa demanda creciente, se han desarrollado nuevos tipos de separadoras centrífugas, las cuales tienen mayor capacidad que las series anteriores. También se han desarrollado equipos con los cuales es posible obtener el concentrado de levadura bajo presión, así como variar su concentración durante la marcha. Los equipos de esta serie también pueden entregar el claro o efluente a presión y tienen todas sus partes, en contacto con el líquido, de acero inoxidable de alta calidad, poseen sistemas de limpieza en sitio y, en general, se ha tomado en cuenta, en su diseño, la demanda higiénica de la industria alimenticia . Todos estos tipos de separadoras pueden ser utilizados para la concentración de levadura de panificación y forrajera . Sin embargo, un equipo de diseño especial desarrollado, particularmente, para la separación de levadura cervecera introduce el factor de hermeticidad y permite operar bajo presión de C023.2.2 Separadora Este equipo posee una cubierta semicerrada que permite la descarga libre del claro o efluente. La alimentación es mediante tubo y la descarga del concentrado es a presión y regulable. En este sistema el concentrado es recogido

LEVADURA FORRAJERA TUBO CONTROLADOR

337

CONCENTRADO DE LEVADURA ALIMENTACION DE MOSTO BOQUILLA PARA LIMPIEZA

VALVULA DE LIMPIEZA EN SITIO

EFLUENTE

Fig. 180 Esquema de uud separadora centrífuga. por unos tubos que se dirigen de la periferia al centro, hasta una turbina centrípeta donde llega también el tubo de salida que regula la concentración de la crema descargada bajo presión . Los tubos que separan la levadura tienen roscada las boquillas en el extremo que llega a la turbina centrípeta. Este equipo se puede limpiar en el sitio, es decir, sin necesidad de desmontar el tazón separador (bowl) . Por tener la descarga libre de efluentes, el consumo de energía de este equipo no es muy alto; este tipo se entrega con motor de 65 kW, acople directo y trasmisión por engranes . El motor va montado _en la misma base de anclaje de la separadora. La figura 180 muestra un esquema de este equipo . 3.3 SISTEMA DE SECADO POR ATOMIZACIóN 3.3.1 Generalidades El secado por atomización es uno de los mejores métodos para secar soluciones, emulsiones y dispersiones . Por la moderna técnica de secado por atomización, es posible no sólo secar líquidos con poca viscosidad, sino también los de gran viscosidad o los que son casi pastosos . El principio del secado por atomización consiste en

pulverizar un producto líquido o semilíquido, mediante un atomizador de disco giratorio, en una cámara de secado donde se pasa una corriente de aire caliente. En este proceso se secan las gotas de líquido hasta el punto que, al final queda la sustancia seca en forma de partículas de polvo . Estas caen al fondo de la cámara de donde se extraen en forma continua y, generalmente, mediante un transportador neumático . Por la gran superficie que presenta el líquido en el proceso de atomización, la evaporación se efectúa muy rápidamente y a temperatura muy baja, independientemente de si se utiliza aire o gases con temperatura muy alta. Las ventajas del secado por atomización, en general son : secado cuidadoso ; corto tiempo de secado y a baja temperatura ; excelentes propiedades de reconstitución; producto uniforme y de buen olor; trabajo continuo ; planta de fácil automatización; ninguna coritaminación del producto ; altos índices de evaporación ; costos de secado económicos . Entre los productos que se pueden secar por atomización se citarán los siguientes : productos lácteos ; huevo; levaduras ; sangre de animales; cereales; otros productos alimenticios ; solubles y pulpa de pescado ; extractos de legumbres ; frutas ; productos farmacéuticos ; plásticos ; productos químicos y abonos ; pigmentos ; productos cerámicos ; jabón y detergentes; otros. En los últimos años, ha aumentado, considerablemente, la cantidad de productos que pueden ser secados por atomización . Las distintas exigencia'§ de los diferentes productos, hacen necesario variaciones en la construcción de las plantas . Como base para la clasificación de los sistemas de secado por atomización, en distintos tipos se toma, generalmente, el sistema de calefacción: tipo I, son aquellas plantas de secado en las que se calienta el aire por calentadores de aire mediante vapor o corriente eléctrica; tipo II, está provisto de calentamiento indirecto del aire en calentadores de aire con petróleo o gas; tipo III, comprende las plantas con calentamiento directo del aire por medio de gas o petróleo . En estas plantas el aire caliente es una mezcla de aire y gases de combustión ; tipo IV, comprende las plantas, en las que no se calienta el aire . Este tipo, por lo tanto, no representa ninguna planta de secado en sí ; se utiliza, sin embargo, el sistema para la cristalización por atomización de ciertas sales y productos químicos fundidos . En todas estas plantas el fondo de la cámara de secado puede ser plano o cónico, teniendo en cuenta las características especiales del producto seco y/o consideraciones de espacio . La cámara de secado se puede equipar con dispositivos corno limpiador neumático de polvo u otros para la producción de materias con alto contenido de grasa o muy adhesivos .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

33 8

TABLA 192

Características del sistema de secado instalado en las plantas de tecnología austriaca

Tamaño

Rendimiento en evaporación de agua

No.

kg/h=

kg/hhh

22

5000

16000

919 hh

Consumo de pa .,róleo

Consumo de energía

Diámetro

Altura

Ht

m

kg/hgg

kg/W

kwgg

m

m

560

1180

400

13

16

Peso bruto t

253

105

Basado m una temperatura de entrada de 730 "C. Basado en una temperatura de entrada de 500 'C.

Hr: Altura desde la base de la cámara de secado hasta el puntal del techo que la cubm

Los tamaños de plantas dentro de cada tipo van del número 1 al 24, con un aumenta de 25 % de capacidad entre un número y otro . 3 .3 .2 Sistema de secado por atomización

de acuerdo con su capacidad. En la tabla 192 se dan algunas de sus características . La pulverización de la crema de levadura se efectúa -mediante un atomizador Anhydro, que es el corazón de la instalación. Consta, en principio, de un disco atomizador que gira a gran velocidad y que está montado en el extremo de un eje accionado por motor eléctrico mediante

El sistema instalado para la tecnología descrita es una planta de secado tipo III, número 22,

_CRE_M_a

ATOMIZADOR

OE

LEVAD IRA

TRANSPORTE NEUMATICO

-

CICLON . . . COLECTOR

HORNO DE CALENTAMIENTO

POLVO DE yMEZCLA DE

LEVADURA ARE + GASES CALIENTES

AIRE 'l. GASES, VAPOR DE SIN LEVADURA

CAMARA DE

Fig. 181

SECADO

Sistema de secado Por atomización.

AGUA

339

LEVADURA FORRAJERA trasmisión por correas. Un tubo de entrada que conduce la crema de levadura a un distribuidor anular, desde donde pasa al disco atomizador . A causa de la velocidad del disco y a la fuerza centrífuga, la crema es atomizada al pasar, con gran velocidad, por las perforaciones radiales que hay en la periferia del disco . Las partículas atomizadas entran, inmediatamente, en contacto con el gas caliente y, por tanto, se secan en forma casi instantánea . El sistema de extracción del polvo seco es un transportador neumático con ciclones separadores . Esta extracción se hace en forma continua . La figura 181 muestra un esquema de todo el sistema . 4 Características del producto final En general, la levadura es considerada como un forraje valioso por su alto conteido proteínico. Además, la razón proteína/carbohidrato es mayor que en otros forrajes vegetales . En la tabla 193 se muestra el valor nutricional de la levadura seca, comparada con otros forrajes . Los valores corresponden a 100 g del producto . TABLA 193 Valor nutricional de la levadura seca comparada con otros forrajes ProteL nas

Grasas

Carbahidratos

Calorías

48,0

4,0

17,0

316,0

Maíz

6,0

0,8

54,0

253,0

Arroz

8,0

0,5

77,0

354,0

Mijo

11,2

7,5

65,0

382,0

Levadura seca

levadura forrajera alimentadas diariamente, provocan tina concentración del ácido nucleico en el organismo, lo cual trae aparejado el aumento del contenido de ácido úrico que puede causar grandes daños en el tejido óseo. Por tanto, se recomienda que solamente 5 % de la ración alimenticia total debe ser en forma de levadura forrajera . Las tablas 194, 195 y 196, muestran las caracte . rísticas y composición de la levadura obtenida, industrialmente, a partir de mieles de caña . TABLA 194 Características físicas y composición química de la levadura forrajera de mieles Apariencia

Producto pulverulento de color amarillo brillante a pardo claroii

Densidad de bulto

0,45 kg1dmz

Granulometría

Malla 200 a malla 40011

Angulo de reposo

Aproximadamente, 45'

Estabilidad

Buena en almacenamiento seco. Se daña, rápidamente, con la humedad, contaminándose con hongos y bacterias

Humedad (%)

6-8

Proteína bruta (%)

45 -50 (100 ato M.S.)

Ceniza (%)

7-10

Fósforo (P2O5) (%)

3-4,4

Grasas y lipoides (%)

1-15

Carbohidratos tota. les (%) u

20-30

Depende del equipo y condiciones de

secado .

TABLA 195 Otras características de la levadura forrajera que la hacen altamente valorable no es solamente su alto contenido en proteínas, sino, también, el tipo de proteína . Su alto contenido en lisina la hace ideal como suplemento de proteínas vegetales pobres en este aminoácido esencial . Sin embargo, a causa de la deficiencia de cistina y metionina la levadura forrajera no debe ser usada como única fuente de nitrógeno . Además del valor significativo de la levadura como fuente de proteína, es aún más importante su reconocida significación como suministradora de vitaminas, especialmente vitaminas del complejo B . A pesar de todas las ventajas señaladas, se debe tener en cuenta que grandes cantidades de

Contenido de vitaminas en levadura (mg en 100 g de materia seca) Tiamina (B,)

6,0 a 7,2

Riboflavina (By)

3,9 a 4,5

Acido pantoténico (B,)

3,0 a 4,0

Acido nicotínico

40

Piridoxina (Bs)

3,5 a 4,5

Biotina

0,1

Acido fálico

0,03 a 0,12

Acido p-aminobenzoico

3,5 a 4,5

a 50 a 0,2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

340 TABLA 196

Espectro de aminoácidos de levadura forrajera torula (°h materia seca) Aminoácido

BERÁN, K . Y O. ALMAZÁN : "Fermentación continua de levadura forrajera en mieles finales de caña cubana :' Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 2 : 5, 1968 .

Muestra I

Muestra II

Promedio

Leucina4soleucina

6,13

6,08

6,11

Lisina

3,69

3,68

3,69

Acido glutámico

3,77

3,80

3,79

Histidina-arginina

3,48

3,46

3,47

Acido aspártico

3,35

3,38

3,37

Glicina

2,65

2,60

2,63

GONZÁLEZ, M . Y J . KoPECKY : "Determinación cuantitativa de aminoácidos en levadura forrajera tipo torula." Cuba-Azúcar, abr.-jun ., 1973.

Valina

2,65

2,60

2,63

HARRISON, J . S . : Proc. Bioch ., 2(3) : 44-45, 1967 .

Alanina

2,37

2,39

2,38

Treonina

2,25

2,26

2 ;26

Fenilalanina

2,20

2,12

2,16

HOSPODKA, J ., 1 . MALEK AND Z . FENCL : Industrial aplication of continuos fermentation . Teoreticai and methodological basis of continuos culture of microorganism . Ed . : Academic Press, 1966 .

Serina

1,86

1,88

1,87

Tirosina

1,11

1,02

1,07

0,93

0,50

0,71

Metionina

Otras características como alimento, sus usos en forrajes y otros aspectos nutricionales se comentan en la sección dedicada a la alimentación animal .

5 Bibliografía ALVAREZ, X . Y J . PROTIVA : "Descontaminación térmica ." Informe interno, ICIDCA, 1966 . ANÓNIMO : "Distintos aspectos relacionados con la producción de levadura en Cuba ." Cuba-Azúcar, may.-jun ., 1967 .

BIART, J . R ., J . CONDE Y P . SERRANO : "Monografía so. bre mieles finales ." Informe interno, ICIDCA, 1981 . COONEY, C ., D . 1 . C . WANG AND R. 1 . MATELES : Biotech . Bioeng, 7 : 445, 1965 . GóMEz, R . : "Análisis de la puesta en marcha de las plantas de levadura torula ." Contrato C . 1 . 4-74 y C . I . 5-74, informe interno, ICIDCA, 1978 .

ICIDCA : "Documentación técnica de las plantas de tecnología austriaca ." Contrato C.I . 4-74, 1974 . ---- "Producción de proteínas vía levadura torula . Diferentes alternativas ." Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 8(2) : 51, 1974 . JUNTA CENTRAL DE PLANIFICACIÓN : "Metodología para la evaluación de las inversiones industriales previstas en el plan 1976/1980 :" ICIDCA, 1976 . LooDER, J . : "A taxonomic study ." The yeasts. 2nd . ed ., Ed . : North-Holland Publishing Co ., 1971 . NEGRETE, M . : "Estudio taxonómico de las cepas usadas en las nuevas plantas de fabricación de levadura forrajera en Cuba ." Informe interno, ICIDCA, 1977 . VALDÉS, L, I . IGLESIAS Y Z . ZUAZNAEA : "Estudio primario de las cepas productoras de biomasa en las nuevas plantas de levadura torula ." Informe interno, ICIDCA, 1977 .

Capítulo XII ALCOHOL ETÍLICO MÍRIAAI KLIBANSKY DELGADO

1 Introducción El alcohol etílico se puede considerar uno de los más antiguos productos orgánicos conocidos . Su producción por fermentación data del milenio v a.n.e., en la antigua Mesopotamia, en la elaboración de vinos. Posteriormente, se extendió a Egipto, Grecia y Roma. Este proceso ha sido, a lo largo de la historia, uno de los más estudiados, dando origen al descubrimiento de la participación de los microorganismos en la pro ducción de diferentes compuestos de difícil acceso por la síntesis orgánica. El etanol producido mediante la vía fermentativa puede ser utilizado en diferentes industrias, especialmente en la química, farmacéutica y alimenticia . De sus usos se destacan: fabricación de perfume, solvente, combustible, algunos productos farmacéuticos, bebidas y licores . La panorámica alcoholera en el mundo ha cambiado su tendencia con el decursar del tiempo . A partir de los años cuarenta, los alcoholes producidos por la síntesis química comenzaron a sustituir los alcoholes fermentativos . Esta situación condujo a que a finales de los años sesenta, la inmensa mayoría del alcohol industrial utilizado, se obtenía por vía de la catálisis del etileno, el alcohol de fermentación quedaba para satisfacer las demandas de consumo humano. Sin embargo, a partir del alza de los precios del petróleo en el mercado internacional, que se produjo en el año 1973, y en la medida que la producción de alcohol por fermentación comienza a ser competitiva, en lo que a costo se refiere, con la petroquímica, se inicia una ingente búsqueda de mejoras tecnológicas, diseño de tecnologías, así como la investigación de nuevas fuentes potenciales de materia prima. Holanda reporta la ampliación de sus capacidades, utilizando los cereales como fuente de carbono ; se promueve, de igual forma, la producción de alcohol agrícola (a partir de residuos de cosecha), fundamentalmente, en los países en vía de desarrollo. Japón realiza estudios sobrt mejoras en la tecnología de producción de alcohol, a partir de mieles, además de realizar investigaciones conjuntas con Estados Unidos para la utilización de glucosa como sustrato . Australia e Inglaterra consideran la conversión

de carbohidratos renovables en este producto. Países de América como Paraguay, Costa Rica, Bolivia y Argentina, valoran las potencialidades de producción de etanol a partir de productos intermedios y subproductos del proceso de fabricación de azúcar, destacándose el caso de Brasil, el que ha establecido una política alcoholera de aumento considerable de su producción, especialmente con fines carburantes . 2 Diferentes materias primas utilizadas La materia prima esencial en la producción de alcohol está constituida por la fuente de carbono, la que proporciona la energía requerida para la formación del mismo . Una primera divi sión de estas materias primas sería : 1 . Materias celulósicas . 2. Materias amiláceas . 3. Materias azucaradas . Los cultivos que producen celulosa tales como árboles, hierbas o residuos de cosecha, se disponen en grandes cantidades . Sin embargo, el proceso de hidrólisis para su conversión a etanol encarece esta alternativa . Los productos de origen vegetal ricos en azúcar o almidones, son relativamente más caros, pero más fáciles de convertir en alcohol; se opina, en forma general, que los productos vegetales dignos de consideración para la producción de alcohol combustible son : yuca y caña de azúcar, en regiones tropicales, azúcar y remolacha forrajera, en áreas templadas y sorgo azucarado y diversos granos, en regiones secas. La tabla 197 ofrece una comparación del tonelaje aproximado y el rendimiento alcohólico de diversos cultivos . Evidentemente, la caña de azúcar presenta características que la hacen apropiada para esta producción, no sólo por su alta eficiencia agrícola, sino también porque ofrece la posibilidad de disponer de un producto fibroso, bagazo, el que puede ser utilizado con fines combustibles.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

342 TABLA 197

Rendimiento Rendimiento Productividad del alcohol del cultivo de alcohol

(1/t)

(t/ha)

(1/ha)

Caña

70

70,0

4900

Yuca

180

20,0

3600

86

35,8

3 010

Trigo

340

1 .5

510

Trigo (de alto rendimiento)

350

3,0

1050

Maíz

370

6,0

2220

Cebada

250

2,5

625

Papas

110

25,0

, 750

Arroz

430

2,5

1075

Uvas

130

25,0

3 250

Boniato

125

15,0

1875

Sorgo azucarado

3 Producción de alcohol a partir de la caña de azúcar Al hacer el análisis de la potencialidad de -sta g~ ,-línea se debe considerar que la misma es competitiva con la producción de alimento para consumo humano. Esto obliga a ser extremadamente cauteloso en la valoración integral de esta alternativa . La producción de alcohol por fermentación, a partir de la caña, presenta 3 alternativas posibles . 1 . Mieles de caña. 2. Jugo de caña . 3. Residuos lignocelulósicos (bagazo, hojas y cogollo) . 3.1 MIELES FINALES DE CAÑA Constituye una de las primeras materias primas utilizadas con estos fines por sus características idóneas, en lo referente a contenido de azúcares, aminoácidos, minerales y probióticos . No obstante, la utilización, en gran escala, de las mieles estará limitada por la demanda siempre creciente de este producto para la alimenta-

ción animal directa, así como para la obtención de productos de interés bioquímico e industrial. Por otra parte, el alza de los precios en el mercado mundial agrava, considerablemente, la rentabilidad de uso de este producto. Por cada tonelada métrica de caña verde procesada se obtienen alrededor de 44 kg de melaza, de los cuales se pueden producir 11 1 de alcohol . Esto significa entre 2,45 y 2,85 hl de alcohol por tonelada de miel. 3.1 .1 Fermentación Para llevar a efecto este proceso, las mieles, por lo general, son tratadas con vistas a la eliminación de sustancias nocivas y sólidos en suspensión, que inciden, negativamente, no sólo en la calidad de la levadura y en el proceso de fermentación, sino, también, en la propia destilación, al aumentar las incrustaciones en la misma . Existen diferentes va.-;antes de tratamiento, desde una simple sedimen . -ión, hasta procesos de esterilización a altas temperaturas, con eliminación de sólidos, mediante desfanguizadores centrífugos . Generalmente, la miel es diluida a 45 °Brix y puesta en contacto con vapor, se aumenta su temperatura hasta 80-85°C, ésta garantiza la eliminación de los microorganismos nocivos, el posible arrastre de sustancias volátiles y una mejoría de la mezcla, producto de la turbulencia que origina el burbujeo del vapor en el seno del líquido . La miel, diluida y caliente, se introduce en un sedimentador continuo para la eliminación de los sólidos en suspensión. Este proceso se realiza en forma continua, la miel clarificada se enfría en un intercambiador de placas, y el agua de enfriamiento es utilizada para la dilución de la miel que entra al proceso . El fango se extrae por el fondo del sedimentador y se lava con agua caliente para extraer los azúcares que arrastra . El agua de lavado se utiliza también como agua de dilución . La miel clarificada y enfriada se vuelve a diluir hasta la, concentración deseada, se ajusta el pH con ácido sulfúrico, adicionándosele las fuentes de fósforo y nitrógeno necesarias para la fermentación . El sustrato, una vez preparado, es enviado al cultivador donde se encuentra con un cultivo puro propagado en el laboratorio, suministrándose aire para facilitar la multiplicación del microorganismo . La levadura propagada pasa al prefermentador en una relación de inoculación 1 :5 a 1 :10, para aumentar la masa biológica total y garantizar un inóculo con buenas características en la etapa de fermentación . El proceso de fermentación se realiza, generalmente, en ausencia de oxígeno, para que se produzca la máxima cantidad de etanol posible y

343

ALCOHOL ET1LIC0

minimizar la formación de biomasa . En dependencia de la cepa de la levadura empleada, de los nutrientes presentes y de la temperatura de fermentación, la reacción transcurre en un tiempo entre 12 y 30 h. Es de destacar, que durante el procesamiento de grandes volúmenes de alcohol, por fermentación discontinua y considerando un buen estado fisiológico, la temperatura se convierte en el factor limitante fundamental, por su efecto negativo sobre el microorganismo, y, por ende, en el rendimiento alcohólico . De ahí, que en los países tropicales, el calor generado se extrae, normalmente, por refrigeración artificial, usando el sistema de torres de enfriamiento con recirculación de agua. De esta forma, es posible controlar el proceso a 33 -35°C, lo que asegura una rápida fermentación, con una máxima producción de alcohol en 16 a 18 h. Una vez finalizada la fermentación, el media fermentado pasa a la etapa de separación ; primeramente pasa por un colador para eliminar partículas que puedan obstruir las boquillas. La crema de la primera separación es lavada con agua y centrifugada, nuevamente, para recuperar parte del alcohol arrastrado . El claro de la segunda es mezclado con el de la primera y enviado a la etapa de destilación . La levadura producida puede ser utilizada en diferentes formas : a) Recuperación de toda la levadura producida en el proceso. b) Recuperación de parte de la levadura y recirculación del resto al prefermentador. c) Recirculación de la levadura a la etapa de fermentación . Esta última alternativa, conocida como proceso Moille-Boinot y que consta de un lavado ácido a pH 2, previa recirculación, trae aparejado aumentos hasta de 5 "io del rendimiento

alcohólico, minimizando el consumo de azúcares para crecimiento y disminuyendo el tiempo de fermentación . La levadura que va a ser recuperada, es sometida a un proceso de plasmólisis ; posteriormente, se concentra en un evaporador y, por último, se lleva a un secador de atomización, obteniéndose el producto en forma de un polvo fino de color amarillo claro que es envasado en sacos multicapas de 25 kg. 3.1.2 Destilación Los sistemas de destilación de alcohol utiliza-' dos son muy variados y pueden constar desde 2 columnas hasta 6 o más, en dependencia del grado de rectificación que se desee. En el caso de sistemas de destilación de 3 columnas, las unidades básicas lo constituyen : columnas destiladora, depuradora y rectificadora (Fig. 183) . Las diferencias de este sistema con otros de más columnas consiste en lo siguiente : 1 . Operación de la columna depuradora en lavado de agua a contracorriente . 2. Adición de una columna para concentrar y separar el aceite de fusel. 3. Reposar el alcohol rectificado en una columna donde los compuestos de punto de ebullición muy próximos al etanol son separados . Otro ejemplo interesante es el utilizado en los sistemas de destilación de 5 columnas, con la finalidad de obtención de alcohol absoluto . Su esquema tecnológico se puede resumir como sigue : a la primera columna o columna destiladora llega el mosto a una concentración alcohólica de 8 - 12 % y es previamente calentado por la corriente de fondo de la misma . El alcohol crudo, rico en impurezas, que se obtiene por el tope, es enviado a la segunda columna rectifica-

Fig. 183 Destilación alcohólica .

344

LA INDUSTRIA DE I.OS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

dora, que posee 3 condensadores . El alcohol extraído del primero, es enviado a la tercera columna. Del segundo se hace una extracción de reflujo y del tercero pasa a la quinta columna separadora de impurezas . Por la zona media de la columna, se extraen los alcoholes que sustituyen el aceite fusel, el que es lavado y separado para su posterior almacenamiento (Fig. 184) . Por la base se extraen las flemas que son enviadas como efluentes a la _zanja . La tercera columna es la llamada columna deshidratadora, encargada de llevar la corriente de entrada a etanol a 99,5 4b en volumen. En este caso, se utiliza como agente deshidratador ciclohexano . Por el tope de la columna se extrae una mezcla agente deshidratante-alcohol-agua . Después de separado el agente, la mezcla etanol-H .20 es enviada a la columna concentradora de cabezas o cuarta columna. Su corriente de tope es condensada en su único condensador y enviada a la quinta columna separadora de impurezas . En la misma se eliminan las impurezas ligeras (aldehídos y ésteres que provienen de las columnas 2 y 4) (Fig. 185) . La corriente de fondo, rica en etanol, es enviada nuevamente a la columna deshidratadora, repitiéndose nuevamente el proceso . Las aguas residuales del proceso de produF ción de alcohol, a partir de mieles finales de caña presentan, por lo general, una DB0 3 (domanda bioquímica de oxígeno), alta, pudiendo llegar (en dependencia del grado de recupera-

Fig. 184

ked 1400 '

1 300

se é

e

1 200

1 000

900

". su

Fig.

IL1 fm

MJ

IM

su

2u

mi % .

OroOO @1e~

185 Consumo teórico de energía por kilogramo alcohol de rectificado en función del grado alcohólico.

Destilación alcohólica.

345

ALCOHOL ETILICO

ción) hasta 60 000 ppm, con un grado Brix entre 10-12, con un contenido alrededor de 7 g/1 de materia orgánica . Es decir, una destilería que descargue 1000 m3/d de líquidos residuales con un DB05 de 35 000 ppm, su contaminación es equivalente a los de una población de 625 000 habitantes . De ahí la importancia que reviste el tratamiento de estos líquidos residuales para su posterior disposición a los cursos receptores . Sin embargo, dado su alto contenido en materia orgánica se han propuesto diferentes usos para los mismos, entre los que se destacan : mejoramiento de suelos, producción de biogás y concentración para su uso como alimento animal o también como materia prima para la producción de proteína unicelular . 3.2 JUGO DE CAÑA El jugo de caña es otra de las alternativas más ampliamente utilizadas en la producción de etanol. En la actualidad, el Programa Nacional de Alcohol de Brasil contempla esta variante, mediante la instalación no sólo de destilerías anexas, sino también de destilerías autónomas. Sin embargo, existen diferentes criterios con relación a su utilización como sustrato y a la forma de prepararlos . Algunos consideran, el jugo de caña como tal, como un producto no aconsejable para la producción de alcohol y proponen su mezcla con azúcares o mieles, para buscar un enriquecimiento del material, o, en su defecto, una concentración por evaporación para lograr un contenido más alto de azúcares . Otros plantean su producción sobre la base del jugo de caña tal como sale de los molinos, concentrando una cierta cantidad para su utilización en períodos de no zafra . El proceso de clarificación de este sustrato tiene un especial interés, ya que la fermentación alcohólica del jugo es altamente productora de espuma, en comparación con las mieles, pues se llega hasta un incremento de 70 a 80 "io del volumen inicial. Se proponen, para ello, diferentes variantes, desde los esquemas más sencillos, donde el material es pasado a través de tamices vibratorios, seguido de un calentamiento hasta 90-95 °C, a los más complejos, que implican precipitación, por cambio de temperatura y adición de diferentes agentes químicos, como fosfato tricálcico, lechada de cal, etc. Después de este proceso, en cualquiera de sus variantes, el jugo se decanta, se enfría y es enviado a la etapa de fermentación. En relación con el tiempo de fermentación, éste resulta variable, pero mayor, en todos los casos, que cuando se utilizan mieles finales lo que determina, así, un mayor número de fermentadores.

El potencial contaminante de los efluentes de este tipo de destilería resulta relativamente menor a otras variantes . Para el caso donde se utiliza jugo de caña o mezclas jugo-miel, el DBO S será de 10000- 15 000 ppm, con un contenido de materia orgánica aproximado de 2,9 g/l. 3.3 RESIDUOS LIGNOCELULOSICOS (BAGAZO, PAJA Y MEOLLO) La idea de producir etanol a partir de los residuos lignocelulósicos, data de las décadas de los años cuarenta a cincuenta. Su producción se llevó a escala comercial en algunos países, principalmente, en Alemania, Estados Unidos y la URSS . Cómo es conocido, el almidón puede ser hidrolizado para liberar azúcares, éstos son fermentados para producir etanol que después es recuperado. De forma similar . la fracción celulósica y parte de la hemicelulosa, se pueden hidrolizar y convertir en alcohol. Diferentes esquemas de hidrólisis pueden ser utilizados: hidrólisis química, que incluye la hidrólisis ácida; débil y fuerte, con los ya conocidos problemas de corrosión y gastos energéticos, e hidrólisis enzimática . La comercialización de esta última variante, a pesar de haber despertado giran interés, ha estado limitada, por la necesidad de un pretratamiento Adecuado, el costo de las enzimas, bajas velocidades de conversión, así como por los peligros de contaminación, en un proceso que se desarrolla a temperaturas medias y pH cercano al neutro. 4 Características del alcohol vía fermentativa Las características del alcohol obtenido por vía fermentativa son : Olor

Neutro

Sabor

Neutro

Apariencia Brillante Color

Incoloro

Contenido dé alcohol

96,4 "io (vol)

Contenido de aldehídos (acetaldehído) 8 mg/1 Contenido de ácidos (ácido acético)

15 mg/1

Contenido de aceite de fusel (amílico) 10 mg/1

346

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

Contenido de ésteres (acetato de etilo) 16 mg/1

Alcohol n-butilico

8,1

Gravedad específica 25°C 0,7893 glcm3

Alcohol n-amilico

4,3

Conductividad específica 2, 5'C Punto de congelación

1,35 x X 10 -9 ohm/cm

-114,1 °C

Punto de ebullición

78,3 °C

Tensión superficial 20°C 22,32 dyn/Cm2 Calor de combustión

328 kcal/mol

Calor de evaporación

304 cal/g

Resistividad específica

0,3 X 106

5 Subproductos del proceso de producción de alcohol 5.1 FUSEL OIL El aceite de fusel constituye un subproducto de la etapa de destilación de alcohol, con carácter aceitoso y que se forma durante el propio proceso de fermentación, principalmente, a partir de los aminoácidos presentes por transaminación, descarboxilación y reducción de los mismos . Algunos trabajos recientes indican que existen otros pasos metabólicos que posibilitan la producción de este aceite . Su nombre proviene de la palabra alemana fousel que significa malos espíritus, y fue planteado, por primera vez, por Scheele en 1785 . Tiene diferentes usos dentro de la industria química tales como: fabricación de pinturas, barnices, acetato de amilo, ésteres, ceras, lacas, plásticos de celulosa, etc. Además, se utiliza como solvente y en perfumería. El aceite de fusel está compuesto por una mezcla de alcoholes superiores, furfural, acetaldehído, ácidos grasos, etc. ; su composición puede variar, considerablemente, en dependencia de la materia prima, condiciones de fermentación, raza de levadura, etc. La literatura reporta como composición media, utilizando como materia prima las mieles, la siguiente : 0/0 Alcohol n-propilico

24,3

Alcohol isopropílica

0,6

Alcohol isobutilico

7,4

Alcohol isoamilico y n-amilico

55,3

Aunque también contiene otros compuestos importantes como ésteres y aldehídos. Algunas características físicas del aceite de fusel se podrían resumir como : es un aceite de color amarillo y olor penetrante, parcialmente soluble en agua, completamente soluble en alcohol, éter, gasblina y otros compuestos similares . En la destilación, 35 % de sus componentes ebullen hasta 122 °C, 61 % entre 122 - 138 °C y el resto por encima de 138 °C. Su producción se reporta en el orden de 0,0015 a 0,003 1/1 de alcohol producido . 5.2 ANHIDRIDO CARBONICO (COZ) El CO Z es -otro producto que se obtiene en el proceso-de fermentación de la producción de alcohol, según la reacción: - 2C2HsOH + 2C02

C6H1206

El mismo puede ser recuperado del sistema por diversas tecnologías, basadas, fundamentalmente, en el lavado, deshumidificación, compresión y Durificación de los gases a la salida de la etapa de fermentación . El COZ licuado es envasado en cilindros de acero cuya capacidad es, usualmente, de 20 - 80 lb de gas. Sus propiedades físicas son las siguientes: Punto de sublimación Punto triple

78,5 °C (presión atmosférica)

56,6°C a 5,11 atm

Calor latente de vaporización Densidad (gas)

83,12 callg

1,976 gfl a 0°C y 1 atm

Densidad (líquido) -0,914 kg/1 a O "C y 34,3 atm Densidad (sólido)

1,512 kg/l a -566C

Solubilidad en agua

1,713 v/v (0 °C y 760 mm de presión parcial de C02)

Calor de formación

93,03 kcal/mol

El anhídrido carbónico puede ser utilizado en estado sólido, líquido y gaseoso, para carbonatación de bebidas, conservación de alimentos, extinción de incendios, terapéutica, fabricación de sustancias químicas, minería, etc.

347

ALCOHOL ETSLICO

5.3 LEVADURA SACCHAROMYCES Constituye un producto valioso por su interés para la nutrición animal y humana a causa de su alto contenido de proteína, vitaminas, trazas minerales y por su adecuado espectro de aminoácidos . La composición promedio es la siguiente : Nitrógeno total

6,5

Proteína bruta

42,09'0

Cenizas

10,0

Carbohidratos

43,0

Grasas

2,89

P20s

3,0

Ca

2,25

Mg

0,38

Mn

150 PPM

Fe

1950 PPM

Cu

120 PPM

Zn

10 PPM

Su composición de aminoácidos, referidos a 100 g de materia seca, es la que aparece a continuación : Alanina

2,72

Valina

3,24

Lisina

2,60

Acido glutámico

3.34

Glicina

1,88

Acido aspártico

1,37

Serina

1 .15

Treonina

1,45

Fenilalanina

0,95

Tirosina

0,53

Leucina-isoleucina

4,28

Metionina

0,48

Histidina-arginina

2,31

6 Insumos de materias primas Si se analiza el caso típico para la materia prima más utilizada, melaza de ingenio azucarero de la caña de azúcar, los insumos por 100 I de alcohol serían los siguientes: Melaza (50 % azúcar)

320 kg

Acido sulfúrico

4 kg

Sulfato de amonio

1 kg

Fosfato de amonio

0,4 kg

Agua Vapor Electricidad

3-5 ms 450-500 kg 27 kW " h

Evidentemente, la fuente de azúcares y la energía (en lo que a insumos se refiere), son los aspectos de mayor incidencia en el costo de producc?ón . Estos valores pueden variar, en dependencia de diferentes factores tales como : uso de otras materias primas, utilización de sistemas de fermentación novedosos, esquema de destilación más eficientes energéticamente, etc . 7 Nuevas tendencias en el mundo El renovado interés en la problemática alcoholera, ha promovido la revitalización de algunas ideas planteadas con anterioridad, búsqueda de microorganismos hiperproductores de alcohol y demás opciones que permitan mayores rendimientos y resultados económicos más ventajosos . Tradicionalmente, la fermentación de etanol ha sido llevada a efecto, utilizando las técnicas de cultivo discontinuo, a pesar de las ventajas del cultivo continuo, en especial, en h eliminación del tiempo muerto entre cultivo y cultivo . La product?vidad de la fermentación alcohólica, tanto en el cultivo discontinuo como continuo resulta limitada por 2 factores : inhibición por etanol e inadecuada concentrac'-ón celular . Con el fin de vencer las limitaciones producidas por la baja concentración celular, se diseñó el proceso Moille-Boinot de recirculación de levadura, el que garantiza rendimientos mayores que el discontinuo convencional, y valores de concentración celular y productividad hasta 4 veces superior . Las altas concentraciones de alcohol en el medio fermentado, que traen aparejado la inhibición de su propia formación, pueden ser eliminadas extrayendo ventajas a la volatilidad del alcohol . Tomando en consideración la alta vola-

LA INDUSTRIA DE

348

tilidad del mismo, es posible su eliminación con la ayuda del vacío, el cual debe ser de tal magnitud que la evaporación se produzca dentro del rango óptimo de temperatura para el metabolismo celular . Esta fermentación al vacío conduce a bajos rendimientos celulares (alrededor de 50 "io, comparados con los fermentadores a presión atmosférica), como consecuencia de los altos requerimientos de energía de mantenimiento. Sin embargo, se obtienen ventajas de significación en la fermentación alcohólica. De ahí que resulta atractiva la combinación de fermentación al vacío con recirculación de células, lo que permite productividades de 80 g/1-h, es decir, 12 veces las obtenidas con simple operación en continuo. En cualquiera de las alternativas donde el vacío sea utilizado, se obtienen gastos de destilación menores, al aumentar la concentración de alcohol en la alimentación de la columna, alcanzando, en algunos casos, hasta 17 % de ahorro de vapor. Por otra parte, se han desarrollado sistemas novedosos como el EX-FERM, el que se basa en la utilización del tallo de la caña de azúcar, después de haber sido fraccionado en un separador Tilby y sometido a la fermentación en fase acuosa, en una relación 1 :1,4. El proceso comprende la separación del material fibroso residual al final de la fermentación, para la extracción de azúcares por presión y éstos mezclados nuevamente, con la levadura y el alcohol para su retorno al fermentador, adicionándole la misma cantidad de caña fresca . El proceso EX-FERM, comprobado a escala de laboratorio, permite obtener, al cabo de 2 ciclos de operación, concentraciones alcohólicas en el orden de 4,5 a 5,5 w/v.

En los últimos años se reportan investigaciones en la producción de alcohol, utilizando sisde 2 fases (dextrana-polietilengli temas acu col), obtet dose ventajas como: no inhibición por etanol, baja demanda de agua y nutrientes, altos rendimientos alcohólicos, etc . Sin embargo, el avance más reciente en la tecnología de producción de alcohol es la utilización de células ipmov i~izadas en reactores de columna. Este mbina muchas ventajas de los sistemas a eriormente mencionados, pudiendo coninuo á altas velocidades de dilu` ducirse en c ción, sin rfepo de lavado del sistema . En igual forma, la inhibición por producto final resulta eliminada, ya que el alcohol resulta constantemente removido. Las condiciones anaeróbicas son obtenidas al ser las células atrapadas en la matriz del gel, y en contraste con otros procesos, el costo de diseño de equipamiento, tales como fermentadores, agitadores, etc ., puede ser disminuido en forma sustancial.

1i

LOS

DERIVADOS DE

LA CARA

DE

^ZOCAR

Los métodos más utilizados en la inmovilización de células son : inmovilización por adsorción ; atrapamiento; enlaces cruzados covalentes. Numerosos investigadores en diferentes partes del mundo han trabajado con células inmovilizadas . Países como Francia, Japón y Finlandia, reportan estudios realizados con inmovilización de células, en cualesquiera de sus variantes, con resultados muy positivos, en lo referente a ren. dimiento y productividad alcohólica . Se ha llegado a obtener valores hasta de 100 glllh. Otra línea, que por su importancia merece mención, son los trabajos realizados en la búsqueda de microorganismos hiperproductores de alcohol, una de las más prometedoras es la bacteria Zymomonas movilis, por sus atractivas propiedades en la producción de alcohol : resistencia a altas concentraciones de azúcares y su alta velocidad específica de producción. Para esta cepa se reportan valores de la velocidad de dilución hasta de 2,7 h - t, en cultivo continuo, con recirculación de células, sin lavado en el sistema y productividades de 120 g/1/h. Evidentemente, la producción de alcohol utilizando procesos, sustratos y microorganismos novedosos, constituye uno de los aspectos de mayor interés para los investigadores de nuestros días, cada día resultan mayores las posibilidades de obtención eficiente de alcohol por vía fermentativa. El futuro del empleo del alcohol como combustible o como materia prima para la industria química, descansará en los resultados de los diferentes esfuerzos, que en el campo de la investigación científica se realizan, para asegurar una mayor eficiencia en la utilización de materias primas, mayores productividades que minimicen las inversiones y la disminución de los requerimientos energéticos del proceso de producción . La ingeniería genética como línea de esta década del ochenta tiene la respuesta a estas cuestiones que se deben combinar con el aprovechamiento de procesos de recuperación del producto, tales como la ósmosis inversa, la uitrafiltración, etc ., que deberán desplazar a los procesos convencionales . 8 Bibliografía "Análisis T-E del secado de crema de levadura mediante el uso de secadores de atomi. zación ." Cuba-Azúcar, julio-agosto, 1967 .

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WERR, DINSMOOS et at.: "Fusel oil." Adv. Appl. Microb, 5, 1963.

Capítulo XIII DEXTRANA TÉCNICA OSCAR AL~N DEL OLMO

1 Introducción El interés por la dextrana se encuentra históricamente relacionado con la producción del azúcar . Ya desde las primeras décadas de establecida la industria azucarera, resultaba un inconveniente el incremento de la viscosidad de los licores azucarados. Durante muchos años, las razones de este fenómeno resultaron ignoradas hasta que Pasteur comprobó el origen microbiano del mismo. Posteriormente, el alemán Scheibler, definió la composición química del producto de esta actividad microbiana como un polímero de glucosa de fórmula general (CsHlo05)0 en razón de la dextrorrotación de su solución acuosa la denominó dextrana. Con posterioridad, se completó el cuadro al definirse que es un polímero de glucosa, en el cual las unidades se encuentran unidas, predominantemente, por enlaces glucosídicos a 1,6 . El microbiólogo ruso Cienkowski dio el nombre de Leuconostoc mesenteroides a las bacterias sintetizadoras de dextrana. En los comienzos del siglo xx se completaron los conocimientos básicos sobre la síntesis de la dextrana, en los años treinta se prestó atención especial a la estructura de los polímeros, especialmente, de los carbohidratos y se desarrolló un trabajo intenso en el campo de las síntesis enzimáticas . En 1930, Hucker y Pederson, clasificaron 2 especies de microorganismos capaces de sintetizar dextrana, ambos pertenecientes a la familia de las Coccacea, del género Leuconostoc : L. mesenteroides y L. dextranicum . Se trata de lactobacterias heterofermentativas, que forman parte de la flora presente en la superficie de las plantas y en los jugos de éstas, que contienen azúcar, por ejemplo, el Leuconostoc predomina en la primera fase de la fermentación de pepinos y coles . Su forma principal es la de un micrococo, pero en soluciones azucaradas se agrupan en forma de diplococos y/o cadenas . Son bacterias microaerófilas y algunos autores reportan que su cree'-miento se favorece cuando se produce una aeración ligera. Es en las décadas de los años treinta y cuarenta de nuestro siglo que se comienza a trabajar, en forma sistemática, en el desarrollo de

procesos dirigidos a la obtención controlada de la dextrana, con el propósito de aprovechar propiedades muy específicas de este polímero que lo hacen altamente atractivo en muy diversos campos . 2 Características y propiedades de la dextrana La dextrana es el producto de la acción de la enzima dextrnn-sucrosa, específica de las bacterias del género Leuconostoc, sobre la sacarosa que forma polímeros de glucosa donde predominan los enlaces a 1,6 y libera, en su síntesis, fructosa . Estos polímeros de glucosa se encuentran en forma de largas cadenas con pequeñas ramificaciones, las moléculas de dextrana llegan a alcanzar hasta 200000 unidades de glucosa con pesos moleculares de hasta 1000 000. El producto es, en la práctica, una mezcla de polímeros de diferentes pesos moleculares . La dextrana se confunde, fácilmente, con la dextrina, otro polisacárido muy conocido, el cual es un producto de la degradación del almidón y que también está constituido por unidades de glucosa, pero que se diferencia de la dextrana porque predominan los enlaces 1,4 entre las unidades de glucosa . La dextrana se disuelve, coloidalmente, en el agua, forma una solución más o menos mucilaginosa, en dependencia de la concentración de la misma, es insoluble en solventes orgánicos y altamente higroscópica . En una primera aproximación la dextrana posee las mismas propiedades del almidón, el alcohol poliviníl'co, la goma arábiga, la caseína y de los derivados de la celulosa, como la carboximetilcelulosa y la metilcelulosa . La dextrana técnica se presenta en forma de un polvo blanco amarillento con las siguientes características : Humedad

7 % máxima

Cenizas

1 oio máxima

Fructosa

7 vio máxima

Viscosidad a 30 °C :

35 1

DEXTRANA TÉCNICA TABLA 198

Solución acuosa a 3 %, 60 cP mínima

Composición del medio sólido para conservación del L. mesenteroides

Solución acuosa a 5 %, 300 cP mínima Solución acuosa a 6 Plomo

Sacarosa

600 cP mínima

1,0 ppm, máxima

pH (solución a 2 %)

6,9-7,1

100 g

PO,Na,H " 12 H,0

10 g

Extracto de levadura

8 g

Peptona

IS

CIK

3 Proceso tecnológico En la producción comercial de dextrana técnica, al igual que en el resto de los procesos microbianos, la conservación y preparación del inoculo posee una importancia decisiva, de aquí que consideremos esta fase una parte integrante del proceso tecnológico. Tomando en consideración este aspecto, podemos dividir la producción de dextrana en 6 etapas bien diferenciadas :

1 g

Agar

20 g

pH

7

Solución de sales

1 g

Agua destilada SO,Mg .7 H,0 SO,Mn" H20

2. Crecimiento enzima .

SO,Fe(NH,)

y

producción

de

3 . Síntesis de dextrana . 4 . Recuperación y purificación . 5. Concentración y secado . 6 . Recuperación de alcohol (rectificación) 4 Conservación y preparación de inóculos o semillas La liofilización resulta un procedimiento satisfactorio y ampliamente empleado en la conservación de cultivos puros de Leuconostoc, que asegura niveles altos de viabilidad, por períodos superiores a los 12 m, con un mínimo de atención. Sin embargo, esta técnica, no se encuentra comúnmente a la disposición de instalaciones comerciales aisladas, de aquí que se empleen en las plantas las técnicas de conservación en medio Blaurock, mediante punción que permite períodos de conservación de hasta 6 m. En la operación rutinaria se realizan siembras sucesivas cada 24 h en medio sólido que contiene sacarosa, peptona, extracto de levadura, fosfato monosódico y trazas metálicas, fundamentalmente magnesio y hierro, cuya composición se presenta en la tabla 198 . Es altamente recomendable poseer una reserva de cultivos liofilizados adquiridos de instituciones especializadas, con el fin de enfrentar con-

MI

Composición de la solución de sales

1 . Conservacién y preparación de inóculos o semillas . microbial

cP 1000

40 g 2 g

CIK

2,5 g

Agua destilada

4 g cP 600 ml

tingencias debidas a errores de manipulación. Cada carga (o batch) se inicia con la inoculación, desde una cuña de conservación, a un erlenmeyer que contiene medio sólido a base de sacarosa-peptona, se deben preparar 3 erlenmeyers con 3 cuñas diferentes . Los erlenmeyers son incubados a 30'C, durante 24 h. Al cabo de ese tiempo, se añaden 400 ml de medio líquido estéril a base de sacarosa y se incuban por 12 h, a 30°C, al cabo de este período se logra la denominada semilla I. El volumen se incrementa hasta 4 1, con medio estéril fresco de la misma composición, se incuba 12 h, a 30 °C, y se logra la semilla II. El medio líquido empleado puede tener una composición variable, es recomendable la siguiente : Sacarosa

2

Fosfato monosódico

0,8%

Hidróxido de sodio

0,2%

Extracto de levadura

0,5

Trazas de Mg y Fe pH inicial

7,4

En el proceso de preparación de las semillas I y II, en el laboratorio, se controla el pH, la

352

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

temperatura, el número de microorganismos, así como la actividad enzimática. 5 Crecimiento microbiano y producción de enzimas El objeto de esta etapa es alcanzar altos niveles de concentración de enzimas, lo que está asociado, directamente, al incremento de la población celular, para asegurar altas velocidades de síntesis en la etapa posterior de obtención del polímero . Es importante recordar que, como se ha señalado, la síntesis de la dextrana en un proceso enzimático del que es responsable la dextrán-sucrasa,exoenzima producida por los Leuconostoc, cuya actividad es expresada en unidades. Una unidad de dextrán-sucrasa (DSU) se define, como la cantidad, de enzimas capaz de transformar 1 mg de sacarosa en dextrana y fructosa en 1 h, a pH 5,2 y a la temperatura de 25 °C . Esta enzima es especialmente sensible a las variaciones del pH y presenta el siguiente perfil de tiempos de desactivación : Tiempo de desactivación pH 5,2

4 000 h

6,0

500 h

7,0

70 h

A valores del pH inferiores a 5,0 se desactiva rápidamente, sin embargo, el valor óptimo de pH para el crecimiento del L. mesenteroides está en el rango de 7,0 a 8,0, de donde es necesario, en esta etapa, éstablecer una clara diferenciación y un rígido control de los valores del pH, para alcanzar la máxima producción micro biana en la primera fase y una alta concentración de enzima en el período posterior. En esta etapa combinada de crecimiento microbiano y producción de enzima, se emplean fermentadores cerrados, sin aireación, provistos de agitación, para asegurar una completa homogeneidad del medio y de sistemas de enfriamiento para lograr mantener el valor en la zona óptima, de 30°C. El volumen útil es de 70 "io del volumen total del fermentador . Sobre los sistemas de enfriamiento se ha especulado mucho, pero en razón de las exigencias higiénicas del proceso, resulta más conveniente el sistema de camisas externas, que si bien brinda menores coeficientes de transferencia permite una rápida, fácil y exhaustiva limpieza del interior del fermentador entre 2 cargas sucesivas .

Los volúmenes de fermentación varían de acuerdo con la capacidad de producción que se desee alcanzar, sin embargo, de acuerdo con los trabajos experimentales realizados en Cuba, se ha comprobado que la combinación más conveniente es la que aparece en la figura 186, para una línea de producción equivalente a 2,5 t/d de dextrana técnica, utilizando, en cada paso, una relación de inoculación de 1 :20 . Valores superiores, del orden de 1 :30 y 1 :50, provocan prolongaciones del tiempo de fermentación del orden de 2 a 3,5 h, con la consecuente disminucióñ de la productividad, que no compensan los limitados ahorros en la inversión inicial . Las experiencias realizadas indican que volúmenes superiores a 10 ms, en esta etapa, para este proceso, no resultan aconsejables, en razón de las estrictas medidas que se deben observar para asegurar una alta eficiencia y productividad, dadas la sensibilidad del microorganismo y la limitada estabilidad de la enzima . Esto significa que capacidades de producción del orden de 5, 10, 15 t/d deban alcanzarse, instalando 2, 4, 6, unidades básicas semejantes a las expuestas en la figura 186. El medio de cultivo empleado, en esta etapa, posee la siguiente composición : Concentración de sacarosa

4 oró en peso

Fosfato monosódico

1 9í, en peso

Nitrógeno amínico

0,06 % en peso

Trazas metálicas Sulfato de magnesio

0,07 gll

Sulfato de manganesó

0,0034 g/1

Sulfato ferroso

0,0042 g/l

Cloruro de potasio

0,0043 g/1

El pH es ajustado antes de la esterilización a 7,2, con hidróxido de sodio en solución a 50 46 . La esterilización se debe realizar por 15 min a la temperatura de 120 °C, el medio se debe enfriar, posteriormente, a 30°C, antés de la inoculación . Como fuente única, e indispensable de nitrógeno para su crecimiento, el L. mesenteroides utiliza el nitrógeno de enlace amino (aminoácidos, péptidos) de donde resulta uno de los factores fundamentales que se debe controlar en esta fase de la producción. La influencia de nitrógeno aminico se hace notable cuando actúa como sustrato limitante, es decir, en el caso de que su concentración se encuentre por debajo de un nivel crítico dado. A valores superiores a este nivel crítico los res-

353

DEXTRANA TSCNICA

25 l

10

m3

. Fig. 186 Relación de volumen en la etapa de producción de enzima

tantes factores, tales como las condiciones del inóculo,la concentración de sacarosa,etc., pasan a tener un peso mayor en el proceso . No obstante, en razón de que la fuente de nitrógeno amínico es el autolizado de levadura, cuyo costo es apreciablemente alto, resulta necesario para la economía del proceso, establecer el valor mínimo de concentración que asegure un máximo de crecimiento bacteriano y de producción de enzima. Los estudios realizados sobre esta cuestión, mostraron la correspondencia que existe entre la concentración de nitrógeno amínico y los valores de dextrana-sucrasa por mililitro alcanzados en la fermentación . Esta relación se muestra en la tabla 199 de la cual es posible concluir, que para niveles de seguridad, en el rango de 20 - 25 DSU/ml, es necesario asegurar 0,045 g/100 ml de nitrógeno amínico, en el medio de cultivo, como mínimo ; valores superiores a 0,06 g/100 ml, no compensan, económicamente, los incrementos de producción. En la figura 187 se muestra la cinética típica de esta etapa ; los valores de pH, las unidades de enzimas y la concentración de fructosa se relacionan con el tíempo . Como se observa en la figura 187, el valor. de pH desciende con 3 velocidades diferentes: una correspondiente a la fase de latencia entre la hora 0 y la hora 2, otra, más alta, correspondiente a la fase logarítmica de síntesis de enzima y una tercera, más lenta que las 2 anteriores;

TABLA 199

N amínico (g/100 MI)

DSU/mI

0,071

37,00

0,068

28,39

0,060

26,65

0,051

23,00

0,049

21,35

0,042

17,00

0.041

12,50

0,035

12AO

en la fase final de la síntesis. Estas 3. fases aparecen, también en las curvas de concentración de fructosa y de síntesis de enzima entre las que existe una perfecta correspondencia ; se caracterizan porque los valores máximos de fructosa y enzima se encuentran desplazados de 30 min a 60 min. La representación gráfica de la producción de fructosa suministra, junto con la actividad enzimática, una información exacta sobre el progreso de la fermentación . Cualquier aumento anormal de la fructosa se apreciará, inmediatamente,

354

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

siguiente de síntesis de dextrana, corresponde a 1 h después del máximo de fructosa, o sea, en franca etapa descendente . 6 Síntesis enzimática de la dextrana En esta etapa se realiza la biosíntesis enzimática del polímero, la cual se puede represen. tar según la ecuación : ENZIMA u

FRUCTOSA DH

I

z

6-s

T(h)

Fig. 187 Cinética de la formación de dextrán-sucrasa.

en esta curva. La curva normal, como se observa, asciende hasta un máximo a las 4 - 6 h, en dependencia de la relación de inoculación y desciende después, con mayor velocidad hasta un mínimo . En el caso de haber una gran contaminación durante la fermentación, la curva de fructosa sigue subiendo sin llegar a descender, en ningún caso, al mínimo (a pesar de esto, en algunas ocasiones, puede haber desviación respecto a la curva normal de fructosa, aun en ausencia de infección, motivada, por ejemplo, por una deficiencia de nutrientes) . Los cambios marcados en la curva de pH, indican condiciones anormales durante la fermentación . Sin embargo, los cambios de pH no son indicios tan sensibles y exactos de la anormalidad, ya que éste puede ser afectado por la mayor o menor cantidad de fosfatos y de la levadura autolisada, en el medio. La anormalidad, generalmente encontrada, en la variación del pH, es que el mismo desciende muy lentamente de un valor de 7,0 hasta un valor de 6,1 ó 6,3 durante 7 u 8 h y se mantiene en ese valor durante el resto del tiempo de fermentación . De esta cuestión se deriva que al existir una fermentación en condiciones normales, los valores máximos de enzima corresponden al período de decrecimiento de fructosa y, por tanto, el criterio del punto óptimo'para pasar a la etapa

N [C12H22011 ] DSU (CrHloO5) n + n CGH120e sacarosa dextrana fructosa Durante la síntesis, los radicales de anhidroglucosa se unen entre sí para formar el biopolímero y la solución incrementa, progresivamente, su viscosidad, en correspondencia con el aumento de peso molecular de la dextrana y su concentración . Esta etapa tiene una estrecha correspondencia con la etapa precedente, ya que la enzima producida en la misma, es responsable del proceso de síntesis ; el criterio más general plantea que en la etapa de síntesis enzimática se deben asegurar valores de enzimas de 5 unidades/ml, de donde se debe considerar que para una línea de 2,5 t/d de dextrana técnica se requiere un volumen de tanque de síntesis de 40 m3 . Considerando que la enzima dextran-sucrasa posee su máximo de actividad a pH - 5,2, resulta fundamental el control de este parámetro en esta etapa, la experiencia indica que los valores óptimos de peso molecular y rendimiento se alcanzan a las 14 h. Es interesante observar que durante la síntesis enzimática, además de dextrana y fructosa residual se produce leucrosa, manitol y varios tipos de oligosacáridos, como consecuencia de la presencia de metabolismos secundarios del Leuconostoc, lo que modifica, sustancialmente, los valores de rendimiento teóricos. Desde el punto de vista industrial es posible, a los efectos del control del proceso, conocer la relación existente entre los valores de unidades de DSU por mililitro alcanzados en la etapa de producción de enzima, y los valores esperables de tiempo de fermentación y viscosidad del producto obtenido, los resultados de los trabajos experimentales realizados se presentan en la figura 188 . Se observa que los incrementos más sensibles, se producen a valores inferiores a 20 DSU/m1 que se debe considerar el punto límite para valores aceptables de productividad . El comportamiento de la viscosidad acusa una caída exponencial a valores inferiores a 30 DSU/mil, este comportamiento, indica la formación preferente de dextranas de bajo peso molecular, cuestión que influye en los rendimientos al ser estas fracciones de difícil recu-

355

DEXTRANA TECNICA

Recuperocidn

too9080 ", 706050 4030 " 20-

35

40

45

55

Akahol ot8ico Fig . 188 Curva de precipitación de la dextrana técnica. peración en la etapa de precipitación por demandar grandes volúmenes de alcohol etílico . En la etapa de síntesis enzimática de la dextrana, es posible seguir el curso del proceso por la formación de fructosa o mediante el control de la viscosidad . Este último es recomendado por su simplicidad de aplicación en la operación industrial, el criterio de terminación de la síntesis, usualmente, se obtiene cuando los valores de viscosidad se mantienen constantes en 2 lecturas sucesivas, en intervalos de 1 h. La prolongación de la síntesis conduce a la depolimerización de la dextrana . 7 Recuperación y purificación El proceso de recuperación del producto se realiza por precipitación con alcohol etílico ; en la figura 189 se presenta la relación entre el tanto por ciento de recuperación del biopolímero y la concentración de alcohol etílico . Es posible concluir que los valores máximos se obtienen en concentraciones mínimas de 40 °h, industrialmen-, te se recomienda emplear no menos de 45 como medida de seguridad . Una vez realizada la recuperación inicial del producto, éste debe ser separado de impurezas que afecten sus propiedades y entorpezcan la

etapa posterior de secado del producto; la principal impureza es la fructosa residual que tiende a conferir color al polímero y que se elimina mediante disoluciones y precipitaciones sucesivas ; en la práctica, una sola disolución y reprecipitación es suficiente para mantener los valores de fructosa residual por debajo de 10 %, que resulta un nivel adecuado . Una vez precipitada la dextrana se deja sedimentar por 3 h para asegurar una separación adecuada de _ las 2 fases. El sobrenadante que contiene alcohol con restos de fructosa, manitol, dextrana de bajo peso molecular y algunos oligosacáridos, se envía, a columnas de rectificación, para la recuperación del alcohol. La dextrana precipitada se envía a evaporación y secado . 8 Evaporación y secado Antes de ser secado el producto es sometido a un calentamiento, a 80T, al vacío, lo que permite la recuperación adicional de 20% de alcohol residual ; una vez calentada, la solución se seca en equipos de secado de tambores horizontales, posteriormente, se muele para uniformar el tamaño y se envasa en sacos de papel

356

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZULAR

30

25

8000

_c a

w

m F Z t» W O 0

2

La I.-

20

8 000

_ó O O

00

15

M

6 000 10 O

5 000

5-

4000,

DSU/ml

40

50

Fig. 189 Relación entre valor final de DSU por mililitro, en la etapa de producción de enzimas y el tiempo de síntesis y la viscosidad.

con capas de polietileno, para proteger el producto de la humedad . 9 Recuperación de alcohol Considerando los altos volúmenes de alcohol etílico utilizados en la precipitación de la dextrana, es imprescindible asegurar siempre instalaciones de destilación para su recuperación y recirculación . Para esta operación se requieren capacidades de rectificación de 266 hl de alcohol por tonelada de dextrana producida . Se considera un nivel de reposición no menor de 6 del volumen utilizado . El esquema de una instalación típica para la producción de dextrana técnica se muestra en la figura 190 . Los índices de consumo para la producción de 1 t de dextrana, con 93 % de materia seca, s, presentan en la tabla 200 .

10 Aplicaciones de la dextrana Las principales propiedades que se utilizan en las operaciones industriales de este biopolimero son las siguientes: 1 . Alta solubilidad en agua fría o caliente. 2 . Acción como acuosas .

espesante

en

soluciones

3. Capacidad estabilizadora de suspensiones de sólidos insolubles en agua. 4. Efecto adhesivo y/o aglutinante . 5. Capacidad de formación de películas claras y duras. 6. Resistencia a las grasas, aceites y solventes orgánicos .

TANQUES DE AUTOLISIS

H

W

g

FERLIENTADORES

s Ñ

e

I SEPARADORA

I

VAPOR

Era

á

TANQUE DE KOH (NaOH)

~g

M

0 ó u e c~a

ó v

TANQUE COLECTOR DE

SECADORES

ALCOHOL

EVAPORADOR

EMVASE

DEXTRANA

Fig.

190

is

TANQUE DE PRECIPITACI

CONDENSADOR

I

DE AGUA

COLECTOR DE AUTOLIZADO

TANQUE NUTRIENTES(DISOLUTOR)

0

CALENTADOR

Diagrama de flujo para la producción de dextrana técnica.

TABLA 200 Azúcar refino

4,03 t

0 Sirope 60 'Bx

5,5 m°

Autolizado de levadura (polvo)

13,4 kg

Fosfato monosódico

66,7 kg

Alcohol etílico

16,7

hl

Vapor

58

t

Agua de proceso

44

MI

Agua de limpieza

20

rtt°

Agua de enfriamiento

400

m'

Agua refrigerada

135

m'

Energía eléctrica

916

kW "

h

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

358

10.1 EN LOS LODOS DE PERFORACIÓN DE POZOS DE PETROLEO La dextrana ha mostrado ser superior al CMC en cuanto al consumo, para lograr valores semejantes de filtrabilidad, esta diferencia varía desde 1 % de dextrana equivalente a 1,15 % de CMC, en Iodos cálcicos de baja concentración hasta 0,75 °'o de dextrana equivalente a 1,50 % de CMC, en lodos sódicos que son los más utilizados . 10.2 EN LA INDUSTRIA DE PIELES Y SUS DERIVADOS La dextrana se utiliza, en esta industria, como adhesivo, en el secado de las pieles después del curtido (leather-pasting), en esta operación el pegamento debe, además de fijar las pieles en las bandejas verticales de secado, ser capaz de que pueda eliminarse fácilmente al final de la operación, sin dañar el cuero. Se utiliza también la dextrana en la estabilización de las mezclas de tintes . 10 .3 EN LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA La dextrana aventaja a las gomas solubles en agua (goma arábiga, goma tragacanto, CMC, etc .), como agente de suspensión de sólidos finamente divididos, como estabilizador de emulsiones en ungüentos y pastas, como espesante en lociones y bases gelatinosas y como aglutinante en las tabletas. 10 .4 EN LA INDUSTRIA TEXTIL La propiedad de formar película se aprovecha, junto con la compatibilidad con lubricantes y humectantes, para el empleo efectivo de la dextrana en el engomado para hilar algodón, rayón y sus mezclas . La ventaja de la dextrana en estas aplicaciones, sobre otros productos, radica en que no requiere de enzimas ni de otros agentes para su eliminación posterior del tejido . Éstas son algunas de las aplicaciones más importantes de la dextrana, pero su uso presenta también ventajas en otras industrias : jabonería y perfumería, industria del tabaco, etc .

11 Otras materias primas para la producción de dextrana técnica Estudios realizados han demostrado la posibilidad de utilizar mieles finales de remolacha y caña de azúcar como materia prima para la síntesis de la dextrana . Con respecto a la utilización de las mieles en la producción de la dextrana, existen algunos inconvenientes, por lo

cual no se puede esperar productos completamente exentos de impurezas y sustancias colorantes. Sin embargo, para fines técnicos la dextrana producida a base de mieles finales es completamente satisfactoria como, por ejemplo, en la perforación de pozos de petróleo. Como se ha demostrado, cuando los contenidos en fructosa y glucosa no son excesivamente altos, el efecto es casi insignificante . Así mismo el contenido en sales de las mieles desempeña un papel preponderante sobre el peso molecular de la dextrana sintetizada, principalmente, las de calcea y potasio, lo que provoca la formación de una dextrana de peso molecular más bajo. Las recientes investigaciones realizadas para liberar las mieles de sales, con vistas a aumentar el rendimiento en azúcar mediante el empleo de intercambiadores ión:cos, podrían ser utilizadas con resultados económicos para la desionización total o parcial de las mieles, a fin de obtener una dextrana de peso molecular elevado . El contenido de iones de metales alcalinos y alcalinotérreos, debe estar comprendido entre 10 -4 y f0 - 3 iones-g/1, para obtener una dextrana de peso molecular suficientemente alto. En caso de emplear mieles finales con alto contenido de azúcares invertidos, es necesario reducirlos para obtener una dextrana con peso molecular alto. Para realizar esta eliminación, económicamente, puede ser empleado un método microbiológico basado en la utilización de especies de levaduras que no contengan la enzima invertasa y que sean capaces de asimilar estos azúcares. Aprovechando el efecto producido por las sales de las mieles sobre el peso molecular de la dextrana sintetizada, podemos ajustar, convenientemente, el contenido en sales para obtener una dextrana con un peso molecular predeterminado, por ejemplo, combinando mieles con un conten'do en sales conocido y sacarosa . Otra vía atractiva puede ser añadir un contenido determinado de sales a una solución de sacarosa para obtener una dextrana de peso molecular deseado . De los resultados obtenidos podemos apuntar que para la síntesis de la dextrana a partir~de sacarosa no se deben utilizar para el ajuste de pH del medio durante el curso de la síntesis, hidróxidos de calcio o potasio, solamente debe ser empleado hidróxido de sodio.

12 Utilización de los efluentes de la producción de dextrana técnica Se ha comprobado que, en algunos procesos microbiológicos, los efluentes de la producción de dextrana, constituyen una fuente de carbono adecuada para el crecimiento de microorganis-

359

DEXTRANA TLCNICA

mos . Su utilización como materia prima en la producción de levadura para forraje no presenta dificultades . Para la asimilación de la leucrosa es necesario utilizar una levadura que posea una enzima capaz de desdoblar este azúcar . Sin embargo, el empleo de este efluente en el cultivo sumergido de algunos basidiomicetos ofrece un aspecto de gran interés para el futuro . Es conocida la ex;stencia de determinados productos alimenticios usados para la alimentación humana que sirven como complemento o se pueden utilizar para suplir deficiencias en proteínas animales . A este respecto, los hongos pueden servir no sólo para suplir estas deficiencias, dado su contenido en proteínas, sino también como un complemento en el olor y sabor de los mismos . La utilización del efluente como fuente de fructosa en la fermentación anaeróbica de manitol, constituye su uso más adecuado. Los resultados obtenidos can anterioridad por otros investigadores, fueron desfavorables en razón de largos tiempos de fermentación y un rendimiento relativamente bajo . Por esta razón, los procesos químicos en la producción de polialcoholes tienen mayor preponderancia que el proceso fermentativo . Utilizando el efluente de la dextrana, en combinación con autolizado de levadura, se han obtenido, no sólo mayores rendimientos, sino también tiempos de fermentación significativamente más cortos, así mismo, el poder emplear un sistema semicontinuo, pudiéndose, además, eliminar la esterilización en algunas etapas, constituye un hallazgo que podría hacer el proceso fermentativo competitivo con los procesos químicos, en la producción de manitol u otros poli-

alcoholes con propiedades similares . Queremos señalar así mismo, que el efluente puede servir como fuente de carbono (ajustando la concentración de fructosa por evaporación) en muchos otros procesos microbiológicos, por ejemplo, en la producción de ácidos orgánicos, como ácido cítrico, en la producción de aminoácidos y otros productos . 13 Bibllograffa ALMAZÁN, O., A. BELL Y L. GONZÁLRZ : "Estudio . sobre la producción de dextrana técnica en Cuba ." Mem . XXXVIII Conf. ATAC, Cuba, 1968 . ALKIAZÁN, O. Y R. RARELo : "Influencia de la concentración de sacarosa y la relación de inoculación en la síntesis de dextrán-sucrasa ." Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 5 (2), 1971 . ---- . "Influencia de la concentración de nitrógeno amínico y fosfato monosódico en la síntesis de dextrán-sucrasa." Sobre los Derivados de la Carta de Azúcar, 5(2), 1971 . BEHRENS, U. Y L. WONSCHE: "Estudios sobre la utilización de las mieles finales en la producción de dextrana ." Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 3(3), 1969 . BELL, A., X. ALvAREz Y M. ACUILERA : "Estudio de las propiedades de la dextrana." Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 2(2), 1968 . HUCKER, C., J. AND G. S. PEDERSON : Agr. Exp. St . Techn. Bull., vol. 167, New York, 1930. ROBINSON, R. F. AND R. S. DAvIDSON : Adv. Appl. Micr., 1, 1959 .

Capítulo XIV LISIIITA

Josá L.

GARCÍA REVILLA

1 Introducción La lisina es un aminoácido esencial, ampliamente utilizado como aditivo en la alimentación . Como se sabe, el valor biológico o nutritivo de una proteína está determinado, en gran parte, por el contenido y proporción de los llamados aminoácidos esenciales, de los que la lisina es uno de los más importantes por su influencia en el desarrollo y crecimiento de los seres humanos y animales . La función biológica .fundamental de la lisina en el organismo, es la de participar en la creación y construcción de las células de los tejidos . Es importante en las dietas de los animales no rumiantes, sobre todo cuando la alimentación básica son los piensos de cereales, pues éstos son deficientes de este aminoácido, a excepción de la soya que contiene los niveles de lisina requeridos . Las proteínas de origen animal como las harinas de pescado y carne no son deficientes en lisina, ni tampoco las levaduras . Los métodos de obtención de lisina, de forma industrial, son variados : inicialmente este aminoácido se obtenía por hidrólisis de la sangre proveniente de los mataderos, pero como se ve, los costos y las limitaciones de la materia prima, no hacen conveniente su producción . También se han desarrollado métodos químicos y fermentativos, además, como una combinación de ambos, los métodos de enzimas inmovilizadas que describiremos posteriormente . La L-lisina fue aislada, por primera vez, de la caseína de la leche por Dreschsele, en 1899. 1 .1 PROPIEDADES

C6Hi402N2

Fórmula estructural NHZ-CH2 (CH 2) 3-CH-000N NH2 Peso molecular

146,19

L-lisina HCl - 21120 1,6990 + 0,01244 T (T = 0 - 55 °C) L-lisina HCl - H20 1,7404 + 0,01256 T (T = 55 - 70'C) L-lisina 2HC1 2,2138 + 0,001156 T (T - 0 - 70 °C) Como se observa, la solubilidad de la lisina aumenta con la temperatura, en dependencia, además, del tipo de cristal formado, al cual corresponde una ecuación determinada, que es utilizada en los procesos de cristalización y recristalización del aminoácido. La solubilidad de la lisina está influida por el pH de la solución, ésta es mínima en su punto isoeléctrico (p.I .) a continuación se dan los valores de los pK y su p.I. a 25'C : pK1 (-000H) pK.2 (a-NH3 . )

2,18

pK3 (E-NH3 *)

10,53

p,I .

La L-lisina (ácido L-a-e-diaminocaprónico) pertenece a los ácidos alifáticos diaminomonocarboxílicos : Fórmula global

Su sabor es ligeramente amargo . Se descompone en ausencia de la luz entre 210"C y 224'C . En solución acuosa este aminoácido es estable hasta 100`C, a pH ácido o alcalino. La solubilidad de la L-lisina en agua, en función de la temperatura es: g de L-lisina/100 g de H2 O ; T 'C :

8,95 9,74

Este aminoácido forma, fácilmente, sales, en especial con el ácido clorhídrico, éste se adiciona al grupo de a-amino como clorhidrato, forma en que se presenta comúnmente en el mercado. Es de color blanco, o blanco amarillento, según el grado de pureza, con olor característico . A causa de la presencia del grupo E-amino, la lisina presenta carácter básico. Este grupo E-amino tiene carácter decisivo para su actividad fisiológica. En condiciones de tratamiento térmico de las proteínas, el grupo E-amino puede reaccionar, perdiendo entonces actividad la lisina.

2 Síntesis química Los procesos de producción de lisina por síntesis química son variados, los que utilizan como material de partida los siguientes : dehidrofurán, ciclohexano, piperidina, caprolactama (materia prima de la industria del nailon), furfural, etc. Stamicarbon, en Holanda, ha desarrollado un proceso a partir de la caprolactama que le permite obtener rendimientos entre 70 - 90 % de lisina .

3 Obtención de la L-lisina a partir de furfural Este proceso se desarrolló por E. I . de Pont de Nemours and Co. Inc., consiste en la obtención de dehidropirano a partir de furfural según las siguientes reacciones expuestas en la figura 191 . ~~ 1J

NIORCLIII$

NO-(CN,pCNO

~ % (CM.) . -CN

NaCN (Nx,) SO.

NO -(CN .) . - .CM - CO 1 I NN NN Nxo x,0

-co

D,L LISWA

Fig 191 Obtención de lisina a partir del furfural.

Aunque existen otros métodos para la producción de lisina por síntesis química, no creemos que sea necesario hacer una descripción de ellos, dados los objetivos que en este capítulo se persiguen .

