PROBLEMA 2 SACAROSA
La sacarosa comúnmente llamada azúcar, se utiliza como edulcorante en muchas más aplicaciones. Investigue un proceso para la obtención de la sacarosa. De acuerdo con la ruta de selección y a las 12 reglas de la quimica verde indicar si el proceso es sustentable. El azúcar es un aditivo alimentario utilizado en bebidas y alimentos de todo tipo. Se produce a partir de la caña de azúcar o la remolacha azucarera, que en la actualidad representan aproximadamente el 75% por ciento y el 25% por ciento de la producción mundial de azúcar, respectivamente. 2 Hoy en día, la mayor parte de la producción mundial proviene de Brasil, India y China, y solo Brasil representa más de la mitad de todas las exportaciones de azúcar de caña (Higman, 2013). E n 2012, se produjeron 143 millones de toneladas métricas de azúcar de caña a partir de la caña de azúcar cosechada en 26 millones de hectáreas, lo que equivale al 0,5% de la superficie agrícola mundial con un valor de US $ 17.1 mil millones
SELECCIÓN DE LA RUTA DE SISNTESIS 1. Rutas La obtención de sacaosa es por medio de la extracción de esta de tallos o frutos pero solamente se obtiene para su uso comercial, mayormente de la caña de azúcar (Saccharum officinarum) y de la remolacha azucarera (Beta vulgaris) . Otras fuentes comerciales en menor cantidad son el sorgo el sorgo dulce y el el jarabe de arce. . arce. . En la naturaleza se encuentra en un 20 % del peso en la caña la caña de azúcar y en un 15 % del peso de la remolacha la remolacha azucarera, de azucarera, de las que se obtiene el azúcar de mesa. Figura 1. Molecula de sacarosa
Caña de azúcar o remolacha El azúcar de caña (Saccharum) es un género de 6-37 especies de las hierbas altas (familia Poaceae), nativa de climas cálidos y regiones tropicales tropicales del “Viejo Mundo” y del Pacífico. Son plantas fuertes
con tallos juntos y fibrosos de 2 a 6 m de alto y savia rica en azúcar. Todas las especies se cruzan, y los cultivos comerciales más importantes son híbridos complejos principalmente de Saccharum officinarum, S. spontaneum, S. barberi y S. sinense. El cultivo de caña de azúcar requiere un clima tropical o subtropical, con unas precipitaciones mínimas anuales de 600 mm. Es una de la foto sintetizadores más eficientes en el reino vegetal, capaz de convertir un 2% de la energía solar incidente en biomasa.
La caña de azúcar se propaga con esquejes en lugar de semillas. Cada esqueje debe contener al menos un brote, y los esquejes normalmente se plantan a mano. Una vez plantado, una planta puede ser cosechada varias veces; después de cada cosecha, crecen nuevos tallos, brotes secundarios (ratoons). Normalmente cada cosecha consecutiva da menos rendimientos que la anterior, y normalmente esta bajada del rendimiento justifica una nueva replantación. Dependiendo del tipo de práctica agrícola, se pueden hacer entre 2 y 10 cosechas entre dos plantaciones distintas. El rendimiento medio es de 100 toneladas de caña por hectárea o 10 toneladas de azúcar por hectárea. La caña de azúcar se cosecha a mano o mecánicamente. Más de la mitad de la producción mundial de azúcar se cosecha manualmente, especialmente en los países en desarrollo. Cuando la cosecha se realiza a mano, primero se prende fuego al campo. El fuego se extiende rápidamente, quemando las hojas, pero dejando los tallos ricos en agua y las raíces sin daños. Los recolectores cortan la caña justo por encima del suelo con cuchillos. Un recolector o segador cualificado puede cortar 500 Kg caña de azúcar en una hora. Remolacha azucarera La remolacha azucarera (Beta vulgaris L.) es un miembro de la subfamilia de las Chenopodiaceae y la familia Amaranthaceae, es una planta cuya raíz contiene una alta concentración se sucrosa. La remolacha azucarera está directamente