disminucion de perdidas de sacarosa por modificacion al sistema de imbibicion
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ÜPAEP 8IBU0TECA CENTRAL
rng UCOUNICAMENTeENSALA
UNIVERSIDAD POPULAR AUTÓNOMA DEL ESTADO DE PUEBLA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISMINUCIÓN DE PERDIDAS DE SACAROSA
EN EL AREA DE EXTRACCIÓN DE UN INGENIO AZUCARERO
CASO PRACTICO: MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE IMBIBICIÓN
Por
ALBERTO AGUSTÍN VEGA MONTES
Trabajo Práctico presentado a la Escuela de Ingeniería Química
como requisito parcial para obtener el Título de
INGENIERO QUÍMICO
Agosto de 1996
ÜPAEP Puebla, Pue. a 21 de Agos^jge 1
USO UNtCAM ENTE EN SALA
El presente Trabajo, denominado: DISMINUCIÓN DE PERDIDAS DE SACAROSA EN
EL AREA DE EXTRACCIÓN DE UN INGENIO AZUCARERO, CASO PRACTICO:
MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE IMBIBICIÓN, cumple con los requisitos de calidad y
contenido, por lo que el Sr. Alberto Agustín Vega Montes puede promover la obtención
del Título de Ingeniero Químico.
íñg. Manuel Mendoza Labra
Asesor del Trabajo
62648
RESUMEN
Este trabajo muestra algunos aspectos importantes de un proceso típico de fabricación
de azúcar de caña.
Inicia con una descripción breve del proceso; posteriormente se mencionan algunas de
las características más importantes de la caña de azúcar y la sacarosa, con el objeto de
ilustrar posteriormente las formas como se presentan las pérdidas de ésta en el proceso,
puesto que merecen elevada atención, ya que al obtenerse menores pérdidas se produce
con mayores rendimientos; para lo cual, se deben establecer las normas operacionales
que rijan las distintas etapas.
El área que recibe mayor atención es la de extracción, de la que se comentan algunos
aspectos que se pueden modificar para obtener mejores resultados, ampliándose lo
referente a la aplicación de agua en la extracción, llamada imbibición, mostrando desde
sus formas y condiciones básicas de aplicación, hasta un modelo simple de simulación
para comparar la extracción de sólidos del jugo de caña al modificarse la imbibición.
La información se encuentra principalmente orientada a la imbibición en caliente, con la
cual se logra una mejor extracción, y a los beneficios adicionales y posibles
inconvenientes que se pueden presentar al aplicarse en el Ingenio Independencia.
Culmina el presente trabajo mostrando los recursos materiales y humanos necesarios
para implementar la mencionada aplicación, así como una ligera estimación económica
de lo que puede significar la modificación, su recuperación, y el esperado beneficio que
aportaría para Zafras posteriores.
ni
A Dios Todopoderoso.
A Nuestra Señora de Guadalupe.
A mis Padres.
A mis hermanos y a mi cuñada.
A mi abuelo.
A la memoria de mis abuelos difuntos.
A la familia Avendaño Montes.
A todos mis familiares.
A mis amigos.
ÍNDICE
Resumen. iii
Lista de Figuras. viii
Lista de Tablas. ix
Agradecimientos. x
Introducción. 1
I Breve descripción del proceso productivo en el Ingenio Independencia. 4
II La caña en la Industria azucarera. 11
2.1 Antecedentes. 11
2.2 Componentes de la caña de azúcar. 12
2.3 Riqueza de la caña y el jugo. 14
2.4 Estructura de la caña. 15
III Azúcares importantes en el proceso. 17
3.1 Generalidades de los azúcares. 17
3.2 Sacarosa. 19
3.3 Propiedades químicas de la sacarosa. 20
3.4 Propiedades físicas de la sacarosa y sus soluciones. 25
3.5 Azúcares reductores. 27
3.6 Glucosa y fructosa. 29
V
IV Rendimiento y pérdidas de sacarosa. 31
4.1 El Rendimiento y su relación con las pérdidas. 32
4.2 Labor en el campo. 32
4.3 Pérdidas de sacarosa dentro y fuera del proceso. 33
4.4 Clasificación de las pérdidas de sacarosa en la fábrica. 34
4.5 Perdidas determinadas. 35
4.6 Perdidas indeterminadas. 38
V Extracción del jugo de caña. 42
5.1 Eficiencia y capacidad de la molienda. 43
5.2 Factores que afectan la eficiencia y la capacidad de los molinos. 44
5.3 Evaluación de la eficiencia de la extracción. 56
5.4 Cuantificación de la capacidad de los molinos. 58
VI Imbibición. 60
6.1 Tipos de sistemas de imbibición. 61
6.2 Equipo básico de la imbibición. 64
6.3 Condiciones bioquímicas del agua de imbibición. 66
6.4 Temperatura del agua de imbibición. 67
6.5 Cantidad de agua. 71
6.6 Estudio matemático clásico de la imbibición. 72
6.7 Simulación de la extracción de sólidos disueltos al modificar la imbibición. 74
6.8 Observaciones adicionales a la imbibición. 86
Vil Propuesta de modificación al sistema de imbibición actual. 87
7.1 Sistema de imbibición actual. 88
7.2 Contraposiciones de la imbibición en caliente. 89
7.3 Efectos adicionales favorables. 92
7.4 Propuesta del sistema para aplicar imbibición caliente. 93
vi
VIII Modificación del sistema de imbibición actual. 95
8.1 Distribución actual del agua en la fabrica. 95
8.2 Equipo requerido. 97
8.3 Material para la instalación de la nueva tubería. 101
IX Consideraciones económicas sobre la modificación. 103
9.1 Recuperación de azúcar. 103
9.2 Costos debidos a la modificación. 105
9.3 Beneficio económico y recuperación de la inversión. 107
9.4 Beneficios para zafras posteriores. 107
Conclusiones. 109
Bibliografía. 111
Vil
LISTA DE FIGURAS
1.1 Diagrama de flujo del proceso en el Ingenio Independencia. 5
2.1 Tallo de caña y sus partes. 15
3.1 Molécula de Sacarosa. 19
3.2 Inversión acida de la sacarosa en una hora. 21
3.3 Moléculas de D-glucosa y D-fructosa. 29
4.1 Pérdidas de Sacarosa en las últimas 10 Zafras en Independencia 35
5.1 Fibra % en bagazo a lo largo del tándem. 47
5.2 Disminución del jugo en el bagazo en función del número de mazas en tándem. 49
6.1 Imbibición Simple. 61
6.2 Imbibición Compuesta. 62
6.3 Imbibición Compuesta Intermedia. 63
6.4 Formas típicas de aplicar el agua de imbibición. 65
6.5 Equipos para aplicar imbibición con jugo diluido. 66
6.6 Celdillas de caña enteras y atacadas con calor vistas al microscopio. 70
6.7 Balance del primer molino. 77
6.8 Molino con imbibición de agua. 78
6.9 Mezcla del agua de imbibición y el bagazo. 79
6.10 Molino con imbibición de jugo diluido. 81
6.11 Diagramas de flujo para simular la extracción de sólidos. 83
6.12 Variación del factor de mezcla global con el brix del jugo absoluto (imb. simple). 85
6.13 Resultados de la simulación de ta extracción de sólidos. 86
6.13 Abastecimiento de agua a molinos. 96
9.1 Recuperación adicional de Azúcar con Rendimiento original de 8.688%. 108
Viii
LISTA DE TABLAS
2.1 Componentes de la caña de azúcar y sólidos del guarapo. 13
2.2 Composición de las partes de la caña. 16
6.1 Tiempo requerido para la destrucción de celdillas a distintas temperaturas. 69
6.2 Humedades en bagazo esperadas en los molinos de Independencia. 84
6.3 Datos utilizados para la simulación. 85
7.1 Temperaturas óptimas para el crecimiento de bacterias importantes 90
en el guarapo.
8.1 Material necesario para instalar la tubería propuesta. 102
9.1 Resultados de la Zafra 95-96 en el Ingenio Independencia. 104
9.2 Costo del material necesario para la nueva tubería. 106
9.3 Costo del personal necesario por categorías. 106
IX
AGRADECIMIENTOS
Al Ing. Manuel Mendoza Labra, por haber aceptado el asesoramiento de éste trabajo y
ser excelente Maestro y Amigo.
Al Ing. y M.C. Rogerio Martínez Gómez, Presidente del H. Jurado Calificador, apreciado y
admirado Catedrático.
A la Ing. y M.A. María Josefina Rivero Villar, Directora de nuestra escuela, que en todo
momento procuró mi propio bien y el de mis compañeros.
A las Instituciones y Catedráticos que han participado en mi formación profesional.
A la UPAEP, especialmente a la Escuela de Ingeniería Química, al Departamento de
Becas, al Departamento de Matemáticas y al Consejo Universitario.
A la Compañía Azucarera Independencia, por haberme permitido la realización de éste
trabajo en base a sus instalaciones, a través de su Gerente General, Lic. Carlos Leroux
Camino.
Al Ing. Valentín Ochoa Salomón, Gerente de Fábrica, por su determinante apoyo y
enseñanza.
A todos los compañeros de trabajo, por su incondicional ayuda y amistad.
Al Dr. Henri Martel, Business Manager de Sugar Research International, por su valiosa
asesoría bibliográfica.
INTRODUCCIÓN
La fabricación del azúcar es una de las prácticas industriales vigentes más antiguas de
las que se tiene conocimiento. Varios investigadores, entre ellos Blandes (1958), señalan
que hace por lo menos 8,000 años que la caña de azúcar se introdujo como planta de
jardín en Nueva Guinea, de la cual se mascaba el tallo. Los estudios realizados muestran
que la existencia del azúcar granulado data del año 400 a.C.
La sacarosa es el azúcar de uso doméstico, es también uno de los edulcorantes más
abundantes en el reino vegetal. Aunque todas las plantas verdes producen alguna forma
de azúcar, la sacarosa presenta una ventaja sobre los demás sacárídos, que es su
presentación, pues al ser separada se obtiene en estado sólido, lo cual se logra por
cristalización. Esta es una ventaja enorme, pues la cristalización es la forma de
separación más pura que se conoce.
El azúcar entró en la dieta del hombre y creó la necesidad de su producción; la cual,
acorde con ta evolución y desarrollo de la especie humana, fue necesario realizarla a gran
escala. Como en cualquier rama industrial, la de producción de azúcar ha sufrido una
serie de cambios con el fin de obtener un producto de calidad, con la mayor eficiencia
posible, sin descuidar los aspectos que intervienen en cualquier manufactura, como son
la seguridad y desde luego, los costos.
Como una manera de evaluar y comparar el desempeño de un Ingenio Azucarero como
unidad Agro-industrial, se introdujo el término Rendimiento %, referido a la relación
porcentual del azúcar producida entre la cantidad de caña molida para dicho efecto. Es
común escuchar que un Ingenio es mejor cuando mayor es su rendimiento.
Con la idea de producir la mayor cantidad posible de azúcar con una cantidad base de
caña, se considera y se plantea como meta fina! de un proceso de mejoramiento el
aumentar el rendimiento, lo cual sucederá si en las etapas de fabricación, la mayor
i
cantidad de sacarosa que llega en la caña sale como producto. Sin embargo, éste
resultado es prácticamente imposible de llevar al máximo deseable, debido a las
propiedades del azúcar y a las características del proceso productivo; por ello, se toma de
gran interés la forma de disminuir al mínimo las pérdidas dentro de la fábrica. Es también
tomar en cuenta el factor agrícola, pues es en el campo donde, gracias a la fotosíntesis,
se sintetiza la sacarosa.
En síntesis, el proceso de fabricación de! azúcar, teniendo como materia prima la caña de
azúcar, inicia generalmente con la limpieza y preparación de la caña y continúa con la
extracción del jugo, y desde tales etapas las experiencias técnicas van señalando
aspectos relevantes sobre la manera correcta de procesar para obtener el mínimo de
pérdidas. El jugo extraído, junto con el agua auxiliar usada en la extracción y que no fue
retenida en el bagazo, forman la mezcla conocida como jugo mezclado, el cual pasa por
un proceso de clarificación y después se concentra vía evaporación, para llegar después
a la etapa de cristalización, en la que se obtienen granos de azúcar que son separados
vía centrifugación. De esta etapa, el azúcar aún húmeda pasa al proceso de secado, en
el que se obtiene azúcar lista para su envasado y consecuente consumo. Como es de
pensarse, éste proceso generalizado puede tener tantas variaciones, que el detallar cada
punto nos trasladaría más allá de los límites del presente trabajo.
La sacarosa presente en la caña que no se obtiene como producto en el azúcar se
considera como pérdida. Las pérdidas se catalogan determinadas si éstas se encuentran
en los subproductos de la fábrica, y las restantes conforman las pérdidas indeterminadas.
La sacarosa que no se va en las pérdidas formará parte de la producción, por lo que si las
pérdidas disminuyen, aumentará simultáneamente el rendimiento.
Es posible disminuir tas pérdidas de sacarosa en el proceso sin la necesidad de cambiar
en forma significativa la unidad productiva, llevando a cabo mejoras simples (de ser
necesarias), pero sobre todo, controlando los parámetros operacionales que la
experiencia y la debida instrucción van afinando al paso de los años. Existe, como en
todas partes, cierta discrepancia a la aportación de ideas al respecto de efectuar
modificaciones con miras a aumentar el rendimiento en un Ingenio, pues por tratarse de
2
una Industria antigua, muchos de los criterios tienden a ser tradicionalistas, los cuales
suelen llevar a cierto temor al cambio.
En el presente trabajo práctico, se presentarán algunos aspectos con miras al
mejoramiento en la extracción de sacarosa, basados en experiencias documentadas y
seriamente realizadas, de manera que disminuyan hasta donde sea posible las pérdidas
en dicha área. Se eligió la parte de extracción por que es el primer subproducto, el bagazo
resultante de la extracción, junto con la miel incristalizable (miel final o melaza), en donde
se va (a mayor parte de la sacarosa perdida. Además, en la extracción suelen detallarse
con mayor énfasis las condiciones mecánicas del equipo usado para la operación,
perdiendo un poco de vista los demás factores que no forman parte del equipo.
Se trata con mayor énfasis la imbibición, que es el proceso en el cual se aplica agua o
jugo a un bagazo para mejorar la extracción en el molino siguiente. Su importancia ha
sido reconocida desde el siglo pasado, y es una condición dentro de la operación de la
molienda que no recibe la atención que requiere, pues de ella depende la extracción.
Principalmente, se trata el punto del beneficio recibido al realizar la imbibición con agua
caliente, pues en base a diversos estudios se ha concluido que su aplicación puede
resultar en una mejor extracción, lo cual ofrecería un beneficio inmediato desde el
momento en que se pusiera en práctica, con lo cual la producción de azúcar aumentarla
con una modificación simple y su debido seguimiento, sin descuidar el impacto que pueda
tener dicho cambio sobre el proceso.
Debido a que el presente trabajo se realiza con el apoyo de la Compañía Azucarera
Independencia, S.A. de C.V., además de aportar conocimientos básicos se presenta una
propuesta de modificación al sistema de imbibición actual de su Ingenio (Independencia,
ubicado en Martinez de la Torre, Ver.), que consiste en recomendar lo necesario para que
se logre aplicar la imbibición caliente, lo cual ayudará a que en el Ingenio se obtenga una
mejor extracción y consecuentemente una mayor producción de azúcar, con una mejora
simple y con un costo de implementación bajo.
3
I BREVE DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO
EN EL INGENIO INDEPENDENCIA
El Ingenio Independencia procesa caña de azúcar, la cual es cultivada en la zona de
abasto que incluye terrenos de 4 municipios a 40 Km. a la redonda. Su período normal
de Zafra, que es el tiempo en el que la caña es cosechada y procesada para producir
azúcar, comprende los meses de Enero a Junio, correspondiendo el tiempo restante al
receso y la reparación. Esta distribución de tiempo, se debe a las fechas de
maduración de la caña, y a que, al tratarse de una materia prima agrícola, es necesario
elegir el tiempo en el que su abasto no significa un problema, principalmente debido a
las lluvias y las dificultades que provoca en el corte y acarreo.
En la zona de abasto de Independencia, la caña es cosechada por cortadores, los
cuales, con auxilio de un machete cortan la caña, la deshojan y la juntan en montones
en el suelo o en ocasiones en contenedores, para que posteriormente sean colocadas
en camiones de 6 a 8 toneladas o carretas. Dichos vehículos transportan la caña hasta
el Ingenio, donde al llegar son pesados. Cuando la caña es cuantificada, entra a la
primera área del Ingenio, que se describirá a continuación.
BATEY
La caña llega al patio de almacenamiento, conocida en Latinoamérica como batey
(área de manejo y preparación de la caña); ahí es descargada con un sistema de
cadenas soldadas al camión, que viajan debajo de la caña y son levantadas por grúas
descargadoras de hilo. La caña es depositada en el suelo del batey, o de ser posible
directamente en las mesas alimentadoras.
La caña que se depositó en el suelo es manejada con vehículos apiladores de caña,
que estiban la caña o la depositan en las mesas alimentadoras, las cuales tienen una
4
LAVADO DE CAÑA B A T E Y AREA DE PREPARACIÓN EXTRACCIÓN
ACOLCHON FILTROS DE CACHAZA
í CACHAZA
JUGO CLARO
CRISTALIZACIÓN
MIEL FINAL
U P A E P ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DIAGRAMA DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
DE AZÚCAR DEL INGENIO INDEPENDENCIA
REALIZO:
ALBERTO A. VEGA MONTES
AGOSTO
1996
inclinación 45°, en ellas se coloca la caña en la base y se eleva mediante un sistema
de cadenas, siendo a la vez lavada por un sistema de aspersión de agua a 5,000
GPM, con el objeto de eliminar al máximo la basura en la caña (hojarasca, tierra, etc.),
y así dejarla lista para ser preparada para moler. Cuando la caña termina su lavado,
cae en el primer conductor de caña, el cual la transporta y entrega al segundo
conductor, el cual hace pasar la caña por un juego de niveladores llamados gallegos,
que consisten en un grupo de brazos que giran en dirección contraría a la de la caña y
no permiten el paso de la caña que excede el nivel deseado.
La caña llega así a su etapa de preparación, que inicia con el primer juego de cuchillas
macheteras, que es un equipo impulsado por turbina de vapor que hace girar un eje
que sujeta cuchillas tipo cresta de gallo, las cuales se mueven en dirección del flujo y
cortan la caña en pedazos pequeños. En el primer juego de cuchillas se nivela aún
más el flujo de caña, los trozos de caña resultantes no son lo suficientemente
pequeños, por lo que a continuación se encuentra un segundo juego de cuchillas, que
son de tipo Farrel. La caña cortada es conducida a la desfibradora, que en
Independencia es tipo Gruendler, la cual tiene como objeto desgarrar los trozos hasta
dejar la caña en pedazos muy pequeños sin extraer aun nada de jugo. Así, la caña
queda preparada para lograr una extracción eficaz.
EXTRACCIÓN
El jugo (llamado también guarapo), es extraído en un tren (tándem) de cinco molinos,
consistentes cada uno de tres rodillos dentados llamados mazas, que están ordenados
en forma triangular con vértice hacia arriba. La caña es alimentada por medio de un
conductor y una tolva al primer molino. El colchón de bagazo es presionado entre la
maza receptora, llamada cañera, y la maza superior, luego se desliza por una pieza
ranurada llamada cuchilla central, y pasa a otra compresión efectuada entre la maza
superior y la tercera, llamada bagacera. El viaje del bagazo de un molino a otro se
efectúa mediante conductores intermedios de tablillas.
6
El bagazo presenta una elevada dificultad para eliminar la humedad, por lo que parte
del jugo es muy difícil de extraer, y aunque ciertamente tiene una menor pureza
(relación de sacarosa disuelta / sólidos solubles totales), sería una importante pérdida
el no extraerlo. Por ello, se aplica agua de imbibición en la molienda, para que parte del
jugo que de otra manera sería retenido por el bagazo, sea sustituido por agua.
El bagazo que sale del último molino, es elevado y transportado a su lugar de manejo,
para después ser llevado a las calderas. El jugo extraído, junto con la parte del agua
de imbibición no retenida en el bagazo, conforman ei jugo mezclado. El jugo extraído
en el primer molino (o en la desmenuzadora, si es que existe una antes del tándem),
se llama jugo desmenuzado, mientras que el extraído del último molino es llamado jugo
residual. El jugo mezclado es colado y bombeado al área donde iniciará la eliminación
de impurezas.
CLARIFICACIÓN
El jugo mezclado inicia su tratamiento con una sulfatación, antes de la cual es recibido
en un tanque colector, para después pasar por las básculas automáticas, las cuales
trabajan alternadamente para descargar cada una 4 toneladas hacia el tanque
colchón. De ahí, el jugo (ahora cuantificado) baja a las torres de sulfitación, donde se
pone en contacto con anhídrido sulfuroso (S02). Esta operación, si es efectuada de
acuerdo a los parámetros establecidos, ayudará a una mejor decoloración del guarapo.