4 Producción de L-lisina a partir de enzimas inmovilizadas Se desarrolló, por Toray Inds. Inc ., en Japón, una tecnología a base de enzimas inmovilizadas para la producción de L-lisina, a partir de D,L-a amino-e caprolactama, fácilmente sintetizada a partir de un subproducto de la síntesis del nailon, por acción del a-amino-E-caprolactama racenasa y L-a-amino-E-caprolactama hidrolasa, según el esquema que se presenta en la figura 192 . Estas 2 enzimas pueden ser inmovilizadas por enlace tónico a una resina del tipo polisacárido, esta conversión se realiza en columnas o reactores batch .

5 Biosíntesis La biosíntesis de la lisina comenzó a estudiarse en 1950. Existen 2 rutas principales de síntesis, una de las cuales va a través del ácido diaminopimélico, y es la más importante en las bacterias y plantas superiores, mientras que la otra transcurre vía ácido a-aminoadípico y es característica de los hongos . La ruta del ácido diaminopimélico comienza en el semialdehído aspártico y el piruvato, que experimentan una condensación aldólica y pierden agua, formando un producto cíclico intermedio, el ácido 2,3 dihidropicolínico, posteriormente, se forma el ácido L, L-a-E-diaminopimélico que se convierte en su forma meso, descarboxilándose después para rendir L-lisina . La biosíntesis de la lisina, por este camino, está sujeta

CHI - CHI - NH

CHI -

+

HIO -

L-a-AMINO-£

CHI

CAPROLACTAMA

CHz- CH - 00

CHI -NH

t L- LISINA

CH : - CH -

HIDROLASA

NHz

CO

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D L-a-AMINO-F,-CAPROLACTAMA 1

D-a -AMINO{-CAPROLACTAMA

CI-AMINO-f- CAPROLACTAMA RACEM45A

Fig . 192 Obtención de lisina a partir de la caprolactama.

362

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

a la retroinhibición de una de las isozimas de la aspartato-quinasa . Recuérdese que el fosfato de aspartilo es también un precursor de la treonina, y que la treonina inhibe su isozima de la aspartato-quinasa . La síntesis del conjunto de enzimas que conducen al semialdehído aspártico a la lisina, resulta coordinadamente reprimida por la lisina. La ruta del ácido aminoadípico comienza con el acetil-CoA y el a-oxoglutarato, y avanza, pasando por el ácido homoisocítrico y el ácido a-oxoadípico, en una serie de reacciones análogas a las del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, que van desde el ácido cítrico al ácido a-oxoglutárico. El ácido a-oxoadípico es animado y se transforma en ácido a-aminoadípico, el cual, finalmente, se convierte en L-lisina . 5 .1 REGULACION DE LA BIOSINTESIS En la figura 193 se representa un modelo de la regulación de la biosíntesis de lisina observado en el Corynebacterium glutamicun auxótrofo de la homoserina dehidrogenasa . Su sensibilidad a la homoserina (treonina + metionina), se manifiesta a través de un mecanismo de retroinhibición, por treonina y lisina, sobre las aspartoquinasas y de represión por la metionina, reduciendo la actividad de la homoserina dehidrogenasa .

ASP

I

ASPARTIL FOSFATO

I I I I I I

,

ASPARTAIO SEMIALDEHIDO

Sin embargo, existen posibilidades de variación en el metabolismo intermedio . Los principales productos intermediarios de la biosíntesis de lisina son: piruvato, oxalacetato y aspartato . Cuando la glucosa es la única fuente de carbono, la biosíntesis de lisina, en el Brevibacterium flavum, ocurre con alta actividad de las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) . Por otra parte, si el acetato es la única fuente de carbono, el oxalacetato es sintetizado, ya a través del TCA o el ciclo del glioxalato . El piruvato es sintetizado por algunas de las siguientes vías : a través del ciclo Embdem-Meyerhof, si la fuente de carbono es glucosa o por la descarboxilación del malonato, si se utiliza el acetato como sustrato. El aspartato se sintetiza del oxalacetato por el amino aspartato transferasa . Un estudio más detallado de la eficiencia energética se realizó por S. Shivinka y colaboradores. 6 Microorganismos productores Las características de los microorganismos empleados en la producción de L-lisina por fermentación varían, de acuerdo con la técnica de mutación empleada, con el propósito de incrementar la concentración del aminoácido, en el caldo de cultivo ; actualmente se han obtenido concentraciones superiores a los 100 g/1 de lisina en una fermentación .

,

L-HOMOSERINA

1 DIHIDROPICOLATO

L-TREONINA

a-CETO-BUTIRATO

1 DIAMMOPIMELATO

I

. . . . . .L- METIONINA Fig . 193

L-ISOLEUCINA

Mecanismo de biosíntesis del microorganismo C. glutamicum, auxdtrofo a la Lhomoserina .

Las líneas discontinuas, en la figura, representan el mecanismo de retroinhibición y la línea de puntos, la represión enzimática . Similar comportamiento se observa en auxótrofos de homoserina o treonina en el Bacillus subtilis . En el género Brevibacterium la lisina se sintetiza a través del ácido diaminopimélico y el aspartato según se presenta en la figura 194.

Hasta 1964, los microorganismos empleados eran cepas salvajes capaces de producir lisina (hongos, levaduras y bacterias), pero las concentraciones logradas eran muy pequeñas ; a partir de ese año empiezan a emplearse los auxótrofos de Lhomoserina (treonina + metionina) los que proporcionan concentraciones más elevadas de lisina en el medio .

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N

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]6a

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

A partir de 1969, se han desarrollado los microorganismos mutantes resistentes al S-(a-aminoetil)-L-cisteína (AEC'), un análogo a la lisina, que producen concentraciones elevadas de lrlisina en el medio ; ya por el año 1980 la ingeniería genética había desarrollado técnicas con un alto nivel de desarrollo que permitían producir varios compuestos mediante la utilización de microorganismos, entre los que se encontraban los productores de lisina . Los microorganismos más utilizados son las bacterias clasificadas como Corynebacterium y Microbacterium, todas ellas con características comunes, entre las que se destaca la capacidad de producir ácido glutámico . Los microorganismos más empleados son : Corynebacterium glutamicum Brevibacterium sp. Brevibacterium flavum

Azotobacter suis

Brevibacterium anmoniagenes Corynebacterium aceptophilum Bacillus subtilis

Pseudomonas aeruginosa

Escherichia coli

Aerobacter aerogenes Corynebacterium hidrocarboclastus

7 Fermentación

El proceso en el fermentador se puede dividir en 2 fases: 1 . Fase decrecimiento, en la cual el productor se multiplica y crece . 2. Fase de biosíntesis, en la que se sintetiza la lisina. Cada fase tiene sus funciones específicas . En la primera, el microorganismo crece y se multiplica, acumulando suficiente biomasa con la calidad adecuada, para_ asegurar una alta conversión del sustrato en lisina. En la segunda fase, los carbohidratos y el nitrógeno amoniacal se transforman por el productor en lisina. Por eso, los medios del fermentador son complejos y deben tener todos los compuestos necesarios para la fase de crecimiento y biosíntesis . La mayoría de los microorganismos productores son auxótrofos de Lrhomoserina (metionina -F treonina) o treonina.

La biosíntesis de la lisina se inicia en el fermentador de trabajo, después que se alcanza la multiplicación y crecimiento del prodUCLor y representa una transformación enzimática del azúcar y nitrógeno amoniacal . En condiciones de trabaja anormales, el proceso se puede dirigir hacia la formación de otros aminoácidos, como, por ejemplo, el ácido glutámico, si la concentración de biotina está por debajo del nivel óptimo; también se forma ácido láctico, si el pH es ácido. La biotina, en la fase de biosíntesis, regula la penetración a través de la membrana de la célula de la cepa productora . El exceso de biotina estimula la Formación de fosfolíptdos en las paredes de la célula y limita la expulsión de la lisina al caldo de cultivo . El aminoácido treonina actúa como inhibidor de muchas enzimas, entre las que se encuentran en el ciclo de tormación de la lisina : la aspartoquinasa y la dehidrogenasa del semialdehído del ácido aspártico, a causa de esto en la tase de la biosíntesis, el caldo de cultivo no permite la presencia de treonina, o al menos, su concentración debe ser muy baja, para que su influencia sea mínima . El problema fundamental consiste, en lograr una alta actividad de la aspartoquinasa, porque muchos compuestos influyen en su inhibición. Las cepas productoras deticitarias de homoserina carecen de homoserina dehidrogenasa . Por razones fisiológicas no es posible que se alcance altas concentraciones de lisina en el caldo del fermentador, si todos los compuestos de transformación se añaden de una sola vez, a causa de eso es necesario añadir los nuirientes de for . tna programada durante la fase productiva. Para lograr concentraciones de más de 50 gll de lisina-HCI en el caldo, se añade el azúcar, de forma continua o por etapas, y el amoniaco, que resulta tóxico, es añadido según la demanda del medio para su neutralización . Algunas tecnologías utilizan miel final en la etapa de crecimiento y azúcar en la etapa de biosíntesis, para mejorar la regulación de la síntesis de la lisina . _Entre las sales que se adicionan se encuentran las de S04-2, a causa de que este ion es un estimulador de la actividad de la aspartoquinasa. En presencia del ion S04 - ¿, la treonina actúa, parcialmente, como inhibidor, a diferencia de la treonina -i- lisina, en la que la inhibición es más fuertemente marcada . Además la vitamina tiamina y otros aminoácidos como la isoleucina, leucina, ácido glutámico, cte ., actúan mejorando tanto el crecimiento como la biosíntesis, aunque no son indispensables . Las figuras de la 195 a la 203 muestran las relaciones entre el crecimiento, la biosíntesis y el factor de producción con los componentes que intervienen en el proceso de producción . Las experiencias fueron realizadas en zaranda a 180 rpm, durante 96 h.

W a

U 2

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W

0

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0,5

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2,0

2,5

91 1

P04HsK

Fig . 195 Influencia de la concentración de PO,FI .K ea un medio que contiene Ls : Concentración de L-lisina-HC1. 10 e (  ¡v) de sacarosa . O : Relación : Y 11x . X : Concentración celular.

40,

P U 2 1 Q 2 Ñ

30-

YI/x

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0,3

0,4

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0 .6

9/1

s0,M9 .7Hto

Fig. 7 196 Influencia de la concentración de MgSO4 H,O, en un medio que contiene 10 ^iu de sacarosa (w/v) p : Relación Y 1/x . 0 : Concentración de L-lisina-HCI. X : Concentración celular.

0 r

40

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DH

301

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30

40

50

60

9/1

Fig. 197 Influencia de la concentración de la fuente de aminoácidos sobre el cre-

cimiento del microorganismo, en un medio que contiene 501o de sacarosa (e,lv). X : Crecimiento . p : Relación Y x/s . + : Valor de plI.

HIUROLI2 :LEV. . Fig. 198 Influencia de la relación hidrolizado de levadura/licor de maíz en un

medio que contiene 10 % de sacarosa (./v). + : Valor de pH. p : Relación Y 1/x. 0 : Concentración de L-lisina-HCI . X : Concentración celular.

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______+

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20

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40

(~404

Fig. 199 Influencia de la concentración de (NH,),SO,, en un medio que contiene 10 % de sacarosa (./v) . + : Valor de pH . O : Relación IGlisina-HCllcrecimlento celular Y llx. 0 : Concentración de L-lisina-HCI. X: Concentración celular.

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20

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V

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0

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9h Ci No

Fig. 200 Influencia de la concentración CtNa, en un medio que contiene 10 aio de sacarosa (./v) . p : Relación L-lisina/crecimiento celular Y 1/x. A : Concentración de L.lisina-HCI. X: Concentración celular.

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MIL RIOT.

Fig .

201 Influencia de la concentración de biotina, en un medio que contiene 10 de sacarosa (w /v) .O : Relación Y 1/s, X : Concentración celular . ¿N : Concentración de L-lisina-HC1 (g/1) .

W v u x á z

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O

W 0 z 0

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0

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Fig .

Lg/L TIAMINA

202 Influencia de la concentración de tiamina, en un medio que contiene 10 eio de .sacarosa (.1v) . p : Relación 1! 1/x . X : Crecimiento celular. 17 : Concentración de L-lisina-HCI (g/1) .

369

LISINA

LISINA-HCL 9/1 PRODUCCION OPTIMA DE LISINA

ISOLEUCINA

I

209/1 , LIS-HCL

ISOLEUCINA ®9/1

240

Fig . 203 Influencia de la treonina, metionina y la isoleucina sobre la producción de L-lisina-110, fermentación en zaranda a 180 rpm, pH 7,2, temperatura 30 °C, concentrado de azúcares a 10 %; la concentración de treoni.na se mantiene constante a 320 mg/l. Se requieren varias etapas para disponer de la masa bacteriana necesaria para lograr la fermentación principal . En las primeras etapas los niveles de treonina y otros componentes bioactivos deben ser altos para estimular el crecimiento . En las tablas 201 y 202 se describen los resultados obtenidos con la cepa Brevibacterium sp . 22 auxótrofa de treonina y biotina, capaz de producir lisina por fermentación directa, así como la composición de los medios en cada etapa . Composición de la solución de sales : ZnS04 " 711 20 8,8 g; FeCl3 " 611 10 0,97 9 ; CUS04 " 511 2 0 0,393 g; Na2B407 - H2 0 0,088 g; Mo(NH4 )6 024 " 411 20 0,037 g; MnS04 0,072 g; 1120 destilada cantidad suficiente para 1 1.

Los hidrolizados proteicos son hidrolizados de harinas de pescado, maíz, soya o levadura, obtenidos con SO4H., 6N, a 120'C, durante 6 h, filtrados y mezclados de forma que la relación treonina, metionina e isoleucina sea óptima . En la figura 204 se relacionan los consumos de azúcar, formación de biomasa, aumento def contenido de nitrógeno en la biomasa y la lisina-HCI, en función del tiempo, obsérvese que en esta experiencia, a partir de la hora 30, se produce un descenso de la biomasa, nitrógeno bacteria] y la lisina-HCI, como consecuencia de una disminución de los azúcares . En la misma experiencia se observa como la treonina y la biotina se relacionan entre sí con la velocidad específica de crecimiento (Fig. 205) .

TABLA 203 Fermentación de mieles finales

TABLA 201 Conservación y mantenimiento del cultivdl Composición

Componente

Componente

Ferm .

Reductores totales

140

g

Indeulo 56

g

15

g

80

mg

Extracto de levadura

10 g

CaCO,

-

Bactopeptona

10 g

Tiamina

80

Hidrolizado ácido de caselna

2g

KH2P04

1

g

1

g

NaCt

5g

Sales minerales

1

mi

1

mi

AgaT

15 g

15

g

Ha0 destilada csp

1 1

pH

7~

(NH,)2SO4

20

Hidrolizados proteicos

-

H20 csp

1

TABLA 202 Fermentación con azúcar crudo Componente Azúcar crudo

Fermentación 100

cacos

-

Tiamina

80

Biotina

220

g

mg Pg

Inóculo 40

g

15

g

80

mg

220

ug

KH,PO 4

0,4 g

0,4 g

Solución de sales minerales

1

1

(NH4),SO4

20

ml g

15

ml g

Hidrolizados protefnicos

0,10 1

0,12 1

NaCI

-

0,5 g

11a0 esp

1

1

g

0,11

NaCI

~ v mas s< encuba anrnte 24"h, a 30'C, después u ~~ m

mg

1

1

Temperatura de la fermentación : 30 + 1 *C . pH 7,0 x 1,0 . Volumen del fermeatador: 20 l. aelaci6n del in~-. 1 :10. Transferencia de oxigeno : 600 mmol 0,1 1, durante las primera a h y 400 mmol 0,1 -, hasta finalizar la fermentación .

1

0,1

1

OS

g

1

1

Fig. 204 Producción de LlisinaHC1 a partir de azúcar crudo, en fermentación batch ; pH 7,2, temperatura 30 °C. + : Nitrógeno total en el precipitado. O : L-lisina-HC1 en el sobrenadante . X: Biomasas o azúcares reductores totales.

372

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

a z z

0 W W V

48

h

Fig.

205 Producción de Llisina-LICI a partir de azúcar crudo, relación entre la velocidad específica de crecimiento y el consumo de biotina y treonina en una )ermentactón en baten .

Tratamiento de la miel : una solución de miel final-agua 1 :1 se deja en reposo 6 h y después se centrifuga. Los parámetros físicos usados en esta fermentación son similares a los empleados con azúcar crudo . La composición del medio guarda relación con la de K. Sano y Shio ; para el caso de las mieles finales y el azúcar crudo, se hacen algunas modificaciones según nuestras condiciones . La figura 206 muestra que el comportamiento de la fermentación con mieles finales es similar al del azúcar crudo .

8 Influencia de las características de las mieles finales en cuanto a la producción de L-lisina A 25 mieles finales de distjntas unidades azucareras de Cuba, se le determinaron : grado Brix, nitrógeno total, coloides, ceniza, materia seca, calor de combustión, color, reductores totales, reductores libres, reductores infermentables, sacarosa, acidez total, acidez volátil, P205 , SOy - , capacidad tampón, los metales Na, K, Ca, Mg y los óxidos Fe0 3, Cu0 y Mn02 ; contaminación por microorganismos mesófilos y termófilos, además se fermentaron con los nutrientes necesarias y se determinó la concentración de lisina al final del experimento, se encontraron los componentes que son significativos para 95 % de probabili-

373

LISINA

Fig. 206 Producción de Lis-HCI a partir de mieles finales en fermentación batch; pH 7,2, temperatura 30°C. X: Biomasa. O : Llisina-HCI en el sobrenadante. O : Azúcares reductores totales.

dad, según la recta de regresión Y = a + bx, se calculó el coeficiente de correlación (r)'y el intervalo de confiabilidad. En la tabla 204 aparecen resumidos los componentes significativos . También con el propósito de determinar la influencia de la zona agroindustrial más favorable, de acuerdo con la calidad de la miel final para la producción de lisina, se hizo la

siguiente distribución por zona, según la concentración de lisina alcanzada. Se debe aclarar que el muestreo fue casuístico y, por lo tanto, el análisis no es riguroso, sin embargo, nos puede suministrar una idea de la influencia que puede tener la zona en relación con los rendimientos de lisina como aparece en la tabla 205.

374

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 204 Componentes más significativos presentes en las mieles que influyen en la producción de I.Aisina Componente

a

b

r

Materia seca

57,47

- 0,25

-0,76

-0,90

-0,50

Brix

46,63

- 0,16

-0,76

-0,90

-0,50

3,64

0,44

0,68

0,36

0,86

No azúcares reductores

32,67

- 0,25

-0,76

-0,90

-0,50

Nitrógeno

30,40

-11,25

-0,72

-0,88

-0,43

Coloides

30,01

- 0,54

-0,64

-0,85

-0,30

Cenizas

30,23

- 0,52

-0,76

-0,90

-0,50

Capacidad tampon (buffer)

29,52

- 0,06

-0,66

-0,95

-0,33

Potasio

26,13

- 0,99

-0,7j

-0,88

-0,44

Reductores totales

Intervalo de confiabilidad

TABLA 205 Microlocalización de zonas azucareras productoras de mieles aptas para la producción de L-lisina

Región de procedencia

Número de mieles analizadas

Producción promedio de L-lisina (g/1)

Granma

2

25,60

Villa Clara

5

23,28

Matanzas

5

21,05

Cienfuegos

1

19,60

Habana

3

19,43

Ciego de Ávila

8

18,35

18

14,88

Ciudad de La Habana

Por otra parte, la producción con azúcar crudo o refino presenta ciertas ventajas sobre las mieles finales, entre las que se destaca la de un control más eficiente sobre la fermentación, a causa de la homogeneidad del producto, además, los rendimientos son mayores de 20 - 30 %,

pero el costo del producto es superior y es necesario añadirle biotina, vitamina esencial para el crecimiento y biosíntesis del producto. Las diferencias entre ambas materias primas son establecidas . en la tabla 206.

375

LISINA TABLA 206 Diferencias en la producción de lisina con azúcar crudo y mieles finales Miel final

Azúcar crudo (o refino)

1. Producción no estable (variación del 1. Producción estable (controlable) rendimiento). Depende de la caray terística de la miel 2. Costo relativamente más bajo

los azúcares

de 2. Costos más altos de los azúcares (4-6 veces, según precio mercado mundial)

3. Menor tiempo de vida de las resinas 3. Mayor tiempo de duración de las redel intercambio fónico (por envenesinas de intercambio fónico namiento) 4. Rica en biotina

4. Necesidad de adición de biotina

5. La esterilización es más rigurosa a 5. Esterelización más simple causa de la cantidad de microorganismos que trae la miel 6. Costos adicionales en los tratamien- 6. No requiere tratamientos previos

tos de clarificación y/o purificación de las mieles

7. Rendimientos menores (aprox, 70% 7. Rendimientos mayores del azúcar crudo) S. Residuos agresivos e. Residuales menos agresivos

9 Proceso tecnológico Actualmente, existen 2 tendencias tecnológicas en cuanto a la obtención del producto. La primera consiste en realizar un balance de aminoácidos, utilizando hidrolizados de proteínas, los que se realizan en la propia fábrica, a partir de harinas de soya, pescado y. maíz, de levaduras y de la propia masa biológica. Esta tendencia es costosa por las demandas de energía y H2S04 requeridos, aparte del deterioro de los equipos a causa de corrosión ácida. La otra variante consiste en la utilización del licor de remojo de maíz complementada con la adición del aminoácido leucina obtenido de forma similar que la lisina, por fermentación directa ; esta variante tecnológica es más económica . Las demás etapas de las tecnologías son similares y se caracterizan por seguir la siguiente secuencia : a) Etapa de preparación de la materia prima. Si se trabaja con azúcar ésta se diluye hasta una concentración de 50 %, a 60'C, y si es miel final se diluye y se clarifica para su utilización . b) Etapa de prefermentación. Donde se logra una alta concentración de biomasa bacteriana necesaria para obtener una rápida

biosíntesis del aminoácido, este paso de prefermentación dura, aproximadamente, 15 h. c) Etapa de fermentación . La duración es de 50 - SO h, según el caso. En este paso de la fermentación, igual que en el anterior, es necesario un balance óptimo de aminoácidos capaz de dirigir el mecanismo según la ruta metabólica ya descrita hacia la producción de lisina, esto es importante a causa de que la alteración de algún parámetro, o nutriente, puede dar lugar a la producción de otros aminoácidos como el ácido glutámico, valina, alanina, que, comúnmente, se encuentra a bajas concentraciones en todas las fermentaciones normales . La concentración de la fuente de aminoácidos (hidrolizados), es mayor en la etapa de prefermentación que en la etapa de fermentación . El pH se mantiene constante en la zona neutra, ajustándose las variaciones con hidróxido de amonio o ácido sulfúrico, según el caso. d) Etapa de separación . El producto obtenido en la fermentación se separa en centrífugas especiales de alta velocidad, el claro se separa de - la biomasa, ésta es utilizada

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

376

como aPmento forrajero o es hidrolizada para suministrar los aminoácidos indispensables para el proceso . Otra variante utilizada por otras tecnologías consiste en acidificar toda la fermentación hasta pH 1 y pasar, como en el caso anterior, el contenido a través de columnas de intercambio iónico (LO .) tipo catiónica (ejemplo, Amberlita IRA-120), a contracorriente, una vez que se ha pasado el fermentado a través de las columnas, éstas se lavan con agua tratada y, posteriormente, se eluyen con hidróxido de amonio concentrado . e) Etapa de concentración . El eluato sale de la columna con una concentración de 10 DiD de lisina-HC1, la evaporación se realiza en equipos múltiple efecto, hasta lograr una concentración de 50 Dio del aminoácido, posteriormente, se puede concentrar aún más hasta 70 %, en un tacho al vacío. Durante la primera etapa de evaporación se elimina el amoniaco utilizado en la etapa de

deserción en la columna de intercambio iónico (catiónico) . f) Etapa de cristalización y secado . La solución anterior se pasa a un cristalizador con agitación lenta (tipo azucarero) y se mantiene en el mismo de 8 - 12 h, a la temperatura de 15 - 25 °C, los cristales son separados en una centrífuga de canasta y secados en un secador de lecho fluidizado . g) Etapa de envase y almacenamiento . Los cristales secos son, envasados en sacos de papel kraft de 4 capas, la penúltima capa es impermeable (polietileno) con un peso de 25 kg. Los sacos son colocados en pales de 40 sacos (-1 t) y colocados en pilas de . 2 ó 3 pales. Los almacenes deben ser ventilados para evitar la humedad, que perjudica al producto endureciéndolo. La figura 207 resume, de forma esquemática, el proceso tecnológico.

TANQUE MIEL

FINAL

COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO (RESINA CATIONICA)

ISINA-NCLCENTRIFUOA DE CANASTA (HORIZONTAL)

ADEN 25-C

PALES <0 SACOS 1I .

Fig- 207

SACOS 251p MULTICAPAS(ACAPAS :3 DE PAPEL Y LA PEMULTMA DE SS% LISINA-HCL 2% DE H,O

Ejemplo de tecnología.

POLIETLENO)

LISINA

377

10 Alternativas tecnológicas para la producción de lisina a partir de azúcar crudo y/o miel final En realidad, se puede decir, que existe una tecnología única para la obtención de lisina, con distintas variantes, según el propósito final, es decir, la forma en que la lisina es presentada: en forma líquida ; como bioconcentrado (secado en atomizador) ; lisina técnica (la lisina más todos los aminoácidos pasados por una columna de intercambio iónico, tipo catiónico, y secados en atomizador) y, por último, la lisina cristalina, ampliamente ofertada en el mercado mundial . La lisina líquida no es nada más que el producto obtenido en el fermentador, la que es enviada directamente a un mezclador de pienso e incorporada al alimento para ser procesado éste según la tecnología específica. El bioconcentrado rico en lisina se diferencia del proceso anterior en que el fermentado es concentrado y secado en un atomizador (spray).

La lisina técnica requiere 1 ó 2 etapas más, según el caso, la primera de centrifugación (algunas tecnologías la eliminan), pasando todo el contenido del fermentador por columnas de intercambio iónico . Cuando se eliminan las centrífugas, las columnas actúan como coladores de los sólidos, según se vio en la figura 207, las etapas siguientes son similares a las ya descritas de concentración y secado . La lisina cristalina en forma de sal hidroclórica, se presenta en forma de lisina-HCI anhidra y lisina-HCI - 2 H20; en esta tecnología, después del paso por las columnas, siguen las etapas de concentración, cristalización y secado en lecho fluidizado. Las tecnologías mencionadas se resumen, gráficamente, en la figura 208, en la que se describen las distintas variantes posibles . En la tabla 207 se establecen las diferencias cualitativas entre la producción de bioconcentrado y lisina cristalina y se analiza la posible utilización del producto, para el consumo interno o la exportación, según un criterio definido en la figura 209 .

REACTOR

BIOMASA BACTERIANA

C=5B7/I

CLARFICACION DE MIELES

LIS-HC]

I

SEPARADORAS MEZCLADO CONFORRAJES

COLUMNA OE INTERCAMBIO IONICO

ÍH :304

FORMA CATIONICA

BRPX ALFA

LAVAL

(2,3)

TANQUE MIEL FINAL EVA-ORADOR DE PLA CA DE TRIIPLE EFECTO -JHC1 (3) SOLUCIONDE LISINASO°/, CRISTALIZADOR SIN FIN (AZUCARER01 14 -C

RECIRCULACION DE AGUAS MADRES (CRISTALES

LISINA HCI 2H .0

~\ CENTRIFUGA CANASTA ~M,0 1-81000NCENTRAM 2-LISINA TECNICA 3-LISINA

CRISTALINA

4-LISINA

LIQUIDA

T=25°C ALMACEN

SECADOR NEUMÁTICO

Fig. 208 Distintas alternativas para la producción de lisina . 1. Bioconcentrado . 2. Lisina técnica. 3. Lisina cristalina . 4, Lisina líquida.

(LAVADOS)

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

CONCLUSION

PLANTA

POSIBILIDAD

PRODUCTO

L-LISINA

AZULAR CRUDO

LISINA

FINAL

OBJETIVOS

MIEL FINAL

CRISTALINA

BIOCONCENTRADO

\ y.

EXPORTACION

CONSUMO INTERNO o E%PORTACION

COMUNIDAD SOCIAUSTA

- CRITERIO PRIMARIO ---- - -CRITERIO SECUNDARIO

Fig. 209 Alternativas para la producción de lisina a partir de la materia prima

y la obtención del producto final. TABLA 207

Comparación entre las características del bioconcentrado y la lisina cristalina

L sina cristalina

Bioconcentrado

Ventajas 1. Rendimientos mayores a causa de que no necesita de etapas de separación y recuperación

Desventajas 1. La calidad del preparado es menor mayor higroscopicidad)

Ventajas 1. Mayor calidad higroscopicidad)

Desventajas (baja

1 . Costos de producción más elevados a causa de la mayor complejidad del proceso

2. Utilización de todos los 2. Tiempo de almacena- 2. Tiempo de almacena- 2. Valor de inversión maaminoácidos y vitaminas miento menor (6 m-1 a) miento más prolongado yor, dado el requeri. presentes en el proceso (2 a) miento de más equipos 3. No existen residuales

3. Su dosificación es más compleja

4. Costos de producción más 4. Concentración más ba. bajos que la lisina cristaja en el preparado lina (menos operaciones) (30%-40%)

5. Valor de la inversión más 5. Mayores costos de enbajo (menos equipamiento) vase, almacenamiento y transporte, a causa de lo anterior 6. Su uso está limitado al mercado internacional con restricciones

3. Fácil dosificación

3. Residuales agresivos, los que necesitan ser tratados

4. A causa de su alta 4. Mayores pérdidas por concentración en el recuperación producto final, sus cos(10 %-30 %, según la tos de almacenamiento tecnología) y transporte son me . nores (3 veces menos)

379

LISINA

11 Levaduras hiperproductoras Mediante levaduras marcadas genéticamente es posible incrementar, de manera sustancial la cantidad de lisina libre que se encuentra dentro de la célula, que puede ser liberada por un proceso de permeabilización de la membrana en medio acuoso, a la temperatura de 60'C, durante 20 min. La tecnología empleada es la propia de la producción de levaduras . El rendimiento esperado en esta tecnología es de 30 - 40 kg de lisina-HCI por tonelada de levadura, dicho en otras palabras, una planta con una capacidad de 10 000 t/a produciría, en el mejor de los casos, 400 t de lisina-HCI . En la figura 210 se describe, gráficamente, el proceso de .una fábrica de levadura torula de tecnología Speichim, en la que se proponen algunas modificaciones basadas en tecnologías ya mencionadas, para separar la lisina libre del resto de la masa biológica, y obtener lisina cristalina, sin embargo, la recuperación de este aminoácido, por esta vía, no hace competitiva la extracción de la lisina libre que se encuentra en la célula . En estos momentos este proceso se halla en la etapa experimental .

-

: "Método de obtención URSS patent 567634, 1976.

de

la

Llisina."

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Nippon

Nogei-

12 Perspectivas

NAKAYAMA, K., S. KITADA AND S. KINOSHITA: J. Gen. Appt . Microb ., Tokyo, 7: 145, 1961 .

Se ha pronosticado la expansión de la demanda de lisina en países como Corea, Filipinas, Indonesia, Malasia, Tailandia, India, Pakistán y Egipto . Estos países son abastecidos por Japón, principal exportador mundial de lisina, pero para 1985 se prevé que la demanda se duplique y el mercado pueda ser receptivo a otros proveedores. Firmas asiáticas están interesadas en establecer producciones locales por medio de negociaciones o acuerdos de cooperación, ya que dificultades político-económicas afectan la posibilidad de satisfacer la demanda nacional . España también amplía su producción, instalando nuevas plantas, y México tiene proyectado otra planta de lisina, a causa de que el mercado mexicano tiene grandes perspectivas internas y foráneas. La URSS amplía su producción con la instalación de nuevas plantas. Cuba, con una industria azucarera potente y estable, es una fuente de materias primas para el desarrollo de los derivados, entre los que se encuentra la industria de fermentaciones, de la que la lisina será un renglón importante en el próximo quülquenio .

NAKAYAMA, K. et al.: Agric. Biol. Chem. 30 : 611, 1966.

13 Bibbograffa

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ONE mom mom

w:*'J

Capítulo XV CAÑA DE AZÚCAR Y ALIMENTACIÓN ANIMAL AGUSTtN CABELLO

1 Introducción El objeto principal del cultivo de la caña de azúcar es, precisamente, la producción de azúcar ; sin embargo, la cantidad de residuos y subproductos que genera la actividad cañero-azucarera, la concentración en un solo punto de algunos de estos productos y factores económicos, así como la no disponibilidad de productos convencionales, han provocado que se hayan utilizado y se utilicen, actualmente, muchos de estos subproductos y residuos en alimentación animal . Incluso, en algunos países, se siembra caña con el fin de utilizarla como alimento animal, siguiendo diferentes estrategias de uso, que van desde su utilización en forma fresca hasta su deshidra tación y "pelletización" . No es posible hablar de estadísticas del uso de la caña, sus subproductos y/o residuos para alimentación animal, en el mundo, por cuanto se trata de actividades locales que no se controlan por ningún organismo y/o mercado internacional . Aun en el caso de la miel final, que es un producto que cuenta con estadísticas de su comercialización, se hace difícil precisar qué uso exacto se le da dentro de la alimentación animal . Existen muchos enfoques posibles para la utilización de los mencionados productos, ya que en algunos casos, se combinan unos con otros y se pueden emplear en su estado natural o someterlos a determinado procesamiento . En ciertos casos, uno es un subproducto del otro o puede servir de materia prima de una tecnología en la cual se recupera como subproducto o desecho un nuevo producto utilizable . "Por otra parte, las experiencias acumuladas en diferentes países, en la utilización de un mismo producto, pueden diferir en función de condiciones locales . Hay que tener en cuenta, que los resultados que se obtienen en la ganadería están influidos por múltiples factores que no permiten asegurar su reproducibilidad en otras condiciones o países . En esta sección se tratarán las variantes donde existe una mayor experiencia acumulada o que de acuerdo con las circunstancias actuales presentan un mayor atractivo . En la figura 211 se representan, de forma gráfica, estas variantes . En algunos casos, se trata

de productos que se obtienen a través de una tecnología complicada (por ejemplo, aminoácidos) cuya descripción se puede encontrar en otras secciones de este libro, mientras que en otros son subproductos directos de la actividad cañero-azucarera. El objeto de este capítulo es brindar información sobre el valor nutricional de los subproductos y derivados de la caña, ofreciendo resultados de investigaciones zootécnicas realizadas en Cuba y en otros países. En menor medida, se brinda información de tecnología industrial de obtención de determinado producto, cuando este aspecto no ha sido tratado en otras partes de este libro. En aquellos productos en que el nivel de información disponible no difiere, básicamente, de la que se recoge en el libro Los derivados de la oaña de azúcar, hemos entendido adecuUdo remitir al lector a la mencionada fuente. 2 Mieles Las mieles son el resultado de la separación de la fracción fibrosa del jugo de la caña y la concentración del jugo hasta un contenido de sólidos de 60-75 % . En dependencia del grado de agotamiento, o sea, de la cantidad de sacarosa que se extrae por cristalización, se obtienen mieles más o menos ricas en azúcares totales y varía la relación entre la sacarosa y los sólidos totales, conocida comúnmente por pureza . Las mieles rica e integral y la miel final (miel C), constituyen los extremos en cuanto a pureza . La tabla 208 presenta la composición de los,diEerentes tipos de mieles . Se entiende por miel rica la que se obtiene de concentrar el jugo clarificado, previa inversión, para evitar la cristalización de la sacarosa. La miel integral se obtiene de la misma forma, pero sin clarificar el jugo, por lo cual tiene un mayor tenor de no azúcares que la miel rica y su obtención industrial presenta mayores dificultades, al provocar más incrustaciones en los equipos de calentamiento y concentración. La miel final es la que ha sido más utilizada en alimentación animal, porque constituye un subproducto obligado de la producción de azú-

RESIDUOS AGRICOLAS

MIEL HIDROLITICA

FORRAJE

" CARA MOLIBLE

PROTEINA UNICELULAR

*BAGAZO (BAGACILLO)

FORRAJE

PROTEICA UNICELULAR JUGO (GUARAPO)

MELADURA MIELES

MIEL-UREA

14-

A y B

MIEL FINAL

PROT U NIC ELUL A Rr-ALCOHOL

MIEL PROTEICA

AZUCAR

CRUDO

4

MOSTOS ADITIVOS

FORRAdEROS

L- AZUCAR REFINO

(AMIMOACID08 9 VITAMIRAS)

Fig. 211

Esquema de posibilidades de producción de alimento animal, a partir de la caña de azúcar. TABLA 208 Composición de diferentes tipos de mieles de caña

Componente (°mol

Miel rica

Miel A

Miel B

Miel C

Materi8 seca

80-82

80-82

80-82

83-85

Azúcares totales

72-75

70-72

68-70

59-64

Proteína bruta (N x 6,25)

05-1

0,5-1

015-1

Ca

0,11

0,9

1,1

1,2

P

0,03

0,06

0,06

0,07

2-3

383

CAÑA DE AZUCAR Y ALIMENTACION ANIMAL

car, lo cual no ocurre con la meladura, miel rica y con las mieles intermedias (miel A y miel B). El uso de las otras mieles está condicionado a situaciones económicas particulares y a estrategias respecto a la producción azucarera y pecuaria. Para un análisis de las diversas opciones de uso como alimento de las mieles, resulta más racional analizar las posibilidades de las mieles atendiendo a la especie animal, ya que las diferencias entre especies son de mayor magnitud que las que existen entre los tipos de miel. Por esta raz¢n, hemos dividido el uso de las mieles de acuerdo con estas características . La información se concentra en los ganados vacunos y porcino, así como en las aves, que son los de superior significación económica y donde se ha realizado la mayor cantidad de trabajos. No se toman en consideración sistemas de alimentación donde la participación de las mieles es insignificante. 2.1 BOVINOS El usó de las mieles en la alimentación de bovinos, es el más extendido y conocido. La principal fuente de información al respecto son los trabajos realizados en Cuba en la década de los años sesenta al setenta . En el caso de los bovinos el uso de las mieles está muy relacionado con la capacidad de esta especie de utilizar nitrógeno no proteico para la biosíntesis de proteína . Los carbohidratos fácilmente fermentables de la miel garantizan una utilización rápida del nitrógeno no proteico aportado, generalmente, en forma de urea, en el rumen, evitando problemas de intoxicación por amoniaco . Adicionalmente, la miel mejora la aceptación de la urea y garantiza, al mismo tiempo, una digestión uniforme de este producto, por encontrarse en forma de solución . Estas ventajas de la miel permiten hacer un uso máx'-mo de la utilización de nitrógeno no proteico en la dieta, haciendo más económica la producción pecuaria, ya que el costo de la proteína verdadera es un factor determinante en la producción de carne y leche, lo cual resulta más difícil de lograr con alimentos sólidos . Por otra parte, el carácter líquido de la dieta facilita su manipulación y reduce la mano de obra requerida para el manejo animal . La mezcla de la miel con la urea o cualquier otro tipo de producto de carácter salino, es una operación simple que puede ser llevada a cabo sin grandes inversiones en cualquier ingenio azucarero . Dentro de los tipos de mieles, es la miel final la que más atención ha recibido y la que ha logrado establecerse dentro de un sistema de alimentación a nivel comercial . En el caso del

ganado bovino las diferencias entre distintos tipos de mieles son poco significativas . La inclusión de forraje verde en las dietas a base de miel, es importante para evitar intoxicaciones . Se ha señalado el aumento de los cuerpos cetónicos derivados de la preponderancia del ácido butírico en la fermentación ruminal como la causa de esta intoxicación, con independencia del tipo de miel empleada. La inclusión de forraje fresco a un nivel de 1,5 kg/100 kg de peso vivo (0,23 kg de materia seca/100 kg de peso vivo) ha sido establecida como la mejor. La presencia de proteína verdadera en la dieta es también imprescindible, ya que la síntesis microbiana, en el rumen, no es capaz de suplir los requerimientos de proteínas de un animal de desarrollo normal y se ha sugerido el aporte de no menos de 19 % del total del nitrógeno de la dieta suministrada en forma de harina de pescado (0,1-0,15 kg/100 kg de peso vivo) . En la explotación comercial existen diferentes posibilidades o sistemas de alimentación, según la miel y el forraje se den en forma restringida o con libre acceso a los mismos o cuando se incluye la miel en la dieta de animales en pastoreo. En Cuba, han sido evaluados, a escala comercial, las combinaciones de miel ad. líbitum-forraje restringido, miel restringida-forraje ad. líbitum y miel ad. lfbituní-pástoreo restringido, con consumos de m?el de 8,81 ; 3,10 y 7,44 kg/animal/d, y ganancias de peso de 0,88 ; 0,43 y 0,83 kg/animal/d, respectivamente, en sistemas de alimentación en que, además, se ha proporcionado urea y harina de pescado en forma restringida . En cuanto a la producción de leche las mieles han sido empleadas, básicamente, como suplemento al pasto, obteniéndose respuestas que van desde un incremento de producción de leche desde 0,24 hasta 0,7 1/kg de miel suministrada. Además, se puede mencionar que la miel es un aditivo frecuentemente utilizado en el proceso de ensilaje de forraje y más, recientemente, en el ensilaje de excretas tanto avícolas, porcinas, como vacunas, para su reutilizacián en la alimentación de rumiantes . 2.2 PORCINO El uso de las mieles de caña en la alimenta. ción porcina, en países con escasa producción de cereales forrajeros, como es el caso de los países tropicales en vía de desarrollo, es de gran importancia, por cuanto el cerdo no admite una dieta a base de pastos de alto contenido de carbohidratos estructurales y lignina, como es posible, en cierta medida, para los rumiantes . Las mieles pueden sustituir, de forma satisfactoria, el aporte energético de los cereales. El grado de sustitución depende de su concentración energá-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZVCAR

38 4

tica, es decir, de su contenido de azúcares que, como ya se ha señalado, varía en dependencia del tipo de miel que se trate . En la tabla 209 se presentan, de manera resumida, los principales resultados obtenidos en Cuba en el uso de mieles en alimentación porcina .

proteica que se obtiene es muy superior a la que se logra de los cereales, a pesar de que la miel proteica presenta un nivel de proteína superior al de éstos (Tab . 210) . Por otra parte se puede observar que el proceso es prácticamente autoenergético, aun cuando se separe bagacillo para alimentación de rumiantes .

TABLA 209 Comportamiento zootécnico de cerdos en ceba, alimentados con diferentes tipos de mieles cubanas Nivel de miel en la dieta (% m.s.)

Peso vivo (kg)

Ganancia (g/d)

Conversión (kg alimento/kg aumento)

Miel rica

74

30-90

644

3,60

Miel integral

77

30-75

541

3,82

Miel A

69

25-90

638

5,20

Miel B

69

25 .90

715

4,50

Miel C

62

30-90

510

5,30

Tipo de miel

En la tabla 209 se puede apreciar que con excepción de las mieles C e integral se alcanzan ganancias de peso superiores a los 600 g/d que son, al menos, tan altas como las obtenidas, normalmente, con dietas de cereales. En cl caso de las mieles C e integral, el comportamiento más pobre está asociado con un mayor contenido de no azúcares. Sin embargo, la utilización, en alto grado, de mieles en alimentación porcina, plantea la necesidad de incorporar concentrados proteicos ya que las mieles no contienen proteína en forma apreciable y en el cerdo no es posible el suministro de nitrógeno no proteico . Para lograr resolver esta situación dentro de los marcos de la industria azucarera, en Cuba se ha desarrollado la tecnología de obtención de un producto denominado miel proteica que combina, en forma adecuada, energía y proteína . Básicamente, el proceso consiste en desviar una parte del jugo clarificado hacia una instalación de fermentación donde se obtiene levadura, la cual es mezclada, posteriormente, con la otra parte del jugo y concentrada de forma conjunta . La composición de la miel proteica se muestra en la tabla 210 . En la figura 212 se presenta un balance de materiales de la producción de miel proteica a partir de 1 ha de caña. Se puede apreciar que se pueden obtener 13,5 t de miel proteica a partir de 1 ha, para un rendimiento de caña alto (85 t/ha). Aun cuando el rendimiento de la caña sea sólo de 50 % de lo planteado en el esquema, la cantidad de miel

TABLA 210 Composición de la miel proteica comparada con cereales Miel proteica

Maíz amarillo

Trigo

Materia seca (%)

70,0

87,0

87,4

Azucares totales (% b .s.)

60,0

Proteína bruta (% b.s.) (N x 6,25)

16,0

9,1

13,6

Ca (% b.s.)

0,4

0,3

0,2

P (% b.s.)

0,3

0,3

0,3

Energía metabolizable

3,4

3,3

3,4

(Mcal/kg m.s.) Otras ventajas que presenta este proceso son : - La instalación para obtener la levadura se simplifica con respecto a las convencionales, ya que no se requiere secar ni ensacar este producto y el sustrato que se fermenta (jugo de caña) es más rico, tiene menos impurezas que los sustratos comúnmente empleados (miel final, mostos de destilería, lejías sulfíticas, cte .) y requiere menos

0r ro0 a ro a éo

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T

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Ú

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N Ñ m W

386

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZIICAR

agua para su procesamiento . Todo lo anterior trae aparejado una mejor calidad nutricional de la levadura obtenida . - El producto constituye más de 90 % de la dieta en animales en ceba, lo que simplifica la operación del cebadero, sobre todo si se tiene en cuenta que siendo un líquido es factible de ser manipulado por bombeo. Este tipo de producto debe ser suplementado con metionina ya que este aminoácido se encuentra en déficit en la levadura . 2 .3 AVES El uso de productos azucarados en la alimentación de diferentes especies de aves ha sido estudiado en detalle, en Cuba, en la década de los años setenta como variante de sustitución de la energía de los granos . El uso del azúcar crudo ha sido reportado en la alimentación de broilers, de gallinas ponedoras y de pavos. La miel rica también ha sido objeto de estudio en broilers, en gallinas ponedoras, en pavos, en patos y en gansos . Así mismo la miel A ha sido estudiada en patos y en pavos, y la miel final en el caso de broilers, gallinas ponedoras, pavos y patos . De forma general, con el azúcar se logran mejores resultados que con las mieles, las cuales, a su vez, se ordenan en forma descendente de la m''-el. rica a la miel final. Este comportamiento sugiere, que los componentes no azúcares presentes en las mieles, tienen una influencia negativa en el metabolismo de las aves, que se manifiesta, en la práctica, en heces más líquidas. No han logrado establecerse las causas de este fenómeno ya que en estudios realizados por Cuervo y colaboradores, con miel final, no se ha podido establecer que sea debido a la presencia de azúcares diferentes de la sacarosa ni a los componentes minerales de la miel. Maner y colaboradores han señalado que la deshidratación de las mieles tiene un efecto positivo en la disminución de la humedad fecal en cerdos. Por otra parte, la deshidratación de la miel presenta ventajas prácticas incuestionables, cuando se utiliza en dietas para aves, ya que estos animales ingieren mejor una dieta sólida que líquida y la mezcla de la miel con los otros componentes de la dieta se efectúa mejor si ésta se presenta en forma de harina. Para la deshidratación de la miel se hace necesario la adición de algún producto o reactiva que cambie las propiedades físicas de la miel, ya que aunque el secado de la miel final pura es posible, el producto que se obtiene es muy higroscópico y se apelmaza con facilidad . Se ha

propuesto una amplia gama de productos o reactives como aditivos para el secado de la miel final, pero se ha podido establecer que los mejores resultados se obtienen utilizando óxido o hidróxido de calcio, tanto para secado, en secadoras de tambor, como en secadores por atomización. La concentración de la solución de Cae* que se vaya a utilizar fluctúa alrededor de 7 %, en relación con los sólidos de lá miel, para lograr un producto poco higroscópico. Por su alto contenido de calcio y su relativamente baja densidad energética, este tipo de producto se adecua más para la alimentación de ponedoras que para animales de ceba . La figura 213 muestra la influencia de la cantidad de calcio añadida sobre la higroscopicidad y la velocidad de secado de la miel final. Las tablas 211 y 212 muestran algunos resultados logrados, en escala experimental, en la utilización de miel deshidratada en dietas para ponedoras y pollos de engorde, respectivamente Los resultados obtenidos indican que niveles de inclusión de miel final deshidratada por encima de 20 %, ocasionan una disminución del comportamiento productivo de los animales . De los resultados obtenidos, con la, utilización de mieles líquidas, cabe suponer que el empleo de miel rica deshidratada permite aumentar los niveles de inclusión sin deterioro del comportamiento animal . TABLA 211

Comportamiento de pollo de engorde de dietas que contenían diferentes tantos por cientos de miel deshidratada utilizando Ca(OH)2 y levadura forrajerakk Tanto por ciento de inclusión

Consumo promedio (kg)

Peso vivo final (kg)

10

3,832

1,369

2,835

20

3,929

1,239

3,120

30

3,483

1,184

2,990

3,672

1,373

2,674

Control

Conversión (consumo/ /peso vivo)

96 an~ por ~~to. Perlodo de ceba 1-36 d de a~.

o Tixnwheenanolal o "lwwido ! ImmO"C (n/J

Fig. 213 Influencia de¡ nivel de calcio empleado en el comportamiento de la miel final deshidratada. TABLA 212 Evaluación de la disponibilidad del calcio contenido en la miel deshidratada en gallinas ponedoras

Control

20 % miel deshidratada con CaCO, en la dieta

Peso inicial (g)

1679

1696

1464

Peso final (g)

1745

1715

1455

Consumo ms. (g)

5 420

4480

5 398

Producción de huevos

43

19

37

Indice de producción (4b)

77

34

66

Peso de los huevos

60

58

58

Conversión

2,10

4,07

20 94 miel deshidratada sin CaCQ, en la dieta

2,52

388

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

3 Residuos celulósicos Los residuos celulósicos de la caña comprenden, tanto los residuos agrícolas (cogollo, paja, hojas verdes), como los industriales (bagazo y bagacillo) . La caña molible, o sea la caña limpia que llega al central, constituye 65 -70 % del vegetal, en el campo, y de esta fracción 25 - 27 %, se recupera como bagazo . Estas cifras significan que por cada tonelada de caña, en el campo, se pueden recuperar, teóricamente, de 375 a 444 kg de residuos de carácter celulósico. Estas cifras son teóricas, por cuanto no toman en consideración el uso del bagazo como combustible ni las posibilidades reales de recolectar los residuos agrícolas . También resulta conven?ente separar el estudio de los residuos agrícolas de los residuos industriales, por cuanto tienen diferente valor nutricional y su procesamiento, para convertirlos en alimento, también es diferente . 3.1 RESIDUOS CELULóSICOS AGRICOLAS El principal factor limitante de los residuos agrícolas está dado por su dispersión en el campo, lo que dificulta su utilización, a causa de lo costoso y complicado de su recolección . En estudios hechos en Cuba, en campos cortados a máquina, se pudo establecer que la disponibilidad de estos residuos fluctuó de 154 a 279 t/cab (11,5 a 21 t/ha), de las cuales se pueden colectar de 36 a 39 % con máquinas cosechadoras de forrajes, adaptadas y acopladas a remolques . La composición del residuo fluctuó de la siguiente forma: 42-80 % hojas, 15 % trazos de caña y 15-33 % vainas . Los principales factores que afectan el volumen y la composición de estos residuos fueron la variedad de la caña y el uso o no de riego. Una alternativa más fácil de instrumentar, en la práctica, es el aprovechamiento, comb alimento, de los residuos extraídos en las instalaciones de limpieza en seco, conocidas en Cuba como centros de acopio, donde se eliminan, mediante ventiladores de gran potencia, las materias extrañas que acompañan a la caña que ha sido cortada con máquinas o por el sistema de corte "australiano", ya que los residuos se concentran en un área pequeña, como una consecuencia del procesamiento de la caña. Por otra parte, la disponibilidad de una instalación con características industriales, facilita el procesamiento a que deben ser sometidos estos residuos antes de su utilización. En un centro que procese 60 000 @/d (680 t/d) de caña quemada y cortada a máquina, se obtienen, aproximadamente, 30 t de material fibroso cuya composición física se ofrece en la tabla 213. Se puede apreciar que la fracción de cogollo es la más alta

a causa de que la paja ha sido eliminada por el fuego . TABLA 213

Composición física de residuos de centros de acopio que procesan caña quemada y cortada a máquina Componente Cogollo,

Paja Otras

hojas verdes y renuevos

Cafia limpia

9f, 59,1 27,7 3,7 9,5

El alto tanto por ciento de cogollo y caña limpia de estos residuos le confiere un potencial energético de alto valor. El cogollo presenta características nutricionales muy similares a las de las plantas forrajeras . En la tabla 214 se presenta una composición entre el cogollo y la hierba elefante o napier, que es un forraje muy común en países tropicales. En experiencias realizadas con más de 700 animales, en los cuales 85 % de la dieta estuvo constituida por residuos de centros de acopio, se logró una ganancia de peso promedio similar a la obtenida en pastos tropicales de regular calidad, sin suplementación, según se muestra en la tabla 215. La eficiencia de la utilización de estos residuos, se puede aumentar mediante el procesamiento adecuado de los mismos . Este procesamiento incluye, tanto la disminución del tamaño de partículas y la compactación, que evitan el desperdicio de alimento y estimulan el consumo del animal, como la elevación de la digestibilidad de las fracciones menos asimilables, como son la paja y las vainas. La reducción del tamaño de partículas favorece la utilización de estos residuos dentro de ciertos límites . En dietas que contienen 30 de paja, se ha determinado un efecto favorable al moler hasta 1/4 in, mientras que la digestibilidad vuelve a caer a valores inferiores cuando se muele hasta 1/8 in, en función de un aumento de la velocidad de paso a través del tracto digestivo . Para aumentar la digestibilidad de estos residuos se han propuesto diversas opciones de tratamiento que se describirán brevemente . En Europa se utiliza, en gran escala, el tratamiento de las pajas de cereales empacados con amoniaco anhidro . Al construirse la pila de pacas, se coloca un sistema de distribución para el amoniaco, consistente en tuberías perforadas, cuyo extremo sale al exterior, por donde se conec

38 9

CARA DE AZÚCAR Y ALIMENTACIÓN ANIMAL TABLA 214

Composición comparada del cogollo de cafia y el napier Extracto Ceniza libre de N (% m.s.) (% m.s .)

Material

M. seca (%)

P. bruta

F, bruta

Grasa

Cogollo

20-25

5,4

34,5

1,0

5,9

53,2

Napier

18-20

6,9

32,1

2,1

11,1

47,8

(Pennisetum

(Cs m.s.)

(% ms.)

(%)

purpureum)

TABLA 215

Comportamiento de novillas (F, Holstein x cebú) alimentadas con residuos de centros de limpieza (742 animales en 111 d) Total

Promedio/ /animal

Peso de entrada (kg)

155800

210

Peso de salida (kg)

204 792

276

Incremento diario (kg)

-

0,59

ta con la fuente de suministro de amoniaco . Las pacas son colocadas sobre folios de polietileno y la pila se cubre, de forma hermética, con este mismo material, según se puede apreciar en la figura 214. Se hacen pasar 35 kg de amoniaco/t de paja seca, a través del sistema de distribución y se mantiene sellado el sistema durante 8 s. Transcurrido ese tiempo se destapa la pila y se espera 2 d antes de suministrar el material a los animales, para garantizar la eliminación del exceso de amoniaco . En la tabla 216 se presentan algunos resultados obtenidos con pajas de cereales tratadas con NH3. Se puede observar, que la digestibilidad inicial de los materiales ensayados, es alta,

Fig. 214 Jutema empleado para el tratamiento de la paja de cereales con NH de Europa.

390

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

por lo que el efecto alcanzado con el tratamiento no es extrapolable a materiales más pobres (bagazo, paja de caña) . Por otra parte, este tipo de tratamiento requiere una considerable mano de obra y es, por tanto, poco aplicable a producciones en gran escala, así como por el largo período de tratamiento-almacenamiento . TABLA 216 Digestibilidad en vivo de pajas tratadas y sin tratar determinada en ovejas Número de prueba

Tratamiento

Digestibilidad de la masa seca

Sin tratamiento

47,0

10

NH3 - 3 s

59,5

10

NH, - 8 s

63,5

9

de inversión, la complejidad de operación y el consumo energético de los mismos, es mucho más bajo que el que demanda el molinado del bagazo . Por otra parte, la separación de hagacilio es un paso inevitable en algunas plantas que procesan bagazo para otros fines, por lo cual la instalación y el bagacillo pueden estar dis. ponibles como consecuencia del uso que se da al bagazo y, por tanto, su costo es cero. En la tabla 217 se presenta la composición típica del bagacillo y se puede apreciar que básicamente no difiere de la del bagazo.

En otras variantes de tratamiento con amoniaco, se emplea vapor, conjuntamente con 50-60 1 de agua amoniacal/t de paja seca, la temperatura se mantiene a 50'C, durante 2 - 3 h. Este proceso se denomina termoamonización y tiene por objeto acortar el tiempo de tratamiento y se utiliza, fundamentalmente en la URSS. El tratamiento se realiza en autoclaves y requiere la disponibilidad de vapor, por lo que es más aplicable a grandes escalas de producción . El tratamiento con vapor a presión también ha sido propuesto, trabajando con presiones del orden de 10 - 15 atmósferas por centímetro cuadrado o incluso superiore» Este tipo de tratamiento requiere de equipamiento sofisticado y es, por tanto, poco aplicable a condiciones rurales . El tratamiento más, empleado, sin embargo, es el que utiliza hidróxido de sodio como reactivo . En el siguiente epígrafe se hace referencia, en mayor detalle, sobre este tipó de tratamiento . 3.2 RESIDUOS CELULOSICOS INDUSTRIALES 3.2 .1 Bagacillo El bagacillo representa, morfológicamente, la medula o parénquima del tallo de la caña, industrialmente un material difícil de quemar en la caldera, o un residuo indeseable de algunos procesos y es, nutricionalmente, un producto mejor que el bagazo, por presentar una digestibilidad algo mayor que la de éste y que fluctúa entre 18 - 22 % . Adicionalmente, presenta la ventaja de un tamaño de partícula más apropiado y aunque para recuperarlo, en el ingenio, se necesitan dispositivos de tamizaje que pueden ser rotatorios, vibratorios o estáticos, el costo

TABLA 217 Composición del bagacillo de caña % b.s. Holocelulosa

54,9

Celulosa

43,8

Pentosanas

22,8

Lignina

22,6

Cenizas

5,3

Su digestibilidad, algo mayor, se debe a que la celulosa que contiene se encuentra en forma más amorfa y, por ende, más accesible que la del bagazo ál ataque enzimático y a la ausencia de cera que es característica de la superficie del tallo de caña. Sin embargo, este valor de digestibilidad es aún demasiado bajo para poder ser utilizado como una fuente de energía metabolizable, en la alimentación del ganado, y sólo permite su uso como fuente de fibra o de relleno, en combinación con alimentos concentrados en dietas de sostenimiento . El aumento de la digestibilidad del bagacillo es posible mediante su tratamiento por diferentes vías, lo que permite utilizarlo como fuente energética fundamental en la dieta de rumiantes . En Cuba, el bagacillo se utiliza en las 2 variantes mencionadas, es decir, como fibra o relleno y tratado, para aumentar su digestibilidad, como fuente energética fundamental, que serán las variantes que describiremos a continuación. 3.2.2 Bagacillo miel-urea Este producto está constituido por una mezcla de bagacillo miel y urea, a la cual se añade, en algunos casos, sal común, en las proporciones que se muestran en la tabla 218 . El uso de este producto, en Cuba, se concreta al período de seca, que coincide con el de zafra, con el pro-

39 1

CAÑA DE AZUCAR Y ALIMENTACION ANIMAL

pósito de suplir el déficit de material verde durante este período, lo que evita la pérdida de peso y la depauperación del animal, al combinarlo con ensilaje y el escaso pasto disponible en la referida época o algún heno . Su deshidratación, para buscar un mayor período de utilización, no se justifica económicamente . TABLA 218 Composición de la mezcla miel-urea-bagacillo % b.h.

44 b .s.

Bagacillo

60,0

50,53

Miel

35,2

47,43

Urea

1,2

2,04

Agua (añadida)

3,6

-

Humedad

40,6

Como es fácil comprender, el valor nutricional de este producto, se puede aumentar o disminuir en función de la cantidad de miel final que se añada dentro de límites prácticos, para evitar el apelmazamiento del producto por exceso de miel que dificultaría su manipulación o el no consumo del animal, si la adición de miel es demasiado baja. La urea se añade con el fin de promover la síntesis de proteína a nivel ruminal, y su nivel de incorporación tiene límites que vienen dados por las proporciones de miel y bagacillo que se utilicen y por factores de salud animal . En la medida que el producto contenga más miel, el aporte de fuentes de carbono digestible es mayor y la demanda de nitrógeno para la síntesis protéica aumenta, por lo cual es posible incorporar más urea . La urea se adiciona diluida en la miel para lograr una buena distribución en el producto y obtener un consumo uniforme en el animal. La urea se disuelve en agua a 25 % en peso y se mezcla con la cantidad correspondiente de miel para obtener una solución de miel urea a 3 de urea y, aproximadamente, 80 °Brix. El componente de costo más importante de este producto es la miel final que representa, aproximadamente, 85 % del costo total de producción, considerando precios de exportación de la miel de U.S. $80/t . Los aspectos relacionados con el comportamiento productivo de los animales que consumen este producto, se discuten más adelante . La tecnología de este tipo de producto es muy simple, ya que la instalación consta, básicamente, de un mezclador-transportador de pale-

tos, por donde se hace pasar el bagacillo, al tiempo que se le añade la miel y la urea, previamente mezcladas en un tanque. 3.2.3 Bagacillo predigerido Este nombre se ha dado al bagacillo que es tratado químicamente con NaOH para aumentar su digestibilidad . El tratamiento con NaOH es el más antiguo y utilizado . Su empleo se remonta a principios de siglo y ha sufrido diferentes modificaciones, buscando mejorar su aplicabilidad práctica y adaptarlo a materiales específicos . En la década de los años sesenta se produjeron, sólo en Noruega, 90000 t de pajas de cereales tratadas con NaOH y, en 1976, una sola compania inglesa, produjo más de 40000 t del mismo material . En los residuos fibrosos de la caña como bagazo, bagacillo y paja se han establecido las condiciones óptimas de tratamiento con NaOH, según se muestra en la figura 215 . Los niveles de digestibilidad alcanzados con estos tratamientos se comparan de manera favorable, con las gramíneas utilizadas convenientemente en países tropicales como pasto o forraje . La figura 216 muestra el comportamiento comparativo de ambos materiales, respecto a su conversión en productos metabólicos utilizables (ácidos grasos volátiles) . La aplicación industrial de este tipo de tecnología, en el caso de los residuos fibrosos de la caña, depende de la solución de algunos aspectos tecnológicos que condicionan su viabilidad práctica . En primer lugar, surge la alternativa de diseñar un proceso para trabajar en forma continua o discontinua . El proceso discontinuo es de mayor simplicidad en la operación práctica, y no requiere casi ningún control, pero no se adapta bien a capacidades grandes, ya que el tamaño o el número de equipos se hacen poco adecuados . El proceso continuo se adapta bien a grandes capacidades con equipos relativamente pequeños, pero requiere soluciones de control del proceso más sofisticados. En general, el proceso continuo se hace necesario para capacidades superiores a las 20 t/d. Otro aspecto que ha sido señalado, es que la deshidratación resulta económicamente poco viable para este tipo de producto, lo cual determina que hay que trabajar con una materia prima húmeda . La humedad normal del bagazo y del bagacillo, a la salida del último molino del ingenio, es, aproximadamente, de 50 vio y la de los residuos agrícolas, en dependencia de su composición en paja seca y material verde, fluctúa entre 25 y 75 % . Este contenido de humedad, relativamente alto, obliga a añadir la sosa cáustica en el menor volumen posible, o sea, buscar un hidromódulo bajo, para evitar aumentar en demasía la humedad del material, lo cual atenta

Fig. 215 Relación entre el nivel de NaOH utilizado y la digestibilidad de los resi. duos fibrosos de la caña de azúcar ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES TOTALES mEAV, YS

% RAGACR.LO Y sASAM Y S 6RAYNEAS

a

a

a

2-

Nao" (%) Aé

áo DÍAS DE COIM

Fig. 216 Producción in vitro de dcidos grasos volátiles totales de bagazo y baga. cillo de caña tratados y de gramineas tropicales cortadas en la sequía

393

CAÑA DE AZÚCAR Y ALIMENTACION ANIMAL contra la conservación del mismo, aunque, al mismo tiempo, se debe mantener la homogeneidad de la mezcla, que resulta fundamental para lograr el incremento de digestibilidad deseado . Es posible realizar la impregnación con el NaOH, con un hidromódulo de 0,25 :1 (litros de NaOH por kilogramo de bagacillo) . Otro aspecto de vital importancia en este proceso, consiste en la dosificación de NaOH que se vaya a añadir, ya que como se puede apreciar en la figura 216, un error por defecto en la sosa añadida, provoca una pobre respuesta en digestibilidad, mientras que un exceso de sosa es riesgoso desde el punto de vista de salud animal. Tanto en el caso de los subproductos industriales (bagazo y bagacillo), como en el de los agrícolas, el suministro o entrega de materia prima no es constante, ya que depende de múltiples factores, por lo cual se hace necesario amortiguar estas fluctuaciones y contar con un flujo lo más uniforme posible, que permita dosificar el NaOH correspondiente . La figura 217 presenta, esquemáticamente, el proceso tecnologico de una instalación en la cual el flujo de bagacillo es uniformado mediante una tolva con un tornillo sin fin en el fondo y el suministro de sosa, se realiza mediante un tanque de nivel constante, al cual se acopla una válvula de precisión para lograr un volumen de descarga siempre igual . El diagrama expuesto en la figura 217 incluye, también, la adición de la mezcla de miel-urea . En este caso, a diferencia del pienso preparado

C,SS t 6 .9 ./f

con bagacillo sin tratar, la cantidad de miel añadida es muy pequeña y es utilizada como vehículo de incorporación de la urea, buscando mejor aceptación del alimento y no constituye el principal aporte energético en el pienso . La comparación por ingrediente de esta mezcla se refleja en la tabla 219 . TABLA 219 Composición de la mezcla bagacillo predigerido-miel-urea b.h.

% b.s.

Bagacillo

65,50

71,60

Miel-

11,30

19,78

Urea

2,82

4,33

NaOH

1,96

4,29

Agua (añadida)

18,42

-

Humedad

53,85

-

Se puede apreciar, así mismo, que entre el mezclador de bagacillo con sosa y el mezclador donde se adiciona la solución de miel urea, hay intercalado un tornillo sin fin de muy baja velocidad . Este tornillo tiene como objeto garantizar el tiémpo de reacción necesario de la sosa

SIYSOLO"IA O-NOTOR ELECTRICO -REDUCTOR b-RONSA

ESTACION OE RREIAMGR)N DE NRON

Fig . 217 Diagrama de flujo de una planta de bagacillo predigerido.

394

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

con la lignina, el cual ha sido establecido en 10 min. La adición de la miel antes de ese tiempo, interfiere en la mencionada reacción. El balance de materiales de una planta típica en Cuba de 50 t/d de producción, se presenta en la figura 218. En plantas de mayor capacidad, donde un error pequeño de dosificación puede significar cantidades apreciables de sosa, el sistema de dosificación empleado incluye una banda pesadora del bagacillo, que regula la adición de sosa mediante una válvula neumática . Actualmente, se investigan las vías de aumentar la conservación del producto, así como incrementar la densidad de bulto, aspectos que limitan, en cierta medida, la generalización de este tipo de producción. La adición de ácido fórmico a niveles entre 0,5 y 1 0,ú, permite aumentar la conservación por encima de 60 d. Por otra parte, la sustitución parcial de la urea por sulfato de amonio, elimina

la pérdida de nitrógeno por formación de amoniaco, al tiempo que garantiza el aporte del azufre necesario para el animal . Con respecto a la dosificación del producto, la vía más factible parece ser la formación de pacas ya que el "pelletizado" de materiales húmedos no da buenos resultados . En Cuba, este tipo de alimento se utiliza, fundamentalmente, en la producción de leche y en épocas de seca. En la tabla 220 se recogen algunos resultados donde se comparan 3 sistemas de alimentación en seca, 2 tomando como base el bagacillo y el otro con ensilaje de gramínea (bermuda-cruzada) . Se puede observar que en condiciones comerciales, sin refinamientos de tipo investigativo, el comportamiento productivo de los animales señala que el hagacillo tratado químicamente produce, al menos, tanta leche como el bagacillo sin tratar, con un aporte de miel mucho menor.

simbologia

SAOACILLO 33/16 95/50

t /24,n /Ih.e/246 /%humedad

TOLVA DOSIFICADORA 0,99 t bAld

33/16,5/50

MEZCLADOR-IMPREONADOR

6,25 r/d

7 9 26 1/d

TANOUE DE NaOH

H20

41925/17,49/57 9 6 SINFIN

DE. RETENCION

t=5 ola .

41 9 25 /17f 49/57 j 6 MEZCLADOR DE MIEL - UREA

PRODUCTO

(4,661

solidos/d )

ESTACION DS MIEL-UREA - 11117-

6,7 t/d

PREPARACION DE SOI,üCION DE-UR

2,0 !/d

FINAL

50937123y47153 .41

Fig . 218

9,12 t/d

PIEL 80

H=o

I, 42 I/d

Balance de materiales de una planta de bagacillo predigerido de 50 t/d.

395

CAÑA DE AZüCAR Y ALIMENTACION ANIMAL TABLA 220 Producción de leche de 533 vacas lecheras en distintos sistema:. de alimentación para" el período de seca Miel-urea-bagacillo

Bagacitlo-predigerido

Ensilaje

Rendimiento total en ordeño (kg/d)

4,87

6,74

6,28

Rendimiento grupo alta (kg/d)

8,42

9,95

8,91

Rendimiento total en ordeño (kg/d)

4,45

5,08

4,67

Rendimiento grupo alta (kg/d)

7,42

7,38

7,79

Rendimiento total en ordeño (kg/d)

8,51

7,91

8,44

Rendimiento grupo alta (kg/d)

11,22

12,79

13,72

Rendimiento total en ordeño (kg/d)

5,84

7,63

6,25

Rendimiento grupo alta (kg/d)

8,91

10,21

8,81

Vaquería I

Vaquería 2

Vaquería 3

Vaquería 4

La ventaja económica de este tipo de producto, está dada, fundamentalmente, por la menor utilización de miel final, producto éste cuyo precio y demanda en el mercado mundial ha ido en aumento en los últimos años. El costo de inversión de una planta de bagacillo predigerido de 50 t/d ha sido calculado, para condiciones cubanas, en 58000 pesos, en 1975. 3 .3 DESARROLLOS MAS RECIENTES Aunque ya se ha señalado que el tratamiento químico con NH3 y sobre todo con NaOH son los más comúnmente empleados, en los últimos años se han propuesto variantes de tratamientos con radiaciones de diversas índoles. Ya en la década de los años cincuenta se propuso el tratamiento con rayos catódicos de alta energía, aunque las altas dosis de radiación requerida (10 8 rad) hacían el tratamiento poco viable a escala comercial . En la actualidad, la posibilidad de utilizar algunos desechos de plantas nucleares como el cesio 137 o la alternativa de disminuir la dosis de radiación, considerando

tratamientos combinados con NaOH, han provocado la realización de estudios que arrojan resultados interesantes . En la tabla 221 se muestran los resultados de tratar bagazo de caña con rayos gamma producidos con cobalto 60, mientras que la tabla 222 muestra los resultados obtenidos con cesio 137. En la tabla 223 se muestra el efecto sobre la digestibilidad del bagazo con este tratamiento . Las ventajas de este tipo de tratamiento consisten en una demanda más baja de agua, pocos controles del proceso, eliminación de procedimientos costosos de recuperación de productos y ser un proceso compacto . Sus desventajas consisten en el elevado costo de la instalación y en ser poco adaptable a condiciones rurales . Una variante interesante ha sido estudiada en Cuba y consiste en el tratamiento con microondas . El equipo requerido, en este caso, es mucho menos costoso y aplicable a cualquier condición sociogeográfica. La influencia de los distintos parámetros de operación y del material se presentan en las figuras de la 219 a la 221.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZUCAR

396

TABLA 221 Efecto del tratamiento de bagazo de caña por irradiación con cobalto 60 en combinación con NaOH NaOH (M)

Dosis (rad)

Solubilidad en H,0 (°ia m .s.)

0

0

7,2

0,4

0

10"

31,2

3,6

17

10'

79,1

46,0

3 x 108

67,0

36,0

4 y lavado TABLA 222

Efecto del tratamiento de bagazo de caña por irradiación con cesio 137 Dosis (Mrad)

Solubilidad en H,0 (% ms.)

Azúcares (40 m..".) Reductores Totales

24,5

61,0

22,5

2,0

54,2

91,0

30,0

3,8

84,7

100,0

35,0

5,0

TABLA 223 Efecto de la dosis de Irradiación sobre la digestibilidad de la materia orgánica del bagazo de caña Nivel de irradiación (Mrad)

Digestibilidad in vitro de la materia orgánica (°B)

0

32,8

10

37,7

100

38,2

200

58,6

200

57,2

Se destaca el hecho de que se logran niveles de solubilización del material, similares a los que se han reportado con irradiaciones gamma a un nivel de IOs rad, a pesar de ser un tratamiento menos enérgico . Por otra parte, en el tratamiento combinado con NaOH el efecto predominante es la concentración de reactivo .

Azúcares totales (% m .s.)