relacionada con su raíz, acelga y forraje de remolacha. El contenido típico en azúcar de la remolacha es un 15% del peso, pero este valor varía dependiendo del tipo y varía de año en año y de lugar en lugar. Esto es contenido sustancialmente mayor que el de la caña de azúcar pero el rendimiento de la remolacha por hectáreas mucho más bajo que el de la caña, por lo que las expectativas son solo de 7 toneladas por hectárea. Hasta finales del siglo xx, la producción de azúcar de remolacha era una labor muy intensa, como el control de malas hierbas que se manejaba plantando densamente el cultivo, por lo cual tenía que ser disminuido manualmente con una azada dos o incluso tres veces durante la época de crecimiento del cultivo. La recogida también requería mucho trabajo manual. Aunque las raíces podían recogerse con un mecanismo de arado que podía ser arrastrado por caballos, el resto de la preparación se realizaba a mano. Un trabajador agarraba las remolachas por la hojas y golpeaba una contra las otras para quitar los restos de tierra, y después las colocaban en dos hileras, en una lo verde y el otra las raíces. Posteriormente un segundo trabajador recogía las remolachas con un gancho y cortaba rápidamente las hojas y la corona de la remolacha. De acuerdo a lo mencionado la caña de azúcar presenta menor porcentaje de azúcar respecto a la remolacha sin embargo el rendimiento por ha es mucho mayor para la caña lo cual le presenta una gran ventaja para los países con clima tropical cabe mencionar que la remolacha es mejor opción para países del norte, como es en el caso de los países europeos, para este estudio los análisis se llevaran a cabo utilizando como materia prima la caña de azúcar.
Figura 2. Planta de caña y remolacha
2. Fases presentes Para iniciar el proceso de la extracción tanto de la caña de azúcar como de la remolacha azucarera entran en forma sólida y en los molinos se separa el bagazo del jugo y partir de ahí las fases presentes son únicamente liquidas. 3. Propiedades termodinámicas y de seguridad de todos los componentes
Tabla 1. Propiedades termodinámicas y de seguridad.
Componente
Agua
CaO
Ácido Clorhídrico
Sacarosa
Peso molecular [g/gmol]
18
56.1
36.46
342.29
Punto de Fusión [°C]
0
2572
-25
186
Punto de Eb. [°C]
100
2850
85
---
Densidad [g/ ]
1
3.3
1.19
1.587
1.19, reacciona
Misible
Solubilidad
con Agua Rombo de seguridad
------
-------
Tabla 2. Composiciones de la caña de azúcar y remolacha azucarera.
Caña de azúcar
Remolacha azucarera
Agua
73-76%
88.8%
Solidos solubles
10-16%
10-18%
Azucares
75-92%
62-79%
Sacarosa
70-88%
65-72%
Glucosa
2-4%
4-6%
Fructuosa
2-4%
1-3%
Sales
3-4.5%
1-2.5%
Ácidos inorgánicos
1.5-4.5%
1.5-4.5%
1-3%
1-3%
Acidos orgánicos
1.5-5.5%
1.55-5.7%
Proteínas
0.5-0.6%
0.45-0.56%
Almidon
0.001-0.05%
0.0011-0.07%
Gomas
0.3-0.6%
0.13-0.76%
Ceras, grasas, fosfátidos
0.05-0.15%
0.06-0.15%
3-5%
1-2%
cidos inorgánicos
otros
4. Propiedades económicas de todos los componentes y servicios Tabla 3.precios de los componentes del proceso.
Componente
Precio [$/T](USD)
Caña de Azúcar
40.07
Remolacha
46.9
Cal
12
fuente: Socio-econ. Stud., 2018, 6, 4: 22-38. Los servicios requeridos por parte de la planta son agua de enfriamiento, vapor de agua y electricidad. cuantificando todas las formas de energía fósil que se utilizan durante la producción agrícola, el transporte de la caña de azúcar al molino y la producción industrial. Durante la producción agrícola es IMP para considerar la energía requerida para producir agroquímicos (fertilizantes y pesticidas), energía para riego y energía utilizada por maquinaria agrícola. Durante la producción industrial, la energía utilizada para generar vapor (que se utiliza en la producción de azúcar) y la energía fósil del uso y de la generación de la electricidad se consideran.