La formación de sustancias con carácter ácido provoca la disminución del pH, lo cual
es un buen indicador, tomándose como parámetro deseado un pH=4.2. Es
recomendable procurar que la mezcla del anhídrido y el guarapo sea lo más completa
posible. En Independencia, la sulfitación se lleva a cabo a la temperatura ambiente, es
decir, sin efectuar ningún calentamiento previo a la sulfitación.
El jugo sulfitado continúa en el área de clarificación con la alcalización, que es el
método más antiguo para clarificar el jugo de caña: La adición de cal tiene como
objetivo principal neutralizar los ácidos orgánicos contenidos en el jugo, lo cual elevará
el pH y evitará pérdidas de sacarosa por inversión. Continuando con su tratamiento, el
7
jugo se calienta y pasa a un tanque donde se flashea para llegar a los clarificadores,
donde con la ayuda de un agente floculante y el lento movimiento de brazos y cadenas
de arrastre, se separan las impurezas del jugo (lodos), que junto con parte del
bagacillo separado al filiarse el jugo conforman un desecho industrial llamado cachaza.
EVAPORACIÓN
Una vez terminado el tratamiento del jugo, es necesario concentrarlo para lograr una
cristalización efectiva. El área de evaporación cuenta con un preevaporador que utiliza
vapor de baja presión. El jugo preevaporado pasa a un evaporador de múltiple efecto
que posee cuatro cuerpos. Tanto el preevaporador, como el múltiple efecto son de tipo
calandria.
Una evaporación adecuada logrará que el jugo se concentre hasta llegar al porcentaje
de sólidos deseado, procurando que las pérdidas de sacarosa sean mínimas. El jugo
concentrado resultante de la evaporación es denominado comúnmente meladura.
CRISTALIZACIÓN
Una de las operaciones industriales de separación más comunes es la cristalización.
Basta tomar en cuenta que la cristalización proporciona sustancias puras. Sin
embargo, mediante el proceso descrito no es posible obtener azúcar puro, debido a
que cenizas y partículas de bagazo muy finas presentes en la meladura son
arrastradas en la formación de cristales, aunque no forman realmente parte de éstos.
En Independencia, la cristalización se efectúa en cristalizadores al vacío tipo calandria,
conocidos en la industria azucarera como tachos.
Puesto que la parte más lenta de la cristalización es la formación de los núcleos de los
cristales, el proceso se acelera con una labor de ensemillamiento, que consiste en
añadir a la meladura cristales minúsculos de sacarosa, los cuales crecen rápidamente.
Si la semilla está bien preparada (limpia y con granos de igual tamaño), la operación
8
del tacho se facilitará, resultando en cristales homogéneos. £n Independencia, al igual
que en muchos otros ingenios, la cristalización se efectúa de ésta manera. En otros
ingenios, cuando la pureza de la meladura es muy alta, se puede optar por cristalizar
sin semilla por medio de una sobresaturación.
En la primera etapa de cristalización (A), la meladura cristaliza con semilla preparada a
partir del azúcar cristalizado en la segunda etapa, para formar cristales en los que
llamaremos masa cocida de "A" (o templa "A"); que es una magma que contiene
azúcar "A" y la miel de "A". Después de separarse, la miel "A", con la semilla de azúcar
"C" son cargados en el tacho para obtener masa cocida de "B", formada por azúcar
"B" y miel "B". Para la tercera templa, la "C", se utiliza miel "B" y semilla preparada con
cristales muy pequeños y preferentemente altos en pureza. La dedicación con que se
prepare la semilla dará como resultado una cristalización más rápida y un mejor
agotamiento.
CENTRIFUGACIÓN
La templa es bajada a unos tanques receptores llamados portatemplas, de donde se
alimenta la masa cocida a las centrífugas, donde se separará el azúcar de la miel. El
azúcar que es retenida en la canasta de la centrífuga es lavada con agua rociada, la
cual consecuentemente se endulza y suele regresarse al tanque colchón. El azúcar
húmedo es transportado por un medio de un gusano helicoidal y un elevador de
cangilones hasta las tolvas del secador rotatorio.
SECADO, ENVASE Y MANEJO DE AZÚCAR
En Independencia se cuenta con un secador rotatorio de tipo multitubular, donde el
azúcar húmeda pasa a contracorriente con aire caliente, el cual evapora el agua
presente en la superficie del azúcar (que es higroscópica). El azúcar seca se recibe en
tolvas, y es transportada por medio de bandas transportadoras de hule y lona para
aumentar las básculas automáticas, que dosifican 50 Kg. de azúcar a los costales de
9
polipropileno tramado, que posteriormente son cosidos y enviados por banda a la
bodega de azúcar.
Para complementar la descripción, solo basta mencionar las fuentes de energía
propias del Ingenio.
CALDERAS Y PLANTA DE FUERZA
La fuente de energía preferida en los Ingenios son las calderas, en las cuales la
combustión de combustóleo, metano, etc., suele ser parcialmente sustituida por
bagazo. En una fábrica bien calculada se puede llegar a ser autosuficiente en el
suministro de combustible, siempre y cuando se tenga una molienda continua, de
manera que siempre haya bagazo y la operación de las calderas sea óptima. Los
estudiosos del caso, promedian una equivalencia de 5.5 Kg. de bagazo con 50% de
humedad a 1 litro de combustóleo; sin embargo, el rendimiento calórico del bagazo
aumenta considerablemente al disminuir su humedad.
En Independencia se cuenta con tres calderas de 150,000 libras de vapor por hora
cada una, su operación en momentos de moliendas estables, ha llegado a ser de 0
litros de combustóleo en días, lo cual ha representado en tales ocasiones ahorros
substanciales.
La presión de salida de las calderas es de 300 lbs/in2, y se destina en principio para el
movimiento de los equipos que se mueven con turbina; él vapor que realiza trabajo
pasa a tener una menor presión, pero es una excelente fuente de energía calorífica
para todo el equipo que requiere calentamiento, como los calentadores de guarapo,
evaporadores, tachos, etc..
Muchos equipos no reciben suministro de energía mecánico, sino eléctrico. Para ello,
en Independencia se cuenta con 3 turbogeneradores, de los cuales dos están en
operación con la fábrica en marcha y el otro funciona como relevo. En tiempo de Zafra,
la generación de energía eléctrica es la suficiente para las necesidades de operación
de los equipos, alumbrados, oficinas, etc..
10
II LA CAÑA EN LA INDUSTRIA AZUCARERA
2.1 ANTECEDENTES
La caña de azúcar, cuya especie más común tiene el nombre dentífico de Saccharum
Offícinarum, es una gramínea extensamente cultivada en países tropicales y
subtropicales. A partir de ella, principalmente se produce azúcar, junto con los
coproductos bagazo y miel incristalizable, con el subproducto comúnmente llamado
cachaza. También se puede utilizar para producir alcohol u otras sustancias resultantes
de fermentación, jugos concentrados, panela (llamado también piloncillo, en un proceso
parecido al del azúcar pero con menos etapas), alimentación animal etc.. La historia
muestra rasgos que señalan cultivos que datan de hace 3000 años; se considera que su
cultivo se introdujo a México en el siglo XVI.
En México, el cultivo de la caña se ha extendido a niveles históricamente altos en los
últimos años. La cosecha cañera se presenta en casi todas las entidades del País,
exceptuando Tlaxcala y el Distrito Federal (aunque solo en 15 estados para la producción
de azúcar). En la Zafra 94/95, la cosecha nadonal orientada a la producción de azúcar
fue de más de 510,000 hectáreas, para procesar más de 40'000,000 toneladas de caña,
resultando en 1995 una producción nacional récord de más de 4*250,000 toneladas de
azúcar, siendo Veracruz el estado con mayor producción, y los resultados de 1996 se
aseguran mayores.
Como cualquier industria antigua, la azucarera ha sufrido diversas modificaciones. Es
lógico suponer, que en sus principios el proceso era totalmente empírico tendiendo
después a ser heurístico, y ahora se moderniza de una manera dentífica.
Esta evolución ha sido posible por que la materia en cuestión, la caña de azúcar, ha sido
debidamente estudiada; lo cual ha impulsado el desarrollo de la industria del azúcar, tanto
i i
para mejorar los equipos existentes, como para la creación de equipos revolucionarios
que compiten con la tecnología tradicional perfeccionada.
La agronomía y la genética aplicada han sido tan firmes en su evolución, que han logrado
estudiar a profundidad la caña de azúcar, de tal manera que para cada región se logran
encontrar o producir variedades que son las ideales para la situación orográfica,
climatológica y operativa de cada región. Este aspecto, aunado a las condiciones propias
de cada lugar, han traído como consecuencia que las características de la caña varíen de
forma tan significativa, que en muchas ocasiones se encuentren algunas sustancias en
unas cañas y en otras no, que sus componentes tengan distintas concentraciones, que
unas tengan mayor resistencia mecánica que otras, que presenten distintas
enfermedades, distintos tamaños, etc.. Las diversas variedades muestran ciclos de
maduración distintos, que aunados al tiempo en que se hayan realizado siembras y
fertilizaciones, contribuyen a la variación de las características mencionadas.
Sin embargo existe información, que aunque no puede ser totalmente generalizada,
puede considerarse como representativa en lo que a análisis cualitativo y cuantitativo se
refiere. Los datos que se manejarán son generalizados, y son referidos a sustancias
presentes en cualquier caña, por lo que se pueden considerar confiables para ser
mencionados cuando sea necesario, siempre y cuando no se requiera información
especializada.
A continuación, se presentan algunas características de la caña, solo en cantidad
suficiente para apoyarse al adentrar en los temas posteriores.
2.2 COMPONENTES DE LA CAÑA DE AZÚCAR
En el proceso azucarero, lo único que interesa de la planta de caña es el tallo, que es a lo
que llamamos como tal caña. Sus constituyentes son fibra y jugo (comúnmente conocido
como guarapo).
La fibra de la caña está definida como la materia seca insoluble en agua; es decir, es la
parte leñosa de la caña conformada principalmente por celulosa y ceras, aunque también
12
incluye otras sustancias insolubles, como tierra, piedras, basuras y demás materia
extraña, que se encuentran presentes en la cuantificación de la caña.
El jugo de caña o guarapo está formado por agua y sólidos solubles, entre los cuales se
encuentran varios azúcares, algunas sales, proteínas, gomas y otros constituyentes de
menor importancia.
Cuantitativamente, excluyendo al agua, la sacarosa (en el jugo) y la celulosa (en la fibra)
son las dos sustancias más encontradas en la caña de azúcar. Otros azúcares presentes,
aunque en menor proporción y de importancia secundaria, son la glucosa y al fructosa.
La sacarosa es el azúcar de uso doméstico, se encuentra en todas partes de la planta de
caña, principalmente en el tallo y especialmente en la base, y aun más en las partes
blandas que en las duras.
Tabla 2.1 Componentes de la caña de azúcar y sólidos del guarapo (Chen, 1991).
Carla triturada
Agua
Sólidos
Sólidos solubles
Sólidos insolubles (fibra)
Componentes del guarapo
Azúcares
Sacarosa
Glucosa
Fructosa
Sales y ácidos inorgánicos
Ácidos orgánicos
Proteínas
Almidón
Gomas
Ceras y grasas
Otros
%Caña
73-76
24-27
10-16
11-16
% Sólidos solubles
75-92
70-88
2-4
2-4
3.0-4.5
1.5-5.5
0.5-0.6
0.001-0.050
0.30-0.60
0.05-0.15
3.0-5.0
13
Además de los azúcares mencionados, la caña también contiene almidón, que es un
polisacárido formado por moléculas de glucosa polímerizadas; dextranos, que son
productos de la infección microbiana de tas células dañadas; y gomas (polisacáridos
naturales solubles).
2.3 RIQUEZA DE LA CAÑA Y EL JUGO
La caña es más apreciada por su contenido de sacarosa. Por supuesto que es preferible
la caña fresca y limpia, pero aquella característica (la concentración de sacarosa) es la de
mayor relevancia y la que en muchos lugares determina su valor comercial.
La medida más utilizada para designar el contenido de azúcar presente en la caña es la
Pol % de caña. Es normal citar el contenido de Pol en la caña, en los jugos, en el bagazo,
etc., como una medida de su contenido de azúcares disueltos. El término Pol se refiere a
la capacidad de algunas soluciones de desviar el plano de luz polarizada. La escata de la
Pol está hecha en base al porcentaje de sacarosa en una solución de sacarosa pura; por
ejemplo, una solución de sacarosa al 25% en tiene una Pol de 25%, La desviación del
plano de luz no resulta numéricamente igual en un polarímetro normal (donde se miden
los grados de desviación), pero en la industria se cuenta con polarimetros graduados a
escalas de Pol llamados sacarímetros.
En el medio azucarero, la desviación de la luz polarizada es principalmente provocada por
la presencia de sacarosa. Por ello, muchas veces se utilizan el contenido de sacarosa
(Sacarosa %, o simplemente sacarosa) y la Pol indistintamente, aunque el término Pol se
refiera al contenido de todas aquellas sustancias que producen rotación del plano de luz
polarizada. Así, la Pol % es realmente una medida del promedio del poder rotatorio de
cada sustancia disuelta ponderado con la cantidad presente, y la cantidad de Pol
expresada en peso es la materia correspondiente a dicho porcentaje. El balance más
importante en la fabricación del azúcar se realiza en base a la Pol que entra en la caña y
se distribuye a azúcar y pérdidas.
Otra manera de estimar la riqueza de la caña y los jugos es en base a la cantidad de
sólidos disueltos en el guarapo. Normalmente, el porcentaje en masa de sólidos disueltos
14
en una solución se conoce como grados bríx (o simplemente brix). Al igual que la Pol, es
importante manejar el bríx, pues se necesita realizan balances de sólidos que ayudan a
controlar de mejor manera el proceso. La relación de la Sacarosa % y el bríx es igual a la
Pureza, que es la fracción de sólidos disueltos que son sacarosa, y es otro parámetro de
manejo común en el proceso.
2.4 ESTRUCTURA DE LA CAÑA
El estudio de la estructura de la caña y su resistencia ha sido básico para el aprendizaje y
la optimización de la extracción, pero además ha sentado las bases para desarrollar
procesos de extracción alternativos a la molienda, como la difusión y la extracción por
separación, en la cual son separadas la pulpa, la corteza y la cera. En México solo se ha
llevado a nivel experimental ésta separación, y sin obtener resultados muy halagadores.
Existen procesos, como el Tilby, que prometen un mejor aprovechamiento de la caña en
base a su separación por partes, pero que aun no son tan conocidos en el medio.
Fig. 2.1 Tallo de caña y sus partes.
La caña fresca presenta una capa exterior muy delgada, llamada epidermis. Bajo ésta
área se encuentra una capa gruesa y muy fibrosa (lo que la hace muy dura), que es por
todos conocida como corteza o cascara. Más adentro, se encuentra la médula, que
contiene fibra interna y celdillas, donde se localiza en mayor proporción la sacarosa. Al
prepararse la caña para su molienda muchas celdillas se rompen, facilitándose asi la
extracción del guarapo.
15
Tabla 2.2 Composición de las partes de la caña
Capa
Epidermis
Corteza
Médula
Fibra %
33.2
33.0
12.8
Humedad %
55.6
59.0
72.1
Azúcares %
8.7
8.0
15.1
Ceras %
2.5
—
—
La caña entera es muy resistente a la presión; usuaimente, se compara con un cilindro
reforzado por paredes transversales divisorias (nudos). Así, la caña presenta un
resistencia análoga a la del bambú, solo que con los entrenudos rellenos de pulpa, la cual
puede ceder su jugo más fácilmente cuando se abren y rompen las estructuras duras.
Esto se logra preparando la caña antes de molerla, de lo contrario, la molienda no sería
eficiente por no aplicarse la compresión en donde se encuentra el jugo.
La composición del jugo que se extrae de una misma caña puede cambiar gradualmente
al recibir más compresiones o cuando se modifica la presión a la que se somete. El Ing.
Rafael Pedroza (Cuba, 1975), distinguió tres clases de jugos: El de las paredes de las
células, ei del protoplasma y el de la corteza, que es de materia fibrovascular (en orden de
contenido de sacarosa descendente), señalando que el segundo contiene más materia
en suspensión.
Cuando la caña es presionada suavemente, las paredes de las células se abren y fluye
jugo puro. A presiones mayores, se mezcla con el jugo del protoplasma y los elementos
blandos de la fibra se desprenden, por lo que se obtienen colores obscuros en la última
parte de la extracción. La experiencia y el análisis, han demostrado que la pureza del jugo
extraído es siempre mayor en los primeros molinos, pues como se ha mencionado, el
jugo más rico es el que sale más fácil en la compresión. Además, el jugo que se
encuentra en los entrenudos, que por tratarse de una zona más blanda es más fácil de
extraer, es de mayor contenido de sacarosa que el extraído en las zonas de nudos.
16
III AZUCARES IMPORTANTES EN EL PROCESO
Para comprender las razones de las pérdidas de sacarosa en el proceso, es conveniente
conocer sus propiedades químicas y así comprender conocer algunos fenómenos que se
presentan en el proceso. El estudio de algunas propiedades físicas también es muy útil,
incluso como criterio de comparación entre algunas condiciones de operación y otras.
Aunque el objetivo principal de la fabricación de azúcar es con miras a producir más y
mejores cristales de sacarosa, los otros azúcares son dignos de interés, pues su
presencia será un valor agregado en tas mieles incristalizables, además que sus
respectivas reacciones de descomposición traen consigo problemas en el proceso.
Resulta por lo tanto interesante el tener como meta principal el conocimiento de la
sacarosa, pero también de los otros azúcares contenidos en la caña, que principalmente
son glucosa y fructosa.
3.1 GENERALIDADES DE LOS AZUCARES
Los azúcares son compuestos esenciales para la vida animal. Se les encuentra en frutas,
legumbres, néctar, miel, sangre, leche y otros productos naturales.
Los azúcares son compuestos de función mixta: Son a la vez alcoholes y aldehidos
(aldosas), o bien alcoholes y cetonas (cetosas). Pertenecen al grupo de los carbohidratos,
por lo que, por definición, están compuestos de los elementos carbono, hidrógeno y
oxigeno. El hidrógeno y el oxígeno se encuentran generalmente en la misma proporción
que en el agua, la mayoría poseen la fórmula empírica CnH2nOni escrita también C(H20)n.
Por las características moleculares mencionadas, se puede considerar muy aventurado el
tratar de dar un número que nos señale cuantos azúcares existen. Lo que puede
considerarse seguro, es que la sacarosa y sus constituyentes, glucosa y fructosa, son los
M
tres sacáridos más abundantes, y que se localizan juntos en la mayoría de las plantas,
aunque en distintas proporciones. La sacarosa, por ejemplo, se encuentra principalmente
en la caña de azúcar y en la remolacha (plantas de las que se extrae sacarosa
industrialmente), y en menor proporción (aunque en mayor cantidad que en otras
plantas), en el sorgo dulce, la palma azucarera y el arce azucarero.
Algunos azúcares pueden estar formados por moléculas de otros azúcares enlazadas,
que pueden ser separadas por hidrólisis. Aquellos que no se pueden hidrolizar a
moléculas más pequeñas de carbohidratos por medio de ácidos o enzimas reciben el
nombre de monosacaridos. En un monosacárido, un átomo de carbono está unido a un
grupo aldehídico o cetónico y tos demás átomos están enlazados a grupos hidroxilo. La
mayoría de los monosacaridos contienen cinco átomos de carbono (pentosas) o seis
(hexosas).
De acuerdo a esto, los monosacaridos son molecularmente muy similares entre sí,
aunque la quiralidad de sus átomos de carbono y la localizacion del grupo carbonilo los
hace de posible diferenciación.
Entre las pentosas más comunes se encuentra la arabinosa, localizada en la goma de la
caña. Sin duda, los monosacaridos de seis carbonos (hexosas) más comunes son la
glucosa (dextrosa) y (a fructosa (levulosa). Los monosacaridos pueden unirse entre sí
para polímerizarse. Los dímeros son llamados disacáridos, entre ellos se encuentran la
sacarosa, la maltosa y la lactosa. Al hidrolizarse, los disacáridos producen dos
monosacaridos Tanto los monosacaridos, como los disacáridos, son generalmente
solubles en agua y de sabor dulce.
La diferenciación de los carbohidratos, por su grado de polimerización, suele variar entre
el criterio de un autor y otro. Generalmente, los carbohidratos compuestos de 3 hasta 8
unidades de monosacaridos son llamados ofigosacáridos (del griego ofigo, "pocos"). Si el
carbohidrato está formado por más de ocho unidades de monosacaridos, se designa con
el nombre de polisacárido. Ejemplos de éstos carbohidratos son el almidón y la celulosa.
18
La formación de los carbohidratos en las plantas se lleva a cabo por medio de un proceso
fotosintético de asimilación, en la que intervienen dióxido de carbono (C02) y agua (H20).