4 Caña de azúcar El uso de la caña integral en alimentación de bovinos ha alcanzado un desarrollo investigativo importante en los últimos 10 a, en países como México, República Dominicana, Barbados y Cuba, por sus posibilidades como cultivo de altos rendimientos, en condiciones tropicales, donde la producción de cereales es baja y debe ser dedicada al consumo humano directo, y los pastos y forrajes están dados por gramíneas de bajo valor nutritivo, sobre todo en temporada de seca. El potencial de la caña de azúcar como forraje ha sido señalado por Presten como equivalente a un índice de agostadero de 20 animales/ha/a . Los principales aspectos que han sido objeto de estudio y discusión en la utilización de caña como alimento de rumiantes han sido los siguientes : 1 . Tipo de procesamiento. En este sentido, los aspectos más discutidos han sido el tamaño de partículas óptimo y la influencia de la corteza en los parámetros productivos de los animales sometidos a dietas de caña de azúcar . Estas cuestiones resultan decisivas, también, desde el punto de vista del costo del alimento, a causa de los diferentes requerimientos de mano de obra, energía e inversiones que se relacionan con las mismas . Trabajos realizados en República Dominicana señalan que no se obtiene ventaja manifiesta del picado fino de la caña ni de la eliminación de la corteza . 2. La eliminación de la corteza surge como alternativa interesante, cuando ésta es la materia principal para la producción de tableros aglomerados y es una tecnología desarrollada en Canadá y que ha alcanzado difusión en Barbados. Otra variante que ha sido llevada a la práctica industrial, es

SOLUBILIDAD (%)

I

30

10

H = 5011 0,189 < 0,85 min

Fig. 219 Influencia del tiempo de tratamiento con microondas sobre la solubilidad en agua del bagazo . SOLUBILIDAD 30

25

20

15

I0

5

N- 10 , 1 < 0,85mm 7=5 min

Fig. 220 Influencia de la dosis de M. O., sobre la solubilidad del bagazo en el agua.

398

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

H=25i1 <0,55 mm 0,1 g

Fig. 221 Solubilidad en agua del bagazo tratado con M.O. y NaOH a diferentes concentraciones.

la de producir pellets de harina de caña integral deshidratada y suplementada con los nutrientes requeridos . Se ha reportado la .operac?ón de 2 plantas de este tipo con una capacidad de 8 - 10 tlh de pellets. En las actuales circunstancias de precio de los combustibles, esta variante no resulta adecuada para muchos países .

vías de incorporar la urea a la dieta, bien añadiéndola directamente a la caña o disolviéndola previamente en miel final. En general, se recomienda una suplementación, tanto para caña entera como descortezada que cubra los siguientes aspectos:

3 . Estado de madurez más adecuado . Se ha reportado que contrariamente a lo que sucede con los pastos y forrajes convencio nales, la mayor madurez de la caña contribuye a mejorar su calidad nutritiva a causa del mayor contenido de sacarosa que se alcanza .

b) 50 g de proteína insoluble en rumen/100 kg de Deso vivo.

4. Adición de nitrógeno no proteico. A causa del bajo contenido de proteína y, en general, de nitrógeno que presenta la caña, se hace necesaria la suplementac'--ón con urea, habiéndose señalado una concentración óptima de 35 g de urea/kg, de materia seca de la dieta, también se han estudiado las

a) 10 g de urea/kg de caña fresca .

c) 100 g de almidón insoluble en rumen/100 kg de peso vivo. d) Minerales y vitaminas de acuerdo con la categoría animal . e) Conservación del material cosechado . El alto contenido de azúcares y humedad de la muestra, provoca una fermenta ción espontánea que es más intensa en caña picada finamer.te y con adición de urea, que en caña picada de forma

399

CAÑA DE AZOCAR Y ALIMENTACION ANIMAL

gruesa y sin urea ; los productos fundamentales de la fermentación son el alcohol y el ácido acético . Desde el punto de vista del comportamiento productivo animal, es equivalente a un forraje de aceptable calidad ; habida cuenta de su pobre contenido de proteína, que hace necesaria una suplementación con concentrados o con cereales y el aporte de urea, minerales y vitaminas . En trabajos experimentales se han reportado ganancias de peso de sólo 52 g/d en animales que consumen 11 kg/d de caña fresca y suplemento de urea y minerales . Esta ganancia aumentó hasta 305 g/d, cuando se suplementó la dieta con 225 g de harina de pescado, hasta 414 g/d cuando se suplementó con ambos alimentos . Una tendencia similar se ha obtenido en la producción de leche y en la cría de terneros. En sentido general, la utilización de caña de azúcar integral, para alimentación animal, plantea la necesidad de suplementos, dentro de los cuales la proteína es el principal y más costoso . La fermentación de parte de los carbohidratos solubles de la caña para obtener proteína microbiana, es una alternativa para aquellos países que no cuentan con fuentes proteínas nacionales, aunque es necesario definir un esquema integral de utilización de la caña de acuerdo con circunstancias locales . Por otra parte, la utilización de los carbohidratos solubles en forma de mieles, para alimentación de monogástricos como el cerdo y de los residuos fibrosos para alimentación de rumiantes, logra una mayor eficiencia en la conversión de la caña en carne, pues se aprovecha la especialización de cada especie en la asimilación de determinados principios alimenticios . Sin embargo, esta opción aumenta la demanda de proteína verdadera ya que los monogástricos no pueden aprovechar la urea para la biosíntesis de proteína. Como se ve, las alternativas de uso de la caña como planta forrajera son variadas .y están sujetas a diferentes enfoques, dentro de los cuales el factor económico local es el que determina la ventaja de una u otra variante.

5 Proteína Siendo la caña una planta de bajo contenido de proteína, básicamente, la única alternativa que existe de obtener proteína a través de la caña, son los procesos fermentativos de producción de proteína microbiana que utilizan carbohidratos como materia prima principal . Dentro de los carbohidratos de la caña se distinguen 2 grandes grupos que presentan características bien diferentes y, por ende, demandan procesos

fermentativos y productos finales también diferentes . Los carbohidratos solubles que se obtienen en forma de soluciones azucaradas o de mieles son de mucho más fácil conversión en proteína que los carbohidratos insolubles o estructurales como el bagazo y la paja. En los siguientes epígrafes se hace referencia a estas 2 agrupaciones en mayor detalle . 5.1 PROTEINAS A PARTIR DE CARBOHIDRATOS SOLUBLES De todos los procesos conocidos de producción de biomasa rica en proteínas, a partir de carbohidratos solubles, la más difundida es la producción de levaduras del género Candida; donde se utilizan diversos sustratos como miel final, mieles intermedias, guarapo, etc ., según se detalla en otros capítulos de este libro. Desde el punto de vista nutricional, la levadura se compara, favorablemente, con otros microorganismos y con alimentos convencionales, según se detalla en las tablas 224 y 225. Se destaca su alto contenido de vitaminas del complejo B y en lisina que es un aminoácido esencial y en déficit en los cereales. Presenta, sin embargo, déficit de metionina lo cual es común a las proteínas vegetales . Otros factores que limitan el valor nutricional de la levadura, es la relativamente baja digestibilidad de su pared celular, según se aprecia en la tabla 226 y el alto contenido de ácidos nucleicos que determinan algunos trastornos fisiológicos . Para eliminar el primer inconveniente se han sugerido diversos tipos de tratamientos que pueden ser agrupados en enzimáticos, químicos y mecánicos . Los tratamientos enzimáticos se basan en la utilización de las enzimas de la propia levadura o en la adición de preparados comerciales . En ambos casos, se busca la hidrólisis de los componentes de la pared celular aunque, generalmente, es inevitable un determinado nivel de pérdidas del material intracelular que es también degradado. Los tratamientos mecánicos abarcan la utilización de equipos como : prensas de pistón, molinos de cuentas, homogeitéizadores y vibradores ultrasónicos . Estos tratamientos, aunque tienen la ventaja de no dañar lós componentes más sensibles del citoplasma, presentan la desventaja de requerir equipos especiales que, en buena medida, no se aplican a la producción en gran escala . Los tratamientos químicos consisten en la adición de álcalis como el NaOH o el Ca(OH) 2 y, en menor medida, de ácidos. La figura 222 y la tabla 227 presentan algunos resultados obtenidos en este sentido y se aprecia,. cómo el tratamiento

TABLA 224 Composición de la levadura torula comparada con fuentes convencionales Material

Trigo

Centeno

Cebada

Avena

Maíz

Sorgo

4,0

Mifo

H, alfalfa L. torula

Vitaminas Complejo B (mg/100 g m.s.) Aneurina

3,5-5

2,6-4,4

3,1 -3,7

4,3 -6,4

2,1-3,7

A. nicotínico

42-43

9 .16

53 -65

8-18

14-21

Riboflavina

1,1-1,3

1,3-1,5

1,2 -1,4

1,0 -1,3

0,6

Piridoxina

4,6

2,3

3,6 -4,3

1,2

4,8

-

2,3

7-8

40-80

8

11

9,4

22-27

23-55 33-51

A. pantoténico10,9

9-10

10

11,2

29 0,9

1,1 28 0,8

0,2 12-16 43

15-24 500 37-63

A. fólico

0,44

-

0,59

0,22

0,31

-

0,14

4,6

Biotina

0,09

0,05

0,07-0,13

0,18-0,29

0,065

-

0,01

0,155

Valina

4,3-45

4,7

4,7

5,2 -6,4

5,1-5,3

-

-

-

Leucina

6,3-7,0

6,1

6,6

7,2 -8,0

4,5-15

-

-

-

6,8

Isoleucina

4,0

4,0

4,0

4,6 -4,9

4,0-6,4

-

-

-

5,1

Cistina + me. tionina 3,9-4,2

3.2

3,4

3,5 -3,8

3,9 .4,6

-

-

-

3,9

Tirosina + + fenilalanina

8,8-9,1

8,1

8,4

9,6 -10

9,5-11

-

-

-

6,3

Tript6fano

1,1-1,2

1,1

1,0

1,3

0,6-0,8

-

-

-

1,2

Lisina

2,7

3,3

3,0

3,3 -3,6

2,3-2,8

-

-

-

8,0

Histidina

2,1

2,0

2,0

2,1 -2,3

2,3-2,5

-

-

-

2,3

Arginina

4,3-4,4

4,6

4,8

6,0

4,8

-

-

-

4,0

2-3

Aminoácidos (86 m.SJ

TABLA 225 Composición promedio de microorganismos (No de materia seca) Hongos filamentosos

Algas

Levaduras

Bacterias

N

5-8

75-10

7,5-85

11,5-12,5

Grasa

2-8

7-20

2-6

1,5-33,0

Ceniza

9-14

8-10

5-85

3,0-7,0

Ácidos nucleicos

-

3-8

6-12

8,0-16

Componente

5,4

CANA DE AZúCAR

Y ALIMENTACION ANIMAL TABLA 226

Digestibilidad verdadera de células y constituyentes celulares de microorganismos

Digestibilidad (^io)

Tipo de microorganismo Células enteras Megatherium Levadura torula

Constituyentes intracelulares

76

94

65

95

40 1 con NaOH al tiempo que aumenta la digestibilidad, disminuye el contenido de ácidos nuclei cos de la levadura . un general , el tratamiento de la levadura no se utiliza en escala comercial en la alimentación del ganado, ya que en la práctica la proteína de la dieta no se aporta solamente por la vía de la levadura, buscando que los diferentes alimentos compensen sus respectivas deficiencias nutricionales. es . La levadura se utiliza como fuente proteica en todas las especies animales. En las tablas 228 y 229 se presentan algunos resultados obtenidos en gallinas y toros en ceba . El comportamiento en cerdo ya ha sido señalado con anterioridad .

NITROGENO LIBERADO

Fig. 222 Influencia del tiempo de tratamiento de levadura a diferentes temperaturas para una concentración de 6 95 de Ca(DH),

402

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 227 Evaluación de muestras de levadura tratadas químicamente Temperatura ('C)

Tratamiento

HCl (6 % m.s.)

NaOH (6 % m.s.)

Digestibilidad

in vitro (%)

Incremento porcentual de digestibilidad

60

36,7

0,3

9,20

75

40,0

9,4

6,71

90

40,0

9,4

2,22

60

49,3

34,9

1,96

75

49,1

34,3

1,90

90

47,6

30,2

1,33

36,5

0

11,00

Testigo TABLA 228 Efectos de la fuente proteica sobre el comportamiento de gallinas ponedoras durante 280 d

TABLA 229 Comportamiento productivo de toros en ceba suplementados con levadura torula o harina de pescado

Levadura Levadura torula Saccharomy. Soya

ces

Harina de pescado

22

139

24

Días de prueba

173

192

151

180

Suplemento proteico (kg)

170

153

0,67

0,68

Ganancia diaria

0,72

0,82

134

128

Total de huevos

172

Huevos vendibles

168

Huevos rotos (%)

2,4

1,9

3,0

Peso total de los huevos (kg)

9,3

9,4

8,4

Consumo de m.s. (gld) (total de la dieta)

98,2

101,4

95,7

Conversión (consumolpeso de los huevos)

2,98

3,07

1,89

Levadura torula

Número de toros

Número de aves

Peso final de los animales (kg)

Contenido de ácidos nucleicos (%)

1,97

3,26 1,87

Los valores reportados en la tabla 232 para gallinas, se obtuvieron en experimentos en que las proteínas que se reportan constituyeron 30 y 60 % del total de las proteínas suministradas al animal, el resto era proteína de origen animal . En aras de la simplicidad, no se incluyen todos los resultados de estos experimentos donde, además se varió el nivel de proteína total de dieta y las fuentes de cereal y sólo se reporta

el efecto estadístico atribuible a la fuente proteica . Existen diferencias significativas a favor de un mayor empleo de proteína de origen animal, aunque las limitaciones de índole económica no permiten alimentar ninguna especie a base de proteína animal. Los resultados expuestos en la tabla 229 y en la figura 223 se refieren al uso de la levadura forrajera (torula) en la ceba de toros. En la figura se puede apreciar cómo se logran ganancias de 0,8 kg/d con un suministro de levadura del orden de los 600 g/d en animales donde el grueso de la ración fue miel final-urea. En la tabla 229 se presenta una comparación entre la levadura y las harinas de pescado, en ceba de toros alimentados básicamente con forraje y miel final-urea- Los mejores resultados alcanzados con la harina de pescado se deben, entre otros factores, a su mayor contenido de proteína, respecto a la torula, lo que significa, que si ambos productos se suplementan al mismo

CARA DE AZüCAR Y ALIMENTACION ANIMAL

NNANCIA DIARIA (kg)

403

CONVERSION MCal ENERGIA METABOLIZABLE /kq GANANCIA

DE

Fig. 223 Influencia de la suplementación con levadura torda, sobre los pardmetras productivos de toros en ceba.

nivel, se incorporan más proteínas por la vía del pescado que por la levadura, independientemente de la calidad biológica de dicha proteína . 5.2 PROTEINAS A PARTIR DEL CARBOHIDRATO INSOLUBLE La producción de proteínas microbianas a partir de carbohidratos estructurales (celulosa y hemicelulosa), ha sido enfocada, básicamente, desde 2 púrltos de vista . El primero de ellos consiste en la hidrólisis total o parcial de estos carbohidratos, mediante un tratamiento ácido para obtener carbohidratos simples (glucosa, xilosa), en forma de una solución azucarada que es fermentada de forma convencional o en forma de un producto semisólido, que es una mezcla de carbohidratos simples y de carbohidratos insolubles que no fueron hidrolizados, y que también es sometido a fermentación. Es obvio que el grado de hidrólisis alcanzado depende de factores tales como concentración y tipo de ácido, tiempo y temperatura . La hidrólisis total tuvo su máximo desarrollo durante la Segunda Guerra Mundial y aún se lleva a cabo en la URSS y Bulgaria, a partir de residuos de madera. En general, es un proceso costoso que sólo se justifica en condiciones económicas específicas . El tratamiento ácido parcial con síntesis proteica acoplada, se realiza en países europeos a nivel agrícola, como método de preservación de pajas de cereales en condiciones anaeróbicas también han sido reportados trabajos en tuza de maíz y kenaf, paja de arroz y bagazo de caña . El segundo punto de vista consiste en el crecimiento de los microorganismos a expensas de la celulosa directamente. En este tipo de variante

se requiere un pretratamiento con NaOH que disuelva o destruya, parcialmente, la lignina haciendo accesible la celulosa y la hemicelulosa al ataque enzimático de los microorganismos. El cultivo del microorganismo se puede realizar en cultivo sumergido o en fase sólida . El cultivo sumergido de materiales celulósicos tratados con NaOH ha sido objeto de numerosos trabajos de investigación . La figura 224 muestra el comportamiento ae la fermentación sumergida discontinua de bagazo tratado con NaOH, a 3 diferentes concentraciones de bagazo al inicio de la fermentación . En la tabla 230 se reportan algunos resultados de la fermentación continua de paja de cebada, que es un material muy similar a los residuos fibrosos de la caña . Obsérvese que los rendimientos alcanzados son más bajos que los obtenidos en carbohidratos solubles, a causa de que la lignina no es utilizable por los microorganismos . Aparte de los bajos rendimientos, los problemas más importantes de la producción de proteína, a partir de celulosa, son de índole tecnológica . La dosificación de un sustrato sólido presenta múltiples dificultades y los reactores de fermentación convencionáleg no se adaptan a este tipo de material . También la recuperación de la biomasa y su separación del residuo no fermentado plantea inconvenientes de consideración . Por estas razones, ha aumentado, en los últimos años, la atención sobre la fermentación en fase sólida o semisólida, buscando mayor simpleza en el equipamiento y la obtención de un producto que pueda ser utilizado directamente por los rumiantes, sin necesidad de complicados esquemas de recuperación. La tendencia, en

TIEMPO (h)

Fig. 224 Valores de concentración celular en función del tiempo de fermentación y de la concentración inicial de sustrato (SO), en la fermentación sumergida discontinua del bagazo . TABLA 230 Resultados de la fermentación sumergida continua (con un cultivo mixto de celulomonas-Candida utilis) de paja de cebada tratada con diferentes niveles de NaOH Nivel de NaOH (g de NaOH/100 g de paja)

3,2

5,7

8,5

Hora de fermentación

17-21

41-46

65-69

19-24

43-49

16-21

40-45

64-69

Conc. de sustratos (% p/P)

2,51

2,48

2,50

2,17

1,77

1,49

1,62

1,61

Velocidad de dilución (h - ')

0,13

0,14

0,13

0,14

0,13

0,12

0,14

0,14

Concentración celular (% P/p)

0,25

0,42

0,47

0,43

1,06

0,51

0,72

0,63

Proteína en la célala ("io)

66,2

65,2

65,7

Productividad (gl1/h)

0,33

0,59

0,61

Rendimiento (g/1/h/g de fibra orgánica)

10

18

18

63,6 0,60

19

57,7 1,39

39

62,8 0,68

27

60,5 1,01

37

62,6 0,88

33

CAÑA DE AZÚCAR Y ALIMENTACION ANIMAL este sentido, es la de desarrollar procesos que puedan ser llevados a cabo a nivel agrícola en granjas de cualquier tamaño, basándose, en lo posible, en las técnicas empleadas para obtener algunos productos tradicionales en Asia (koji, miso, etc .), en métodos de conservación de forrajes como el ensilaje y/o de tratamiento de residuales. La tabla 231 presenta algunos resultados de la fermentación de paja de centeno tratada con HZSO4 e inoculada con levadura (Candida utilis). TABLA 231 Composición química y digestibilidad de paja fermentada en fase sólida y no fermentada" Tanto por Paja ciento de fermenm.s. en tada en Paja fermen. paja sin labora- tada en plan. tratar torio ta piloto

Pardmetro Celulosa

41,2

41,8

36,4

Lignina

7,7

10,4

8,0

Ceniza

2,0

2,6

Materia soluble

1,8

24,6

45,1

52,6

Nitrógeno total

0,43

Nitrógeno amoniacal Digestibilidad (in vitro) u

0,02 43,7

2,98

1,91

1,25

0,95

53,7

65,2

3 d de fermentad6n.

405 rencias que se deben a la composición de la miel final utilizada y a la tecnología empleada en la destilería. TABLA 232 Composición típica de mostos de destilería concentrados Mosto de miel de caña (46)

Mosto de miel de

remolacha (eme)

Materia seca

60-65

65-70

Cenizas

16-20

20-25

Proteína bruta

4-8

15-25

Carbohidratos

35-42

10-15

Azúcares Potasio

5

2

4 .5,

8

Por su carácter altamente diluido se hace necesario concentrar el mosto para facilitar su manipulación y almacenamiento ; generalmente, esta concentración se realiza hasta elevar el contenido de materia seca a 60 6rB y es una práctica general de las destilerías europeas . En 1977, sólo 6 países del Mercado Común Eúropeo produjeron 600 000 1 de mosto (60 °Bx), mientras que su precio de comercialización en lesos momentos fluctuaba entre 40 y 60 US $/t, presentando picos coyunturales de hasta 100 US $/t . El consumo de energía y materiales para producir 1 t de mosto concentrado, cuando se utiliza un sistema de evaporación de múltiple efecto, se presenta en la tabla 233 .

6 Mosto de destilería

TABLA 233

Se entiende por mosto de destilería el residuo que se obtiene al destilar la miel final que ha sido sometida a una fermentación alcohólica, aunque en muchos países templados se utilizan cereales para la producción de alcohol, denominándose también mosto o vinaza a la fracción agotada que emerge de:la columna de destilación . Existen diferencias notables entre ambos tipos de mostos, aun entre los mostos provenientes de miel final de caña y aquellos de remolacha . En general, los mostos de mieles finales de caña, presentan un menor contenido de nitrógeno y un mayor contenido de minerales, que los de cereales o remolacha, por lo cual su utilización en alimentación animal es más limitada a escala mundial . La tabla 232 presenta la composición promedio del mosto de destilería de miel final de caña, aunque es lógico suponer que hay dife-

Consumos típicos de la evaporación de mostos Vapor

180 kg de vapor/t de agua evaporada

Electricidad

3,5 kW .hft de agua evaporada)

Agua de enfriamiento (30 "C - 40 *C)

15 ma/t de agua evaporada

Agentes químicos (NaOH + HNOs)

5 kg-50 kgft de mosto centrado (en dependencia de la composición del mismo)

La concentración de mostos provoca incrustaciones en los evaporadores que son más fuertes, cuando se trata de mosto de miel final de caña de azúcar. En este sentido, algunos autores han sugerido la utilización de evaporadores sttmer-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

406

gidos que tienen la característica de poseer muy poca área de contacto y pocas pérdidas de calor, aunque su consumo de combustible es más alto que los evaporadores de múltiple efecto . En general, el uso del mosto concentrado en alimentación animal, en los países desarrollados, se limita al de un suplemento que alcanza un nivel de inclusión en la dieta de 10 °.b para bovinos, 4 % para cerdos y de 2 a 3 % para aves . Sin embargo, otros autores reportan la posibilidad de usar hasta 20 46 en bovinos y entre 10 y 30 % de vacuno alimentado a base de heno e incluso la sustitución del concentrado dado a vacas lecheras en pastoreo, sin afectación de la producción de leche ni de su contenido graso. Por otro lado, se ha reportado un mejoramiento de la actividad celulolítica en caballos que recibieron un suplemento de 10 °iD de mosto concentrado. También en el caso de rumiantes ha sido reportada esta ventaja. Si se pretende una mayor incorporación del mosto concentrado en la dieta animal, es necesario, probablemente, disminuir su contenido mineral, sobre todo tratándose de mostos procedentes de miel final de caña . Este tipo de tratamiento tendría que justificarse, económicamente, en la ganadería, ya que no resulta simple su separación, si se tiene en cuenta que la fracción mineral del mosto está dada, en gran medida, por el potasio que no es precipitable por métodos convencionales de clarificación . Sin embargo, el desarrollo explosivo de la producción de etanol por vía fermentativa a partir de la caña, provocado por el aumento de precio de los combustibles fósiles, obligará a la búsqueda de opciones de utilización del mosto residual, como una vía de preservar el ambiente, entre las cuales la alimentación del ganado ofrece gran atractivo, sobre todo en países con problemas alimenticios . 7 Bibliografta

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Capítulo XVI QUIMICA DE LA CELULOSA CELSO J . TRIANA FAZES

1 Introducción Cuando se hace referencia a la química de la celulosa, esto comprende el estudio de ésta por medios químicos y los tratamientos químicos que se le aplican: para obtener, en el primero, una información más completa acerca de las características y comportamiento de este polímero y, en el segundo caso, sentar las bases, de comportamiento de la celulosa o celulosas ante la aplicación de regímenes diferentes, con vistas a la obtención de variados tipos de compuestos, algunos tan distintos de la materia de que se partió, que no existe comparación . Además, los compuestos obtenidos de los tratamientos químicos de la celulosa, por necesidad, deben ser identificados, caracterizados y purificados ; para ello se necesitan variados métodos que van desde los químicos hasta los físicos, pasando por los fis:coquímicos, también se incluyen toda una serie de análisis instrumentales, o sea, que analizando el aspecto actual de la investigación en este campo la química de la celulosa ya deja de cumplimentar tan solo este objeto, para ampliar sus horizontes hasta todavía no limitados niveles y campos de trabajo, Si en etapas anteriores se podía estar conforme con investigacion--s acerca de un determinado derivado de la celulosa, o algún aspecto referente a la celulosa directamente, realizando sólo análisis establecidos en el laboratorio químico, hoy se necesita, tanto del microscopio electrónico como del microscopio tridimensional o estéreo microscopio, también no se puede avanzar sin usar el equipo de difracción de rayos X y, mucho mejor, si se aplica el método de pequeño ángulo de difracción (small angle scattering) en el caso, por ejemplo, de determinación de cristalinidad en celulosa. Los métodos de conductometría, calorimetría, termoquímica, viscosimetría, microscopia, etc., unidos a otros métodos ya conocidos y aún no muy difundidos, auguran para la química de la celulosa un brillante porvenir, esto se acentúa, aún más, cuando la relacionamos con nuestra materia prima nacional, celulosa del bagazo y con los productos derivados de la misma. Con derecho se puede afirmar, que la denominación dada en períodos anteriores está bastante limi-

ROBERTO ACEVEDO

tada y se podría, con más exactitud, llamar, a esta gran parte del estudio de la celulosa y sus derivados: química, física y fisicoquímica de la celulosa y sus derivados. 2 Química de los derivados de la celulosa La celulosa como polímero natural lineal y estereorregular, gracias a sus enlaces intermoleculares, preferentemente a los enlaces de hidrógeno, no se funde ni se disuelve en los disolventes comunes. Por ello, los productos a partir de la celulosa no se pueden preparar con los métodos utilizados regularmente para el tratamiento de los polímeros, como: formación a partir de las fusiones, soluciones o métodos de deformación plástica, etc . Mediante el tratamiento químico de la celulosa se pueden obtener compuestos con características nuevas y particulares, entre éstos : pólvora sin humo, compuestos hidrofóbicos, productos solubles en agua, compuestos que presentan características de pegamento, espesador y para acabado, materiales con nuevas características superficiales, productos con características de intercambio iónico, materiales resistentes a la acción de los microorganismos, derivados no combustibles, resistentes a la luz y al calor, etc. La variedad de los productos derivados de la celulosa por medio del tratamiento químico, ha llegado a tal magnitud, que se ha necesitado hacer clasificaciones de los grandes grupos de productos, atendiendo a la forma de la reacción por las que se producen, por ejemplo : reacciones heterogéneas y homogéneas, éstas son las que se llevan a efecto en medios heterogéneos y homogéneos, respectivamente . Aunque por la forma en que se obtienen los polímeros a partir de la celulosa se pueden dividir en "3 clases principales que son: compuestos moleculares, los cuales, por lo regular, no son estables, productos de sustitución, que se forman a causa dé la reacción química entre los grupos hidroxilos y los reactivos que se utilicen, productos de oxidación de la celulosa, por lo regular muy degradados . Estos, durante un gran tiempo, no tuvieron utilización práctica; actualmente, a escala industrial, se produce celulosa oxidada para usos diversos.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

410

A más de las clasificaciones antes mencionadas, se ha hecho necesario instrumentar toda una serie de métodos de análisis y estudio, tanto de las reacciones por las cuales se producen estos derivados, así como por las particularidades propias de cada grupo o de cada polímero específico, así también como por los resultados de las reacciones compuestas, con vistas a la obtención de derivados químicos celulósicos compuestos . En el actual momento, con el aumento considerable en los precios del petróleo, la química de los derivados de la celulosa, en particular los químicos, renueva su actualidad. 2.1 CELULOSA La celulosa es uno de los más abundantes compuestos químicos en el mundo, su uso se ha generalizado en grandes proporciones para la obtención de diversidad de productos . La misma es el mayor constituyente de la materia que compone las plantas, la que es transformada, a partir de otros elementos y sustancias, en celulosa, mediante el proceso de fotosíntesis . El hombre la utiliza en formas variadas como

madera, papel, rayón, películas, hilaza textil, derivados químicos, comestibles, plásticos y un sinnúmero de otros usos y día tras día su uso crece en forma acelerada . Este material de importancia extrema, está sujeto a enormes cantidades de investigaciones y su estudio acerca de la formación, fuente, separación y purificación, su estructura tanto física como química, sus propiedades, modo de reacción, etc ., proporcionan una considerable información, de extrema utilidad, en el quehacer investigativo. La definición química de la palabra celulosa no es en realidad fácil . Si se analizan las actividades de la naturaleza, así como las actividades del hombre, se debe consignar que con ambas está relacionada la celulosa . Los carbohidratos, al igual que otras diferentes clases de compuestos, son sintetizados por las plantas durante su crecimiento, aquéllos se pueden definir como derivados de monosacáridos simples, entre los cuales predomina la glucosa . El término celulosa es, con frecuencia, aplicado a las fracciones específicas que han sido separadas de la planta o material original en cuestión, esta fracción está parcialmente degradada a causa de la acción de los reactivos que se han utilizado en la separación de la misma (Fig. 225) .

Fig. 225 Fdrmula de la nwUcwla de celulosa.

QUIMICA DE LA CELULOSA

2.1.1 Estructura y fuente de la celulosa La teoría de la formación de la celulosa . generalmente no es muy aceptada . Según la hipótesis, la celulosa está constituida por grandes formaciones de caras planas, situadas en el citoplasma de la célula viviente. Cuando pasa cierto tiempo, esta formación se transforma y la celulosa entra en el citoplasma en forma de pequeñas partículas elipsoidales, aproximadamente de 1,5 lim . Estas partículas forman, más tarde, las fibrillas, las cuales se tornan en la capa secundaria de la pared de las células . Otras hipótesis postulan la formación de la celulosa en la pared de las células, de acuerdo con una forma de esta teoría, la glucosa tiene su primer cambio en el citoplasma. Acciones posteriores precipitan una sustancia llamada amiloideo en la pared de la célula, que se convierte, después de varios cambios, en intercelulosa y, eventualmente, en celulosa . Se ha estudiado la formación de la celulosa, mediante el microscopio electrónico. En el caso de las células bacteriales, como Acetobacter xylfnum, los primeros descubrimientos acerca de la célula se efectuaron en una cápsula sin estructura de mucílago, en la misma fueron formadas fibrillas de celulosa, al parecer por la polimerización de algunos componentes de la cápsula . La primera unidad con estructura observable es siempre una fibrilla con longitud cercana a 300 A de diámetro. La estructura fibrilar de la celulosa en los materiales de las plantas y en celulosa regenerada, es de importancia básica . El difractograma de rayos X, es el análisis más característico para estudiar la celulosa. 2.1.2 Propiedades químicas de la celulosa La celulosa está íntimamente ligada a sustancias que acompañan a la materia prima de la cual se ha separado, estando presente en ella partes de éstas en mayor o menor proporcionalidad, es por ello que se le presta gran atención a todas las sustancias asociadas a la materia prima y a la celulosa obtenida de ésta. Uno de los más baratos y disponibles materiales para la obtención de celulosa en el mundo moderno, es la madera . Contando con ello es que se tiene experiencia de mucho antes, no sólo en la tecnología de su producción sino también en el estudio de las propiedades, tanto de la materia prima como de las celulosas obtenidas a partir de aquéllas . En la materia prima madera se pueden citar algunas cuestiones que tienen relación directa con las celulosas obtenidas a partir de ella, entre éstas están : a) Capilaridad .

b) Constituyentes químicos. c) No uniformidad química de la madera. La capilaridad de la madera puede ser apreciada sin la necesidad de la utilización del microscopio, tomando un bloque seco de madera y determinando en éste el peso específico promedio, se tiene que es 0,5, mientras que de la sustancia seca componente del mismo es, aproximadamente, 1,5, esto indica que cerca de las dos terceras partes de una muestra es compuesta por cavidades de aire. La inmersión de la muestra seca en agua hirviente desplaza el aire de las cavidades, éstas son los lúmenes de las células y también los espacios intercelulares y la conjunción de 3 o más células . Estas cavidades forman el grueso del sistema capilar de la madera y son los lugares de acumulación del agua fresca en el árbol . Los constituyentes químicos son también partes muy importantes de la madera, el principal de ellos es la celulosa . En cantidad apreciable se encuentran también la lignina y las hemicelulosas, estas 3 fracciones conforman la estructura química de la madera . Para estudiar estos acompañantes es necesario tener en cuenta, pequeñas inclusiones de minerales en las cen'--zas, los que están distribuidos en la estructura de la madera . La no uniformidad química de la madera, es otra de las características de la materia prima celulósica, que difiere, en gran medida, entre los árboles coníferos y frondosos . En sentido general, la constitución de los árbóles frondosos, es más pobre en lignina y más rica en hemicelulosas que en los coníferos, sin embargo, el contenido de xílanos en los frondosos es más alto que en los coníferos. Los extractivos totales en la madera, en una muestra determinada, pueden ser separados por tratamientos sucesivos ó con éter, alcohol y agua fría . Entonces los extractivos libres pueden ser tratados con clorito de sodio y ácido acético, bajo las condiciones descritas por Wise, Murphy y D'Addieco . El material residual puede ser separado en hemicelulosa y acelulosa . Las hemicelulosas son disueltas por tratamiento de residuo con KOH a 5 %, seguido de una extracción con KOH a 24,0 %. La

41 2

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

fracción insoluble en álcali se le nombra a-celulosa (esto difiere del análisis que se efectúa a las pulpas para disolver) . Por consiguiente, la velocidad de reacción de la celulosa o la uniformidad de la reacción, se debe tener en consideración . Sin embargo, la posibilidad de que existan condiciones que promuevan a serias degradaciones siempre son reales . Vistas estas particularidades, útiles e interesantes y más que ello indispensables, es bueno pasar al próximo tópico acerca de los derivados celulósicos . 2.2. 'DERIVADOS QUIMICOS CELULOSICOS. ESTERES La celulosa sirve de materia prima para la consecución de gran número de derivados, entre éstos se encuentran los ésteres, que no son más que el producto de la reacción de la celulosa con sales, ácidos orgánicos o inorgánicos lo que da lugar a la obtención de productos útiles a la economía, una representación gráfica de la reacción de obtención de un éster sería:

C6H702 (OH) s + 3 HROs --> CsH702 (ORO2) s +

Como se puede observar, la reacción produce, en este caso, agua que acompaña al producto, que precisamente no es soluble en este disolvente universal. 2.2.1 Nitrato de celulosa De los variados ésteres inorgánicos de la celulosa, el único hasta ahora que ha conseguido gran importancia comercial es la nitrocelulosa . El éster nítrico de la celulosa (nitrato de celulosa) a menudo llamado, no correctamente nitrocelulosa, fue obtenido, por vez primera, hace más de medio siglo. Los nitratos de celulosa se obtienen y se utilizan, en gran escala, para la fabricación de pólvora sin humo, películas de cine, celuloide, lacas; etc. La obtención del nitrato de celulosa está basada, por regla general, en la eterificación de la celulosa con ácido nítrico, de acuerdo con la ecuación de la reacción que se muestra en la figura 226.

43

H20(2)

413

OUtMICA DE LA CELULOSA

La reacción que aparece en la figura 226 es reversible, por ello, para la obtención de derivados altamente sustituidos, es necesario en la composición de la mezcla nitrante, incluir algún compuesto capaz de enlazar el agua resultante de la reacción . En este sentido, se utilizan ácidos como el acético, fosfórico y sulfúrico, también el anhídrido acético, anhídrido del ácido sulfúrico y otros. Cuando se efectúa la reacción de nitración, paralelamente a la reacción principal de eterificación de la celulosa, se efectúa su degradación a causa de su oxidación e hidrólisis . Además, la intensidad de estos procesos es mayor con el ,aumento de la temperatura de nitración y el contenido, en la mezcla nitrante, de agua y ácido sulfúrico . En esta reacción representa un papel muy importante la capacidad de absorción de la celulosa, en relación con la mezcla nitrante. Con el aumento de la cantidad de agua en las mezclas de nitración, el grado de sustitución de los nitratos que se obtengan decrece, los procesos de degradación se acentúan, lo que implica la disminución del grado de polimerización del producto que se vaya a obtener . En condiciones industriales para la obtención de nitrato de celulosa de diferentes grados de sustitución, se utilizan mezclas nitrantes que contienen de 4 a 20 % de agua. Durante el proceso de nitración de la celulosa ocurre la variación de composición de la mezcla nitrante : disminuye el contenido de ácido nítrico, aumenta el contenido de agua. En las características del producto obtenido, ejerce influencia en el grado de sustitución, no la composición inicial de la mezcla nitrante, sino la composición final . Para evitar esta influencia en el proceso de nitración, se aumenta el módulo de nitración, o sea, la relación entre el peso de la mezcla nitrante y el peso de la celulosa, sin embargo, un módulo muy grande no es recomendable . La nitración de la celulosa se efectúa con gran velocidad, en el caso de utilizar la celulosa desmenuzada, el proceso se termina en algunos minutos . Con el aumento del contenido de agua en la mezcla, se incrementa el período de tiempo de la nitración hasta la condición de equilibrio. En la industria para la obtención de productos uniformes la nitración se efectúa en períodos largos, hasta 90 min. Cuando se eleva la temperatura la velocidad del proceso de eterificación rápidamente aumenta, sin embargo, el grado de sustitución equivalente a la condición de equilibrio no varía . Al mismo tiempo, al elevarse le temperatura se aumenta la degradación de la celulosa, lo que da por resultado nitratos de baja viscosidad. Para los efectos de investigación se necesita obtener nitrato de celulosa con un grado de sustitución igual a 14,14 94,, este tipo de procesó

de obtención se lleva a efecto utilizando mezclas nitrantes en las que está ausente el agua. Generalmente, el grado de sustitución de los nitratos de celulosa puede fluctuar entre 0,9 y 2,8. 2.2.2 Acetato de celulosa En los últimos años, entre los derivados químicos de la celulosa que han tomado gran significación, está el acetil celulosa. La película de acetato de celulosa no inflamable desplaza cada día, con más éxito, a la película inflamable a partir de nitrato de celulosa. Comparando las fibras de acetato con las de viscosa, aquéllas tienen una serie de ventajas significativas que tienen que ver con la industria, así como con las características de las fibras . De acuerdo con el aspecto exterior, las fibras de acetato son las que más se parecen a las fibras de algodón . El acetil celulosa se obtiene tratando la celulosa activada con mezcla acetilante compuesta por agente acetilante catalizador y disolvente o solvente . El ácido acético, prácticamente, no es capaz de eterificar la celulosa y por ello no puede ser utilizado como agente eterificante . Como regla general, en calidad de agente acetilante, se utiliza anhídrido acético . La reacción de acetilación de la celulosa con anhídrido acét?co puede ser representada por la siguiente ecuación : CsH702(OH)3 + 3 (CH3CO) 20 --. C6H702 (OCOCH 3) 3 + 3 CH 3 000H

(2)

Esta reacción no es reversible y no alcanza el equilibrio. Sin embargo, el anhídrido acético esterifica la celulosa muy lentamente, por ello es necesario utilizar un catalizador, entre los catalizadores más utilizados están los ácidos sulfúrico y clórico . El mecanismo de acción de estos catalizadores, hasta el momento, no ha sido esclarecido . Se ha establecido, que durante la acetilación, utilizando el catalizador ácido sulfúrico ocurre la formación de sulfatos y seguidamente sulfoacetatos de celulosa (Fig. 227), por ello se puede suponer, que el mecanismo de acción del ácido sulfúrico como catalizador, da lugar a la formación de sulfatos de celulosa con su consiguiente esterificación . Además, se supone que el ácido sulfúrico entra en la reacción con el anhídrido acético, formando ácido acetilsulfúrico, de acuerdo con la ecuación siguiente : (CR3 C0) 20 + H2S04 + CH3000H

% CH3COSO4H + (3)

414

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

De la interacción de la celulosa con el ácido acetilsulfúrico se obtiene acetil celulosa y también ácido sulfúrico : CsH7102 (OH) 3 + 3 CH3COS0 4 H ---> -a CsH702 (OCOCH3) 3 + 3 H2SO4

(4)

El ácido sulfúrico que se obtiene en la reacción entra de nuevo en la reacción con el anhídrido acético, como se indicó en las ecuaciones anteriores . Cuando se usa ácido clórico en calidad de catalizador, éste reacioria con el anhídrido acético y forma el acetilperclorato, que es considerado como el agente acetilante, de acuerdo con la ecuación siguiente : (CH3CO) 20 + HC104

1

1

CH3000104

+ CH3000H

(5)

CsH702(OH)3 + 3 CH3000104 -

+

-_

% C6H702 (OCOCH3) 3 + 3 HC104

(6)

La acetilación con anhídrido acético produce el derivado sustituido, éste es el triacetato de

celulosa (Fig. 228) o también llamado acetato primario, el contenido de ácido acético combinado en éste es cercano a 65,5 %, éste no es soluble en acetona y para hacerlo es necesario convertirlo, mediante hidrólisis, en acetato secundario, de esta forma se separan algunos grupos acétilos que estaban combinados en la cadena del polímero . Este proceso se mantiene hasta llevar al producto a un grado de sustitución (G.S .) cercano a 2,5. En ocasiones, se encuentra que a este producto se le nombra incorrectamente, diacetato (Fig. 229) . La calidad del acetato de celulosa y su posible utilización para uno u otros fines, se determina, en primer término, por aquellas características como : contenido de ácido acético combinado, acidez, solubilidad, grado de polimerización y cantidad de inclusiones presentes . Además, en dependencia de la utilización que se le va a dar al producto, se determina la filtrabilidad, coloración, termoestabilidad y en caso que se utilice acetil celulosa como base para las películas de cine y en particular para las placas de rayos X, se determina el contenido de materiales radiactivos . Es necesario señalar que el acetato de celulosa, puede ser utilizado con éxito en la obtención de

*ULPATO 2~ En LA NIOa0LO15

I

tiu

(sobre la Ease de celulose)

50

20

10

OP4 Fig. 227

opa 0,04 AZUFRE Ea EL P~TO (Yd

Relactdn entre sulfato soluble y ~e, combinado en acetato de celulosa.

ruNro

N FU~ 1'0)

Soo no 230

220?

too 100

log 140 Izo

too w" 2 7 2 9 lo 11 12 13 14 15 ~NIiNeNO DE "TONC3 0f MI~ EN n "MO E9TERIFIC"NTf-

Fig. 228 Punto de Jusidn de tridsteres (Adabn, 1llench, Kendall y HIM). wnfosI03o (23'0) 30~ i0 03o 3 000 3000 2 000

717

1000

-

29

300 200 IW

so

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So

to 10

0

p

CSNCFNTRICNNI ISi Em 2f30)

229 Dependencia entes visrostdad y eoo3eentraeidn. Las viscostdades de tas soluciones a 2,0 %.-A 25 *C, se tndicnn en cada curva (Hercules Powder Ca).

ft

416

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

fibras, rayón-acetato, por lo regular usando el triacetato o acetato primario . También se emplea en la formación de películas, placas, membranas, que son aplicadas en disimiles usos tales como : en el cine, en la fabricación de objetos, en la separación por medio de electroforesis, etc. 2.2.3 Otros ésteres orgánicos de la celulosa Existen toda una serie de ésteres orgánicos que aún no se han citado en este trabajo, por tanto, atendiendo a sus relativas importancias de aplicación económica, es necesario dedicarles un aparte. En primer término, se tiene el propionato de celulosa que se obtiene por estcrificación con anhídrido propiónico, en presencia de catalizador ácido, a causa de que el anhídrido propiónico es npenos reactivo que el anhídrido acético, se requieren toda una serie de especiales consideracines para las condiciones de pretratamiento y' concentración del catalizador . El tripropionato de celulosa es considerablemente más suave que el triacetato o algún producto de su hidrólisis . El propionato de celulosa ha sido sintetizado en pequeñas cantidades para ser aplicado en plásticos . El formiato de celulosa ha tenido poco interés para su estudio y comercialización a causa de su inestabilidad . Se puede hidrolizar con agua fría, sin embargo, tiene una tendencia a mostrar acidez a temperatura ambiente, en la presencia de humedad. El producto de la reacción contiene de 20-30 % de formil, lo que corresponde, aproximadamente, a diformiato . Las propiedades físicas de las películas y filamentos hechos sobre la base de formiatos están aún siendo investigadas . Otro éster celulósico es el butirato de celulosa, éste, muy similarmente al propionato de celulosa, puede ser obtenido por esterificación de la celulosa con el anhídrido, en presencia de un catalizador, como, por ejemplo, el ácido sulfúrico. Las condiciones de la reacción deben ser muy bien ajustadas y controladas, para, de esta forma, permitir un pretratamiento eficiente y una esterificación bien controlada . El primer método de pretratamiento usado fue utilizar pequeñas cantidades de agua con ácido butírico. Otra de las líneas actuales de investigación y de producción, es la preparación de ésteres de celulosa compuestos. Aquí uno de los puntos más importantes es el pretratamiento, si se desea obtener una calidad satisfactoria. Ello evitará que el producto esté acompañado de opacidad y de fibras no disueltas en la reacción, además, esto estará en función de la uniformidad de la esterificación . Uno de estos ésteres compuestos es el acetato propionato de celulosa . En el proceso de obtención de estos ésteres que contienen pequeñas cantidades de butiril, se ha recomendado un

pretratamiento con ácido acético, seguido de una esterificación con ácido butírico y anhídrido acético con la cantidad suficiente de cátalizador. 2.3 ÉTERES DE CELULOSA Los éteres de celulosa son solubles en agentes orgánicos, además son termoplásticos, solubles en agua o mezcla acuosa alcalina, en dependencia del tipo y el grado del cambio estructural efectuado . La eterificación de los hidroxilos celulósicos, en sentido general, produce compuestos' técnicamente útiles . Los hidroxilos activos de la celulosa son eterificados por haluros orgánicos, óxidos de alquenos u olefinos activados por grupos polares sustituyentes en presencia de álcali, por lo general, da celulosa es tratada con hidróxido de sodio y el producto resultante, álcali celulosa, es reaccionado con agente eterificante. El primer investigador que inició la eterificación de la celulosa fue Suida, en el año 1905. ;Este usó- sulfato de dimetilo y lo hizo reaccionar con álcali celulosa, para así hacer inactivos los hidroxilos de la superficie de la celulosa, pero, de esta forma, no obtuvo el éter de celulosa como producto . Lilienfeld, en 1912, y más tarde, desarrolló y conformó el campo de la tecnología de los éteres de celulosa. El describió algunos éteres solubles en agentes orgánicos, éteres solu. bles en agua fría, pero no en agua caliente, éteres compuestos y éteres de variados grados de sustitución . Los reactivos utilizados como agentes eterificantes de la celulosa para preparar ¡os éteres, influyen en la eficiencia de la reacción. La eficiencia de la eterificacián es definida como el tanto por ciento de reactivo que entra en reacción con la celulosa y que resulta definitivamente sustituido en ésta. Los reactivos sobrantes, no consumidos, son convertidos en productos derivados como : alcohol, glicol, éteres o sales 2.3.1 Carboximetilcelulosa El carboximetilcelulosa (CMC) es un éter de celulosa, que contiene grupos carboxilos, éste resulta del tratamiento de la celulosa con hidróxi. do de sodio, obteniéndose así: álcali celulosa, el cual se trata con ácido monocloroacetato de sodio, de esta manera, se produce el compuesto según la ecuación siguiente de la reacción: CsH7C2(OH)3 + NaOH -~ -

- C6H702 (OH) 20Na + H20

(7)

CsH702 (OH) 2 0Na + CH2CI000Na -> C6H702(OH)20CH 2 000Na + NaCl + + H20 (8)

417

QUIMICA DE LA CELULOSA

Este proceso se lleva a efecto en exceso de álcali, por ello, como resultado de la reacción, se obtiene la sal sódica del carboximetilcelulosa (NaCMC) . También se producen productos secundarios de la reacción como son : cloruro de sodio, glicolato de sodio y sales producidas durante la neutralización (después de terminada la reacción) del exceso de álcali con ácido . Para la separación de los productos secundarios en el CMC obtenido, se procede tratando éste con lavados de alcohol etílico a 80 % . Es necesario señalar, que los productos técnicos, contienen gran cantidad de sales . El CMC más usado, generalmente, es el que tiene un grado de sustitudón entre 0,3 - 1,3 . El grado de sustitución del CMC puede ser determinado por distintos métodos, entre éstos está la determinación del sodio en la NaCMC.

La carboximetilización difiere de otros tipos de eterificación de la celulosa, en que el álcali celulosa no necesita ser preparado por separado, aunque normalmente se haga. El CMC forma soluciones acuosas sin precipitación, en un rango de pH de 4 a 12 y no forma geles en las soluciones después de hervir éstas. No precipita de soluciones al añadirse soluciones diluidas de sales o álcalis o metales alcalinotérreos, sin embargo, lo hace cuando se le trata con ácidos fuertes, con sales de metales multivalentes anfóteros y con sales de metales pesados . Las propiedades de coloide protector del CMC sólido, son una adición especial en el campo de la construcción, producción de detergentes y en la textil . La característica de inerte, fisiológicamente, del CMC permite su uso en la producción de especies comestibles (Fig. 230) .

Fig . 230 Variación de la viscosidad dC la solución de CMC con el pH. * Viscasidades en soluciones a 10 % en agua, a 25 'C (Brown y Houghton).

418

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZQCAR

La calidad de la materia prima usada para la obtención de CMC, varía en función, del proceso que se desea usar, con el grado de purificación con que se desee sintetizar el producto y del uso al que se le desee dirigir . La celulosa puede ser molida, finamente, a partir de la madera, o Unters purificados . 2.3.2 Hidroxietilcelulosa Muchos de los aspectos planteados para el CMC son válidos también para el hidroxietilcelulosa . La calidad de la materia prima que se vaya a usar varía con el grado de purificación del producto que se desea obtener y con el uso al cual se destinará. El hidroxietilcelulosa puede ser obtenido por la reacción del óxido de etileno, el etileno clorohidrina (2 cloroetanol) ; la clorohidrina, probablemente, es convertida en óxido, el óxido entonces reacciona con el álcali celulosa. La formación del hidroxietilcelulosa se puede explicar de la siguiente manera: la reacción de un mol de óxido de etileno con un hidroxilo secundario de un residuo glucopiranósico da lugar a la conversión de un hidroxilo secundario a uno primario : R~, CH20H + CH2CH20 --~ -+ R« , CH20CH2CH20H

Fig. 231

(9)

La cantidad de hidroxilos primarios iniciales, permanece constante, sin variación alguna: R., CH20H + CH2CH20 --> - R~, CH20CH2CH20H

(10)

El número de hidroxilos primarios también permanece sin cambio alguno, cuando el crecimiento de la cadena tiene lugar: R~,CH20CH2CH20H + CH 2 CH20 --i - Rce, - CH20CH2CH2 OCH 2CH 2 0H

(11)

El hidroxietilcelulosa es obtenido sólo en relativamente bajos niveles de sustitución. El producto con una sustitución molar (M.S.) 0,50 o más alto es soluble en agua ; aquéllos con M.S. 0,05-0,4 son solubles en soluciones alcalinas acuosas y los más bajos sustituidos sólo son solubles con la congelación. El tratamiento ulterior a que se somete la masa puede variar en dependencia de qué proceso y a qué uso se le desea dirigir (Fig. 231) . La viscosidad de las soluciones de hidroxietilcelulosa soluble en agua, es disminuida con áci. dos fuertes diluidos y con ácido fórmico con. centrado . El álcali causa la más baja disminu. ción con referencia a la viscosidad.

Estructura del hidrosieta cdatosa.

QUIMICA DE LA CELULOSA

41 9

El hidroxietilcelulosa soluble en agua es compatible en solución con: el almidón y derivados de éste, gelatina, gomas naturales (pegamentos) y con la NaCMC, pero es sólo parcialmente compatible con el metilcelulosa y el alcohol polivinilo. Sus soluciones acuosas toleran iguales partes, en peso, de alcoholes solubles en agua y mucho más grandes cantidades de compuestos polihidroxi, ácidos carboxilicos, aldehídos y aminas sin gelatinización . Las concentraciones bajas de ésteres solubles en agua y de cetonas tienen el efecto de precipitadores . De las sales comunes, solamente las de sulfatos afectan la estabilidad de la solución y solamente la de sulfato de aluminio tiene en él un efecto precipitante . La adición de pequeñas cantidades de hidroxietilcelulosa de M .S . 0,3 a 0,4 a derivados convencionales, confiere a éstos ciertas propiedades inusuales; por ejemplo, la precipitación de sales en el metilcelulosa es reducido, la tolerancia del etilcelulosa altamente sustituido por los solventes alifáticos es aumentada. 2.3.3 Meíileelulosa El metilcelulosa es obtenido a partir del álcali celulosa que contiene limitada cantidad de hidróxido de sodio . El período de envejecimiento varía, comenzando desde algunos segundos hasta cierto número de minutos. La reacción de eterificación en este caso es : R~i (OH) 3

- 3

NaOH +

2

CH3CH2C1 ---~

R~ (OH)(OCH2CH3) 2 + NaOH +

2

+ 2

NaCl +

H2 0

(12)

El número de moles que reacciona varia con el grado de sustitución y con la distribución del sustituyente . La velocidad de la reacción decrece con el aumento de la concentración de agua en el medio y con la disminución de la concentración de hidróxido de sodio . La reacción paralela, por la que se produce un compuesto secundario es: CH 3 CH2C1 + NaOH ~ CH 3 CH20H + NaCI

(13)

La velocidad de ésta es proporcional a la concentración de hidróxido de sodio y además: CH30420H + CHa CH2C1 + NaOH --~ CHaCH2 0CH2CH3 + NaCI + H2O

(14)

la extensión de la cual es proporcional a la concentración de etanol y al período de tiempo de reacción. Esta última reacción es rápida si se añade alcohol, por otra parte, como se pro-

duce alcohol (en la reacción 13), será necesario al principio, pero después la velocidad aumentará, por el motivo antes señalado. Las soluciones de metilcelulosa son preparadas humedeciendo el polvo sobre la base de escamas con agua a 75-80°C y entonces añadiendo el agua suficiente, mientras se refresca y se agita (Fig . 232) .

$000 4 000 5 000 2 000

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1000

0 N

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8 T

500 300 200

loo 50

30 20

10

H

iwr~a Fig. 232 Metil celulosa, relación entre viscosidad de la solución acuosa a 2,0 ab, a 20 'C y la viscosidad in. trínseca (The Down Chemical Co .) . 2.3.4 Etileelalesu VISCOSIDAD

La fuente más común de celulosa para la etilación son pulpas blanqueadas y purificadas, linters de algodón y pulpa de madera. Estas pulpas celulósicas deberán ser altas en contenido de a-celulosa, muy bajas en contenido de'incrustaciones y libre de metales, libre de nudos en las fibras y no se deben someter a secado intenso. Las características más importantes para una celulosa apta para la etilación son las mostradas en la tabla 234 .

420

LA IN USTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AMAR TABLA 234

Características

Algodón

a-celulosa (%)

98,7

94,5

p -celulosa (%)

1,3

3,0

y -celulosa (%)

0

2,5

Humedad (%)

6

6

90

85

Color (brillantez G.E.) Cenizas (%)

0,05

Pulpa de madera

0,06

Hierro (ppm)

12

12

Calcio (ppm)

So

50

2.3.5 Otros éteres compuestos de celulosa

Viscosidad, estándar en cuprietilendiamina (cP) TAPPI T-230, 1 %

40

65

G .E . : Unidades General Electric.

Para obtener etilcelulosa a partir de celulosa con características similares a las anteriormente señaladas, se procede de la forma que sigue : preparación del álcali celulosa, seguidamente eterificación de éste con cloruro de etilo, de acuerdo con la ecuación de la reacción siguiente : R~e, (OH) s - NaOH + 2 CH3CH2Cl ---+ ).

R ca

(OH) (OCHZCH 2)z + 2 CINa +

+ NaOH + 2 H2 0

(15)

Cantidades significativas de grupos carboxilos aparecen en el producto como resultado de la oxidación del álcali celulosa o del etficelulosa : CHsCH2Cl + NaOH , CH3CH2 0H + La velocidad de esta reacción es proporcional a la concentración del hidróxido de sodio y CH 3 CH 2 0H + CH3 CH2 C1 + NaOH --4 - CH3CH20CH2CH3 + NaCl + H20

ción de alcohol, de acuerdo con la reacción 16, ésta se acelera . El etilcelulosa obtenido sobre la base de escamas, su solubilidad y termoplasticidad, dependen de su grado de sustitución y también de su viscosidad intrínseca. A un grado de sustitución fijo las temperaturas de reblandecimiento y la de fusión aumentan, si la viscosidad intrínseca aumenta también. La solubilidad del etilcelulosa varía de la misma forma que su termoplasticidad . Este éter es compatible con muchas resinas y con nitrocelulosa, pero no con muchos de los altos polímeros . También es compatible con muchas de las ceras para formar fundiciones, esta compatibilidad es acrecentada por el uso de materiales mutuamente compatibles .

(17)

la extensión de la misma, es proporcional a la concentración de etanol y al tiempo de reacción . Esta última reacción es rápida si se añade alcohol, por otra parte, en los primeros momentos no es efectiva, pero cuando el tiempo de reacción transcurre y comienza la produc-

Se conoce un variado grupo de éteres compuestos de celulosa, entre éstos se encuentra el cianoetil celulosa . Este se obtiene a partir de olefinos por medio de la cianoetilación, bajo condiciones hidrolíticas . Otro de los éteres de este grupo es el sulfoetil celulosa que se puede obtener a partir del ácido vinilsulfónico o sus sales. El sulfamiletil celulosa es soluble en solución diluida de álcali. También ha sido lograda la preparación del dietilaminoetil celulosa. 2 .3.6 Xantato de celulosa Cuando la celulosa se le trata bajo ciertas cond'ciones con hidróxido de sodio, que pueden ser: temperatura, duración del tratamiento, concentración del hidróxido, etc., o sea, maceración, se obtiene un producto intermedio al cual se le ha limitado la cantidad embebida de hidróxido de sodio mediante prensados, este producto es el álcali celulosa, si este último es tratado con bisulfuro de carbono ocurre una interacción, de ello resulta una sal sódica del éster celulósico del ácido ditiocarbónico, que es comúnmente conocido como xantato de celulosa. Esta reacción se puede representar como sigue: R~, ONa + CS2 ----t R., OCSSNa

(18)

Esta reacción fue descubierta, en 1882, por Cross, Bevan y Beadle y es conocida como la reacción de la viscosa, ya que ella es la base para la preparación de la viscosa, ésta es una solución de xantato en solución diluida de hidróxido de sodio. El proceso convencional para la preparación de la viscosa está formado por toda una serie de etapas: a) Obtención del álcali celulosa. b) Prensado para eliminar el exceso de álcali.

QUIMICA DE LA CELULOSA

421

c) Desmenuzado para llevarla a un tamaño de partícula uniforme . d) Envejecimiento, para depolimerizar en algo la celulosa, o sea el álcali celulosa. e) Xantación tratamiento del álcali celulosa con bisulfuro de carbono. f) Disolución en solución diluida de hidróxido de sodio. La viscosa entonces se filtra, se somete a tratamiento con vacío, para remover las partículas de aire y se madura hasta el punto deseado en el cual está correcto para usarse. Todas estas operaciones se pueden llevar a cabo en pequeña escala, o sea, a escala de laboratorio (Fig. 233) . Se conoce que cuando el alcohol etílico es tratado con bisulfuro de carbono en presencia de hidróxido de sodio, se forma etil xantato de sodio de acuerdo con la siguiente ecuación : C2 H5 0H + NaOH + CS2 --~ C 2 H5 0CSSNa + + H20

(19)

CELULOSA

Mientras ocurre la reacción principal, también tienen lugar las reacciones secundarias del xantato que pueden ser: 13~ CS2Na " 2 NaOH --+ Na2C02 S + NaSH + + celulosa

(20)

R~, CS2 Na + NaSH--~ Na2CO3 " celulosa (21) El tiocarbonato puede, posteriormente, reaccionar con el hidróxido de sodio, formando carbonato e hidrosulfuro : NaC02S + NaOH-i Na2CO3 + NaSH

(22)

Por otro lado, la reacción entre CS2 y NaOH se puede mostrar así: 3 CS2 + 6 NaOH ; 2 Ná2CS3 + Na2CO3 + La solución de xantato de celulosa en hidróxido de sodio la llamamos viscosa (Fig. 234) .

ÁLCALI CELULOSA

XANTATO OE CELULOSA Fig. 233 Obtención de xantato de celulosa, a partir de celulosa del bagazo.

422

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Durante el proceso de maduración de la misma, ocurre una descomposición espontánea del xantato. El más importante cambio químico es la descomposición del xantato de celulosa durante la maduración, además durante este proceso ocurre la redistribución de los grupos CS2. Las reacciones colaterales son múltiples, a más de la reacción entre el bisulfuro de carbono y el hidróxido de sodio, que se representa así : 3 CSZ + 6 NaOH

) 2 Na2CSZ + Na2COa +

+ 3 H20

(24)

se pueden mostrar las que siguen : 5 CSZ + 12 NaOH -----> Na2S + 2 Na2COs + + 3 Na 2 CS2 + 6 H 2 0

(25)

CS2 + Na2 S -

(26)

i Na2CSZ

Na2CSs + 3 H 2 0 : Na2 COs + 3 H 2 S Na2CSs + 2 H20 -

H2CSs + 2 NaOH

H2S H2CSs + CS2

o (27) (28)

Na2CSs + 3 NaOH --i 3 NaHS + Na2 COs

(29)

CS2 + 2 NaHS V; Na2CSs + H2 S

,(30)

CS2 H20 -> HZS + COS

swwo

y

(31)

Los cambios químicos que así ocurren, pueden ser sintetizados, diciendo que: en la xantación el xantato de celulosa sódico y las sales que se producen, son formadas, poco a poco, con el CS2 libre y el NaOH residual. Al mismo tiempo, el álcali libre es neutralizado y las sales residuales son descompuestas, liberando CS2 ; H2X; C02 y sulfuro libre. Las principales reacciones que ocurren cuando se usa el ácido sulfúrico en calidad de coagulante, pueden ser : 2 R~i OCSSNa + H2SO4

- 2 ROH ., +

+ Na2SO4 + 2 CSZ

(32)

2 NaOH + H2SO4 ---4 Na2SO4 + 2 H20

(33)

Na 2 CS s + H 2 SO4 ~ Na2SO4 + H2 S + CS2 (34) Na2 COs + H 2 SO4 -> Na2SO4 + C02 + H 2 0 (35) Na2S + H2SO4 -

* Na2SO4 + H2S

(36)

En el caso de que la viscosa contenga sulfito de sodio, la liberación del H2S es obstruccionada y se forma, en su lugar, el sulfuro coloidal: Na 2 SO s + H2SO4 --, Na2SO4 + H2 0 + S02 (37) S02 + 2 H2S -> 2 H20 + 3 S

(38)

Con algunas excepciones, estas reacciones combinadas con el efecto de la coagulación de las

EII

nseosAx

AZUPAE A~ COPO el*

E,0

40

OA

14

1" EE Et If0 MM EN LICOR OE NACEIIACNIII %

Plg. 234 Etecto dd contenido de NaOH' en Us camcterísticas de la s*rnsa

423

QMMICA DE LA CELULOSA sales neutras, son la base de todos los usos de la viscosa .

3 Tecnología de la producción de los derivados de la pulpa para disolver del bagazo La tecnología de la producción de los derivados de la pulpa para disolver de bagazo, ha ven''-do estudiándose desde hace alrededor de una década, aunque dicho sea de paso, está en dependencia directa de la calidad, pureza de las celulosas, de la reactividad de éstas, que a su vez dependen de la accesibilidad del material celulósico. Todo ello aplicado a los derivados químicos de la celulosa del bagazo, es algo de particular interés, ya que son estos derivados de la celulosa del bagazo de la caña de azúcar, los que han sentado una nueva pauta en la tecnología del tratamiento químico de estas celulosas . Los únicos antecedentes de tratamlento de las celulosas del bagazo, habían sido la preparación

SOLMLIM0

a partir de ellas de viscosa y, a su vez, fibrana, hilaza textil, rayón, etc ., pero ello, como se conoce, no entra en la clasificación de derivados químicos, sino son simplemente celulosas regeneradas . Los primeros pasos en la investigación de la síntesis de derivados químicos, a partir de celulosas de alta pureza (pulpas para disolver) del bagazo de la caña de azúcar, fueron dados, alrededor del año 1969, en que se sintetizaron las muestras de CMC usando la celulosa nacional para disolver, obtenida en los equipos experimentales, instalados anexos a la fábrica Rayonera de Matanzas. Con ello se abría el camino a través del cual, con gran acierto, se ha venido desarrollando esta línea de trabajo, manteniendo su vigencia, más que nunca en la actualidad, con las d?ficultades surgidas a nivel mundial con el aumento del precio del petróleo. Aquí la celulosa, en el mundo antiguamente usada y desplazada por él, de nuevo entra en el escenario mundial a brindar su útil servicio, materia prima para la obtención de pulpas y, a su vez, derivados y celulosas regeneradas (Fig. 235) .

>a

C> A Y=z40

Flg. 235 Ca~ aetr~ de nn dcr~ con tpioles ~ de swsNtwclón y diff~es so&rbUtdades .

424

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

En el caso particular de Cuba, se tiene la materia prima para la producción de pulpas, como un potencial anualmente renovable, en el caso del bagazo, sería pues, ya más fácil encontrar las vías cómo convertir esas pulpas en productos útiles, en la actualidad, algunas de éstas ya están perfectamente identificadas y a punto de expresarlas en escalas mayores de producción . 3.1. PRODUCCION DE POLVO DE CELULOSA Mediante el estudio de la estructura de las fibras celulósicas se ha podido determinar que existen en éstas, zonas bien defin'-das de ordenada orientación de sus células componentes y partes también notables de grupos celulares de gran dispersión y poco ordenamiento ; a las primeras partes se les llama tejido cristalino y a las segundas,, tejido amorfo. Las partes del tejido celulósico que poseen mayor accesibilidad, son las formadas por tejido amorfo, por lo que se deduce sean éstas las zonas de más rápido y fácil acceso a los reactivos ; por el contrario, el tejido cristalino es atacable, en menor escala, si se usa el mismo régimen con el cual fue accesible el tejido amorfo y si se

desea una buena velocidad de reacción es necesario someterlo a régimen más severo de reacción (Fig. 236) . Cuando se ataca el tejido celulósico con reactivos adecuados, esto es : en el caso de la realización de la hidrólisis moderada, puede ocurrir la parcial disolución de las zonas de ordenamiento caótico (amorfas) y dar lugar al fenómeno de reordenamiento cristálino en todas sus etapas, comenzando por : 1) la simple disolución de las regiones claramente amorfas ; 2) deslizamiento de las partes de las regiones cristalinas más cercanas a estos puntos; 3) reordenamiento cristalino de las regiones de transición, que anteriormente al tratamiento se consideraban no cristalinas y 4) organización estructural entre las partes cristalinas más cercanas a las regiones anteriormente amorfas o de transición y las regiones de transición o inminentemente más cristalinas que amorfas, que han sido , reordenadas estructuralmente, por acción de la hidrólisis parcial . Sobre la base de lo explicado anteriormente, es pues de suponer que del material celulósico, al ser tratado bajo determinadas condiciones de hidrólisis asegurando que ésta fuese de carácter

A

Fig. 236 Diferentes tipos de tejidos celulósicos. A. Estructura cristalina, D. (X) Región amorfa en el material celulósico (Y), región de carácter de transmisión (Z), región de ordenamiento cristalino,

QUIMICA

DE

LA

425

CELULOSA

benigno, se puede obtener un residuo hidrolítico en el cual se puede apreciar algún tipo de característica, como: cristalinidad, fragmentación, esto es, partículas cristalinas de carácter incipiente, que son un producto del desarrollo no completo a otros niveles de las formaciones cristalinas jóvenes . El tratamiento de la celulosa, consiste en una hidrólisis parcial heterogénea, en la cual se han aprovechado las características del proceso de etanólisis en condiciones moderadas sobre el material celulósico . 3.1.1 Método de obtención de los mierocristales

TABLA 236

Condiciones de la hidrólisis Coneen- Contenido tración alcohol

(N)

A

1230

Pentosanas (%)

88,4

92,0

88,9

89,4

87,5

99,0

5,0

Solo

94,5

93,6

91,1

50,0

89,4

92,6

90,7

90,0

92,3

89,8

80.0

94,4

92,5

88,0

50,0

94,3

80,2

91,7

98,5

94,2

91,7

solo

95,4

93,7

92,1

50,0

90,0

91,5

90,2

92,5

91,7

89,6

93,5

8915

87,0

86,4

88,4

92,0

84,2

90,0

65,0

65,0

B

1295

3,7

3,1

a-celulosa (%)

92,6

94,3

Brillantez (%)

84,3

85p

Cenizas (%)

0,23

Extractivos (%) (en dicloroetano)

G .P .:

35

10 :1

15 :1

10 :1

'45

6,5

G.P. (en Cadoxeno)

Solubilidad en NaOH

25

65,0

TABLA 235

Muestras

(%)

50,0

En la consecución del producto, se ha tomado como materia prima celulosa a partir del bagazo obtenido por el método de cocción digestión-nítrica, cuyas características promedio se muestran en la tabla 235 .

Características

Rendimiento del producto (%) con mantención de la reacción Hidromódulo (min)

18,0%

(%)

0,28 3,1

65,0

15 :1

80,0

Solo

0,21 0,30

65,0

2,7

80,0

90,9

80,2

91,8

50A

88,9

90,0

89,2

89,1

89,3

89,9

90,3

91,1

88,0

grado de pol~zadón.

La celulosa convenientemente desmenuzada, es tratada con la solución hidrolizante con adiciones de alcohol etílico, teniendo en cuenta que la relación materia seca-líquido fue de: 1 :10 y 1 :15 . Los tiempos de mantención de la hidrólisis fueron de 25, 35 y 45 min. El producto así obtenido, celulosa pulverizada, se le somete a tratamientos de acondicionamiento, purificación y secado . Los resultados expresados en rendimiento, en dependencia del régimen usado, se muestran en la tabla 236 . La distribución de longitudes de partículas cristalinas contra el tanto por ciento de éstas en cada fracción, es otro de los aspectos que figuran dentro de la problemática de esta investigación (Figs . 237 a 239) . Los valores de las curvas mostradas han sido obtenidos mediante mediciones y observaciones

10 :1

8,0

65,0 80,0

15:1

al microscopio, estas curvas presentan muchos picos y también espacios vacíos lo cual demuestra que existen fracciones predotginantes, mientras que otras, prácticamente, están ausentes . Las clasificaciones de las muestras se llevaron a efecto empleando un equipo tamizador vibratorio, el tratamiento de las muestras dio como resultado la distribución del tanto por ciento en peso de dicha fracción, en función del calibre del tamiz en cuestión (Figs. 240 a 242) . A partir de los resultados de las clasificaciones mencionadas, se instrumentó un método de conversión de estos valores (a los que se les ha nombrado

NENwM000LO 10 :1 TEMPo-I5 fkL

ETANOL-00% NCl-6,a N

3W

0

a

1

a

3

L«QNad a. or1 1% Wm .1Oh

Fig. 737 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas. NNMOMOOULO 10 .1 TEMPO-35 ode

ETANOL 65 % NCL-6A N

Cc~ do ám"oala (%)

30

0

1

z

3

a

Lagilua ea vístalos (tam. 10)

Fig. 238 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas.

427

OUIMICA DE LA CELULOSA VueRO^Lo lo : 1 T~45~

rn NOL - 00% "CL 5A w

c4ne4e e4 aakwa (%)

4

LWOW 4. Crbaw

tum.ah

Fig. 239 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas. P), a otro de carácter adimensional A', de esta forma, se lleva el peso de la fracción distribuida de tamaño de partículas a cantidad de ellas, tomando en consideración la configuración, en general, de cada una de las mismas, como una esfera de determinado diámetro, lo cual se hizo con el objeto de obtener gráficos en los cuales las curvas de distribución fuesen más asequibles, aunque los valores aquí resultantes de esta operación son comparativamente similares a los obtenidos en la distribución en peso. Para poder realizar las conversiones planteadas, fue preciso auxiliarse de la ecuación siguiente :

donde : A' : Magnitud adimensional que representa el número de partículas de una fracción, considerando cada una de éstas como una esfe ra. En esta magnitud está incluido el error mínimo que puede surgir por la omisión del factor en el volumen de la esfera . P: Peso de cada fracción de determinado tamaño, tomando este último del valor del tamiz anterior en el que se encuentran las mismas depositadas .