Tabla 3.costos de servicios e información general del proceso.
PROCESO Cosechado Caña área (ha) Cosechado Caña ton Sacarosa Producción ton Agroecológica
10.288 1.018.370 139, 99 Alto (97,15%)
Riego (%)
100
Tamaño de cultivo (ha)
1,79
Verde Cosecha (%)
3,102
Mecanizado Cosecha (%)
11,498
Rendimiento (t Caña ha -1)
98,986
Precio por tonelada de caña (USD t -1)
40,44
Caña Cortadores (#)
918
Fábrica Eficiencia (%)
84,643
Fábrica Rendimiento (%)
13,728
Subproductos Sacarosa Pérdidas (%) Aceite por tonelada de azúcar (L)
Fabricación de composta 2,479 0
Consumo de vapor por kilogramo de caña
0,571
Generación de electricidad por tonelada de caña (kWh)
16,013
5. GENERACIÓN DE RESIDUOS Los residuos de la caña de azúcar consisten en "bagazo" (20% de la cosecha total) y hojas secas (5% de la cosecha total). Se estima que estos residuos ascienden a 2.5-3 millones de toneladas por los cinco meses de cosecha . Los ingenios azucareros producen aguas residuales, emisiones y residuos sólidos que impactan el medio ambiente. Las enormes cantidades de materia vegetal y lodo lavado de los molinos se descomponen en cuerpos de agua dulce, absorbiendo todo el oxígeno disponible y conduciendo a la muerte masiva de peces. Además, las fábricas liberan gases de combustión, hollín, cenizas, amoníaco y otras sustancias durante el procesamiento. 6. TRATAMIENTO DE RESUIDOS
7. USOS DE AGUA
8. USO DE SERVICIOS Se pueden evitar los cosos por parte de la generación de vapor y electricidad debido a que se puede hacer uso del bagazo de caña como biomasa en las calderas para que de esta manera se produzca el vapor pasarlo a turbinas y posteriormente se tenga la energía eléctrica para abastecer todo el proceso.
9. PROCESOS DE SEPARACIÓN MÁS SUSTENTABLES
%de sacarosa
Caña de Azúcar
Remolacha
20%
15%
12 PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE 1. a) b) c)
Prevenir la generación de desperdicios Generación con menos subproductos Riesgos de seguridad y toxicidad de reactivos y productos En caso de generación de subproductos diseña en las condiciones de operación que los minimice
2. Maximiza el consumo de los reactivos a) Conocer las conversiones y selectividad b) Establecer el balance de materia y energía integral del proceso c) Identificar cantidad de catalizador d) Seleccionar el mejor catalizador “verde”
3. El diseño del proceso consume la mínima cantidad de energía y tiene el menor impacto ambiental con la máxima ganacia económica
Patios de caña La caña que llega del campo se muestrea con el propósito de conocer su calidad, luego se pesa y se almacena en los patios o se dispone en las mesas de caña, para ser llevada al molino por los conductores de caña. Preparación de caña
En su camino hacia el molino, la caña es preparada por una picadora y una desfibradora que entregan la caña al molino con mejor índice de preparación, para facilitar la extracción del jugo y mejorar la eficiencia de la misma. Molienda La caña preparada llega al molino donde se extrae el jugo para la posterior elaboración de azúcar. La caña se muele en seis molinos de cuatro mazas, accionados por motores eléctricos y variadores de velocidad. Los conductores llevan la caña preparada a través de cada molino y extraen el jugo. Para lograr extraer la mayor cantidad de sacarosa de la caña, al material que sale de cada molino se le adiciona jugo o agua. A la salida del último molino, se obtiene bagazo con un bajo contenido de sacarosa y de humedad. Generación de vapor El bagazo con un bajo contenido de sacarosa, es utilizado en las calderas especialmente diseñadas para consumir biomasa y carbón. El vapor obtenido de las calderas mueve los turbogeneradores que producen la energía eléctrica que requiere la fábrica, que está 100% electrificada y los pozos profundos que prestan servicio a los cultivos de caña. Generación de energía eléctrica La caldera quema el bagazo, que es un combustible renovable subproducto de la molienda de caña. Durante el proceso de combustión se calienta el agua osmotizada hasta producir el vapor de alta presión a 955 psig y a una temperatura de 950 °F. Los gases producidos durante la combustión pasan a través de separadores ciclónicos que se encargan de extraer las