Por ejemplo, para una hexosa:
6C02 +6 ^0+675 Kcal >CeHt2Oe +602
La reacción se cataliza con la clorofila. Esta formación ocurre en las partes verdes de las
plantas. La síntesis química de la D-glucosa y la D-fructosa es posible, por ejemplo por
medio de la polimerización de los aldehidos u oxicetonas, o bien, mediante la oxidación
de los polialcoholes. Sin embargo, su condensación (que da lugar a la sacarosa), solo
puede tener lugar por medios bioquímicos.
Una de las reacciones más importantes de los monosacárídos es la formación de
glucósidos, pues es debido a ésta reacción reversible que los azúcares pueden ser
almacenados en el cuerpo humano, hasta el momento que sea necesario su
aprovechamiento. Además de los glucósidos, otras reacciones con sustancias orgánicas
importantes son la formación de acetatos, benzoatos, derivados de la acetona,
carbonatas, compuestos nitrogenados y mercaptanos.
3.2 SACAROSA
La sacarosa es el azúcar de uso más generalizado en el mundo, su presentación
cristalina es lo que llamamos comúnmente azúcar. Es el sacarido más común en el reino
vegetal, y su molécula es disacárida. La reacción que la produce es la condensación de
glucosa y fructosa, y solo se lleva a cabo por medios naturales. Su fórmula condensada
eS Ci2rl220i2-
Fig. 3.1 Molécula de Sacarosa.
19
De acuerdo a un cálculo sencillo, la sacarosa tiene un peso molecular de 342.3. Los
cristales de sacarosa son prismas monoclínicos, con densidad de 1.588. La sacarosa es
ópticamente activa con la rotación específica [a]jf + 66.53. Su punto de fusión es de
188°C y se descompone al fundirse. Es altamente soluble en agua (203.9 gr. en 100 gr.
de agua, a 20°C), y ligeramente higroscópica. En la caña y ta remolacha, ta concentración
más alta de sacarosa se encuentra en la savia.
3.3 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA SACAROSA
3.3.1 Inversión.
La reacción más común de la sacarosa es la hidrólisis (reacción con el agua), en la cual
se producen glucosa y fructuosa.
Sacarosa + H20 —H*,Enz" > Glucosa+Fructosa
A ésta reacción se le conoce como inversión. Este término se ha utilizado para describir el
cambio en (a rotación de la luz polarizada como resultado de la hidrólisis de una solución
de sacarosa, que con un elevado carácter dextrógiro pasa (al invertirse) a tener rotación
levógira.
Dicha reacción puede llevarse a cabo en medio ácido o por la acción de la enzima
invertasa. La mezcla de los productos de la hidrólisis de la sacarosa reciben el nombre de
azúcar invertido. Su nombre procede de la inversión del signo de rotación específica, que
se observa al hidrolizar la sacarosa, pues la rotación de la sacarosa que era positiva
([a]™ +66.53), pasa a ser negativa {[a]f -39.7), debido a que la capacidad levógira de
la fructosa es mayor que la dextrógira de la glucosa.
La inversión ádda se presenta desde que la caña es cortada, pues el jugo tiene carácter
ácido, pero puede ser controlada después de la extracción. Su intensidad depende de la
temperatura y el pH. Un parámetro generalizado es que la inversión reduce la
concentración de sacarosa a razón de 2% por hora a 120°C y pH=5.8. La inversión
20
enzimática se presenta en la caña cosechada, por acción catalítica de la invertasa, su
efecto puede inhibirse en presencia de metasilicato de sodio; la clarificación da fin a la
inversión enzimática, pues de destruye la enzima que la provoca.
En la fabricación de azúcar, el guarapo (al ser tratado) pasa por una etapa de alcalización
realizada con la adición de una solución de cal (CaO). La dosificación de la cantidad
correcta de cal es la base de una buena clarificación, pero además, ésta práctica reduce
la inversión cuando el pH obtenido es aproximadamente 7 o un poco mayor.
4'40 0.5 1.0 1.5 2.0
PORCIENTO DE SACAROSA INVERTIDA
Fig. 3.2 Inversión acida de sacarosa en una hora.
En soluciones diluidas, la velocidad de la reacción de inversión es directamente
proporcional al producto de la concentración de sacarosa y la actividad del ion H+; como la
actividad del H es 10"9", una reducción del pH en una unidad aumenta diez veces la
velocidad de reacción. El coeficiente de temperatura de la reacción por el cual la
velocidad se incrementa al aumentar la temperatura 10°C es aproximadamente 2.8. Si la
velocidad de la inversión no es muy baja, la cinética se considera de primer orden con
respecto a la concentración de sacarosa.
3.3.2 Descomposición alcalina
Cuando una solución de sacarosa se encuentra en un medio básico, el soluto en cuestión
puede descomponerse en varios compuestos; principalmente se forma ácido láctico. En
condiciones normales, en el proceso de cristalización se forman aproximadamente
62643
21
3 gramo-equivalentes de ácidos por mol de sacarosa descompuesta. Debido a la
formación de ácidos, la descomposición alcalina disminuye, aunque más allá det punto
neutro comienzan las pérdidas de sacarosa causadas por la inversión. Generalmente, se
considera que la descomposición mínima de sacarosa se da aproximadamente a un pH
de 9.
La descomposición de la sacarosa se acompaña con la formación de mezclas indefinidas
de sustancias en pequeñas cantidades, que le dan a la solución un color café muy
intenso, al parecer sin relación con la formación de ácidos.
3.3.3 Descomposición térmica de la sacarosa seca
A temperaturas poco menores al punto de fusión de la sacarosa, su descomposición es
lenta, pero cuando la sacarosa fundida se calienta sufre una descomposición rápida.
El azúcar refinado, calentado por cierto tiempo a la temperatura de fusión, se
descompone en p-glucosa y D-fructosa (azúcar invertido). A temperaturas muy altas se
presenta la formación de sustancias coloreadas; a 200°C aproximadamente, se forma
una masa de color café obscuro, que es una mezcla de diversas sustancias de ese color,
solubles en agua, no tan dulces e incapaces de ser fermentadas. Estas mezclas son
llamadas caramelo. Es probable que entre los componentes del caramelo se encuentren
carbohidratos pobres en agua, pues al formarse el caramelo se pierde agua, y de seguir
el calentamiento, se obtiene casi exclusivamente carbón puro (carbón de azúcar).
En el proceso de fabricación es dificil de encontrar descomposición de sacarosa de ésta
forma, pues en donde es localizable el azúcar seca en el proceso, es únicamente en el
área de secado y manejo de azúcar, donde la temperatura de operación nunca es mayor
a100°C.
3.3.4 Descomposición con ácidos minerales fuertes
Los ácidos minerales concentrados y fuertes, principalmente el ácido sulfúrico, el fosfórico
y el clorhídrico, reaccionan con la sacarosa deshidratándola. Al inicio, se forman algunos
ácidos y al final carbón de azúcar y sustancias volátiles, como ácido fórmico y bióxido de
22
carbono, que desarrollan productos de la reacción del ácido que se aplicó, como el
bióxido de azufre.
3.3.5 Oxidación
La reacción de oxidación de la sacarosa más importante, es en la que se obtiene ácido
oxálico. Al realizarse con ácido nítrico, en presencia de vanadato de amonio, se produce
dicho ácido con 70% del rendimiento teórico. La oxidación de la sacarosa al aire en medio
alcalino, con plata o ciertos compuestos de cobre como catalizadores, resulta en 62% de
formación de ácido oxálico.
La oxidación catalizada con cobre para producir ácido oxálico, toma relevancia en la
operación de los equipos con superficies de calentamiento de cobre (calentadores,
evaporadores, etc.), pues se presentan incrustaciones de oxalato de calcio,
principalmente en los cuerpos de los evaporadores, lo cual requiere de su limpieza con
vapor, usualmente realizada cada semana.
Con una solución neutra o acida de permanganato de potasio, pueden obtenerse bióxido
de carbono, y ácidos fórmico, acético y oxálico; en solución alcalina, los productos son
bióxido de carbono y ácido oxálico.
La combustión de la sacarosa puede ser completa, obteniéndose los productos normales,
bióxido de carbono y vapor de agua. Existen otras reacciones de oxidación de la
sacarosa, pero que son irrelevantes en el proceso de fabricación.
3.3.6 Reducción
La reducción de la sacarosa puede efectuarse con hidrógeno, en presencia de
catalizadores metálicos. Principalmente se producen poíialcoholes, alcohol isopropílico,
metanol y derivados del tetrahidrofurano.
23
3.3.7 Reacciones bioquímicas
Por medio de reacciones bioquímicas, se pueden formar algunos polisacáridos a partir de
la sacarosa. La reacción más importante al respecto es la producción de dextrana (o
dextrano), mediante la acción de algunas bacterias, como Leuconostoc menesteroides,
Leuconostoc dextranicum, Betacoccus arabinosacevs y otras, siendo la Leuconostoc
menesteroides la más común: Usualmente, a las bacterias presentes en el jugo que
producen dextrana se les llama tibico.
La dextrana es importante en la ciencia médica, desde que en Suecia, en 1940, se
empezó a aplicar para aumentar el volumen del plasma sanguíneo. Su uso, iniciado en
tiempos de la Segunda Guerra Mundial, requirió la producción de grandes cantidades de
éste polisacárído, de manera que se lograra atender la gran demanda.
Contrario a lo anterior, en fa fabricación del azúcar, la presencia de bacterias del género
Leuconostoc en la caña es contraproducente, pues digiere parte de la sacarosa que
debía formar parte de la producción. Se considera que la bacteria entra a los tejidos de la
caña de azúcar cuando ésta desarrolla grietas durante su crecimiento. Al quemarse en
exceso la caña (antes del corte), se elimina la capa de cera protectora, provocando fugas
del jugo que llegan a donde se localizan las bacterias, lo cual favorece su desarrollo.
Los intentos por evitar et ataque del Leuconostoc después del corte de la caña no han
sido positivos (es mejor aceptado sugerir evitar la quema y los prolongados lapsos del
corte a la molienda), por lo que se hace evidente la presencia de algunas bacterias en el
proceso, principalmente en la tanquería del jugo en los molinos: Por ello, se recomienda
ampliamente la dosificación de algún agente bactericida, que periódicamente se vaya
sustituyendo, pues la experiencia de los azucareros señala que el Leuconostoc se adapta
a la presencia del bactericida. Uno de los agentes más usados como bactericida durante
muchos años es el bióxido de cloro, que ha sido desplazado por sustancias más
efectivas, pero de mayor costo.
24
3.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LA SACAROSA Y SUS SOLUCIONES
3.4.1 Solubilidad
Esta propiedad de la sacarosa es una de las más importantes dentro y fuera del proceso
de fabricación de azúcar. La sacarosa es muy soluble en agua, su solubilidad aumenta
con la temperatura.
La solubilidad de la sacarosa pura fue profundamente estudiada por Herzfeld (1892) y
Charles (1958), siendo éste último el más recomendado por investigadores posteriores.
De acuerdo a Charles, la solubilidad de la sacarosa pura en agua se correlaciona con ta
temperatura mediante la siguiente ecuación:
S = 64.397 + 0.07251 T + 0.0020569 T2 - 9.035 x 10"6 T3
donde:
S = % de sacarosa en peso en solución saturada
T= Temperatura en °C
Aunque es muy importante conocer la solubilidad de la sacarosa en agua, es mucho más
importante conocer su solubilidad en soluciones impuras, pues es el caso más general en
la fábrica.
La solubilidad de la sacarosa en soluciones impuras depende, además de la temperatura,
de la clase y la cantidad de impurezas presentes, las cuales varían por los mismos
aspectos que determinan los componentes de tos jugos en la fábrica. La literatura al
respecto hace referencia al coeficiente de solubilidad (C$), que es el cociente del número
de solubilidad de la solución impura entre el de la solución pura a la misma temperatura.
- q Sacarosa/100 partes de agua saturada, Pza % = P, Temp = T ~ Sacarosa/100 partes de agua saturada, Pza % = 100, Temp = T
25
La concentración de los sólidos aumenta con la temperatura, para dar curvas
codireccionales con la de pureza igual a 100%, por lo que con escasa información de una
mezcla y el apoyo de la ecuación de Charles, se pueden predecir las solubilidades a
varias purezas y temperaturas.
Conociendo la composición aproximada de la solución, principalmente las cantidades de
invertidos y cenizas, puede obtenerse una mejor aproximación de la solubilidad a distintas
purezas. A temperaturas altas, el coeficiente de solubilidad aumenta y la solubilidad de la
sacarosa también. Aunque la diversidad de solutos es muy alta, se puede concluir que e)
efecto de los solutos inorgánicos es generalmente aumentar la solubilidad de la sacarosa;
aunque Kelly (1959), demostró que las sales que forman hidratos tienen un marcado
efecto precipitador
3.4.2 Viscosidad
La viscosidad de las soluciones de sacarosa aumenta exponencialmente con la
concentración y disminuye a medida que aumenta la temperatura.
La presencia de impurezas en tas soluciones de sacarosa puede ser causa de variación
de la viscosidad, tanto para que ésta aumente como para que disminuya, aunque por lo
general disminuye. Estas diferencias, analizadas a temperaturas normales, no resultan
muy apreciables.
La viscosidad de dichas soluciones se encuentra en función, principalmente, de la
cantidad de sólidos totales presentes en la solución y de la temperatura, y en menos
importancia, en función de la cantidad de impurezas, aunque es notable que con un pH
mayor a 11 se aprecia un elevado aumento de la viscosidad.
3.4.3 Difusividad
La difusividad (D) de las soluciones de sacarosa diluidas fue determinado por Gosting y
Morris, quienes aportaron las siguientes fórmulas:
D = 24235(l-0.01671-c)x10-6cm2/seg a 15°C
26
D = 5.2260(l-0.01480c)x10-6cm2/seg a25°C
Estas ecuaciones son aplicables, siempre y cuando la concentración de la sacarosa (c)
sea menor a 6 gr/100 ml de solución; aunque éste valor es bajo con respecto a las
concentraciones usuales en el proceso, es importante observar el aumento de la
difusividad con respecto a la temperatura.
En la generalidad de los casos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura; lo
mismo sucede con las soluciones de sacarosa, lo cual trae como consecuencia un
aumento importante de difusividad al aumentar la temperatura.
3.4.4 Densidad
La densidad de las soluciones de sacarosa impura tiene un efecto muy importante en el
laboratorio, pues es con ésta propiedad que se estima la proporción de sólidos disueltos
en una solución. Lo más normal en un laboratorio azucarero es utilizar un brixómetro, que
es un aerómerto especialmente graduado para la medición del porcentaje (en peso) de
sólidos disueltos en una solución (grados bríx).
Además de depender de los sólidos disueltos, la densidad es función de la temperatura,
mostrando disminución al aumentar la temperatura, por lo que el volumen de una solución
de sacarosa pura aumenta siempre con la temperatura. Arriba de 20°C se distingue
claramente el aumento de volumen con la concentración, pero a medida que la
temperatura es mayor, el volumen aumenta hasta cierta concentración en que empieza a
bajar. Por ejemplo, a 90°C la solución aumenta de volumen al incrementar la
concentración hasta aproximadamente 20% en peso de sacarosa, y a concentraciones
mayores el volumen disminuye; inclusive, a concentraciones de 40% en adelante la
densidad de las soluciones son mayores que las del agua a esa temperatura.
3.5 AZUCARES REDUCTORES
En química inorgánica, se define la oxidación como la pérdida de electrones de un átomo,
y la reducción es la ganancia de electrones por un átomo. En una reacción de óxido-
27
reducción, las sustancias consideradas como reductoras son aquellas que sufren una
oxidación, pues ésta provoca la reducción de otra. En química orgánica, si al reaccionar
una molécula gana oxígeno o libera hidrógeno, se ha oxidado; mientras que si la molécula
gana hidrógeno o pierde oxígeno, sufre una reducción.
Los aldehidos (R-CHO) son compuestos orgánicos de muy sencilla oxidación; para tal
efecto, se suelen emplear sales de permanganato y dicromato, aunque existen otras
alternativas con agentes oxidantes suaves, como los iones Ag+ o Cu*2. La identificación
más fácil de la presencia de un aldehido radica en aquella que la sustancia en cuestión es
tratada con reactivo de Tollens (solución alcalina de un complejo plata-amoníaco), que es
un agente oxidante suave.
El grupo carbonilo del aldehido se oxida para dar un anión carboxilato que se estabiliza
por resonancia, y la plata del reactivo se reduce a plata metálica. Por lo tanto, si la prueba
es positiva se observará un espejo de plata en el fondo del recipiente que contenga la
muestra. La identificación también puede realizarse en moléculas que contengan el grupo
a-hidroxicetona.
RCHO + Ag(NH3);—2t!_^RCOO- +Agi
En algunos azúcares sucede algo similar, debido a la presencia de los grupos funcionales
mencionados. Aquellos azúcares que contienen un grupo aldehido ó a-hidroxicetona,
reciben el nombre de azúcares reductores. Esto se debe a la susceptibilidad que
presentan a ser oxidados por agentes oxidantes suaves, como el reactivo de Tollens o
iones metálicos, como los de cobre contenidos en la solución de Fehling. Por ejemplo, la
fructosa es un azúcar reductor y su efecto reductor puede ilustrarse así:
CH2OH CO¿
C = 0 CHOH
0 H + Ag(NH3)J - 2 S - > X n n + A g i HO
OH - O H - O H
CHjOH CH2OH
28
Todos los monosacaridos pertenecen al grupo de azúcares reductores, así como algunos
polisacáridos que poseen al grupo carbonilo. Existen azúcares que no se consideran
como reductores, aunque pueden ser oxidados por un agente oxidante fuerte (como
sucede con la sacarosa, que no es un azúcar reductor).
En el proceso, la presencia de azúcares reductores se debe en una parte a la
composición de la caña, y la porción restante a la descomposición de sacarosa (y otros
azúcares), lo cual hace más importante su determinación.
3.6 GLUCOSA Y FRUCTOSA
Sin duda, éstos son los dos monosacaridos más importantes. Esto se debe
principalmente a su extensa distribución en la naturaleza, su dulzura, su aprovechamiento
en la alimentación y otros usos; pero en nuestro estudio, sé consideran muy importantes
por ser los componentes del disacárido más importante: La sacarosa.
CHO CHpH
OH C=0 HO-L HO
OH OH OH — O H
CH2OH CH2OH
Fig. 3.3 Moléculas de D-glucosa (izquierda) y D-fnjctosa (derecha).
Al ingerir azúcares, los mamíferos convierten la sacarosa, la lactosa, la maltosa y el
almidón en monosacaridos, incluyendo la glucosa, la cual pasa al torrente sanguíneo con
el objetivo de convertirse posteriormente en energía (aunque puede reaccionar para
formar glucógenos, esteroides, etc.). Algunas de las reacciones de la glucosa y la fructosa
son las reacciones con fosfatos y boratos, así como la formación de sales de cloruro de
sodio monohidratado conjugado con dextrosa [(CeH^Oe^NaCI^O], levulato de calcio
[C6H1206-CaO], y la formación de otros compuestos cristalinos producto de interacción
intermolecular de dichas hexosas y sales inorgánicas.
29
La solubilidad de la glucosa aumenta con la temperatura. La fructosa es más soluble que
la glucosa, por lo que la cristalización de ésta es más fácil, y es el parámetro que limita la
solubilidad del azúcar invertido.
Aunque en los Ingenios azucareros se fabrica sacarosa cristalizada, es conveniente que
la mayor cantidad posible de glucosa y fructosa que llegan con ta caña o que se lleguen a
producir al invertirse el azúcar, formen parte de la miel final (miel in cristaliza ble), pues de
ésta manera, éste coproducto será más atractivo para un aprovechamiento posterior.
Para lograr ésto, es necesario tener ciertas precauciones para evitar la pérdida de
glucosa y fructosa, siempre y cuando no se limite el control sobre las condiciones ideales
de la producción de sacarosa, que es el objetivo principal del control de los parámetros
productivos.
Al igual que con la sacarosa, las reacciones más importantes de la glucosa y la fructosa
son las de descomposición; la cual, en solución acuosa está íntimamente relacionada con
el pH y la temperatura. Para ambas hexosas, la mayor estabilidad se estima en un pH de
3, aunque la descomposición de la glucosa es casi nula con pH de 3 a 5, y de 3 a 4 para
la fructosa. Por la acción de un medio básico se descompone más rápidamente la
glucosa. En la producción de azúcar, no es posible tener el guarapo a pH tan ácidos
como para evitar al máximo que se descompongan las hexpsas, pues se presentaría una
descomposición elevada de sacarosa, pero del lado alcalino, es una buena práctica a
conservación del guarapo a un pH poco arriba de 7 (preferentemente a 7.2), con el que
los azúcares reductores no sufren una descomposición pronunciada (como sucedería con
soluciones muy alcalinas), además de evitar la formación de sales solubles indeseables
en la clarificación.
Además de la obtención de una miel final mejor, ta atención sobre los azúcares
reductores trae consigo otro beneficio. Su descomposición produce sustancias que
desarrollan color el los guarapos y a la larga en el azúcar, pues se trata de sustancias que
son de difícil separación, cuya presencia pronunciada se logra evitar al controlar
adecuadamente el pH de los guarapos.