D: Representación individual de la partícula, mediante la cual la suponemos como una figura esférica . Esta expresión lleva implí cito los siguientes aspectos de los cuales ella estará en función que son : a) Forma geométrica de cada partícula. b) Peso especifico de cada una de ellas . c) Diámetro de cada partícula . Es interesante observar el número y lugar de los máximos dentro de la curva de distribución de las partículas, de acuerdo con el número y peso de las fracciones, ello está representado en la tabla 237 . Con referencia a la tabla 241, en la primera columna de la misma, se muestran todos los máximos obtenidos en cada fracción, para todas las curvas de distribución, calculadas sobre la base del número determinado de partículas. Es interesante observar la acumulación de máximos en la primera, tercera y cuarta fracciones, aunque se debe señalar que es probable que en la primera fracción estén incluidos aún más máximos, a causa de la anchura que posee esta última columna, que es, aproximadamente, el doble de las otras fracciones . En esta misma

IMo C4 b f,solm l%)

1,s

5,2

4,6

e;4 - -8,0

s,s

u;z

lz ;s

14,4

oünmo 4o V mt4ub (l,Lm,10 .)

Fig. 240 Peso de la fracción contra el didmetro de las partículas.

PM do 10 Add"

(W 45

),6

3,2

0

6,4

9»

-0

- fi-,2

Í2,i olamom de lo~¡"

(N.m JO2)

Fig, 241 Peso de la fracción contra el diámetro de las partículas.

¡s

M

.A

6,4

de

5,0

i~~

np

wkrm e. ivee.m

Fig. 242 Peso de la fracción contra el didmetro de las partículas, TABLA 237 Hidromódulo Tamaño de partículas (t.m)

Número de nuiximos

Calibre del tamiz (wm)

10:1 Número de máximos

Calibre del tamiz (,km)

15:1 Número de máximos

-

0-40

1

0-40

-

0 .57

22

40-60

7

40-60

-

57-90

4

60 .80

7

60-80

4

90-120

9

80-120

12

80-120

21

120-145

10

120-160

2

120 -160

7

180-205

8

-

-

-

-

205-235

7

-

-

-

-

235-265

3

-

-

-

-

265-295

3

-

-

-

-

295-322

1

-

-

-

-

322-352

3

-

-

-

-

470 .487

1

-

-

-

-

430

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúW

tabla, se pueden observar los resultados obtenidos con los análisis con tamices, al hacer un análisis comparativo de los resultados de los máximos por medio de cálculos y por medio de tamices, se observa, predominantemente, una acumulación de los máximos en el'rango cercano a 120 pm. El valor en longitudes de partículas obtenido aquí, coincide con los valores reportados por Battista y Smith para el polvo triturado de celulosa microcristalina . En el rango que se ha investigado, no se conocen antecedentes acerca de las unidades morfológicas de las fibras celulósicas . Battista y Smtih encnoartronH,t-cslzJt, sicas. Battista y Smith encontraron para el polvo de celulosa microcristalina, partículas de algunos miles de angstrüms o algo más de 10 wm. 3.2. XANTATO DE CELULOSA El xantat9 de celulosa es el producto intermedio que se obtiene como resultado de la maceración, en primer término, de la celulosa y, posteriormente, el tratamiento del producto obtenido de la anterior etapa con bisulfuro de carbono, de esta forma se consigue el xantato de celulosa. La maceración se ha efectuado, utilizándose concentraciones de hidróxido de sodio entre 15,5 - 20,02 % y usando tiempos de reacción de 30 - 90 min, a temperaturas de 15,0 - 22,0 °C. El contenido de hemicelulosas se controló a 0,6- 1,0 "io . El factor de prensado del álcali celulosa resultante, fue ajustado a 3,3. La operación de desmenuzado se extendió a 40-90 min; de 9,0- 12,0 "io del álcali celulosa quedaron en malla de 0,25 in. El proceso de envejecimiento se llevó a efecto de forma adecuada, de manera tal que se lograse una viscosidad de 40-70 s por el método de caída de bola. En esta etapa fueron usados tensoactivos indicados en cantidad entre 90-425 ppm. Para la - xantación se utilizó 40- 120 min, se reguló la temperatura y se añadió entre 30 - 45 % de bisulfuro de, carbono . La disolución se lleva a cabo, utilizando 1,5 - 3,0 h, a temperatura menor de 100 °C, aquí se añade bisulfuro de carbono de 4,0-9,0 % sobre la base de celulosa. En esta etapa fueron añadidos agentes modificadores de la viscosa en cantidades entre 0,5 - 2,5 "io sobre la base de la celulosa . La filtración es efectuada a través de un filtro prensa común, obteniéndose viscosas aptas para la hilatura y para determinadas regeneraciones . 3.2.1 Producción de fibras En la producción de filamentos, la viscosa es obligada a pasar, bajo presión, a través de válvulas llamadas surtidores, que a su vez tienen en sus cabezales orificios muy finos por donde fluye la viscosa, estos cabezales de los surtidores _ están sumergidos en un baño llamado de coagu-

lación. Los filamentos de viscosa, salientes de estos surtidores, son coagulados de inmediato y estas fibras coaguladas que han salido de cada surtidor (cada surtidor posee un gran número de orificios), se combinan en un haz principal y continúan el flujo, simultáneamente ; a través de los siguientes baños, se le somete al estiramiento y se colecta en aparatos al efecto, en forma de bobinas . El tamaño del haz principal, en el caso de filamento continuo rayón, varía desde 40 hasta 2200 denier, el número de filamentos por haz varia desde 14 hasta 960. En la producción de fibrana, el número de orificios por surtidores es mayor, en algunos casos varios millares, y el tamaño del haz principal por surtidor puede ser tan alto como 10 000 denier y, en algunos casos, mayores . Después de la formación y cuando la coagulación de la viscosa es completa (la regeneración de la celulosa puede ser o no completa), el haz fibroso es sometido a cierto número de operaciones, incluyendo el estiramiento, lavado, desulfuración, blanqueo, acabado o tratamiento con aceite, secado, embobinado . Cuando el blanqueo es necesario, al mismo le sigue el proceso de desulfuración y usualmente se lleva a cabo con solución de hipoclorito de sodio con un contenido aproximado de 0,05 de cloro. Después de la desulfuración y el blanqueo, el haz fibroso puede recibir otros tratamientos tales como acabado y tensión después del cual es secado . La última operación, que es en extremo importante para establecer las propiedades del producto final, puede ser llevada a cabo con o sin tensión. En algunos casos, la tensión durante el secado puede ser uniforme para minimizar algunas de las diferencias entre enlaces. Los filamentos pueden ser cortados para formar fibrana, inmediatamente después de su coagulación o lavado, y los subsiguientes procesos llevarlos a efecto en las fibras cortadas o también se pueden continuar los haces fibrosos de varios surtidores en forma de una soga y entonces procesarlos, en esta forma, después de la cual la misma es cortada a la longitud deseada y entonces secada . Entre las funciones del baño de coagulación, está coagular la celulosa dispersa en la viscosa y descomponer el xantato remanente, por lo menos una parte de él, neutralizar el álcali libre, descomponer las sales de los productos colate. rales y ser compatible con los productos colaterales de la reacción. La más importante fun. ción es, sin duda, coagular y regenerar la viscosa de forma tal que se consiga una masa plástica homogénea y a una velocidad que permita a los filamentos coagulados que sean llevados, rápi-

QUIMICA

DE

43 1

LA CELULOSA

damente ; a través del flujo sin ninguna interrupción. La composición normal que se debe usar en el baño de coagulación es: ácido sulfúrico de 7,0- 13,0 % y sulfato de sodio de 13,0-25,0 % . El sulfato de magnesio o el sulfato de amonio son algunas veces, usados en lugar de todo o parte del sulfato de sodio . Además, en el baño de coagulación, en la actualidad, se puede utilizar sulfato de cinc, en cantidades entre 0,5 - 2,0 % y en otros casos se añaden compuestos orgánicos tales como glucosa y agentes humectantes o dispersantes . 3.2.2 IProdueción de películas Las características de las celulosas que se usan para la producción de distintos productos del rayón son casi iguales . Entre la producción del rayón y la del celofán existe cierta diferencia, una de ellas es la que está presente en el diseño de los surtidores para uno y otro caso y otra diferencia es la distribución y el tipo de baños y lavado con que se tratan los productos en sus distintas etapas de tratamiento . Para la producción de las películas de viscosa, es necesario que ésta esté desaereada, de aquí ésta ingresa al dosificador que la envía a través de los filtros antes de ésta pasar a la zona del surtidor y de ahí a la ranura, para su formación en el baño de coagulación, de aquí se envía al baño regenerador después de pasar por rodillos exprimidores de escurrimiento de la película. Posteriormente, la película pasa al baño de lavado donde se regula la alcalinidad. La próxima etapa es el blanqueo que se realiza en el tanque con solución de hipoclorito de sodio . De aquí pasa a cilindros escurridores y penetra en el equipo secador. Después del equipo de secado, la película entra en el humedificador donde se equilibra, uniformemente, la humedad en toda la película. Las películas del celofán, así obtenido, se pueden observar en la tabla 238. En la producción de la película de viscosa, es muy importante la sección de regeneración y tratamiento de la misma. En esta área hay alrededor de 14 baños que están adaptados a los requerimientos específicos del proceso tecnológico, están distribuidos en la siguiente forma : Baños de regeneración Como mínimo 4,0 Baño de desulfuración

1,0

Baños para el primer lavado Como mínimo 2,0 Baños para Baños para Baños para acabado de

el .blanqueo el 2" lavado el suavizado y película

Como mínimo 3,0 Como mínimo 2,0 Cumo mínimo 2,0

TABLA 238

Celofán

Propiedades

Transparencia (%)

(40

g/m%;

Elongación en anchura (%) (min) {en longitud Permeabilidad al aire celofán para empaquetar

22,0

% glicerina)

(cinta de

2,5

cm)

13,0 10,0

burbujas de aire/m' diámetro máximo 2 mm 8,0

Resistencia a la penetración (kgJcm') (min) 1` calidad Resistencia al choque (kg/cm) (glicerina 11,8 %) Absorción de agua (g/m2) (H.R.-60 %; Calibres Peso básico 40 30 (mm) 1(g/tn')

24 h)

60

Tenacidad % glicerina, 14,3 (kg) I%humedad- 5,7 H.R.:

90,0

longitud ancho

3,0 4,60 14,4 0,020 0,026 0,040

15,8 11,6

humedad relativa.

Todos estos baños se dividen en las secciones correspondientes y pueden, de acuerdo con la producción que se requiera, ser intercambiados, además, tienen sus sistemas de calentamiento separados por secciones y por baños y como se relataba anteriormente están provistos de rodillos para transportar la película y aplicarle a la misma diferentes tratamientos. 3.3

ESTERES DE CELULOSA

Los ésteres de celulosa, en los últimos tiempos, han tenido un desarrollo no uniforme en lo referente a su producción aunque es. cierto que algunos productos que están colocados dentro de esta clasificación, han generado un alza en todos los sentidos: producción, utilización diversificada y conquista de mercado, como es el caso del acetato de celulosa en toda su gama de tipos; se tiene al nitrato de celulosa que no se puede decir que su producción ha disminuido, en sentido absoluto, pero es cierto que ha habido en este éster celulósico una reducción en lo referente a utilización diversificada y, por lo tanto, conquista de mercados, en la actualidad se puede decir que su utilización está limitada a la obtención de lacas y en un tanto por ciento significativo, a la de producción de pólvora sin humo, que sirve de base a la confección de explosivos, además se emplea en un tanto por ciento

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

432

relativamente bajo para la elaboración de algunos tipos de plásticos especiales. 3.3 .1 Producción de nitrato de celulosa El proceso de producción del nitrato de celulosa es, al mismo tiempo de una tecnología dificultosa, extremadamente de cuidado, ya que los mismos reactives y el producto en cuestión, pueden formar mezclas con el oxígeno del aire de carácter explosivo . Uno de los métodos usados para la obtención de este producto, es el proceso mecánico, el cual se puede describir de la siguiente manera. El equipo consta de un tanque que mantendrá el volumen constante de ácido, desde aquí el ácido, ya medido, ingresa en el equipo nitrador, aquí la celulosa se añade al ácido, mientras se mantiene agitación constante. En este método la concentración del ácido deberá ser exactamente mantenida y ajustada a la materia prima que se usa o, por el contrario, no se obtendrá el producto que se desea ; por otra parte, los incendios son frecuentes en la centrífuga, si no se tiene el cuidado de que el producto no baje demasiado el contenido de ácido, que debe ser no menor del mínimo . Al nitrato de celulosa se le somete al proceso de estabilización, hirviendo el material a presión y a una temperatura cercana a 105 °C . La celulosa nitrada retiene la mayoría de las características físicas de la materia prima original, con excepción de que las fibras son fuertes y brillantes . Las principales características del nitrato de celulosa son el contenido de nitrógeno y la viscosidad, esta última depende de la materia prima y de las condiciones de nitración . El peso molecular del nitrato de celulosa se puede determinar por osmometría, pero los resultados son diferentes a los obtenidos por viscosimetría. La solubilidad del nitrato de celulosa en acetona está más influida por la unifqrmidad de la nitración, que por su grado de nitración . En la tabla 239 se pueden observar resultados de diferentes muestras de nitrato de celulosa, indicadas en función de sus contenidos de nitrógeno para diferentes campos de utilización . TABLA 239 Contenido de nitrógeno (26)

Uso del nitrato de celulosa

10,7

Plástios

11,2

Películas, lacas

11,8

Lacas, cuero artificial

12,4

Explosivos

El nitrato de celulosa puede así mismo ser combinado con pigmentos, plastificadores, materias colorantes, etc ., para obtener productos que se aplican a superficies para su acabado y para impartirles propiedades especiales. 3.3.2 Producción de acetato de celulosa Como es conocido, el acetato de celulosa, es el de más alta producción, en comparación con otros derivados químicos tanto ésteres como éteres de celulosa . Los acetatos de celulosa se eniplean, ampliamente, en la obtención de fibras, membranas, películas y plásticos, entre otros productos . Antiguamente se obtenía el acetato de celulosa a partir del algodón ; más tarde, y en el momento presente, se utilizan los linters de algodón . El perfeccionamiento de nuevos métodos de obtención de celulosa a partir de la madera con características de pureza alta y con no menos reactividad durante la acetilación, produce una celulosa que en el presente, es la de más amplia utilización en la producción de acetatos. Es interesante que al mismo tiempo que se obtenía la celulosa de la madera por el método de las cocciones ácidas, en los últimos tiempos se ha comenzado a usar para la acetilación la celulosa al sulfato. Se conocen múltiples investigaciones para la obtención de acetato de celulosa a partir de materia prima no maderable, por ejemplo : de la paja de arroz, bambú, Arundo donnax, sin embargo, ni uno de estos tipos de materia prima encontró utilización práctica. Significativo interés constituye la investigación de la síntesis de acetato de celulosa a partir de celulosa del bagazo. La obtención, a partir del bagazo, de celulosa con características suficientes para lograr de ella derivados químicos y, en especial, acetato de celulosa, constituye un problema más complicado. Se conocen trabajos acerca de la preparación de celulosa para viscosa a partir del bagazo, básicamente cocción al sulfato con prehidrólisis y algunos trabajos encaminados a la generación de fibras de viscosa a partir de estas celulosas . Se han realizado las pruebas para la obtención de tales tipos de productos de la viscosa, para las cuales no se necesite demasiada alta calidad -en la celulosa, como es el caso de la fibrana y el celofán . Pero aún más complicado es la síntesis, sobre la base de la celulosa del bagazo, de acetatos de celulosa, que pueden, con éxito, convertirse en fibras, membranas, películas o plásticos . 332.1 ACTIVACION DE LA CELULOSA La activación de la celulosa se lleva a efecto, para aumentar la reactividad en la misma, por medio de la accesibilidad de los reactives con

43 3

QUIMICA DE LA CELULOSA

los cuales se vaya a tratar . Se usaron 2 métodos de activación llamados : método normal y método fuerte, consistente, el primero, en tratamiento de la celulosa, con humedad conocida, con ácido acético glacial en relación entre 1 :05 - 1 :1, manteniendo la masa en reactor hermético durante 0,5 - 2,0 h, a temperatura de 80 - 110 °C. La segunda variante de activación se desarrolla de la forma siguiente : se usa solución de ácido acético a 82 %, usando una relación entre celulosa y ácido de 1 :25-1 :50. La celulosa es tratada en un reactor provisto de agitador de alta velocidad durante 60 min a temperatura ambiente, posteriormente, se le separa el ácido por medio de centrifugación y se lava con porciones de ácido acético glacial y así mismo se centrifuga y se deja húmeda la celulosa así activada. 332.2

DETERMINACIóN DE LA REACTIVIDAD

La reactividad de la celulosa, antes de la acetilación, se ha determinado por medio del efecto térmico, medido en el recipiente de Dewar (Fig. 243) . La celulosa ya activada, se le trató

bajo agitación fuerte, en medio de ácido acético, en relación 1 :1 - 1 :0,6 . La temperatura de la suspensión antes de comenzar la reacción es de 25'C . Se acompañan las curvas de acetilación, siguiendo el aspecto térmico de la reacción (Fig. 244) . La filtración de estos siropes se determinó bajo los parámetros siguientes: temperatura 30'C, presión 2,5 kg/Cm 3. Para la medición de algunas características fue necesario la centrifugación de los siropes (1 h ; 2 600 rpm) . Las características de las celulosas usadas en esta investigación se muestran en la tabla 240. Las características de los "siropes" de acetato, obtenidos en las acetilaciones de diferentes muestras celulósicas del bagazo y la madera, activadas con ácido acético glacial y solución a 82 % de ácido, se muestran en la tabla 241 . En la tabla 241 se observa que como resultado de la más efectiva activación (con solución de ácido acético a 82 %) se han obtenido "siropes" más transparentes . Las características de las soluciopes obtenidas de celulosa prehidrólisis sulfato, son de inferior valor a las obtenidas' sobre la base de la celulosa digestión nítrica del bagazo y de la celulosa al sulfito de la madera. .` Es interesante analizar la influencia del tipo de materia prima y el régimen de activación, en una de las más importantes características tecnológicas, que es la filtración de los "siropes". En la figura 243 se presentan los resultados de los experimentos efectuados en el sistema de coordenadas : tiempo en el cual se efectuó la filtración (t), contra la relación entre tiempo de filtración y el volumen del filtrado . Los resultados de la filtración de los "siropes", obtenidos a partir de las diferentes muestras y regímenes de activación, se calcularon de acuerdo con la ecuación : (40) donde: K : constante (m -1). r: Tiempo de filtración (s). v: Cantidad de filtrado (m 3) obtenido a través de 1 m 2 de sección del filtro en el tiempo

Fig . 243

Recipiente de Dewar.

m " : Velocidad inicial de filtración

m3

m2 . s

,

Fig. 244 Curvas de acetilacidn.

TABLA 240

Características

Celulosa al sulfato de bagazo

C~sa digestidn nítrica del bagazo

a-celulosa (%)

94,0

95,4

Celulosa sulfilo de la madera Rauma C. 94,2

Petitosanas (%)

3,39

1,88

2,05

Cenizas (%)

0,184

0,062

0,005

Fe (ptm)

67,0

Grado de polimerizacidn Número de cobre Brillantez, en grado Elrepho (%) Coeficiente de amarillezam Contenido de polisacáridos 'determinado por cromar de papel (%

960 0,39 82,5 0,094

28,0 1150

1120

0,57 91,6 0,058

92,7 0,063

TABLA 240 Celulosa al sulfato de bagazo

Celulosa digestión nítrica del bagazo

Celulosa sulfito de la madera Rauma C.

94,87

95,78

97,07

Xilosa

4,51

1,00

2,12

Galactosa

0,005

0p1

0,06

Arabinosa

0,56

0,14

0,73

Caracteristicas Glucosa

r

la método de determinad etmta da de a en p celuloso, se ef~ pre realizando~ lizando una m eztraccldn las c~Imestoa solubles ptasentea en V celulosa, con ácido acético acial m relactén 1:10-tse, donate 5,0-8,0 h . El COCEMente de amarilla: del extnMO, se determina aseado los valore* obra nidos en la e:tracddn, pera resolver la siguiente eaacidn: Tw .Tsr

K ar

a.

donde: Tos Y Tu, son Iguales a transmlsldn de la luz m tantos por ciento, am bogitudes de onda de 610 Y éta mato.

TABLA 241

Características de los siropes

Celulosa Celulosa Celulosa digestión sulfato sulfato nítrica de la del del madera bagazo bagazo

Activación con ácido acético glacial Sirope no centrifugado Transparencia en fotocolorimetro (%) Viscosidad (cP)

4,9 168

10,8 143

12,0 148

Sirope centrifugado Transparencia en fotocolorirnetro (%)

43,2

74,1

68.7

Coloración en fotocolorbnetro (%)

52,0

22 .6

24,5

Activación con ácida acético a 82 % Sirope no centrifugado Transparencia en fotocolorllaetro (%)

22,0

35A

-40,2

436 A partir de las rectas de la figura 245 se pueden determinar las magnitudes K y w-, las cuales presentamos en la tabla 242 . TABLA 242 W. (m/s)

K (m - ')

Tipo de celulosa

Régimen de activación

Sulfato del bagazo

AcOH glacial a 80 *C

4,4

5,3

Sulfito de la madera

AcOH glacial a 80'C

12,9

5,3

Nítrica del bagazo

AcOH glacial a 80 *C

5,4

3,2

Sulfato del bagazo

AcOH solución a 8246

5,8

4,0

Sulfito de la madera

AcOH solución a 82%

10,7

3,6

Nítrica del bagazo

AcOH solución a 82%

8,2

2,3

T/v{

m3

G OW

3 000

4 000

3 000

2 000 i

1 000

300

1000

1900

20M

Fig. 245 Dependencia entre relación tiempo-volumen de filtrado y el tiempo de filtración .

437

QUIMICA DE LA CELULOSA

cuestiones interesantes, éstas se muestran en la tabla 244 . El triacetato de celulosa obtenido fue hidro]izado hasta un contenido de ácido acético combinado en el acetato de 54-55 °i6 . Después de la precipitación el acetato de celulosa se lavó y secó . Las características del acetato obtenidas a partir de los análisis realizados en el acetato de celulosa, se muestran en la tabla 245 .

332.3 OBTENCIóN DE ACETATO DE CELULOSA A PARTIR DE PULPA, DIGESTIóN NITRICA Conociendo las características positivas, demostradas, de este tipo de pulpa, se procedió a la obtención de acetato de celulosa, a partir de 3 muestras de diferentes características, que presentamos en la tabla 243 . El método empleado para el tratamiento de estas celulosas fue el método periódico de acetilación homogénea, en medio de cloruro de metileno . Se utilizó el método de activación normal (AcOH glacial a 80"C), seguido de la acetilación en módulo 1 :10, en presencia de catalizador ácido sulfúrico 1,0 °rb y, en otro caso, catalizador binario ácido sulfúrico 0,4 "io, más ácido clórico 0,16 % . Cuando dichas pulpas se someten a la acetilación, se observa en ellas, toda una serie de

3.4 ÉTERES DE CELULOSA Los éteres de celulosa ocupan un lugar de importancia entre los derivados químicos de la celulosa, aquí se agrupan toda una serie de compuestos químicos celulósicos que, evidentemente, se deben tener en cuenta en la economía nacional, entre éstos se encuentran el CMC, etilcelulosa, metilcelulosa, etc ., todos de amplia utilización en la industria moderna.

TABLA 243

Características rccelulosa (90) Pentosanas (Wo) Cenizas (W6) Extractivos en dicloroetano (4b) Inclusiones minerales (mg/kg) Hierro Calcio

Celulosa patrón Florinie (USA) 96,6

97,7

97,7

95,6

2,6

2,3

3,1

2,8

0,12-0,20

0,13

0,14

0,18

0,24

0,20

-

0,19

6-10 4,6

Magnesio

12,22

Dióxido de silicio

47,0

G.P. en cadoxeno

Celulosas del bagazo 2 3

1

1500

1485

1400

1360

Solubilidad (96) Solución NaOH a 10

3,4

3,9

3,4

3,5

Solución NaOH a 13

2,3

1,1

1,4

1,6

92,0

88,9

89.9

88,0

Brillantez (°h) Longitud promedio de fibra (mm) Penetración del AcOH (kg/h)

1,4 600-800

0,5 500

500

43 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 244

Características

Celulosa del bagazo

Celulosa Fío~

Constante de velocidad de acetilaci6n (min) Color del sirope con relación a la mezcla acetilante (%)

0A6

I

2

3

-

0,60

0á6

%A

Siropes obtenidos a nivel de laboratorio Coloración (%)

7410

65 .0

740

92A

8110

75,0

31,0

Z7,0

30,0

12,0

3,0

3.5

3,5

Transparencia (%) Filtración (%)

33,0

TABLA 245

Características

Requisitos

Acido acético combinado (%) Viscosidad relativa

53,7 . 54,9 0,47

Viscosidad de solución 23%

600-900

Transparencia (cm) Coloración

14

Cenizas (%) Acido libre (%) Termoestabilidad ('C)

a - celulosa: hidróxido de sodio : cloro acético = 1,0 : 1,9: 1,8.

54,5 0,41

53,8 0,47

54,0 0,55

285

1072

1184

9

9

9

025-0,45

0,79

0,87

0,69

0,07

0,03

0,03

0101

0,02

0,02

0,02

0,01

210

3.4.1 Producción de CMC La celulosa que se ha usado en la producción del derivado químico, en esta ocasión, es del tipo digestión-nítrica, cuyas características se muestran en la tabla, 246. Las síntesis del CMC han sido efectuadas en un equipo del tipo mezclador de la marca Verner-Pflader con una capacidad de 30 1. El ácido monocloroacético usado, esto es la sal sódica del mismo, contenía 91,5 % de parte activa. La relación molar entre los componentes de la reacción fue la siguiente :

Diacetatos de celulosa 1 2 3

208

207

210

Fueron efectuadas 3 síntesis, se obtuvo, en cada una de ellas, un rendimiento promedio de 2,5 kg de producto técnico . Estos productos fueron sometidos a su caracterización respectiva, obteniéndose los resultados que se presentan en la tabla 248. Los productos aquí caracterizados, de grado técnico, fueron posteriormente sometidos al proceso de purificación. Los productos así purificados fueron sometidos a una serie de análisis para su caracterización y así tener más completa información acerca del tipo de derivado obtenido . En la tabla 249 se presentan los resultados de estas determinaciones .

439

OUIMICA DE LA CELULOSA TABLA 246 Características Grado de polimerización (en Cadoxeno)

TABLA 247

NI

N2

N3

1295

1360

1320

Pentosanas (%)

3,1

2,9

3,5

acelulosa (%)

94,3

95,1

93,8

Brillantez (%)

85,4

87,1

87,5

Contenido en el dtcali celulosa

(%) 30,0-32,0

«celulosa

Cenizas (%)

0,21

0,16

0,18

Ceras y resinas (en dicloroetano)

0 .30

0,27

0,26

Solubilidad en NaOH 18% (%)

2,7

1,9

2,1

Carbonato de sodio

1,5-2P

Hidróxido de sodio

13,5-14,6

Humedad

51,5-55,0

TABLA 248

Características

CMC patrdn pertoracidn pozos de Petrdleo

CMC de celulosas del bagazo N2 N3 NI

G.S. (no menor)

82,0

83,4

82,7

86,9

Alcalinidad (%)

5,0

4,2

4,4

4,1

Contenido activo (%)

52,0

53,3

56,7

56,8

Cloruro de sodio (%)

24,6

25,0

23,9

22,4

G.P. (no menor)

500

609

725

728

Cenizas (%)

37,5

37,8

38,9

42,6

Solubilidad en agua (%)

99,3

99,7

99,9

99,9

a.s .:

gmdo do =setueim.

El CMC tomado como patrón de comparación, ha sido del tipo usado en la perforación de pozos de petróleo, con el objeto de disminuir la tensión de los lodos y aumentar el sellado de las paredes de la perforación, este CMC ha dado muy buenos resultados en este campo. Las características de éste han sido superadas por las de ,los CMC obtenidos a partir de celulosas del bagazo, en casi todos los aspectos, con excepción de la alcalinidad en los productos no purificados . En relación con los productos purificados se tiene que éstas están por debajo de las especificaciones del patrón tomado en este caso, aunque es válido significar que las diferencias, en algunos casos, son pequeñas . Coti

referencia a a viscosidad es necesario aclarar que el patrón tomado es un CMC de muy alta pureza, de alta viscosidad, o sea, que aquí no es válida, exactamente, la comparación, ya que se ha tomado sólo como punto de referencia. El derivado químico en cuestión, se puede obtener a partir de otros tipos de celulosa del bagazo, por ejemplo, de la celulosa prehidrólisis sulfato, del tipo llamado pulpa para disolver, últimamente ha resultado algo novedosa la obtención del derivado químico a partir de celulosa del tipo papelera (para producción de papel), pero aún más, ésta sin haber sido blanqueada, esto es cruda . Haciendo alusión a la celulosa prehidrólisis-sulfato, es necesario aclarar que, esta celulosa

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 249 CMC patrón grado alimenticio (Francia)

Características

CMC purificado a partir de celulosas del bagazo N1 N12 N3

G.S.

89,5

87,2

89,1

87,8

Contenido activo (%)

97,7

79,6

80,3

80,5

G.P. Solubilidad en agua Cenizas

(aio)

P.E. (soluc, a 3,0 I.R. (soluc, a 3,0

aio) aio)

Viscosidad (cP) Cloruro de sodio

m

750

760

765

100

100

100

100

23,8

(aio)

Alcalinidad

800

20,2

21,5

20,8

1,0077

1,0073

1,0071

1,0070

1,332

1,336

1,334

1,334

808,0aa

70,7

78,5

79,4

(4b)

(aio)

CMC grado alimenticio, de alta viscosidad (máxima pureza) . P.E .: peso especifica . 1 .R. : índice de refracción .

es obtenida en equipos de escala de planta piloto, cubriendo todas las etapas de su obtención, las necesarias, para así conseguir una celulosa con especificaciones de alta calidad, a partir del bagazo . La velocidad de la reacción de eterificación depende, en alto grado, de la temperatura a la cual se efectúe el proceso, también se debe señalar que un aumento en la cantidad del ácido monocloroacético o del monocloroacetato de sodio se traduce en una aceleración de la reacción en cuestión . La velocidad de la reacción de eterificación depende, en alto grado, de la temperatura a la cual se efectúe el proceso, también se debe señalar que un aumento en la cantidad del ácido monocloroacético o del monocloroacetato de sodio se traduce en una aceleración de la reacción en cuestión. En esta ocasión, se ha estudiado el efecto de la temperatura, tiempo de reacción, relación NaOH/CICH ICOOH, sobre las características de los productos obtenidos, partiendo de celulosa prehidrólisis-sulfato. Las características de la materia prima se muestran en la tabla 250 . Los productos obtenidos de las síntesis, usando los regímenes antes señalados, fueron sometidos a su caracterización, determinando en ellos el G.S. y la solubilidad, usando el método de Wilson y el estándar alemán TGL, respectivamente . En la tabla 251 se presentan los re-

TABLA 250 Características G.P. (en Cuen) Pentosanas

(ah)

Celulosa prehidrólisis-sulfato 1120 1,52

a-celulosa

(aio)

94,80

Brillantez

(aia)

87,60

Cenizas

(aio)

0,87

sultados obtenidos en algunos de los produc. tos sintetizados . Todos los productos obtenidos se disuelven en agua ya que su G.S. es superior a 0,3, como se sabe los CMC de G.S. igual o menor a este valor, sólo son solubles en soluciones acuosas de álcali . Con referencia a la obtención de CMC a partir de celulosa del tipo usado para la producción de papel, es necesario significar que ha sido una idea llevada a la práctica y con resultados que han sido halagüeños . La celulosa usada para la obtención del CMC, es del tipo a la soda del bagazo, cuyas características se presentan en la tabla 252.

QUIMICA

DE

LA

44 1

CELULOSA

TABLA 251

Relación NaOH/C1AaOH

moles NaOH/CIAcOH

Tempera, tura ('C)

Tiempo reacción (h)

G.S.

Solubilidad ° ( i6)

2,0 :1

0,74 :0,37

50

4

0,89

%,5

2,0 :1

0,32 :0,16

60

4

0,64

63,7

2,0 :1

0,74 :0,37

60

3

0,85

97,0

2,0 :1

0,74 :0,37

60

3

0,85

97,0

2,0:1

0,74 :0,37

70

2

0,73

82,5

3,0 :1

0,48 :0,16

50

3

0,68

79,4

3,0 :1

1,11 :0,37

50

3

0,89

%,5

TABLA 252

Características a.celulosa

(48)

Pentosanas

Cenizas

(°h)

(96)

Viscosidad (cP) G.P.

TABLA 253

Celulosa a la soda 76,21 24,82 0,55 11,95 1160

Cao

60,2

Fe,O,

55,6

Sio2

78,5

A partir de celulosa que no sea de suficiente calidad para obtener de ella derivados químicos, se puede conseguir CMC no purificado, como el que se usa en las perforaciones de pozos para la búsqueda de petróleo. Las características de los CMC obtenidos de la celulosa en cuestión, se muestran en la tabla 253 . Como se ha observado en el contenido de este material, la producción de CMC a partir de celulosa del bagazo de la caña de azúcar, no sólo es factible como tal, sino también que es posible obtener toda una gama de productos, para utilizarlos en distintos campos de la industria .

Relación CMC molar Grado de Solubi7idad NaOH/ sustitu. (48) CIMOH ción

Celulosa Soda (cruda)

3,0 :1,0

0,89

92,0

Soda (cruda)

2,0 :1,0

0,86

78,0

Soda (blanqueada)

1,9 :1,8

0,89

93,0

Soda (blanqueada)

2,0 :1,9

0,87

90,5

Sulfato

2,0 :1,0

0,90

96,7

(blanqueado)

4 Diagrama de flujo para la producción de derivados de celulosa. Equipamiento Entre los productos derivados de la celulosa, que tienen una exigencia extrema en la calidad de la materia prima, se encuentran los microcristales de celulosa o polvo de celulosa como suele llamársele a este producto. El diagrama de obtención del mismo, se puede observar en la figura 246. En este flujo de producción se pueden significar los equipos siguientes: a) Equipo

desmenuzador,

sin aletas cortantes .

b) Equipo mezclador, donde se realiza un contacto temporal entre la celulosa y la solución . c) Reactor, en el cual se realiza la reacción, está provisto de agitación, calentamiento y debe ser hermético .

442

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

d) Equipo de filtración, puede ser del tipo centrífuga en dependencia del tamaño de partícula .

g) Si no se tiene el molino provisto con los tamices, se hace necesario un equipo tamizador con su juego de tamices.

e) Un equipo secador, preferentemente de columna a contracorriente, aunque puede usarse del tipo transportador de banda.

h) Equipo empacador de cosido de sacos multicapas o sellado de sacos de polietileno.

f) Equipo de molinado con tamices intercambiables, para obtener el tamaño de partícula deseado.

Otro de los productos que se obtienen de la celulosa es el xantato de celulosa que como intermediario, permite, más tarde, que la celulosa sea vuelta a su estado de orientación cer-

MEZCLADO CON SOLUCION HIOROLIZANTE

CELULOSA

PROCESO DE

PROCESO DE

HIDROLISIS

FILTRACION

TRATAMIENTOS DE

PROCESO DE

ACONDICIONAMIENTO

SECADO

PROCESO DE MOLINADO

Fig . 246

Flujo

de oótenci6n de polvo de celulosa

443

QUIMICA DE LA CELULOSA

cano al inicial, al producirse, a partir de ello, productos tales como : celofán, fibrana, rayón, hilaza textil, etc . El diagrama de flujo para la obtención de dicho producto, es el que se muestra en la figura 247 . En esta secuencia tecnológica se incluyen los siguientes equipos : a) Equipo de maceración, batch o continuo .

para hojas

CELULOSA

en

b) Equipo desmenuzador para tratar el álcali celulosa. c) Equipo para envejecer el álcali celulosa obtenido. d) Equipo para tratar el álcali celulosa con bisulfuro de carbono . e) Equipo para efectuar la disolución del xantato de celulosa .

MACERACION

DESMENUZADO

XANTACION

DISOL.UCION

MADURACION

FILTRACION

DESAEREACION

FIERAS LISAS

IBRAS FINAS CORTADAS

(RAYON)

(FIBRANA)

PELICULA PLANA

BLOQUE POROSO

(CE LOFAN)

F FIBRAS FINAS LISAS ( HILAZA TEXTIL)

Fig. 247 Flujo de obtención de xantato de celulosa.

(ESPONJA)

444

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CASA DE AZÚCAR

f) Equipo para la maduración de la viscosa. g) Equipo para la filtración de la viscosa. h) Equipo eliminados de las burbujas de aire en la viscosa. i) Máquina formadora .

es, sin duda, el nitrato de celulosa, cuyo flujo de producción se presenta en la figura 248. En las diferentes etapas de este flujo se pue den citar los siguientes equipos básicos: a) Equipo reactor para nitración . b) Equipo para separación del nitrato del medio .

Un derivado químico de la celulosa, de consideración por su importancia y estrategia, lo

CELULOSA

c) Equipo para la colección producto.

NITRADOR

CENTRIFUGADOR

ACONDICIONADOR

ESTABILIZACION

SECADO

Fig. 248 Flujo de obtencldn de nitrato de celuloso .

temporal del

445

OUIMICA DE LA CELULOSA

d) Equipo para los tratamientos ulteriores del nitrato. Igualmente importante es el acetato de celulosa, que es usado en múltiples propósitos y que su flujo de obtención lo presentamos en la figura 249. En los diferentes pasos del flujo para su obtención se pueden desglosar los equipos siguientes: a) Equipo reactor para la activación de la celulosa. b) Equipo reactor para la activación de la celulosa.

c) Equipo reactor para la hidrólisis del acetato de celulosa. d) Equipo purificador para el acetato de celulosa. e) Equipo lavador del acetato de celulosa. f) Equipo estabilizador del acetato de celulosa . 9) Equipo secador del acetato de celulosa. Por último, se muestra el flujo de producción de CMC, este derivado químico es de muy

Fig. 249 Flujo de oótencidn de acetato de celulosa .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

amplia utilización en toda una serie de renglones de la economía nacional . En la figura 250 se muestra la secuencia de su obtención, en ella se, utilizan los equipos que siguen :

e) Equipo para proceder a purificar el CMC (lavador) . f) Equipo secador del CMC (secador) .

a) Equipo para efectuar la maceración .

g) Equipo para triturar el CMC (molino) .

b) Equipo para ajustar la relación de prensado (PWR) en el álcali celulosa .

h) Equipo para tamizar y uniformar las partículas de CMC .

c) Equipo ción.

i) Equipo para empacar el producto temti. nado.

para

efectuar

la

carboximetila-

d) Equipo para extraer el líquido de la masa de CMC .

CELULOSA

MACERACION

CARBOXIMETILACION

CMC EXTRACCION DEL LIQUIDO

CMC IMPURO

PURIFICACION

CMC PURIFICADO

MOLINADO

Fig. 25 0 Flujo de obtención de CMC.

SECADO

TAMIZACION

QUIMICA DE LA CELULOSA

S Perspectivas del desarrollo de otros derivados de la celulosa, a partir de la pulpa para disolver del bagazo Como se ha observado, las perspectivas de utilización de la celulosa del bagazo de la caña de azúcar, en la obtención y producción de derivados, tanto químicos como físicos y de celulosas regeneradas, son de carácter muy positivo, ya que el camino andado, aunque no muy amplio, señala que el futuro de los derivados es de gran significación, tanto desde el punto de vista de estrategia económica, como desde la posición de solucionar problemas y necesidades que, actualmente, inciden sobre el aspecto tecnológico en no pocos campos de la industria nacional. De todos los derivados anteriormente citados no se han explotado sus posibilidades al máximo, por lo que todavía la producción de éstos tiene amplios horizontes . En los últimos tiempos, se ha introducido toda una serie de mejoras en el flujo tecnológico de la producción de pulpas para disolver, que lógicamente tiene su resultado positivo, entre éstos se pueden citar : a) Aumento de la pureza de las pulpas obtenidas, que redunda en una posible mayor reactividad. b) Mayor pureza de las pulpas, lo que incrementa el campo de utilización de éstas en la obtención de otros tipos de productos derivados. La industria nacional está dando grandes saltos cuantitativos y cualitativos con vistas a salir del subdesarrollo : tecnológico, científico-técnico, económico, y en este andar incesante, se tienen grandes dificultades que muy bien pudieran ser solucionadas con las respuestas positivas salidas deteste tipo de gestión. En Cuba, actualmente, se tienen las condiciones favorables para el exitoso desarrollo de otros tipos de derivados celulósicos y la organización de la producción de los que hasta ahora ya se tiene cierta experiencia e información emanada de sus investigaciones . Y como si fuera poco todo lo anteriormente dicho, hemos obtenido resultados magníficos al producir derivados indicados para cierta esfera de la economía a partir de celulosa para disolver sin blanquear, lo cual amplía aún más las posibilidades de utilización de estas pulpas celulósicas. O sea, que las perspectivas de desarrollo de los derivados, en general, son halagadoras y, en particular, para aquellos del tipo simple así como del tipo compuesto, también se vis-

447 lumbra, en un período más alejado, otra generación de éstos que son derivados a partir de derivados, que constituyen también otro campo de investigaciones en lo que respecta a sus obtenciones a partir de celulosas para disolver del bagazo .

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Capítulo XVII POLIMEROS FURÁINICOS Jrsús L. GoNzÁLm Pi sz

1 Introducción Se denominan polímeros furánicos, a las macromoléculas que se forman a partir de compuestos monoméricos de la serie del furano, tales como el furfural, el alcohol furfurílico, vinil furano, 5 metí¡ furfural, alcohol tetrahidrofurfurílico, etc. También se clasifican dentro de este tipo de polímero, a los productos obtenidos al hacer reaccionar algunos de estos monómeros furánicos con cetonas, aldehídos, aminas, fenoles y otros compuestos orgánicos . Los polímeros furánicos de mayor aplicación en la industria son los derivados del furfural, del alcohol furfurílico y de las furfurilidenacetonas. Los monómeros furánicos son polifuncionales por tener en su estructura dobles enlaces en el anillo, grupos carbonilos y enlaces vinflicos en la cadena lateral, así como la gran labilidad del átomo de hidrógeno de la posición 5 del anillo. A causa del carácter polifuncional de estos monómeros es posible la síntesis de oligómeros termorreactivos, los cuales, por influencia térmica o termocatalítica, dan jugar a la formación de polímeros infusibles e insolubles de estructura espacial reticulada. Entre las propiedades fundamentales de los polímeros furánicos reticulados, se encuentra su alta estabilidad térmica, la cual está entre los 300 y 500 °C, su estabilidad química frente a la totalidad de los agentes agresivos; se exceptúan solamente los agentes fuertemente oxidantes, además estos productos presentan un alto residuo pirolítico el cual alcanza, en ocasiones, de 85 - 90 % . Estos productos poliméricos tienen una buena estabilidad a las radiaciones, así como propiedades dieléctricas aceptables . El proceso de endurecimiento de los oligómeros furánicos provoca un incremento sustancial en la densidad de los polímeros obtenidos, el cual va desde 1100 - 1200 hasta 1400- 1 500 kglms, por consiguiente, se produce una contracción volumétrica en el producto final, lo que da lugar a rajaduras en el material y provoca una dismi-

ORLANno DE LA

OsA Gox~z

nución de las propiedades mecánicas del polímero. Por esta razón, los polímeros furánicos se utilizan, en la práctica, unidos con rellenos minerales en polvo, con fibras sintéticas o naturales, los cuales no solamente reducen los defectos del producto durante el proceso de endurecimiento, sino que también dan la posibilidad de explotación de los polímeros furánicos en un campo más amplio de aplicaciones. Los oligómeros furánicos son utilizados, también, para la modificación de oligómeros epóxidos, oligómeros derivados del fenol formaldehído, de poliésteres insaturados y otros polímeros, con el objeto de aumentar sus estabilidades térmicas y químicas. Los polímeros furánicos se conocen desde el momento del descubrimiento del furfural por Dübereiner, en 1832, el cual fue el primero en observar la formación de productos poliméricos durante el proceso de obtención de este aldehído. Stenhouse, en 1840, y Fownes, en 1845, observaron un sensible incremento en la velocidad del proceso de formación de polímeros del furfural, al efectuarse esta reacción en presencia de ácidos minerales y álcalis . Posteriormente, se estableció que el proceso de formación de pobmetros derivados del furfural se aceleraba en presencia de ácidos orgánicos, sales de ácidos, halogenuros de algunos metales, etc. Maunier, en 1916, fue el primero que recomendó la utilización de los polímeros de condensación del furfural con las cetonas, al establecer que, el furfural produce una reacción de condensación con aldehídos o cetonas, en presencia de catalizadores ácidos o alcalinos. En 1928, Trickey y Minen establecieron que el alcohol furfurílico al ser calentado hasta 170 °C o al elevar la temperatura hasta 80 °C, en presencia de 0,1 % de un ácido mineral, forma un producto oligomérico . Sin embargo, a pesar de existir una inmensa cantidad de polímeros furánicos solamente han encontrado aplicaciones industriales los productos de condensación del furfural con la acetona, los polímeros del alcohol furfurílico y modificaciones de éstos con otros compuestos oligoméricos .

451

IOLtMEROS FURANICOS

Si se varían las proporciones molares de furfural y acetona es posible obtener otras relaciones de mono y difurfurilidenacetona, las cuales darán lugar a polímeros de diferentes propiedades físico-mecánicas y químicas . La síntesis de los productos oligoméricos de las furfurilidenacetonas se efectúa de la siguiente manera : en un reactor enchaquetado, provisto de agitador y condensador de reflujo, se adicionan las cantidades necesarias de furfural y acetona, y se agitan durante 10 min y posteriormente, a la mezcla se le adiciona el catalizador (solución a 20 % NaOH) . Esta reacción es fuertemente exotérmica por lo que es necesario enfriar el reactor, haciendo pasar agua a través del enchaquetado, a temperatura de 10 - 14 °C. La temperatura óptima para la reacción exotérmica está entre 47-52T . Después de terminada la reacción exotérmica, la masa reaccionante se calienta hasta 86-96T y se mantiene en este rango de temperatura por un tiempo de 6 h, seguidamente se enfría hasta 25-30T

2 Métodos de síntesis de polímeros furánicos, de extendido uso industrial

2.1 POLIMEROS DERIVADOS DE LAS FURFURILIDENACETONAS Los polímeros del tipo furfurilidenacetona han sido aplicados en diversas ramas de la industria química y de la construcción . A continuación se estudiarán las distintas reacciones de formación de los monómeros y los métodos de síntesis de uso más frecuente. Como se señaló anteriormente el furfural es capaz de reaccionar con la acetona obteniéndose monómeros polifuncionales . La monofurfurilidenacetona y la difurfurilidenacetona (Fig. 252) se obtienen, por reacción del furfural con la acetona, en presencia de un catalizador alcalino, ya sea en medio acuoso o alcohólico . 0 -C-S

+

0 -CH .CH-C-CH3 +

(CH3 ) 2C0

Fig.

251

Formación

de

monofurfurilidenacetona.

0 -C-H

+

(CH3 ) 2C0

Fig . 252

Formación

Ro_~

Composición en tantos por ciento de los productos de la reacción del furfural con la acetona en relación molar 1:1 Monofurfurilidenacetona Difurfurilidenacetona Oligómeros Furfural libre

65-70 20 .25 2-5 1

Agua

0,5-1,5

Contenido de cenizas

0,1-0,4

CH " CH] 2CO ,

+

2 320

de difurfurilidenacetona .

Cuando este proceso se efectúa en cantidades equimoleculares de furfural y acetona, se obtiene una mezcla de productos de reacción el cual se muestra en la tabla 254. TABLA 254

H20

y se adiciona solución de ácido sulfúrico a 30 % hasta pH entre 4 - 6. A continuación se separa la fase acuosa y se seca la fase orgánica bajo presión reducida . El esquema tecnológico de la producción de oligómeros de las furfurilidenacetonas se muestra en la figura 253. El producto obtenido es un líquido de color carmelita oscuro o negro, insoluble en agua y soluble en acetona, tolueno, etanol y otros disolventes orgánicos, de densidad a 20 °C, superior a 1,09 g/cm3 y pH del extracto acuoso entre 4 y 6. El tiempo de gelificación a 180 °C, en presencia de ácido bencenosulfónico a 3 °/s debe ser inferior a 90 s. Estos oligómeros se utilizan para obtener polímeros con diferentes especificaciones, en dependencia de las composiciones relativas de monofurfurilidenacetona y difurfurilidenacetona. Para el proceso de endurecimiento de estos oligómeros se utilizan catalizadores iónicos tales como, ácidos orgánicos e inorgánicos, halogenuros de metales, etc.

45 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZULAR

Fig. 253 Esquema tecnológico para la producción de oligómeros del tipo fur. furilidenacetona . 1 . Tanque enchaquetado para destilar furfural. 2, 6 y 8. Condensadores. 3. Recipiente colector de furfural. 4. Dosificador de catalizador. 5. Reactor de síntesis. 7. Tanque enchaquetado . 9. Dosificador de ácido para neutralizar.

El proceso de formación de estos polímeros ha sido muy estudiado por diferentes autores en los últimos años, pero hasta el presente no se han encontrado mecanismos y explicaciones adecuados para la diversidad de incógnitas que existen en este proceso . 2.2 POLIMEROS DERIVADOS DEL ALCOHOL FURFURILICO El alcohol furfurílico es un líquido incoloro, de temperatura de ebullición 170 °C, densidad igual a 1282 g/cm3 e índice de refracción n20 = 1,48515. Este producto es soluble en agua, en todas proporcione4, es muy soluble en la mayoría de los solventes orgánicos, exceptuando las parafinas . En el laboratorio, el alcohol furfurílico se puede obtener a partir del furfural mediante la reacción de Kannizaro . Industrialmente, el alcohol furfurílico se obtiene, por hidrogenación catalítica del furfural, por métodos continuos y discontinuos, en fase líquida o en fase vapor . Los procesos continuos de hidrogenación de furfural son mucho más eficientes que los discontinuos . El Instituto de Investigaciones de la Industria del Plástico de la URSS, propone un proceso continuo de hidrogenación de furfural para la producción de alcohol furfurílico, el catalizador utilizado es la cromita de cobre (mezcla de CUO y CUCrA04 en proporciones de 1 :0,7), estabilizado con 10 "io de óxido de metales alcalinotérreos . El catalizador se utiliza

en forma de tabletas de 4 X 4 mm, las que contienen de 3 - 5 % de grafito . La reacción se efectúa a presión de 100 atm y temperatura de 95 - 100'C. Por este método se obtienen hasta 95 % del valor teórico . Aunque el alcohol furfurílico polimeriza rápidamente por acción del calor, son utilizados, usualmente, diversos catalizadores tales como ácidos y á-alúmina . La polimerización del alcohol furfurílico en presencia de catalizadores ácidos, se explica por la deshidratación intermolecular entre el hidroxilo de una molécula y el hidrógeno activo en la posición 5, del anillo de otra molécula, como se muestra en la reacción que aparece en la figura 254. La deshidratación también puede ocurrir por reacción entre 2 grupos metilol para formar éter furfurílico como se muestra en la reacción que se ve en la figura 255. Un polímero típico de alcohol furfurílico se presenta, éntonces, como se muestra en la figura 256. Se supone que n es mucho mayor que m. Algunos de estos oligómeros se han separado de los productos de reacción por destilación al vacío o por cromatografía de gases, y sus estructuras se identificaron por técnicas de espectrometría de masa, espectrometría infrarroja y resonancia magnética nuclear . También se ha determinado la existencia de otras reacciones . Por ejemplo, la producción de formaldehído en este proceso, se debe, presumiblemente, a la des-

453

POLIMEROS FURÁNICOS

+

H

-CH2 -OH

-CH

2-

0 \ -CH20H + H20 0

-(CH2- / \ )m-CH2O

-CH

OH

2-

Fig. 254 Deshidratación intermolecular .

+

_CH

2-

OH

H

0

-CH2 o-CH2 -

Fig. 255 Formación de éter furfurílico.

Or

1~ cx2 -

0

~n

cx2_o_cx2-((CH2oH)0 6 1 0

Fig. 256 Polímero, típico del alcohol furfurílico.

composición térmica de las estructuras que aparecen en la figura 257 . El compuesto difurfurilmetano se ha identificado, positivamente, en polímeros de alcohol furfurílico y se presume que sea el resultado de la reacción de degradación del éter furfurílico o del 5 furfuril alcohol furfurílico .

La formación de estructuras tridimensionales, es el estadio final del proceso de polimerización del alcohol furfurílico, lo que da lugar a la aparición de productos sólidos infusibles e insolubles . De acuerdo con investigaciones realizadas el formaldehído producido, mediante reacciones colaterales, da origen a reacciones + CH 2 0

-CH 2OH

-CH 2 -0-CH2 Fig. 257 Formación de formaldehído.

Bajo ciertas condiciones de acidez en medio acuoso se puede lograr la ruptura del anillo furánico del alcohol furfurílico, a través de una serie compleja de reacciones, lo que da lugar a la formación de ácido levulínico, como se indica en la reacción que se muestra en la figura 258 .

de entrecruzamiento, con formación de estructuras reticuladas . También se presume que la apertura de los dobles enlaces del anillo furánico contribuyen, de una manera notable, a la formación de estructuras entrecruzadas . Una posible estructura 0 n

0

H

CH3 -C-CH2 -CH 2 -C-OH Fig. 258 Ruptura del anillo furdnico.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

454

O ;o-CH2 -

- CH2

H2C -

CH2 0 C11

2

- (:"2 0

0

Fig. 259 Apertura de los dobles enlaces del anillo furdnico . de la macromolécula reticulada se representa en el esquema que se muestra en la figura 259. Los productos de condensación del alcohol furfurílico en los primeros estadios del proceso de polimerización, están formados por cadenas poliméricas lineales de bajo peso molecular, los cuales tienen la apariencia de un líquido viscoso de color ambarino. Estos productos de bajo peso molecular son solubles en muchos disolventes orgánicos, tales como : benceno, acetona, alcohol, etc . La viscosidad de estos productos aumenta a medida que se incremente el número de anillos furánicos en la cadena polimérica y la solubilidad disminuye a medida que ocurre el proceso de oligomerización ; por estas características es posible conocer hasta qué grado se ha llevado a efecto la reacción. Los productos de bajo peso molecular de la homopolimerización del alcohol furfurílico dan lugar a la formación de polímeros infusibles e insolubles, por la acción de catalizadores ácidos a temperatura ambiente u otras temperaturas . En calidad de agentes reticulantes se emplean ácidos orgánicos e inorgánicos y halogenuros de metales . La producción de oligómeros derivados del alcohol furfurílico se compone de 3 procesos fundamentales : condensación, neutralización y secado . El proceso de síntesis se realiza según el esquema tecnológico que se muestra en la figura 260, y se utiliza la siguiente técnica ope-

ratoria . En un reactor provisto de agitación y condensador de reflujo se añaden 10 partes de alcohol furfurílico por cada parte de agua, se agita la mezcla formada y 'se eleva la temperatura hasta 85°C. Después de alcanzada esta temperatura se detiene el calentamiento y se adiciona el agente catalítico (anhídrido maleico) en cantidad de 0,04 partes del mismo por cada parte de agua . La reacción exotérmica transcurre de manera enérgica, la masa reaccionante se eleva hasta 95-100 °C, donde comienza a reflujar el agua presente en el sistema. Terminado el tiempo de reacción, se enfrla rápidamente y se neutraliza con solución de NaOH a 20 % . Posteriormente, se separa la fase inorgánica, y la fase polimérica se seca a presión reducida . Las características fisicoquímicas del producto final del proceso dependen del tiempo de reacción . Las propiedades del producto final para un tiempo de reacción de 10 min se exponen en la tabla 255 . Los productos poliméricos derivados del alcohol furfurílico tienen diversas aplicaciones en la industria, los cuales serán tratados, posteriormente . 2.3 OTROS POLIMEROS DERIVADOS DEL ALCOHOL FURFURILICO Además de los polímeros obtenidos por homopolimerización del alcohol fufurílico, tienen

455

POLTMEROS FURANICOS TABLA 255 Propiedades del producto final Viscosidad (cp) a 20 °C

7 836

pH

7,0

Densidad a 20 *C

1,23

Peso seco (%)

78,2

Alcohol furfurtlico libre (%)

14,2

Contenido de ácido levulinico (%)

<0,1

Humedad (%)

< 1,0

amplia aplicación en la industria de fundición, los polímeros obtenidos por reacción del alcohol furfurílico con el formaldehído y las modificaciones de éstos con urea. El proceso de formación de polímeros por reacción entre el alcohol furfurílico y el formaldehído, transcurre dando lugar a la aparición de polímeros lineales, a causa de reacciones de condensación entre el grupo hidróxido del alcohol y el hidrógeno activo del formaldehído . Estos procesos, en sus primeros estudios, dan lugar a la formación de estructuras monoméricas de los tipos que aparecen en la figura 261.

Fig. 260 Esquema tecnoldgico de lo producción de productos homopoliméricos del alcohol furfurilico .

456

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

O

- CH2 0-CH2 -OH

-CH2 0-CH2 -0-CH2 O Fig. 261 Productos de la reacción entre el alcohol furfurílico y el formaldehído.

También han sido encontradas estructuras típicas de la homopolimerización de alcohol furfurílico (Fig. 262) .

noméricos . Entre los que han tenido una mayor aceptación en la industria se encuentran : los polímeros obtenidos por condensación del fenol y el alcohol furfurílico ; del fenol, el alcohol furfurílico y el formaldehído ; y del alcohol furfurílico, formaldehído y urea. 3 Aplicaciones fundamentales de los polímeros furánicos Los polímeros furánicos a causa de sus excepcionales propiedades químicas y físicas han encontrado aplicaciones en diversas ramas de la técnica . Estos productos han tenido una extensa aplicación en la elaboración de hormigones y recubrimientos anticorrosivos de elevada resistencia mecánica para la industria química y de la construcción, como aglutinantes de arenas de moldeo en la industria de fundición, en la fabricación de plásticos reformados de usos especiales en la obtención de objetos moldeados, etc. 3.1 HORMIGONES POLIMI;RICOS FURANICOS

Fig. 262 Estructuras de homopolimerización del alcohol furfurílico.

Los monómeros así formados reaccionan entre sí, aleatoriamente, para dar polímeros lineales, cuyas estructuras no han sido estudiadas de manera sistemática hasta el presente . En la literatura aparece reportado un enorme número de patentes de producción de este tipo de resina, pero prácticamente no aparecen reportes acerca de los mecanismos y la cinética de estos proceses. La producción de polímeros por condensación del alcohol furfurílico con el formaldehído, en presencia de catalizadores ácidos, transcurre a un pH entre 1,5-3,5 . Es posible obtener polímeros líquidos de estructura lineal con una composición de 90 - 95 "io de alcohol furfurílico y de 5 - 10 % de formaldehído por acción del anhídrido maleico como catalizador . Este producto líquido se reticula en presencia de agentes ácidos y da lugar a estructuras sólidas infusibles e insolubles, por la acción reticulante del propio formaldehído y, además, por apertura de dobles enlaces del anillo furánico . En la literatura aparecen reportes de productos de condensación del alcohol furfurílico con furfural en presencia de catalizadores ácidos . Existen, además, un gran número de productos poliméricos obtenidos por modificación del alcohol furfurílico con diversos compuestos mo-

En la actualidad, se incrementa cada vez más, la aplicación en la industria, de hormigones y masillas anticorrosivas furánicos, sobre la base de polímeros de furfurilidenacetona, a causa de sus altas propiedades químicas, mecánicas y térmicas. En esta sección del presente trabajo, se estudian las propiedades fundamentales de los hormigones plásticos, sobre la base de polímeros de furfural-acetona, también se hará énfasis en los métodos y cuidados de elaboración de estos productos, así como en las aplicaciones más frecuentes en la industria . Los datos que se expondrán son resultado de los estudios realizados en el ICIDCA en los últimos 10 a, así como datos que aparecen reportados en la literatura relacionada con estos procesos y aplicaciones . 3.2 MATERIALES UTILIZADOS PARA LA ELABORACION DE HORMIGONES PLÁSTICOS Los hormigones plásticos, como cualquier otro tipo de hormigón, están compuestos por varios materiales, entre los que se encuentran, fundamentalmente : aglutinante, catalizador y relleno. El aglutinante es la parte polimérica del hormigón, formada por polímeros furánicos. El catalizador es la sustancia que se utiliza para endurecer el polímero y obtener un producto sólido, infusible e insoluble . El relleno, en la mayoría de los casos, está compuesto por grava de diferentes tipos, arenas de sílice y piedra pulverizada (harina de piedra) .

457

POLIMEROS FURANICOS

A continuación se estudiará el papel que representan las diferentes partes que componen los hormigones plásticos y su influencia en las propiedades de los mismos, desde el punto de vista de su aplicación en la industria . 3.2.1 Aglutinantes En los últimos años, los aglutinantes furánicos más difundidos en la elaboración de hormigones plásticos, han sido los polímeros derivados de la furfurilidenacetona. Las propiedades físicas y químicas de los productos oligoméricos de las furfucilidenacetonas ya han sido tratadas en la sección dedicada a los polímeros obtenidos por reacción del furfural con la acetona. 3.2.2 Rellenos Los materiales utilizados como rellenos minerales para la elaboración de hormigones y masillas poliméricas se pueden clasificar en rellenos gruesos y finos . Los rellenos gruesos son los que tienen un tamaño de partícula superior a 5 mm de diámetro y los de tamaño menor de 5 mm de diámetro constituyen el relleno fino. Entre los materiales más utilizados se encuentran : arenas de sílice, cascajo, grava, piedra pulverizada, harinas de andesita y diabasa . Estos materiales no deben poseer impurezas de carbonato en su composición, a causa de que éstas provocan una disminución en las propiedades de los hormigones. Los índices de resistencia físico-mecánica de los hormigones y masillas poliméricas aumentan a medida que se incrementa la superficie específica del relleno, a causa de una mejor adhesión entre el polímero y el relleno . Utilizando rellenos de baja densidad se logran hormigones ligeros para diferentes fines en la industria . En la tabla 256 se reportan los valores de resistencia a la compresión y a la tracción de hormigones elaborados con diferentes tipos de rellenos . 3.2.3 Catalizadores Los hormigones poliméricos furánicos se endurecen, utilizando catalizadores iónicos ; los más frecuentemente utilizados son el ácido bencensulfónico, ácido p-toluensulfónico, ácido paraclorobencenosulfónico, ácido sulfúrico, halogenuros de metales, aminas, hidracinas, etc . Las propiedades de estos hormigones van a depender de la naturaleza del catalizador y de la concentración del mismo . Los catalizadores más ampliamente difundidos y de mejores resultados son el ácido bencensulfónico ABS y el ácido sulfúrico .

TABLA 256 Dependencia de las propiedades mecánicas de los hormigones plásticos con diferentes rellenos Tipos de rellenos

Resistencia (kg/cm') Compresión Tracción

Arena sílice de :

Río Amur,URSS

1025

91

Río Volga,URSS

580

58

Mar Negro,URSS

500

60

Lago Karankul, URSS

697

80

Yacimiento de Cortés

750

200

Yacimiento Santa Bárbara, Cuba

650

150

84

18

1280

120

Hollín

890

110

Asbesto molido

280

95

Lignina

280

62

Yeso

210

5o

Otros materiales

Grafito amorfo Harina de andesita

Los catalizadores pueden ser utilizados directamente en la mezcla, o con ayuda de un solvente apropiado . Los solventes de mayor uso para la disolución de los catalizadores son, el alcohol etílico y la acetona . En la tabla 257 se muestran los valores de resistencia a la compresión y el tanto por ciento de endurecimiento con ácido bencensulfónico en acetona y etanol . De la tabla 257 se deduce que la acetona es el mejor disolvente del ácido bencensulfónico, ya que provoca un mayor grado de endurecimiento y una resistencia a la compresión superior que las soluciones alcohólicas . La cantidad de catalizador utilizado en la preparación de los hormigones y masillas poliméricas tiene una marcada influencia en las propiedades físico-mecánicas de los mismos . Como se muestra en la tabla 258, al aumentar la cantidad de ácido bencensulfónico en los hormigones poliméricos, se incrementa la resistencia a la compresión y disminuye el tiempo de curado del material . Como se observa en la tabla 258 por encima de 25 % del catalizador ácido bencensulfónico,

458

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 257

Influencia de los disolventes del ácido bencensulfómco en la resistencia y el grado de endurecimiento de los hormigones poliméricos Tiempo de endurecimiento a temperatura de 80°C (h)

Resistencia a la Grado de endu. compresión recimiento (kg/cm') (48) Disolventes Disolventes

Etanol Acetona Etanol Acetona 6

388

662

88,7

91,7

10

546

790

90,7

92,1

24

570

838

90,4

92,4

TABLA 258 Dependencia del tiempo de endurecimiento con la concentración del catalizador [ácido bencensulf6nico (ABS) l

de catalizador respecto al polímero (4B)

Cantidad

Resistencia a la compresión (kg/cms)

Tiempo de endurecimiento (min)

18

384

90

20

978

75

25

1283

55

30

1300

30

40

1350

25

no se incrementan, considerablemente, las propiedades físico-mecánicas . La resistencia mecánica de los hormigones y masillas poliméricas, está determinada por diferentes factores, entre los cuales se encuentran la composición del polímero y del ácido bencensulfónico en los hormigones y masillas, el régimen de curado, la naturaleza de los rellenos minerales, etc. 3.3 INFLUENCIA DE LA CONCENTRACION DEL POLIMERO Y DE LOS RELLENOS En la tabla 259 se observa, cómo varía la resistencia a la compresión de los hormigones poliméricos, al aumentar la cantidad de polímero

respecto al relleno, manteniendo una concentración de catalizador constante (ácido bencensulfónico a 25 % respecto al polímero) . TABLA 259 Influencia de la concentración del polímero furánico en las propiedades físico-mecánicas de los hormigones plásticos Tanto por ciento de .polímero furánico respecto al relleno

Resistencia a la compresión (kg/cm=)

12

724

13

756

14

1026

15

1 100

16

1209

20

1240

22

1263

24

1305

26

1392

28

1400

30

1374

Como se observa en la tabla 263 un aumento de la concentración del polímero superior a 26 4'0 no provoca una influencia apreciable sobre las propiedades físico-mecánicas del hormigón . En la tabla 260 se exponen las propiedades físico-mecánicas fundamentales de los hormigones plásticos, elaborados con 20 % de polímero respecto al relleno y 25 9b del catalizador ácido bencensulfónico, respecto al polímero en presencia de diferentes tipos de rellenos inorgánicos . Los resultados reportados. en la tabla 260 corra boran la influencia que tienen los diferentes tipos de rellenos en las propiedades físico-mecánicas de los hormigones . Además, es posible definir el rango de aplicación de estos productos, atendiendo a los requerimientos de la industria . 3.4 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE CURADO En el caso en que sea necesario obtener hormigones de rápido endurecimiento, se acelera el tiempo de curado, aumentando la temperatura

459

POLIMROS FURANICOS TABLA 260

Propiedades físico-mecánicas de los hormigones plásticos Harina de andesita

Propiedades

Mezcla arena/ /grava

Mezcla arena/ /grafito

Densidad (g/cma)

2,1-2,4

2,0-1,8

Resistencia a la compresión (kg/cm°)

580-700

700-800

Resistencia a la tracción (kg/cm°)

40-50

60-70

6-70

100-120

Resistencia a la flexión (kg/cm2)

120-140

200-300

180-200

300-350

Resistencia al impacto (kg . cm/cm2)

1,0-1,2

15-2,0

1,5-2,0

3,4-4,0

Resistencia térmica por el método de Martens

250-300

250-300

250-300

250-300

del sistema, utilizando para este fin aire caliente, calentamiento eléctrico, etc . En la tabla 261 se reportan los valores de resistencia a la compresión y el grado de endurecimiento, experiencias realizadas a temperatura de 80 °C, a diferentes tiempos de exposición, con 20 "io de polímero, respecto al relleno y 25 % de catalizador ABS, respecto al polímero; se utilizó como relleno harina de andesita. TABLA 261

Influencia del tiempo de curado en la resistencia a la compresión y el grado de endurecimiento de los hormigones Tiempo de curado a temperatura de 80 'C (h)

Resistencia a la compresión

(kg/cm')

Grado de endurecicimiento (46)

6

876

92,4

10

1039

93,0

20

1200

93,3

40

1230

94,0

96

1280

95,9

120

1300

95,9

De los resultados reportados en la tabla 261 se deduce que para un tiempo de estufado de 20 h se obtienen altos valores de resistencia a la compresión y un endurecimiento superior a 93 96 . Si se continúa el calentamiento como se muestra, no se produce una marcada variación en estas

Arena sílice 2,0-1,9

2,0-1,8

600-800 1000-1200

magnitudes . El tiempo de curado se puede acelerar trabajando a temperaturas superiores a 80°C, pero se corre el riesgo de que comience a producirse la destrucción del material polimérico de hormigón al ser expuesto por un período largo a la acción de temperaturas superiores.

3.5 INFLUENCIA DE LOS AGENTES QUIMICOS Los hormigones plásticos son materiales que tienen una alta estabilidad química, ante agentes tales como los ácidos orgánicos e inorgánicos, los álcalis, las soluciones salinas, los disolventes polares y no polares, los productos derivados del petróleo, los efluentes acuosos industriales y el agua de mar, sin embargo, presentan baja estabilidad química ante los agentes oxidantes . En la tabla 262 se reportan los valores de estabilidad química de hormigones furánicos elaborados, utilizando 20 % de polímero, respecto a relleno y 25 % de ácido bencenosulfónico, respecto al polímero, frente a distintos agentes agresivos y disolventes . En esta tabla se observa que el ácido nítrico, prácticamente en cualquier concentración, destruye los hormigones plásticos a causa de su gran poder oxidante. También el ácido sulfúrico a altas concentraciones (98 4B) provoca destrucción en estos materiales. El resto de los agentes químicos reportados en esta tabla no afecta, considerablemente, las propiedades físico-mecánicas de los hormigones poliméricos furánicos . Estas características indican el tremendo interés que tienen estos productos para su aplicación en la industria química y en otras industrias donde se trabaja con medios altamente agresivos.

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462

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

3.6 APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS HORMIGONES Y MASILLAS POLIMÉRICAS Las altas propiedades anticorrosivas y físico-mecánicas de los hormigones y masillas poliméricas, justifican su amplio campo de aplicación en la industria . Estos productos se utilizan en el recubrimiento de reactores de la industria hidrolítica y papelera, en el recubrimiento de las platinas de las presas, como recubrimiento anticorrosivo de metales, en la fabricación de pisos antiácidos, en tanques de solventes y productos químicos, para el recubrimiento de tuberías de diferentes diámetros, en baños electrolíticos, en chimeneas de fábricas de productos químicos, en cimientos de alta resistencia mecánica y química, etc. Estas son las aplicaciones más difundidas mundialmente . Por otra parte, en nuestro país se ha desarrollado, además, la aplicación de estos productos en la fabricación de locetas para las. salinas, en el recubrimiento anticorrosivo de las bases de bombas de ácido sulfúrico, en la industria del níquel, y en la elaboración de plantillas plásticas de pistones de vehículos automotores . En todos los casos, los resultados han sido altamente satisfactorios, tanto desde el punto de vista de sus propiedades fisicoquímicas, como de su evaluación económica. Estas nuevas aplicaciones permiten ampliar la diversidad de usos de los hormigones y masillas poliméricas furánicas en nuestra industria .

4 Aglutinantes poliméricos para fundición Los aglutinantes poliméricos fueron introducidos, por primera vez, a finales de la década de los años veinte y han asumido un papel primordial en la industria de fundición. Los principios básicos de aglomerar masas de arenas para producir machos o moldes no son nuevos, pero la adaptación de varios sistemas con sustancias poliméricas para este propósito no sólo es nueva, sino también ha revolucionado la industria metalúrgica . El continuo desarrollo alcanzado por la industria química, ha aportado innovaciones en los aglutinantes y evolucionado los métodos de producción . La nueva tecnología involucra resultados de operaciones más típicos y rápidos, calidad mejorada y vaciados más precisos. Los nuevos sistemas de aglutinantes son productos químicamente reactivos, de diferentes composiciones, pero que dan lugar'a un producto final de propiedades físicas superiores . Los procesos de endurecimiento se pueden .acelerar por medio de calor o de la acción de

catalizadores. Los productos endurecidos, serán infusibles e insolubles y nunca podrán regresar a su estado original. Los aglutinantes poliméricos difieren, considerablemente, en la cantidad de carbón que se forma al descomponerse en presencia del metal fundido . Todos los tipos de aglutinantes fenólicos y furánicos son capaces de producir, aproximadamente, 50 % de su peso como carbón al ponerse en contacto con el metal líquido . En los aglutinantes fenólicos y furánicos modificados, la cantidad de carbón formado será proporcional a su contenido de fenol o del derivado furánico. El carbón formado actúa como agente de unión de los granos de arena resistente a las altas temperaturas . Posteriormente, puede ser eliminado como CO o C02, cuando sea necesario, por acción del oxígeno. Es por esta razón, que los machos o moldes de arena seca aglutinados con sustancias poliméricas de tipos fenólicas o furánicas, presentan 'mayor resistencia a la temperatura y requieren mayores temperaturas y períodos de tiempo más largos para producir su destrucción . 4.1 AGLUTINANTES FURANICOS Desde la época en que se introdujeron los productos poliméricos de fraguado ácido, al final de la década de los años cincuenta, y al principio de los años sesenta, su uso se extendió rápidamente . Su principal función es la producción de machos de fundición y moldes de arena seca. La conversión del estado líquido al sólido se debe, completamente, a la acción catalítica de un ácido sobre la resina, a temperatura ambiente u otras temperaturas . Estas resinas son, básicamente, productos de la reacción del alcohol furfurtlico con formaldehído . Estos productos pueden ser sintetizados, variando las proporciones de las sustancias reaccionantes, de acuerdo con los requerimientos metalúrgicos y económicos. También son ampliamente empleados los productos poliméricos del alcohol furfurílico-urea-formaldehído, con el objeto de obtener determinados requisitos . Las características del producto varían con el contenido de nitrógeno. Uno de los principales criterios de calidad de los productos poliméricos utilizados en fundiciones, es el contenido de nitrógeno. Durante el proceso de fundición, como resultado de las reacciones que tienen lugar en la interfase metal líquido-arena aglutinada, se desprende nitrógeno gaseoso de la sustancia aglomerante, el cual se disuelve en el metal líquido . Posteriormente, al disminuir la temperatura del metal, la solubilidad del nitrógeno decrece y se desprende durante la cristalización de éste, dando lugar a que se presente la llamada porosidad gaseosa . La esta-

463

POLIMROS FURANICOS

bilidad del producto polimérico depende del contenido del componente furánico . Se recomienda que se utilicen productos poliméricos con contenidos de alcohol furfurflico y nitrógeno, en dependencia del metal que se desee fundir, según se muestra en la tabla 263 . TABLA 263

Influencia del contenido de alcohol furfurllico y nitrógeno en la estabilidad térmica de la resina y en su aplicación Alcohol furfurflico

Nitrógeno

No ferroso

25-30

10 .14

Hierro

50-60

3-10

Acero

60-90

0 .3

Fundición

1

so

Los productos poliméricos utilizados en fundición tienen una baja viscosidad entre 15 y 130 cP, a 25°C, por lo que producen excelente fluidez en las mezclas de arena, lo cual da resistencias óptimas con un apisonado mínimo . Los catalizadores ácidos más usados para endurecer el aglutinante son : el ácido fosfórico, en concentraoión de 75 y 85 % y el ácido paratoluensulfónico . La reactividad depende del tipo de polímero, de la calidad del catalizador utilizado y de la temperatura . La presencia de agua en las mezclas tiene un efecto negativo en el fraguado, lo cual se muestra en la figura 263 . La resina y el catalizador son altamente reactivos, por ningún motivo se deben premezclar ambos, ya que se producirá una reacción muy violenta e incontrolable. La mezcla de arena-aglutinante-catalizador se puede hacer por lotes, para ello el ácido se debe agregar a la arena y mezclar, perfectamente, antes de hacer la adición del producto polimérico . Si el ácido se agrega

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45

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TIEMPO DE DESMOLDEO

(Di#)

250

300

350

fosfórico (S,FOJ, en el tiempo de traguado con arena a temperatura ambiente.