partículas gruesas de ceniza. Posteriormente, estos gases que aún tienen material particulado fino, van hacia un precipitador electrostático de alta eficiencia, donde viajan lentamente a través de una serie de placas polarizadas electrostáticamente que se encargan de atraparlas para finalmente emitir a la atmósfera, a través de la chimenea, gases con menos de 50 microgramos por metro cúbico, lo que minimiza el impacto ambiental al reducir las emisiones de gases efecto invernadero a la atmósfera. El vapor generado en la caldera es posteriormente conducido a las turbinas donde se convierte en movimiento, reduciendo la presión y temperatura del vapor que es entregado a los diferentes procesos de la Fábrica, como evaporación, cocción de jugos y calentamiento de mieles para la producción de alcohol carburante. Este vapor también se utiliza en la producción de alcohol carburante. La energía mecánica de la turbina entrega el movimiento a un generador a través de un reductor de velocidad. Los generadores producen energía suficiente para accionar todos los motores eléctricos de la fábrica, iluminar y alimentar los sistemas de control. La energía no consumida equivalente a 14 MWh, se entrega a la red pública con capacidad para abastecer una ciudad de 130.000 habitantes.
Planta de tratamiento de agua para las calderas Este proceso se realiza en los tachos, donde el agua de la meladura clarificada se evapora dando como resultado la cristalización de la sacarosa (azúcar). Esta cristalización se puede observar en la masa, que es la mezcla de miel y cristales de azúcar.
Pesaje, sulfitación y alcalización El jugo extraído en el molino se pesa para conocer la cantidad a procesar. Para blanquear el jugo, este se sulfita en frio, luego se le añade cal para neutralizar su acidez y ayudar en la separación de los sólidos presentes. Calentamiento y clarificación de jugo Después de adicionarle cal, el jugo se calienta para acelerar la separación de los sólidos no azúcares. Al jugo caliente se le adiciona floculante y se envía a los clarificadores, donde se logra la separación de los sólidos insolubles, que se precipitan formando un lodo. Al lodo por filtración se le recupera el jugo y se transforma en cachaza. El jugo clarificado y se envía a los evaporadores. Filtración de lodos y clarificación del jugo filtrado Los lodos que se obtienen de los clarificadores se envían a la estación de filtración donde se preparan con bagacillo, floculante y cal. Esta mezcla forma una torta porosa en los filtros rotativos al vacío, donde se le adiciona agua caliente y se le extrae la mayor cantidad de sacarosa posible en forma de jugo. Al jugo obtenido se le separa los sólidos de los líquidos, para obtener un material más claro y brillante. Esto se obtiene en la estación de clarificación de jugo, donde se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante, para luego ser enviado al clarificador, donde se le inyecta aire en pequeñas partículas que hacen flotar los sólidos en forma de espuma. Esta se retira y se envía al tanque de jugo encalado. La materia sólida resultante del proceso de filtración se conduce a unas tolvas, donde se mezcla con la ceniza que sale de las calderas. Esta mezcla se envía a la planta de compost, donde se mezcla con la vinaza que es el subproducto de la fabricación de alcohol, formándose el compost que es utilizado en el campo para la adecuación y enriquecimiento de suelos pobres en materia orgánica. Evaporación de jugo El jugo clarificado posee un contenido alto de agua, que es indispensable retirar. Esto se logra en la estación de evaporación, donde se recibe un jugo de aproximadamente 15° Brix y se concentra hasta 65° Brix, dando como resultado la meladura o jarabe. Clarificación de meladura
De la meladura que sale de los evaporadores se separan los sólidos de los líquidos, para obtener un material más claro y brillante. Esto se obtiene en la estación de clarificación donde la meladura se mezcla con ácido fosfórico, cal y floculante, para luego ser enviada al clarificador de meladura, donde se le inyecta aire en pequeñas partículas que hacen flotar los sólidos en forma de espuma. Esta se retira y se envía al tanque de jugo encalado.