30
IV RENDIMIENTO Y PERDIDAS DE SACAROSA
En toda empresa dedicada a la producción, se busca llevar a cabo todas las operaciones
correctamente, de manera que el producto cumpla con las normas de calidad
demandadas por el cliente, aunque la labor de una empresa no termina ahí. La
producción se encuentra sujeta a seguir normas que la harán cumplir con requisitos que
no necesariamente se encuentran en los deseos del cliente, como considerar el aspecto
moral, el de seguridad, el económico, etc.
De ésta manera (aunque sujeta a una apreciación personal), se deben delimitar objetivos
en la producción. Sin embargo, todas las empresas deben fijarse como uno de sus
objetivos primordiales producir cada vez más, aprovechando de la mejor manera la
materia prima.
El caso de la industria azucarera en México no es la excepción. A lo largo de proceso, se
deben monitorear y rectificar las condiciones de operación, de manera que se aproveche
mejor la sacarosa de la caña. Al tratarse de una industria tan antigua, han existido
muchos intentos de mejora al proceso; como en todo, algunos correctos y otros no, pero
lo más preocupante es que muchos de éstos intentos no han sido llevados a la realidad
por falta de conocimiento por parte de quien debe tomar la decisión definitiva.
Se sabe que al procesar con un mínimo de pérdidas de sacarosa, se obtendrá un máximo
de producción de azúcar, pero hay algo más. Las pérdidas por descomposición de la
sacarosa, no solo son pérdidas como tal, sino que se convierten en problemas operativos
dentro de la fábrica, de los cuales se mencionarán algunos en su momento.
31
4.1 EL RENDIMIENTO Y SU RELACIÓN CON LAS PERDIDAS
La forma más fácil y más usada en todo el mundo de conocer el desempeño en un
Ingenio es el uso de la relación porcentual de la cantidad de azúcar producida entre la
cantidad de caña molida en la producción. El resultado del cociente recibe el nombre de
Rendimiento %. Este término es muy usado en la industria azucarera, aunque no
considera algunas condiciones, que lo hacen hasta cierto punto inconsistente para
comparar el desempeño de unos Ingenios con otros; el principal, es que la cantidad de
azúcar usada en et cálculo es independiente de la calidad del azúcar. El incremento en la
producción de azúcar se refleja directamente en el aumento en el Rendimiento (concepto
de fácil asimilación). Por ésta razón, y por tratarse de un cálculo independiente del
tamaño de la fábrica es que se usa tan comúnmente. El valor considerado como estándar
mínimo es 8.00%, es decir, que por cada 100 toneladas de caña procesadas se espera
producir 8 toneladas de azúcar.
En el Informe Oficial de Corrida, el cual es realizado por todos y cada uno de los Ingenios
del País, se reporta el valor correspondiente al Rendimiento, en el renglón No. 30 y con el
rótulo Azúcar producido y estimado % caña. El estimado se refiere al azúcar que aun se
encuentra en proceso y que se piensa formara parte del azúcar producido, de forma que
el cálculo sea consistente (sobre la misma base).
Es común apreciar que los industriales del azúcar muestran preocupación por aumentar
el rendimiento. Por lo que respecta a la fábrica, la ruta para elevar dicho parámetro es
disminuir las pérdidas de sacarosa en el proceso, gracias a lo cual, existirá más azúcar
como producto final y el rendimiento aumentará; sin embargo, para lograr una producción
mayor de azúcar es también necesario procesar caña más rica en sacarosa, lo cual se
logra con un trabajo dedicado en el Campo.
4.2 LABOR EN EL CAMPO
Es esencial para todo Ingenio, contar con un Departamento de Campo responsable, que
procure hacer llegar la caña a la fábrica de acuerdo a la cantidad que se programe, limpia
32
y con la mayor concentración de sacarosa posible. Para este efecto, es necesaria la
adecuada coordinación entre el Departamento de Campo y los productores de caña, que
se reflejará en un trabajo constante de cultivo de caña, seguida de una correcta cosecha
y su rápido transporte a la fábrica. Es también deseable que el ritmo de entrada de la
caña sea el adecuado, tanto para evitar discontinuidad en la molienda, como para evitar
el deterioro de la caña en el batey, para lo cual se hace necesaria una programación firme
de la Zafra, así como ia constante comunicación entre Fábrica y Campo.
Es asi, que el Departamento de Campo tiene la enorme encargo de abastecer a su
cliente interno, la fábrica, con caña de calidad; para ello, es también necesario que el
productor de caña sea consciente y asuma su papel y responsabilidad como proveedor
que es, pues a medida que la caña sea mejor, el rendimiento aumentará, lo cual irá en
beneficio del Ingenio pero también del productor. Existen algunas acciones que
contribuirían a que la caña que llega al Ingenio fuera mejor, tales como la oportuna
fertilización, el riego, el estudio de las variedades de caña propicias para la región (y su
período de maduración), la educación de los productores para que eviten hasta donde
sea posible ia abundante presencia de tierra con la caña, y otras labores que son
especificas del mencionado Departamento y se encuentran fuera de los objetivos del
presente trabajo.
4.3 PERDIDAS DE SACAROSA DENTRO Y FUERA DEL PROCESO
Puesto que la materia prima en el Ingenio Independencia es la caña de azúcar, la
cantidad de azúcar a producir depende directamente de la cantidad a procesar y de la
concentración de sacarosa que contenga la caña. Los convenios comunes realizados
entre los Ingenios y los productores de caña establecen la utilidad para el productor
cañero en base a la producción de azúcar, y a la cantidad de caña cosechada sin
importar su calidad, lo cual no es óptimo, pues el productor de caña pierde el interés por
colaborar entregando la caña en las mejores condiciones. Sería deseable concientizar al
productor para que vea el mejoramiento de la caña, no como una imposición sino como
un beneficio, tanto para el como para la Empresa.
33
La sacarosa entra al Ingenio disuelta en el jugo contenido en la caña. Es misión de la
fábrica et obtener la mayor cantidad posible de azúcar, para lo cual, seria ideal que toda la
sacarosa que entra en la materia prima saliera como azúcar, puesto que cada gramo de
sacarosa que aumenta en las pérdidas es un gramo menos de sacarosa en la
producción. Sin embargo, dadas las características del proceso, la idealización de no
tener pérdidas es prácticamente imposible, ya sea por que la sacarosa que no pasa a ser
azúcar se presente en alguno de los subproductos o se pierda de otra manera. Este
problema tiene solución (aunque nunca completamente), en el conocimiento de las
causas de las pérdidas y el debido ajuste operacional de la fábrica.
Las pérdidas de sacarosa que ocurren desde el momento en que ta caña es cortada
hasta su descarga en el batey (debidas al deterioro de la caña), no forman parte del
control de la fábrica, por lo que podría considerarse que la preocupación por disminuir las
pérdidas debe ser también tarea del departamento de Campo; sin embargo, el persona!
de Campo contribuye con procurar el abasto constante de caña fresca. Las pérdidas en el
Ingenio se cuantifican desde el momento en que el vehículo que transporta la caña
abandona la báscula, siendo desde ahí labor directa de la fábrica el evitar las pérdidas.
4.4 CLASIFICACIÓN DE LAS PERDIDAS DE SACAROSA EN LA FABRICA
En general, en cualquier proceso azucarero, las pérdidas se dividen en determinadas e
indeterminadas. Se consideran pérdidas determinadas aquellas que se presentan en
alguno de los subproductos; las pérdidas indeterminadas son las que no se pueden
cuantificar de manera particular (una por una), por no localizarse en un subproducto (lo
cual las hace prácticamente imposibles de medir en su totalidad). Por ello, aunque
mayoría de las causas de las pérdidas indeterminadas son conocidas, su porción se
calcula por diferencia entre la sacarosa presente en la caña y las pérdidas determinadas.
En el Informe Oficial de Corrida, las pérdidas se puntualizan en el Balance de Pol, junto
con la información de la Pol en Azúcar producido y estimado y la Pol en Caña. Para ta
elaboración de los cálculos oficiales se usa indistintamente el contenido de sacarosa con
el contenido de Pol, siendo los datos más utilizados para su análisis los referidos a la
caña.
34
4.5 PERDIDAS DETERMINADAS
Spencer señaló, desde el siglo pasado, a las pérdidas en bagazo y en la torta de filtro
(cachaza) como determinadas, sin tomar en cuenta tas pérdidas en miel final. Sus
posteriores revisores, Meade (1965) y Chen (1991) están de acuerdo. Esta consideración
no es del todo completa, pues la sacarosa que se pierde en la miel final también es
sacarosa que no forma parte de la producción, por lo que debe considerarse como
pérdida, y desde luego como determinada.
Normalmente, las mayores pérdidas de sacarosa se presentan en el bagazo y la miel
final, siendo en Independencia la miel final ta mayor causa y el bagazo ta siguiente en tas
últimas Zafras.
SACAROSA % DE CAÑA 2.5
2
1.5
0.5
0 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96
AÑO DE ZAFRA
Fig. 4.1 Pérdidas de Sacarosa en las últimas 10 Zafras en Independencia
4.5.1 Pérdidas en Bagazo.
El bagazo es el primer subproducto que se presenta en el procesamiento de la caña. Su
componente principal es la fibra, además de contener una parte de jugo y agua. El
término fibra se refiere a todos los sólidos insolubles fibrosos o no.
En la extracción es prácticamente imposible despojar de ta caña el 100% del jugo, por lo
cual resulta lógico que el bagazo contenga sacarosa. Aunque por lo general la pérdida en
bagazo es la mejor controlada (Chen, 1991), es una de las causas mayores de pérdidas.
El azúcar residual en el bagazo no tiene una aprovechamiento importante, contrario a lo
I ! i \ l I
35
que sucede con las pérdidas en miel final, pues el consumidor que ocupa bagazo para
forraje o producción de celulosa (por citar algunos usos), no toma en cuenta la presencia
de azúcar; si su destino final es la generación de energía, su combustión aporta poder
calórico al bagazo, aunque nunca será preferente sobre una mejor extracción.
La cuantificación generalizada de las pérdidas de sacarosa en bagazo, con objeto de
medir la capacidad de la extracción, suele hacerse tomando como base el bagazo. Este
punto de vista, de primera instancia podría parecer atractivo, pero la realidad es que no
se puede comparar la existencia un componente en una base que se muestra
inconsistente, pues se encuentra sujeta a la presencia de humedad. La estimación
correcta debe hacerse por cantidad de fibra, pues es la única materia que permanece
constante en la extracción. El tomar el análisis referido a bagazo, carecería de sentido
práctico, sobre todo si se desea comparar el desempeño de la unidad extractiva, pues
solo con una base fija se puede determinar una variación real.
Los Ingenios utilizan generalmente el bagazo para su combustión en las calderas. Este
aprovechamiento da como resultado un menor consumo de combustóleo en la fábrica,
dependiendo de las condiciones de operación y ta continuidad de la molienda. Aunque el
número de equipos que usan vapor ha mostrado tendencia a disminuir, el vapor en
desuso seguirá siendo fuente de energía para la cogeneración.
Es preferible, además de disminuir las pérdidas de sacarosa en bagazo, procurar la
menor humedad posible en el bagazo, pues la cantidad de agua que éste posea le
restará efectividad en la combustión, pues parte del calor liberado al quemarse será
absorbido por el agua que se evaporará y se sobrecalentará, pero que saldrá como vapor
por las chimeneas, sin aportar energía alguna al calentamiento.
36
4.5.2 Pérdidas en Miel Final.
En la elaboración no es redituable agotar demasiado las mieles cuyo contenido de
sacarosa es pobre, por lo que son separadas del proceso. A estas mieles se les conoce
como mieles finales o melazas. Este coproducto es más importante que el bagazo por
sus usos, la sacarosa perdida en la miel final si tiene un aprovechamiento posterior.
Se han sugerido diversos procedimientos para el agotamiento de las mieles finales, que
en algunos casos no tan solo no muestran una recuperación económica de sacarosa,
sino que inclusive han llevado a manufacturar equipos caros sin presentar real
agotamiento de las mieles, o en ocasiones hasta tener un efecto contrarío at deseado. La
recuperación comercial únicamente se ha desarrollado a pequeña escala, quizá su mayor
aprovechamiento consista en clarificar las mieles y aplicar técnicas de tratamiento iónico
para producir azúcar líquido, pero uno de los métodos nuevos más atractivos es la
separación cromatográfica introducida por Hongisto y colaboradores (1978). También se
han propuesto separaciones utilizando membranas, vía electrólisis y otros métodos.
El aprovechamiento directo de la miel final (para un Ingenio), es su comercialización. La
miel es apreciada por la industria del ganado, tanto por los productores de alimentos
balanceados como por ganaderos que mezclan la miel con forraje. Su elevado contenido
en carbohidratos y sales ta hacen una opción atractiva para éste fin. Otra aplicación, y
quizá la más utilizada, consiste en su fermentación para la producción de alcohol (etanol)
por la acción de las levaduras Saccharomyces Cerevisiae. Este es un proceso sencillo en
el que la miel final se diluye, la sacarosa residual se invierte por reacción acida, y los
azúcares reductores son consumidos por las levaduras, produciéndose un mosto que se
separa por destilación. Mientras mayor el contenido de azúcares mayor es la producción
de alcohol.
Al igual que el alcohol, pueden obtenerse otras sustancias como vinagre, glutamatos
aguardiente, etc., a partir de la miel final, pero fa opción generalizada es la producción de
alcohol. De hecho, en muchos Ingenios en México se cuenta con equipo para producir
alcohol a partir de fa miel ftnal, y en algunos lugares de Brasil, por ejemplo, se produce
etanol partir de jugo de caña, además de utilizar la miel final. Por estas razones, el
aspecto de las pérdidas de sacarosa en miel final pierde un poco de relevancia en cuanto
37
al intento riguroso de agotar las mieles. Constituiría un cálculo interesante (que se sugiere
a posteriores revisiones), la deducción de el punto en el cual sería ideal dejar de agotar
las mieles, para obtener una mayor ganancia económica en la producción de alcohol, con
una recuperación de sacarosa satisfactoria.
4.5.3 Pérdidas en Cachaza
La cachaza son tos lodos que se separa en la clarificación. Este subproducto es una torta
integrada por espumas, lodos y bagacillo. Sus arrastres de sacarosa se deben en
principio a que su separación no se realiza en seco, por lo que retiene un poco de jugo.
Aunque recibe una filtración en equipos de filtrado rotatorio con aspersión de agua
caliente, alcanza a arrastrar un poco de sacarosa, que aunque es una cantidad muy
pequeña comparada las otras pérdidas, merece un atento monitoreo.
Este subproducto se puede utilizar como materia para fertilización de los campos cañeros,
aunque en algunos lugares ha sido usado satisfactoriamente como alimento para ganado,
siendo aquella la ruta de utilización que ha tenido mayor aceptación.
4.6 PERDIDAS INDETERMINADAS
Las pérdidas indeterminadas se cuantifican por la diferencia entre ia Pol en caña y las
pérdidas determinadas. Muchas de las pérdidas conocidas entran dentro de ésta
cuantificación, pero por no ser medidas son consideradas indeterminadas. De hecho, el
paso de determinar las causa de las pérdidas puede ser el inicio de su consideración más
intensa, que nos llevaría a atacarlas a mayor profundidad, pero siempre con la enorme
dificultad de cualificarías. A continuación se mencionarán tas principales causas de
dichas pérdidas, las cuales son difíciles de cuantificar particularmente, aunque el hecho
de conocer las causas justifica la consideración de los parámetros operativos para evitar
que sean altas.
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4.6.1 Pérdidas en el (avado de caña.
Contrario a lo que se pudiera pensar, en la remoción de tierra y otros elementos distintos
a la caña, pueden presentarse pérdidas de sacarosa que no son cuantificadas, pero que
algunos investigadores, como Montiero en Brasil y Day en Luisiana han calculado de
hasta 2.5% de la producción. La adición de agua en el lavado ayuda al crecimiento de
bacterias que producen inversión. Resulta interesante la recomendación de algunos
expertos de aplicar cal al agua de lavado y mantenerla con un pH entre 11 y 12.
4.6.2 Pérdidas por inversión.
Como se mencionó anteriormente, la reacción de descomposición característica de la
sacarosa es la inversión. Dicha reacción puede Elevarse a cabo de varias maneras y en
distintas etapas del proceso de fabricación, pues es muy fácil que se presenten las
condiciones propicias en la operación. La cuantificación de la inversión es complicada por
la descomposición simultánea de la sacarosa y la fructosa.
La naturaleza acida del jugo, junto con (a acción de la invertasa (presente en la caña),
provocan cierta inversión en cañas que esperan mucho tiempo antes de pasar a la
molienda. Si el jugo mezclado tardara mucho tiempo en ser alcalizado, también se
tendrían perdidas importantes. La inversión acida puede ser disminuida por un estricto
control de la acidez del jugo, principalmente en la alcalización, debido a que es cuando el
jugo está caliente y es más fácil que se presente la inversión, aunque el punto a procurar
no es exactamente la neutralización, sino un pH de aprox. 7.2. Al controlar la acidez,
deberán fijarse correctamente los límites, pues la sacarosa se descompone en medios
muy alcalinos, así como también los azúcares reductores, que pueden ser posteriormente
aprovechados.
La descomposición biológica en la fábrica puede representar una causa muy importante
de pérdidas por inversión si no se ejecuta un control microbiológico estricto con el uso de
bactericidas. Su cuantificación es extremadamente compleja, pero el contenido de
bacterias indeseables en la caña, como las del género Leuconostoc, que son las
principales causantes de la inversión biológica de la sacarosa, hacen necesario dicho
control.
39
4.6.3 Pérdidas por descomposición distintas a la inversión.
Como se mencionó en el capítulo anterior, existen muchas otras reacciones de
descomposición importantes, pues en el proceso de fabricación se cuenta con
condiciones ideales para que se lleven a cabo. Las principales son la descomposición por
temperatura y la formación de sales. Ambas, a la postre constituirán dificultades en el
proceso. Las sustancias formadas por la descomposición por calor provocan que la
claridad del jugo disminuya y su tono obscurezca, mientras que la formación de
sustancias sólidas a partir de sacarosa provoca la aparición de incrustaciones,
principalmente en las superficies de calentamiento de algunos equipos, lo cual hace
menos eficiente la transferencia.
Contra la formación de incrustaciones es difícil de actuar, pues e! material utilizado en los
tubos de calentamiento suele ser cobre, ya que resiste la corrosión y posee un coeficiente
de transferencia de calor mayor a otros metales, pero cataliza la formación de ácido
oxálico que se incrusta con facilidad; sin embargo, actualmente se fabrican tubos para
calentamiento diseñados para no recibir incrustaciones, solo que más caros que ios
normales.
Dada la dificultad de controlar la descomposición de sacarosa y sus indeseables efectos,
no queda más que procurar mantener las condiciones de operación bien afinadas y
procurar que los tiempos de retención en los equipos sean menores, como comúnmente
se trata de operar.
4.6.4 Pérdidas mecánicas.
Como en todo proceso, la cantidad de producto a obtener se encuentra sujeta a mermas
debidas al transporte, que salen del dominio de las condiciones físicas y químicas del
proceso y pasan a ser pérdidas debidas al manejo del azúcar como sacarosa. Como
ejemplo, podemos mencionar la sacarosa que se pierde en la caña que llega al batey y
no es llevada a las mesas alimentadoras, arrastres en los procesos de evaporación,
pérdidas en el manejo de materiales de un equipo a otro, etc..
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Las fugas entran en ésta clasificación, y su extensión será tan alargada como sea
incompleto el mantenimiento de los equipos. Otras pérdidas mecánicas se deben a la
materia removida en la limpieza de los equipos, lo cual es hasta cierto punto inevitable.
4.6.5 Pérdidas aparentes.
Estas pérdidas no son reales, pero su consideración se justifica por los errores cometidos
al medir, calcular y estimar cantidades diversas, pues debido a la inexactitud de dichas
estimaciones puede llevar a cantidades inciertas, aunque a veces positivamente.
Además de las pérdidas mencionadas, se pueden presentar pérdidas por mala
administración de materia prima y por no tomarse en cuenta los tiempos de residencia en
los equipos para efectuar las tomas de muestras.
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V EXTRACCIÓN DEL JUGO DE CANA
En Ingeniería Química, el término extracción de usa para ilustrar operaciones de
transferencia de masa en las cuales un material soluble pasa a un disolvente líquido. En
la industria azucarera, el término extracción es aplicado a la operación en la que la caña
es despojada de su jugo, por lo que también extracción es el área donde se realiza dicha
operación. Además, el término extracción se usa para cuantificar la eficiencia del trabajo
en dicha área.
En el proceso de fabricación de azúcar, la extracción juega un papel preponderante, pues
su desempeño efectivo traerá consigo una producción mayor de azúcar. En ésta área se
encuentran conjugadas muchas variables, tanto por parte de la materia prima, como por
las condiciones operativas del equipo tanto de dicha área como de la anterior, las cuales
han sido asiduamente estudiadas y así monitoreadas en la operación.