Fig. 263 Recto de la concentración dd ácido

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

último, no se puede mezclar, pues "quemará" al polímero y se producirán puntos negros de aglutinante curado, y, por lo tanto, la mezcla quedará inservible. El problema de la "vida de banco" se puede eliminar usando mezcladores continuos . Dichos mezcladores están provistos de gusanos diseñados para medir las proporciones correctas de arena, catalizador y polímero . De esta forma se produce un buen mezclado, el cual se puede dirigir y colocar sobre la matriz de los machos . Esto trae como consecuencia, un ahorro de tiempo de manipulación y un aumento de la vida de uso de la mezcla . 4.2 OTROS FACTORES INFLUYENTES EN LA CALIDAD DE LOS MACHOS DE FUNDICION La experiencia ha demostrado que los factores más importantes en la calidad de la arena son : contenido de arcilla, superficie específica y humedad. 4.2.1 Contenido de arcilla Las arcillas absorben la fase polimérica y son de naturaleza alcalina . Esta absorción reduce las propiedades de resistencia del macho o molde y, en la mayoría de los casos, su alcalinidad disminuye la velocidad del curado del producto polimérico . El rango de pH deseado es de 6,8 a 7,2. Los aglutinantes poliméricos furánicos se catalizan con ácidos, por lo que en estos casos se prefiere usar arenas neutras o ligeramente ácidas. 4.2.2 Superficie especifica La superficie específica es un factor de mucha importancia en función del área que debe cubrir el aglutinante y del espesor de la película del mismo que se va a formar. Es muy difícil, y casi imposible, determinar la superficie específica de una mezcla de arena. Sin embargo, se puede hacer un cálculo aproximado, suponiendo que cada partícula es una esfera perfecta y que la malla por la cual pasa, es su diámetro . Este factor tiene una gran influencia en la calidad del acabado y la resistencia de los machos o moldes. 4.2.3 Humedad Si la humedad de la arena varía de 0,1 "io a 0,75 %, ésta requerirá el triple del tiempo de fraguado . Además, la humedad influye en la resistencia mecánica del molde. Por esta razón, es necesario realizar un control sistemático sobre la humedad de las arenas de fundición.

El contenido de agente aglomerante es otro factor de gran influencia en las mezclas de fundición. La resistencia de los machos y moldes aumentará a medida que se incremente el tanto por ciento de aglutinante en la mezcla . No se recomienda usar cantidades de aglutinantes superiores a 0,5 - 2 %, fundamentalmente por razones económicas . Mucho se ha dicho sobre la permeabilidad de las arenas secas aglutinadas y de los defectos que pueden producir en el vaciado. La condición óptima sería una estructura muy abierta, pero al mismo tiempo se desearía una que no impartiera un mal terminado a la superficie de las piezas . La permeabilidad se obtiene de forma experimental . La prueba más común mide el tiempo requerido para que un volumen determinado de gas pase a través de una probeta estándar a temperatura ambiente . Este factor tiene gran importancia para los procesos en que el agente endurecedor es gaseoso . Los agentes denominados aditivos se emplean para obtener efectos específicos en la fórmula de las mezclas de arena-polímero-catalizador . Se utiliza el óxido de hierro (Fe203), o el óxido de hierro negro (Fe304) (magnetita), para acelerar las transferencias de calor y solidificación del metal. El fluorato de potasio y el azufre se pueden agregar a las arenas usadas para el vaciado de magnesio, con el objeto de mejorar la calidad de las piezas fundidas . También se emplean aditivos comerciales como el Vinsol, el cual reduce la tendencia a formar fisuras en el molde. En la tabla 264, se muestran las características físico-mecánicas de arenas de moldeo aglutinadas con diferentes agentes aglomerantes . En esta tabla se comparan las características de los agentes aglutinantes de producción nacional, con un producto aglomerante de uso industrial de producción inglesa (Fursatil CS-300) . Los aglutinantes de arenas de fundición sintetizados en el ICIDCA, presentan características similares a los productos sintetizados comercialmente en otros países. Estos aglutinantes cubanos son productos poliméricos del alcohol furfurílico, modificados con formaldehído y urea. La principal ventaja de los productos poliméricos de fraguado ácido, estriba en su alta resistencia al calor. Los polímeros puros presentan mejores propiedades y sus modificaciones hacen variar las propiedades, proporcionalmente, con el grado de modificación . La resistencia al calor está en función de la cantidad de carbono formado a altas temperaturas . Los aglutinantes furánicos tienden a eliminar la tendencia a la deformación o a la fisura en los moldes. La principal desventaja de los aglutinantes furánicos es su capacidad a adherirse a la matriz.

POLIMEROS FURANICOS

465 TABLA 264

Caracterlsticas Físico-mecánicas de las arenas de moldeo frente a diferentes aglutinantes Resistencia compresión (kg/cm 2) (1 h) (24 h)

Permea. bilidad

Humedad (94)

Ce-62

140

0,7

12,0

> 12

Ce .66

3,5

H,P04 (40)

13

110

0,6

12,0

> 12

3,5

12

CD-55

H 3 PO4 (40)

88

0,8

4,3

> 12

4,0

H 3 PO4 (20)

14

Aglutinante

Resina (%)

Catalizador Vida de banco (wo) (min)

CD-43

73

0,7

10,0

> 12

3,0

CD-65

10

110

H3PO4 (30)

0,6

10,0

> 12

3,5

CS-300 Fursatil

H 3PO, (30)

11-15

0,4

12,0

> 12

CS - 300 Fursatil

2,5

PTS ññ (30)

10 .15

0,4

2,5

> 12

3,0

Furanicid VI

PTS (35)

12-14

0,8

9,7

18,5

3,0

H3PO4 (30)

12-14

Furanicid VII

0,7

10,0

16,5

2,5

H,PO, (15)

12-14

F-5

0,4

2,1

34

2,5

PTS (10)

F-5 (cromita)

12-14

0,4

2,0

29

2,5

PTS

10-12

se

(30)

PTS: ácido paretoluansulfónico .

Para eliminar esta adhesión se debe lubricar muy bien la matriz . 4.3 PROCESOS DE FABRICACION DE MACHOS POR ENDURECIMIENTO RAPIDO La fabricación de machos es, de todos los procesos de fundición, el que mayor evolución ha experimentado en los últimos 25 a. Sin embargo, cada nuevo procedimiento no ha supuesto la eliminación de los anteriores, sino más bien ha encontrado un campo de aplicación específico. Así, dentro de la misma fundición, podemos encontrar machos fabricados por procedimientos distintos según sea la forma, las dimensiones y la serie de piezas que se vayan a realizar . Los machos se pueden clasificar en 2 grandes grupos: los que endurecen mediante el suministro de calor y los que endurecen en frío . En estos últimos años, es notorio el auge alcanzado por los procesos de endurecimiento rápido, el más antiguo de los cuales se remonta a los años cincuenta, los avances más espectaculares se han efectuado en los últimos 10 a. Estos procesos de endurecimiento en frío se pueden clasificar de acuerdo con sus características en : 4.3.1 Proceso silicato-CO2 Las arenas aglutinadas con silicato de sodio endurecen por acción del dióxido de carbono .

El descubridor del proceso, indica que el endurecimiento era a causa de la reacción que se muestra en la figura 264 . El gel de sílice formado, actúa como cemento de unión entre los granos de arena . Según otros investigadores, el endurecimiento se produce a causa de que al aumentar la relación

S .02

Naz0 por formación de carbonato de sodio, aumenta la viscosidad, que es función del contenido de materia seca en el silicato de sodio. Un exceso de gaseamiento provoca la formación de bicarbonato de sodio, lo cual trae una disminución de la resistencia del macho . Este proceso cuyo desarrollo fue efectuado en la década de los años cincuenta, presenta notables ventajas : 1. Es rápido . Los machos y los moldes pueden ser confeccionados en pocos minutos . 2 . A causa de que el endurecimiento tiene lugar en cajas de machos, ésta puede ser simple y construida con materiales baratos . 3. No es necesario tratamiento térmico . 4. La exactitud dimensional es aceptable.

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

466

(Si02 )a1a2O-ME20

+

CO2

Me,2 CO3 " qu20

+

sí02 " PH20

Fig. 264 Proceso de endurecimiento del silicato de sodio, por la acción del dioxido de carbono. 5.

El

aspecto superficial es bueno.

6.

El

desprendimiento de gases es reducido .

Este proceso presenta varios inconvenientes a causa del método de endurecimiento, los que se relacionan a continuación : 1. Uno de ellos es la adsorción de humedad y del C02 del ambiente. 2. Los productos de la reacción de endurecimiento son inorgánicos y no se destruyen fácilmente por acción del calor. 3. Se producen dificultades en el desmoldeo . Para paliar estos inconvenientes se emplean varios aditivos. El más habitual es azúcar, que es añadido en porcentajes de 0,5 a 1 % . De esta forma se mejora la resistencia, la vida de uso y la destrucción del macho, después de ser utilizado en el proceso de vaciado . 4.3.2 Proceso no bake Con el objeto de encontrar sistemas de endurecimiento rápido, utilizando productos de fácil degradación, por el calor, se realizaron investigaciones con sustancias orgánicas, que dieron lugar a la aparición, en 1958, de un proceso en caja fría con polímeros furánicos . El endurecimiento se consigue por la acción de ácido sobre el aglutinante . En la actualidad, se utiliza como agente catalítico el ácido p-toluensulfónico y otros ácidos . En 1965, se introdujo el proceso alquilisocianato, el cual mezcla un aceite y un isocianato, y este sistema se cataliza con iones metálicos . En ambos sistemas, el endurecimiento es relativamente rápido y se necesita un tiempo de permanencia en la caja de machos antes de realizar el desmoldeo ; pues los machos no adquieren suficiente resistencia hasta pasados unos 10- 15 min. La "vida de banco" de la mezcla es muy corta y, por esta razón, estos sistemas son

aptos para ser utilizados en fabricación por disparos o por grandes series. 4.3.3 Proceso de caja fría (cold box)

La necesidad de encontrar un procedimiento rápido con compuestos orgánicos, fue el principal objeto de los investigadores hasta que, en 1968, se descubrió el sistema de isocianato en caja fría. El proceso de endurecimiento se produce por reacción entre un poliisocianato y un pollmero fenólico, catalizados por una amina terciaria, para dar lugar a un compuesto polimérico del tipo uretano, según la reacción que se muestra en la figura 265 . El catalizador se vaporiza en C02 y se inyecta a la caja de machos. La reacción de endurecimiento es muy rápida y el macho puede ser utilizado en el momento de su extracción de la caja. El proceso presenta notables ventajas: 1. El macho queda endurecido en un tiempo inferior a 1 min. 2. El macho tiene alta resistencia, sin presentar fragilidad . 3. Excelente exactitud dimensional. se producen deformaciones en el proceso de vaciado .

4.

No

5.

El desprendimiento de gases es bajo.

El proceso de desarenado se realiza con facilidad . Sin embargo, también existen algunos inconvenientes: 6.

1. La mezcla de arena-aglutinante se adhiere a la caja de machos . 2.

El poliisocianato y las aminas son productos tóxicos para el hombre, por estas razones se deben extremar los cuidados en su manipulación . 0 8 w -0-C-1- eo)

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Fig. 265 Endurecimiento del sistema de isocíanatos en caja fría

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467

POLIMEROS FURANICOS

4.3.4 Proceso aglutinante furánico-SO2 El mecanismo de endurecimiento se basa en la reacción entre un producto polimérico furánico de alta reactividad, con una composición de alcohol furfurílico de 65 a 75 45, mezclado con un agente oxidante, catalizado por S02 gaseoso, inyectado en la caja de machos . Los pasos en la preparación del macho son los siguientes: 1. Mezclado de la arena con el producto polimérico y el oxidante . 2. Fabricación del macho. 3. Gaseamiento con S02 y endurecimiento inmediato . El tiempo de gaseamiento es pequeño, aproximadamente de 1 s/kg de macho . El porcentaje en peso, respecto a la arena, de aglutinante varia entre 0,8 - 1,8 % . El peróxido se emplea en cantidad de 50 %, en peso, respecto al aglutinante . 4.3.5 Proceso Gis" En 1969, se dio a conocer, en Leipzig, el proceso Gisac de endurecimiento rápido sin gaseamiento. La reacción de reticulación se basa en la acción catalítica de un ácido orgánico sobre productos poliméricos furánicos o fenólicos de alta reactividad . Los porcentajes de aglutinantes y catalizadores respecto a la arena son elevados : Aglutinante furánico 245 Catalizador orgánico 2-2,5% La originalidad del proceso consiste en el mezclado de la arena y el catalizador en un mezclador convencional . A continuación la arena pasa a una tolva situada sobre la máquina de disparar. Por un tornillo de Arquímedes se extrae la cantidad de arena necesaria para confeccionar el macho . Esta cantidad se introduce en un pequeño mezclador y se adiciona la cantidad de aglutinante requerida. Se mezclan los componentes por un período entre 2 y 10 s y la mezcla preparada es dispersada sobre la caja de machos. Los machos disparados pueden ser extraídos de la caja al cabo de 20-30 s y no adquieren sus características definitivas hasta 1/2 h después de su confección. Por sus características este sistema sólo es apto para ser disparado y no parece ser muy económico, a causa de los altos consumos de aglutinante y catalizador . 4.3.6 Proceso Fascold El proceso Fascold es semejante al Gisac y se comenzó a utilizar en la industria en el año

1971 . Este sistema consta de una máquina especial, cuya principal característica es que en ella se mezclan, por separado, parte de la arena con el aglutinante furánico y parte con el catalizador, uniéndose ambas mezclas en una cámara de reacción, de donde es vertida a la caja de machos. Por este procedimiento se pueden fabricar machos hasta de 54 kg y no es necesario dispararlos . El endurecimiento es regulable a voluntad, en función de los porcentajes de aglutinante y catalizador y varía entre 30 s y 3 min. Para el uso de los machos se deben esperar hasta 30 min después de sacados de la caja. 4.3.7 Proceso de caja tibia (warm box) Este proceso utiliza aglutinantes fenólicos o furánicos y un catalizador similar a los usados en los sistemas de caja caliente . La mezcla se endurece por el calor suministrado por una corriente de aire caliente e 150 - 220 °C, durante un tiempo aproximado de 20 s. Las cajas de los machos no se calientan a más de 40°C, por lo que se pueden utilizar cajas de machos similares a las de cualquier otro sistema en frío . 4.3 .8 Proceso Pep-Set Como extensión del proceso en caja fría apareció, en 1970, el proceso Pep-Set, en el cual la reacción dé endurecimiento es debida a la acción catalítica de una piridina alquilica, sobre una mezcla de un aglutinante fenólico, y un poliisocianato. La mezcla de arena presenta una buena fluidez. La "vida de banco" es casi 80 % del tiempo de endurecimiento, lo cual es una ventaja frente a otros sistemas (no bake). En el momento de extraer el macho de la caja, pese a estar endurecido, presenta una buena elasticidad, lo que permite elaborar machos de mayor complejidad . 4.3.9 Proceso Syn-Cure Este proceso se introdujo en la industria de fundición polaca alrededor del año 1972. En este proceso se utiliza un aglutinante que permite un desarenamiento rápido y fácil . El aglutinante está excento de humedad y no contiene, en su composición, nitrógeno, además el endurecimiento tiene lugar por el paso del aire a través del molde. El mecanismo de reticulación puede ser debido al arrastre de un componente muy volátil del aglutinante o bien por oxidación de compuestos orgánicos insaturados . La duración del gaseamiento depende del peso del macho, y varía entre 1 y 3 s a presión de 4 a 5 barlkg de mezcla . El porcentaje de aglutinante es alto, del orden

468

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

de 4 "io y el tiempo de vida de banco de 4 a 5 h. El macho adquiere sus características inmediatamente después del gaseamiento . La complejidad de la caja de machos y el elevado porcentaje de aglutinantes parecen ser los inconvenientes fundamentales del proceso . 4.3.10 Procesos en caja caliente hot box y Shell Process En estos procesos el mecanismo de endurecimiento de las mezclas de arena aglutinante se produce por la acción de un agente catalítico y por el suministro de calor a la plantilla . Los aglutinantes de mayor uso en estos procesos son de los tipos fenólicos y furánicos, así como modificaciones de éstos con urea y formaldehído, con el objeto de mejorar las propiedades de las mezclas . El proceso de caja caliente (hot box process) es una modificación del proceso de cáscara (shell process). Las diferencias entre ambos procesos son diversas . Los machos obtenidos por el proceso de cáscara son huecos, mientras que por el proceso de caja caliente se obtienen machos de núcleo sólido . En el proceso de cáscara el macho se obtiene por sopla do'de una mezcla!de arena-aglutinante seca. En los procesos de caja caliente las mezclas utilizadas son húmedas . Estos procesos son muy rápidos y permiten establecer grandes series de producción de piezas . Entre las desventajas primordiales se cuentan : 1 . Alto costo de las cajas de machos y equipos accesorios. 2. Desprendimiento de gases tóxicos durante el proceso de elaboración de machos . La existencia y aplicación de todos estos protesos señalados anteriormente, en la industria de fundición actual, nos indican fehacientemente que no se puede hablar todavía de la superioridad absoluta de unos sobre otros, sino que, por el contrario, cada uno de ellos tiene un campo de acción definido por los requerimientos de calidad y económicos del producto deseado . S Plásticos reforzados Los plásticos reforzados son un nuevo tipo de material de construcción . La estructura de los plásticos reforzados le confiere una solidez no adsequible por otros materiales de construcción. Esto es a causa de que la relación resistencia :peso es, en ocasiones, varias veces superior a la del acero, duroaluminio y otros materiales que poseen elevada resistencia . En esencia, estos materiales están formados por un

aglutinante polimérico y materiales de refuerzo, los cuales permiten crear formas o estructuras, cuyas propiedades son predecibles y controlables. Los plásticos reforzados han invadido casi todos los campos de la vida del hombre, desde artículos para deportes, hasta construcción de accesorios de la industria automotriz y aeronáutica. La combinación de polímeros y refuerzos que tienen buena resistencia a la temperatura, ha dado lugar a la utilización de los plásticos reforzados en aplicaciones tales como boquillas para mótores de cohetes, protección contra el calor en la superficie de entrada de los vehículos espaciales, como toberas y laminados para estruc . turas y semiestructuras, en los cuales los metales o laminados convencionales no presentan las propiedades necesarias . La capacidad de los plásticos reforzados de poder adquirir curvatura, se aprovecha para su aplicación en aeronáutica, automóviles, barcos, muebles, etc . Para el muldeo de este tipo de productos se emplean polímeros termoestables, el proceso se realiza en presencia de un catalizador o utilizando calor y una presión elevada . Como material de refuerzo se emplea fibra de vidrio, asbesto, papel y tejidos capaces de formar laminados . Estos materiales de refuerzo poseen una alta estabilidad, térmica y química . Entre los aglutinantes termoestables más empleados se encuentran el poliéster, los aglomerantes epoxídicos, urea-formaldehído, fenol-formaldehído, melamina-formaldehído y productos poliméricos derivados del alcohol furfurílico . 5.1 TÉCNICAS DE MOLDEO Los métodos de fabricación de plásticos reforzados son muy variados, pero, generalmente, se clasifican en: a) Fabricación manual . b) Moldeo con núcleo y matriz . c) Enrollado de filamentos . d) Fabricación continua. e) Moldeo por rociado . f) Otros procedimientos . Todos estos métodos de fabricación se emplean, en dependencia del aglutinante, el relleno y el tipo de objeto laminado que se desea producir.

469

POLIMEROS FURANICOS 5.2 . DEFECTOS FUNDAMENTALES DE LOS PRODUCTOS MOLDEADOS Se han encontrado varias clases de defectos en las piezas de plásticos reforzados obtenidas por los distintos métodos de moldeo. Estos defectos se clasifican, de acuerdo con sus características, de la siguiente forma: 5.2.1 Formación de ampollas Por lo general, consiste en un abultamiento redondeado producido por deslaminación en el interior del producto moldeado . Existen 2 causas probables : defectos de curado, en este caso las ampollas aparecen en áreas extensas, o bien se deben a vapores del disolvente, aire o humedad que pudieran estar ocluidos dentro del laminado . Para evitar los defectos en el curado, se debe aumentar el tiempo de moldeo o la concentración de catalizador. El refuerzo debe estar totalmente seco y se deben tomar medidas para eliminar los vapores cuidadosamente . 5.2.2 Agrietamiento Durante el curado del aglutinante pueden aparecer grietas . Estas se pueden localizar sólo en la superficie, o propagar al interior de la pieza moldeada . Entre las causas que producen este defecto podemos incluir el empleo de aglutinantes de alta reactividad, exceso de aglutinante y dificultades en el curado. En el caso de aglutinantes muy reactivos el proceso de curado va acompañado con la liberación rápida de calor. Las variaciones de temperaturas producidas, provocan contracciones o dilataciones en el material polimerizado, lo cual da lugar a grietas, aun en áreas con distribución uniforme de fibra de vidrio . Existen algunos procedimientos que se pueden emplear para contrarrestar estos defectos . Uno de ellos es reducir la concentración del catalizador, lo cual retarda la velocidad de la reacción exotérmica y el proceso de curado ocurre con una liberación de calor uniforme . Otra alternativa es la adición de una carga inerte, por este procedimiento se reduce la cantidad de material reactivo por unidad de volumen, y con ello el calor es también menor. 52.3 Zonas deficientes en aglutinante Se trata de zonas del moldeado en que el refuerzo no ha sido totalmente impregnado o bien de zonas que tienen poca concentración de aglutinante . Existen, también, otras causas : fluidez deficiente, gelatinización rápida, exceso de fibra de vidrio y débil retención . La fluidez

deficiente aparece cuando la presión no se aplica al laminado de manera uniforme . El remedio más sencillo es utilizar aglutinantes de menor viscosidad. La gelatinización rápida motiva la acumulación de aglutinantes en determinadas zonas, antes que todo el refuerzo se haya impregnado. Generalmente, se debe a un exceso de catalizador o a que la temperatura del moldeo era demasiado elevada . En las zonas en que existe exceso de fibra de vidrio, el movimiento del aglutinante es lento y la impregnación deficiente . Aun cuando la impregnación sea completa, la presencia de grandes cantidades de fibra de vidrio da lugar a protuberancias . La retención deficiente se comprende mejor estudiando los procedimientos de diseño del molde. Es importante que los anillos de retención de la matriz mantengan un ajuste perfecto, lo que proporciona una distribución uniforme del aglutinante en el laminado . 5.2.4 Zona de exceso de aglutinante En el moldeado existen áreas en las que aparece excesiva cantidad de resina, con muy poco o nada de material de refuerzo. Estas secciones se pueden agrietar durante el curado o fallar, rápidamente, al ser usadas las piezas . Por lo general se debe al mal diseño del molde. 52.5 Formación de oquedades Este fenómeno consiste en la aparición de agujeros regulares o irregulares en la superficie del moldeado, a causa de oclusión de aire en el laminado . Una buena compactación en el área del molde se consigue con presiones mayores con lo cual se logra un mejor acabado del producto final. 5.2.6 Alabeamiento La distorsión del moldeado después que han sido designadas sus dimensiones, se define como alabeamiento . Este defecto puede ser debido a una construcción desequilibrada, curado desigual o diseño deficiente . El caso de construcción desequilibrada es a causa de la distribución no uniforme de aglutinante y fib;as de refuerzo. Esto se explica por la diferencia que existe entre el coeficiente térmico de expansión del aglutinante y el del refuerzo. El alabeamiento se puede originar, también, por diferencias de temperatura en los lados opuestos del moldeado . Si el calor no se aplica por igual en ambos lados de la pieza, ésta tiende a doblarse hacia el lado que cura primero. Con respecto al diseño de las piezas es bien conocido que la superficie curva de las piezas

470

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

moldeadas, una vez curadas y frías, tienden a contraerse hacia una curvatura de radio menor . Este fenómeno ha de tenerse en cuenta para la curvatura de los laterales de cajas y el cerrado de tubos. 5.2.7 Agentes de separación El uso de agentes de desmoldeo es necesario en todas las fases del moldeo de plásticos reforzados para evitar que el material moldeado y el molde formen un solo cuerpo. Estos agentes se pueden clasificar de forma general en: 1 . Películas (agentes que forman películas) , celofán, soluciones de alcohol polivinílico, etcétera . 2. Materiales resinosos o aceites : ceras o siliconas en solución o emulsiones acuosas frotadas sobre el molde. 3. Materiales compatibles con el aglutinante líquido, pero incompatibles con el aglutinante curado. Agentes de separación inter na, tales como estearatos y organofosfatos . 4. Materiales pulverulentos, etc . Por consiguiente, un buen agente de desmoldeo para uso en plásticos reforzados consiste en un material que no es compatible con el aglutinante curado, ni con el material del molde . El agente ideal probablemente no existe, pero si existiera, debería poseer las siguientes características : a) Fácil de manejar . b) Estable al calor, -en el intervalo de temperatura que se trabaja. e) Resistencia a la oxidación .

chos plásticos . Cada material tiene sus propiedades particulares y específicas . El hecho de que los plásticos reforzados se puedan usar, con éxito, en una amplia variedad de aplicaciones, no quiere decir que se puedan utilizar sin discriminación para remplazar a otros materiales. Sería absurdo creer que los plásticos reforzados no tienen límite . Entre las principales ventajas y limitaciones de estos materiales se encuentran las siguientes : 5.3.1 Desventajas 1 . Todos los procesos de fabricación son lentos, comparados con los que necesitan el acero prensado o los metales en plancha . 2. Los costos de la resina y el vidrio son comparativamente elevados. Sin embargo, con frecuencia, esto es superado por el menor costo del equipo y por el menor trabajo de personal especializado. 3 . La rigidez de los plásticos reforzados no es muy elevada, comparada con la que tienen muchos metales . 4. Los aglutinantes furánicos tienen un color oscuro y cuando se curan, el laminado toma un color negro . El color limita las aplicaciones. 5. Estos aglutinantes son extremadamente sensibles a un efecto de sobrecatálisis y, a veces, reaccionan con violencia . 6. Es difícil mantener el tiempo de vida deseado en formulaciones de aglutinante-catalizador para cantidades grandes, a causa del aumento de calor que se produce, una vez catalizado el aglutinante furánico. 5.3.2 Ventajas

d) Incompatible con la mezcla del moldeo después de curada.

1 . Se pueden moldear formas de gran complejidad con extremada facilidad y bajos costos.

e) Capacidad para mejorar y adherirse a la superficie del molde.

2. Los plásticos reforzados tienen elevada rela. ción resistencia : peso .

f) Debe actuar disminuyendo la fricción entre el molde y la mezcla de moldeo, y de esta forma reducir las tensiones superficiales y las estrías en la pieza moldeada .

3 . Son extremadamente elásticos, no se abollan como los metales .

5.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLÁSTICOS REFORZADOS Con frecuencia, los plásticos reforzados han tenido una demanda excesiva, como otros mu-

4 . Proporcionan mayor libertad en el diseño que muchos otros materiales. 5. Los plásticos reforzados poseen buenas propiedades frente a los agentes atmosféricos . No se corroen y son resistentes al ataque de los hongos .

POLIMEROS FURANICOS

471

6. Los laminados furánicos no resultan afectados por cambios bruscos de temperatura y pueden soportar exposiciones a temperaturas superiores a 130°C. 7 . Los aglutinantes furánicos tienen excelente adhesión a superficies desiguales, tales como metal, vidrio, etc . 8. Los laminados furánicos, generalmente, poseen buena resistencia a la humedad, a los ácidos fuertes, a los álcalis y a otros agen tes químicos (excepto al ácido sulfúrico concentrado, al ácido nítrico y a otros agentes oxidantes fuertes) . 9. Los aglutinantes furánicos tienen un precio moderado . En la tabla 265 se comparan las propiedades físico-mecánicas típicas de los laminados elaborados con aglutinantes del tipo poliéster y del tipo furánico, reforzados con fibra de vidrio . TABLA 26,5 Propiedades mecánicas típicas de los laminados de poliéster y furánicos, reforzados con fibra de vidrio Poliéster

Furdnico

Resistencia a la flexión (kg/cm°)

4109

3500

Resistencia a la compresión (kg1cm2)

2 415

2 800

Absorción de agua (06 en 24 h)

0,13

Contenido de aglutinante (%)

38

Espesor (cm)

0,31

0,5 35 0,32

Los aglutinantes de tipo poliéster han encontrado un extenso campo de aplicación en la industria, a causa de que poseen muy buenas propiedades físico-mecánicas y químicas. Además, es posible lograr productos con una inmensa gama de coloraciones . El mayor volumen de uso de los aglutinantes furánicos está destinado a aplicaciones especiales en los cuales estos productos tienen excelentes cualidades, a causa de su alta estabilidad térmica y su casi perfecta estabilidad ante la mayoría de los agentes químicos . 5 .4 OTRAS APLICACIONES DE LOS POLIMEROS FURANICOS Cada día los químicos, en todo el mundo, descubren nuevos productos poliméricos furánicos

y encuentran aplicaciones a éstos en los diferentes campos de la ciencia y la técnica . Hoy día, se producen, industrialmente, polvos de moldeo furánicos, para la elaboración de productos prensados con buenas propiedades antifriccionantes y se fabrican lacas anticorrosivas furánicos de empleo en la industria química, a causa de su capacidad para formar películas de alta estabilidad térmica y química. Además, se producen pegamentos de carácter universal, ya que tienen excelentes propiedades adhesivas sobre la inmensa mayoría de los materiales . También se ha trabajado en la síntesis de polímeros derivados del tetrahidro furano, los cuales presentan magníficas propiedades físico-mecánicas, especialmente a bajas temperaturas. El futuro desarrollo de la producción de furfural en nuestro país permitirá contar con cantidades considerables de esta materia prima, fundamentalmente, para la síntesis de productos furánicos poliméricos, los cuales, a nuestro juicio, tienen un amplio campo perspectivo de aplicación, dadas las condiciones climatológicas del país y el desarrollo futuro de nuestra industria química .

6 Técnicas de seguridad del trabajo en la producción de polímeros furánicos. Protección del medio o ambiente

La toxicidad de los polímeros furánicos se determina por las propiedades de los monómeros no polimerizados (furfural, alcohol furfurílico, acetona) y de los productos de bajo peso molecular obtenidos en el proceso de condensación . Los productos monoméricos derivados de las reacciones de condensación del furfural con la acetona son sustancias tóxicas . Durante la intoxicación con estos productos se desarrollan cambios en la circulación sanguínea y en el sistema nervioso central . En investigaciones patológicas con animales, se observó afectaciones en el hígado, los riñones y los pulmones. Los monómeros de las furfurilidenacetona son capaces de penetrar a través de la piel al ponerse en contacto con ésta. El efecto tóxico del furfural y los monómeros de las furfurilidenacetonas son análogos, sólo se diferencian en el gradó de afectación. El furfural y la acetona presentan peligrosidad para las personas durante el proceso de producción y aplicación de los polímeros derivados de las furfurilidenacetonas. El furfural es un veneno, la intoxicación con este producto provoca sudores y parálisis . El umbral de percepción del olfato es de 1-1,5 mg furfural/ms aire. La permanencia en una atmósfera contaminada con furfural en concentración de 500 mg/m3

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

da lugar a irritación de las mucosas nasales y ligeras náuseas. Por la acción continuada de vapor de furfural en concentraciones de 7 - 53 mg/m3 , se observa conjuntivitis, afección en las mucosas de las vías respiratorias, con una reducción de la respiración, así como afectaciones en los órganos digestivos . Es posible también la aparición de excemas y dermatitis . La concentración permisible máxima de furfural en el puesto de trabajo del operador es de 10 mg/m3 y de 0,5 mg/m 3 , en las áreas colindantes. El alcohol furfurílico, en dosis pequeñas, estimula la respiración, en dosis superiores, dificulta la misma, provoca mareos, náuseas y disminuye la temperatura del cuerpo . La concentración máxima permisible del alcohol furfurílico es de 200 mg/ms. En la producción y aplicación de todos estos productos es necesario tener una extremada precaución con el cumplimiento de las normas técnicas de seguridad y protección del trabajo.

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Capítulo XVIII BIOACTIVOS RITA

BARTROLf

LAURA

1 Introducción El anillo furánico fue detectado por primera vez por Scheele como componente estructural del producto obtenido por destilación seca del ácido múcico, este producto fue nombrado, por esta razón, ácido piromúcico. Posteriormente, Dobereiner obtuvo, durante la preparación del ácido fórmico, a partir de la acción del ácido sulfúrico y dióxido de magnesio sobre azúcares, un líquido de olor penetrante, el que por oxidación con óxido de plata fue transformado en el ácido piromúcico, demostrándose así las características de aldehído de este líquido, que se nombró furfural. Simultáneamente, Ulrich, media4te el tratamiento del furfural con potasa alcohólica, obtuvo también ácido piromúcico o ácido furoico y, en 1873, fue demostrado que en esa reacción se obtiene, adicionalmente, un tercer derivado furánico, que presenta características de alcohol, y se le nombró alcohol furfurílico . El furano había sido aislado, por primera vez, en 1870, por Lempricht, por calentamiento de la sal de bario del ácido furoico con soda lime . De esta forma se conocía de la interrelación entre estos derivados, pero no se había llegado a dilucidar su estructura, numerosas investigaciones realizadas sobre la base de la reactividad de estos compuestos fueron necesarias, para llegar a establecer que el anillo furánico es un ciclo pentagonal de 4 átomos de carbono, 4 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno (Fig. 266) .

Fig. 266

Anillo furdnico.

En estudios realizados por difracción electrónica, se demostró que el. furano posee estructura planar y que las longitudes de enlace entre los átomos que integran el ciclo no son las correspondientes a enlaces puros . Se estima, por ejemplo, que el enlace C-O tiene, apro-

LAME

IZQUIERDO

ximadamente, ± 5 vio de carácter de doble enlace, así como la distancia entre los átomos de carbono 0 es menor que la correspondiente al simple enlace . Estas evidencias llevaron a proponer el anillo furánico como un híbrido de resonancia entre varias estructuras contribuyentes (Fig. 267) .

Fig. 267

Estructuras resonantes del anillo furdnico.

Estudios por espectroscopia de Raman e in. frarroja (IR), el cálculo del momento dipolo y el de la susceptibilidad magnética y la absorción en las regiones ultravioleta (UV) y visible, así como los resultados de la difracción electrónica, demuestran que la molécula de furano puede ser descrita como un rotor simé. trico con 2 momentos de inercia iguales .

2 Peculiaridades del anulo furánico en cuanto a reactividad 2.1 PROCESOS DE ADICION Y DE SUSTITUCION El anillo furánico puede ser visto como un éter diénico cíclico, estabilizado por resonancia . De acuerdo con esto, los furanos exhiben propiedades asociadas a éteres vinílicos, dienos conjugados y de compuestos aromáticos, las que se ven, en mayor o menor grado, en de. pendencia de los grupos sustituyentes. Esta posibilidad de reaccionar en diferentes direcciones (polifuncionalidad), en forma competitiva, es, en muchos casos, la causa de los bajos rendimientos que se reportan en la mayoría de las reacciones de la serie furánica : - El furano y sus homólogos más simples, de igual forma que los éteres vinílicos, sufren reacciones de ruptura en medio ácido acuoso, aunque a causa de la elevada energía de estabilización del núcleo

475

BIOACTIVOS

la reacción de sustitución electrofílica, característica de ciclos aromáticos . Esta situación también se observa para la reacción de halogenación .

furánico esta reacción es, en general, menos susceptible en comparación con los éteres . De forma análoga a las olefinas, el furano puede sufrir reacciones de adición, así se conocen aductos del tipo Diels Alders, para algunos furanos simples, que indican que la actividad donor electrón en el núcleo es similar (aunque algo menor) que la que exhiben el butadieno, el ciclopentadieno y sus derivados (Fig. 268) . A partir del aducto del furano (R = H) y el anhídrido maleico, se obtiene el Endotal, herbicida y defoliante comercial . R

R C=C

R

3 Reacciones de nitración, halogenación, alquilación y clorometilación . Algunas consideraciones Las reacciones de sustitución comúnmente asociadas a los compuestos aromáticos, han sido aplicadas a los compuestos furánicos con resultados variados . Las condiciones de reacción em-

0 C-C

\

0

C=C\ R

0

i -C~ R

R

i\

C A 0

0

(R . R, o alqui1)

Anh. del Acido 7-oxabiciolo

(2-2-1-heptano-5-2-3-dicarbdnioo) Fig. 268 Formación de aductos. La actividad como dieno del núcleo furánico, también se ve disminuida por la introducción de grupos electroaceptores, así, por ejemplo, en el furfural no se manifiesta esta reacción aun cuando se trate con compuestos dienófilos fuertes . Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se ha demostrado que el furfural puede presentar actividad como dienófilo, así el furfural adiciona, lentamente, 2 moléculas de butadieno para formar un líquido de características aldehídicas, que posee fuerte actividad como repelente de insectos, herbicida y defoliante y que se ha comercializado como el MGK-Repelente 11 . La reacción de sustitución electrofílica en el furano y sus homólogos, muestra, casi exclusivamente, orientación a cuando estas posiciones no están ocupadas . Es interesante destacar aquí los trabajos de Hillers y Venters para la nitración del furfural, en que se plantea que ésta tiene lugar mediante un mecanismo de adición-eliminación, haciendo manifiesta así sus características olefínicas ; paralelamente, en esta reacción, se detectaron también los compuestos intermediarios típicos de

pleadas con éxito en compuestos de la serie homocíclica, han resultado inadecuadas para la serie heterocíclica, y, en especial, para los derivados furánicos, a causa de que, en este caso, existen para el núcleo múltiples posibilidades de reacción, esto es una polifuncionalidad, que determina la existencia de reacciones colaterales que producen cantidades considerables de otros productos de reacción, así como también la producción de compuestos poliméricos . Como consecuencia de esto, se hace necesario ajustar las condiciones de reacción en estos casos, con el objeto de minimizar la producción de compuestos secundarios . Las reacciones de sustitución electrofílica más estudiadas para el anillo furánico son la de nitración, la de alquilación y la halogenación . 3.1 NITRACION La nitración del furano se llevó a cabo, con éxito, sólo cuando se trabajó a bajas temperaturas y en condiciones anhidras . Generalmente, en presencia de anhídrido acético, el que sirve no sólo como agente deshidratante y diluyente, sino que toma parte en la reacción, se ha demostrado que la especie nitrante más efectiva en la mezcla del ácido nítrico fumante, anhídrido acé-

476

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

tico y ácido sulfúrico, es el nitrato de acetilo, el que se adiciona al anillo furánico, formando un compuesto de adición intermediario, el que por neutralización elimina una molécula de ácido acético, produciéndose así el nitro furano (Fig. 269) .

prácticamente insolubles en agua y presentan gran efectividad biológica . Los derivados 5-nitro furánicos han demostrado amplias posibilidades de aplicación a partir del momento en que Pood y colaboradores descubrieron su actividad biológica ; entre ellos se han encontrado importan-

0 w 33C - C-Cl02

Fig. 269 Nitraci6n del furano.

Estos planteamientos han sido comprobados mediante el aislamiento de este aducto. Así, en el caso de la nitración del furfural, éste es un compuesto relativamente estable que ha sido estudiado, posteriormente, por métodos espectroscópicos y cromatográficos . Otros ejemplos de aislamiento de estos intermediarios de adición en la nitración de furanos, son conocidos y, recientemente, en nuestros laboratorios, fue posible aislar el compuesto de adición, durante la nitración de la N-furfuril ftalimida obtenida por la acción del anhídrido ftálico sobre la furfuril amina. La nitración de la ¡mida fue realizada a bajas temperaturas con mezclas de anhídrido acético-ácido nítrico fumante, utilizando ácido sulfúrico en cantidades catalíticas . La técnica operatoria seguida fue semejante a la descrita para la nitración del furfural y el producto intermedio fue aislado por precipitación de la mezcla antes de la neutralización. Este resultó ser un sólido blanco estable, cuya estructura fue establecida por comparación de los datos espectroscópicos de los productos obtenidos (Figs. 270 a 272) . Del análisis de los resultados espectroscópicos se pudo concluir, que aún antes de la neutralización, se habían producido cantidades del producto de sustitución (derivado 5-nitro furánico), lo que evidencia que, bajo estas condiciones, existe, adicionalmente, la posibilidad de sustitución electrofílica directa al anillo, en un mecanismo típico de los compuestos aromáticos ; estos resultados coinciden con los obtenidos por Venters en su estudio sobre la nitración del furfural . Podríamos generalizar para la reacción de nitración de furanos el esquema que se muestra en la figura 273 en el que se plantean todas las vías a través de las que es posible obtener el 5-nitro derivado, cuando se emplea anhídrido acético, esto es cuando en la mezcla nitrante hay cantidades de nitrato de acetilo . Los derivados 5-nitro furánicos son, en general, productos sólidos con coloración amarillenta a blanca, que se oscurecen por la luz, son

tes medicamentos de uso humano y veterinario . De amplia utilización son los compuestos de esta clase que incluyen el furacilín, furadonín, furazolidona, furagina, furaguanidina, nitrofurileno y la furogalina, etc ., los que han sido aplicados, con éxito, durante decenas de años en la lucha contra infecciones en general, en oftalmología, ginecología, disenterías bacterianas, en infecciones del tracto urogenital, en tuberculosis, etc ., sin que se disponga de datos en que se determine la limitación de su uso por alteraciones incontrolables . 3.2 HALOGENACION Una importante también y no menos compleja reacción estudiada con profundidad para los compuestos furánicos, es la de halogenación. A causa de la naturaleza insaturada de los furanos, es posible lograr la obtención de derivados por adición y por sustitución, mediante la acción de halógenos, específicamente cloro y bromo. Cuando se hace reaccionar un compuesto furánico con bromo, la reacción, con toda probabilidad, ocurre a través de un mecanismo de 1,2 adición (Fig. 274) . Este compuesto, en el caso de los ésteres del ácido furilacrilico, sufre espontáneamente una dehidrohalogenación, a través de un mecanismo de 1,4 eliminación, con formación de 3(5-bromo-2) furilacriléster . Se conocen otros ejemplos de formación de compuestos de adición por la halogenación de furanos y, en general, es posible plantear que sea estable o no el producto de monohalogenación, esto es, su transformación en el derivado halosustituido, la halogenación de los furanos transcurre, probablemente, a través de un intermediario común por 2 vías diferentes: una de adición y otra por sustitución . Por otra parte, la gran labilidad de los átomos de halógeno en los productos de adición, limita, grandemente, el medio de reacción, pues con facilidad estos átomos pueden sufrir intercambio con grupos hi-

N

Co

r

á

a a w

2 0

.E

v v

Á r 2

0 h

W em W

d 'C .5 u

L _O

V O

Z O V C N OG

w

480

LA INDUSTRIA-DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

tOH

_R

0

+

(no

CH3 -C-0-110 2

a

R O ~OCOCH3

t+)

OCOCH3

I

H /\0 ~\ R

02N - - - - - - - . J

- - - - - - - -

L.

- J

(II) Fig. 273

Fig. 274

Mecanismos de nitración de furanos simples.

Adición de bromuro al anillo furdnico.

droxilos y acilos, entre otros; es por esto que los solventes empleados, en general, son de baja polaridad (tetracloruro de carbono, cloroformo, bisulfuro de carbono) y, en ocasiones, no se emplea solvente. Los halofuranos pueden ser obtenidos a partir de compuestos furánicos que posean grupos sustituyentes que puedan ser intercambiados con átomos de halógeno. Así, por ejemplo, el grupo carboxilo del ácido 2-furoico puede ser reemplazado por halógeno . El 2-iodo furano se obtiene por calentamiento en medio alcalino acuoso del ácido 2-furoico con iodo, en presencia de ioduro de potasio y de la misma forma el 2,5-dffodo furano se produce a partir del ácido 2,5-furandicarboxílico ; esta misma situación ocurre para el ácido 5-bromo 2-furoico, obteniéndose, cuando se hace reaccionar con bromo en medio alcalino, el 2,5-dibromo furano . Los derivados monohalogenados del furano son líquidos de olor agradable, generalmente incoloros, ligeramente solubles en agua, sufren resinificación lenta por almacenamiento, adqui-

riendo cierto color ámbar, son fácilmente oxidables con el oxigeno del aire y en contacto con ácidos minerales, en solución acuosa, sufren resinificación completa . Los 2-halofuranos, presentan también efectividad como compuestos biológicamente activos, así el 2-bromo furano fue caracterizado por su acción larvicida ya desde el año 1922 por Bishopp. La halogenación del furfural y de algunos de sus homólogos, y la posibilidad de intercambio de halógenos, ha sido objeto de estudio de nuestros investigadores . Mocelo, continuando sus estudios, ha logrado establecer las condiciones de intercambio del átomo de halógeno presente en el ciclo furánico por los restantes miembros de la serie, dándose la posibilidad de obtener, con extrema facilidad, los derivados 5-cloro, 5-bromo y 5-iodo furánicos con buenos resultados, en condiciones de reacción perfectamente controlables . Una interesante reacción de halogenación del furfural, actualmente estudiada en nuestras instituciones, es la obtención de ácidos mucohálicos, importantes derivados intermediarios en la síntesis de derivados de acción biocida, uno de los cuales se emplea, con éxito, como herbicida en plantaciones de remolacha, la síntesis de este compuesto a partir del furfural establece la secuencia que se muestra en la figura 275.

481

BIOACTI VOS

-CHD

+

5 C12

+

+

3 H20 q1

=O

CO2

+

8 HC1 C1

+

Fig. 275 Obtención de piramina a" partir del furfural.

Los ácidos mucohálicos han tenido utilización no sólo como intermediarios de la síntesis de las fenazonas, también otros de sus derivados más simples presentan efectividad biológica, encontrándose que los derivados del ácido mutobrómico son más activos, en general, que los análogos del mucoclórico . 3.3 ALQUILACION A pesar de que la sensibilidad del anillo furánico a los ácidos de Lewis es elevada, la alquilación de los furanos, por el procedimiento tradicionalmente empleado para los compuestos aromáticos resulta inadecuada para los derivados aquí tratados, esto es a causa del hecho de que estos catalizadores aceleran también su resinificación, es decir, la reacción se hace incontrolable y no es posible aislar los derivados simples . En contraposición a lo anterior, en ocasiones, la reacción se detiene y existen cantidades del derivado furánico sin reaccionar; si se separa el catalizador, se ha visto que la resina formada bloquéa, superficialmente, el mismo, haciéndolo inefectivo, tanto para una como para otra reacción . El furano es capaz de formar con el tricloruro de aluminio, intermediarios de adición, los que son especies activadas representables como se observa en la figura 276.

H H ~

HA AIC13 0

\a

Fig. 276 Intermediarios de adición de furano-AICI~

Piraaina (Penasona)

Dichas estructuras presentan alta inestabilidad y es, entonces, fácil de prever que la reacción principal que tiene lugar para esta especie es la resinificación, es importante destacar que tamb°.én para el compuesto alquilado estas especies existen, lo que justifica el hecho de que aún cuando en condiciones controladas de reacción es posible aislar pequeñas cantidades del derivado alquilado, y gran cantidad de resinas, éstas han de estar formadas no sólo a partir de la resinificación del derivado no alquilado, sino también por los productos de polimerización de los derivados alquilados . De cualquier forma, se ha podido detectar que también aquí la orientación preferential es hacia la posición a del núcleo furánico. La obtención de derivados acilados, por Fríedel y Crafts, del furano y sus homólogos, es sin lugar a dudas, desde el punto de vista sintético, más exitosa que la alquilación, a pesar de que los rendimientos son ordinariamente bajos y las condiciones de reacción deben ser controladas ; en general, se emplean grandes cantidades de solvente con lo que se minimiza, en parte, el contacto del derivado furánico con el agente condensante, o se va adicionando el derivado furánico, gradualmente, a la mezcla del solvente y catalizador, en presencia del agente acilante, ya que a causa de la mayor estabilidad del acil derivado producido frente al ácido de Lewis, no es de esperar la pérdida de producto por resinificación . Con furanos sustituidos por grupos electroaceptadores, la tendencia electrodonora del núcleo se ve disminuida y, fundamentalmente, la interacción de estos derivados con los catalizadores de Lewis será por el grupo sustituyente . Así, por ejemplo, el furfural y el ateto furano forman complejos con el tricloruro de aluminio que pueden ser representados como se muestra en la figura 277. La formación de estos complejos es, efectivamente, la causa de que los derivados furánicos del tipo de los acil furanos y de los carboxifu-

482

LA INDUSTRIA DE LOS _DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR -.-

2,5 disustituidos predomina, incluso a partir de los complejos analizados, los resultados obteni. dos por Goldfars para la isopropilación del 2-metil furoato, nos dan la relación de isómeros que aparece en la figura 281. En la figura 281 se observa una mayor proporción del derivado 5 sustituido, a pesar de que debemos tener en cuenta que en las condiciones de reacción el derivado 5 sustituido se puede isomerizar hasta el derivado 4 sustituido, y que el compuesto 4,5 disustituido puede haberse formado por la alquilación del isómero 5 alquilado . Recientemente, investigadores soviéticos y checos, reestudiando los resultados de la reacción de isopropilación del furfural, planteada por primera vez por Gilman, han observado que bajo las mismas condiciones descritas por él, se detectan, en cantidades apreciables, productos de alquilación 4,5-di y 3,4,5-triisopropil sustituidos, además de pequeñas cantidades del 5-isopropil furfural, recuperándose, aproximadamente, 40 del furfural sin reaccionar (Fig. 282) .

C -8

Fig. 277 Complejo de adición de acilfuranos-AICI3.

ranos se alquilen, con éxito, por la acción de los haluros de alquilo en presencia de tricloruro de aluminio . El furfural produce los 5 alquil derivados cuando es tratado, por ejemplo, con los cloruros de butilo, isobutilo, terbutilo y amilo, aunque es de notar que los rendimientos no son elevados . Observe que también aquí la orientación predominante es la posición a desocupada. Uri. caso tratado como excepción, en cuanto a la orientación de la alquilación en el núcleo furánico, fue la isopropilación del furfural, para la que se planteaba la obtención como único producto de la reacción el 4-isopropil-2-furfuraldehído (Fig. 278) .

H3C

-Cilq

t

CH

H3C

\

H3C ~

CHCl

"1C

~~

H3C

Fig. 278 Isopropilación del furfural.

Del análisis del efecto desactivante del sustituyente en el complejo furfural-tricloruro de aluminio, se impone pensar en la posición 4 como la más favorecida para la sustitución eleatrofílica (Fig. 279) .

."" C " H

-C- H

Fig. 279 Estructuras

Como se observa en la figura 282 esta reacción no se detiene en la monosustitución y con toda posibilidad, el 5-isopropil furfural, es, al inicio, el principal producto del ataque .directo del agente alquilante, pero sufre más rápidamen-

resonantes del complejo furfural-AIC19.

Esto se cumple para otros heterociclos pentagonales, por ejemplo, para el tiofeno, se conocen reacciones de sustitución electrofílica, en general y de alquilación, en particular, en que la formación del complejo con ácidos de Lewis provoca una alta selectividad posicionel con respecto a la sustitución en la posición 4 del núcleo (Fig. 280) (Tab. 266) . Lo anterior parece fortalecer los resultados de Gilman, en la serie furánica. Sin embargo para los furanos la formación de los compuestos

te que el isómero 4-isopropil sustituido, posteriores alquilaciones que se ven . favorecidas bajo estas condiciones de reacción. De cualquier forma, la producción de pequeñas cantidades del derivado 4 sustituido, demuestra el fuerte efecto desactivante que la formación del complejo furfural-tricloruro de aluminio produce, haciendo mucho más electrofílico al anillo furánico, en general, hasta el punto de hacer que se logren colisiones efectivas en el ataque electrofílico a las posiciones P, teniendo el núcleo posiciones a desocupadas .

483

BIOACTIVOS

+

C- Re

C -1(o li 0 . Alc13

ó Fig. 280 Sustitución electroftlica en acil tiofenos . TABLA 266 Cantidades relativas de los 2 isómeros (%)

Sol.

E 1'sopropil

CS2

78-99

(CICH2)20

CHC12

99

1

94

6

AcCI

-

2

22 .1

.1

2

3

Fig. 281 Relación de isómeros en isopropilación del 1-meal furoato.

3

8 C

13C _ MID

z

No%

CHCI

83C~

AM3

a3á

sC

ñ3C

"CH

CII

113C' \

23C 83C

w 11

r

CIA S 13 /

(33

o

Fig. 292 Isómeros de ta isopropilación del furfural.

2

484

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

3.4 CLOROMETILACION La reacción de clorometilación es descrita por Bremer y Jones, los que trataron el furoato de metilo, trióxido de metileno y cloruro de cinc en cloroformo (Fig. 283) . o C -DCE3

(ca2D)3

+

aceptor (carbometoxi o dietil carbamoil), es posible utilizar ácido sulfúrico concentrado, sin detrimento sustancial de los rendimientos, ya que el derivado furánico presenta mayor carácter acidofóbico que el furano o que el furano sustituido por electrodonores ; para éstos el empleo

BDi Mo

Znc12

C13CE 3D-50C

e ~_<ó _Cll2 _D_ON2 _ Fig. 283 Clorometilaci6n del furoato de metilo .

Estos autores analizaron el empleo de otros catalizadores (agentes deshidrantes) y encontraron que el ácido ortofosfórico produce resultados particularmente satisfactorios . En ausencia de solvente y a temperatura de 70 °C, en esta reacción se favorece la producción de compuestos de condensación binucleares, produciéndose elevados rendimientos de 5 (metiliden) di-2-furoato de metilo (Fig. 284) .

13C

ó

0

2

0

<00

3

Fig . 284 54metilidenf di-2 furoato de metilo.

Por otra parte, se ha comprobado que bajo condiciones fuertemente acídicas, el hidrógeno a del anillo furánico es lo suficientemente activo como para reaccionar con diferentes aldehídos, produciéndose, fundamentalmente, productos de condensación binucleares ; da esta forma Dinelli y Marini realizaron el estudio de la reacción de condensación del furoato de metilo con formaldehído, en presencia de ácido sulfúrico concentrado, a una temperatura de 0 °C y lograron la obtención (luego de la saponificación y descarboxilación) del 2,2-bis (furil) metano. Al realizar esta misma reacción con benzaldehído,lograron aislar el 2,2-bis (furil)-fenilmetano . Sobre la base de estos trabajos, Willard y Hamilton, en 1951, realizaron un estudio acerca de la reacción de algunos derivados furádfcos y del furano mismo, con hidrato de cloral, utilizando como agentes condensantes de la reacción, cloruro de cinc en cantidades equimolares y ácido sulfúrico concentrado, en dependencia de las características del derivado furánico utilizado ; generalizando sus resultados, se puede concluir, que cuando el sustituyente es electro-

de ácido sulfúrico como condensante queda excluido, y sólo es posible utilizar cloruro de cinc; en estos casos, el principal producto de la reaccióñ fue el derivado mononuclear ; sin embargo, para el caso de la reacción con los ésteres del ácido 2-furoico, el principal producto obtenido fue el derivado binuclear que se muestra en la figura 285. Estudios realizados recientemente por nosotros, demuestran que es posible, bajo condiciones determinadas, lograr el aislamiento del derivado mononuclear para el caso del furoato de metilo y utilizando como agente condensante el ácido sulfúrico concentrado, la reacción se puede llevar también hasta la producción del derivado binuclear que aparece en la figura 286. El 1(5'carbometoxi 2'furil)2,2,2-trieloroetanol es un producto cristalino de color blanco y de relativa estabilidad . Ambos compuestos fueron caracterizados estructuralmente, los métodos em. pleados resultan muy definitorios en cuanto a la elucidación de sus estructuras (Figs. 287 a 292) . En el espectro de resonancia magnética nu. clear (RMN) utilizando cloroformo deuterado como solvente y tetrametilsilano (TMS) como referencia interna del 1(5'carbometoxi 2'furil) 2,2,2 tricloroetanol, se observan las señales correspondientes a 5 tipos de protones diferentes, 3 de los cuales (los 2 del anillo furánico y los correspondientes al grupo metoxilo) son perfectamente diferenciables por sus corrimientos químicos característicos . Para asignar las 2 señales restantes del espectro, 2 dobletes que tienen corrimientos químicos a valores de 5,4 y 4,9 ppm, respectivamente, atribuibles a los protones de los grupos metfnico e hidroxilo, se adicionó agua deuterada, desapareciendo la señal en 4,9 ppm y transformándose el doblete de 5,4 ppm en una señal única, lo que evidenció que la multiplicidad de estas señales

BIOACTIVOS

2

485

(3-C 0

~

3

0+

f CC13CB(OH)2 --~

WE

113~

_

0

CC13

Cw0 ~ OCH3

Fig. 285 Obtención de 1,1-bis-(5 carbometoxi, 2-furil) 2,2,2-tricloroetano. "0

+

Ow C a3Cd

C1CCHOH 32 ( )

0CR3

on

1 . C-B 6C13

Fig. 286 Obtención del 1-(5' carbometoxi, 2' furil) 2,2,2-tricloroetanol. es producto del acoplamiento entre dichos protones, quedando definido así, además, los valores de los corrimientos químicos para cada uno de ellos . El espectro IR en KBr (Fig. 288) muestra una banda ancha en 3 300 cm inversos, asignable al grupo hidroxilo, además de la banda en la región característica del grupo carboxilo en 1 715 cm inversos. El espectro UV en etanol (Fig. 289) muestra un solo máximo en 257 nm, con un coeficiente de extinción de 1,7103 X 104 para el derivado disustituido 1,1-bis (5'carbometoxi 2'furil) 2,2,2-tricloroetano, su espectro de RMN en cloroformo utilizando TMS como referencia interna (Fig. 290), muestra las señales correspondientes a los protones del anillo furánico y de los grupos metoxilo, se observa, además, la señal única correspondiente al protón del grupo metínico en 5,4 ppm. En el espectro IR, en fase sólida de KBr (Fig. 291), hay ausencia de banda en la región de vibración de hidroxilo y se ve en la región de 1730 cm inversos la señal del grupo carboxilo . En el UV, utilizando ciclohexano como solvente para este compuesto (Fig. 292), observamos un máximo a 267 nm con un hombro a 254 nm con coeficiente de extinción de 2,8646 X 104, el que coincide, exactamente, con el espectro de este compuesto reportado en la literatura .

Los derivados furánicos clorometilados resultan interesantes desde el punto de vista sintético, ya que pueden ser utilizados como productos intermedios, en el caso de la introducción de grupos del tipo de los 2,2,2 tricloroetanol y etano, se logra una mayor estabilidad y, además, con toda posibilidad, un incremento en la actividad biológica de los derivados furánicos de que se trata, algunos análogos furánicos del 1,1 bis-(p-clorofenil) 2,2,2-tricloroetano (DDT), han sido evaluados como insecticidas, encontrándose resultados satisfactorios . Hasta aquí hemos analizado, en algún detalle, los aspectos más generales de las reacciones del núcleo furánico . Es importante destacar que el hecho de ser este núcleo altamente reactivo, le confiere ciertas ventajosas particularidades desde el punto de vista de los requerimientos energéticos de sus reacciones; a modo de ilustración, ofrecemos en la tabla 267 las condiciones de algunas reacciones de sustitución electrofflica del furano, dando también las que requieren otros heterociclos pentagonales (tiofeno y pirrol), así como las del benceno . Dada la inestabilidad del furano frente a los ácidos, las condiciones de reacción no pueden ser exactamente las mismas, pero, en general, se observa que éstas son menos severas; dada la exotermicidad de los procesos en el furano, las temperaturas de trabajo son mucho más mode-

TABLA 267 sultonación Furano

Halogenacidn

Alquilacidn

X, diluido T=O *C

BFs o ninguno AC,O/HNOs T=15-20

Nitracidn

Pirrol

C&HsN+ " (SO.) Polihalogenación Sin catalizador 10 h, 100 -C

Tiofeno

H,SO4 (95 %)

Polihalogenación AIC1,

HNOAd)

Benceno

H,SO4 . SO,

Xs/Fe&

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300

320

340

Mom)

Fig . 289 Espectro UV de If5' carbometoxi 2' furil) 2,2,2 tricloroetanol.

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320

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Fig. 292 Espectro UV de 1,1 bis (5' carbometoxi 2' furil) 2.2.2 tricloroetano.

492

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

radas que las del resto, los tiempos de reacción son relativamente más cortos, a causa de la elevada reactividad, así como también los sistemas de catálisis y reactivos son siempre los menos agresivos. En general, podemos concluir, que en las reacciones de sustitución electrofflica, el anillo furánico, demuestra la alta selectividad posicionel para las posiciones adyacentes al átomo de oxigeno del núcleo, lo que es de esperar dada la elevada electronegatividad de este átomo, que determina que la nube electrónica se encuentre parcialmente deformada, localizándose, con mayor probabilidad en sus alrededores, esto determina que sean cual sean las condiciones de reacción, la relación de isómeros obtenidos contendrá, siempre, mayores cantidades del isómero a. Además, del análisis de estas reacciones y de las variaciones que éstas sufren, en cuanto a condiciones, en dependencia de los sustituyentes en el núcleo, se observan algunas peculiaridades en cuanto a la trasmisión dei efecto de éstos a través del anillo, evidenciándose así el alto grado de conjugación existente en el mismo, aspecto éste de gran importancia en el momento de hacer consideraciones acerca de la aromaticidad y la reactividad de sus derivados . 4 Multiplicidad de las alternativas en cuanto a la aplicación de derivados furánicos Los derivados furánicos han sido propuestos para múltiples aplicaciones, destacándose entre ellas los usos bioquímicos (productos fitosanitarios, medicamentos de uso humano y veterinario), así como en otras ramas de la economía nacional . Los estudios relacionados con el uso de los derivados furánicos para la síntesis de productos fisiológicamente activos, han tenido, a través de los años, un importante desarrollo. La presencia, en la molécula, de los compuestos furánicos de un anillo reactivo pentagonal con un sistema de enlaces conjugados, ofrece la posibilidad de efectuar, fácilmente, muchas reacciones y transformaciones, de donde estos compuestos no sólo son interesantes por sí mismos, sino que pueden ser empleados como valiosos intermediarios sintéticos para efectuar otras transformaciones . Las propiedades fisicoquímicas, la reactividad, la acción biológica y la toxicidad de los derivados del furano, dependen, en alto grado, del carácter de los sustituyentes en el ciclo . Así, el posible uso práctico de estos compuestos' es amplio y variado, por lo que se pueden encontrar valiosos medicamentos, nuevos insecticidas, fungicidas, raticidas, acaricidas, herbicidas, nematocidas, estimuladores del' creci-

miento, preservadores de alimentos, aromatizantes, saborizantes, etc . En nuestro país, se va a la búsqueda de estructuras funán'Cas de posible aplicación biológica, se preparan productos, que agrupados en familias, serán evaluados en su acción frente a organismos vivos, encontrándose que la misma puede ser variada, en dependencia de la función orgánica predominante, así como de los diferentes grupos sustituyentes, esta situación no es nueva; y es justamente la que determina la extensa y complicada red de prueba de productos que debe abarcar el más amplio rango de func'ones, con el objeto de lograr una caracterización completa que determine el uso más efectivo del compuesto químico en cuestión . Existen, sin embargo, dado el desarrollo en las investigaciones de compuestos activos biológicamente, posibilidades de obtenc'ón de productos en forma dirigida, esto es, se conocen, hoy en día, de forma clasificada, los efectos que con mayor probabilidad ejercen determinados grupos funcionales en las moléculas orgánicas. Se conoce, por ejemplo, que sobre la molécula básica de furano, el grupo carbonilo, el grupo nitro, el grupo metilénico (independ'entemente de la función que lo sustituya), el radical azometino y el grupo vinilo, producen un incremento en la actividad biológica del núcleo furánico . Cuando el átomo de nitrógeno de los azometinos furánicos pertenece a su vez a otro heterocíclico, la efectividad biológica se ve aumentada en un elevado tanto por ciento . En 1960, se evaluaron, aproximadamente, 40 azometinos furánicos, encontrándose que la mayor actividad la poseían los de rodanina, anilina, m-amino benzoico y m-toluidina, y que, en general, la introducción de sustituyentes en la anilina no provocaba grandes variaciones en la efectividad biológica de los compuestos, determinándose así la fuerte incidencia que el grupo furfuriliden (C4H30-CH=) común ejerce sobre este parámetro. La presencia de radicales alquílicos directamente enlazados al núcleo furánico reduce la actividad biológica como fungicida de los derivados en que aparecen presentes, sin embargo, la aparición de grupos alquílicos en compuestos activos incrementa sus propiedades ; por ejemplo, en 1974, Pelos¡ trabajó con p-fluorfenilcetonas y encontró que la sustitución de un grupo metilo en el radical de p-fluorfenilo provoca un aumento de actividad biológica, trabajando con esta misma serie de derivados carbonílicos del furano, Kovac, en 1976, demostró que las furilcetonas sustituidas por anillos heterociclos (tiofeno y pirrol) presentan, al igual que furilfenilcetona, actividad frente a diferentes hongos, demostrándose así que el grupo carbonilo es determinante en cuanto a la aparición de actividad . (Otros

BIOACTIVOS

autores han trabajado en este mismo sentido .) La efectividad del grupo nitro ha sido una vez más comprobada por Callejas, cuando trabajó con una serie de acetales furánicos cíclicos, detectando que los compuestos no sustituidos por el grupo nitro no presentaron actividad biológica, en tanto que los derivados 5-nitro furánicos sí presentaron efectividad . De este modo, es posible ya ir a la búsqueda, a través de vías sintéticas específicas, de una determinada familia de compuestos, entre los que debe existir al menos 1 que presente las propiedades esperadas, pero esto no excluye la posibilidad de que algún otro miembro de la serie o incluso el propio compuesto ya clasificado, presente actividad en otro campo de aplicación . El problema de la multiplicidad de las alternativas ha sido resuelto, tradicionalmente, preparando compuestos de forma dirigida y evaluando la actividad de los mismos por eliminación, esto es: se investiga su acción frente a un amplio rango del campo para el que ha sido concebido, y si se obtiene una respuesta pos?tiva de actividad, y es económicamente factible desde todo punto de vista, ésta ha de ser su aplicación más relevante, aunque no sea posiblemente la única. Hoy día, estas interrogantes ante un nuevo derivado sintético se resuelven rápidamente y de manera más definitiva, por la aplicación de métodos computables, así en el Instituto de Síntesis Orgánica de la Academia de Ciencias de Riga, en la Unión Soviética, los investigadores que trabajan en este campo, obtienen la respuesta sobre las posibles aplicaciones de sus produetos, sin que éstos hayan pasado por la complicada y costosa red de investigaciones que implica las pruebas de actividad. De cualquier forma, una vez determinada la acción biológica de un producto o familia de productos, éstos son evaluados sobre los organismos, y se estudia, además, los efectos colaterales de su aplicación . 5 Dirección fundamental de nuestro trabajo con derivados furánicos En Cuba, esta actividad de producción de compuestos orgánicos con actividad biológica potencial, es relat'-vamente nueva. La posibilidad de disponer de grandes cantidades de furfural, ha determinado el interés de nuestros químicos hacia este campo, en cuanto al estudio de la química del furfural y sus derivados, desde los más diversos aspectos, tanto teóricos como prác-

493 ticos. Como es lógico, con el objeto de obtener compuestos biológicamente activos, es fundamental la actividad sintética, pero ésta, por necesidad, trae aparejada la actividad de otros espec-alistas en microbiología, fitopatología, bioquímica, biología, agronomía, etc ., que con su trabajo determinarán la posible utilización de los productos furánicos producidos a escala de laboratorio ; mundialmente se plantea que de cada 10 000 productos sintetizados sólo 1 logra su aplicación económica masiva, luego de un período de investigaciones que puede demorar entre 3-6 a. Nuestra contribución como institución, al desarrollo de esta actividad, ha resultado en la síntesis y caracterización estructural de numerosos derivados, lográndose la obtención de amidas, ésteres, carbamatos, ureas y nitrocompuestos furánicos ; así como productos organometálicos, halogenados en cadena lateral, cetenmercaptales y otros derivados del furfural, obteniéndose resultados positivos para un alto tanto por ciento de los productos evaluados como fungicidas, insecticidas y acaricidas, fundamentalmente . Entre otras, fue comprobada la acción fungicida in vitro frente a los hongos : Helminthosporium oryzae, Fusarium oxysporum, Rhizoctoma solani, Scerota bataticola y Penicillium sp.; en concentraciones de 0,1 a 0,001 %, observándose una inh°bición del crecimiento miscelial que oscila entre valores de 70- 100 %, para los derivados furánicos siguientes : 5-nitro furfural,furanacrilato de furfurilo, oxima del furfural, furfurilidén aminofenol, furil nitro-etileno, oxima del 5-nitro furfural, 5-nitro furoato de metilo, mono furfuril urea, ácido furoico, furoato de metilo, 5-nitro furfural bisulfito, 5-nitro 2-furilnitrato, furoato de etilo, 1(5'carbometoxi 2'furil) 2,2,2-tricloroetanol y (5' N,N dimetil carbamoil 2'furil) 1-cloro, 2,2,2-tricloroetano . Se comprobó, además, la acción insecticida de los siguientes derivados : 5-nitro furfural, N-1sopropil, N-furfuril acetamida, N-furfuril cloroacetamida, N,N-dietil-furamida y N-butil-furamida, frente a Drosophilla,lográndose valores para tantos por ciento de mortalidad de 80 a 100 para concentraciones de 0,1 a 0,001 % del principio activo . Fue encontrada, también, la acción acaricida de la N,N difurfuril acetamida frente al ácaro Tetrangelius tumedis con efectos superiores a los acaricidas estándares utilizados. Algunos de estos productos han sido evaluados in vivo en pequeñas parcelas, con resultados satisfactorios, en cultivos de interés nacional y contra plagas que producen cuantiosas pérdidas en la cosecha de estos cultivos .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

494

6 Propiedades de los furanos que determinan el interés de su desarrollo como bioactivos El uso indiscriminado de los plaguicidas sintéticos comerciales que actualmente se utilizan, los que, en su mayoría, son derivados de la industria petroquímica, han provocado el rechazo de ciertos sectores hacia el desarrollo del empleo de la química en la agricultura, la que definitivamente debe ser asimilada como un arma efectiva en manos del hombre civilizado, que conjugada con otros modos de lucha contra plagas y enfermedades de las plantas, determinarán el desarrollo científico de la agricultura . El empleo de numerosos compuestos de elevada tox-cidad y bajo nivel de degradación en los ciclos vitales de plantas y animales, o de elevada residualidad, que alteran el ecosistema de forma prácticamente permanente,' ha determinado la intensificación, al máximo, de la activ?dad investigativa en el campo de la agroquímica . Es por esto, que el procesamiento biológico de un agente químico activo contiene la actividad conjunta de varias disciplinas dentro de una secuencia bien organizada, que responda todas las interrogantes que en el mundo actual se plantean, dado el grado de desarrollo existente, en cuanto a aplicación y efectos de productos químicos en la agr--cultura . El uso de productos naturales metabolizables, como agentes controladores de enfermedades y plagas, resolvería, en gran medida, los problemas de contaminación analizados, ya que los organismos vivos pueden procesar y transformar estas sustancias, sin que de este modo se produzcan alteraciones irreparables . Sin embargo, los procesos de obtención de estos productos, a partir de sus fuentes naturales, requieren, en la mayoría de los casos, de cantidades apreciables de materias primas, solventes, etc ., para la obtención de pequeñas cantidades de principio activo ; por otra parte, la obtención de las mismas, por vías sintéticas, es compleja, de este modo se hace rentable su uso en apEcaciones de menor escala, donde no se requieren grandes cantidades . Como es conocido, los derivados heterocíclicos aparecen presentes en numerosos productos naturales, así aquellos que contienen oxígeno, como, por ejemplo, las furanosas, las lactonas y los furanos, representan un papel importante en los procesos vitales y poseen una gran actividad biológica. La presencia de estas agrupaciones cíclicas en compuestos obtenidos de manera sintética determina su semejanza con los que habitualmente procesan los organismos vivos. La tendencia

actual va entonces dirigida hacia la preparación de estos compuestos, de aquí el interés en el desarrollo de la química de los derivados furánicos biológicamente activos .