Cristalización Este proceso se realiza en los tachos, donde el agua de la meladura clarificada se evapora dando como resultado la cristalización de la sacarosa (azúcar). Esta cristalización se puede observar en la masa, que es la mezcla de miel y cristales de azúcar. Centrifugación La masa de los tachos se envía a las centrífugas, para separar la miel de los cristales de azúcar. Con el fin de obtener azúcar más blanco, dentro de la centrifuga se aplica agua caliente para eliminar los residuos de miel en los cristales. La miel “A” se envía a unos
tanques de almacenamiento, posteriormente, se utiliza en otro proceso de cristalización y centrifugación, donde se obtiene la miel B, materia prima para la producción de alcohol. Secado El azúcar que se descarga de la centrifuga de ”A” o primera, se envía a las secadoras para
eliminar el exceso de humedad. Envase y almacenamiento El azúcar seco se envía a la estación de envase, se empaca en los diferentes tipos de presentación con que se surten los mercados nacional e internacional. Los productos obtenidos son » Azúcar blanco y moreno » Azúcar Orgánica Providencia » Alcoholes » Abono Orgánico » Energía eléctrica
4. El proceso seleccionado deberá maximizar el rendimiento y minimiza el impacto ambiental
5. Se seleccionaron procesos que no requieren el uso de agentes másicos externos adicionales y en caso de ser necesarios seleccionar aquellos que sean los menos contaminantes 6. Proceso que minimiza el consumo de energía y diseñado en condiciones de operación suaves 7. Selección de la materia prima adecuada en función al costo y al impacto ambiental 8. Consumo de energía del proceso debe ser menor que la energía que puede generarse del producto principal 9. Minimiza la producción de mezclas multicomponentes 10. Procesos que promueva a integración de calor y masa
Con la puesta en marcha de la planta de cogeneración, se alcanzó un mejor aprovechamiento de la capacidad energética de los combustibles, logrando una mayor eficiencia de los equipos instalados e incluyendo nuevos equipos de última tecnología para la producción eficiente de vapor y generación de electricidad, requeridas en el funcionamiento de las plantas de azúcar, alcohol carburante y compost. Mediante la instalación de una nueva caldera de alta presión y temperatura y dos turbogeneradores, se logra satisfacer las necesidades de consumo del Ingenio y cogenerar energía hacia la red pública. Esta energía limpia, por ser generada con biomasa, sigue las directrices del Protocolo de Kyoto, que favorece la preservación del medio ambiente, por la disminución de
emisión de toneladas de CO2 a la atmósfera. Por esta razón, en Ingenio Providencia afirmamos que “Iluminamos a Colombia con energía renovable”.
11. Los productos generados deben ser diseñados para cerrar el ciclo de vida en forma “green”
Uno de los principales problemas actuales de procesos productivos es cuánto dependen de los combustibles fósiles (ROCKSTRÖM ET AL., 2009). El uso de combustibles fósiles se propone como un indicador que cuantifica, dentro del ciclo de vida de la pr oducción, cuánto combustible fósil (MJ) es utilizado para producir 1 kg de azúcar
12. Promueve los servicios necesarios en planta sen a partir de fuentes renovables
REFERENCIAS http://avibert.blogspot.com/2010/03/composicion-de-la-cana-de-azucar-y-de.html. https://www.worldwildlife.org/industries/sugarcane Carrión, F.; Gutiérrez, F.; Olivera, N.; Silveira G., Determinación de azúcar en remolacha (2016). Universidad de Uruguay