Hasta donde muestran las diversas publicaciones, se consideran dos maneras
importantes de llevar a cabo la extracción: La primera y más antigua es la molienda, la
segunda y no tan conocida es la difusión (que generalmente está auxiliada por uno o dos
molinos).
En la molienda, la caña preparada pasa a través de una serie de molinos de tipo rodillo
{mazas), en los cuales la caña es presionada y cede su jugo, el cual desciende a tanques
para ser bombeado a las áreas elaboración. Para mejorar la extracción en los molinos, se
adiciona agua para disolver parte del jugo, y lo que retenga el bagazo sea jugo diluido y
no el jugo original de la caña, llamado comúnmente jugo absoluto.
En la difusión, la extracción la efectúa agua que fluye a contracorriente con el movimiento
del bagazo, lo cual puede resumirse a dos operaciones: La difusión propiamente dicha,
en la que la sacarosa es transferida del interior de las células de la caña al extracto
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circundante; y la lixiviación, comprendida como (a eliminación mecánica del extracto
enriquecido (Chen, 1991),
En éste trabajo solo se tratará la molienda, pues es la forma de extracción practicada en
Independencia y casi en todo México (solo existe un difusor en operación en el pais),
además de ser el área de extracción donde se centra éste trabajo.
Previo a la extracción, la caña es despojada de materias extrañas (aunque no
totalmente), tales como tierra, hojarasca, piedras etc., que llegan adjuntas a la caña, y
que es lógicamente deseable que no pasen a la extracción, pues además de dificultarla,
contribuirían con elevadas cantidades de impurezas que complicarían la elaboración. En
Independencia, la limpieza de la caña se lleva a cabo en dos mesas alímentadoras y
lavadoras, en las cuales la caña es colocada bajo una corriente de agua, (a cual remueve
la tierra formándose lodos que bajan por gravedad, mientras la caña es ascendida en la
mesa para posteriormente caer al primer conductor de caña, que la entregará al tugar
donde se preparará para su molienda.
5.1 EFICIENCIA Y CAPACIDAD DE LA MOLIENDA "A
La eficiencia de la extracción resulta de relacionar la sacarosa extraída (presente en el
jugo mezclado), entre la sacarosa que entra a los molinos. A la relación porcentual suele
llamarse únicamente extracción:
Extracción = (Azúcar en jugo mezclado % de caña / Azúcar % de caña) x 100
La capacidad de un tándem de molinos se define como la cantidad de caña que éste es
capaz de procesar por unidad de tiempo. Su cuantificación, como la de cualquier equipo,
debe realizarse con una base de tiempo de operación efectiva, por lo que puede
expresarse en toneladas de caña molida por hora de molienda ó toneladas de caña
molida por hora de molienda x 24 horas, expresión distinta a la muy recurrida relación
toneladas de caña molida/día, pues ésta cantidad no involucra únicamente el desempeño
de los molinos, sino también la falta de operación debida a paradas en la fábrica,
problemas en campo, por personal, etc..
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La capacidad de los molinos se encuentra determinada por una serie de factores que la
harán mayor o menor, dependiendo de las condiciones del equipo precedente a los
molinos y los parámetros que se manejen en la operación. Al paso del tiempo, el trabajo
en el tándem va dando pauta a determinar una capacidad de los molinos, considerada
como base para establecer otros parámetros.
Antes del inicio de la Zafra se debe realizar la programación del período productivo, para
lo cual se proyectan técnica o heurísticamente (o conjugadas) las cantidades y
características de la caña a procesar a lo largo del período, con lo que se programarán
también las metas productivas, insumos, paradas etc. La correcta programación de la
Zafra señalará las metas a cumplir, además de poseer información que ayudará a estimar
la capacidad de los molinos; lo cual resulta importante, pues si se establece la capacidad,
se puede proceder a calcular y delimitar las variables de operación.
Existe una relación inversa entre la capacidad y la extracción. Para aumentar la
capacidad se pueden realizar algunas modificaciones, que sacrifican la eficiencia de los
molinos y viceversa. Se debe estudiar la conveniencia con miras a moler más y extraer
mejor, de manera que se obtengan los resultados óptimos.
Debido a la mencionada relación capacidad-extracción, los factores que determinan la
capacidad de los molinos son los mismos que influyen en su eficiencia. A continuación se
describirán brevemente los factores principales que afectan ambas características.
5.2 FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA Y LA CAPACIDAD DE LOS MOLINOS
5.2.1 Preparación de la caña
Una de las bases que sustentan una buena molienda es la correcta preparación de la
caña. En ésta operación, el objetivo principal es romper las estructuras duras de la caña,
lo cual facilita tanto la extracción del jugo (mientras más rotas las celdillas más fácilmente
fluirá el jugo), como el manejo de la caña en los molinos, lográndose así una mayor
capacidad.
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Para obtener una buena preparación, es deseable que la velocidad de alimentación de ta
caña tienda a ser constante. En Independencia ésto se logra mediante la operación de ios
equipos llamados niveladores (también conocidos como gallegos), que igualan la
distribución de la caña en el conductor y nivelan el colchón de caña, siempre y cuando
estén bien calculados y la alimentación de caña a las mesas no sea desmedida. La caña
llega así a la preparación con un régimen que tiende a ser estable.
Los equipos más conocidos en la preparación de caña son los siguientes: Cuchillas,
desfibradoras y desmenuzadoras. Sus efectos son distintos y lo ideal es combinarlos
según sean las necesidades. A continuación, mencionaremos algunas de sus
características y beneficios.
a) Cuchillas Cortacaña.
Las cuchillas, también conocidas en México como macheteras, cortan la caña sin extraer
el jugo, convirtiendo las cañas enteras en pedazos cortos. Es notable, que la densidad de
la caña entera más o menos ordenada pasa a ser aproximadamente el doble después de
pasar por las cuchillas. Pensando en una mayor extracción, las cuchillas ayudan al
romper la corteza, con lo que facilita su desintegración y despojo del jugo; hablando de
capacidad, ésta también se ve aumentada gracias a las cuchillas, pues la alimentación de
caña a los molinos será más compacta y homogénea, lo cual la hará más asimilable.
En la mayoría de los Ingenios, al igual que en Independencia, se cuenta con dos juegos
de cuchillas. En el primero, se nivela el colchón de caña y se corta parcialmente, pero en
el segundo juego se procura, mediante un ajuste preciso, que las cañas queden bien
cortadas. El trabajar con un solo juego de cuchillas no completaría la función deseada,
pues es de gran ayuda para el molino procesar caña con pedazos pequeños, como los
obtenidos al operar dos juegos de cuchillas, a menos que se contara con un equipo
moderno y de alta eficiencia que constara de un solo juego.
b) Desfibradora.
En éste equipo, los pedazos de caña se abren en tiras sin extraer jugo, de modo similar a
un deshebrado. Casi siempre, la desfibradora está antes de la desmenuzadora, pero si la
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preparación en las cuchillas es suficiente, la desfibradora puede no dar lugar a instalar
una desmenuzadora. La densidad de la caña a la salida de la desfibradora puede
considerarse mayor en un 40%, debido a que no existen espacios vacíos a pesar de la
apariencia abultada, por lo que se logran beneficios similares a los señalados en las
cuchillas, pero en niveles distintos.
En Independencia, se cuenta con una desfibradora tipo Gruendler, en la cual, el
desfibrado se efectúa por medio de una serie de martillos que golpean los trozos de caña
y la hacen pasar por una superficie áspera para reducirlos al tamaño deseado. Los
martillos se colocan en un rotor por medio de barras de soporte. El equipo es accionado
por medio de una turbina y reductor.
c) Desmenuzadora
De estar presente, la desmenuzadora es el primer equipo en el que la caña recibe
compresión, con la cual se quiebra la caña y comprime, extrayéndose una buena parte
del jugo presente en la caña (40 a 70%). Consiste en dos rodillos (o a veces tres) con una
superficie especialmente diseñada para triturar la caña, entregando bagazo. Es por eso
que tiene dos efectos: Extraer jugo y preparar el bagazo que se procesará en los molinos.
La mencionada superficie trituradora puede ser poseer ranurado de distintos tipos, dos de
los más comunes son: Krajewski (con ranuras en zigzag), y Fulton (con ranuras en forma
"V" separadas de 2 a 3 pulgadas). Ambos tienen aspectos a favor y en contra, pero lo
que determina su mejor utilización es la manera como se alimenta la caña. Basta con
considerarla mecánica que seguiría la caña al alimentarse a la desfibradora, dependiendo
de su orientación y el tamaño de los trozos, será un tipo mejor que el otro.
Existe cierta discusión en cuanto a la instalación de una desmenuzadora, pero se puede
considerar que si la preparación con cuchillas y desfibradora es adecuada, la extracción
en los molinos puede ser la suficiente como para no hacer justificable la instalación de la
desmenuzadora, siendo preferido quizá el instalar otro juego de molinos, cuyos rodillos y
refacciones sean compatibles con los instalados en el tándem.
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5.2.2. Fibra en caña
El contenido de fibra en caña es un parámetro clave, tanto en la extracción como en la
capacidad de los molinos. La fibra es la única materia constante en la extracción (en
teoría, por que una parte mínima del bagacillo, que contiene fibra, es arrastrado en el jugo
mezclado), por lo que representa una limitante en la capacidad. Las velocidades, los
ajustes, la presión, la imbibición y demás factores dependen directamente del contenido
de fibra en el bagazo.
Al ser un material tan permeable, la fibra retiene humedad aún a presiones muy elevadas;
al retener humedad se está guardando jugo. Por lo tanto, a mayor cantidad de fibra más
difícil resulta la extracción. De hecho, los molinos están diseñados para tender a una
humedad en bagazo operativamente óptima. Una gráfica generalizada para un tándem de
molinos es la siguiente, donde se muestra que la fibra en bagazo tiende a ser asintótica,
sucediendo lo mismo con la humedad, solo que con valores de mayor a menor.
50- _ _ _ _ _ _
O
§ 40 < cu
w 30
£ 20
10j-
0 1 2 3 4 5 NUMERO DE MOLINO
Fig. 5.1 Fibra % en bagazo a lo largo del tándem.
Muchos de los informes sobre la operación en los molinos van referidos al bagazo final, el
más conocido es sacarosa en bagazo. Para efectos cuantitativos debe adoptarse como
base la fibra, pues solo en base a dicho valor las comparaciones serán válidas, de lo
contrarío, al usar el bagazo se tomaría en cuenta al agua retenida por la fibra, lo cual
resultaría inconsistente.
47
5.2.3 Dimensiones de los molinos
A simple vista, se podría pensar que las dos medidas más importantes en los rodillos son
el diámetro y la longitud; sin embargo, las dimensiones del rayado son determinantes en
la capacidad y eficacia de la extracción. El diámetro varía en cada maza, pero la
instalación establece un diámetro nominal, y los diámetros de todas las mazas son
cercanos a éste. Por el contrario, la longitud de las mazas sí es constante a lo largo del
tándem; pues de no ser así, la capacidad se delimitaría por la menor longitud y se
tendrían graves problemas del manejo del colchón de bagazo. Por supuesto, a mayor
longitud de las mazas mayor será el volumen que se puede procesar.
Las otras dimensiones, pertenecientes directamente a los dientes de las mazas, el ancho
del rayado, la altura y el ángulo del diente, son muy importantes. Al aumentar la superficie
de contacto de las mazas con el colchón disminuye la presión hidráulica por unidad de
volumen del colchón, con lo cual se extrae menos pero se procesa más.
Una costumbre económica, mediante la cual se puede incrementar la capacidad es el
aumentar el paso del rayado de las mazas en alguno o algunos de los molinos. Si el
equipo está un poco sobrado de capacidad, es muy recomendable el considerar el
beneficio que aportaría el tener rayados de menor paso, sobre todo en los últimos
molinos, con los cuales se obtendría una mayor extracción.
5.2.4 Número de mazas
El número de mazas en la instalación es un factor de pesó en la capacidad del molino y
su eficiencia. Si la extracción fuera la misma, la instalación de mazas adicionales ayudaría
a procesar más caña; con más mazas se puede procesar más caña en el mismo tiempo.
Sin embargo, a capacidad constante, la adición de mazas trae consigo un aumento en la
extracción, pues cada compresión adicional es una oportunidad más para extraer jugo.
Se han realizado muchos estudios cuantitativos para determinar la relación del aumento
de las mazas y la extracción o la capacidad. Hugot (1963), concluyó que la influencia de la
48
longitud del tándem sobre extracción es directamente proporcional a VÑ, siendo N el
número de mazas en la batería.
Por otra parte, Hugot ilustra con una gráfica la correlación de la eficiencia de la extracción
con el número de mazas en un caso específico.
CQ
E 50 tu Q
O 40 9 2
—3
9 10 11 12 13 14 15 16 17 16 19 20 21 22 23 24 25 NUMERO DE MAZAS
Fig. 5.2 Disminución del jugo en el bagazo en función del número de mazas en tándem.
5.2.S Imbibición
La influencia de las características mecánicas de la caña ha sido mencionada y discutida,
en cuanto a la necesaria preparación previa a la molienda. Sin embargo, el problema del
flujo del jugo no termina con la preparación. Al efectuar la extracción, el bagazo va
perdiendo jugo en cada mofino sin evitar la presencia constante de la fibra; ésta materia
es elevadamente permeable, lo cual trae como consecuencia que el bagazo absorba
parte del jugo que se intenta extraer en los molinos, o que dificulte su flujo. Por ello, si la
molienda se llevara a cabo en seco, la pérdida de sacarosa en el jugo que no se extrae,
es decir, la sacarosa que queda en el bagazo seria considerable, pues el bagazo nunca
entregaría todo el jugo. Para un molino bien ajustado, el bagazo resultante contiene de 45
a 50% de fibra, y de llevarse a cabo la extracción en seco la diferencia a 100% sería jugo.
Como las características mencionadas del bagazo son imposibles de inhibir en la
molienda en seco, resulta necesaria la práctica de ia imbibición, la cual, se define como el
artificio en el que se aplica agua al bagazo para aumentar la extracción de jugo. Su
49
beneficio es mejor comprendido, si se considera en que en lugar de retener parte det jugo
absoluto, el bagazo retiene parte del agua aplicada.
En algunas ocasiones, el término imbibición es confundido con maceración. Aunque son
prácticas similares con en mismo objetivo, se distinguen, porque en la imbibición el agua
se aplica a la salida de un juego de molinos para su aprovechamiento en el juego
siguiente; mientras que en la maceración, el bagazo se baña en agua para facilitar la
diiudón de su jugo y su posterior extracción. Esta práctica, llevada a cabo principalmente
en Australia, trae consigo la necesidad de una instaladón espedal y ciertas dificultades en
la alimentación a los molinos. Es por eso, que en Australia se han desarrollado sistemas
muy eficientes de alimentación a los molinos.
Al tratarse de la parte de mayor interés en éste trabajo, en el siguiente capítulo se
profundizará sobre la imbibidón.
5.2.6 Velocidad de las mazas
La velocidad de las mazas es una de las variables de operación más heurísticamente
manejadas entre los encargados de los molinos. Usualmente, las velocidades de las
mazas se expresan en revoluciones por minuto (rpm), siendo muy común entre los
encargados del equipo el fijar la velocidad alrededor de 5 rpm. Como en todo, existen
cálculos resultantes de una búsqueda por eficientar la molienda. Hugot (1963), señala el
método de la compañía Cail, que concluyó en la siguiente formula:
/7 = 6.37-0.56D
donde:
n = velocidad rotadonal (rpm)
D = diámetro medio de las mazas (m)
Según Hugot, Tromp conduyó, en base a su experiencia adquirida en Cuba, que la
velocidad periférica límite debe ser
V = 18D
50
donde:
V = velocidad (m/min)
D = diámetro medio de las mazas (m)
Además, Tromp señaló que la velocidad rotacional no debe exceder 18/TT rpm. En la parte
de ajuste de molinos, Hugot señaló una fórmula para obtener la velocidad óptima,
respetando como parámetro superior el de Tromp.
nn=5.3 C f
° " ' - LD^0
donde:
n0 = velocidad (m/min)
C = caña a procesar (toneladas por hora, TCH)
f = fracción de fibra en caña
L = longitud de las mazas (m)
to= carga fibrosa específica óptima.
La carga fibrosa se calcula así:
x0 = 2.92cVÑ
donde:
c = coeficiente del equipo de preparación de caña. Para Independencia se
considera igual a 1.20
D = diámetro medio de las mazas (m)
El uso de éstas ecuaciones ofrece valores muy recomendables, aunque es muy común
entre los molineros el redondear las velocidades (5.0, 5.5, 6.0 etc.). Es preferible contar
con la información del fabricante de los molinos, pero en su ausencia, los cálculos
recomendados por Hugot pueden considerarse muy confiables.
51
5.2.7 Ajuste de molinos
El ajuste de molinos, comúnmente conocido como setting, es la operación mediante la
cual se establecen las magnitudes de las aberturas que existirán entre las mazas en
operación, por las cuales el colchón de bagazo recibirá compresión. Tales espacios están
delimitados por las superficies de la maza superior y la cañera, y de la maza superior y la
bagacera. Su cálculo y aplicación son la clave de la operación más aprovechable de fos
molinos, siempre y cuando las bases de su cálculo sean las condiciones con las que
efectivamente se opera.
El ajuste depende de la cantidad de caña a moler por unidad de tiempo, la velocidad de
las mazas, sus dimensiones, las características de la caña (determinadas por la fibra), el
número de mazas, los retornos de bagacillo, el equipo de preparación, y en la mayoría de
los casos, la experiencia del encargado.
A lo largo de la Zafra, los molinos sufren pequeños desajustes, que aunados a la
variación paulatina de las variables que influyen en el cálculo, hacen necesario un
reajuste, que en ocasiones incluye su recalculación. Debido a que el cálculo del setting se
vuelve una rutina tediosa, resulta altamente benéfico el programar en computadora dicha
secuencia de cálculo, de manera que esta parte del trabajo no represente una limitante
para que se tengan ajustados los molinos de acuerdo a las necesidades.
Existen distintos métodos para obtener el setting. Pueden ser tan sencillos como consultar
en la tabla de un texto, o el uso de los ajustes "de siempre"; pero para calcular un setting
que realmente cumpla con las expectativas de una buena extracción, existen diversos
métodos recomendados por los proveedores de equipo, como el de Farrel, que ha sido
implementado en muchos Ingenios con resultados muy satisfactorios (incluyendo
Independencia). Aunque los métodos varían, todos concluyen en la siguiente secuencia:
a) Recopilación de datos: No solo conseguir la información del tándem, sino también
unificar criterios o establecer los que se vayan a manejar. Estos datos son: Equipos de
preparación de caña en operación, número de molinos, mazas en desmenuzadora,
dimensiones de los molinos, fibra en caña, capacidad del tándem y retornos de bagacillo.
52
b) Determinación de la velocidad de los molinos: Para calcular el setting se necesita
conocer la velocidad a la que operarán los molinos, cuyo cálculo se comentó
anteriormente. Es necesario ser consistente en todo momento en ésta variable, de
manera que, ya sea calculada o impuesta, la velocidad usada en el cálculo sea muy
cercana a la velocidad de operación.
c) Determinación de ¡a abertura trasera: El espacio entre la mazas superior y bagacera
está en función de la humedad en bagazo esperada, la cual generalmente depende del
número de mazas en la desmenuzadora y el número de molinos en el tándem. Para su
conocimiento, se recurre a nomogramas o gráficas específicas.
d) Determinación de la abertura delantera. Esta abertura suele ser igual a la abertura
bagacera multiplicada por un factor; Farrel recomienda usar 2 como factor para el primer
molino, aumentando fracciones iguales para cada molino hasta llegar a 3 para el último.
e) Corrección por flotación. A las aberturas calculadas se deberá incrementar la distancia
que puede deslizarse la maza superior al recibir exceso de carga, mediante el sistema de
flotación.
f) Correcciones por retornos de bagacillo: El jugo mezclado se cuela y el bagazo se
regresa a ciertos puntos en el tándem. Los retornos aumentan un poco el colchón de
bagazo. La corrección se efectúa en los molinos que reciben tal aumento, recalculándose
las aberturas al multiplicarse las originales por un factor, generalmente igual a 1.1.
5.2.8 Presión sobre los molinos
En la antigüedad, las mazas de los molinos se encontraban fijas. Al ser tan variante la
alimentación a los molinos, el colchón de bagazo se encontraba sometido a presiones
distintas todo el tiempo. Así, el peligro de rupturas, los paros y las extracciones bajas eran
frecuentes, hasta que los molinos fueron modificados para amortiguar las variaciones en
la altura del colchón de bagazo.
Actualmente, la maza superior ejerce una presión fija y modifica su abertura de acuerdo al
volumen de bagazo manejado. El objetivo es que la presión ejercida sea la misma en
53
todo momento (colchones altos o bajos), así se evitarán los paros y se trabajará con más
seguridad de que el equipo no se deteriorará tanto.