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Capítulo XIX TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERA Y DE DERIVADOS EDUARDO BARQUINERQ GONZÁLEZ

ROLANDO CRUZ SUÁREZ

ESPERANZA VALDÉS JIMÉNEZ

ARNALDO GARCÍA PEÑA

1 Introducción La contaminación ambiental como problema derivado del desarrollo e industrialización, es uno de los temas más debatidos actualmente, sobre todo en los países desarrollados, en la mayoría de los cuales, existen regulaciones gubernamentales'que controlan el grado de contaminación producido por sus industrias . También el desarrollo de la humanidad ha arribado a una etapa, en la que el hombre, principal impulsor de la revolución científico-técnica, ha adquirido la facultad de transformar el entorno de múltiples maneras, por lo que resulta necesario garantizar, tanto el aspecto natural como el artificial del medio o ambiente, de aquí, que se debe considerar como cuestión fundamental, la protección y mejoramiento del hábitat del hombre, de lo contrario se verían afectados, tanto el desarrollo económico como el bienestar de los pueblos. Dentro de ese hábitat el agua es una de las más importantes fuentes naturales y uno de los factores que más contribuyen al desarrollo industrial de un país. Cuba, por ser una isla larga y estrecha, no posee grandes ríos. además de poseer una plataforma insular con cuantiosos recursos pesqueros, por lo que resulta necesario, en todos los casos, un riguroso control sobre aquellos efluentes que pueden contaminar sus aguas. Los efluentes procedentes de la industria azucarera y sus derivados son producidos por las industrias que utilizan la caña de azúcar y sus subproductos como materia prima fundamental. Están constituidos por todos los desechos líquidos originados en las operaciones y en los procesos de fabricación . Los volúmenes aportados, las propiedades y composición de los efluentes dopenderán, no sólo del origen y procedencia de éstos, sino del grado de eficiencia logrado en los procesos de fabricación y de la metodología en las operaciones industriales. La República de Cuba enfrenta, en estos momentos, un intenso desarrollo industrial y, correspondientemente, lleva a cabo programas importantes para la protección del medio o ambiente . La industria azucarera y sus derivados, con 157

MARÍA CRISTINA OBAYA ABREU

centrales, 11 fábricas de levadura, 12 destilerías de alcohol y 5 fábricas integrales de pulpa y papel, constituye, por necesidad, una industria potencialmente contaminadora de gran envergadura. Por esta razón, en paralelo con el desarrollo de nuevos procesos y como complemento de las nuevas inversiones, el ICIDCA lleva a cabo un programa de estudios de diseño de procedimientos para el tratamiento de los líquidos y sólidos residuales de estas producciones . Estos procedimientos deben ser capaces de eliminar o reducir, hasta niveles permisibles, las cargas contaminantes de estas materias, sin involucrar excesivos costos de inversión, operación y mantenimiento . El presente capítulo tiene por objeto, señalar las características de los efluentes producidos por estas industrias, las medidas internas en los procesos de fabricación, con el fin de atenuar su poder contaminante, así como diferentes niveles de tratamiento, de acuerdo con la complejidad de los mismos y sus características fundamentales .

2 Características de los efluentes de la industria azucarera y sus derivados 2.1 AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA AZUCARERA Las aguas residuales de la industria azucarera surgen por el conjunto de los residuos líquidos de la materia prima, con restos de las sustancias incorporadas al proceso de fabricación, más las aguas de desechos destinadas a la limpieza periódica de los órganos de fabricación . Para tener una idea de la cantidad de aguas residuales y la cantidad de materia orgánica producida por esta industria, diariamente, es posible estimar que vierte de 0,5 a 0,6 m3/t de caña procesada, con una carga promedio de 2,4 t de demanda química de oxígeno (DQO) . En la tabla 268 se presentan las características de este tipo de agua residual, que resultan ser de interés desde el punto de vista de su tratamiento y disposición final. De la misma se infiere que

497

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

el contenido de nitrógeno es relativamente bajo y alcanza valores de 0,027 kg/t de caña procesada . TABLA 268

Características de las aguas residuales de la industria azucarera : aspecto y composición Temperatura (C) 38 42 pH

4,9 -

6,1

DQO (mg/1)

700

- 5000

Sólidos totales (mg/1)

320

- 4360

Sólidos disueltos (mg/1)

800

- 3 750

Sólidos suspendidos (mg/1) Sólidos fijos (mg/1)

120

-

260

- 1120

660

- 3 550

660

- 3060

300

- 2500

Sólidos volátiles (mg/1)

Sólidos disueltos volátiles (mg/1)

Sólidos solubles azucarados

(mg/1)

Sólidos sedimentables (mg/t)

0,3 -

Nitrógeno (mglt) Fósforo (mg/t)

50

Potasio (mgll)

50

220

28,0

75

La cantidad de fosfato alcanza valores mayores a 0,04 kg/t de caña procesada ; la cantidad de potasio, aproximadamente, es de 0,027 kg para el mismo volumen de caña procesada . De estos valores se deduce la relación de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) : N: P, de la cual se observa que para los tratamientos intensivos esta agua residual deberá ser suplementada de sales ricas en nitrógeno, no así en fósforo, el cual se encuentra en exceso. La tabla 268 muestra otras características de importancia desde el punto de vista del tratamiento, y por las características del proceso en sí, estas aguas no estarán contaminadas de sustancias tóxicas ni de metales pesados, lo cual no limita cualquier alternativa que se vaya a tomar en lo referente a su disposición final. 2.2 AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA DE LEVADURA FORRAJERA

Hasta el año 1977, operaba en Cuba solamente una fábrica para la producción de levadura forrajera, sobre la base de la fermentación de mieles finales de la caña de azúcar, con una producción de 30 t levadura/d. A partir del año

1978, la situación ha cambiado de forma radical, a causa, fundamentalmente, de la puesta en marcha de 10 nuevas plantas de este producto, con una capacidad de 40 t de levadura seca diaria . La contaminación promedio producida por estas fábricas será de 0,8 t DQO/t levadura seca producida, en un caudal promedio de 70 m 3 de agua residual, sobre el mismo volumen de levadura. La tabla 269 muestra las características de las aguas residuales que salen de las fábricas de levadura torula de la firma francesa Speichim . TABLA 269

Características de los residuales combinados de la fábrica de torula DO0

(mg/t)

8000

N

(mg/1)

l05

Ca Mg

(mg/l)

500

(mgl0

100

Sólidos totales Sólidos totales fijos

2416

Sólidos totales volátiles

6 808

Sólidos totales disueltos Sólidos disueltos fijos

7 968

Sólidos disueltos volátiles Sólidos totales sedimentables

5 594

Sólidos sedimentables fijos Sólidos sedimentables volátiles pH

9224

2393 1256 42 1213

S

2.3 AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA DE PRODUCCION DE ALCOHOL En Cuba, actualmente, existen 12 destilerías de alcohol que utilizan miel final de caña de azúcar como sustrato para la fermentación . La producción anual total de estas destilerías es de, aproximadamente, 150 000 m3 de alcohol y como producto adicional de 12 000 t de levadura . Las aguas residuales producidas por las destilerías son muy concentradas y esto significa un alto peligro para el ambiente natural . De las 12 destilerías existentes, sólo 5 recuperan la levadura, por este concepto se produce un aproximado de 7 500 t de levadura anualmente . Es decir, que se botan alrededor de 4000 t de levadura, las que además de no poder ser utilizadas para otros usos importantes, encarecen altamente el sistema

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZUCAIt

498

de tratamiento de las aguas residuales de estas plantas que no la recuperan . De modo general, la producción de aguas residuales de las destilerías, en Cuba, es de 7 000 m3, con una concentración promedio de 60 kg DQO/m3, lo que implica una carga diaria de 420 t de DQO . Los índices de contaminación son muy altos y representan un real peligro para el ambiente alrededor de las fábricas de este tipo. En cada destilería los índices varían en cantidad y concentración, de acuerdo con la dilución de los mostos, por adición de aguas tales como agua de enfriamiento, etc . Para el diseño de sistemas de tratamiento es necesario determinar las características e índices individuales para la destilería en cuestión, no obstante, en la tabla 270 se presentan las características de este tipo de agua residual, para una destilería que recupera levadura . El alto poder contaminante de una destilería . que no recupera levadura podrá ser inferido -si se tiene en cuenta que los mismos estarán de 5 a 6 veces más contaminados que las aguas residuales de las destilerías que sí la recuperan . TABLA 270 Características de las aguas residuales de destilerías Volumen o caudal Carga orgánica

2,5 WIN alcohol 0,73 kg DBO/I alcohol

de celulosa, en forma de diferentes compuestos orgánicos e inorgánicos, a través de la acción de las operaciones de lavado, purificación y recuperación, dando lugar a la producción de corrientes, las que al ser expulsadas al medio reciben el nombre de efluentes . Estos se caracterizan, fundamentalmente, por los siguientes parámetros : 1 . Volumen . 2 . Contenido de sólidos suspendidos . 3. Contenido de demanda biológica de oxígeno . Esta caracterización resulta general como mé. todo, aunque se puede ampliar en dependencia del proceso del cual se origina el efluente, o del método de control o tratamiento que se requiera o se desee emplear. El volumen de efluente depende del consumo específico de agua fresca por unidad de producción. Este índice varía, considerablemente, no sólo para diferentes procesos sino también para un mismo proceso en diferentes fábricas . En un principio, no se le brindaba mucha importancia a los consumos de agua, aunque en el momento actual y, sobre todo, en las fábricas modernas la reducción de este índice es de vital importancia, para la economía de las mismas. En la tabla 271 se muestran los consumos promedios de agua para algunos procesos de pulpeo, en ella se observa cómo estos valores resultan relativamente elevados .

Temperatura

77 "C

pH a 70 'C

3,4

pHa30«C

4,0

pHa26*C

4,2

Nitrógeno

855 mg/1

Levaduras

174,0 x 10' pm/ml

Demanda química inmediata

400 mgl1

Sulfato sin blanqueo

75-300

DBO

29 000 mg/1

Sulfato con blanqueo

170-500

Sólidos totales

35 400 mg/1

Pulpa para disolver

500-700

Sólidos sedimentables

18 ml/1

Sulfilo sin blanqueo

140-500

Sulfito con blanqueo

300-600

TABLA 271 Consumos promedios de agua para diferentes,procesos de pulpeo (mr/t)

2.4 AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL

En general los efluentes de la producción de pulpa y papel se clasifican en 3 grupos:

La producción de pulpa y papel es un tratamiento multietapas de procesos químicos y físicos sobre la materia prima, de manera que, en su conjunto, se logra separar, total o parcialmente, el material no celulósico, de las fibras

1 . Efluentes que contienen fibras (contenido relativamente alto en fibra y bajo en mate. ría disuelta) . 2. Efluentes que contienen licor residual (con-

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

tenido relativamente alto en materia disuelta y bajo en fibra) .

499

3. Efluentes de los procesos de blanqueo .

condiciones aeróbicas, crea un consumo elevado de oxígeno disuelto en la corriente receptora, lo que provoca la muerte de la fauna acuática, así como otros daños.

2.4.1 Efluentes que contienen fibras

2.4.2 Efluentes que contienen licor residual

Los efluentes que contienen fibras, fundamentalmente, se originan de las operaciones de desmedulamiento, clasificación, depuración y máquina de papel . Estos efluentes pueden ser tratados por sedimentación, por separado o en su conjunto, pudiendo lograrse, en la mayoría de los casos, una reutilización del agua y, por tanto, una economía en el consumo de la misma. Actualmente, resulta posible cerrar casi por completo los sistemas de lavado y purificación después de la cocción, con lo cual se logra una reducción considerable en la descarga de estos efluentes ricos en fibras. Por otro lado, un control deficiente en algunas de las partes del proceso de pulpeo, podría introducir algunas descargas accidentales de pulpa, contribuyendo, significativamente, de este modo, al contenido de las fibras en el efluente, y estas sobrecargas ocasionales pueden crear problemas sobre las corrientes receptoras y/o en la planta de tratamiento . Las diferentes fábricas de pulpa y papel mejoran continuamente la utilización óptima de la materia prima, tratando de retener al máximo la fibra dentro del proceso, sin embargo, las pérdidas de fibras útiles en el efluente general son inevitables, éstas están en el rango de 1- 2,5 % del total de la producción . El uso adecuado de equipos desarrollados para la sedimentación o la filtración, con o sin coagulación química, hace posible la recuperación de estas fibras, lográndose una reducción total del contenido de sólidos en el efluente, hasta valores permisibles para la mayoría de estas corrientes . Para las fábricas de papel, esto representa una ventaja considerable con relación a los consumos de agua, sobre todo para el caso de los efluentes de desmedulamiento y máquina de papel, en los cuales es posible obtener desde 90 - 95 % de reducción en los sólidos suspendidos para una etapa simple de sedimentación por gravedad, en tiempos relativamente cortos; obteniéndose, por lo regular, un efluente con un nivel bajo de sólidos suspendidos, el cual puede ser utilizado de nuevo en alguna operación de la planta, lo que introduce grandes ahorros en los respectivos consumos de agua. Además, la remoción de fibras de estos efluentes resulta necesaria a causa de que ellas pueden sedimentar a través de las corrientes receptoras y producir en las mismas un proceso de descomposición, bajo condiciones anaeróbicas, generándose gases, tales como HA, COQ y metano. También la descomposición de estás fibras, bajo

Estos efluentes se caracterizan por poseer un alto contenido de materia orgánica disuelta, originada por los procesos de almacenamiento, pulpeo, lavado y blanqueo, así como de la planta de recuperación . 2.42.1

EFLUENTES DE ALMACENAMIENTO A GRANEL DE BAGAZO

Muchos han sido los trabajos encaminados a la búsqueda del almacenamiento más eficaz para el bagazo que se usa en la producción de pulpa. Actualmente, es bastante generalizado el criterio de que el mejor método de almacenamiento es a granel . Las fábricas integradas de pulpa y papel de Cuba tienen implantado este método o se encaminan a su implantación.. Dentro del método general de almacenamiento a granel de bagazo tenemos entre otros el sistema Técnica Cuba y el sistema Biológico Nacional (Alba) . Estos sistemas tienen la característica en común de que durante todo el período de almacenamiento (Técnica Cubana) o esporádicamente (Alba) expulsan al ótedio una cierta cantidad de efluentes líquidos. Los comportamientos " de las magnitudes contaminantes de estos efluentes varían entre ellos y su comportamiento en el tiempo es diferente, por lo que no se puede hablar de un efluente de almacenamiento de bagazo sin especificar por cuál sistema éste fue almacenado. 2.422

EFLUENTES DE ALMACENAMIENTO DE BAGAZO SISTEMA TÉCNICA CUBANA

Las magnitudes contaminantes en el efluente del sistema Técnica Cubana varían desde que se comienza a formar la pila hasta que ésta termina de drenar el agua con que es regada. Al principio estas magnitudes se incrementan con el tiempo hasta alcanzar un valor máximo, el cual se obtiene, aproximadamente, a los 15 d de dejar de introducir bagazo fresco a la pila y, con posterioridad, ocurre un decremento de estas propiedades hasta que termina de drenar la pila, por completo . En la tabla 272 aparecen reportados los valores de las propiedades contaminantes de una pila Técnica Cubana típica, expresados en miligramos por litro. Como se puede apreciar en la tabla 272, es un efluente de carácter ácido, con color des-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR 2.42.3

TABLA 272 Cargas contaminantes de la pila de almacenamiento de bagazo Técnica Cubana (mg/t)

EFLUENTES DE ALMACENAMIENTO DE BAGAZO SISTEMA ALBA

500

950

1500

DQO

3 850

9 300

15 800

DBO

2600

6000

9600

ST

3200

4800

8000

STF

1200

1900

4000

La producción de efluentes de este sistema no es constante, sino que ocurre, esporádicamente, por diferentes razones y al finalizar el período de almacenamiento . Las magnitudes contaminantes en este efluente no presentan variaciones considerables en el tiempo, sino que oscilan alrededor de un valor que para los efectos prácticos se puede considerar constantes La constancia en los valores de las magnitudes contaminantes obedece al hecho de que sobre la composición del licor biológico se tiene un control estricto . En la tabla 274 aparecen reportados los valores máximos de las magnitudes contaminantes para el efluente del sistema Alba expresados en miligramos por litro .

STV

1700

2900

6000

TABLA 274

SS

70

260

500

SSF

20

70

200

SSV

50

190

300

28M

4 600

7 600

Valor Valor mínimo promedio

Magnitud pH

4,9

4,3

Color Un Pt

SD

Valor máximo 5,3

preciable y la relación entre la DBO y la DQO tiene un alto valor que indica una gran facilidad de biodegradación . En la tabla 273 aparecen las magnitudes contaminantes calculadas durante la formación de una pila de bagazo completa del sistema Técnica Cubana, expresadas en kilogramos por tonelada de bagazo almacenado. TABLA 273 Cargas contaminantes de' la pila de almacenamiento de bagazo de Técnica Cubana (kg/t) Magnitud contaminante

(k8/tl

DQO

52

DBO

33

ST

27

STV

16

STF

11

SS

1,5

SSF

0,5

SSV

i

SD

25,5

Cargas contaminantes para el efluente del sistema Alba de almacenamiento (mg/0 Magnitud PH Color verde

5,4 300

DQO

4 760

DBO

1150

ST

, 3000

STF

1000 2000

SS

300

SSF

70

SSV

230

SD

27W

El valor que tomen estas propiedades por toneladas métricas de bagazo dependerá, en un alto grado, de la estabilidad con que trabaje el sistema, puesto que con el sistema trabajando establemente el volumen de efluente producido será mínimo . Con el sistema trabajando no del todo estable los valores de estas propiedades por tonelada métrica de bagazo almacenado no deben sobrepasar los que aparecen en la tabla 275 . De los resultados en kilogramos por tonelada de bagazo almacenado para ambos tipos de sistemas estudiados, Técnica Cubana y Alba, se observa que este último es de menos contaminación que el sistema Técnica Cubana, esto se

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

y productos de degradación de la lignina, diferentes tipos de azúcares, ácidos orgánicos derivados de la lignina, polisacáridos, aldehídos y otros compuestos de tipo aromático . En la tabla 276 se muestran lbs niveles de contaminación producidos por diferentes tipos de pulpeo de bagazo . De acuexdo con los resultados de la tabla 276, se observa, como en el caso de la pulpa a la soda, que al disminuir el rendimiento aumenta la contaminación del efluente, a causa, precisamente, de que el proceso resulta más drástico, desde el punto de vista de la deslignificación y de la disolución de polisacáridos, produciendose un efluente más rico en materia orgánica disuelta y en suspensión (sólidos disueltos, suspendidos y totales, volátiles [SDV -l- SSV + + STV]) . También se observa cómo la relación DBÓ/STV, para este mismo caso, disminuye hacia el proceso más químico, esto se debe a la mayor degradación lograda por unidad de masa que pasa al efluente. Con respecto a la pulpa química al sulfito, ésta resulta la más contaminante, además de presentar su efluente el mismo comportamiento que los otros. Los efluentes de pulpeo no solamente contribuyen a la contaminación, al ser expulsados al medio o ambiente, 'sino que producen también, una pérdida considerable de componentes de la materia prima, por lo que la recuperación y el tratamiento de dichos efluentes se debe considerar como una parte del proceso de pulpa. Hasta el'momento, se han desarrollado muchos procesos que logran una utilización óptima y aun total de la materia prima . Por lo general, los efluentes de pulpa son muy peligrosos para la vida acuática de las corrientes receptoras, los valores de la demanda biológica de oxígeno en estos efluentes resultan elevados durante los primeros 5 d de incubación, por ejemplo, en el caso del pulpeo químico al sulfito, 68 % de la materia orgánica presente en el efluente producido consume hasta 27 g de oxígeno/1,

TABLA 275 Valores máximos esperables para las magnitudes contaminantes (kg/t) por el sistema Alba (kg/t)

Magnitud

DQO

6,1

DBO

1,5

ST

3,9

STF

1,25

STF

3,65

SS

0,33

SSF

0,1

SSV

0,3

SD

3,3

debe a varias razones : en primer lugar, a que el sistema Alba usa una cepa de microorganismos que es capaz - de consumir una gran parte de la materia disuelta y, en segundo lugar, que en este. sistema la cantidad de efluente que se produce es mínima, puesto que el licor biológico de almacenamiento se recircula a la pila después de ser fortalecido con nuevos cultivos de microorganismos y con los nutrientes para éstos. 2.4.2 .4 EFLUENTES DE PULPEO

La cantidad y composición del efluente de pulpeo dependerán del grado de deslingnificación, calidad de la materia prima y tipos de agentes químicos y condiciones de cocción empleados . En el efluente de pulpeo existirá un número elevado de diferentes compuestos orgánicos e inorgánicos como, por ejemplo : lignina

TABLA 276 Cargas contaminantes para diferentes pulpas de bagazo por tonelada

R

50 1

DBO

STV (kg/t)

DBO/ /STV

Flujo (m$/t)

(kg/t)

Pulpa química a la soda

50

41

800

0,051

23

Pulpa serniquímica a la soda

70

25

430

0,060

27

Pulpa química-mecánica

85

14

180

0,080

30

Pulpa química al sulfito

45

43

950

0,045

47

502

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVAIIUS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

el resto alcanza la desoxigenación en un período mayor a 30 d. Por lo que resulta interesante contemplar la posibilidad de aplicación de los diferentes tratamientos biológicos a estos efluentes . En dependencia del tipo de proceso de pulpeo usado, será factible o no el tratamiento para estos efluentes con el objeto de recuperar productos químicos y energía . No podemos referirnos a la recuperación del efluente de pulpeo sin tener en cuenta el lavado de la pulpa. Después de la cocción, las pulpas se someten al lavado por 2 razones : 1 . Remoción de cualquier residuo soluble, adecuándola para el posterior proceso de blanqueo. 2. Recuperación química . Tanto para el caso de un efluente kraft o de cualquier otra base soluble, se debe lograr un mínimo de dilución de los sólidos, a'causa de que el agua debe ser removida, con posterioridad, por evaporación . Normalmente, con un lavado a contracorriente se recupera desde 95 - 98 % del efluente en una cocción kraft, por lo que solamente una pequeña parte se expulsará como tal . Por lo general, el calor de combustión referido a los sólidos contenidos en estos efluentes es de, aproximadamente, 4 000 - 5 000 kcal/g. Mediante el empleo de nuevos procesos y a partir del efluente de pulpeo al sulfito, resulta posible la producción de alcohol y levadura, así como la vainilla. También y a partir de los efluentes del pulpeo al sulfito se obtienen lignosulfonatos, los cuales pueden ser empleados como adhesivos, rellenos para gomas, en fertilizantes y en rellenos para carreteras . Todo lo anterior contribuye, en gran medida, a crear una reducción considerable de las cargas contaminantes en estos efluentes, a pesar de lo cual siempre se vierte al exterior una pequeña cantidad procedente de las últimas etapas de lavado y purificación, por lo que se requiere, en todos los casos, una medida externa de tratamiento que pueda eliminar o reducir esta contaminación residual . Con relación a estos procesos debemos considerar los condensados de las plantas de cocción y de evaporación, los que contribuyen, significativamente, a la carga contaminante, siendo posible su descontaminación y, por tanto, su reuso . 2 .4.3 Efluentes del proceso de blanqueo En el blanqueo de la pulpa se usan diversos reactivos químicos y esta operación se realiza en varias etapas, en dependencia de la calidad final deseada para la pulpa. Por esta razón,

resulta complejo hablar acerca de la composición exacta de los efluentes del proceso de blanqueo, generalmente, ellos, en su conjunto, tienen una gran cantidad de materia orgánica disuelta, algunas fibras, pero, además, pueden contener cloro y otros reactivos químicos . Estos efluentes se caracterizan por presentar grandes flujos, aunque con amplias posibilidades de ser reducidos. En dependencia del grado de calidad final de la pulpa que se desea obtener durante el blanqueo, se disolverán, en el efluente, diferentes cantidades de oxicloro, lignina y carbohidratos . La mayor contaminación es originada por los efluentes de clorinación y de extracción. Generalmente, en la planta de blanqueo se producen cerca de 40 kg DBOS /t de pulpa, lo cual no presentará influencia sobre la vida acuática de las corrientes receptoras si la dilución es de 1 a 10 ó más. Para su estudio, los efluentes de blanqueo los podemos dividir en 2 partes: 1 . Fácilmente biodegradables . 2. Resistentes a la biodegradación y no completamente biodegradables. La descomposición biológica de los contaminantes, en las corrientes receptoras, ha sido un tema muy estudiado, pero se debe investigar más sobre efectos de la resistencia a la biodegradación de algunos grupos contaminantes . Por ejemplo, la presencia de cloro libre en los efluentes de la planta de blanqueo en los procesos clásicos, produce consecuencias tóxicas directas. De cierta manera, el blanqueo clásico puede ser considerado como una continuación del proceso de pulpeo, con una posterior disolución de los constituyentes de la materia prima . Es, sin embargo, de interés considerar los efluentes de la planta de blanqueo separados en las diferentes etapas. Como se mencionó anteriormente, los efluentes de clorinación y extracción alcalina producen la mayor contaminación, con posibilidades de algunos efectos tóxicos del cloro libre procedente de la etapa de clorinación o de etapas posteriores en las que se usa el cloro . En la mayor parte de los trabajos de desarrollo sobre la caracterización de efluentes de blanqueo se observó que la presencia de cloro libre a niveles de concentración de 3 mg/1, o menos, presentaba toxicidad. Por otro lado, se ha comprobado que la estructura fenólica de las cloroligninas no ejerce influencia negativa sobre la descomposición biológica . También los experimentos de tratamiento biológico realizados sobre estos efluentes, así como sobre otros efluentes de la producción de pulpa, muestran que el tratamiento biológico puede ser inhibido, total

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SóLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

o parcialmente, por los efectos tóxicos de algunos compuestos presentes en ellos. Los efluentes de blanqueo se caraterizan, también, por mostrar un color intenso, originado por la clorinación y la extracción alcalina, especialmente esta última etapa es responsable de la gran coloración de los efluentes de blanqueo . En la situación actual, y especialmente en la producción de pulpa a la soda y al sulfito con recuperación de productos químicos, los efluentes de blanqueo son la principal fuente de contaminación que reciben las corrientes receptoras como, de esto,por ejemplo,veamos la contaminación producida por el blanqueo de una pulpa química a la soda de bagazo blanqueada, según la secuencia CEH en la tabla 277. Resultados

(kg/I)

Si comparamos estos valores con los obtenidos en la secuencia CEH para pulpas químicas, vemos que la aplicación del blanqueo con oxígeno repercute, favorablemente, sobre la carga contaminante del efluente a causa de que se halla mucho más biodegradado, lo cual está dado, precisamente, por el bajo nivel de la DBO, y a que en el mismo no se encuentran presentes compuesto-! tóxicos, todo lo cual hace posible que se pueda, incluso tratar con mucho más facilidad este efluente . 3 Medidas para atenuar la contaminación 3.1 MEDIDAS INTERNAS Resulta difícil hablar de un sistema universal para el tratamiento de efluentes, cualquiera que

TABLA 277

de pulpa blanqueada para las magnitudes contaminantes producidas por una secuencia CEH ST

STF

STV

SS

SD

pH

18

733

155

78

21

212

7

96,6

23

223

113

110

32

192

10

48,1

61

270

194

75

14

255

Etapa

DQO

C

60,6

E H

503

DBO

Un sistema de blanqueo ampliamente usado es el blanqueo con peróxido de hidrógeno . En la tabla 278 se muestran las magnitudes contaminantes -de los efluentes de blanqueo, con peróxido de hidrógeno en una etapa para 2 pulpas, A de alto rendimiento, pulpa química-mecánica al sulfito y B, pulpa química-mecánica a la soda.

6,8

sea su origen. Para un buen diseño de tratamiento se.requiere de un examen cuidadoso de todas las condiciones locales existentes, como, por ejemplo, el tipo de proceso, las características de la corriente receptora, así como las normas permisibles de contaminación. Existen diferencias en cuanto a una selección adecuada de un sistema de tratamiento de efluen-

TABLA 278

Resultados (kglt) de pulpa blanqueada de los efluentes de blanqueo con peróxido de una etapa (A), pulpa química-mecánica . al sulfito, y (B), pulpa mecánica de alto rendimiento a la soda Pulpa

pH

DQO

DBO

ST

STF

STV

SS

SD

A

3,0

55

40

100

62

38

4

B

%

2

13

9

190

113

77

43

147

Entre las tendencias modernas para disminuir la contaminación producida durante el blanqueo se encuentra el blanqueo con oxígeno. Un ejemplo de esto aparece en la tabla 279 que muestra la contaminación en kilogramos por tonelada de pulpa blanqueada de 2 pulpas de bagazo a la soda.

tes entre una fábrica nueva y otra con más años de servicio. En el caso de una fábrica de más años, el primer paso consiste en establecer, exactamente, todos los puntos productores de efluentes, así como la cantidad, y calidad de los mismos, evaluándose si éstos se hallan bien canalizados y mezclados . Por lo que resulta con-

504

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR TABLA 279

Carga contaminante en el efluente producido durante el blanqueo con oxígeno de 2 pulpas de bagazo a la soda Pulpa

pR

DQO

DBO

ST

STF

STV

SS

SD

1

10,6

9

2,3

19

8

il

3

16

2

11,3

23

5

57

30

27

2

55

veniente hacer un diagrama de flujo que incluya tanto el balance material de agua como de productos químicos, el cual quedará verificado con los análisis químicos que se realicen para dicha corriente . Posteriormente, y con todos estos resultados y la investigación técnico-económica correspondiente, se podrá evaluar y proponer la vía de tratamiento más idónea para estos efluentes . Aunque, hasta el momento, se han desarrollado muchos procesos para el tratamiento químico y biológico de efluentes, es más conveniente, sin embargo, reducir al mínimo la carga de contaminación mediante la búsqueda de medidas internas, como paso previo a la proyección de una planta de tratamiento . Estas medidas internas deben incluir el ajuste de las operaciones y equipos, y, en caso extremo, introducir cualquier cambio parcial de la tecnología, todo lo cual contribuye a los siguientes aspectos : 1 . Reducción del flujo de efluentes . 2. Reducción de la carga contaminante por reciclaje de los sistemas . 3. Segregación de los flujos de efluentes según el tratamiento externo que se vaya a aplicar . Las medidas internas que se logren no solamente contribuirán a la disminución de la contaminación, reduciendo, por tanto, los costos de inversión y operación para una planta futura de tratamiento de los efluentes, sino que se logrará de por sí introducir una economía en el propio proceso, en lo referente a consumo de agua y recuperación de fibras, y, en aquellos casos en que se pueda introducir la recuperación química como medida interna, esto traerá aparejado ahorros considerables en cuanto a energía y productos químicos ; por lo que la tendencia actual, en relación con la contaminación, es la de reducir al máximo estas cargas mediante la adopción de medidas internas y más aun si tenemos en cuenta que cada vez se vuelven más severas y sobre todo en los países desarrollados, las restricciones en cuanto a las cantidades y

tipos de contaminantes permisibles de expulsar al medio . 3.1.1 Centrales azucareros De acuerdo con experiencias prácticas realizadas en diferentes centrales azucareros, mediante la aplicación de ciertas normas, es posible disminuir hasta 80 "io el volumen de las aguas residuales . A continuación se enumeran estas medidas o normas : 1 . Hacer las instalaciones para circuito cerrado de las aguas de enfriamiento del tándem, turbogeneradores, cristalizadores, chumaceras y puntos de apoyo, etc. 2. Hacer las instalaciones necesarias para verter en el bache del enfriadero (hacer enfriadero en las industrias donde no exis tan) todas las aguas usadas en el enfriamiento de las bombas de vacío y equipos varios. 3. Elaborar un esquema de recuperación de condensados que permita su máxima utilización como agua de alimentación de calderas, limpieza, etc. 4. Disminuir al mínimo indispensable, las aguas empleadas en la limpieza de los equi. pos del proceso, como concentradores, clarificadores, cristalizadores, centrífugas, molinos, etc . Estas aguas deben ser recolectadas y dispuestas para un tratamiento conveniente . 5 . Los ingenios que utilizan una sola vez el agua de enfriamiento, sin emplear métodos de recirculación deben ajustar los equipos mecánicos de vacío y mejorar las eficiencias de los separadores de arrastres en los múltiples efectos, con objeto de evitar que estas aguas se contaminen con jugos azucarados. De esta forma las mismas podrán ser:

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

a) Reusadas en cualquier parte del proceso (con un adecuado almacenamiento de las mismas) . b) Ser utilizadas como agua para regadío de las áreas cañeras aledañas . 6. Los ingenios que recirculan agua mediante sistemas de enfriamiento deben: a) Mantener en condiciones normales de funcionamiento el sistema de bombeo y conducción, así como evitar fugas innecesarias. b) Mantener los depósitos en que se almacenen, temporalmente, estas aguas en condiciones que impidan que se rebosen o se originen fugas. En caso de reboso mantener un sistema de canalización que diferencies estos tipos de agua. c) Establecer un régimen > de limpieza de estos equipos que evite la descomposición de la materia orgánica contenida en los sólidos que sedimentan. 7. La cachaza, en todos los casos, deberá ser extraída en seco y nunca ser diluida . 8. Las fugas de jugos azucarados y mieles finales deben ser reducidas al mínimo. En caso de ocurrir algún tipo de fuga en lugar de limpiar con agua, regar bagazo de forma de absorber el tipo de fuga en cuestión y disponer posteriormente del mismo como un residuo sólido. 9. Se debe levantar parapetos de 3 in de alto con una cámara colectora alrededor de todas las bombas que manejen guarapo, meladura, etc. En caso de fugas, el material recolectado debe ser absorbido con bagazo seco. 10. Se debe alcanzar un ind?ce de 250 - 300 1 de aguas residuales por tonelada de caña molida . Para conocer y cuantificar el volumen de aguas residuales aportado por el central debe ser construido un medidor de caudales . Una vez planteadas las medidas para lograr minimizar el volumen o caudal de las aguas residuales del central, es necesario tener en cuenta la segregación o clasificación de estas corrientes, de manera de llevar al sistema de tratamiento aquellas que verdaderamente requ?eran el mismo, teniendo en cuenta el grado de

505

tratamiento que necesitarán (de acuerdo con su poder contaminante) y conducir las restantes (no contaminadas) a cursos receptores directamente o a otros usos . De acuerdo con el origen y procedencia de las aguas residuales, las mismas pueden ser clasificadas en : l. Aguas residuales normales . 2. Aguas residuales anormales . Las aguas residuales normales son aquellas que surgirán en la industria, independientemente de las medidas que se tomen, aunque son susceptibles de variaciones en los caudales y composición. Éstas son, por ejemplo : a) Limpieza de los equipos u órganos de fabricación de azúcar . b) Limpieza de los equipos que originen la cachaza . Las aguas residuales anormales existen, en mayor o menor grado, en todas las industrias del país, en unas en mayor volumen y concentración que en otras y por supuesto que pueden ser eliminadas, muchas de ellas, por la aplicación de las medidas antes mencionadas . Éstas son: a) Rebosos y fugas del sistema de enfriamiento. b) Dilución de la cachaza seca para su conducción . c) Mieles finales, por derrames, etc. d) Grasas, aceites, fuel oil, por derrames y fugas, entre otras que ya han sido mencionadas . Las aguas residuales normales serán de mayor interés al momento de diseñar un sistema de tratamiento, siempre y cuando sean aplicadas todas y cada una de las medidas ya mencionadas y podrán ser clasificadas como sigue: a) Aguas residuales débiles . b) Aguas residuales fuertes . e) Aguas residuales muy fuertes . Las aguas residuales débiles surgen en aquellas industrias donde no existen sistemas de enfriamiento y aereación de las aguas empleadas como refrigerante dé evaporadores, evacuándose

506

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

el mismo volumen utilizado . Estas aguas estarán, en mayor o menor grado, contaminadas en la medida en que se eviten las fugas de jugos azucarados, los cuales las convierten en aguas residuales. La presencia de sólidos orgánicos, aunque en pequeñas cantidades, implica su inmediata descomposición y el inconveniente mayor de las mismas está relacionado con sus enormes volúmenes que pueden alcanzar valores hasta de 17 000 I/t de caña molida . Las aguas normales fuertes se originan y proceden del proceso de fabricación e higienización de los locales de trabajo . Sus características y composición varían de acuerdo con el volumen de agua empleada en el lavado de los distintos equipos, el que deberá ser minimizado de acuerdo con lo ya planteado . Las aguas residuales normales muy fuertes, se originan en el lavado y limpieza de los elementos filtrantes de las estructuras donde se le extrae la humedad a la cachaza y del lavado y limpieza de otros órganos de fabricación del azúcar, que contienen grandes cantidades de cachaza . Son aguas residuales sumamente agresivas, y normalmente contienen impurezas adicionales que existen en los procesos de fabricación . Una vez conocidas las diferentes características de estas aguas, y ya clasificadas, serán integradas al sistema de tratamiento en diferentes fases del mismo, de acuerdo con el grado de contaminación que posean . La existencia de aguas residuales anormales, no fue considerada en este análisis a causa de que las mismas deben ser, en su totalidad, eliminadas; de no hacerlo, ello incrementará el volumen y concentración de las aguas residuales y, por consiguiente, encarecerá, en un alto grado, los costos del sistema de tratamiento. 3.1.2 Plantas de levadura forrajera Las corrientes efluentes provenientes de estas plantas se caracterizan por tener altas demandas químicas de oxígeno . Las mismas se clasifican en: a) Aguas residuales de la primera separación de crema, consideradas de alta carga orgánica . b) Aguas residuales de la segunda separación de crema, que es un efluente similar al de la primera separación, diluido de 2,5 a 3 veces. c) Fangos provenientes de la etapa de preparación de mieles, de un flujo pequeño con alto contenido de sólidos . d) Agua de limpieza de la planta que constituye una corriente de considerac'-ón por su

alta carga orgánica, además de sustancias como ácidos, etc ., utilizadas en el lavado de equipos y áreas de trabajo. Entre las medidas que se deben aplicar en esta industria, se pueden enumerar las que siguen : 1 . Recirculación de un tanto por ciento del efluente de la separación primar'a del proceso que no sea inhibitorio al proceso de producción de levadura, lo cual disminuirá el volumen de aguas que hay que tratar y garantizará agua al proceso de producción en sí y un mayor aprovechamiento de los nutrientes en el mismo . 2. Utilizar el menor volumen posible de agua en el lavado de las cremas de la separación secundaria. 3. Utilizar el menor volumen posible en la limpieza e higienización de locales de trabajo. De igual forma que otras industrias, todas las aguas de enfriamiento, de equipos, bombas, etc ., deberán estar en circuito cerrado, de lo contrario, por ser aguas menos o no contaminadas, deben ser separadas del resto, más contaminadas, para su disposición final . 3.1 .3 Destilerías de alcohol Las más altas cargas se producen, en estas industrias, cuando éstas no recuperan la levadura producida durante el proceso de fabricación de alcohol. Este hecho puede aumentar la concentración de estas aguas residuales en 40 o más . De forma general, las variaciones o irregularidades diarias en el caudal y concentración de estas aguas residuales, surgen, fundamentalmente, en los períodos de limpieza de los fermentadores y acumuladores de batición y crema que se realizan en intervalos aproximados de 8 h. Estas corrientes incrementan las cargas orgánicas y de materia sólida al evacuarse el contenido sedimentado en los depósitos destinados a los procesos, la DBO para estos residuos alcanza valores de 44 000 mg/1 que al mezclarse con los mostos o residuos líquidos procedentes de los rea tificadores con una DBO de 25 000 mg/1 (para destilerías que recuperan la levadura), influye poco en la mezcla total para los desechos combinados que es de, aproximadamente, 29 000 mg/1. Entonces, de manera general, se hacen las siguientes consideraciones a fin de minimizar los volúmenes y concentraciones de éstos :

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS 1 . Analizar las inversiones necesarias para lograr la recuperación de la levadura Saccharomyces cerevisiae, la cual contiene, aproximadamente, 42 % de proteína, por lo cual constituye un valioso subproducto de esta industria . 2. Lograr la mayor eficiencia en la industria y evitar altas concentraciones de materia prima en los residuos líquidos. 3. Programar, adecuadamente, los períodos de limpieza de los órganos de fabricación. 4. Utilizar el menor volumen de agua posible en la limpieza de los equipos y en la higienización de los locales de trabajo . Logradas las medidas antes dichas y para la integración de las aguas residuales a un sistema de tratamiento, se debe tener en cuenta la segregación de las corrientes ya mencionadas arriba, y la unión de las mismas no contaminadas, producto de la condensación y la refrigeración de equipos, las cuales pueden ser dispuestas a cualquier curso, o de estar ligeramente contaminadas, deben ser tratadas menos intensamente . 3.1.4 Industria de pulpa y papel S'in tener en cuenta la clasificación realizada sobre los distintos efluentes producidos por la industria de pulpa y papel, la presentación sobre las medidas internas las seguiremos paralelamente al propio proceso de producción . 3.1.4.1

EFLUENTES DE ALMACENAMIENTO Y DESMEDULAMIENTO EN SUSPENSION

A causa de que la producción de bagazo sólo ocurre durante el tiempo de zafra, resulta indispensable el almacenamiento de éste con el objeto de disponer de esta materia prima durante todo el año . El almacenamiento se lleva a cabo al aire libre y la forma más convencional para su preservación es la de mantenerlo húmedo mediante la adición de agua. Este proceso, produce un efluente con una -carga contaminante muy alta, a causa precisamente, de la disolución de los azúcares residuales presentes en el bagazo y en los productos que se forman a partir de las reacciones microbiológicas que ocurren durante el período de almacenamiento. El uso de almacenamiento por vía microbiológica, con recirculación del licor de igual nombre, posibilita el que se pueda lograr una reducción en el flujo del efluente producido por este proceso a causa de la propia recirculación del licor, el cual se descarga pocas veces durante el pro-

ceso de preservación. Además de lo anterior, se logra una reducción en la concentración de carga contaminante para este efluente, a causa de la mayor degradación de los productos que, posteriormente, serán arrastrados por el licor microbiológico . Con relación al efluente producido por la etapa de desmedulamiento, el cual está constituido, fundamentalmente, por una suspensión de meollo en agua, éste presentará una carga contaminante que dependerá, en gran medida, de los sólidos en suspensión, entre los cuales se encuentran cierta cantidad de fibras, por lo que es necesario evitar pérdidas de ellas, mediante una mejor optimización para este proceso, se podrá reducir la carga contaminante en igual magnitud, además de introducirse un aumento en el rendimiento del proceso por una utilización más completa de la fibra de bagazo . 3.1 .4.2 EFLUENTES DE PULPEO En todos los procesos de pulpeo se producen efluentes cuyas características dependen de la materia prima usada para la producción de pulpa y de las condiciones de cocción . La recuperación y/o la producción de derivados a partir del efluente resulta la medida interna más conveniente para reducir la carga contaminante que produce una fábrica de pulpa. El lavado de la pulpa es una 'operación importante desde el punto de vista de la recuperación de los agentes químicos contenidos en el efluente . Un aumento de las cantidades de agua en este paso, mejora la extracción, pero dificulta la evaporación, cuyo objeto es el de concentrar este efluente hasta un nivel tal que facilite su combustión en la caldera de recuperación. El proceso de recuperación se ejecuta con los efluentes de pulpeo químico kraft, a la soda y al sulfito, este último de base soluble . Por otro lado, la operación de lavado asegura que la etapa posterior, de depuración de la pulpa se realice en ausencia de agentes químicos . En el momento actual, se emplean diferentes técnicas de lavado, como son : mediante difusión por zonas y continuo, filtración en multietapa o prensas e incluso mediante centrífugas . Con estos procedimientos es posible lograr hasta 98 % de eficiencia en la extracción, con un mayor uso del agua de recirculación en las operaciones de lavado y purificación de la pulpa y, a la vez, con un circuito mucho más cerrado en este último, prácticamente, no se produce contaminación durante la recuperación, sobre todo en el pulpeo kraft. Los condensados producidos por la planta de evaporación contienen materias orgánicas y contribuyen, grandemente, a la carga total de' DBO en el efluente. Hoy en día, existe un procedi-

508

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

miento para separar los condensados procedentes de las diferentes etapas de evaporación en 2 fracciones, una limpia y la otra contaminada. La limpia puede ser reusada directamente en el lavado de la pulpa, en la planta de caustificación o en cualquier otra operación que requiera el empleo de agua limpia, a su vez, las corrientes contaminadas se reúnen y se envían a una torre de calentamiento con vapor, en la que, tanto el metanol como otros gases se separan para ser quemados, posteriormente, junto a otros gases procedentes de la cocción kraft, de esta manera, se obtienen los correspondientes condensados limpios, los cuales son retornados a los circuitos de agua de la planta . En la figura 293 se muestra el diagrama de flujo de una planta de pulpeo kraft en la que se han puesto en práctica las medidas internas necesarias con el objeto de reducir al máximo la producción de efluentes . Ejemplos prácticos de plantas de pulpeo químico a la soda con o sin recuperación constituyen, en ese mismo orden, las papeleras Técnica Cubana, en Matanzas, y Pulpa Cuba, en Sancti Spíritus. Con respecto a la primera de ellas se puede observar no solamente una menor carga total de contaminantes en sus efluentes, sino también una economía introducida por la recuperación química y energética en comparación con la segunda . Los procesos convencionales de pulpeo con bisulfito de calcio han perdido terreno, en comparación con los procesos kraft, principalmente, a causa de las bajas propiedades de resistencias obtenidas para estas pulpas y a la imposibilidad

de una recuperación realmente efectiva de los agentes químicos. A pesar de estos inconvenientes, el pulpeo al sulfito aún encuentra uso en la producción de papel de escribir y de alta calidad para impresión y desde el punto de vista de la contaminación, este proceso posee 2 importantes ventajas sobre el pulpeo kraft ; primero, este proceso no genera mercaptanos u otros gases indeseables los cuales son difíciles de tratar y, por tanto, de controlar y segundo, a causa de la mayor facilidad de blanqueo de las pulpas al sulfito, existe la posibilidad de eliminar el cloro en esta operación posterior, lo cual evita, también, los problemas, tanto de contaminación, provocados por éste, así como de corrosión por los cloruros. Las plantas de pulpa que emplean licor de cocción de base calcio, presentan serios problemas en la recuperación. Prácticamente, la única posibilidad consiste en extraer, al máximo, el licor residual, mediante un buen sistema de lavado y luego, evaporarlo y quemarlo con el objeto de producir energía . Una de las primeras medidas para resolver este problema y, por tanto, reducir la contaminación, es el cambio de una base de calcio a una base soluble, como, por ejemplo, magnesio, sodio o amonio. En estos casos es posible regenerar la base y también el ácido en forma de dióxido de azufre. La base amonio se halla en uso en un número considerable de plantas al sulfito a causa de la simplicidad para la combustión del licor al sulfato de amonio, sin embargo, presenta el inconveniente de su imposible recuperación.

Fig. 293 Circuito cerrado en una fdbrica de pulpa kraft, sin blanqueo.

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SóLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

El uso del sodio presenta una ventaja adicional y es que la misma base se emplea, tanto en las operaciones de cocción como de blanqueo y a causa de que los procesos de recuperación desarrollados en conjunto para ambos procesos hasta el momento actual, han resultado complicados, es por lo-que éstos aún no han sido ampliamente adoptados . Los procesos magnefite y bisulfito de magnesio son los de mayor avance, en ellos se han establecido de manera satisfactoria, tanto los procesos de cocción como de recuperación química. La figura 294 muestra el diagrama de flujo, para la recuperación del magnesio. La figura 295 muestra el mismo proceso de recuperación, pero incluido dentro del diagrama MADERA

PULPA AL SUUITO

de flujo más general, de una planta de pulpa al sulfito con circuito cerrado . Además de la recuperación de este efluente, existe la posibilidad de obtener diferentes derivados a partir de él. Hasta el momento, se ha logrado aislar e identificar muchos de estos derivados, aunque la comercialización de alguno de ellos aún resulta dudosa, y entre éstos se encuentran el ácido acético, el metanol, el furfural y el ácido fórmico . Los sólidos, en los efluentes del pulpeo al sulfito, contienen en su composición, aproximadamente, 55 % o más de ácido lignosulfónico, de 25 a 35 4b de azúcares y alrededor de 10 46 de metanol, ácidos, sulfato de calcio, bisulfito de calcio y otros constituyentes menores .

SO*

EN EXCESO

PREPARACION

COCCION

DE LICOR

Mg (903 M9

4

-lieldwil II

Sa Oa

M9 (HSOS)a RCHO (R000)a Mg

EVAPORACION

_ M9 SO 4

VAPOR 1 ENEROIA

COMKISTION

SOa

G Fig 244 Recuperación de Mg en el pulpeo al sulfito.

510

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZOCAR

MADERA

CLASIFICACION SISTEMA CERRADO PULPA CRUDA

POLVO DE Mq

Fig. 295 Sistema cerrado en una fdbrica de pulpeo al sulfito, sin blanquear.

Los productos comerciales de mayor importancia son el alcohol y las proteínas obtenidas a partir de los azúcares, vainillina y diferentes lignosulfonatos, estos últimos de gran aplicación. Solamente las hexosas pueden ser sujetas a la fermentación alcohólica, estas últimas, en unión con las pentosas, el ácido acético y los ácidos aldónicos pueden ser fermentados hasta convertirse en proteínas . También los condensados procedentes de las operaciones de pulpeo y evaporación de los procesos al sulfito, son una fuente comercial para la producción de metano] y furfural, lo cual contribuiría, adicionalmente, a la reducción de la contaminación . 3.1 .4 .3

LAVADO Y DEPURACION . SISTEMAS CERRADOS

Una de las formas más eficientes de reducir la contaminación en la planta de pulpa es mediante la reducción del consumo de agua fresca . Lo anterior se puede lograr, en especial, en las operacionres de lavado y purificación, máquina de papel y blanqueo, en este último más exactamente en el lavado de la pulpa blanqueada . Con anterioridad se expuso que la recirculación era posible en los procesos de lavado y depuración, especialmente, en las pulpas kraft, sin embargo, en la planta de blanqueo es donde se dificulta- cerrar el sistema . En el blanqueo de la

pulpa existen 2 problemas fundamentales, primero : reducir las cantidades relativamente altas de agua que se emplean en las lavadoras de blanqueo, lo que conduce a una concentración muy baja de materias orgánica e inorgánica en los filtrados, lo que provoca así el que la recuperación y, por tanto, la reducción de la contaminación se convierta en un proceso escasamente económico y segundo : la eliminación .de los cloruros originados por el blanqueo con cloro y con dióxido de cloro, los cuales tienden a aumentar sus niveles de concentración durante la recirculación, lo que provoca serios inconvenientes de corrosión . Con el objeto de lograr lo primero y, por tanto, disminuir los consumos de agua fresca en esta operación, es que continuamente se desarrollan nuevos procesos de blanqueo y lavado . Mundialmente, en numerosas fábricas de pulpa y papel se emplean lavados a contracorrientes, y en el momento actual el proceso de blanqueo dinámico o blanqueo por desplazamiento (sistema Kamyr) resulta el más novedoso en ese aspecto. En este sistema cuyo diagrama de flujo se muestra en la figura 296, la pulpa fluye, verticalmente, a través de las diferentes etapas de blanqueo, sin variar la concentración en cada una de ellas ; el lavado se efectúa por desplazamiento al final de cada una de estas etapas, de modo que el filtrado fluye a contracorriente a

TRATAMIENTO DE LIOUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS través de cada etapa, lográndose, de esta manera, una reducción en el consumo de agua hasta de 5 m3/t de pulpa blanqueada b .s . De todo lo anterior, lo más complejo continúa siendo la remoción de cloruros de los circuitos de la planta . Con relación a esto se han desarrollado numerosas investigaciones en los países escandinavos y en Canadá. Dentro de estos trabajos el de mejores perspectivas es el proceso Rapson-Reeve. En este sistema, el filtrado con cloruros se envía a las lavadoras de pulpa no blanqueada y de aquí a los evaporadores y a la caldera de recuperación . En dependencia de la composición exacta del licor, la temperatura y las condiciones de suministro de aire, una parte de los cloruros permanecerá en la lavadora. 3.1.4 .4

BLANQUEO

Los efluentes de blanqueo, como habíamos mencionado, presentan unas cargas elevadas de contaminantes, las cuales, a su vez, resultan difícilmente tratables desde el punto de vista biológico lo que crea, por tanto, innumerables problemas durante este tipo de tratamiento, por otro lado, las posibilidades de recuperación de estos efluentes junto con los efluentes de pulpa, son escasos a causa de la baja concentración de hidróxido de sodio (recuperación) y por la presencia de iones cloruro, estos últimos altamente corrosivos durante la etapa deevaporación y combustión, todo lo cual ha estimulado el desarrollo de nuevos agentes químicos de blan-

queo, como por ejemplo, el blanqueo con oxígeno, de reciente introducción . Como se sabe, las 2 primeras etapas de blanqueo convencional (clorinación y extracción alcalina), tienen por objeto la remoción de la lignina residual de la pulpa no blanqueada. Los efluentes de estas etapas son coloreados y poseen un contenido elevado de materia orgánica disuelta, sin embargo, los efluentes producidos por el blanqueo con oxígeno poseen un nivel muy bajo de oxígeno disuelto y prácticamente ninguno de iones de cloruro, por lo que este efluente puede ser recirculado hacia el licor débil de la planta de lavado, y, con más frecuencia, hacia el tanque de dilución de pulpa . Por lo general, la circulación de este efluente introduce un ahorro en los consumos de agua, aumentando también la concentración del licor que se envía a la evaporación. Un aspecto muy importante del blanqueo con oxígeno es la eliminación, parcial o total, de la etapa de clorinación, cuyo efluente, como hemos visto, no resulta conveniente recircularlo a causa de los problemas de corrosión y de tupición en los filtros, provocados por la presencia de los compuestos de elorolignina . Con relación al blanqueo con oxígeno existen 3 patentes : la SAPOKAL (SAPPI aire líquido-Kamyr), la MODOCIL (Mo Och Demsjo-Canadien Industries Ltd. and Sund AB) y la cubana, que emplean bagazo como materia prima. A causa de que el blanqueo con oxígeno incrementa la deslignificación de las pulpas no blanqueadas, existirá, por tanto, mayor conta-

Fig. 296 Blanqueo dinámico en cinco etapas.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

512

minación, la cual se debe evitar se dirija hacia las otras etapas de blanqueo, mediante la acción de un mejor lavado . En virtud de que la regeneración del efluente producido por el blanqueo con oxígeno es alta, en la misma medida lo será la reducción de la contaminación, por lo cual el blanqueo con oxígeno resulta un proceso muy atractivo . 4 Medidas externas . Sistemas de tratamiento

2 . Mantenimiento mínimo . 3 . Necesidad de personal no calificado . 4. No requerimiento de energía (lo que implica un bajo costo de inversión) . 5. Es un sistema autorregulado . 6. No tiene requerimiento de nutrientes.

4.1 EFLUENTER DE LA INDUSTRIA AZUCARERA, DE LEVADURA Y DE DESTILERIA

7. Trabajan a altas cargas orgánicas . 8. Tiene bajo costo de operación.

4.1.1 Primer nivel de solución 4.1 .1.1

Entre las ventajas de éstas podemos citar : 1 . Bajo costo de inversión.

Entre las desventajas podemos citar:

COMBINACIóN DE LAGUNAS ANAEROBICAS-FACULTATIVAS

En la primera fase de solución de la problemática de la contaminación producida por las aguas residuales de la industria azucarera y sus derivados, casi siempre es necesario considerar una disminución del contenido de materia orgánica residual en un tratamiento biológico antes de ser dispuestas a los receptores naturales . Para ello el uso de sistemas de tratamientos basados en la combinación de lagunas anaeróbicas-facultativas es una medida de las más convenientes, teniendo en cuenta las condiciones climáticas de nuestro país.

1. Durante el proceso de biodegradaci6n se producen gases mal olientes, aunque no son peligrosos resultan desagradables desde el punto de vista estético . 2. Producto del área que hay que utilizar en este sistema, es necesario un volumen considerable de movimiento de tierra. 3. Utilización de grandes áreas. En la tabla 280 se presentan los parámetros de diseño fundamentales de este sistema de tratamiento .

TABLA 280 Primer nivel de solución Bases de cálculo Central azucarero de 7 000 t/d Flujo de aguas residuales: 3 500 ma/d Concentración en LQ0: 2,5 kg/tn' Unidad

I' laguna anaeróbica

2' laguna anaeróbica

Volumen

no

50000

30000

Arca

ha

Tiempo de retención

d

14

Remoción de DQ0

46

50

Parámetros de diseño

Carga Concentración del efluente de salida

1,25

Laguna facultativa

Total

60000

140000

3

5

9

17

40

60

70

93

0,75

kg/D00/ m3/d

0.75

0,15

300

kg/m"

1,25

0,5

150

kg/ha/d

150

51 3

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SóLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

Solamente para tener una idea, en las tablas

4.1 .2 Segundo nivel de solución Existen sistemas de tratamientos de aguas residuales que tienen una serie de requerimientos que los hacen algo más complicados desde el punto de vista de inversión y operación, por lo que se puede suponer que sean utilizados en lugares donde no se pueda tomar otra vía de tratamiento, así como en proyectos de fábricas nuevas donde la cantidad de agua residual vertida es mínima y donde se pueda disponer de cierta cantidad de energía y, además, se necesite un efluente mejor purificado . De forma general, se plantean las siguientes ventajas para estos sistemas integrados en un segundo nivel de solución : 1. Demanda de terreno no excesiva. Garantiza niveles de remoción considerablemente altos .

3.

Mantenimiento sencillo .

5. Costos de inversión bajos . 6. Personal calificado . 7. Bajo rendimiento de energía . 8.

Bajos requerimientos nutricionales .

teados, éstas son :

Primera alternativa Laguna anaeróbica con laguna aereada y laguna de sedimentación (Tab. 281) . Segunda

alternativa

Laguna aereada con laguna de sedimentación (Tab. 282) . Tercera

alternativa

Proceso UASB (Tab.

2.

4. Costos de operación bajos .

281, 282 y 283 se presentan los parámetros de diseño de 3 combinaciones de los sistemas plan-

283) .

4.1.3 Tercer nivel de solución Un tercer nivel de tratamiento implica una mayor complejidad operacional, es decir, niveles de control, mantenimiento, operaciones en serie, etcétera. Considerando la posibilidad de utilizar un tipo de tratamiento más intensivo como una solución excepcional para el tratamiento de aguas residuales de la industria azucarera y sus derivados se debe tener en cuenta las siguientes ventajas : 1 . Area mínima .

TABLA 281 Segundo nivel de solución (1' alternativa) Bases de cálculo : Central azucarero : 7 000 t/d Flujo de aguas residuales: 3500 m3/d Concentración del agua residual: 2,5 kg/m3 Unidad

Laguna anaeróbica

Laguna aereada

Volumen

m3

50 000

14 000

Área

ha

Tiempo de retención

d

Remoción de DQO

9b

Parámetros de diseño

Requerimiento de Os

kg O,/h

1,25

Laguna sedimentación 7 000

Total 71000

0,35

0,35

1,75

14

4

2

20

50

80

-

90

-

116

-

116

Requerimiento de energía

kw. h/mn

-

0,03

-

0,03

Concentración del efluente de salida

kg/m3

1,25

0,250

-

0)SO

51 4

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 282 Segundo nivel de solución (2' alternativa) Bases de cálculo: Central azucarero 7000 t/d Flujo de agua residual 3500 m'/d Concentración del agua residual 2,5 kg/m'

Parámetros de diseño

Laguna aereada

Unidad

Laguna de sedimentación

24500

7000

Total 31500

Volumen

m'

Area

ha

0,6

Tiempo de retención

d

7

2

9

Remoción de DQO

45

93

-

93

Requerimiento de O,

kg 02/h

262

-

262

Requerimiento de energía

kw " h/m'

0,07

Concentración del efluente de salida

kglma

0,175

0,35

0,95

-

0,07 0,175

TABLA 283 Segundo nivel de solución (3+ alternativa) Bases de cálculo: Central azucarero: 7000 t/d Flujo de aguas residuales: 3500 m'/d Concentración del agua residual: 2,5 kg/m' Digestor de /lujo ascendente

Parámetros de diseño

Unidad

Volumen

m'

Tiempo de retención

d

1

Remoción de DQO

4b

90

Carga de DQO aplicada

kg/m'/d

12,5

Rendimiento de lodo

kg/kg DOO removido

Producción del metano

Nm'ld

Concentración del efluente de salida

kg/ ma

700

0,1

2230 0,750

2. Proceso intensivo de alta efectividad.

1 . Altos costos de inversión y operación.

3. Posibilidad de obtener subproductos utilizables .

2. Altos requerimientos de nutrientes .

Sin embargo, es necesario señalar que estos sistemas presentan:

3 . Necesidad de personal profesional. 4. Altos requerimientos de energía .

51 5

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS 5 . Mantenimiento complejo. 6. Alto nivel de control por la compleja operación . 7. Alta producción de lodo y su consiguiente separación del líquido.

En la tabla 284 se plantean las características de diseño de un sistema de lodo activado . La tabla 285 presenta un cuadro comparativo de las diferencias fundamentales de los 3 niveles de solución planteados .

TABLA 284 Tercer nivel de solución Bases de cdiculo: Central azucarero: 7000 t/d Flujo de aguas residuales: 3500 m3/d Concentración del agua residual : 2,5 kg/m3 Pardmetros de diserto

Unidad

Volumen

m'

Arca

ha

Tiempo de retención

h

Requerimiento de O,

kg/h

Requerimiento de energía

kw . h/m'

Remoción de DQO

%

Concentración del efluente de salida

kg/m'

Lodo activado 2 450 0,058 16 262 0,07 93 0,175

TABLA 285 Cuadro comparativo de los 3 niveles de solución al tratamiento de residuales Segundo nivel 24 alt, 3* alt.

Tercer nivel

Unidad

Primer nivel

!' alt.

Volumen total

me

140000

71000

Area total

ha

Requerimiento de energía

kw . h/m'

No

Requerimiento de P (superfosfato de sodio)

kg/d

No

238

477

No

477

Requerimiento de N (urea)

kg/d

No

490

990

No

980

Estimados de costos de inversión

us

300 000

600000

500000

400000

Requerimiento de personal calificado

No

Téc. meó.

Téc. meó.

Téc. meó.

Profesional

Mantenimiento

Muy sen. cillo

Sencillo

sencillo

Sencillo

Complejo

93

90

5,0

$

Remoción DQO

%

Concentración del efluente de salida

kg/ma

Tiempo de retención

d

0,150 40

31500

1,95

0,95

0,03

0,07

0,250 20

93

700 No

2 450 0,058 0,07

90

0,175

0,250

9

1

1000000

93 0,175 16 h

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

516

4.2 EFLUENTES DE LA INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL Con la implantación de medidas internas no es posible la reducción total de la contaminación en los efluentes de la industria de pulpa y papel, por lo que es necesario, la implantación de medidas externas (sistemas de tratamiento de efluentes) con el objeto de lograr los niveles permisibles según lo establecido por las legislaciones sanitarias. En la actualidad, se emplean diferentes sistemas de tratamientos los cuales hacen uso de un equipamiento muy variado . De modo general, los sistemas de tratamiento de efluentes se clasifican en 3 grupos: 1 . Tratamientos primarios Métodos físicos y químicos 2. Tratamientos secundarios Métodos biológicos 3 . Tratamientos terciarios Métodos físicos y químicos Los tratamientos primarios remueven, principalmente, los sólidos suspendidos y la materia coloidal. Los tratamientos secundarios se usan en la remoción de materias orgánicas disueltas y el objeto de los terciarios es el acondicionamiento final del agua antes de ser evacuada al medio receptor. Algunos de los métodos más importantes usados para los tratamientos primarios y terciarios son : sedimentación, coagulación, flotación, filtración; intercambio iónico, neutralización, ósmosis inversa, adsorción, desinfección, denitrificación y desfosforilación . En los tratamientos secundarios se usan diferentes procesos existentes, pero todos ellos pueden ser clasificados en aeróbicos y anaeróbicos . La secuencia de tratamiento para los efluentes, se halla subordinada al trismo orden establecido para su clasificación. Es importante, además, hacer mención al problema de la disposición final de los lodos producidos en los tratamientos primarios y secundarios . Este problema cada día se toma más acuciante, existiendo para ello algunos métodos establecidos convencionalmente. Como vimos con anterioridad, las características más importantes de los efluentes de la industria de pulpa y papel son su contenido en sólidos suspendidos (principalmente fibras y meollo) y de materia orgánica disuelta. A continuación mostraremos la posibilidad de reducción o eliminación de estas formas de ma-

terias orgánica e inorgánica, mediante el empleo de los diferentes sistemas de tratamiento existentes para estos efluentes, así como las posibles combinaciones entre éstos. 4.2.1 Reducción de sólidos suspendidos. Tratamiento primario 4.2.1.1

SEDIMENTACIdN

A pesar de las medidas implantadas en muchas plantas de pulpa y papel, con el objeto de retener las fibras perdidas durante el proceso, siempre resulta inevitable la presencia de algunas cant-dades en el efluente. Además, existen efluentes particulares, como el producido por la operación de desmeollamiento en suspensión, el cual presenta un gran contenido de sólidos en suspensión. La mejor vía para la remoción de los sólidos suspendidos, es la simple sedimentación por gravedad; ésta es la operación más difundida en el tratamiento de efluentes . Se denomina sedimentación, a la operación consistente en separar de una suspensión un líquido claro que sobrenade y un lodo denso que contenga una elevada concentración de materias sólidas . En la industria de pulpa y papel la sedimentación es un proceso continuo que se realiza en los llamados sedimentadores, grandes depósitos a los cuales llega la suspensión por el centro o por un costado y que permiten el rebozo del líquido sobrenadante, separándose del lodo espeso que se extrae por el fondo del equipo . La figura 297 muestra un ejemplo de curvas típicas de sedimentación para el caso de un efluente de desmedulamiento en suspensión, las cuales fueron obtenidas por el método de sedimentación en columna. A partir de la integración de estas curvas, resulta posible conocer los niveles de remoción de sólidos para diferentes tiempos, así como las cargas superficiales para los respectivos niveles de remoción. Este último índice resulta el principal en el diseño o trabajo de un sedimentador. Los valores de carga superficial, tanto para el efluente producido por la operación de desmedulamiento en suspensión, como para otros efluentes producidos por esta industria, se encuentran, por lo general, en el rango de 100- 300 M3/M2 /d, para 95 % de remoción de sólidos . 4.2.12

FLOCULACION

La floculación química es otro de los métodos usados en la remoción de sólidos suspendidos cuando éstos están constituidos por partículas muy pequeñas e incluso en estado coloidal . Los coloides usualmente encontrados en aguas residuales varían en tamaño, desde, aproximadamente, 100 A hasta 10 lxm y sus características de Z potencial entre 15 y 20 mV.

51 7

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SóLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS %R"

e- a esz

97

2

a

e

Fig. 297 Curva de sedimentación típica,

El proceso de coagulación involucra desestabilización d^ la suspensión coloidal, seguida por la floculaci, .i que genera grandes partículas, las cuales pueden ser removidas por sedimentación o filtración . La desestabilización es conseguida por la disminución del potencial Z, causada por la adición de un catión de un electrólito fuerte como Als*, Fea*, Cae' o por polielectrólitos orgánicos. Los iones Als*, Fes*, Cae* forman hidróxidos complejos en agua, en ciertos rangos de pH . En dependencia del valor del pH, estos complejos serán neutros o eléctricamente cargados . El valor de pH óptimo depende de las caracteristicas del efluente y se recomienda establecer este valor por determinaciones prácticas en el laboratorio . La figura 298 muestra una curva de tendencia para la variación de los sólidos suspendidos remanentes contra el pH variable, con una dosificación estándar de A12 (S04) s, en un efluente

de máquina de papel, en ella se muestra la importancia que tiene el mantener un riguroso control sobre el pH durante el proceso de floculación. Los procesos de floculación, además de producir incrementos en el tamaño de las partículas, lo cual favorece la velocidad de sedimentación y, por tanto, la remoción, presentan otras ventajas como: 1. Reducción del área de sedimentación. 2. Mejoramiento de las propiedades de desagüe de los lodos, facilitando la filtración y, por tanto, la disposición de los mismos . Estas ventajas se pueden incrementar mediante una adecuada segregación de las corrientes, con el objeto de poder lograr reducciones significativas en el consumo de los floculantes.

518

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

1 . Adhesión de la burbuja del gas a la fase suspendida.

S.S.

2. Inclusión de la burbuja de gas al flóculo formado . 3. Adsorción de la burbuja de gas al flóculo formado. La flotación ha sido aplicada, hasta el momento actual, solamente al agua blanca en el Save-All, para recuperar un tanto por ciento adicional de fibras; existe una gran experiencia en este proceso . 4.2.2 Reducción de materia orgánica disuelta . Tratamiento secundario é

pH

Fig. 298 Variación de tos sólidos suspendidos remanew tes con el pH, para una dosificación estdndar de A12(SOJa 4.2.1 .3

FLOTACION

El objeto del tratamiento secundario, es la remoción de la materia orgánica disuelta en los efluentes, procedentes del tratamiento primario, además de lograrse también la coagulación de los sólidos difícilmente sedimentables . El tratamiento biológico está basado en las mismas reacciones de estabilización que ocurren durante los procesos de purificación natural en un río o lago. Esta autopurificación ocurre como resultado de la acción de los microorganismos, los cuales utilizan el material orgánico como una fuente de energía y de síntesis para producir el nuevo material celular . Este proceso puede ser esquematizado de la siguiente manera:

La purificación de los efluentes de la producción de pulpa y papel, por el método de flotación, tiene gran importancia, dada por el hecho de que cuando este método es usado, se obtiene un líquido final con poca cantidad de materia Materia orgánica + 02 nueorgánica disuelta, el cual puede ser reutilizado en el proceso productivo, y un sólido sobrenavas células + C02 + H2O dante, el cual está constituido, principalmente, por fibras utilizables . La flotación hace uso de la habilidad de las En la práctica, lo que se trata es dé lograr partículas en suspensión de elevarse a la superun estricto control sobre este proceso. En depenficie del líquido . El requisito indispensable para dencia del grado de tratamiento deseado y de que esto ocurra, es que dichas partículas posean la disposición de área para éste, se pueden una densidad menor que la del líquido en que emplear 4 tipos diferentes de tratamientos . Estos se encuentran suspendidas o que ellas puedan tipos se muestran a continuación, ordenados de ser elevadas a la superficie del líquido por burmanera tal gite el costo se incremente a medida bujas de aire que se les adhieren . que descendemos, mientras que el área neceEl método más utilizado, actualmente, es el saria disminuya. método de flotación por aire disuelto, éste consiste en el desprendimiento de burbujas de aire 1 . Laguna de estabilización. de un líquido sobresaturado con éste. Normalmente, se trata una porción del liquido con aire 2. Laguna aereada. a una presión de 5 atm. Cuando este líquido sobresaturado con aire se mezcla con el efluente 3. Filtros biológicos . que se va a tratar, ocurre un desprendimiento de finas burbujas de aire, las cuales se adhieren 4. Lodo activado. a la superficie de las partículas y las elevan a la superficie del líquido . En algunos casos, es necePara el completamiento de la reacción de sínsario añadir un agente floculante especial o ajustesis biológica, los microorganismos deben potar el pH para obtener resultados satisfactorios . seer los elementos necesarios de nutrientes a su La flotación puede ocurrir por uno de los alcance, como, por ejemplo, nitrógeno y fósforo. siguientes caminos: Los efluentes de la industria de pulpa y papel

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

son, generalmente, deficientes en estos elementos, por lo que éstos deben ser añadidos de forma combinada, la adición de estos nutrientes se realiza de acuerdo con la relación DBO : N : P 100 :5:1 . 4.2.2 .1

LAGUNA DE ESTABILIZACION

Las lagunas de estabilización, desde hace mucho tiempo, han sido empleadas con buenos resultados . Su construcción es simple, presentan también el menor costo de operación y mantenimiento en relación con el resto de los sistemas de tratam?ento de aguas residuales . En las lagunas de estabilización se hace uso de las bacterias y las algas para cubrir los requerimientos necesarios de descontaminación, las bacterias oxidan, bioquímicamente, la materia orgánica del efluente que entra a la laguna, mientras que las algas, usando los productos de degradación bacterial más simple en presencia de la luz, producen oxígeno, el cual, a su vez, es utilizado por las bacterias aeróbicas . A medida que las algas puedan producir un exceso de biomasa con relación al total de ésta, así como de los requerimientos químicos, podrán mantenerse entonces condiciones aeróbicas . Si una carga elevada de materia orgánica provoca una demanda de oxígeno por encima del suministrado por la fotosíntesis y la aereación superficial, tendremos que las bacterias anaeróbicas o facultativas se convertirán en las predominantes . Aquellas lagunas donde las capas superficiales son aeróbicas y las inferiores anaeróbicas se clasifican como facultativas. La mayoría de las lagunas de estabilización son de este tipo. Los parámetros normales de diseño de una laguna de estabilización son : Profundidad

1-2,5 m

Tiempo de retención

7-50 d

Carga en BOD

2 - 10 g/m 3/d

Concentración de algas

10-60 mg/l

Para fábricas de papel la carga normal se halla entre 4 y 6 g/m2/d para una remoción de DBO entre 80 y 90 %, aunque es posible aceptar mayores cargas para estos sistemas . 4222 LAGUNAS AEREADAS

Las lagunas aereadas suministran uno de los métodos más atractivos para el tratamiento de los efluentes a causa de los bajos costos de explotación que presentan . En estos sistemas la aerea-

519

ción se realiza mediante el empleo de equipos adecuados que reciben el nombre de aereadores los que, atendiendo - a su diseño, pueden ser superficiales o de inmersión . El efluente resultante de esta etapa debe ser sedimentado con el objeto de separar los flóculos biológicos que se producen durante el proceso de aereación . Con estos sistemas se obtienen niveles de remoción en la DBO hasta de 90 para cargas superficiales comprendidas entre 40 a 60 g DBO/m3/d, en tiempos de 4 a 10 d. La profundidad máxima de la laguna varía con el tamaño de los aereadores, pero, generalmente, ésta se encuentra entre 3,5 y 4,5 m, a menos que se utilicen aereadores con impelentes de profundidad, con lo que la profundidad podría ser incrementada hasta 5 m o más, en dependencia de los límites de área de la laguna con respecto al área total disponible. La energía requerida por los aereadores en los procesos de lagunas aereadas es de alrededor de 0,6 kW-h/kg de 02, en condiciones estándares, el requerimiento de oxígeno para estas lagunas, generalmente, está en el orden de 1 - 2 kg 02/kg de DBO . 422.3

FILTROS BIOLOGICOS

Si solamente se requieren niveles de remoción de la DBO en el rango de 50 - 80 % y/o se tienen restricciones con respecto al área, resulta recomendable, entonces, el em1ileo 'de filtros biológicos. Los filtros biológicos consisten en estructuras rellenas con un medio inerte, sobre el cual se crea y se distribuye una capa biológica . El agua residual que será tratada se distribuye sobre la superficie del relleno y fluye a través de éste en dirección hacia abajo, en forma de película fina. Durante el proceso, la capa biológica que cubre el relleno, absorbe el material orgánico presente en el efluente, así como el oxígeno necesario para su degradación, produciéndose, a la vez, cantidades de sólidos biológicos, los cuales son desprendidos de la superficie del relleno . Estos sólidos son descargados junto con el efluente, por lo cual éste debe ser enviado a un sedimentador después de pasar por el filtro biológico. En ocasiones, se recircula de nuevo el efluente por el filtro, con el objeto de remover una mayor carga de T)BO . En la ta- . bla 286 se presentan algunos dátos de diseño para los filtros biológicos empleando piedras o plástico, indistintamente, como relleno . La carga de nutriente es similar a la utilizada por las lagunas aereadas. Con el propósito de trabajar con una carga orgánica e hidráulica apropiada para los efluentes de pulpa y papel, resulta necesario recircular el efluente normalmente de 3 a 15 veces. Un sistema típico de filtros biológicos se muestra en la figura 299.