La presión aplicada varía según la cantidad de caña molida, su contenido de fibra, las
dimensiones de las mazas, la cantidad de imbibición y otros. Los molinos se alimentan
mejor con cargas de presión ligeras.
Una fórmula empleada frecuentemente para calcular la presión ejercida en todo el
tándem es la siguiente:
P = 200LD
donde:
P - Presión hidráulica total en Kg/cm2
L = Longitud de las mazas en metros
O = Diámetro de las mazas en metros
Calculada la presión total, la de cada molino se determina ai multiplicar la presión total por
la raíz cuadrada de la relación del número de mazas totales anteriores y del molino en
cuestión entre el número total de mazas en el tándem.
5.2.9 Dispositivos de alimentación
Para tener un buen desempeño, los molinos requieren que el colchón de bagazo sea bien
asimilado por las mazas. Para facilitar su alimentación, las mazas cañera y superior (que
son las que reciben et colchón), suelen poseer ranurados especiales en "V" llamados
chevrones. Además, se procura que la dentadura de las mazas tenga una superficie
áspera (lograda con soldaduras especiales) que evite que et bagazo se deslice al tratar
de procesarlo, a tal grado que algunas mazas no necesitan chevrones al tener una
superficie especial que evita deslizamientos.
Los artificios usados en el molino no son completamente suficientes. El uso de los
equipos de alimentación ayuda a estabilizar el régimen de operación, además que
54
aumenta un poco la capacidad, pues se logra moler un poco más rápido, además de
procesar con menos interrupciones, aunque existen tandems que no cuentan con ningún
equipo que ayude a la alimentación, sino que solo cuenta con conductores intermedios,
que son los que transportan el bagazo de un molino a otro.
Los alimentadores más conocidos son tos siguientes:
a) Rotativos: El equipo más común y manejable es el rodillo alimentador, que es hueco y
en su superficie tiene soldadas unas soleras en forma axial en "V", se coloca arriba de la
maza cañera y junto a la superior, y va empujando el bagazo hacía abajo y adelante, de
manera que sea asimilado constantemente por el molino.
b) Alternativos: Este tipo de alimentadores no es tan eficiente como el rodillo, pues trabaja
mediante el empuje de una barra rectangular que ejerce fuerza hacia la maza cañera
mediante movimientos recíprocos.
c) Continuos a presión: Estos alimentadores son altamente eficientes, pues poseen
rodillos que empujan y dirigen el bagazo a la entrada del molino, por lo que se consideran
de alimentación forzada.
En algunas ocasiones, la alimentación de los molinos se vuelve algo problemática si el
bagazo está demasiado húmedo o muy caliente, como lo que sucede con la maceración
con tiempos de inmersión largos, donde se requieren equipos de alimentación forzada
muy eficientes.
5.2.10 Otros
Existen otros factores que influyen en la eficacia de la extracción. Sin duda, el hecho de
que la molienda sea continua tendrá beneficios en lo que a aprovechamiento de la
capacidad se refiere, por lo cual se recomienda la implementación de actividades de
mantenimiento preventivo, lo cual evitará fallas y paros, que además de dificultar la
operación elevan los consumos de energía.
55
Ranuras Messchaerts.- La dificultad para eliminar el jugo ha llevado a (os diseñadores del
equipo a buscar opciones adicionales para mejorar la extracción. Una de ellas es el uso
de mazas con ranuras messchaerts, que son canales circulares que ayudan a que fluya
mejor el jugo. Existen dos maneras de hacer las messchaerts: Una, es eliminando un
diente y ranurando en el eje del diente eliminado; o bien tallando entre dos dientes. Su
presencia en las mazas cañera y bagacera está muy bien justificado, pues por éstas
desciende el jugo, pero la maza superior no las necesita.
Aunque el objetivo principal de las messchaerts es mejorar la extracción, podría
justificarse también un incremento en la capacidad, pues facilita el trabajo de los molinos y
da lugar a procesar un poco más.
Peines raspadores- Las características del bagazo hacen que la superficie de las mazas
lo retenga. Para evitar este problema, los molinos cuentan con unas piezas que limpian
continuamente dichas superficies, son los peines raspadores, que se encuentran fijos en
el molino y cuentan con un ranurado que va rechazando el paso del bagazo con la
superficie de la maza en rotación, logrando que continúe su viaje por el tándem. Su
colocación y limpieza evitan atascamientos, y sobre todo, al dejar libres de bagazo a las
mazas, el espacio que podría ocupar el bagazo incrustado es espacio por donde pasa
bagazo fresco, lo cual significa un mejor aprovechamiento de la capacidad.
5.3 EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LA EXTRACCIÓN
El área más difícil de analizar desde el punto de vista químico es sin duda la extracción.
Esto se debe primero a que la materia prima, y consecuentemente los productos, varían
significativamente sus características, lo cual puede proporcionar resultados imprecisos.
Por otra parte, las propiedades mecánicas de la caña y el bagazo hacen que su análisis
se necesite realizar en laboratorio, dificultando el uso de un medio automático de
adquisición de datos.
Los análisis de la extracción se basan en el manejo del balance general de materia, que
se resume a la llamada ecuación fundamental de los molinos: La caña más el agua de
imbibición es igual al jugo mezclado más el bagazo. Dicha ecuación no es totalmente
56
precisa en la realidad, pues una buena porción de materia es separada en el lavado de la
caña (cuya cuantíficación es previa), además de la caña que se pierde en su manejo.
Los datos fundamentales para evaluar la extracción se resumen a pesajes de caña, jugo
mezclado y agua de imbibición, así como a medición de brix y sacarosa en caña, jugo
absoluto, jugo mezclado y jugo residual, y por último humedad y sacarosa en bagazo.
Algunas de éstas cantidades dan por si mismas referencias que ayudan a ver el
aprovechamiento del equipo de extracción, pero existen otras relaciones basadas en
éstos datos que nos ayudarán a controlar mejor la extracción.
En ésta sección, únicamente nos remitiremos a estudiar superficialmente las formas más
conocidas de evaluar la eficiencia en la extracción, partiendo de que los análisis de caña,
guarapo y bagazo son conocidos.
Extracción
La extracción es la relación más usada para medir el desempeño en los molinos. El
término eficiencia sugiere por si solo la relación de cuanto se obtiene y cuanto se puede
obtener. Por lo tanto, la extracción se calcula así:
Peso de sacarosa en jugo mezclado Extracción de sacarosa = x 100
Peso de sacarosa en caña
Este es un buen parámetro para medir la eficiencia en general, pues elimina la cantidad
de agua usada en la imbibición, contrariamente a la extracción de jugo, donde se incluye
el agua de dilución:
Peso del jugo mezclado Extracción de jugo mezclado = x 100
Peso de la caña
57
Sacarosa en bagazo % de fibra
De fácil concepción, ésta cantidad generalmente se calcula relacionando la Pol % en
bagazo y la fibra % en bagazo:
<-. u n/ _i #••_ Sacarosa % en bagazo Ann Sacarosa en bagazo % de fibra = = x 100 Fibra % en bagazo
Jugo perdido % de fibra
Este término refiere al jugo no diluido sobre la fibra:
Brix del bagazo x 10000 Jugo perdido % de fibra = -—
Brix del jugo absoluto x fibra % en bagazo
donde:
„ . . , . Sacarosa % en bagazo „ „ „ Bnx del bagazo = s x 100
Pureza % en jugo residual
El brix del jugo absoluto se determina relacionando la suma de sólidos solubles en jugo
mezclado y en bagazo con el peso del jugo absoluto (diferencia de la caña y la fibra), por
100 para obtenerlo en porcentaje.
•i 5.4 CUANTIFICACION DE LA CAPACIDAD DE LOS MOLINOS
Conociendo los factores que determinan la capacidad de los molinos, ahora sf podemos
ver como determinarla. Existen muchas tablas y nomogramas, asi como criterios y
observaciones por todo el mundo; sin embargo, Hugot (1963) sugiere una ecuación muy
certera, basada en las variables previamente manejadas para el cálculo del setting, que
es la siguiente:
58
donde:
C = capacidad del tándem (TCH)
c = coeficiente del equipo de preparación de caña.
n = velocidad rotacional media de las mazas (rpm)
L = longitud de las mazas (m)
D = diámetro medio de las mazas (m)
D = número de mazas en tándem
f = fracción de fibra en caña
En el medio azucarero, ésta ecuación es conocida y considerada superior a otras, que
incluso no son tan completas ai involucrar menos variables de operación. Esta ecuación
es muy recomendable para balancear buena extracción con buena capacidad.
Para cálculos operativos, la ecuación de Hugot es muy útil incluso siendo tan
generalizada. Existen otras ecuaciones con carácter más científico, sin embargo, nada
mejor que la información de los proveedores para la elección y evaluación de la
capacidad del equipo, y la observación de éste al paso del tiempo. .
59
VI IMBIBICIÓN
En el capitulo anterior se comentó el beneficio que se logra al emplear agua de imbibición
en la molienda, siendo señalada la importancia de que el jugo retenido en el colchón de
bagazo sea sustituido por el agua aplicada, lo cual sucede al aplicar la imbibición.
Según Porta Arqued (1955), la imbibición se empezó a aplicar a mediados del siglo
pasado, constituyendo en nuestros dias un procedimiento tan redituable que es usado en
la mayoría de los paises cañeros del mundo, excepto en algunas fábricas donde sigue
siendo la maceración la técnica más usada, consistente en la aplicación de agua en
exceso previa a la molienda. Chen (1991), señaló tal aplicación como preferida en Fidji y
en algunas fábricas de Australia.
Indudablemente, la meta final de la práctica de la imbibición será el lograr que la
extracción de sacarosa sea la mayor posible con la capacidad instalada, siempre y
cuando, la cantidad de agua aplicada que no es retenida en el bagazo y se presenta en el
jugo mezclado (agua de dilución), no sea tan alta que resulte económicamente
contraproducente. La eficiencia de la imbibición depende directamente del grado de
desintegración de la caña en proceso (mientras más desintegrada, más fácil de extraer);
además, algunos autores confirman que mientras mayor sea el lapso en el que se
encuentren en contacto el agua y el bagazo, mejor será la mezcla entre el líquido de
imbibición y el jugo, y por ello mejor será la extracción, aunque es de fácil apreciación (en
la realidad) que el líquido que se aplica (sea agua o jugo diluido) es asimilado
rápidamente por el bagazo.
Estudiando el área de extracción como un sistema, podemos señalar que el agente
usado en la imbibición es agua; pero estudiando la operación real de la extracción, la
imbibición puede realizarse con jugo diluido. Para tener una mejor apreciación al
respecto, se comenzará por diferenciar las maneras como se aplica la imbibición.
60
6.1 TIPOS DE SISTEMAS DE IMBIBICIÓN
Existen distintas maneras de distribuir los líquidos de imbibición, sea agua o jugo diluido.
Cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Es muy recomendable el realizar pruebas
para concluir cual sistema resulta más conveniente, aunque sea necesario también
detenerse en detalles operativos que llevan a la selección de un sistema u otro.
6.1.1 Imbibición simple
Cuando la imbibición consiste en agregar agua al bagazo después de un molino para
extraer en el otro, recibe el nombre de imbibición simple. Si solamente se aplica en un
punto (localizado generalmente antes del último molino), se denomina imbibición simple
única; si se aplica en dos puntos se denomina imbibición simple doble, y así
sucesivamente.
Agua Caña preparada
Jugo Mezclado
Ftg. 6.1 Imbibición Simple
El principal inconveniente de la imbibición simple, lo representa la cantidad de agua de
dilución que lleva consigo, puesto que para extracciones de sacarosa iguales, resulta
mayor el agua de dilución con la imbibición simple que con la compuesta. La
incorporación de éste jugo diluido en el jugo que va a la elaboración generaría la
necesidad de manejar y separar mucha agua en el área de elaboración. Sin embargo, si
las cantidades de agua son bien distribuidas para cada molino de imbibición simple y
relacionadas con el ajuste del molino, los resultados de la imbibición pueden ser no tan
problemáticos como al aplicar la misma cantidad de agua en cada punto.
61
6.1.2 Imbibición compuesta.
La necesidad de no incorporar mucha agua de dilución al jugo mezclado trajo como
consecuencia la búsqueda de una opción que tuviera un mejor aprovechamiento del
agua. La operación usualmente recomendada es la imbibición compuesta, donde el jugo
extraído en el último molino pasa antes del penúltimo para aplicarse como agente de
imbibición, y el jugo extraído de éste se aplica antes del antepenúltimo, etc..
Agua Caña preparada
Bagazo
Jugo Mezclado
Fig. 6.2 Imbibición Compuesta
Este sistema solo tendria como inconveniente con respecto a la imbibición simple, que su
aplicación necesita la instalación para transportar el jugo y bombas que soporten su
manejo, el cual se dificulta por la presencia de sustancias insolubles en el guarapo, y a la
corrosión causada por éste. Muy por encima de tales inconvenientes, los análisis
realizados con molinos trabajando con imbibición compuesta han mostrado mayores
extracciones, incluso con volúmenes de agua de imbibición menores que en la imbibición
simple. Por tales razones, es la técnica más aplicada en los Ingenios en el mundo,
aunque en ocasiones no se prefiere por evitar problemas de atascamiento, pues los
volúmenes def bagazo húmedo al entrar a los molinos son mayores.
6.1.3 Imbibición compuesta intermedia
Esta aplicación es el intermedio entre la imbibición simple y la compuesta, por lo cual es
muy recomendable para tener buena extracción sin posibles problemas de atascamiento.
Consiste en aplicar imbibición con jugo diluido pero al molino anterior al próximo anterior.
Para un tándem de cinco molinos, se presenta el siguiente diagrama:
62
Caña preparada Agua
Bagazo
Jugo , Mezclado
Fig. 6.3 Imbibición Compuesta Intermedia
Para un tándem de más molinos pueden presentarse dos casos, que son el aplicar en
tres puntos agua y aplicar jugo en dos o tres (según el caso); o de igual manera que en el
diagrama, que la aplicación de agua sea en dos puntos y cada jugo diluido se aplique un
lugar antes al que correspondería en la imbibición compuesta.
6.1.4 Imbibición por recirculación
En los libros y revistas consultados para la realización de éste trabajo, no se mencionan
experiencias recabadas en el estudio de esta técnica, que muestra cierto parecido a la
imbibición compuesta, aunque imbibición es más bien una maceración, pues el bagazo
absorbe liquido por inmersión. Es gracias a la valiosa aportación de la compañía Sugar
Research International que se presentan algunas observaciones a ésta aplicación,
extraídas de artículos pertenecientes al Queensland Society of Sugar Cane
Technologists.
Esta técnica consiste en aplicar agua antes del último conductor intermedio, y recircular el
jugo de un molino antes de su entrada (y de manera similar en los otros molinos), para
macerar el bagazo correspondiente. Su operación implicó el uso de tinas de inmersión, de
cuyos fondos se tomaba guarapo para aplicarse en ia maceración anterior (junto con el
guarapo extraído recirculado), resultando en un mejor mezclado entre el bagazo y los
fluidos de imbibición, lo cual presenta una mayor dificultad para la alimentación de los
molinos, debido a la mayor humedad del bagazo.
La imbibición y la maceración con recirculación se investigaron en los molinos de Bingera,
Moreton y Millaquin (Australia), durante dos años. En cada caso, se trataron variaciones
63
ligeras en el método de recirculación, pero los resultados muestran que la práctica no
ofrece beneficios sobre la imbibición compuesta (Foster, 1956).
Aunque el porcentaje de sacarosa en bagazo resultó ser menor que el correspondiente a
las pruebas realizadas con imbibición compuesta, las humedades del bagazo fueron
mayores en la imbibición con recirculación. El cálculo que resultó ser el concluyente es el
de la relación sacarosa en bagazo/fibra en bagazo, siendo menor en la recirculación
compuesta; lo cual, junto con los problemas que involucra el manejo de bagazo alto en
humedad y la instalación para el sumergido del bagazo, hacen preferible por instalación y
operación la imbibición compuesta.
6.2 EQUIPO BÁSICO DE LA IMBIBICIÓN
La naturaleza química y mecánica del guarapo, aunque sea diluido, provocan que el
equipo para aplicar la imbibición varíe un poco con respecto a una red de tuberías normal.
Aunque en éste trabajo no se trata, es deseable poner énfasis en el mantenimiento de
dicho equipo, pues su operación no es tan visible como fa de un molino, pero es requerida
en las mismas ocasiones.
6.2.1 Transporte de fluidos.
Cuando en la imbibición solo se aplica agua, el líquido suele ser suministrado gracias a la
instalación de tanques elevados aproximadamente a 5 m sobre el nivel del bagazo en
tránsito, llegando a los molinos por gravedad. El suministro del agua a los molinos no
presenta mayor dificultad, con tubería comercial es más que suficiente.
Por el contrarío, la imbibición con jugo diluido si necesita una apreciación más profunda
en lo que a equipo de transporte se refiere.
El contenido de sustancias corrosivas sugiere revisar a conciencia el estado físico de
tuberías y bombas, pero tan importante como la corrosión es el hecho de que el guarapo
contiene muchos sólidos no disueltos que dificultan su manejo. Además, la presencia de
materia orgánica produce taponamientos, que a la larga producen muchas dificultades.
64
Para evitar los problemas de operación al aplicar jugo diluido, es necesario cuidar la
limpieza de las líneas y procurar el monitoreo de su estado. Es importante el tomar en
cuenta los beneficios que traería la instalación de tubería de acero inoxidable, de manera
que la corrosión no sea un punto en contra, siempre y cuando sea económicamente
viable.
Del lado del movimiento de los fluidos, se necesita elegir equipos de tipo inatascabte.
Estas bombas disminuyen los problemas en el manejo del guarapo, que usualmente
contiene pequeñas partes de bagacillo y arena, que suelen dificultar su transporte.
6.2.2 Equipo de aplicación.
Con Agua. La imbibición con agua no presenta problemas mayores de instalación de
equipo. El problema es la elección de la forma de aplicación del agua. Básicamente, la
necesidad puede ser cubierta con un tubo en el que fluya el agua y salga por orificios de
aproximadamente 3 mm de diámetro, orientados a los puntos donde se prefiere se
distribuya el agua. En sustitución de los orificios pueden instalarse aspersores, de manera
que se distribuya de mejor manera et agua en la superficie del bagazo.
Aplicación con rociadores
Fig. 6.4 Formas típicas de aplicar el agua de imbibición
Las indecisiones inician al discutir si es mejor el chorro de agua dirigido o el agua rociada.
El chorro tiene mayor facilidad de penetración, pero la aspersión tiene una mejor
distribución. Al parecer, la solución es un punto intermedio, en el cual ciertamente se
distribuya el chorro de agua, pero solo en una línea de un lado del colchón al otro, lo cual
se logra con un sistema de boquillas acopladas a un cabezal.
Aplicación dirigida
65
Cabe añadir, que para lograr una distribución más homogénea al usar tubos perforados,
en Cuba se desarrolló el sistema de imbibición Betancourt (Hugot, 1963), que consiste en
hacer un poco mayor el diámetro de los orificios en los extremos del tubo, obteniéndose
una mayor extracción debida a la mayor distribución.
Con Jugo diluido: Una manera de aplicar el jugo diluido consiste en colocar una placa que
reciba el chorro y lo reparta en abanico sobre una lámina inclinada que vierta el jugo en el
guarapo. Otra forma, es que en guarapo llegue a una cuba aserrada, y el jugo
desbordante caiga en el colchón.
Fig. 6.5 Equipos para aplicar imbibición con jugo diluido
El sistema recomendado por Hugot, es el de "Placa ancha", que consiste en hacer llegar
el jugo a una cubeta, pase sobre un tabique y llegue a una placa horizontal bien nivelada,
de modo que al desbordarse caiga lo mejor distribuido posible sobre el colchón de
bagazo.
6.3 CONDICIONES BIOQUÍMICAS DEL AGUA DE IMBIBICIÓN
Las sustancias presentes en el agua de imbibición tendrán cierto efecto en et proceso.
Las sales inorgánicas disueltas son indeseables, simplemente porque a la larga pueden
formar parte de las cenizas en el bagazo (lo cual no aportará ningún poder calórico en la
combustión), o peor aun, se localizarán en el azúcar, aumentando la concentración de
cenizas. Cualquier cantidad de sales que se logre evitar en el jugo mezclado dará como
resultado un beneficio posterior, incluso en el menor desgaste de los equipos.
66
Aunque el agua de imbibición nunca contendrá bacterias causantes de las pérdidas por
inversión (como las del genero Leuconostoc), es posible que contenga otras bacterias,
como la Enterobacter Aerogenes (entre otras), que convierte la glucosa y la fructosa en
ácidos orgánicos. A continuación, algunos de los inconvenientes causados por la
presencia de bacterias en el agua, mencionados por Dalvanilson Meló (Buckman Labs.,
Brasil), para la publicación mensual Sugar y Azúcar (Julio 1994):
-Incremento en la acidez del jugo
- Incremento en la viscosidad del jugo
- Obstrucciones en tuberías, accesorios, etc.
- Tiempos de evaporación mayores
- Cristalización más pobre
Ciertamente resulta preferible que el agua de imbibición esté libre de bacterias, aunque la
aportación mayor de patógenos llega por parte de la caña. Por ello, es altamente
recomendable un control efectivo en base a la aplicación de bactericidas.
Además de saber que mientras más limpia sea el agua Será mejor, podría prestarse a
discusión et considerar benéfico aplicar agua con un pH afto, para evitar pérdidas por
inversión. Spencer estableció, que en ta fabricación de azúcar blanco no debe emplearse
agua alcalina para la imbibición.
6.4 TEMPERATURA DEL AGUA DE IMBIBICIÓN
El efecto de la temperatura en el agua de imbibición ha sido estudiado desde principios de
siglo, y ha llevado a conclusiones contradictorias, sobre todo en los reportes más
antiguos, pues en los actuales se cuenta con más recursos para concluir con bases
firmes. Al principio, los resultados de la experimentación de la imbibición no eran nada
halagadores; pero al pasar el tiempo, se fue descubriendo que con la imbibición en
caliente se obtienen mejores resultados, aunque con aspectos a favor y algunos en
contra, dentro y fuera del área de extracción. A continuación se presenta el efecto en la
molienda y más adelante se mencionarán sus efectos posteriores a ésta.
67
6.4.1 Efecto en la extracción.
Para tener un criterio certero en éste aspecto, para la realización de éste trabajo se
procedió a investigar la variación de la extracción con respecto a la temperatura de
imbibición en libros, revistas y contactos personales.
En 1927, Prinsen Geerligs mencionó que no hay diferencia en la extracción, usándola fría
o caliente, agregando que existen inconvenientes en su aplicación. Porta Arqued, en
1955, hace referencia a las afirmaciones de Geerligs. además de comentar que otros
autores señalan varios inconvenientes del uso del agua caliente.
Años después, Hugot (1963) señaló que mientras no llega a 60 ó 70°C, la temperatura del
agua de imbibición no tiene ningún efecto en la extracción, y que a partir de éste rango la
eficacia de la imbibición es notablemente mejor con agua caliente. El Ing. Hugot concluyó
que la mejor temperatura del agua de imbibición se encuentra entre 80 y 85°C.
Meade (1963), en su revisión del Manual del Azúcar de Caña de Spencer, afirmó que así
en todas partes se prefiere el agua caliente (182°F « 82°C), argumentando que se obtiene
una pequeña mejora de la extracción, que no es siempre perceptible. Además, Meade
retoma las experiencias de Honig, quien concluyó: "La imbibición en caliente logra
ventajas definidas para la eficiencia de la extracción en los molinos". El siguiente revisor
del mencionado Manual, James Chen, coincide en la obtención de una pequeña mejora
de difícil percepción.
En la Industria Australiana, encontramos también testimonios muy ilustrativos, a la vez
que esperanzadores. En Queensland (1931), Smith investigó el efecto de la temperatura
(sin información de si se trataba de imbibición ó maceración) de 160 a 170°F (71 a 77°C
aprox.), contra temperaturas cercanas a 100°F (38°C aprox), en moliendas de 60-65
toneladas de caña por hora. La aplicación en caliente incrementó la extracción en un
0.28%, con cierta disminución en la velocidad de molienda.
También de Australia, Foster (1955) publicó para el Sugar Research Institute las
experiencias obtenidas en tres equipos de molinos; en uno, el bagazo se sumergía en el
fluido de maceración, y en los otros se aplicaba imbibición. Los resultados fueron
68
positivos, concluyendo que las temperaturas cercanas a 170°F (77°C aprox.) en todo el
tándem pueden dar un incremento del 0.4% en la extracción, comparada contra
temperaturas de 100 a 130°F (38 a 54°C), sobre todo cuando la caña termina su recorrido
a través del tándem en aproximadamente 8 minutos.
El Ing. Enrique Armas Onofre (mexicano), señala en la publicación Ingeniería Azucarera
(Abril, 1995), que con la experimentación a nivel industrial al usar agua de imbibición de
65 a 75°C, se obtienen extracciones de Pol mayores con respecto a moliendas realizadas
con temperatura de imbibición de 25°C, finalizando al advertir la presencia de problemas
al exceder los 75°C, por la extracción de sustancias indeseables.
6.4.2 Razones del beneficio de la imbibición en caliente sobre la extracción.
Hugot (1963), explica que el beneficio del agua caliente se debe a la destrucción del tejido
de las células. Las materias impermeables o accesibles solo por osmosis, que fortalecen
las paredes de las células, se funden con el calor, de manera que el agua llega
directamente al jugo que se encuentra en ellas para diluirlo. Un fenómeno a favor es la
disminución de la densidad al aumentar la temperatura, por lo que el jugo contenido en
las celdillas aumenta su volumen hasta que rompe las paredes reblandecidas por si solo
o con la presión de los molinos.
Meade (1963), confirma las observaciones de Hugot, señalando que el calor del agua
rompe algunas celdillas (con temperaturas mayores a 160°F ó 71°C aprox.).
Zemek (1954), señaló el tiempo requerido (a distintas temperaturas), para destruir células
enteras de caña preparada (tabla 6.1), las cuales, una vez destruidas permitirían la
difusión del azúcar.
Tabla 6.1 Tiempo requerido para la destrucción de celdillas a distintas temperaturas.
Temperatura (°F)
Tiempo de destrucción (min)
135°
60
140
32
145
25
150
10
160
<5
180
<5
69
Así, la temperatura del bagazo debe ser elevada a 160°F o más para destruir las células
en un tiempo corto con respecto al tiempo que tarda el bagazo en pasar por el tándem.
La viscosidad y difusividad de las soluciones de sacarosa a temperaturas altas son aptas
para que el guarapo y el agua se mezclen con menor dificultad, gracias a ésto se extrae
un poco más de jugo a temperaturas altas.
6.4.3 Experiencias realizadas en el Laboratorio de Fábrica
La información recopilada sobre el efecto de la temperatura en la destrucción de celdillas
es muy completa al mostrar resultados de aplicar imbibición caliente en la extracción.
Para lograr una mejor apreciación del fenómeno de ruptura de la pared de las celdillas
que contienen el jugo gracias a la aplicación calor, se procedió a examinar al microscopio
finos cortes longitudinales de médula de caña fresca tomada directamente del batey. En
ese momento se apreció (en microscopio), que las celdillas son de fácil distinción, y
confiando en observar un cambio notable se procedió a atacar tos cortes observados con
un baño María a 75°C durante 5 minutos.
Al observarse al microscopio la médula resultante, se apreció que las paredes de las
celdillas efectivamente sufren una ruptura, lo que las hace más aptas para liberar su jugo.
Las imágenes observadas al microscopio son las que se muestran a continuación:
Celdillas enteras Celdillas rotas por temperatura
Fig. 6.6 Celdillas de caña enteras y atacadas con calor vistas al microscopio.
70
De ésta manera, se comprueba que el agua caliente colabora al segundo objetivo de los
molinos, que es preparar aun más el bagazo para la siguiente compresión, pues rompe
algunas células dejando libre el jugo para ser extraído.
6.5 CANTIDAD DE AGUA
Dado que el objetivo del agua de imbibición es reemplazar parte del jugo del bagazo, es
teóricamente más probable lograrlo al aumentar la dosificación de agua, lo cual
aumentaría la extracción (aunque no linealmente). El cálculo de la dosificación deberá
tomar en cuenta, que parte de dicha agua se incorpora al jugo extraído, por lo que el
exceso de agua, más que representar un beneficio, puede ser una dificultad en las
siguientes etapas del proceso, donde los excesos de agua serán parte de la materia que
se maneje y a la larga será materia que requerirá de energía para ser separada. Es una
consideración común el tratar de poner tanta agua sobre el bagazo como nos permitan
los equipos de evaporación y las calderas generadoras de vapor; sin embargo, a ésto se
debe agregar la consideración de los costos de calentamiento, manejo y evaporación del
agua de dilución en exceso contra el beneficio obtenido al aplicar agua en el límite.
Como la variable básica de los parámetros extracción es la fibra, la cantidad de agua que
se debe aplicar deberá ser referida a la cantidad de ésta y no a la caña. La relación más
ampliamente recomendada es dos partes de agua por una parte de fibra, o mejor dicho,
el peso del agua de imbibición se recomienda del 200% de la fibra en caña. Es lógico
pensar que si la imbibición es más fuerte en cuanto a cantidad, la extracción de sacarosa
será mayor, pero dicho aumento resulta ser un poco engañoso.
En experiencias recabadas por técnicos australianos, se muestra la variación de Pol % de
fibra en el bagazo final contra la imbibición % de fibra, donde se observa que la extracción
efectivamente aumenta al aumentar la cantidad de agua aplicada, pero que llega a un
límite al aplicar agua en cantidades cercanas al 240 % de fibra. Las pruebas se realizaron
con agua a 160°F (71°C) con un sistema de imbibición compuesta, mostrando resultados
similares al llevarse a cabo en molinos de distintas localidades.
71
6.6 ESTUDIO MATEMÁTICO CLASICO DE LA IMBIBICIÓN
Hugot (1963) muestra un estudio matemático para relacionar la imbibición con la
extracción, considerando que el bagazo a la salida de cada molino llega a un límite de
contenido de fibra. En dicho estudio, se concluye que para un molino donde no se aplique
agua (presión seca), la extracción de jugo (relación jugo extraído/jugo a la entrada) sería:
m-f e " m ( 1 - f )
donde:
e = Extracción
m = Fibra límite en bagazo (cercana a 50%)
f- Fibra en caña
Esta expresión sería equivalente a la extracción de sacarosa si la concentración de
sacarosa fuera la misma para el jugo extraído y et residual; como casi siempre aquel tiene
una concentración de sacarosa mayor, la extracción de sacarosa debe ser parecida a la
anterior, pero incluyendo un factor de corrección (a), que resulta muy cercano al rango
1.05 a 1.10, rescribiéndose:
Cz=a(m-f)
m(1-f)
En un molino donde se aplica agua (presión húmeda), Hugot considera que la
compresión anterior al molino por calcular hizo llegar al bagazo a una fibra % límite, que
considera cercana a 50%, y que la extracción por calcular llegará al mismo límite,
resultando la extracción para un molino:
wm /(1 -m) + wm
72
donde:
w = Cantidad de agua de imbibición aplicada.
La relación agua de imbibición a fibra {X) es la que realmente caracteriza la imbibición:
- 7
al involucrarse éste término, la extracción húmeda resulta:
Xm 1-m+Xm
Esta ecuación demuestra que la eficiencia de la imbibición solo es función de la relación
agua en fibra y no agua en caña.
Antes de avanzar debe anotarse una observación interesante: El agua de imbibición no
tiene un mezclado perfecto con el jugo presente en el bagazo, por lo cual debe incluirse
un segundo factor de corrección (p), que corresponde a la fracción de jugo en bagazo
que si se mezcla con el agua de imbibición, que por supuesto será menor a 1, pues
existen celdas sin romper que contienen jugo y el bagazo dificulta el mezclado.
Para calcular la extracción con presión seca seguida de presiones húmedas, es decir,
imbibición simple múltiple, se combinan las ecuaciones anteriores, resuKando como sigue
la expresión para la extracción:
a ( m - f ) e = — - +
m(\-f)
* q ( /n-0 md-f)
[1-(1-Pr)"j
donde:
Xm r =
1-m + A/n
a = corrección por caída de sacarosa en jugo (1.05 a 1.10)
73
p = fracción de jugo del bagazo que sí se mezcla
X = relación de la cantidad de agua aplicada a la cantidad de fibra.
m = fibra en bagazo al terminar la presión seca.
n = molinos donde se aplica agua.
f = fibra % de caña.
Por tratarse de imbibición con agua o jugo diluido, el cálculo de la extracción para la
imbibición compuesta cambia, aunque con tas mismas condiciones y variables,
resultando la siguiente expresión:
a ( m - f ) m(1 -0
•j a ( m - Q A " - 1 • K • •
Xn+1-1
Esta ecuación no involucra la eficiencia de la dilución (P)¡ para ello debe realizarse la
sustitución:
x - pr
1-pr
Hugot recomienda valores para p de 0.6 a 0.8 para el agua a presión y de 0.5 a 0.7 para
jugos. Las ecuaciones de extracción para la imbibición simple y la compuesta son muy
adecuadas para efectos comparativos, sus tendencias se acercan a lo sucedido en ta
práctica.
6.7 SIMULACIÓN DE LA EXTRACCIÓN DE SOLIDOS DISUELTOS AL MODIFICAR
LA IMBIBICIÓN.
Para obtener un criterio de comparación con carácter teórico-científico, sobre los cambios
que se pueden esperar al elegir una manera de aplicar la imbibición y al aumentar o
disminuir la cantidad de agua, las proporciones de aplicación entre un punto y otro, etc.,
puede resultar benéfico el uso de un simulador del área de extracción.
74
En la industria mundial existen diversos modelos de simulación; sin embargo, para la
realización de éste trabajo práctico no se contó con una herramienta rigurosa para simular
la extracción, solo las recomendaciones de Hugot. Por esta razón, se tomó la decisión de
intentar modelar la extracción en una forma sencilla, que no necesitara un proceso
experimental extenso y que más que tener un carácter cuantitativo exacto, cumpliera
como norma comparativa para la toma de decisiones sobre sistema y cantidades de agua
a aplicar.
De ésta manera, se procedió a plantear las ecuaciones correspondientes a los balances
de materia para cada caso, se creó una secuencia de cálculo y los resultados se
asemejaron a lo sucedido en el tándem del Ingenio Independencia. En todos los casos se
trata la extracción de los sólidos solubles y no de la sacarosa, lo cual es menos
complicado y cumple con los objetivos comparativos deseados.
6.7.1 Consideraciones iniciales
Como se mencionó con anterioridad, los cálculos de Hugot ofrecen resultados
aproximados a la realidad. Sin embargo, la base de sus procedimientos (la fibra límite)
puede no ser tan real (como Hugot mismo lo señala), principalmente al considerar que se
presentará en todos los bagazos que abandonan cada molino. No obstante, Hugot marcó
la pauta de seguir una condición esperada del bagazo.
En México, uno de los métodos tradicionales en el cálculo del ajuste de molinos es el de
la compañía norteamericana Farrel (dedicada desde hace varios años a la fabricación de
maquinaria para la industria azucarera). En los boletines al respecto, se menciona que de
un tándem bien ajustado se pueden esperar ciertos valores de humedad porcentual en el
bagazo (que se encuentran reportados en tos boletines al respecto), con lo cual inicia el
cálculo del setting.
Por lo tanto, podemos suponer que si un tándem opera bien ajustado, el contenido de
humedad en el bagazo deberá aproximarse a los valores de humedad esperada para el
setting.
75
En el boletín donde se ha consultado el método Farrel (312-B, Farrel Sugar Cane
Machinery), la información mencionada se concentra en molinos de tres mazas con
desmenuzadora (o primer molino) de dos o tres mazas y hasta siete molinos en el
tándem; se sugiere para efectos de aplicación del modelo obtener una referencia
correspondiente a las bases del cálculo del setting.
Con éstas bases, se procedió a plantear las ecuaciones correspondientes a los casos
donde el molino no recibe imbibición, recibe agua o jugo diluido. Dichas ecuaciones soto
se concretan a balancear los sólidos disueltos (en cuanto a materia por extraer se
refiere); aunque es conocido que mientras más sólidos se extraen más se extrae
sacarosa (aunque no en igual proporción), sería necesario establecer una relación entre
la concentración de sacarosa y la de sólidos, que en primera instancia puede ser algún
dato de pureza, pero que puede ser tan riguroso que se adecue a la cantidad de sólidos
extraídos y la diminución paulatina de la pureza a medida que más se extrae. Sin
embargo, por requerirse únicamente la simulación como parámetro comparativo, con la
extracción de sólidos es suficiente.
6.7.2 Desarrollo de ecuaciones.
La humedad de cada bagazo es el único valor que no se considerará variable con
respecto a la operación. En cuanto a la materia prima, se considerará que el contenido de
sólidos en el guarapo en el bagazo menos el agua absorbida de la imbibición es
constante a lo largo del tándem e igual al brix del jugo absoluto, el cual normalmente varía
aproximadamente 3% (del inicio al final). Para efectos de cálculo, se considerará que la
cantidad de caña es igual a la unidad (= 1). Debe tomarse en cuenta que las cantidades
que usualmente se utilizan como porcentuales se utilizan en ésta parte como fracciones
(tales como fibra, brix, humedad, etc.). Las variables utilizadas son las siguientes:
f= fibra en caña
Bx = Brix del jugo absoluto
BxPí = Brix del jugo extraído en el molino /
J¡ = Peso del jugo extraído en /
Jb = Peso del jugo remanente en el bagazo /
76
H¡ = Humedad esperada en el bagazo / (salida del molino /)
BXj = Brix del jugo residual en el bagazo i
W~ Relación de agua a fibra aplicada al tándem
w, = Relación de agua a fibra aplicada previa al molino i
Primer molino.
La condición más normal es que el primer molino opere a presión seca;
esquemáticamente, el molino se representaría así:
Fig. 6.7 Balance del primer molino.
y los balances correspondientes serían:
Balance general 1= J, +6, ... (1)
Balance de sólidos ( t - f )Bx = ^Bx, + Jb]Bx¡ ... (2)
Los sólidos solubles presentes en el bagazo (J^fix,), se pueden hallar restándole al
bagazo la fibra y el agua (utilizando la humedad esperada).
J^Bxi=b,-f-H& ...(3)
Sustituyendo (3) en (2)...
(1-f)Bx = J,Bx, +Jb, -f + H,b, ... (4)
77
Sustituyendo b^ de (1) en (4)...
(1-0Sx = J l e x l + 1 - J l - f + H1(i-J1) ...(5)
Despejando Jy de 5 ...
( B x ^ D Q - f ) ^
El balance en el primer molino se facilita por no recibir imbibición, pero en aquellos donde
antes de la compresión se aplica agua o jugo diluido, es necesario tomar en cuenta la
entrada de otra sustancia y la consideración de la efectividad de la mezcla entre el liquido
de imbibición y el jugo remanente en el bagazo.
Molino i con imbibición de agua
La representación del molino se modifica para ilustrar que se aplica agua (w¡).
u Fig. 6.8 Molino con imbibición de agua.
y los balances correspondientes serían:
Balance general b M + w¡ = J¡ + b¡ ... (7)
Balance de sólidos * V 1S X M
= 4 S x ¡ + 4 > ;B X Í ••• (8)
78
Como en el cálculo del primer molino, los sólidos solubles presentes en el bagazo
(JbBXj), se sustituirán.
J.Bx^bt-f-Hfr ... (9)
Sustituyendo (9) en (8)...
J^Bx^^JtBx'i+bi-f-Hfr ...(10)
Sustituyendo 6M de (7) en (10)...
J^Bx^^Jfix't+b^+Wt-Jt-Hfi^-H^+H^-f ...(11)
Despejando J¡ de 11
J=4MBxM+(H,-1)(¿>M+w,) + f
Bx;+Hf-1 -(12)
de ésta ecuación, todas las variables son conocidas, excepto el grado brix del jugo
extraído, el cual se calculará bajo la siguiente consideración: Antes de recibir la imbibición,
el bagazo que se dirige al molino i posee una fracción de sólidos disueltos BxM- Se
considerará que solo puede mezclarse, de dicho jugo, una fracción # con el agua
aplicada, que será una medida directa de la eficiencia de la mezcla.
Jugo que se mezcla
Jugo que no so mezcla
Fibra !
(Fracción
I f J
+ . ~zr::: ^ r: i
-• '1Z •'.!. . '•*_ '
Bagazo original Agua aplicada Bagazo no mezclado Jugo por extraer
Fig. 6.9 Mezcla del agua de imbibición y el bagazo.
El factor de mezcla u depende de muchos factores. Como se ha mencionado, mientras
más fuerte es la preparación de la caña, el efecto del agua es mayor, pues existe más
79
jugo disponible de mezclarse. Por lo tanto, la eficiencia de la mezcla depende
directamente de la preparación, la cual va acompletándose cuando más pasos por los
molinos lleva el bagazo. Por otra parte, la mezcla del agua y el jugo es mayor cuanto
mayor es la concentración de sólidos en el jugo y cuando es mecánicamente mejor
distribuido el líquido de imbibición en el colchón de bagazo. Iguafmente, todos los demás
factores que influyen en la extracción afectan la eficiencia de la mezcla efectuada en la
imbibición. El factor puede considerarse particular para cada molino, o uno solo para todo
el tándem, para ambos casos las ecuaciones son suficientes
Si la mezcla del jugo del bagazo y el agua fuera perfecta (//, igual a 1), el bríx del jugo
extraído sería el que arrojara un balance de materia simple, pero la imperfección de dicha
mezcla sugieren se calcule del bríx para el jugo extraído (o por extraer) relacionando los
sólidos solubles que intervienen en la mezcla con la suma del jugo que interviene en la
mezcla y el agua aplicada, es decir:
. u¡Jb Bx¡. Bx¡ = H' "M ' 1 ...(13)
Si ésta cantidad se calcula junto con la cantidad de jugo extraído, la obtención del bríx en
el jugo remanente en el bagazo, luego de la extracción, puede obtenerse por balance,
considerando que el agua aplicada que quedó en el bagazo luego de la compresión si se
mezcla completamente.