520

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZüCAR TABLA 286

Piedra

Plástico

0,2-1,0

1 .5

n:9/m2. d

1,2-1,5

3-4

Altura (m)

2 -3

3-5

0,3

0,4

kg

DBO/m3 .d

Producción de Iodos kg/kg de I BO removidos DH

Fig. 299

Sistema típico de filtro biológico .

4.2 .2 .4

LODOS ACTIVADOS

El más versátil de todos los sistemas de tratamiento biológico, es el proceso de Iodos activados, el cual puede ser aplicado sobre efluentes con cargas orgánicas tanto elevadas como bajas . Los procesos de lodos activados utilizan una masa activa de microorganismos floculantes que convierten, aeróbicamente, la materia orgánica en material celular, el cual puede ser separado por procesos físicos . El uso de este sistema permite obtener una alta reducción ce la carga orgánica en períodos de tiempo relativamente cortos . Con efluentes de la industria de pulpa y papel se logran remociones de 85 - 90 %, en términos de DBO . Otra de las ventajas es que presenta pocos requerimientos de áreas. El diseño básico del sistema de lodos activados, como el mostrado en la figura 300 consta de un tanque de aereación y un clarificador . El efluente que se vaya a tratar se introduce en el tanque de aereación junto con una porción de lodos activados, aquí es aereado; la acción de los microorganismos ocurre sobre la

materia orgánica, posteriormente, es sedimentado recirculándose una porción de lodo al tanque de aereación. En general, un proceso de lodos activados puede ser operado como un sistema de flujo laminar o un sistemá totalmente mezclado o un intermedio entre ambos. El lodo activado mezclado con el efluente es conocido como licor mezclado y los sólidos suspendidos de esta combinación, como sólidos suspendidos del licor mezclado (SSLM) . En el diseño y operagión de un sistema de lodos activados es necesario tener en cuenta una serie de factores para su óptimo funcionamiento . Los factores básicos que hay que considerar, así como sus rangos en el diseño de un sistema de lodos activados son: Tiempo de resistencia hidráulica

2 a 10 h

Carga de lodos

0,2 a 0,5 kg b.s./kg

Tiempo de residencia celular

3 a 4 d

Concentración de lodos

3 kg/m3

Profundidad del tanque

4 m

Carga superficial al clarificador

25 m3/m 2 /h

Profundidad del clarificador

4 m

SSIM " d

Los procesos de lodos activados tienen el inconveniente de ser muy sensibles a los cambios de carga en DBO, en comparación con otros procesos, resultando mucho más difíciles de operar, sin embargo, si los mismos se diseñan y operan convenientemente, sus resultados son satisfactorios . 5 Otras vías de tratamiento para los efluentes 5.1 AGUAS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERA, DE LEVADURA Y DESTILERIAS 5.1.1 Riego como disposición final de las aguas residuales Desde el punto de vista de liquidación de las aguas residuales de la industria azucarera y sus

521

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

INFLUYENTE

CLAIRFICADOR

TA~ DE AEREACION

EFWENTE

RENRNO DE LODOS

Fig. 300 Esquema básico del sistema de Iodos activados.

derivados en general, el suelo se presenta como el mejor receptor de éstas, especialmente por las razones siguientes : a) Los suelos cultivados, en Cuba, sufren de insuficiencia de contenido de la materia orgánica húmica o humus . Esto causa la asterilización .de los suelos y la disminución de las propiedades productivas de éstos. La esterilización es más rápida en los campos de cultivos intensivos donde como abono o fertilizantes se utilizan los productos inorgánicos . b) El contenido de la materia inorgánica (nitrato, fósforo, microelementos) en las aguas residuales de interés, es suficientemente alto para que pueda influir en el consumo de fertilizantes . c) Las aguas residuales de interés son, desde el punto de vista de aplicación a la superficie del suelo, prácticamente inertes ya que no contienen ningún tipo de producto que pueda dañar, ni microorganismos patógenos, ni sales inorgánicas tóxicas . d) En Cuba, existen grandes áreas de campos donde ya está creado el sistema de riego en cañaverales y en cultivos de otros productos . Este sistema se puede usar con modificaciones ligeras para la disposición de las aguas residuales. e) Se puede esperar el aumento sustancial de la fertilidad en zonas donde las aguas residuales están dosificadas al suelo de acuerdo con el sistema agrotécnico para cada plantación individual. f) Los gastos de inversión son menores que los de sistemas de tratamientos de aguas residuales, de cualquier tipo, además estos gas-

tos se recompensan con el aumento de la producción en la agricultura. g) En un sistema racional del uso de aguas residuales como abono; no existe ningún peligro inmediato ni potencial para la contaminación del manto freático. En 1974, por motivos de la afectación ambiental de la zona, producida por los residuales del central Melanio Hernández y de la Destilería Paraíso, se comenzó la explotación de un sistema de regadío a fines de diciembre . La tabla 287 contiene los resultados obtenidos dé los campos de caña que fueron regados con efluente . Es necésario añadir que las características topográficas del terreno no fueron las mejores, esto motivó que existieran áreas que recibieron aguas en exceso y otras en defecto. De los resultados expuestos en la tabla 287 se ve el aumento sustancial del rendimiento de la caña, obtenido a través de los años en los que se ha aplicado este riego, con lo cual se ha demostrado la factibilidad de utilizar los residuos líquidos de la industria azucarera y sus derivados con propósitos de irrigación para áreas cañeras y como métodos de disposición final de efluentes . 5.2 AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL Hasta el momento se ha desarrollado un gran número de sistemas de tratamiento, muchos de los cuales son usados en la industria de pulpa y papel . Es necesario decir que estos métodos no son apl'cados, en la mayoría de los casos, al efluente general del proceso, sino a efluentes típicos de cierta parte del proceso tecnológico . Entre estos sistemas podemos citar: 1 . Neutralización . 2. Decoloración . 3. ósmosis inversa.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZULAR

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5.2.1 Neutralización

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1 . Mezclar las corrientes de diferentes pH.

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2. Pasar el efluente sobre un lecho de cal.

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3. Añadir lechada de cal al efluente. 4. Añadir soluciones cáusticas de NaOH o Na2C03 . 5 . Añadir ácido sulfúrico.

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En, ocasiones, se producen efluentes que resultan muy ácidos o muy alcalinos, por lo que deben ser neutralizados antes de ser enviados a los sistemas de tratamiento biológico o expulsados al medio . Existen varios métodos aceptables para la neutralización de los efluentes de la industria de pulpa y papel, entre ellos podemos citar:

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El tipo de reactivo para la neutralización debe ser seleccionado de acuerdo con el costo que implicaría para el proceso y su disponibilidad. Se debe tener en cuenta también el equipamiento necesario, así como los problemas de corrosión . En la industria de pulpa y papel los efluentes ácidos, generalmente, son neutralizados con cal y los alcalinos con ácido sulfúrico . 5.2.2 Decoloración

La gran coloración de algunos efluentes del proceso tecnológico de producción de pulpa y papel ha motivado el desarrollo de diferentes métodos de decoloración, entre éstos tenemos : a) Adsorción . b) Precipitación.

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5.2.2.1 ADSORCI6N

Se emplea en el caso de efluentes con baja concentración de materia orgánica coloreada que no puede ser eliminada en el tratamiento biológico. En este caso se pasa el efluente sobre carbón activado, con lo que se logra la remoción de esta coloración. 5.2.22 PRECIPITACI6N

Se emplea, principalmente, en la decoloración de los efluentes de la etapa de extracción del blanqueo . Por lo general, se utiliza la cal, la cual precipita, en una gran medida, los compuestos de lignina presentes en este efluente.

TRATAMIENTO DE LIQUIDOS Y SOLIDOS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS AZUCARERAS

5.2.3 Extracción En este método el efluente coloreado es acidificado y extraído en un solvente orgánico el cual contiene una amina especial . Las sustancias orgánicas pasan a la fase orgánica como resultado de la acción de esta amina. Posteriormente, se separan las fases, se trata, la fase orgánica con álcal?s, recuperándose la amina y la materia orgánica es enviada a la caldera de recuperación . 5.2.4 Osmosis inversa Este método no es más que un proceso de concentración a través de una membrana permeable, donde se obtiene un permeato puro y un concentrado con la mayor cantidad de material contaminante . Se pueden obtener concentraciones 15 veces mayores, en comparación con el original . Esta alta concentración permite la recuperación por combustión . 5.2.5 Manipulación de lodos El tratamiento y la disposición final de Iodos es el problema más importante y complejo que surge como resultado del tratamiento de los efluentes de pulpa y papel . El costo de esta operación puede llegar a superar 50 % del costo total de inversión para una planta convencional de tratamiento de efluentes . Las plantas de tratamiento producen una gran cantidad y diversidad de lodos, tanto en los tratamientos primarios como secundarios . En la industria de pulpa y papel los lodos producidos en el tratamiento primario están compuestos, principalmente, por fibras fáciles de desaguar y que pueden ser enviadas nuevamente al proceso, con excepción de aquellas fibras procedentes del tratamiento de efluentes de desmedulamiento en suspensión de bagazo los cuales no son reutilizables, sin embargo, los lodos biológicos producidos durante el tratamiento secundario presentan más problemas a causa de sus propiedades, sobre todo por presentar un bajo factor de desagüe, lo cual hace más difícil su tratamiento posterior. El primer paso en el tratamiento de los lodos es su desagüe, para lo cual existen diferentes métodos que se pueden clasificar en: espesamiento por gravedad, desagüe mecánico y desagüe térmico . La energía requerida para el desagüe de lodos es según el método : Espesamiento

10 -3 kW " h/m3

Desagüe mecánico

1 - 10 kW " h/m3

Desagüe térmico

103

523

La eficiencia del desagüe de los lodos depende mucho del tipo de lodo y del equipo usado en éste. Normalmente, se requiere una eficiencia mayor que 90 % para poder recircular el agua a la planta de tratamiento sin complicaciones operacionales . 5.2.6 Espesamiento El espesamiento es un paso lógico entre la separación de los sólidos suspendidos y el desagüe mecánico de los Iodos . El costo y el resultado del desagüe mecánico de los lodos depende, en alto grado, de la concentración inicial de éstos. El espesamiento de los lodos con alto contenido de fibras provenientes del tratamiento primario no reporta buenos resultados. En la práctica, no se pueden obtener concentraciones mayores de 4 %, éstas pueden ser obtenidas en clasificadores si son diseñados con suficiente profundidad, por esto, este paso no se incluye en el desagüe de los lodos fibrosos . Sin embargo, los lodos de los tratamientos químicos y biológicos pueden ser normalmente desaguados por espesamiento, con buenos resultados. El espesamiento puede ser llevado a cabo por gravedad o por flotación; por gravedad es el más usual . Los espesadores circulares son los más comunes . En éstos, el lodo en suspensión se introduce por el centro del equipo. El espesador tiene un mecanismo central de raspadores los cuales transportan el , lodo hacia el centro inferior del espesador por donde éste es bombeado al exterior. El lodo flotante es recogido por raspadores superficiales . El parámetro de diseño para los espesadores es el flujo de masa. Para los lodos de tratamiento biológico el flujo de masa normal es de 20 a 30 kg/1/m 2 /d. 5.2.7 Lechos de secado Uno de los métodos más comunes para el desagüe de los lodos es el secado sobre lechos de arena, éstos pueden ser cubiertos o descubiertos . Estas instalaciones son de particular interés para plantas pequeñas, pero también pueden ser usadas en grandes plantas por lo que pueden ser de interés para la industria de pulpa y papel . En el diseño de los lechos de secado se debe tener en cuenta diferentes parámetros tales como: 1 . Condiciones climáticas . 2. Características del lodo. 3. Valor de la arena . 4. Uso de acondicionadores del lodo.

524

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

5. Permeabilidad del subsuelo . Las condiciones climáticas son las más importantes . La mayor parte de los lechos de secado se diseñan completamente cubiertos a la atmósfera ; por lo general, constan de una capa de 10 a 20 cm de arena sobre una capa de 20 a 40 cm de piedras. El tamaño normal de las partículas es de 0,3 a 1,2 mm para las piedras. El valor de la carga de lodo biológico para un lecho de secado es de 125 kg/1/m2/a. Produce un lodo final con 30 ó 40 % de sólidos . 5.2 .8 Desagüe mecánico Los lodos del tratamiento de efluentes que generalmente no pueden ser recirculados al proceso, pueden ser usados como relleno, incinerados o usados en la producción de gases combustibles, en dependencia de la calidad de éstos y de las condiciones locales.

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Capítulo XX CARB0111 ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR GERMÁNICO OCAMPO SUÁREZ

ALBERTO GARCÍA GARCÍA

1 Introducción El carbón activado vegetal se introdujo en la industria a principios de siglo y, en la actualidad, es el material adsorbente de mayor utilización . Su producción anual se estima en varios miles de toneladas y se pronostican incrementos notables en su demanda en los próximos años, para ser usado como agente de la descontaminación ambiental . El carbón activado es un material poroso, preparado por la carbonización y la activación de sustancias orgánicas, especialmente de origen biológico . Su actividad como agente de los procesos de adsorción depende de la naturaleza de la materia prima y del proceso de activación; también influyen, notablemente, la estructura submicroscópica, la porosidad y la estructura química del carbón activado . La actividad de adsorción es un proceso selectivo como fue comprobado por Chufarov, quien preparó carbón activado por la descomposición térmica de piperonal a 200 °C, que adsorbía, fuertemente, el dióxido de carbono ; era prácticamente inerte a la adsorción de fenol. Este autor también ha comprobado la influencia que tienen las condiciones de la preparación en las propiedades adsorbentes del producto . En la actualidad, se obtienen 2 tipos de carbón activado vegetal : granular, para la adsorción de gases y vapores, y en polvo, para el blanqueo y decoloración de aceites, grasas, vinos, azúcar, glicerina, etc ., así como para preparaciones farmacéut-cas. En años recientes se ha comenzado a utilizar el primero, en las refinerías de azúcar y se debe esperar en los años venideros, el desplazamiento hacia el carbón granular en esa industria, porque con ese tipo de carbón se obtienen ventajas económicas al poder éste ser regenerado y usado varias veces, así como por simplificar las instalaciones de las refinerías . 2 Tecnologías para la producción de carbón activado 2.1 GENERALIDADES El carbón activado se obtiene de materias vegetales de origen reciente como aserrín y cás-

JOSÉ LASTRA RODRtGUEZ

cara de coco y de más antiguo como turba y lignito . La selección de la materia prima depende, principalmente, de su contenido de ceniza y su capacidad para ofrecer un producto de calidad uniforme . En la industria del carbón activado se emplean diversas tecnologías que se pueden agrupar en 2 categorías conocidas como de "activación química" y de "activación física" . Estos nombres no expresan la verdadera naturaleza de los procesos que ocurren realmente, sin embargo, se emplean en este capítulo porque su uso está generalizado por la práctica. Por ambas tecnologias se obtiene carbón activado en polvo y granular. El primero se emplea en los procesos de adsorción en fase líquida y en fase gaseosa el segundo ; aunque en la actualidad hay un notable desplazamiento hacia el empleo del carbón granular en fase líquida, especialmente en la refinación de azúcar, glucosa, aceite y grasas vegetales, bebidas alcohólicas y no alcohólicas en el tratamiento de aguas potables y otros. La bibliografía sobre la obtención de carbón activado es muy numerosa, así mismo las patentes, sólo en los últimos años se cuentan por cientos, sin embargo, pocas de esas tecnologías y patentes se han incorporado a la industria y esto es así, porque aunque es fácil obtener carbón activado en el laboratorio, no lo es así cuando se trata de su extrapolación en una escala mayor, porque surgen innumerables dificultades tecnológicas y de ingeniería, ya que, como se sabe, las condiciones específicas de la carbonización y de la activación tienen gran influencia en la capacidad de adsorción del carbón activado producido ; por esa razón, hay carbones especiales para la refinación de azúcar, por ejemplo, cuya efectividad para la absorción de iodo o de fenol es despreciable. La influencia de la materia prima también es considerable, por ejemplo, el carbón de la nuez del coco es muy efectivo para la absorción de vapores y gases, con aserrín de maderas de coníferas se produce un apropiado carbón activado para la refinación de azúcar, gin embargo, la práctica confirma que las características que se requieren para un carbón activado de uso específico, siempre se pueden alcanzar con el procedimiento adecuado.

526

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

2.2 ACTIVACION QUIMICA En los procesos de activación química la materia prima se impregna de un agente activante que puede ser cloruro de cinc, ácido fosfórico o sulfúrico y carbonatos, sulfatos o bisulfatos alcalinos, para luego ser calcinados a temperaturas cercanas a 500 °C. La activación química es un proceso endotérmico, esto determina un consumo extra de energía, que es controlable por las temperaturas de trabajo relativamente bajas, obteniéndose rendimientos 7 veces mayores para este tipo de tecnología y requiriendo del empleo de agentes químicos de elevado precio, sin embargo, las inversiones de capital inicial son considerablemente menores en esa tecnología . En resumen, se debe decir, que la adopción de la tecnología para la producción de carbón activado estará determinada, principalmente, por la disponibilidad y los costos de la materia prima. Se proponen innumerables teorías para explicar el fenómeno de la capacidad de adsorción del carbón activado . Para el caso de la activación química, al menos 4 teorías han sido postuladas . Una de ellas se explica por la descomposición catalítica de

los compuestos hidrocarbonados no activados por la acción del agente químico, otro se basa en la formación y expulsión de gases, la tercera se fundamenta en la formación de sales que cubren las partículas de carbón, que luego al ser extraídas, proporcionan una mayor área superficial, y la cuarta teoría se apoya en la disolución de la celulosa de la materia prima por la acción del agente activante . Sin embargo, ninguna de estas teorías es capaz de generalizar los mecanismos de la activación química . En las figuras 301 y 302 se muestran los dia. gramas generales para la producción de carbón en polvo y granular por activación química respectivamente . A continuación se muestra, de forma breve, los requerimientos básicos con los 2 activantes químicos principales, el ácido fosfórico y el cloruro de cinc. 2.2 .1 Activación con ácido fosfórico El proceso con ácido fosfórico fue inventado, independientemente, en EE . UU. por Hudson y en Europa por Urbain, en la actualidad se encuentran en operación varias modificaciones del proceso original.

Fig. 301 Esquema de la producción de carbón en polvo' mediante activación quintica

527

CARBóN ACTIVADO A PARTIR DE LAS SUBPRODUCTOS DE LA CARA DE AZÚCAR

YATERIA PRIM

ACTVSRTE

INPREGNAWN

PELETPA00

RESECMO

ACTIWNTE A ROMPERACION

GA

APOR

ULCMALTM

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LRN100

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ENWRE

. Fig. 302 Esquema de la producción de carbón granular mediante activación química En general, se procede de la forma siguiente : la materia prima, aserrín, turba pulverizada u otra se impregna, hasta saturación con solución de ácidos fosfóricos de 25-30°Bx . La relación ácido fosfórico/materia prima depende del grado de adsorción que se desea obtener, para un carbón activado de alto poder de descoloración, se emplean valores de 1,5 - 2,5 ; esta relación en peso se conoce comúnmente como grado de impregnación. La mezcla se calcina, posteriormente, a una temperatura de 400 - 600 °C, durante 30-60 min. Para la obtención de carbones específicos se continúa la calcinación de 2 - 8 h a 800 - 1000 °C, en retortas especiales, en esta última etapa del proceso, el carbón es oxidado por el ácido fosfórico que se reduce a fósforo e hidruros, que luego se condensan para regenerar el ácido fosfórico . La economía de este proceso depende de la recuperación de este ácido . Para una idea de la economía de este proceso vea la tabla 288 en que se señalan los índices de consumo principales . 2.2.2 Activación con cloruro de cinc Este proceso es utilizado, actualmente, en Europa y el Japón . Es aplicable a materias primas

diferentes como aserrín, turba con bajo contenido de cenizas y otros residuos vegetales como paja, huesos de frutas, etc . La materia prima pulverizada se impregna con solución de cloruro de cinc de gravedad específica 1,8 g/cma . El grado de impregnación depende de la naturaleza de la materia prima y de la calidad del carbón requerido ; con aserrín de maderas de coníferas se emplea un grado de impregnación de 2,1, es decir, 2 partes en peso de cloruro de cinc por una parte de la materia prima. La activación del carbón en polvo se realiza, comúnmente, en un horno rotatorio a temperaTABLA 288 Insumo de materiales y energía por 1 t de carbón activado Unidad

Carbón activado Polvo Granular

Aserrín

t

2,3-2,9

2,5-3,0

Acido fosfórico

t

0,4-0,6

0,8-1,0

Electricidad

kW " H 280

1100

528

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

turas de 600 - 700 °C, parte del cloruro de cine se evapora y luego se condensa para su recuperación. El producto calcinado que sale del horno es un material granuloso de color negro com. puesto de carbón y cloruro de cinc, principalmente . La activación del carbón granular se realiza de forma similar, con la diferencia que la materia prima impregnada con cloruro de cinc ha sido paletizada y presecada antes de la activación . El cloruro de cinc se recupera mediante un sistema de lixiviación y lavado con el empleo de ácido clorhídrico para regenerar el cloruro de cinc. La efectividad económica de este proceso también depende de una eficiente recuperación del cloruro de cinc ; para tener una idea de la economía de este proceso, véase la tabla 289. TABLA 289 Insumos dé materiales y energía por 1 t de carbón activado Unidad

Carbón activado Polvo Granular

Aserrín

t

2,8-3,2

3A-3.5

Cloruro de cinc

t

0,4-0,6

1,0-2,0

Energía eléctrica

kW .h

400

1300

2.3 ACTIVACION FISICA Los procesos de activación física operan en 2 etapas diferentes, en la primera etapa llamada "carbonización", por descomposición térmica de la materia prima, se obtiene un producto de estructura porosa, pero inerte en la adsorción . La segunda etapa conocida como "activación" sucede a temperaturas cercanas a 1000 °C, en atmósfera de vapor de agua, dióxido de carbono, cloro, nitrógeno y otros gases . En esta parte del proceso se pierde, por combustión, una parte considerable del material, la capacidad de adsorción está ligada, directamente con esta pérdida. La temperatura de activación también tiene influencia notable en la actividad del producto, Herbst y Howard comprueban que se debe activar a temperatura no mayor que 1 150 °C. La activación física es autoenergética, por el carácter exotérmico del proceso global de activación, pero como se trabaja a temperaturas muy altas, algunas reacciones se hacen incontrolables y el resultado es un decremento notable en el rendimiento del producto. Similarmente, para la activación física también se proponen algunas teorías. Knight considera

que el incremento de la capacidad de adsorción depende sólo del incremento del área superficial que se consigue en la activación . Chaney explica que durante la carbonización se logra la estructura porosa, pero con los poros bloqueados por carbón amorfo, alquitrán y otros residuos de la descomposición pirolítica del material celulósico, y que después en la activación, estos poros se limpian por la oxidación de las deposiciones que los bloqueaban y entonces pueden actuar como centros activos de los procesos de adsorción . Mediante los procesos de activación física se obtiene carbón en polvo según el esquema de la figura 303 y carbón granular como se muestra en la figura 304 . A continuación se describen los elementos básicos de la activación con vapor de agua por ser la más usada en la industria actual . 2.3.1. Activación con vapor La reacción básica del carbón con vapor de agua es-endotérmica, su estequiometría se puede escribir de esta forma: C + H 2 O -a H2 + CO - 31 kcal Este proceso ha sido estudiado, ampliamente, pero los resultados obtenidos difieren de un autor a otro, es probable que esto se deba al efecto catalizador de las impurezas, diferencias en la porosidad del carbón y en las propiedades del material carbonizado, complicaciones que originan reacciones colaterales, etc ., por ello no se puede mostrar un esquema definitivo de esta reacción . Sin embargo, sí ha sido demostrado el carácter inhibidor del hidrógeno así como la no influencia del monóxido de carbono . Se acepta como más probable el esquema siguiente : C + H2 0 C (H 20)

-- C (1120) - H2 + C(0)

C (0) -% CO El efecto de inhibición del hidrógeno se debe, probablemente, a que ocupa centros activos en la superficie del carbón : C + H2 - - C (112) Se deduce que la primera etapa de la reacción es la adsorción de las moléculas de agua disociada, según el esquema siguiente : 2 C + H2 0 , C (H) + C (OH) C (H) + C (OH)

% C (112) + C (O)

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

529

MATERA PRYA

CARBON CARBOIQACON

Fig.

303 Esquema de la

Producción de carbón en polvo por activación física

EEhidrógeno y el oxígeno que se adsorben en esta reacción ocupan alrededor de 2 % del área superficial . En este proceso se produce la reacción secundaria de formación de gas de agua que es catolizada por la superficie del carbón. La activación con vapor se produce a temperaturas de 750 - 950 °C, con la exclusión del oxígeno que a estas temperaturas es muy agresivo y disminuye el área superficial del carbón por incrementos en el grado de combustión. La activación con vapor se puede catolizar por óxidos y carbonatos de metales alcalinos, hierro, cobre y otros metales ; en la práctica, se agregan, preferentemente, carbonatos alcalinos en pequeñas cantidades antes de la operación de la activación. En la tabla 290 se muestran los principales índices de consumo para la produción de carbón activado con vapor . Los bajos rendimientos de esta tecnología están relacionados con el grado de combustión (pérdidas) durante el proceso de producción.

TABLA 290 Indices de consumo por 1 t de carbón activado Un-~

Carbón activado Polvo Granular

Aserrín

t

10

12

Alquitrán

t

-

3

Vapor

t

8

lo

800

2200

Energía eléctrica

kW . h

Este índice se debe controlar con el tiempo y la temperatura de activación, de forma que se consiga la estructura porosa requerida con las menores pérdidas por combustión . El grado de combust,ón o de activación es la relación en peso

LA IIQDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

530

wrEaa vatrn

Fig. 304 Esquema de la producción de carbón granular por activación física.

entre el carbón activado y el carbón crudo o inicial . La economía de este proceso depende, fundamentalmente, del precio de la materia prima. 3 Adsorción física en el carbón activado 3.1 ESTRUCTURA SU 3MICROSCOPICA Se han visto, a grandes rasgos, las tecnologías para la producción de carbón activado y los mecanismos que tratan de explicar su activación durante el proceso de producción, pero, además, resulta importante reseñar algunos aspectos estructurales del carbón activado, por la influencia decisiva que tienen sobre los fenómenos de la adsorción superficial, como son : la estructura cristalina, la porosidad y la estructura química (Figs .305 y 306) .

Sobre la base de la difracción de los rayos X, Riley propone 2 tipos de estructuras para el carbón activado : el primer tipo de estructura está formado por cristalitas que, en 2 planos, son semejantes a la del grafito que aparece en la figura 305 y que están constituidas por capas

paralelas de átomos de carbono, ordenados exagonalmente; el segundo tipo de estructura se describe como un retículo espacial desordenado de exágonos de carbono, que es el resultado del desplazamiento, al azar, de las capas paralelas de la estructura del grafito. Según Garten y Weiss se hace necesario considerar el carbón activado como si fuera un polímero, que se visualiza mejor como un retículo espacial formado, principalmente, de compuestos aromáticos Y heterocíclicos, dispuestos al azar como se disponen en una resina de formaldehído . Smisek y Cerny proponen los esquemas que aparecen en la figura 306 para la estructura grafítica y no grafítica del carbón activado . Durante el proceso de activación los espacios entre las cristalitas del carbón activado quedan limpios de carbón amorfo y de otros compuestos orgánicos . Estos espacios vacíos son llamados poros . La enorme área superficial de estos poros determina la capacidad de adsorción del carbón activado, que se efectúa mediante la acción de las fuerzas de dispersión que actúan entre los átomos de carbono eléctricamente insaturados y el adsorbato .

53 1

CARBóN ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZÜCAR

/~Ni 01 i//.%5i/

Para la adsorción de determinados compuestos, además de la existencia de los poros, se requiere que éstos sean accesibles y esta propiedad depende, considerablemente, de la forma y el tamaño de los mismos . La forma y el tamaño están en dependencia del proceso de activación según Zukal y colaboradores . Dubinin clasifica los poros en 3 tipos : microporos con radio efectivo de 18 - 20 A, en donde no tiene lugar la condensación molecular ; poros de transición con radio efectivo de 20 - 500 A y 1000 A, en donde hay condensación capilar, y poros con radio efectivo mayor de 1000 A, que no pueden ser llenados por la condensación capilar . El carbón activado normal tiene una estructura porosa tridispersa, en la figura 307 aparece una distribución típica del tamaño de los poros, para una activación con vapor. Cada uno de estos tipos de poros, tiene una acción específica en los procesos de adsorción . Los microporos, que poseen 95 % de la superficie específica del carbón activado y un volumen de 0,15 ml a 0,50 ml/g, deciden la capacidad de adsorción de un determinado carbón activado, siempre y cuando el tamaño de las moléculas de adsorbato le permita penetrar en el microporo . Solamente algunos microporos llegan hasta la superficie externa de la partícula de carbón activado, puesto que, en su mayoría, se conectan a través de los poros de transición a los macroporos, que sí se encuentran en la superficie externa de la partícula . Este patrón de ordenamiento, aunque ha sido criticado por Plachenov sin conclusiones definitivas, asigna a los poros de transición y a los macroporos el papel de conductores del adsorbato hacia el mieroporo, que es donde efectivamente se realiza la adsorción .

NWRISMA

II I

I

I

ó m

I I I I I

II I I II I

I I III 1II

1I

v

WIM

/~i V /

Fig. 305 Estructura del grafito .

\\ r ~~ 11

Z

a

INN

r

-_s b

Fig. 306 Representación esquenuttica del carbón activado, A. No grafitica. B. Grafitica.

53 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

1000

10000

r(* A)

Fig. 307 Distribución típica del tamaño de los poros. 3.2 ESTRUCTURA QUIMICA Los procesos de adsorción en el carbón activado se efectúan por la acción del componente de dispersión de las fuerzas de Van der Walls. Esas fuerzas se incrementan por la distorsión de la distribución electrónica en la estructura del carbón activado. Esta distorsión se manifiesta cuando se presentan imperfecciones en el ordenamiento de las cristalitas elementales o cuando existe la introducción de heteroátomos en la estructura carbonosa, por cuanto dan lugar a la aparición de valencias insaturadas o electrones no pareados y con ello se facilita la adsorción de adsorbatos, especialmente, sin son polarizados o polarizables . Esto determina la importancia de la estructura química del carbón activado en sus propiedades adsorbentes . Investigaciones recientes comprueban la presencia de grupos funcionales d?versos como carboxilos, fenoles, lactonas, aldehídos, quinonas e hidroquinonas, en el carbón activado, aunque no se esclarecen, a cabalidad, las estructuras de estos compuestos superficiales . Sttenberg clasifica los carbones activados en 2 tipos : carbones L que poseen grupos óxidos ácidos y adsorben hidróxidos alcalinos y carbones H que adsorben ácidos, por poseer grupos óxidos básicos . El carbón activado tiene elementos enlazados químicamente, como el oxígeno y el hidrógeno, presentes en la materia prima, que permanecen en el producto por combustión imperfecta del material, o porque fueron agregados durante la

activación y otros como las cenizas, que no se encuentran orgánicamente combinadas. El contenido de ceniza de la materia prima puede catalizar algunos procesos de la activación, por ejemplo, causar defectos en la estructura cristalina y facilitar la quimisorción del oxígeno y con ello se mejoran las propiedades adsortivas del producto, sobre todo respecto a sustancias polares . Sin embargo, altas concentraciones de cenizas en la materia prima influyen negativamente en el desarrollo de la estructura porosa durante la activación . Además, como estas cenizas son difícilmente extraíbles aparecerán en el producto y pueden contaminar los procesos de adsorción a los cuales se destine . La mayor influencia en las propiedades de adsorción del carbón activado la tienen el oxígeno y el hidrógeno combinados con el carbón . Según Kipling, estos elementos son esenciales en la estructura del carbón activado y la superficie de éste se puede considerar como formada de hidrocarburos modificados, en algunos puntos, por compuestos oxigenados . De acuerdo con la teoría de la heterogeneidad de las superficies sólidas propuestas por Tylor el oxígeno, el hidrógeno y otros heteroátomos se encuentran enlazados químicamente a aquellos átomos de carbono que se hallan en los ejes y en las esquinas de las cristalitas elementales, porque las valencias de estos átomos no están totalmente saturadas por interacción con los átomos vecinos y, por lo tanto, poseen mayor reactividad, como estos ejes constituyen la principal superficie de

533

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CARA DE AZOCAR

adsorción, de aquí la influencia de esos compuestos en las reacciones superficiales del carbón activado. 3.3 ELEMENTOS DE LA TEORIA DE ADSORCION Se llama adsorción al aumento de concentración que se produce en la superficie limitante de 2 fases en contacto . La adsorción es física cuando es originada por el componente de dispersión de las fuerzas de Van der Walls y es química cuando hay un intercambio electrónico entre el adsorbente y el adsorbato, en concordancia con los propósitos de este capítulo sólo habrá de verse la adsorción física. Para una visión integral de esta teoría se recomienda el estudio de Young y Crowell. Esta teoría no está completa y tampoco habrá de serlo ya que los fenómenos que explica son inagotables. Es fruto del conocimiento integrado de múltiples hc mbres de ciencia, sin embargo, este capítulo sólo habrá de ocuparse de la última parte de su desarrollo, realizado por el académico soviético M. M. Dubinin y sus colaboradores, a partir de la teoría del potencial de adsorción del químico húngaro M. Polanyi . La teoría del potencial de adsorción se basa en la idea de que en todo el espacio alrededor de la superficie de un sólido adsorbente actúan fuerzas de atracción que comprimen las moléculas de dicha superficie. Es un potencial termodinámico y su formulación más aceptada es la de Polanyi. Según este autor, el potencial de adsorción e se define en un punto, cerca de la superficie de adsorción, como el trabajo para transportar una molécula de la fase gaseosa al punto señalado. El potencial se hace cero a una distancia máxima de la superficie (ring . ). Si se idealiza la superficie de adsorción y se considera plana y energéticamente homogénea, todos los puntos, situados a una distancia r, se unen y forman una superficie o plano equipotencial con el valor de s, en todos los puntos . El volumen lim`--tado por ese plano equipotencial y la superficie de adsorción es wt. El volumen máximo wa, debe, por lo tanto, estar limitado por el plano equipotencial en que r = máx y e = 0. En la superficie de adsorción (ú = 0 el potencial de adsorción es máximo, e máx. La superficie de un adsorbente real no es ni plana, ni energéticamente homogénea, sin embargo, para un cierto valor e, hay un definido valor de w, en que se cumple que e ? e,. El postulado más importante de esta teoría de Polanyi es que el potencial de adsorción es 8 e, independiente de la temperatura = 0, 8T la utilidad de este postulado es que si se lleva

a gráfico e .= e(w), se obtiene una curva característica para cada par adsorbente-adsorbato . En la figura 308 se muestra un esquema del campo de fuerza del potencial de adsorción según Smisek . En el campo del potencial de adsorción el adsorbato es comprimido, la compresión es mínima cuando el potencial es nulo y toma su mayor valor cuando el potencial es máximo, por esta razón, Polanyi expresa el potencial de adsorción por medio del trabajo isotérmico de compresión, según la ecuación (1) : Pz e, = A = AF = RTItt Pl

para AT = 0

(1)

donde A es el trabajo isotérmico reversible, AF el cambio de energía libre, P1 es la presión del adsorbato en la fase gaseosa y Pz del adsorbato comprimido .

Pig. 308 Campo de fuerza en una superficie absorbente .

El estado físico del adsorbato depende de la temperatura, por lo que se pueden presentar 3 situaciones diferentes: 1 . Líquido, cuándo la temperatura está muy por debajo de la temperatura critica. En esté caso la densidad del vapor es la misma que la del adsorbato líquido . 2. Mezcla de líquido y vapor cuando se trabaja a valores inferiores, pero cerca de la temperatura crítica del adsorbato . En este caso, la densidad del adsorbato es igual a la dél líquido a esa températura, para la porción contenida entre la superficie equipotencial, cuando e es máximo, y la del adsorbente. El resto de la porción del adsorbato tiene una densidad que va disminuyendo con la distancia a la superficie del adsorbente. 3. Vapor, cuando se trabaja sobre la temperatura crítica, la densidad es máxima en

53 4

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZIICAR

la superficie del adsorbente y va decreciendo hasta el límite del espacio de adsorción. La primera situación es de gran importancia práctica ya que por debajo de la temperatura crítica es válida la ecuación (1) y de esta forma e expresa el trabajo de compresión isotérmica del vapor desde su presión de equilibrio en la fase gaseosa (p), hasta la presión de saturación del adsorbato líquido a la temperatura experimental (p). La ecuación (2) expresa esa relación : e -_ RTln

p' P

(2)

Otra consecuencia importante es la posibilidad de calcular, el espacio de adsorción lleno con el adsorbato, por las relaciones de la ecuación (3) : cu =

9 QT

AGa

_

eT

= av

(3)

donde g es el peso del vapor adsorbido, G el peso molecular del adsorbato, a la cantidad adsorbida expresada en moles, Q T la densidad del líquido a la temperatura T, y v el volumen molar del líquido a la temperatura T. Por la segunda situación, a una temperatura cercana a la crítica, el volumen de adsorción no se puede calcular por la ecuación (3) y, por analogía, se puede usar la ecuación (4), en que el valor de v* es intermedio entre el volumen molar del líquido v y la constante b de Van der Walls. No es fácil calcular v* y se han propuesto muchas formas de cálculo, la más usada es la sugerida por Dubinin y Nikolaev mediante la ecuación (5) :

donde M es el peso molecular del adsorbato y Q* es la densidad del adsorbato entre la temperatura de ebullición (Tpe) y la temperatura crítica (Te) para cualquier temperatura (T). La densidad del adsorbente a la temperatura dada (Q*) se calcula por la ecuación (6) : Q* = upe -

9 Pe - Q mdx . Tc - Tpe

- (T - Tpe)

(6)

donde Q pe es la densidad del adsorbato a la temperatura de ebullición, que es igual a la del líquido en las mismas condiciones y Q máx es

la densidad del crítica .

adsorbato a

la temperatura

Para la última situación, cuando se trabaja sobre la temperatura crítica, donde el volumen no se puede expresar ni por v ni por v*, Berenyi propone la ecuación (7) donde a representa los moles adsorbidos y b la constante de Van der Walls, esta ecuación se cumple en los rangos normales de trabajo y no necesita de corrección:

Al relacionar las ecuaciones (2) y (3) se concluye que para cada valor de a y p, o lo que es lo mismo, para cada punto de la isoterma de adsorción existe un par de valores de e y w, es decir, un punto de la curva característica, y 8 e~ como se dijo que = 0, la misma no 8Tw depende de la temperatura, por lo tanto, se puede decir que un cierto espacio de adsorción {o, que es independiente de la temperatura, contiene diferentes números de moles a de adsorbato con diferentes temperaturas . Por esta equivalencia entre las isotermas de adsorción y las curvas características, se puede decir que las isotermas de un par adsorbente-adsorbato, a diferentes temperaturas, se pueden transformar en una sola curva característica ; de igual manera, se puede operar a la inversa, transformando esta curva en cualquier número de isotermas, si previamente se conoce el volumen molar del adsorbato a las temperaturas deseadas . Este resultado es de gran valor práctico en el estudio experimental de la adsorción, se puede extender a temperaturas sobre la crítica y también por debajo, siempre que no sean cercanas a la misma . En la figura 309 se muestra la curva característica del benceno en carbón activado de bagazo . Esta teoría del potencial de adsorción es útil porque representa la dependencia de la adsorción con la temperatura, al mismo tiempo ofrece una descripción cuantitativa de la adsorción en superfic?es heterogéneas, como el carbón activado; sin embargo, en largo tiempo no se comprendió su importancia porque no ofrecía una impresión analítica para las isotermas de adsorción. Esta tarea fue completada por Dubinin y colaboradores . Estos autores estudiaron la dependencia de la preparación del carbón activado en sus propiedades de adsorción, el efecto de la concentración en la adsorción en fase liquida y gaseosa, etc . Primeramente, descubrieron la afinidad entre las curvas características de diferentes vapores, en el mismo tipo de superficie adsorbente, lo cual les permitió formular la relación de la ecuación (8) que expresa : que si el

535

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

e A (kJ mol 'I)

20-

0,4

v

(cm, q" )

Fig. 309 Curva característica del benceno en carbón activado de bagazo,

potencial E, correspondiente a cierto valor del volumen eo de la curva característica de un vapor, se multiplica por una constante, se obtiene, para ese mismo volumen w, el potencial correspondiente en la curva característica de otro vapor:

f1 es el coeficiente de afinidad, que aunque es independiente de la temperatura y de la porosidad del adsorbente, es, sin embargo, característico de la capacidad de adsorción de un vapor en un adsorbente dado, con respecto al vapor seleccionado como patrón . Con estudios posteriores Dubinin y colaboradores confirmaron la posibilidad de expresar, analíticamente, las curvas características de ciertos carbones activados, por una ecuación con la forma de una distribución gausiana, ya que w = w E y su inverso e = e (w) son similares a la rama derecha de una curva de Gauss . La expresión analítica aparece en la ecuación (9) : w = coa exp [- K e2]

ción de la isoterma de adsorción en aquellos carbones activados en que predominan los microporos y que son los más usados en la industria. La ecuación (10) expresa la isoterma de adsorción :

a=

{o.

exp ~-K (RT`=

)

2

(10)

válida para temperaturas por debajo de la crítica y que se obtiene cuando se sustituyen e y w en la ecuación (9), por sus respectivas expresiones de las ecuaciones (2) y (3) . La constante K que depende de la naturaleza del adsorbente y del adsorbato, se debe transformar, para que sea independiente del adsorbato, mediante la ecuación (I1) :

(9)

donde wa es el límite del volumen total de adsorción que para ciertos carbones activados es, aproximadamente, igual que el volumen de los microporos. La expresión analítica de la dependencia de co con E dio la posibilidad de obtener una ecua-

en esta relación K1 se corresponde con un vapor que se toma como patrón, para este vapor (i = 1 y cambiando la base del logaritmo se tiene la relación de la ecuación (12) : Kl (2 - 3 R)2 = B

(12)

536

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Sustituyendo (1 en la ecuación (10) se obtiene la ecuación (13) que es la forma definitiva de la isoterma de adsorción : a = - exp v

-B

P2

log

R

2

p

(13)

Con esta ecuación (13) se pueda calcular, a partir de una isoterma dada y para un carbón activado específico, las isotermas a cualquier temperatura por debajo de la crítica para el mismo vapor o para cualquier otro. 4 Producción de carbón activado en polvo 4.1 CARBON ACTIVADO EN POLVO A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION FISICA Suárez reporta la producción de carbón activado en polvo a partir de bagazo mediante activación con vapor y en escala de laboratorio . El equipo utilizado fue una retorta y su correspondiente horno. Los gases fueron extraídos del horno. La retorta estaba construida de acero inoxidable y el horno revestido interiormente con ladrillos refractarios. 4.1.1 Carbonización La carbonización se realizó en atmósfera de C02. La materia prima bagazo se alimentó con 10 - 15 % de humedad . La temperatura de trabajo fue de 460°C, durante 90 min. Los rendimientos en la carbonización fueron los siguientes: Carbón

32,0

Gases condensables

33,8

Gases incondensables

34,8

se activó con vapor de agua, a una temperatura de 820 - 880 °C, con tiempos de activación de 150 min. En la tabla 291 se muestran las condiciones de la activación y las características reportadas para el carbón activado obtenido . En general, los carbones obtenidos tienen un poder de descoloración inferior al Norit utilizado como patrón, a causa, probablemente, de una deficiente activación, ya que se trabajó con temperaturas por debajo de las reportadas, por esa razón, el rendimiento obtenido de 10 -12% es más alto que el que normalmente se logra con la materia prima bagazo, como se puede observar en otro epígrafe de este capítulo. La densidad es baja, en relación con el patrón, y es originada por la también baja densidad de la materia prima utilizada . El contenido de ceniza y el pH son del mismo orden que el carbón comercial utilizado como patrón . 4.1.3 Producción de carbón activado en polvo a partir de bagazo, por activación física, en escala industrial Ocampo y García informan sobre un trabajo experimental en la producción de carbón activado en escala industrial, mediante la activación con vapor, en una fábrica que utiliza el aserrín como materia prima. 4.1 .3 .1

MATERIA PRIMA

Bagazo integral almacenado en pacas durante 1 a con 12,2 % de humedad. En la tabla 292 aparece la composición del bagazo seco. El bagazo experimentado tenía una densidad aparente de 0,09 g/Cm 3, con una distribución heterogénea del tamaño de partícula, como se puede observar en la figura 310.

Las características del carbón se muestran a continuación : Ceniza

9,97%

Materia volátil

9,54%

Densidad aparente

55 - 70 g/1

4.1.2 Activación La activación se lleva a cabo en un horno rotatorio girando 6,35 rpm. El carbón de bagazo

Fig. 310 Bagazo integral.

TABLA 291 Carbón activado de bagazo

No.

Temperatura Tiempo activaactivación ción (min) (*C)

Pérdidas por combas- Densidad tidn aparente (g/1) ( °h)

Cenizas

PH

Poder decolorante (°.b)

I

150

820

55,3

132

15,5

9,9

86,4

11

150

820

65,1

97

20,1

10,0

95,0

111

150

820

72,7

94

19,6

9,8

96,3

IV

150

820

68,9

102

20,7

9,5

93,9

V

150

850

62,5

98

18,2

9,8

91Á

VI

150

850

61,2

109

22,8

9,3

88,3

VII

150

880

70,6

85

21,9

10,0

95,1

180

15,0

10,7

100,0

Norit TABLA 292

4.1.3.3 BALANCE DE MATERIALES

Composición del bagazo

Materia prima

kg

Bagazo húmedo

5 706

Componentes

%

Celulosa

48

Hemicelulosa

25

Bagazo seco

5 010

Lignina

22

Carbonización

kg

Cenizas

4

Carbono

45

Carbón bruto

1 659

Hidrógeno

6

oxigeno

47

Material volátil

80

4.132 BREVE DESCRIPCIÓN TECNOLÓGICA Se realizó un experimento utilizando la tecnología clásica de activación con vapor, su diagrama de flujo se muestra en la figura 311. La etapa de carbonización se efectuó en horno abierto, en ausencia de aire atmosférico, a una temperatura cercana a los 300°C ; la activación, a temperaturas cercanas a 1000 'C. Una parte del carbón activado fue purificado mediante lavado ácido para eliminar constituyentes inorgánicos y luego fue molido y cribado en equipos convencionales .

Humedad

696

Alquitrán

44

Humedad

215

Carbón neto

1400

Rendimiento (%)

27,9

Activación

kg

Carbón seco

1400

Carbón activado seco Rendimiento (%) Rendimiento total (°h)

157,6 11,3 3,15

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

538

VAPOR

Fig. 311 Diagrama

de flujo de

la producción de carbón activado de bagazo mediante activación física .

4.1.3.4 CARACTERIZACION DEL CARBON ACTIVADO En la tabla 293 se muestran los índices técnicos del carbón activado de bagazo, así como los de un carbón activado comercial que se importa en Cuba y que ha sido producido mediante tecnología de activación física y utilizando aserrín como materia prima . Estos índices se obtuvieron mediante técnicas operatorias convencionales aprobadas por ICUMSA y ASTM. La superficie específica fue medida mediante técnica BET . TABLA 293 índices técnicos del carbón activado de bagazo

índice

Carbón activa- Carbón activado de do bagazo comer- Puri- No pu cial ficado rificado

índice de melaza

93

100

91

índice de metileno

15

19

17,4

Poder de decoloración (%)

78

83

80

pH

7,0

5,3

9,4

Cenizas (%)

3,6

12

17,2

Densidad suelta (9/cnt°)

0,70

0,14

0,14

Granulometría (-200) (%) Superficie específica (m2/g)

80

85

85

1010

1010

1010

4.1 .3.5

INSUMOS PRINCIPALES

En la tabla 294 aparecen los insumos de materia prima y energía por tonelada de carbón activado . TABLA 294 Insumos de bagazo y energía por tonelada de carbón activado Bagazo seco (kg)

30000

Petróleo (kg)

100

Electricidad (kW . k)

500

4.l .3.6 EVALUACION TECNOLOGICA El carbón activado de bagazo tiene la densidad más baja que el carbón activado comercial producido a partir de aserrín de madera, esta relación se mantiene en todas las experiencias llevadas a cabo con bagazo mediante activación física . Esta característica está determinada por la menor densidad del bagazo, éste tiene 0,09 g/Ctns y 0,15 g/Cms el aserrín de madera, aunque también influye en este parámetro el método de preparación, puesto que si una elevada temperatura de activación puede conducir a un mayor desarrollo de la estructura porosa, con pos°-bilidades de mejorar las propiedades de adsorción del producto activado, sin embargo, contribuye a la disminución de la densidad. Es, pues, necesario encontrar una solución de compromiso entre la capacidad de adsorción y la densidad, mediante la optimización de la temperatura de activación . En las refinerías de azúcar cubanas se han utilizado carbones activados con densidades bajas, sin que se hayan reportado dificultades

53 9

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZDCAR

serias, sin embargo, se sabe que carbones activados de bajas densidades pueden ocasionar dificultades en el sistema de filtros de las refinerías de azúcar, ligadas al aumento del grosor de la capa de carbón . La superficie específica del carbón activado de bagazo es similar a la del carbón activado comercial . Como se ha visto, este parámetro tiene gran influencia en las propiedades adsortivas del producto y también se puede mejorar mediante la optimización de la activación . Se debe tener en cuenta que con el bagazo se obtiene, en la activación, una combustión de 89 % del material frente a 70 % que se reporta para el aserrín . Este aumento de las pérdidas por combustión en el bagazo, es indicativo de que fue oxidado el carbón organizado estructuralmente, con el consiguiente incremento de los macroporos y, por lo tanto, la superficie específica, y de hecho las propiedades adsortivas del producto, pueden ser inferiores a las potencialmente obtenibles de acuerdo con el grado de activación utilizado . La capacidad de adsorción del carbón activado de bagazo es algo superior al comercial, como lo indican el poder de descoloración y los índices de adsorción de metilenos y melazas y las isotermas de adsorción de la figura 312 .

En la curva de la figura 313 se muestra la tendencia del poder de descoloración, en función de la pérdida por combustión del carbón de bagazo durante la activación con vapor. En esta curva se observa que para una pérdida por combustión de 89 % se debía esperar un poder de descoloración muy superior al obtenido de 83 % y, así, compensar el menor rendimiento con un producto de mayor calidad. Aunque no se obtuvo el resultado esperado, sin embargo, la tendencia de la figura 313 es indicativa de que el proceso de activación utilizado tiene reservas para su optimización y para lograr resultados similares a la activación del carbón de aserrín . El contenido de cenizas en el carbón activado de bagazo es alto, en relación con el carbón activado comercial, sin embargo, su escasa solubilidad en los procesos de refinación de azúcar contribuye a que pueda ser utilizado en esos procesos. El pH del carbón activado de bagazo que fue purificado es francamente ácido, lo que no entraña dificultad insuperable puesto que eso se puede regular mediante una adecuada neutralización, posterior al tratamiento con ácido. El carbón activado de bagazo es más frágil que el carbón de aserrín, esto origina una mayor

A

80

z

0 ci á0

TO

O V W

G

30

0,2

0,4

0,6

1,0 CARDO* ACTIVADO (q)

Fig. 312 Isotermas de adsorción. A. Carbón activado de bagazo . B. Carbón comercial.

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CANA DE AZÚCAR

so

as

is

eo

70 % PERO~

DE COMMSTION

Fig. 313 Poder de decotoraeidn contra Pérdida Por combustión, en la aotivacidn del carbón de bagazo .

cantidad de finos, como se muestra en la figura 314, Esta mayor cantidad de finos incrementa el poder de adsorción del producto, al aumentar el área superficial, pero puede influir negativamente en el comportamiento hidrodinánmico del carbón activado y empeorar su capacidad de filtración en las refinerías de azúcar, aunque experiencias industriales con carbones de similar distribución del tamaño de partículas no han reportado dificultades . Este carbón tiene 85 4b con partículas menores de 74 pm, según técnica de análisis granulométrico en húmedo. El carbón activado comercial tiene 70 % de sus partículas con esta dimensión . Esta distribución del tamaño de partícula del carbón activado de bagazo se puede explicar por la utilización de molinos no especializados, y con regímenes no apropiados para este material . Queda pendiente de ulterior esclarecimiento : la influencia de la densidad, la heterogeneidad morfológica, la distribución del tamaño de partícula, que va desde polvo fino hasta partículas con dimensiones de varios centímetros, y la presencia del tejido parenquimatoso del bagazo en la fragilidad del carbón activado . El rendimiento del producto final a partir del bagazo es sólo de 3,15 00, en relación con la materia prima seca, que es bajo en comparación con los rendimientos de 6 % a 10 % que se obtienen con el aserrín . Como se ha visto, existen reservas en el proceso que permiten igualar

ambos rendimientos, principalmente haciendo énfasis en la optimización de la etapa de activación. En resumen, se debe señalar que mediante la tecnología descrita, se ha obtenido un carbón activado de bagazo que cumple los índices de calidad exigidos por las fábricas de refinación de azúcar y que esta tecnología es susceptible de optimización para alcanzar los rendimientos que se obtienen con el empleo del aserrín como materia prima . 4.2 CARBON ACTIVADO EN POLVO A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION QUIMICA Ocampo y colaboradores reportan la producción de carbón activado en polvo, mediante activación con ácido fosfórico . El trabajo experimental fue realizado en escala de laboratorio e industrial. 42.1 Materia prima Se empleó bagazo integral de 1 a de almacenamiento en pacas, con 12 % de humedad . Su composición química se muestra en la tabla 295. Este bagazo tenía una densidad aparente de 0,1 g/cms, con una distribución del tamaño de partícula heterogénea y similar a la de la figura 310.

541

lo4 S0

40

74

250

12S

Plg. 314 Distribución del tamaño de partículas del carbón activado de bagazo por vía física . TABLA 295 4.2.2 Breve descripción tecnolágiea

Composición del bagazo Componentes

(16)

celulosa

33

Henricelulosa

22

Ligniaa

20

Cenizas

5

Se empleó una tecnología de activación química mediante el uso de ácido fosfórico como agente activante. El diagrama de flujo aparece en la figura 315 . 4.2.3 lmpregnaci6n El bagazo se impregnó con ácido fosfórico de 40 % de pureza, en mezcladora mecánica .

ACIDO FOSFORICO

SASAZO

rsMRACM WTERIA MNYA

PREFARAaoN ACIDO FOSFOINCO ACIDO FOSFORICO

ENVASE

CALCNIACIg1

LAVADO

MOLIDA

SECADO

15g. 315 Diagrama de Pulo.

542

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

4.2 .4 Calcinación La calcinación se realizó en escala de banco, en horno eléctrico . En la escala industrial fue efectuada en horno rotatorio del tipo Kiln.

Con el análisis de varianza y la prueba de Fisher la ecuación (14) quedó reducida a la ecuación (15) que describe el comportamiento del poder de descoloración del carbón activado en el rango de trabajo seleccionado .

4.2.5 Lavado Y = 33,46 + 3,76X1 +3X3 (15) El lavado se efectuó en equipos convencionaCon criterios económicos se ajustó el modelo les por decantación y presión . al valor de 80 "io del poder de descoloración . Se obtuvieron valores dentro de un rango de 4.2.6 Secado 79,8 ± 0,6 con 95 % de probabilidad, lo cual indica adecuada exactitud y reproducibilidad . Se realizó en estufa eléctrica, en la escala de banco, y en horno rotatorio, en la escala indus4.2.8 Caracterización del carbón activado trial . En la tabla 297 se muestran los índices técni4.2 .7 Molienda cos de los carbones activados de bagazo. Su comportamiento, en los procesos de descoloraSe llevó a cabo en un molino de bolas de ción de azúcar, en escala industrial, se explica sílice y de rolletes, en las escalas de banco e inen la tabla 298, relacionado con un carbón actidustrial, respectivamente . El rango de los parávado comercial, obtenido de aserrín, mediante metros de operación se muestra en la tabla 296. tecnología de activación química . En la tabla 299 aparece la distribución del tamaño de partícula TABLA 2% de estos carbones activados de bagazo y comercial, obtenida mediante técnica en húmedo. Rango de los parámetros de operación Pardmetro

Hidromódulo Tiempo de impregnación

4.2.9 Insumos principales En la tabla 300 aparecen los insumos de materia prima, ácido fosfórico y energía por tonelada de carbón activado.

Rango 2. (min)

Tiempo de calcinación (min) Temperatura de calcinación ('C)

Acido fosfórico en relación con el bagazo . seco (%) Temperatura de secado ('C) Tiempo de secado (min)

4

10- 20 10- 20 300-500 120-150 100-120 30- 40

Mediante diseño experimental de 2 niveles se obtuvo la ecuación en que la variable dependiente es el poder de descoloración y las variables independientes son la temperatura de calcinación, tiempo de calcinación y el consumo de P04 H3 , representados por Xl, X2 y X3, respectivamente : Y = 33,46 + 3,76X1 + 0,53X2 + 3X3 - 0,51X 1 X2 + 0,53XlX3 - 0,53X2Xs -0,18X lX2X3

(14)

4.2.10 Evaluación tecnológica El poder de adsorción del carbón activado de bagazo es similar al del carbón comercial, como se puede observar en la tabla 297 ; similar comportamiento se muestra en las isotermas de adsorción de la figura 316, aunque estas curvas pueden estar influidas por las diferencias en el tamaño de partícula de ambos carbones . En el estudio del comportamiento del carbón de bagazo, en los procesos de refinación de azúcar, como se observa en la tabla 298, éste tiene una mejor remoción de color que el carbón activado comercial. El insumo de carbón activado de bagazo es notablemente inferior que el del carbón comercial . La concentración de ceniza en el carbón activado de bagazo está dentro del rango permisible en la industria de refinación de azúcar . El pH no ofrece dificultad en el experimento reportado, aunque se han tenido dificultades con otros tipos de azúcar, por caída sensible del pH en el tratamiento con el carbón de bagazo, aspectos que en este momento se encuentran en estudio en las instalaciones del Ministerio de la Industria Azucarera . La superficie específica es similar a la de los carbones activados obtenidos por esta tecnología y a partir del aserrín .

TABLA 297 Indices técnicos del carbón activado de bagazo Carbón activado de bagazo Carbón Escala activado Escala de industrial comercial banco

Indice Poder de decoloración (3)

80

8o

82

Cenizas (%)

17

18

18

6,5

pH

1 100

Superficie específica (m2/g)

6,5 1 100 0,36

0,35

Densidad aparente (g/cm3)

6,8 1100 0,37

Granulometria (- 325) (%

80

90

92

Rendimiento del producto (%)

40

40

38

TABLA 298 Comportamiento del carbón activado de bagazo en la refinación de azúcar Carbón de bagazo Color PH

Carbón comercial Color PH

Licor crudo

6,4

13,23

6,2

12,70

licor clarificado

7,4

13,44

7,4

9,78

Licor filtrado

6,1

1,61

6,1

1,61

Licor concentrado

6,0

1,80

6,0

1,85

Remoción de color (%)

84

88

3,60

2,90

Carbón activado (kg/t de refino) TABLA 299

Distribución del tamaño de partícula de los carbones activados de bagazo y comercial Carbón de bagazo

Carbón comercial

(%)

90,66

40- 74(%)

Dimensiones

TABLA 300 Insumos de materiales y energía por tonelada de carbón activado Bagazo seco

2,7 t

84,02

Petróleo

0,6 t-0,7 t

8.34

6,45

Acido fosfórico 75 %

1,3 t

74-125(%)

0,73

5,15

Electricidad

125-250(%)

0,24

3,50

0,03

0,88

< 40

>250

200

kW .h

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

100

v t

rc 0 J W O

é

A B

BO

60

40

20

0 .2

0,4 CARBON ACTIVADO (p)

Fig. 316 Isotermas de adsorción. A. Carbón activado de bagazo. B. Carbón comercial .

Con respecto a la textura del carbón activado de bagazo es valedero lo dicho en la evaluación de la tecnología de activación física, aunque, en este caso, se ha comprobado, en las instalaciones de filtración de refinerías de azúcar, que esta distribución del tamaño de partículas no ocasiona dificultades sensibles en la filtrabilidad del carbón, aunque se puede mejorar la distribución del tamaño de partícula con la disminución de la fracción menor de 40 pm y con el incremento de las fracciones de mayor dimensión, para acercarse a la distribución del carbón comercial que se reporta en la tabla 299, por ser éste, entre todos los importados y usados en Cuba, el que mejores resultados ha dado. El rendimiento de la materia prima, en esta tecnología, es unas cuantas veces mayor que el obtenido por activación física y es similar al obtenido con aserrín, como se puede observar en la tabla 297 . La densidad aparente del carbón activado de bagazo es similar a la del carbón activado de aserrín, con ello se logra superar la dificultad encontrada en el empleo de la activación física, aunque no se puedan explicar los mecanismos de este incremento de la densidadl aparente por el empleo de esta tecnología. En resumen, se puede decir, que mediante la activación química con ácido fosfórico se puede

obtener, a partir del bagazo de la caña de azúcar, un carbón activado que compite, en calidad, con los carbones activados que hoy día se comercializan en el mundo para la refinación de azúcar ; que con esta tecnología se superan los valores bajos para la densidad aparente y el rendimiento que se obtiene en activación física, y que la economía de este proceso está en el entorno reportado para cuando se utiliza aserrín como materia prima. Ruiz y Rolz reportaron la producción de carbón activado a partir de bagazo y cachaza en escala de laboratorio. La técnica operatoria consistió en una calcinación a baja temperatura con ácido sulfúrico, ácido fosfórico y cloruro de cinc como agentes activantes . Los valores de las características físicas del carbón obtenido se comparan con los de 2 carbones comerciales considerados como patrones para la adsorción en fase líquida . El carbón obtenido con bagazo y cloruro de cinc muestra un comportamiento cinético similar a los patrones. El carbón de cachaza activado con cloruro de cinc tiene tan alto contenido de cenizas que no se puede aplicar en fase líquida . El carbón de bagazo activado con ácido fosfórico ofrece mejores características que el activado con ácido sulfúrico . Como resumen se puede decir que todos los carbones obtenidos en ese trabajo tienen un

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

fue similar al carbón Norit usado como patrón . El contenido de ceniza es alto, pero no debe ofrecer dificultades por la escasa solubilidad del carbón activado. Ocampo informa de la producción de carbón activado granular mediante la activación con vapor en escala de planta piloto. El esquema del proceso es similar al de la figura 304 con la utilización de alquitrán como aglutinante, La carbonización se efectuó a 400°C, durante 4 h, en horno abierto (open flat), obteniéndose rendimientos de 27 % . El carbón tenía una densidad de 70 - 80 g/l y un contenido de cenizas de 10 % . Para la formación del pellet se mezcló 53 % de carbón con 40 % y 7 % de alquitrán y agua, respectivamente . Se formaron los pellets de 1,8 mm de diámetro a una presión de 80 atm. Posteriormente, los pellets se carbonizaron, en atmósfera de C02 , en horno rotatorio a 3 rpm. A la salida de la carbonización secundaria el pellet tenía la densidad de 523 g/l. En esta carbonización secundaria se tuvo un rendimiento de 62,5 % . La activación se llevó a cabo en horno rotatorio con vapor de agua, a una temperatura de 860 °C, durante 40 min, con una pérdida por combustión de 33 % . El carbón activado granular tenía una densidad de 510 g/1. El proceso global tiene un rendimiento de 11,3 %, muy superior a los reportados anteriormente por activación física. La densidad de 510 g/1 es similar a la de los carbones comerciales que se obtienen a partir de aserrín de madera . Tiene una alta resistencia a la atricción (90 vio mínimo), esta propiedad le confiere una dureza apropiada, tanto para su empleo en la industria, como para su posterior regeneración . En la figura 317 se muestra una fotografía de tamaño natural de este carbón . En las figuras 318 y 319 se muestran 2 microfotografías de este carbón activado, tomadas en el microscopio electrónico de barrido.

poder de descoloración más bajo que los carbones usados como patrón, y que los valores reportados para el área superficial están muy por debajo de lo esperado, según las condiciones de trabajo, probablemente esto se explique por. que el método de Giles y Trivedi, que fue empleado en esta determinación, da resultados mucho más bajos que los que se obtienen por los métodos clásicos de adsorción en fase gaseosa. 5 Producción de carbón activado granular 5.1 CARBÓN ACTIVADO GRANULAR A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION FISICA El Departamento de Investigaciones Azucareras del ICIDCA reporta la obtención de carbón activado granular a partir de bagazo mediante la activación con vapor. Se empleó el esquema tecnológico clásico de la figura 304 usando fuel oil como aglutinante . La carbonización se realizó a una temperatura de 480 - 500 °C durante 4 h. El carbón obtenido tenía densidad de 45-48 g/1; en el proceso se obtuvo un rendimiento de 58 - 61 % . El contenido de ceniza en el carbón fue de 10 % . La "peletización" se realizó con 57 - 61 % de carbón, 35 - 37 % de fuel oil y 5 - 6 % de agua. La activación se llevó a cabo en una retorta horizontal rotatoria, a una temperatura de 800 - 900 °C, a diferentes pérdidas por combustión con el máximo de 52 % y con tiempos de residencia entre 170 y 190 min. La caracterización del carbón obtenido se muestra en la tabla 301 . El rendimiento total en el proceso fue de 7,3 % . Los autores comprobaron que reduciendo el carbón a fracciones de 40 ¡tm antes de la "peletización", se obtiene una mayor dureza en el pellet y en el carbón activado, posteriormente . El poder de descoloración del carbón activado

TABLA 301

Propiedades del carbón granular a partir de bagazo Pérdidas por combustión (%)

545

PH

Densidad aparente (911)

Solubles en 11,0 (%)

Poder decolo. rante (%)

6,0

280

13,5

100,0

Muestra

Ceniza (%)

1

13.0

4

21,6

53,8

9,3

220

1,2

100,1

Norit

24,3

55,5

10,2

215

0,6

104,0

Fig. 317 A. Carbón activado granular a partir del bagazo .

B. Fragmento ampliado de la foto anterior.

Fig. 318 Microfotografía electrónica del carbón activado de bagazo.

Fig. 319 Microfotografía electrónica del carbón activado de bagazo .

TABLA 302 Características de la estructura porosa del carbón activado granular de bagazo

Muestra

° (cm'g -1)

E

Densidad -1) (Hg)

Densidad V e VmicropcroVmacroporo (He) (cm'g - 1) (cm'g - 1) (cm'g ')

(klmoCarbón

activado de bagazo

0,220

30,00

0,830

2,100

0,729

0,064

0,352

Dezorex

0,239

31,30

0,835

2,000

0,698

0,100

0326

547

CARBON ACTIVADO A PARTttcu~ SOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Se impregnó el bagazo con 2,5 partes en peso de ácido fosfórico por cada parte de bagazo seco. El tiempo de impregnación fue de 5 h. La "peletización" se realizó a 100 atm, los pellets formados tenían 0,5 - 0,8 mm de diámetro y fueron presecados por 120 min, a 250°C, en atmósfera de COz. La calcinación posterior se realizó a 500 'C, por - 3 h, en horno rotatorio a 1,5 rpm . Finalmente, el carbón activado fue lavado y neutralizado con solución de hidróxido de sodio. El rendimiento total del proceso completo fue de 30 "io. El carbón activado tenía una densidad aparente de 500 g/l. En la tabla 303 se muestran los índices de consumo calculados para esta tecnología.

En la tabla 302 se reportan las características de la estructura porosa del carbón activado de bagazo de un carbón comercial de probable estructura similar. Las características energéticas son altas, esto quiere decir que este carbón es apropiado para adsorber a bajas presiones de equilibrio, muy apropiado para purificaciones en fase gaseosa y como retiene fuertemente las sustancias que adsorbe es, por lo tanto, de gran utilidad para la elaboración de filtros en caretas antigases . El volumen total de adsorción que toma valores del orden de Ve es característico para este tipo de carbón, similar situación tiene el volumen de los mesoporos y el de los macroporos. El volumen de los microporos que es aproximadamente alo se puede mejorar con la optimización de la activación, de esta manera, se hace más general el empleo de este carbón activado . La curva característica del benceno en este carbón activado se muestra en la figura 320, en ella se confirma que el mismo es indicado para la adsorción a bajas presiones de equilibrio, como se había visto anteriormente .

TABLA 303

Insumos básicos por tonelada de carbón activado 3

Bagazo (t)

1,8 a 1,2

Acido fosfórico (t) Energía eléctrica (kW . h)

900

Petróleo (t)

0,8

x

20'c +40 °0 " 60°c

20

ia

0

0,2

v (em3p-1 )

Fig . 320 Curva característica del benceno en el carbón activado granular de bagazo por vía física. 5.2CARBON ACTIVADO GRANULAR A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION QUIMICA El carbón activado fue obtenido según el esquema de la figura 302 con ácido fosfórico como agente activante . El bagazo fue molido en molinos de bolas y se seleccionó la porción que pasaba por la malla 150 U. S. (0,150 mm) mezclándose con ácido fosfórico de 50 "io de pureza.

En la tabla 304 se reportan las características de la estructura porosa de este tipo de carbón activado granular de bagazo y para un carbón activado comercial . Se observa que las características del carbón activado de bagazo son similares a las del carbón comercial . Es frecuente encontrar el volumen de microporos, aproximadamente igual a wo en este tipo de carbón activado . Sus propiedades energéticas, que se pueden expresar por

54 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZi1CAR TABLA 304

Característica de la estructura porosa del carbón activado granular de bagazo

Muestra

E Densidad (cmag . i) (kJmo1-J) (Hg)

Densidad Va Vrnesoporo Vmacroporo (He) (cm°g - 1) (cm3g-1) (omzg -1 )

Carbón activado de bagazo 0,613

14,93

0,901

2,573

0,721

0,118

0,721

Norit RKOQ3 0,551

18,17

0,817

2,507

0,853

0,137

0,312

(E), indican que deben ofrecer un mejor com-

portamiento en la adsorción a altas presiones de equilibrio, es decir, cuando hay grandes concentrac ones de la sustancia que se desea separar por adsorción (adsorción de mezclas) . Las densidades con helio y mercurio están acordes con lo esperado en este tipo de carbón . El volumen de macroporos es alto, pero todavía está pendiente de concluir el análisis completo de la estructura porosa de este carbón . En la figura 321 se observa la curva característica para el benceno en este carbón activado, como era de esperarse, muestra una gran adsorción a presiones de equilibrio relativamente altas como se había seíialado .

5.3 CARBON ACTIVADO GRANULAS A PARTIR DE CELOLIGNINA, POR ACTIVACION FISICA En el Departamento de Investigaciones Azucareras del ICIDCA, se reportó el empleo de la celolignina como fuente de materia prima para la producción de carbón granular. La celolignina utilizada se obtuvo por hidrólisis ácida del bagazo de la caña, con temperaturas de 135 - 185'C, con módulo de humedecimiento de OS - 0,9 1/kg, simulando las condiciones en que se produce el furfural por el método directo catalizado por ácido sulfúrico. La celolignina se

x

30

20

1

x

+ "

"x

+

"x

x x +

" xx

20 0C 40 0C UPC

" x

lo

0 Fig. 321 Curva característica del bemeno en el carbón activado granular de bagazo por activación química.

549

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR lavó con el objeto de eliminar el ácido y los polisacáridos solubles residuales. En la tabla 305 se muestra la composición de la celolignina . TABLA 305 Composición de la celolignina

faal Sustancias solubles en alcohol benceno

4,70

Polisacáridos F.H.

1,32

Polisacáridos D.H.

23,81

Lignina Ceniza

23,80

La celolignina se "peletizó" en un granulador de placa perforada de 2,5 - 3 mm de diámetro con una humedad de 50-70 % . Los pellets se secaron a la temperatura de 80-90'C, hasta un contenido de humedad de 5 - 10 % . El estudio demos-

DENSIDAD (9/I)

tró que la humedad óptima para granular la celolignina es de 55 - 60 % . En la figura 322 se muestran las propiedades mecánicas de los pellets . Los pellets secos se carbonizaron en atmósfera libre de oxígeno, a una temperatura de 500. El resultado de l; i cai bonización se -700°C muestra en la tabla 306 . Como era de esperar, el incremento de la temperatura disminuye el rendimiento del carbón y se incrementa la formación de gases . En la tabla 307 se reportan las características de los carbones "peletizados" sin activar. Los autores emplean el término porosidad, para designar la diferencia entre el inverso de la densidad aparente con la densidad real, lo cual se puede aceptar para la valoración cualitativa que se persigue. Desde ese punto de vista, los resultados son compatibles con la teoría del desarrollo de la estructura porosa, ya que el aumento de 200 °C en la temperatura de carbonización, disminuye 60 % de materiales volátiles en el carbón e incrementa la porosidad calculada en 8 % ; sin embargo, en contradicción con lo esperado, el aumento de la temperatura no influye en la concentración de cenizas lo cual

K>0

500-

4sa

Osa

99 440,

9s

40050 HUMEDAD

(%)

Fig. 322 Propiedades físico-mecánicas de los pellets de celolignina .

DUREZA POR ATR1CIoN

55 0

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 306

Carbonización de la celolignina peletizada No.

Temperatura ('C)

Humedad (%)

Carbón

Rendimientos (%) Gases Alquitrdn

1

500

6,08

48,13

11,40

6,8

31,73

2

500

6,08

48,87

11,40

7,7

30,40

3

700

9,4

42,38

17,10

7,4

31,67

4

700

9,4

42,17

17,40

8A

28,53

Condensador

TABLA 307

Características de los carbones crudos Cenizas (%)

Muestra

Sustancias volátiles

Dureza atrición (%)

Densidad aparente (911)

Porosidad (1/9)

Carbonización a

500'C

16,96

8,01

99,8

468

402

Carbonización a

600'C

16,44

2,45

9915

456

494

se mantiene en el mismo orden. El rendimiento del proceso de carbonización es de 42 y 48 % para las 2 temperaturas de trabajo . En la tabla 308 se observa un incremento gradual de la porosidad hasta 1,3 cm' 9 - ' al aumen-

tar las pérdidas por combustión, lo que está de acuerdo con la teoría de la activación física. Para las mayores pérdidas de combustión se obtienen valores de porosidad similares que los que se reportan para los carbones de maderas.

TABLA 308

Propiedades del carbón activado

No.

Pérdidas por combustión (9'0)

Densidad aparente (8/1)

Densidad real (911)

Porosidad Capacidad total agua (cm,/9) (Cnl'/8)

Dureza por atrición (%)

0

-

549

944

0,402

0,446

99,8

1

10,00

615

922

0,475

0,461

99,5

2

57,27

396

657

0,996

1,027

99,5

3

70,00

365

632

1,082

1,150

98,8

4

73,35

338

563

1,284

1,286

97,4

0

-

604

1025

0,381

0,476

99,8

1

2,44

614

1002

0,413

0,481

99,7

2

60,13

403

727

0,913

0,967

9815

3

73,20

330

563

1,354

1,313

97,2

55 1

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LAS SUBPRODUCTOS DE LA CARA DE AZOCAR El contenido de ceniza es alto como se puede ver en la tabla 309, probablemente se pudo disminuir este índice mediante lavados ácidos o alcalinos . El poder de descoloración que se puede ver en la tabla 313 es bajo, pero eso no depende solamente de la estructura porosa como se indica en este trabajo, ya que al parecer dicha estructura se desarrolló de forma adecuada . De mayor importancia es el considerar que esos índices se midieron en fase líquida, caso en el cual la difusión prepondera sobre la adsorción, y el equilibrio depende de muchos factores, tales como : temperatura, radio de la partícula, etc., pero no se puede arribar a mejores conclusiones, ya que los autores no reportan los valores requeridos para ese análisis.

TABLA 310 Composición de la celolignina (%) Sustancias solubles en alcohol benceno

5,5

Polisacáridos F.H.

1,1

Polisacáridos D.H.

13,6

Lignina

53,4

TABLA 309 Poder decolorante de los carbones activados

Muestra

Temperatura de carbonización ('C)

Pérdidas por combustión (%)

1

500

57,3

30,6

56,3

45

2

500

70,0

31,5

69,0

55

3

500

75,0

32,6

71,4

55

4

700

60,1

26,8

66,2

60

5

700

73,2

44,3

78,0

60

Un resultado interesante de este trabajo es haber encontrado la posibilidad de "peletizar" la celolignina sin el empleo de aglutinantes, así mismo quedó demostrado, que por activación física con vapor, se obtiene una estructura porosa favorable a la adsorción, con un rendimiento total de 12 "io para las condiciones más drásticas de carbonización y activación. Estos resultados favorecen la instalación de plantas industriales de carbón activado a partir de la celolignina residual del proceso de producción de furfural, con las ventajas económicas que se derivan de la utilización de un residuo industrial como materia prima . En 1980, se realizó, en colaboración con el Ministerio de la Industria Química de la URSS, un trabajo experimental para optimizar el empleo de la celolignina residual en la producción de carbón activado . La composición de la celolignina residual se muestra en la tabla 310 . La composición que aparece en la tabla 310 es similar al residuo industrial de la producción

Ceniza (%)

Indice de melaza

Indice de azul de metileno

de furfural a partir de bagazo. La celolignina fue lavada con agua y moldeada en pellets de 4 mm, con 55 - 60 % de humedad, en un granulador de tornillo sin fin . La celolignina se carbonizó con rendimientos de 45-50 % . El carbón crudo se activó, progresivamente, con vapor de agua. Se alcanzó el Gost de la URSS para el poder de descoloración con una pérdida por combustión de 60 - 65 % . Las características del carbón activado se muestran en la tabla 311. En estas pruebas se obtuvo un rendimiento de 8-10 % de carbón activado en relación con la celolignina seca. Las propiedades químicas y fisicoquímicas cumplen con el Gost de la URSS, esto corrobora la posibilidad de combinar la producción de carbón activado granular a partir de celolignina, en una planta de furfural a partir de bagazo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

552

TABLA 311 Caracteristicas del carbón activado de celolignina

Muestra

Pérdidas por combustión (%)

Ceniza (%)

Densidad (cm3/l)

Porosidad (Cm'/g)

índice de miel

AYCB-0

39

5,3

425

0,83

-

A.YCB-1

0

7,3

347

1,16

11

AYCB-2

64

11,2

288

1,64

122

AYCB-3

68

14,9

245

1,80

154

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Capítulo XXI PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA ALBERTO GARCÍA GARCÍA

JosÉ LASTRA RODRÍGUEZ

t Antecedentes hist6ricos Durante el proceso de molienda de la caña, una parte de la cera contenida en la misma, queda adherida o mezclada con el bagazo y otra parte, alrededor de 40 %, pasa al jugo, de donde es extraída . en la etapa de clarificación y pasa a formar parte de la cachaza . La cera de caña .se encuentra cerca de los nódulos del tallo de la caña, en la cutícula . Constituye 0,1 % del peso de la planta. El contenido de cera cruda en cachaza varía, considerablemente, en dependencia de diversos factores . En Cuba, a principios de 1960 se recuperaba de 9 a 13 % sobre cachaza seca. Se han realizado múltiples experiencias de extraer la cera de la caña, en el inicio separarla directamente de los tallos, tratándolos con agua caliente, en sistemas agitados, etc. Ninguno de los métodos directos de obtención de cera encontró utilización, sino que se adoptó el método de extracción con solventes selectivos para separar la cera a partir de la cachaza, obteniéndose así un producto constituido por 3 fracciones : cera dura, aceite y resinas . A pesar de que desde 1841 un farmacéutico de Nueva Orleáns aisló y purificó la cera de caña y que desde 1909 fue patentado un método de extracción con solventes, no fue hasta 1916 que se llevó a cabo la primera producción industrial en África del Sur, esta planta, funcionó unos 10 a y afrontó dificultades para obtener una cera de calidad satisfactoria . Esta cera se usaba como sustituto de la cera de abejas para la fabricación de velas para la iglesia Ortodoxa Griega . También, por la misma época, y con los mismos fines, se produjeron algunas cantidades en Java. Durante la Segunda Guerra Mundial se comenzó a producir cera refinada de caña en Australia, motivado por las necesidades militares, al no poder contar con las ceras importadas de Brasil . Después de terminada la guerra fue protegida por fuertes aranceles de aduana hasta que al disminuir éstos, en la década de 1960, cesó su producción . Esta planta tenía una capacidad pequeña, de unas 30 t de cera refinada . En 1940, Sweenson patentizó un proceso para la extracción de cera cruda de la cachaza, utilizando solventes orgánicos .

MANUEL VÁZQUEZ TÍO

La Cuban American Sugar y la S. C. Johnson, comenzaron estudios, en 1942, en el central Chaparra (actual Jesús Menéndez) y en los años 1946-1950, se instalaron 2 plantas de extracción de cera cruda en éste y en el central Delicias (hoy Antonio Guiteras), los cuales abastecieron a una planta de refinación en Luisiana, Estados Unidos, donde se obtenía una cera de alta calidad que tenía gran aceptación en el mercado. Esta planta tuvo que cerrar al dejar de recibir cera de Cuba a causa del bloqueo económico impuesto por Estados Unidos . Así mismo, las 2 plantas de cera cruda, además de una tercera que se había construido en el central Jaronú (hoy Brasil), también tuvieron que cerrar sus operaciones en 1964. Se realizaron investigaciones para producir la cera cruda en la propia Luisiana, pero el bajo contenido de cera que tienen sus cañas no hacía rentable el proceso . Entre los años 1970-1980, países como Filipinas, India, Taiwan, etc., instalaron plantas pilotos pequeñas para la refinación y extracción de la cera de caña. Cuba ha refinado cera cruda, en forma experimental, en una planta piloto instalada en el central Jesús Menéndez, en la cual se obtenía cera refinada, aceite y resina, el solvente empleado era alcohol etílico y la tecnología muy similar a la planta de Grammercy, Luisiana. También en Cuba se investigó el proceso de refinación con acetona, en el ICIDCA, durante los años 1960 - 1964, llegándose a obtener cera de alta calidad en pruebas a escala de banco. Actualmente, no se tiene información sobre producción industrial de cera de caña. 2 Generalidades Desde el punto de vista químico, el uso del término cera es bastante confuso, ya que da a entender un estado físico más que un compuesto químico, así una cera comercial puede ser una grasa, un hidrocarburo o un producto cuya composición se acerca al de la cera verdadera por definición química, la cual está compuesta por ésteres de ácidos grasos superiores con un alcohol monohídrico de alto peso molecular .

555

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

Mundialmente, se usaban diferentes clases de ceras, en dependencia de las calidades requeridas para cada aplicación . Las ceras más utilizadas se pueden clasificar de acuerdo con su origen como ceras vegetales, minerales o animales. También se producen por vía sintética y como mezcla de diferentes clases de ceras natu, rales. 2.1 CERAS MINERALES Se obtienen del carbón, turba, lignito y de la destilación del petróleo. De esta última se obtie ne, por fraccionamiento, la parafina. La cera montana se obtiene en la RFA y RDA a partir de lignito . Esta es la cera mineral con propie. dades más semejantes a las ceras vegetales, tiene un color carmelita oscuro y para los usos en que el color no es importante sustituye a la cera carnauba . Existen otras ceras minerales como las ceras de carbones de bajo grado y la osocerite, a partir de materiales terrosos, y otras de menos usos. 2.2 CERAS ANIMALES Son producidas, principalmente, por diferentes insectos. Entre ellas están la cera de abejas, la cera de china, la espermaceti (derivada del aceite de ballena), la cera shellac, lanolina (cera de lana de las ovejas), etc. 2.3 CERAS VEGETALES Se encuentran formando un revestimiento de las hojas, tallos y semillas, esto se presenta en el reino vegetal como una protección de la planta para reducir la evaporación de agua, particularmente en las regiones tropicales. Existe una gran cantidad de vegetales que producen ceras, éstas se obtienen, comercialmente, de varias fuentes, como la cera de esparto, de hierbas que crecen al norte de África. Las ceras vegetales más importantes son: la cera carnauba, la ouricury y la candelilla . La cera carnauba es la de mayor comercializac'_ón y la de mejor calidad, procede de la planta Copernicia cerifera que crece en las regiones semiáridas del nordeste de Brasil. La cera está contenida en las hojas de la palma y su recolección se realiza manualmente. La cera ouricury se obtiene también de palmas en Brasil, por un proceso similar . La cera candelilla se obtiene en México de hierbas de lugares desérticos. Como patrón para determinar la calidad de la cera se toman las propiedades de la cera carnauba. En la tabla 312 se presentan las características principales de las ceras más usadas .

3 Situación social En los últimos años, a causa de la crisis del petróleo, las ceras derivadas de éste, han subido de manera acelerada de precios, y las ceras vegetales, a causa, principalmente, de la escasez de mano de obra para la recolección de las hojas, también han elevado sus precios de manera extraordinaria . Esto ha despertado el interés de varios países productores de azúcar de caña, en analizar la posible producción de cera de cachaza. Actualmente, no existe producción industrial y solamente en la India y en Cuba se producen pequeñas cantidades a escala piloto . En la India existe una planta piloto que produce la cera cruda y la refina posteriormente. Esta planta se halla en el central Ravalgaon, tiene una capacidad de 200-300 kg/d. Para la extracción de cera cruda emplean como solvente aguarrás, y para la refinación alcohol isopropílico . En Cuba se adoptó como instalación piloto de refinación, la planta extractora del central Jesús Menéndez, utilizando como materia prima cera cruda que quedó almacenada al suspenderse las exportaciones a Estados Unidos . En esta planta se ha investigado el uso del alcohol etílico y actualmente está en fase de remodelación para usar mezclas de alcohol etílico-heptano . 4 Características y composición 4.1 COMPOSICION DE LA CERA DE CUTÍCULA En un principio se creía que la cera de cutícula estaba constituida por ésteres de alcoholes y ácidos de alto peso molecular, pues éstos eran obtenidos por hidrólisis de la cera con NaOH . Posteriormente, estudios más detallados, realizados con técnicas modernas, demostraron que la cera de cutícula está constituida por aldehídos, alcoholes ácidos y una pequeña cantidad de hidrocarburos . Horn y Matic aislaron, en 1958, por destilación molecular del producto acetilado de la fracción no saponificable, una fracción de alcoholes de los cuales el octacosanol era el principal,constituyente. En 1959, Wiendorf obtuvo por cromatografía una fracción alcohólica que constituía 63 vio de la materia no saponificable . Por medidas de difracción de rayos X se identificaron los alcoholes como C30 y C es en una proporción de 40:20 . Z. H . Kranz y J. A . Lamberton estudiaron la cera de cutícula por eromatografía gaseosa y encontraron que estaba constituida por aldehídos, alcoholes ácidos e hidrocarburos normales y que los hidrocarburos constituían la fracción predominante .

55 6

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 312

Características principales de las ceras más usadas Tipo

Punto de fusión

índice de acid z

índice de saponificación

índice de iodo

Animales Espermaceti

42 .47

Lana

38 .40

59,8

82-130

17

-29

Abeja

62-66

17 .21

88-100

8

-11

China

80-85

1,9-8,9

78-93

1

- 2b

Ceresina

56-82

-

4

- 8

Montana

80-86

35-45

7

-14,5

0,5-2,8

126-135

2,8- 9,5

Minerales

100-115

Vegetales Carnauba

86 .89

Candelilla

73-77

Asparto

75-79

Quricury

86-89

12-18

88-90

Caña

77-80

7-10

60-65

3-85 18,6-23,22-27 9

50 (aprox .)

Alcoholes

25-27

Ácidos

15-17

Hidrocarburos

55-64 58-72

Constituyentes de la cera de cutícula (%) Aldehídos

76-85

8-9

4.2 CERA CRUDA Este producto difiere de la cera de cutícula en que tiene menor cantidad de aldehídos y alcoholes libres, y mayor proporción de ésteres . Al ser molida la caña, la cera presente en la cutícula pasa al jugo, junto con otras sustancias que como los lípidos y las materias colorantes y resinosas provienen del interior de la corteza. La adición de Ca0 durante la clarificación del guarapo produce distintas modificaciones químicas en los constituyentes de la cera. Los aldehídos presentes en la cera de cutícula son convertidos en ésteres y los ácidos libres y productos de la hidrólisis alcalina son convertidos en sales de calcio . La cera cruda extraída de la cachaza con heptano caliente es una mezcla heterogénea de la

7

-15 -

6

-10

cual se pueden separar 3 fracciones características bien definidas . Una fracción de cera dura (38-45 %), una fracción grasa o aceite de caña (35 - 40 %) y una fracción resinosa (15 - 17 %) . Las características de la cera cruda son las siguientes: Punto de fusión Punto de ablandamiento

65 - 68 °C 64 °C

índice de saponificación

70-100

índice de acidez

15-23

índice de iodo

55-70

Densidad a 25°C

61,2 lb/fts

Densidad a 100°C

54,0lb/fta

Gravedad específica

0,980

Gravedad específica a 100°C

0,865

Viscosidad a 80 °C

42 cP

557

PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

Capacidad calorífica de 18 - 120 °C

105 BTU/lb

Penetración 1/10 ASTM, 100 g, 5 s

28,2

Expansión volumétrica promedio

3 ins/fts/°C

4.2.1 Composición de la cera cruda

La cera cruda contiene 35,5 % de ácidos y 60 % de materia no saponificable . Los ácidos grasos comprenden 20 oio de ácidos volátiles, 20 % de ácidos grasos solubles en NaHCO3 (resinosos) y 78 % de ácidos no volátiles insolubles en NaHCO3. Estos a su vez están constituidos por 22 % de hidroxiácidos y 56 % de ácidos grasos normales . Estos últimos contienen 5,8 oio de ácido oleico, 2 % de ácido linoleico, 24,5 oio de ácidos de 14 a 24 átomos de carbono y 68,2 % de ácidos de 28 a 30'átomos de carbono . También hay presentes una pequeña cantidad de ácidos de 20 a 22 átomos de carbono . La materia no saponificable contiene 2,7 0.0 de hidrocarburos, 72,1 % de alcoholes, de los cuales la mayor parte es de alcohol mirisílico y 17,1 Dio de esteroles, de los cuales se ha aislado stigmasterol y sitosterol. En trabajos de colaboración conjuntos entre el ICIDCA (Cuba) y el Instituto de la Turba de Minsk (URSS), se realizaron en este último, análisis comparativos de ceras de caña y de la turba. En la tabla 313 se exponen los resultados del análisis general de ambos productos .

TABLA 313 Tipo de cera Cera cruda Cera cruda de cachaza de turba

Propiedades

Temperatura de goteo ('C)

75,2

73,5

25

41

(mg KOH/g)

75

128

Indice de éster (g/100 g)

34

25

Análisis elemental:

C

75,6

80,5

H

12,8

12,7

O

11,5

5,9

N

0,1

0,9

Indice de acidez (mg KOH/g)

Indice de saponificación

En la figura 323 se exponen los resultados del análisis cromatográfico, en capa delgada a la cera cruda de turba y a las 2 fracciones de cera cruda de cachaza . En este trabajo se emplearon métodos de análisis químico y espectrales en los cuales se evidenciaron diferencias en la composición química de ambos productos . Se emplearon métodos de resonancia magnética nuclear (RMN) y resonancia paramagnética electrónica en los análisis comparativos de las fracciones de la cera cruda . El fraccionamiento de la cera cruda de caña con acetona a 25 °C, para separar la fracción grasa y con alcohol isopropílico a 80°C, produce la siguiente composición :

Cera dura

41,09

Aceite

39,79

Resina

17,62

Impureza

1,50

4.3 CERA DURA

El componente más valioso de la cera cruda es, sin duda, la fracción de cera dura que queda después que el aceite y la resina han sido eliminados. La cera de cutícula modificada a través del proceso de producción está concentrada en esta fracción . La cera dura es soluble en los solventes normalmente usados con las ceras y al enfriarse forma un gel característico de los pulimentos sólidos . Puede ser aplicada a una superficie como una película delgada, produciendo un alto grado de brillo . La fracción de cera dura desprovista de aceite y resina contiene, aproximadamente, 55 oio de ésteres, 8 % de ácidos libres, 10 % de alcoholes libres, 25 % de cetonas y aldehídos y 2 oio de hidrocarburos . Difiere de la cera de cutícula en que tiene menor cantidad de aldehídos y alcoholes libres y mayor proporción de ésteres . Al hidrolizar la cera dura se produce 75 vio de materias no saponificables y 25 % de áridos. Las materias no saponificables son casi todas alcoholes grasos y cetonas con cerca de 3 % de una mezcla de hidrocarburos, aproximadamente CZS . Los alcoholes son casi todos del mismo orden de longitud de cadena con 70 oio de ellos en el grupo de alcoholes normales de Ces, Gze Y C30 " La fracción de ácidos está constituida por alrededor de 50 % de ácidos normales, 20 oio de isoácidos y 30 oio de hidroxiácidos . Los ácidos grasos de cadena de carbono más corta, están

558

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZUCAR

Fig. 323 Cromatograma de capa delgada (sílica gel KCK) (solvente., cloroformo; revelador: dcido sulfúrico concentrado) . 1. Cera cruda de turba 2. Estigmasterol. 3. Cera cruda de cachaza 4. Fracción insaponificable de la cera de cachaza. 5. Fracción soluble en alcohol etílico de la cera cruda de cachaza.

presentes en cantidades de sólo 30 % de los ácidos totales, mientras que los ácidos de Css y C3s están en cantidades de 40 % y 30 vio, respectivamente . Existe algún grado de no saturación en la fracción de ácidos y la presencia de hidroxiácidos e isoácidos está bien establecida . 4.4 ACEITE DE CACHAZA Un análisis de la fracción de cera cruda soluble en acetona, a 25 °C, indicó las siguientes características : índice de saponificación 156,0; índice de ácidos 24,6; índice de yodo (alija) 85,81 humedad y materia volátil 0,8 "io . La hidrólisis del aceite con NaOH produjo 71 % d(. ácido, 23 "io de materia no saponificable y 6 qo de materia soluble en agua (glicerina) . Estas 3 partes tienen la siguiente composición : la fracción ácida consiste en 81,5 % de ácidos grasos y 18,5 "io de ácidos insolubles en heptano . Los ácidos grasos están constituidos por 50 de ácidos saturados y 50 % de ácidos no saturados . La composición de los ácidos grasas es la siguiente : Ácidos

%

Linoleico

36,1

Palmitico

25,0

Oleico

10,2

Linolénico

6,9

Araquídico

7,6

Esteárico

4,6

Mirístico

3,1

Cáprico

1,2

Caprílico

2,0

4.5 RESINA Está compuesta por 2 fracciones de propiedades disímiles . Una fracción es cérea, muy compleja, similar a la cera refinada, por lo que, en la mayoría de los casos, se obtiene junto con la cera refinada, excepto cuando ésta se destina a preparar emulsiones para recubrir cítricos, cosméticos, etc. Su punto de fusión (pf) es de 75 - 82 °C. Es soluble en solventes orgánicos a alta temperatura . Está formada por ésteres de ácidos y alcoholes céreos de elevado peso molecular . Es soluble en numerosos solventes orgánicos a altas temperaturas . La segunda fracción es de color negro, infusible hasta 300 °C, muy poco soluble en disolventes orgánicos, alto contenido de grupos hidroxílicos y de enlaces dobles; presenta pocos grupos ácidos libres como lo indica su bajo índice de acidez, pero sí muchos grupos ácidos combinados, como lo indica su

559

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA alto indice de saponificación . Contiene el calcio y el fósforo presentes en la resina. Al parecer la resina está constituida, primariamente, por una estructura de poliéster que se ha desarrollado a partir de monómeros céreos que tienen grupos funcionales tanto acídicos como alcohólicos. La polimerización y formación de sales de metales alcalinos y alcalinotérreos parece que comienza en la planta viviente y está influida sin duda, por las condiciones del proceso del guarapo, cachaza y tratamiento térmico, durante la extracción de la cera cruda con heptano . En la tabla 314 se resumen las propiedades más comunes de los productos anteriores (Fig. 324) .

método que consiste en raspar la corteza de la caña con máquinas diseñadas con tal propósito . 5.1.1 Recuperación de la cera a partir del guarapo Se ha propuesto la recuperación de la cera directamente del jugo, sometiendo éste a un proceso de centrifugación antes de llevarlo a los clarificadores . El residuo sólido que se obtiene contiene partículas de cera, que pueden ser recuperadas por extracción con un solvente adecuado .

TABLA 314 Propiedades de cera de tafia cruda y sus fracciones

Material

Apariencia general

Tempe. ratura de fusión

No. de

No. de

No. d e

acidez (NA)

saponiticación (NS)

36,5

iodo (método Hams)

Cera de caña cruda Compuesto sólido, color carmelita verdoso

65-67

15-26

90-130

Cera dura

Compuesto sólido, color carmelita claro

77-79

10-15

80-90

10-30

Aceite de cera de caña

Líquido viscoso, color verde oscuro

27

147-158

98,7

Fracción de resina

Compuesto sólido, color negro

8

48-56

16,5

200-300

5 Tecnologías de extracción de la cera cruda de caña 5.1 GENERALIDADES Numerosos métodos han sido propuestos para la recuperación de la cera de caña, a partir de diferentes etapas de la fabricación de azúcar, directamente de la corteza de la caña, haciendo pasar los trozos de caña a través de un tanque por el cual circula agua caliente a contracorriente, la cera queda en la superficie del tanque, del cual se recupera . También fue propuesto un

5.1.2 Obtención de la cera del bagazo El bagazo que se obtiene del último molino contiene una pequeña cantidad de cera, y en el caso que sea destinado a la producción de papel es sometido a un tratamiento con hidróxido de sodio ; la cera contenida puede ser recuperada del licor resultante . 5.1.3 Extracción de la cera a partir de la cachaza La cachaza obtenida por la filtración de los residuos producidos en la clarificación del gua-

560

LA MUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE 3.A CARA DE AZOCAR

CISG

DE AZUCAR (1000 t)

CACHAZA ! OW k# BAM SECA

CERA CRUD"

CACHAZA (8EG,81N CERA) 6172

776,3

kg

l6

ESTEROLE8 19 .1 p

ALCOHDLEs

ALCOlgLEB CERE03 11 N

6LICERRIA ro p

RE81000S W9MOMFlCMLEB 59 y

ACE10S CERE08 Y CERA IS,s p

Acloos GRASOS

SI y

oemuoos

RE81000S DE ACEZO! 6RA80S

es y-

Fig . 324

Rendimiento aproximado de tos Productos de ta cera de caña.

rapo es la única fuente de cera que ha resultado de aplicación industrial en todos los procesos de recuperación comercial de cera de caña. Se han desarrollado diferentes tecnologías de extracción sólido-líquido y liquido-líquido; el contenido de cera cruda en la cachaza es un aspecto que determina el proceso que se debe usar y su rentabilidad. Este índice es muy variable y depende de los siguientes factores : 1. Variedad de caña, naturaleza del suelo.

2. Tipo de cosecha (manual o mecanizada) . 3. Condiciones climatológicas. 4. Proceso de fabricación de azúcar : clarificación, temperatura del agua de imbibición, etcétera. Algunas variedades de caña son particularmente ricas en cera, entre ellas Co-290, B-37-161, R-337, etcétera.

561

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

En la tabla 315 se reflejan los contenidos de cera cruda en las cachazas, en diferentes zonas (1966) . TABLA 315 Cera cruda en cachaza seca (%)

País

India EE. UU .

8 -18

(Luisiana)

4A-179

Puerto Rico

12

Hawai Filipinas

1015-11

.14

9,5-11

Cuba Java

12,4-22

5 -15

Africa del Sur

6,9-19,6

Argentina Brasil

11,9-155

5.2

8,9 .17A

SISTEMA DE EXTRACCION SOLIDO-LIQUIDO 5.2.1

Proceso Men

Este proceso consiste en la extracción sucesiva de la fracción grasa y la cera dura. (La cachaza seca es extraída en heptano a 15-20"C, disolviéndose, de esta manera, la fracción grasa o aceite, la fracción de cera dura es extraída elevando la temperatura del solvente a 105'C.) En la cachaza, la cera y las sustancias grasas constituyen una mezcla homogénea ; la extracción selectiva proporciona una manera más fácil y sencilla de separar la fracción grasa, que la separación subsiguiente de la misma, a partir de la cera dura y utilizando otro solvente. Además, la misma cachaza proporciona un buen medio filtrante que facilita el flujo del solvente. Este proceso fue ofrecido por la firma inglesa Rose Dows and Thomson y brindaba las siguientes ventajas : 1 . La fracción grasa y la cera dura son extraídas en una sola operación, directamente de la cachaza. 2. El mismo solvente es usado en la extracción de ambas fracciones . 3 . La recuperación del solvente absorbido por la cachaza en la primera operación se hace innecesaria.

Un inconveniente de este proceso, es la necesidad de secar la cachaza ; por la gran cantidad de energía necesaria para eliminar 70 % de agua que contiene . 5.3

SISTEMAS DE EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO 5.3.1

Proceso Sweenson

Este proceso fue llevado a escala industrial, en Cuba, inicialmente en los centrales Chaparra y Delicias (hoy Jesús Menéndez y Antonio Guiteras) y en los años sesenta se instaló una tercera planta en el central Jaronú (hoy Brasil). Ha sido el único que funcionó de forma estable durante casi 20 a, su adecuada eficiencia de extracción (70 %) y la recuperación de solvente (1 % pérdidas), además del funcionamiento automatizado de la instalación, hicieron factible el proceso técnica y económicamente. La cachaza que sale de los filtros rotatorios al vacío contiene 12 - 14 aio de cera cruda, alrededor de 10 % de azúcares disueltos, arcilla e impurezas orgánicas, alrededor de 75 % de agua y una gran cantidad de bagacillo añadido a la cachaza para facilitar la filtración . De los filtros la cachaza es conducida a la planta extractora donde se calienta con vapor, a 80 °C, su contenido de agua se eleva hasta 85% . En estado fluido es introducida por la parte superior de la columna extractora; fluye hacia abajo a través de una serie de platos perforados dispuestos horizontalmente . Los platos están provistos de aberturas centrales que permiten el paso de la cachaza, alternat'vamente, al centro y a la periferia de los mismos y tienen un reborde dirigido hacia abajo que hacen que la cachaza fluya en esta dirección. Una serie de brazos metálicos, unidos a un eje central, producen una agitación continua en el interior de la columna. El heptano entra por la parte inferior de la columna a 100 - 110 °C, fluye hacia arriba de la cachaza y sale por la parte superior en forma de una solución de cera en heptano . Esta solución pasa a un sistema de recuperación de solvente, el cual se basa en la circulación forzada de la mezcla . Un despojador-separador continuo de vapor, patentado para este propósito, logra una alta eficiencia de separación. 5.3.2

Proceso filtración-extracción

La nacionalización de las plantas de extracción de cera, en Cuba, hizo que la Sugar Cane Wax Enterprise que operó la planta de refinación de cera en Grammercy, Luisiana, se dispusiera a utilizar la cachaza producida en los centrales azucareros de EE. UU. (Fig. 326) .

u u b

2U

a m u u b

K W 0

uu 3 h 0a u

C

h N H1 00

kl

21

56 3

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

ACHAZA 70% Ha o MEZCLA

SOLVENTE DE COMPLEMENTO

FILTRACION EXTRACCNIN

EXTRACTO DE CACHAZA SOLVENTE CERA MEZCLADA

SEPARADOR DE SOLVENTE

CACHAZA SIN SOLVENTE

SISTEMA DE RECUPERA~ DE CERA

I

-SOLVENTE

CERA CRUDA

Fig. 326 Proceso filtración-extracción de cachaza para producir cera cruda. El proceso de Sweenson, empleado en Cuba en la extracción de cera de caña de la cachaza, no es considerado satisfactorio desde el punto de vista económico para su aplicación en EE. UU. Su baja eficiencia, pérdida considerable de solvente y, particularmente, el bajo contenido de cera de las cañas de Luisiana, donde los centrales' azucareros no producen suficiente cachaza para justificar la instalación de una planta de este tipo, indujeron a los ingenieros del Agricultural Research Service de Nueva Orleáns, a adaptar el proceso mucho más versátil y eficiente de filtración-extracción a la recuperación de cera de la cachaza . Filtración-extracción es un proceso de extracción por solvente que puede ser utilizado con semillas oleaginosas y materia prima de un contenido variado de aceite o cera y ha proporcionado, a las pequeñas y medianas industrias extractoras de aceites vegetales, un medio de reducir los costos de operación y aumentar el rendimiento . Una de las ventajas que ofrece es que puede ser adaptado a distintas variedades de materia prima . Este proceso requiere una cantidad menor de solvente que los métodos convencionales de extracción y un equipo menor de recuperación de solvente. Fue aplicado, con éxito, por primera vez en la extracción de aceite de semilla de algo-

dón y soya y ha probado ser apl'_cable a la extracción de aceite de girasol, higuereta, tung, afrecho (salvado) de arroz, etc . Su aplicación a la extracción de cera de caña de la cachaza, es el resultado de la continua búsqueda de nuevas aplicaciones . 5.3.2.1

CONDICIONES DE UNA EXTRACCION EFICIENTE

La cachaza húmeda fue mezclada con heptano caliente y agitada durante varios minutos . La mezcla resultante fue filtrada en un filtro rotatorio horizontal de planta piloto para determinar las condiciones de una extracción eficiente . Los datos obtenidos indican que la cachaza debe ser usada con la humedad que contiene, al salir de los filtros y que la mezcla de cachaza con heptano caliente debe ser agitada con un agitador de paletas . La eficiencia obtenida en la planta piloto fue, aproximadamente, de 85 %, mayor que la de 70 % obtenida, en Cuba, en la extracción comercial .

564

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

6 Tecnologías de refinación de la cera cruda 6 .1 ASPECTOS GENERALES

La cera cruda de caña, extraída de la cachaza, necesita ser desprovista de las grasas y de las resinas, para obtener un producto que pueda ser usado de manera industrial. El proceso generalmente empleado, consiste en dispersar la cera cruda en un solvente orgánico como isopropanol o acetona, disolviendo la fracción grasa, la cera dura y la fracción resinosa quedan como un sólido insoluble . La suspensión formada se filtra y la fracción sólida es mezclada con más solvente y calentada (la resina se separa de la cera dura por decantación) . Numerosos investigadores han propuesto diferentes solventes para la refinación de cera cruda; el uso de la acetona es mencionado por Balch y Sweensen, en Luisiana . Este último también refiere el uso de metil-etilcetona. McLead estudió la refinación de cera con metanol e isopropanol. El uso de solventes de bajo punto de ebullición (metanol y acetona), requiere calentar la mezcla de cera y solvente bajo la presión necesaria para mantener una fase líquida en la etapa de separación de la resina. Se han estudiado otros solventes como acetato de etilo, butanol, aceite de fussel, furfural, etc . Otro proceso de refinación empleó la destilación al vacío para eliminar los componentes grasos de peso molecular menor y posteriormente una oxidación violenta con ácido crómico . En general, se han obtenido numerosas patentes para refinar la cera cruda, mediante extracción con solventes y medios químicos . De la bibliografía se puede concluir, que se han utilizado distintos solventes para la extracción y refinación de cera de caña, como, por ejemplo : 1 . Acetona a 100 °C y presión . 2. Isopropil acetato. 3. Isopropanol a su temperatura de ebullición. 4. Dietil éter. 5. Alcoholes de distintos tipos. 6. Benceno, etilacetato, acetonitrilo, alcoholes amilicos, furfural, fussel oil, metanol, etanol, butanona, metoxietanol, 2-etoxietanol, n-propanol, acetato de etilo, etc. Algunos de estos solventes han resultado adecuados para refinar la cera cruda de caña y otros no, esto se debe, princ?palmente, al hecho de

que la cera cruda de caña está constituida por 3 fracciones ya mencionadas . En la selección de un solvente adecuado para separar la cera de estas fracciones se sigue el siguiente criterio : un solvente es adecuado, si es capaz de disolver a altas temperaturas (punto de ebullición del solvente) la misma cantidad de cera dura que el isopropanol, pero no disuelve toda la cera cruda, pues, de esta forma, se busca no disolver la resina y las cenizas . De todos los solventes utilizados los que presentan mayores posibilidades son: a) Isoproponol . b) Acetona a presión . c) 80 % de etanol y 20 % de fracción ligera de petróleo (95 - 100) . d) Fracción ligera de petróleo (95 - 100) . e) Furfurol. Los procesos que presentan mayores ventajas parecen ser los que separan las grasas o aceites con solventes en frío (acetona, fracción ligera de petróleo), isopropanol, mezcla etanol absoluto (80 %) y fracción de petróleo (20 %), efectuándose, en segundo lugar, una extracción de la cera dura con solventes en caliente, dejando como residuo insoluble la .resina. Los solventes más adecuados son los señalados con anterioridad . Cuando el contenido de resina en la cachaza es pequeña, es conveniente aplicar el proceso desarrollado por Mexz, consistente en extraer las grasas con fracción ligera de petróleo o solventes clorinados en frío y a continuación la fracción de cera dura con el mismo solvente, pero en caliente directamente de la cachaza. Si el contenido de resina es alto, la cera dura obtenida en la segunda operación viene acompañada de un alto tanto por ciento de resina. Venton y Davidson estudiaron las condiciones para la cristalización de cera dura concentrada en solución, separando la fracción soluble e insoluble a temperatura ambiente. Goepfert utilizó procesos semejantes al de Merz, pero usando solventes, selectivamente oxigenados como cetonas alifáticas, ésteres acéticos y propiónicos, etc. Estos métodos utilizan solventes caros que requieren buenos sistemas de recuperación, y a diferencia de la fracción ligera del petróleo, no pueden ser usados en cachaza húmeda, por lo que no son recomendables . Sin lugar a dudas, el trabajo de Hatt y Radcliffe es un estudio muy completo de todos los solventes posibles para refinación, aplicados a ceras crudas de distintos centrales, con diferen-

565

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

tes contenidos de cenizas, resina, grasa y cera dura. Las ceras duras obtenidas con estos solventes son de color oscuro y requieren un tratamiento posterior para su utilización . Este tratamiento consiste en una oxidación, al hacer pasar aire a través de la cera fundida, a temperatura entre 90 y 110 °C, durante 4 a 10 h, aunque se han estudiado y aplicado otros métodos que posteriormente se señalarán. 6.1 .1 Orden de separación de los componentes de la cera cruda Las grasas se separan rápidamente, si la cera cruda fundida se atomiza con agitación vigorosa en el solvente mantenido a una temperatura baja, y en estas condiciones la cera no disuelta y la resina precipitan en forma granular, que es fácil de filtrar y lavar (aunque la cera dura retiene un poco de grasa y pasa algo de aquella a la solución) . Después cuando se mezclan la cera dura y la resina con solvente caliente la separación es aguda y se puede blanquear fácilmente con aire caliente . Este proceso es conocido como "proceso F" y tiene la ventaja de que elimina el lento procedimiento de cristalizar la cera al enfriar . La solución de grasa fría puede ser filtrada de los componentes restantes después que se ha disuelto la cera cruda fundida en el solvente, y la cera dura se puede separar de la resina decantando a filtrando su solución caliente de la resina no disuelta. Se reportan los datos de las ceras crudas de la Queensland Wax Co . cuya cachaza se deja fermentar al aire durante largo tiempo y da una cera dura más fácil de refinar y blanquear . En esta fermentación se consume, aproximadamente, SO .% de las grasas, pero en algunos casos, cerca de 10 % de cera dura. Atendiendo a otros criterios como : facilidad de recuperación, disponibilidad del solvente y costos, es posible estrechar el rango de solvente a: acetona a presión, isopropanol, mezcla étanol-petróleo ligero y furfural . Se consideran ceras ideales aquellas que tengan, aproximadamente, 60 % de cera dura, 20 - 25 % de grasa y 15 - 20 % de resina, con un contenido de 13-17 % de cera cruda en la cachaza . 6.2 REFINACION DE CERA CRUDA POR FRACCIONAMIENTO CON ACETONA Este proceso fue desarrollado por O. J . Sweenson y E. Wilder en EE. UU. (Fig. 327) y fue usado en la planta de refinar cera de caña que operó S. C. Johnson and Son Inc ., en Grammercy,

Luisiana. Fundamentalmente, se basa en el método empleado para eliminar la parafina de los aceites lubricantes producidos del petróleo, diferenciándose del mismo en que en la refinación de la cera de caña es necesario eliminar una fracción resinosa, además del aceite . La refinación de cera de caña con acetona es llevada a cabo en las siguentes etapas : 1. Eliminación de la fracción grasa o aceite soluble en acetona, a 25°C. 2. Eliminación de la fracción resinosa insoluble en acetona, a 95-100°C : ., 3. Blanqueo de la fracción de cera dura por oxidación con aire. 4. Modificación de la cera obtenida. 6.2 .1 Eliminación del aceite La cera dura es fundida en recipientes provistos de serpentines de~vapmt'y' filtrada para eliminar cualquier materta-extraña y mezclada con acetona a 98-100°C, a la presión suficiente para mantener la acetona en estado líquido . Por cada libra de cera se añaden de 0,1 a 0,7 lb de acetona. La mezcla liquida es inyectada en un recipiente que contiene una suspensión. de cera dura y del aceite en acetona. La temperatura de la mezcla liquida permanece a 25 - 30 °C, y se mantiene un vacío de 240 mm de Hg, en el recipiente, el calor en exceso es disipado por evaporación de la acetona que hierve a esta temperatura . La acetona evaporada pasa a un condensador de reflujo y se devuelve al recipiente. Para mantener una concentración adecuada a la suspensión de cera dura en acetona, de modo que pueda ser filtrada fácilmente, se introducen 4 lb de acetona en el recipiente por cada libra de cera cruda . La suspensión se filtra en un filtro rotatorio al vacío, provisto de una cubierta para evitar la evaporación del solvente. La capa sólida de cera formada en la superficie del filtro es lavada con 4 lb de acetona, a 25°C, por cada libra de cera y una vez libre de aceite se separa por medio de un raspador. Para ayudar a la separación de la cera dura del filtro se inyecta un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno . Esto ayuda a que el filtro se mantenga limpio : Se emplea nitrógeno y no aire para evitar la formación de una mezcla explosiva. El filtrado que contiene el aceite es evaporado, recuperándose la acetona. 6.2.2 Eliminación,de la resina La fracción de cera dura que se obtiene en el filtro es mezclada con 4 Ib rielacetona por cada

566

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Fig. 327 Proceso Sweenson para la refinación de la cera cruda con acetona.

libra de sólidos y calentada a una temperatura de 90 a 100'C, a la presión suficiente para mantener la acetona en estado líquido . Esta mezcla se lleva a un tanque decantador donde se forman 2 fases. La fracción resinosa insoluble en acetona a esta temperatura, se deposita en el fondo y la cera dura queda en solución . La cera disuelta en acetona es extraída, continuamente, por la parte superior del tanque decantador y la resina es retirada, periódicamente, a un receptor del cual pasa a un recipiente de baja presión donde se evapora la acetona . 6.2.3 Oxidación con aire La cera dura obtenida tiene un color oscuro a causa de las materias colorantes residuales . Para lograr una cera de color pálido, la cera dura que contiene menos de 3 % de resina y 2 % de aceite es oxidada con aire. Se hace pasar una corriente de aire a razón de 10 f t9 de aire/lb de cera, por hora, a través de la cera fundida a 92"C, agitando continuamente . El flujo de aire se mantiene hasta que la cera adquiera un color amarillo claro y el número de acidez sea de 28-35 . Este proceso permite la obtención de distintos tipos de cera refinada, de acuerdo con el uso a que ésta ha de ser destinada . Las 2 clases fundamentales de cera producida son :

1 . Una cera refinada desprovista de aceite y resina, blanqueada por oxidación con aire . Esta cera tiene propiedades de formación de gel, admisión y retención de solventes adecuados para su uso en la constitución de pastas sólidas como betunes de calzado . Además, forma emulsiones líquidas con los componentes usados en pulimentos del tipo de emulsión. 2. Una cera desprovista de aceite, pero a la cual no se le ha eliminado la resina ; se le añade 1 - 3 % de Ca0 y 2 - 3 % de una resina de fenol-formaldehído que le da las características deseables para ser usada en la fabricación de papel carbón. Estos 2 tipos fundamentales de cera pueden ser modificados por adición de otros productos químicos como ácidos dibásicos y polialcoholes que le dan características peculiares requeridas en usos específicos . 6.3 REFINACION DE CERA CRUDA POR FRACCIONAMIENTO CON ETANOL-HEPTANO La refinación de la cera de caña con una mezcla de 80 % de alcohol etílico absoluto y 20 % de heptano o una fracción de petróleo con un

567

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

punto de ebullición de 95 °C, a 105 °C, fue estudiada en Australia por H . H. Hatt y H. Radcliffe, con el propósito de sustituir el proceso de destilación al vacío empleado por la Queensland Wax Co. El uso de la mezcla heptano etanol como solvente, en el fraccionamiento de la cera cruda, tiene la ventaja de separar la- fracciócrresinosa sin necesidad de calentar la mezcla bajo presión . La separación de la resina se efectúa fácilmente, a 75°C, temperatura a la cual hierve la mezcla a la presión atmosférica . El heptano o fracción de petróleo es el mismo solvente usado en la extracción de cachaza, por lo cual no es necesario eliminarlo completamente de la cera cruda antes de la refinación. La cera cruda es fundida y filtrada para eliminar el residuo de bagacillo que contiene . Mientras permanece caliente, de 90 a 95'C, se vierte sobre la mezcla de heptano-etanol, agitando vigorosamente . La temperatura del solvente es mantenida a 20-25°C, por enfriamiento con agua. La adición toma 30 min. Cuando se termina de añadir la cera fundida, la suspensión formada se deja reposar durante 1 h y la capa líquida que queda en la parte superior y que constituye alrededor de 3/4 del volumen total se decanta . La cera dura residual se filtra y se lava 2 ó 3 veces hasta que esté libre de aceite, usando cada vez un volumen de solvente igual al de la cera dura. El aceite es separado por evaporación del solvente . 6.3.1 Separación de la resina La torta húmeda del filtro, que contiene la fracción de la cera dura y la resina, es transferida a un recipiente provisto de camisa de vapor donde se agita, brevemente, y se refluja durante 90 a 120 min, con 9 veces su volumen de la mezcla de solvente. Después de 20 min de reposo la capa inferior de resina es extraída y la solución caliente se separa para recuperar la cera dura. La resina se lava con 3 veces su volumen de solvente caliente, dejándose reposar por breve tiempo y se decanta la solución de cera dura extraída . El lavado se repite hasta que la resina está libre de cera. 6.3.2 Blanqueo de la fracción de cera dura La cera dura obtenida es de color verde a causa de la clorofila residual que contiene. Se obtiene una cera de color claro, haciendo pasar una corriente de aire a través de la cera fundida a 95 - 100'C. El blanqueamiento de la cera con aire demora alrededor de 6 h, pero el tiempo puede ser reducido reflujando la solución de cera con tierra blanqueadora.

6.4 REFINACION DE CERA CRUDA POR DESTILACION Y OXIDACION CON ACIDO CROMICO Un proceso de refinación desarrollado por H. H. Hatt, en Australia, y empleado por la Queensland Wax Co., hizo innecesario el uso de solventes orgánicos para la purificación de la cera de caña y está basado en el método usado en Alemania para blanquear ceras montanas por la I. G. Farbenindustrie (Fig. 328) . Los pasos seguidos en la obtención de cera. refinada son : 1 . Demineralización . 2. Destilación al vacío. 3. Blanqueamiento con ácido crómico. 4. Modificación química . En el primer paso, la cera cruda es tratada con una solución de HC1 caliente, durante 24 h. La planta de refinación procesa alrededor de 100 t de cera en 1 a. Basado en 1 a de trabajo de 250 d y suponiendo que la cera tiene una gravedad específica de 0,84, a 100°C . La planta procesaba unos 1070 gal de cerald. Los minerales presentes en la oera cruda constituyen 54 %, de los cuales 60 % son de Caq COs y 40 % Cas (F04) s. Se necesitarán 900 gal de HCI a 3,3 % para tratar 1070 gal de cera. Después del tratamiento de HCI, la cera es lavada, 3 veces, con agua para eliminar el ácido . Este proceso toma 18 h. El rendimiento de la cera dimeralizada es de 90 %. 6.4.1 Destilación el vacío Después del tratamiento con HCI la cera es enviada a una unidad de destilación, donde los componentes grasos de bajo peso molecular, son eliminados por destilación bajo una p'tesión de 1 mm y 300 °C. Se necesita un acero inoxidable especial (tipo 316) para resistir los ácidos grasos que destilan a esa temperatura. La unidad de destilación requiere líquido para calentamiento y el receptor debe ser calentado, porque la última parte del destilado tiene un punto de fusión de 60°C. Se ha propuesto, sin embargo, colectar sólo un destilado . Se inyecta, a vapor, la cera fundida, a razón de 0,5 % del peso de la ceta por hora para que éste- actúe como un agente arrastrador de la cera durante la destilación . La naturaleza de la cera dura residual puede variar de acuerdo con el tiempo, ;Presión y temperatura usados.

568

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR,

AGUA ACIDO CLORHIDRIC0

DESXIDRATADOR

Fig. 328 Refinación de cera de caga por destilación al vacío y oxidación con ácido crómico.

6.4.2 Blanqueo de la cera dura

6.4.3 Modificación química de la cera blanqueada

En la última etapa del proceso la cera dura residual es blanqueada, se calienta a reflujo con una mezcla de ácido crómico y ácido sulfúrico, a una temperatura de 110 °C. Un blanqueo completo toma alrededor de 12 h. Aproximadamente, 2.5 t del material son procesadas diariamente . Una unidad blanqueadora, incluyendo la regeneración electrolítica del ácido crómico, ha sido diseñada por I. G. Farbenindustrie . El blanqueo de 2,5 t de cera tomaría 5 t de ácido crómico diariamente, por lo tanto, 2 baterías cada una de las cuales consta de 60 celdas electrolíticas, serán necesarias para suministrar el ácido crómico, con otro par en reserva, probablemente . El consumo de energía en la unidad regeneradora a razón de 4,86 kW - h/kg de Cros serían 24 300 kW " h, la planta completa operaría 3 turnos diarios, 5 d a la semana, durante 48 s al año . Después de blanqueada, la cera es lavada con H2SO9 (3 48 de peso volumen) y con agua, secada bajo un vacío de 200 mm y convertida en escamas, si se desea . Se estima un rendimiento promedio de 50 gro para una planta que procesa 1000 t en 1 a, éste seria 2 200 000 lb anualmente.

Esta cera, tal como se obtiene después de blanqueada con ácido crómico, es de color pálido, dura y brillante, pero sus propiedades son poco satisfactorias para ser usada en la composición de betunes de calzado y no puede competir con las ceras carnauba o ceras sintéticas . Los geles formados con estas ceras tienen poca firmeza y se ablandan al aumentar la temperatura . Hatt propone modificar esta cera de alto número de acidez (130-160), esterificando los ácidos libres con polialcoholes tales como glicol de etileno, glicerol o pentaeritritol . Este último produce una cera de características más apropiadas, tan dura como la cera comercial producida en Grammercy, Luisiana . Los ésteres de pentaeritritolfueron separados, calentando la cera con un ligero exceso de alcohol, usando ácido para-toluenosulfónico como catalizador . Otra modificación consiste en formar amidas de los ácidos libres de la cera con aminas, tales como, metilamina, etilamina o exametileno di-amina . Calentando la cera con la arnina a 200-215°C, se produce metil-etil-amida y hexametileno-bisamida, respectivamente . Estas ceras

569

PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA ero r ue a son e una dureza mayoqldeseada, con las cantidades adecuadas combinadas con geles produce ésteres de pentaeritritol ceras de con las características deseadas . 6 .5 COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE REFINACIÓN CON ACETONA Y CON ETANOL-HEPTANO El uso de acetona como solvente reporta las siguientes ventajas : 1 . La eliminación del aceite es más eficiente a causa de la mayor solubilidad de éste en la acetona que en la mezcla de etanol-heptano. 2. El color de la cera dura obtenida por fraccionamiento con acciona es más claro y el tiempo requerido para la oxidación con aire es menor. 3. El equipo necesario para la recuperación de solvente es más sencillo y la cant?dad de vapor necesario es menor que en el caso de heptano-etanol . 6.5.1 Ventajas de la mezcla etanol-heptano 1. El heptano o la fracción de petróleo ligera puede ser la misma que se emplee en la extracción de la cera cruda, por lo que en ese caso, no sería necesario eliminar completamente el solvente de la cera cruda. 2. La separación de la resina se lleva a cabo elevadas car re sin necesidad de aplipiones adesimplifica la tecnología, por lo que se más, se hace innecesario el uso de N2 como gas inerte en el proceso . En la tabla 316 se muestran los resultados comparativos de ambos procesos. 7 Blanqueo y modificaciones químicas de la cera refinada La cera refinada de caña tiene un color verde oscuro, a causa de la clorofila presente, por lo que es necesario eliminar este color; además, es posible mejorar muchas de sus propiedades (dureza, retención de solventes, etc.) realizando transformaciones químicas con diversos agentes, lo cual incrementa la capacidad comercial del producto, al mejorar las características físicoquímicas del mismo . La cera dura debe reunir las siguientes propiedades : a) Alto grado de brillo.

TABLA 316 Acetona (44)

Etanof-heptam tK)

Cera dura

41,09

34,40

Aceite

39,79

46,84

Resina

17»6

.

19,46

Cera dura sin oxidar

Acetona

Etanol-heptano

Color

Carmelita

Verde

Dureza

2,8

2,8

Punto de fusión

78 *C

77-78 *C

Número de acidez

18,81

13,73

Número de saponificación

56

49

Cera oxidada

Acetona

Etanol-heptano

Color

Amarillo

Amarillo

2p

2,8

Dureza No. de acidez

32,8

33

No. de saponificación

59

57

No. de yodo

12

18,5

No, de saponificación

del aceite

ISL9

170

No. de saponificación de la resina

128,64

176,25

b) Absorción y retención de solventes . c) Capacidad de formar emulsiones estables. Han sido estudiados diversos agentes blanqueadores : 1

Bentonita y carbón activado .

2. H202 en solución de benceno . 3. Petróxido de sodio. 4. HNO3. 5. C104K y H2SO4. 6. Acido crómico . 7. Aire. 8. Oxigeno. 9. Ozono.

570

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

10. K2Cr2 OT , H2SO4. De estos tratamientos, Joshi y Kulkami encontraron que el dicromato producía una cera incolora. Wilder utilizó aire, mezcló la cera con resinas de fenol-fenol-formaldehído y esterificó con ácido maleico, succinico y glutámico para mejorar sus propiedades . Dubey trataba la cera fundida con C12 en presencia de CC14 y agitación, aclarándola en sólo 2 min. El ácido sulfúrico concentrado se emplea, en pequeñas cantidades, con la cera fundida . Este actúa sobre los componentes no céreos constituidos, generalmente, por compuestos no saturados que son atacados fácilmente por el ácido . La fracción cera, que consiste en una mezcla de ésteres por alcoholes y ácidos de alto peso molecular permanece inalterada y separada de los residuos carbonosos, posteriormente . Por razones económicas el método que se ha usado, industrialmente, ha sido la oxidación con aire caliente . Se hace pasar una corriente de aire a razón de 0,28 ms/h por 0,5 kg de cera fundida, a 92 °C, en agitación continua . La cera adquiere un color amarillo oscuro o beige y su número de acidez debe ser de 28-35. Para el caso específico de la cera refinada con etanol-heptano, en el Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Cuba han sido desarrolladas diversas técnicas de blanqueo y modificaciones químicas . Se estudiaron las reacciones de oxidación y ozonólisis de la cera con O s y mezclas de Os-O2; la cinética de acumulación de ácidos libres se define a diferentes temperaturas, para un rango de 80 a 160 °C . Se estudió la descoloración mediante ozono de la cera, obteniéndose, independientemente del color de la cera refinada, ceras descoloradas de calidad similar . El resultado de este trabajo indica la posibilidad de utilizar la cera de caña como fuente de ácidos grasos de menor peso molecular y para la obtención de ceras descoloradas, de amplio uso en la industria química . La aplicación del ozono en los procesos de oxidación se caracteriza por su alta selectividad y poder oxidante, lo cual conduce a mejores rendimientos y simplificaciones tecnológicas . En los últimos años han aparecido nuevos equipos de producción de ozono que permiten obtener altos rendimientos por kilowatt de energía gastada. Este desarrollo abre nuevas perspectivas de aplicación al ozono en diferentes procesos tecnológicos, como en el tratamiento de agua potable y de aguas residuales, con el objeto de su descontaminación, en la síntesis de productos biológicamente activos, materias primas de plastificantes, etc . Uno de los tópicos que abordan estos autores ponsiste en la transformación mediante oxida-

ción en fase líquida con la mezcla 09-02, de los compuestos de la cera de caña refinada con el objeto de obtener ácidos de menor peso molecular que están en el rango de C8-Cas átomos de carbono . Estos ácidos son empleados, en todo el mundo, como materia prima para la producción de plastificantes, detergentes en la industria de jaboneria y perfumería, en la industria alimenticia y en la producción de cosméticos y artículos de tocador, como constituyentes de lociones, cremas, champú, creyones de labios e impregnantes de pelo. Estos ácidos se obtienen, procesando aceites vegetales y grasos animales que se desvían del consumo humano directo, aunque también una fuente importante de estos ácidos lo constituyen algunas fracciones del petróleo . Además, la alta efectividad del ozono en el ataque de sustancias con dobles enlaces (característica de compuestos altamente coloreados) hace posible aplicarlo, con éxito, en la descoloración de la cera de caña, pues ésta posee un gran número de colorantes, que le confieren un color oscuro, lo que limita 'su uso (Fig. 329) .

Fig. 329 Curvas de acumulación de ésteres (1), dcldos libres (2), carbonilos (3) y peróxidos (4) en la oxidación de la cera, usando Oa como inicia" dos y a la temperatura de 160 *C.

Otra de las ventajas de la utilización del ozono consiste en la descoloración casi absoluta de la cera refinada. En los trabajos de S. Menéndez y colaboradores se muestran las curvas de absorción por gramo, con respecto al tiempo, a diferentes temperaturas ; a partir de las 2 h de comenzada la ozonificación, se obtiene 'un mínimo de coloración que se mantiene a lo largo de la oxidación . Este mínimo varía poco a diferentes temperaturas y cae dentro del error experimental. A partir de cera refinada de distintos colores se obtiene,

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

al ozonificar, una cera de color estable, lo que asegura una calidad constante en el producto . En el espectro visible se observa la desaparición de las bandas a 650 nm y 450 nm propias de las clorofilas y los carotenos (Figs . 330 y 331) . to- 160*C m- so* c (e>- W c le)- 1006 C m-1006 C e" Aca ce 0,1%

Fig. 330 Curvas de absorbancia por gramo, a diferentes temperaturas,

450

57 1

que la cera carnauba (amarillo pálido), que es la mejor cera vegetal que se obtiene en el mundo. También se realizó el estudio de la oxidación de la cera refinada con oxígeno molecular, estableciéndose la cinética de oxidación de la cera en presencia de sales de cobalto y manganeso e iniciadores quím'-cos . Se observó, en todos los casos, una descoloración de la cera a causa de una oxidación creciente de las clorofilas . Así mismo, se empleó como agente oxidante el oxígeno molecular, pero a una presión de 20 kg/cm2 y usando acetato de cobalto como catalizador. 8 Modificaciones químicas del aceite de caña El aceite de caña es de un color oscuro, olor y sabor característicos . Las sustancias olorosas se pueden eliminar por los métodos tradicionales de refinación de aceites y grasas . En cambio, el

950

Fig. 331 Espectro visible de la cera refinada (1) y de la cera oxidada mediante ozono a 80 'C (1), al cabo de las 2 h.

El empleo de diferentes modificaciones químicas posibilita la obtención de ceras con características definidas para diversos usos. En la literatura se reporta disminución del número de acidez en casos de blanqueo con ácidos oxidantes (esterificando los ácidos libres con polialcoholes), tales como glicol de etileno, glicerol, con lo cual, se obtiene una cera dura de iguales características a la producida en Luisiana. Formando amidas de los ácidos libres con aminas tales como metilamina, etilamina, etc., es posible disminuir el índice de acidez. Por estos métodos también se mejora la dureza . Molerio y colaboradores, obtuvieron alentadores resultados, realizando sencillas modificaciones químicas a la cera de caña refinada cubana con etanol-heptano, y producto de esto ha sido posible igualar muchas de las propiedades de la cera de carnauba . Se ha logrado un punto de fusión y dureza superiores, al añadir Ca(OH) 2 en muy bajo tanto por ciento (1-3), así como disminución del número de acidez. La retención de solventes resultó adecuada, este último aspecto es de gran importancia, ya que, define la posibilidad de fabricar betunes y pulimentos de alta calidad. El empleo de ozono para la oxidación de los grupos cromóforos logró un color más claro

color oscuro producido por la presencia de clorofilas y carotenos no es posible eliminarlo por estos métodos, a no ser por destilación al vacío, a causa de la similitud de estos pigmentos con los glicéridos, por lo que se debe someter el aceite a un proceso de destrucción-transformación de los pigmentos antes de la refinación . En el trabajo realizado por J. Molerio, S. Menéndez y R. Ramos, se hace un estudio cuantitativo y cualitativo de la fracción ácida del aceite de caña, antes y después de la ozonólisis, así como la determinación de otras propiedades de aceites y grasas. En la tabla 318 se observan los resultados de estas investigaciones. En recientes trabajos, J. Molerio y colaboradores realizaron las determinaciones de los fitosteroles en aceite de cachaza, obtenido directamente en la planta de refinación de cela de caña del central Jesús Menéndez (aceite I) y en el aceite contenido en una cera cruda de más de 15 a (aceite II) . Ambas muestras fueron extraídas de la cachaza. Para obtener la fracción insaponificable, las muestras fueron tratadas con h,dróxido de potasio alcohólico y extraída con éter etílico. Los esteroles presentes en estas fracciones se determinaron, cuantitativamente, mediante cromatografía gaseosa, utilizando colesterol como patrón interno.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

572

TABLA 317 Propiedades de cera refinada de caña de azúcar Cera B^^

B+03(3DH)

Cera

Cera APP

Cera A +20 h .03

Cera A +Os+Ca(OH)s

Carnauba

19

8,4

13

3,5

12

4,0

68-74

68-74

70-73

70-73

90 .92

84-85

1,43

1,60

1,65

1,88

1,1

1,1

39-41

80-82

29-31

70-72

49-50

8-9

123 .125

185-190

96-98

165-170

128-134

83-84

21,7

22,7

22,0

23,6

20,2

21,6

26-30

26-30

30-31

29-30

13-15

8-9

ésteres (%)

68-57,3

56-48

68-55

56-48

71

89

Acidos- (%)

17-22

24-27,.

16-23

25-28

16

5

11-15,8

8-9,4

16

11-14

6

5,4

Propiedad

Color A, .10 -1 450 Punto fusión Penetración (mm) Indice acidez Indice

saponificación

Retención de solventes índice de aldehfdos

Aldehfdos (%) eo . .. pp

cern 9 : ara de calidad in~ . C~ A: ~ de eaadad m~

Características

TABLA 318

TABLA 319

Aceite de caña sin tratamiento

Fitosteroles presentes en la fracción insaponificable del aceite de caña. Aceite I. Obtenido directamente de la Planta de Refinación de Cera, central Jesús Menéndez. Aceite II. Obtenido en el laboratorio a partir de la cera cruda

Aceite de Aceite de caña oza caña nificado oxidado

Verde oscuro

Naranja

Ácidos libres ' (molIg C%H

4,9

8,9

5,0

Peso (%)

8,8

16,0

9,0

2,9

5,6

30

77,0

83,0

78,0

3,5

0

0

0

0

1,6

Color

x IOq

Ácidos totales (m01/9 CO311 x 101) Peso (%) Dobles enlaces (molIg x 101) Epóxidos (molIg x IQ3)

Carmelita

Fitosterol

Aceite I

Aceite II

Campestero)

2,2

2,4

Estigmasterol

3,3

4,1

Sitosterol

5,9

4,6

Total

11,4

11,1

El estigmasterol, que es el fitosterol de mayor valor económico, se encuentra entre 3-4 96, cifra que sitúa al aceite de cachaza como el aceite de mayor perspectiva como fuente de estigmasterol.

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

573

9 Usos y aplicaciones de los productos

9 .2 CERA DURA

9.1 CERA CRUDA

Según la aplicación a que la cera de caña refinada sea destinada, es posible usar un proceso de blanqueo y realizar o no modificaciones químicas, y a que estas últimas sólo se requieren en aquellos casos de usos especiales . Para las condiciones de Cuba, de acuerdo con los resultados de las investigaciones realizadas, se obtendrán 2 tipos de ceras, fundamentalmente :

El principal uso de la cera cruda, llevada directamente sin refinar a la industria, es la fabricación de grasas consistentes y fluidos anticorrosivos. Las grasas consistentes fueron obtenidas por V. M. Ledovski y colaboradores, hidrolizando los compuestos saponificables de la cera cruda con los hidróxidos de los metales alcalinos. La utilización de Ca (OH) 2, con una pequeña adición de NaOH, permite la hidrólisis completa de todos los productos saponificables . Se demostró que por los índices básicos de calidad y las propiedades protectoras, las grasas responden a los requerimientos básicos de estos tipos de materiales . En la tabla 320 se comparan los índices básicos de la cera de caña cruda cubana con otras fuentes de origen vegetal y animal . La cera de caña cruda tiene bastante bajo el índice de yodo, apreciable los tantos por cientos de los productos saponificables y ácidos grasos libres, los cuales son los elementos más importantes para la obtención de jabones espesantes de las grasas consistentes . La suma del valor ácido y del índice de saponificación es de 100- 130 y está casi al nivel de los índices de muchas grasas de origen vegetal.

1 . Cera dura oxidada con aire, para obtener un producto final de color beige, con muy buenas propiedades de formación de gel, brillo, retención de solventes . Se puede usar en : a) Emulsiones para recubrimientos de cítricos y otras frutas . b) Betunes, emulsiones para pieles. c) Pulimentos de automóviles y pisos. d) Adhesivos . e) Tintas de impresión, papel carbón. f) Industria de la goma.

TABLA 320 Valoración comparativa de algunos índices de calidad de la cera cruda y el aceite de cada de azúcar con otras fuentes naturales de grasas Número de yodo

índice de calidad índice de saponificación

Número dcido

36,5

90-130

15-26

85-90

150-160

25-30

170-194

188 .196

Aceite de palmiche

44-45

195-205

Aceite de soya

124 .143

189-195

Grasa de vaca

40-48

190-202

140-180

189-193

Nombre Cera cruda de caña Aceite de cachaza Aceite de linaza

Grasa de pescado

Los estudios realizados por el Centro de Investigaciones Químicas, permitieron obtener fluidos anticorrosivos con cera cruda desprovista de una parte de la fracción aceite . Se calcula que se pudieran emplear unas 2 000 t de cera cruda para la protección de metales en el país, en sustitución de grasas protectoras de importación .

g) Confección de fósforos . h) Industria textil . i) Industria electrónica .

574

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZVCAR

2. Cera dura blanqueada con ozono, para obtener un producto final de color amarillo pálido . Puede o no ser sometida a modificaciones químicas sencillas, para aumentar el punto de fusión, dureza, retención de solventes y disminución del índice de acidez . Además de ser factible el empleo de este producto en los usos anteriores, por su alta calidad, es posible aplicarlo en los siguientes renglones a) Industria farmacéutica . b) Perfumería y cosméticos : cremas, creyones labiales, ceras depiladoras, etc . c) Otros. En general, la cera refinada representa una materia prima de alto valor comercial y con posibilidades de exportación para nuestro país. Las experiencias realizadas en Cuba corroboran la posibilidad de introducir la cera de caña refinada en la industria en sustitución de emulsiones y ceras sintéticas y vegetales importadas . Se han logrado alentadores resultados en la obtención de emulsiones para el recubrimiento de cítricos, las cuales contienen entre 9 - 11 % de cera refinada, resina de colofonia, un agente emulsificante, y agua como productos principales, aunque se han definido varias formulaciones para este objeto . Con estas emulsiones se realizaron ensayos en las frutas cítricas, comparando los resultados obtenidos con las propiedades de las emulsiones de importación . Estas pruebas se realizaron en envasaderos y, posteriormente, se llevaron a cabo evaluaciones periódicas en los almacenes frigoríficos de cítricos para observar brillo, turgencia, pérd°da de peso y su comportamiento en cuanto a enfermedades, también se realizó un ensayo de transportación a Europa, en todos los casos los resultados fueron satisfactorios . 9.2.1 Competencia con otros productos La cera de cachaza refinada, si no se somete a modificaciones químicas muy sencillas no puede sustituir, completamente, a las ceras carnauba, ouricury y montana, pero mediante las técnicas de blanqueo y modificaciones mencionadas, se ha logrado igualar muchas de las propiedades de la cera carnauba y, en la práctica, ha sido posible la fabricación de diversos productos de alta calidad. 9.3 GRASAS Y RESINAS La fracción grasa o aceite obtenida en el proceso de refinación de cera cruda (40 %) tiene un color verde oscuro por los materiales colo-

rantes, olor y sabor caracterlsticos, y contiene un bajo tanto por ciento de glicéridos, en comparación con otros aceites vegetales, pero un más alto contenido de fitoesteroles . La mayor utilización de aceite está en que representa una fuente importantísima de grasas en la dieta de la masa avícola del país. Durante años se han realizado numerosas experiencias, arribándose a conclusiones favorables sobre el aceite de cachaza como pienso avícola, incluso se ha estudiado el efecto de los fitoesteroles presentes en el aceite, no observándose alteración ninguna en la salud de las aves que ingirieron el aceite . En 1980, la demanda de aceite de cachaza en el país era de unas 20 000 t, para ser empleada como fuente de grasas en la dieta del ganado avícola, en sustitución casi total de aceites de maíz y de girasol . Los fitoesteroles presentes en el aceite (estigmasterol, fl-sitosterol y camposterol) constituyen una importante materia prima para la obtención de progesterona y de otras hormonas de gran valor; tras varios años de investigaciones se ha comprobado y establecido una tecnología que permite obtener hasta 5 - 6 % de los fitoesteroles, en los laboratorios Mario Muñoz de Ciudad de La Habana . En estos momentos se trabaja para mejorar los rendimientos y definir los costos de extracción. A partir de los fitoesteroles se pueden producir : a) Anticonceptivos . b) Hormonas sexuales . e) Diuréticos. d) Corticosteroides . Existe interés de algunas firmas comerciales extranjeras por adquirir mezclas de fitoesteroles ; entre ellos la firma Scheríng, de la RFA, a un precio de US $5,45 el kilogramo . El estigmasterol se encuentra en los residuos de refinación del aceite de soya y en otros aceites vegetales como de maní, coco, palma, girasol, etc ., pero en un tanto por ciento inferior que en el aceite de cachaza . Otra de las aplicaciones más importantes del aceite es su empleo como plastificante, en sustitución del ácido esteárico, producto del elevado precio que actualmente se importa en Cuba en las industrias de fabricación de neumáticos para la producción de: a) Rodados de caucho sintético SDR para diversos neumáticos. b) Protectores de goma.

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA c) Camél-back. El ácido esteárico tiene un precio de US $819,16 la tonelada y es posible sustituirlo en relación 1 :1 . Así mismo, . es posible la utilización de los ácidos grasos del aceite en diversas aplicaciones industriales : fabricación de jabones, pinturas, etcétera. También el aceite de cachaza ha sido empleado como medio eficiente para almacenar y trasmitir la energía solar, y la fabricación de polvos de extintores, empleando los ácidos grasos de este aceite . Este trabajo fue estudiado 3 corroborado en la práctica con éxito, lográndose sustituir los polvos antifuego comerciales. Experiencias recientes muestran la posibilidad de emplear ozono y otros métodos para la purificación del aceite, es decir, eliminar su olor penetrante y el color verde de las clorofilas, haciéndolo más aceptable para usos industriales más exigentes . En cuanto a la resina, este producto sólo ha encontrado aplicación en Cuba como sustituto del ácido esteárico en la fabricación de neumáticos.

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Biblio~

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