Jh Bx¡ * — J¡Bx¡ de (8)... Bx; = V l ' 1— '—!- ... (14)
donde Jb¡ puede obtenerse del balance general correspondiente al molino:
4>M+w, =4+%/6| - ( 1 5 )
80
Molino /con imbibición de jugo extraído del molino ;+1
Finalmente, la ilustración de éste molino es la siguiente:
Fig. 6.10 Molino con imbibición de jugo diluido
los balances correspondientes son:
Balance general f?M +JM = J¡ + b¡ ... (16)
Balance de sólidos Jb¡ B x M + Jb BxM - J2Bx'j + JbBx¡ — (17)
Por un procedimiento similar al anterior, fácilmente se puede obtener la cantidad de jugo
extraído en el molino /':
j = Jb'-Bx¡ +J'^BXM +{H' -Wi-i + JM)+f m )
' 0x ( -+H ( -1 "K
Al iguat que para la imbibición con agua, los cálculos deben verse afectados por el factor
de mezcla. Análogamente a tal procedimiento, el cálculo del brix para el jugo por extraer
puede realizarse con la siguiente ecuación:
uJh Bx¡ 1 + Jb BxM
B = ^ M — M bn—^1 _ ( 1 9 )
81
y para el cálculo del brix del jugo remanente:
Bx = ^ - i B x ' - 1 + J ' * t B x ' + * ~ J ' B x ' (20)
La cantidad de jugo remanente se puede calcular a partir del balance de líquidos:
Jbi_i+JM=Ji+Jb¡ ...(21)
De manera análoga, si el jugo aplicado no es el extraído en el molino /+1, solo hará falta
sustituir las variables correspondientes.
6.7.3 Secuencias de cálculo
Para complementar las ecuaciones con las cuales se logra simular con cierta
aproximación lo sucedido en los molinos con su respectiva imbibición, se procedió a
elaborar los programas correspondientes a los distintos sistemas de imbibición.
Por no tratarse de un fin preponderante en la elaboración de éste trabajo, solo se
muestran los diagramas de flujo para el cálculo de la imbibición simple y la compuesta
múltiples (Fig. 6.11), omitiendo la secuencia de cálculo del primer molino, cuyo cálculo no
presenta problemas por no efectuarse ninguna mezcla.
El cálculo de la imbibición simple hace necesaria el uso del factor de mezcla, el cual
puede ser el mismo en todo el tándem o puede variar entre cada molino. El cálculo de la
imbibición compuesta se dificulta, pues para conocer la extracción en el molino /', hace
falta conocer las condiciones del jugo extraído del molino i+1, cuyo cálculo requiere las
condiciones del bagazo obtenido en el molino i. Por ello, es necesario efectuar
iteraciones, de manera que las variables se ajusten hasta que no cambien y los balances
se verifiquen.
DIAGRAMAS DE FLUJO PARA SIMULAR LA EXTRACCIÓN DE SOLIDOS
TANDEM DE n MOLINOS
IMBIBICIÓN SIMPLE
MULTIPLE
ecuación (13)
ecuación (12)
ecuación (15)
ecuación (14)
ecuación (7)
Inicio
/ Solicitar I /dalos de caña/
y sistema /
T Calcular el
jugo y bagazo del primer molino
/ = 1
i / = / + 1
1 Calcular el brix
del jugo extraído
i Calcular el
jugo extraído
i Calcular el
jugo no extraído
4 Calcular el brix jugo no extraído
i Calcular el
bagazo, balance
<¿es / = n?>— 3
st
Mostrar resultados
Fin
IMBIBICIÓN COMPUESTA
MULTIPLE
ecuación (19)
ecuación (18)
ecuación (21)
ecuación (20)
ecuación (16)
J¿= Jugo de comparación entre iteraciones
J2- Jugo extraído en el molino 2
/ = Número del molino en cálculo
n = Número de molinos en lándem
e = variación máxima permitida de J^ entre iteraciones
Inicio
~T / Solicitar
/datos de caftaJ y sistema /
i Calcular el
jugo y bagazo del primer molino
T Hacer J^fJj
J. i=^
i=i *t
Calcular el brix del jugo extraido
Calcular el Jugo extraído
I Calcular el
jugonoextrardo
X
Rg. 6.11
83
6.7.4 Simulación con datos del Ingenio Independencia.
Para probar la simulación de la extracción de sólidos se utilizaron valores semanales del
Informe Oficial de Corrida del Ingenio Independencia, iniciando con los correspondientes a
la Zafra 1996, en la cual se aplicó una imbibición especial, que consistió en aplicar agua
para los molinos 3, 4 y 5, y el jugo extraído del molino 5 en el bagazo procesado en el
molino 2. Para ello, se consultaron las humedades probables del bagazo en la
información de Farrel.
Tabla 6.2 Humedades en bagazo esperadas en los molinos de Independencia.
Molino
Humedad esperada %
1
67
2
58
3
53
4
50
5
48
Los datos proporcionados fueron los de la caña y la cantidad de agua aplicada, variando
el factor de mezcla global (uniforme para todos los molinos), hasta que la extracción
calculada se asemejara a la real. Los factores hallados resultaron cercanos entre sí, su
promedio se encontró cercano a 0.620, con una desviación estándar de
aproximadamente 0.033. Si las condiciones de la caña fueran más estables, muy
probablemente se obtendría una menor dispersión, puesto que el factor de mezcla
depende de las concentraciones de sólidos del guarapo.
Al analizar de manera similar los datos semanales de la Zafra 1995 (en la cual se aplicó
imbibición simple), se observó el aumento del factor de mezcla con respecto al brix, lo
cual se ajustó por mínimos cuadrados de primer orden, obteniéndose un coeficiente de
regresión de 0.838. Esta observación, junto con la gráfica correspondiente (Fig. 6.12),
muestran el aumento proporcional del factor de mezcla con respecto al brix del jugo
absoluto.
Los resultados sugieren que los factores de mezcla sean distintos entre cada molino,
pues cada bagazo contiene jugos con diferentes concentraciones de sólidos; sin
84
embargo, para lograr predecir con cierta precisión los factores de mezcla
correspondientes a cada molino y para cierto brix del jugo en el bagazo, haría falta realizar
análisis más profundos en cada molino, con distintas concentraciones, etc..
FACTOR DE MEZCLA GLOBAL
0.78
0.71
0.66
0.61
0.56
14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 BRIX DEL JUGO ABSOLUTO
Fig. 6.12 Variación del factor de mezcla global con el brix del jugo (imbibición simple).
Uno de los objetivos principales de cualquier modelo de simulación es el observar como
se comportaría un sistema bajo distintas condiciones, para contribuir a la toma de
decisiones. Aun sin profundizar en el análisis de la efectividad de la mezcla que
corresponde para cada molino y tipo de imbibición, considerando constante el factor
global con respecto al tipo de sistema aplicado, se procedió a calcular la extracción en
función de la cantidad de agua aplicada para cada tipo de imbibición, utilizando los datos
de Corrida de la semana 10 de la Zafra 1996.
Tabla 6.3 Datos utilizados para la simulación.
Fibra en caña
Brix del jugo absoluto
Factor de mezcla global
14.62 %
15.54%
0.626
Al graficarse los resultados de la simulación (Fig. 6.13), se distingue claramente el
beneficio de aplicar la imbibición de mayor extracción (compuesta). La imbibición especial
corresponde al sistema aplicado en la Zafra 1996, que consiste en aplicar agua para los
molinos 3,4 y 5, y el jugo extraído del molino 5 en el bagazo procesado en el molino 2.
I • j
• CetoJedo —Ajustado
85
100
95
90
85
80
75
EXTRACCIÓN DE SOLIDOS %
¡ T " " | n f -_ • — -
« i r ' í ¡
IMBIBICIÓN —Sñrple —Conquesta —C.lntennedn —Especial
50 350 100 150 200 250 300
AGUA DE IMBIBICIÓN % DE FIBRA
Fig. 6.13 Resultados de la simulación de la extracción de sólidos
De igual manera que se compararon los tipos de imbibición, se puede simular la variación
de la extracción con respecto a las características de la caña, a distintos factores de
mezcla, etc.
6.8 OBSERVACIONES ADICIONALES A LA IMBIBICIÓN
La eficacia de la imbibición depende estrechamente del grado de preparación que recibe
la caña antes de la extracción. Esta relación deberá ser muy tomada en cuenta, sobre
todo si se estudia el aumento de la extracción contra la cantidad de agua, pues a menor
preparación la extracción máxima se obtendrá con menos agua con respecto a un
sistema con preparación mejor. Por otra parte, si la preparación es excesiva, una
imbibición muy alta puede provocar problemas de alimentación a los molinos.
Meade (1965), menciona que es más efectiva et agua aplicada a presión que las duchas.
Añade, que los líquidos nunca penetran hasta la superficie inferior del colchón, sin
importar donde ni como se apliquen, lo cual está relacionado con la rapidez de absorción
del bagazo. En muchos molinos, en la entrega de la maza bagacera se encuentra el
peine raspador correspondiente, sobre el cual el bagazo se mueve mucho más que al
pasar al conductor intermedio. Ese punto es muy recomendable si se desea aplicar agua,
pues el colchón de bagazo se moja con uniformidad.
86
VII PROPUESTA DE MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE IMBIBICIÓN ACTUAL
En el capítulo anterior se profundizaron los conocimientos sobre la imbibición, en lo
referente a sus formas de aplicación, tas condiciones del agua y el equipo requerido para
su aplicación.
Algunas ideas han quedado muy claras, como el beneficio que representa para la
extracción la imbibición compuesta sobre la simple, la menor dificultad para aplicar ésta y
no la compuesta, el aumento en la extracción al usar agua caliente, el aplicar una
cantidad de agua económica y operativamente adecuada, entre otros. Todas éstas
consideraciones nos llevan a reflexionar sobre la modificación de equipos y condiciones
de operación, o preferir conservar equipos y procedimientos como están.
Para tomar una decisión adecuada sobre las posibles mejoras, sea cual fuere el proceso
o la operación, es necesario, tal como se ha realizado, conocer los factores involucrados
en el medio y los beneficios que aportaría el cambio. Sin embargo, los argumentos para la
toma de (a decisión no quedan ahí, es necesario también:
1.- Considerar los efectos negativos de la modificación, dentro y fuera del sistema, que
llegaran a provocar problemas de producción, riesgos, mayores insumos o que se
hicieran necesarios más trabajos.
2.~ Investigar si pudiera existir uno o más beneficios adicionales a dicha modificación, lo
cual resultaría antagónico al punto anterior.
3.- Conocer la viabilidad de contar con los equipos y servicios adecuados para la
operación con las condiciones modificadas.
Aunque la lectura de éste trabajo sugiere muchos aspectos posibles de mejora, la única
posible modificación de las que se tratará es la aplicación de agua de imbibición caliente,
87
pues se trata de una variable cuya apreciación pueden llevar a mejoras en el proceso, sin
modificar drásticamente las condiciones actuales.
De esta manera, con los antecedentes visualizados en los capítulos anteriores, se puede
concluir que el beneficio que aporta la aplicación de la imbibición con agua caliente es
suficiente para ser estudiado desde el punto de vista de su instalación. Por ello, nos
adentraremos a cubrir los aspectos inherentes a la modificación, tomando en cuenta los
factores necesarios para su realización y los posibles efectos secundarios que pudieran
presentarse.
7.1 SISTEMA DE IMBIBICIÓN ACTUAL
El Ingenio Independencia cuenta con equipo para aplicar imbibición simple y compuesta.
El agua abastecida cuenta con dos líneas, una de agua caliente (que no abastece los
suficiente) y una de agua fría. Ambas líneas descargan en dos tanques, donde se
estabiliza la temperatura y por un sistema nivel-descarga se contabiliza el agua, la cual
desciende por gravedad a un tanque rectangular, del cual el agua es bombeada mediante
una red de tuberías a los puntos donde se desea aplicar, localizados a la salida de los
molinos correspondientes. El agua llega a un cabezal con cinco boquillas que esparcen el
agua en abanico; al distribuirse el agua solo a lo ancho de los conductores intermedios, el
flujo por unidad de área es el adecuado para que logre penetrar el agua en el bagazo. El
tanque del cual se bombea el agua cuenta con un termómetro.
El jugo extraído llega a los tanques receptores mediante canales. Para aplicar imbibición
compuesta se cuenta con bombas inatascables y una red de tuberías adecuada. Para
transportar el jugo se cuenta con un cabezal en cada punto a aplicar, el cual descarga en
una charola en la que el rebose del jugo cae al bagazo. La distribución del jugo diluido a lo
ancho del colchón de bagazo es muy eficiente. Sin embargo, en las Zafras 93-94 a 95-96
no se ha aplicado la imbibición compuesta, aunque si en otros años y con buenos
resultados.
Actualmente, el agua de imbibición se aplica entre 30 y 45°C y su cantidad suele ser
variable, tendiendo a ser del 200% de la fibra. Desde hace tiempo se ha estado tratando
88
de mantener esa proporción de agua, pues se ha observado buenos resultados. Se
propone que se aplique agua de imbibición caliente, mínimo a 75 y máximo a 85°C
(preferentemente a 80°C), para aumentar la extracción en el tándem, así como un control
más estricto de fa cantidad de agua a aplicar.
7.2 CONTRAPOSICIONES DE LA IMBIBICIÓN EN CALIENTE
Mayor extracción de ceras.
Al mencionar las posibles consecuencias del uso de la imbibición caliente, es muy común
el recibir el comentario referente al supuesto inconveniente de extraer una cantidad
considerable de ceras que se presenten en el jugo mezclado.
Dicha preocupación, se debe a que en la epidermis, la caña contiene cierta cantidad de
cera, en mayor proporción en la zona llamada "anillo de cera", localizada bajo el nudo.
Como todos los componentes de la caña, la variedad determina la cantidad de cera
presente en el fruto.
Las ceras poseen puntos de fusión entre 60 y 80°C, principalmente cercanos a 70°C, por
lo que si la imbibición es muy alta en cantidad y temperatura, podría considerarse que la
extracción de ceras resultara importante, lo cual provocaría algunas dificultades en la
filtración y clarificación del guarapo (aunque no mayores).
Sin embargo, esto no es del todo cierto. Honig, mediante experimentos realizados en
Java, concluyó que la imbibición con agua caliente de 85 a 95°C no extrae más cera que
la aplicación de agua a 28°C (Mugot, 1963). La extracción de ceras resulta entre 30 y
40%, pero sin efectos mayores debidos a la temperatura. Esto se debe a que la
desintegración sufrida por el bagazo juega un papel favorable, puesto que dicho bagazo
retiene una proporción considerable de las sustancias que dificultan la filtrabilidad del
jugo, y según Hugot, incluso cuando la preparación de la caña es excesiva. Por ello debe
considerarse perjudicial la imbibición en caliente en lo que a la extracción de sustancias
indeseables se refiere.
89
Los molinos no se alimentan en forma adecuada.
En alguna publicaciones se señala que los molinos toman con mayor dificultad el bagazo
procesado con imbibición caliente. Esto se puede deber a la mayor preparación del
bagazo debido a la desintegración de algunas celdillas, lo cual ocasiona que pueda
deslizarse en la superficie de los molinos. Por otro lado, el problema solo es significativo
cuando los molinos son operados más allá de su capacidad, por lo que si los molinos
están bien ajustados y operan de acuerdo a su capacidad no deberán mostrar dificultad
para moler con imbibición caliente.
Además, con la operación de molinos con dispositivos de alimentación eficientes, se
asegura un régimen de molienda constante en lo que al tándem se refiere. En
Independencia se cuenta con un rodillo alimentador en cada molino, lo cual minimiza la
posibilidad de alimentación difícil de los molinos. Si se presenta el problema, puede ser
disminuir con la aplicación de soldadura especial para recubrir la dentadura de las mazas.
Se facilita el crecimiento de organismos productores de dextrano.
Muchos de los microorganismos comunes muestran un crecimiento óptimo arriba de
20°C, los agentes de éste tipo presentes en el jugo de caña no son la excepción. Los tres
más importantes muestran un crecimiento mayor en el jugo tibio.
Tabia 7.1 Temperaturas óptimas para el crecimiento de bacterias importantes en el guarapo
Bacterias
Leuconostoc menesteroides
Aerobacter aerogenes
Bacillus mesentericus
Temperatura óptima (°C)
20-25
30
37
De las tres bacterias citadas, sin duda la más importante en la fabricación de azúcar
resulta ser la Leuconostoc menesteroides, no solo por lograr descomponer la sacarosa
sino también por provocar (mediante la acción de la enzima dextranosacarasa) la
90
formación de dextrano, polisacárido que provoca varios problemas en la fabricadón de
azúcar, como el incrementar la viscosidad de los jugos, que entorpece la clarificación;
elevar el carácter dextrorrotatorio de las soluciones, lo cuál hace que los análisis no sean
correctos; produdr alargamiento de los cristales y el crecimiento de granos falsos, etc.. El
carácter áddo del guarapo reduce la actividad del Leuconostoc, y las condidones menos
favorables para su crecimiento se encuentran a temperaturas mayores a 65°C en medios
ligeramente ácidos; sin embargo, si el agua se aplica caliente y no se calienta el guarapo
dertamente pueden presentarse condiciones cercanas a las ideales para el crecimiento
microbiano.
Aunque dertamente el problema de la actividad microbiana no va a favor de la aplicación
de agua caliente, con cualquier condidón para el agua es necesario tener un control
microbiologic© mediante el uso de bactericidas, que representa el remedio más eficaz
contra la presencia microbiana.
Aunado a la acción química de los bactericidas, es necesario un manejo aséptico de los
molinos, para lo cual se recomienda programar y efectuar la aplicación de chorros de
vapor en los transportadores y los molinos. En caso de existir paros programados se
debe tomar en cuenta la limpieza de la tan quería de guarapo. En la construcción de
canales y tanques receptores se deberá preferir las esquinas redondeadas a las rectas,
pues éstas muestran crecimientos microbianos más altos.
Además de los bactericidas, otra herramienta útil sería el uso de la enzima dextranasa,
que aunque no actúa en contra de las bacterias, separa las dextranas para formar
monosacárídos, disminuyendo en partes el problema de la dextrana, aunque no el de las
pérdidas de sacarosa por inversión.
Parte del agua se evapora, por lo que los datos de los contadores no son muy exactos.
El jugo mezclado se bombea a las áreas de elaboración, donde antes que nada se
cuantifica su peso. Si parte del agua se evapora, la medidón de las básculas será la
correcta, pero no representará todo el jugo mezclado extraído. Por otra parte, resulta una
gran ventaja que parte del agua del jugo mezdado se evapore, pues toda el agua
91
evaporada es agua que no se tendrá que transportar, calentar ni evaporar, lo cual se
refleja en un ahorro pequeño de energía.
Porta A. (1955) señala que la pérdida de agua en el jugo debida a la evaporación se
estima entre 1 y 2%, cuando se aplica imbibición fría o templada; en tanto que con la
imbibición caliente, dicha pérdida de agua suele ser de 4 a 5% que, como se señaló, en
lugar de representar un problema complejo, facilita las etapas subsecuentes.
7.3 EFECTOS ADICIONALES FAVORABLES
Se logra alguna economía en cuanto a transmisión de calor.
En algunos Ingenios, posterior a la extracción, el jugo se calienta para iniciar los
procedimientos de clarificación, lo cual resulta más fácil si se usa agua caliente para la
imbibición, pues la temperatura del jugo será un poco mayor y no se necesitaría tanta
energía para calentarlo hasta las condiciones requerida.
Como anteriormente se mencionó, la evaporación de parte del agua del jugo mezclado
también contribuye a un ahorro de energía.
Ligera evaporación del agua en el bagazo
Ei combustible alternativo por excelencia usado en los Ingenios azucareros es el bagazo,
cuyo elevado contenido en celulosa lo hace apto para tai función, por el contrarío, la
presencia de agua en el bagazo resulta contraproducente, pues no aporta nada como
combustible, sino que al encontrarse las calderas a altas temperaturas se evapora y se
sobrecalienta, lo cual absorbe calor que ya no es aprovechado. Es así, que el bagazo
preferido es aquel que tiene menor humedad. En algunas fábricas se cuenta con equipos
para lograr menores humedades en el bagazo, pero de no ser así, la aplicación de agua
de imbibición caliente ayuda a disminuir la humedad del bagazo, pues éste sale del
tándem a temperaturas mayores que las que tendría al mojarse con agua fría, lo cual
provoca que parte del agua se evapore, resultando al final un ahorro de combustible.
92
Mejoran los procesos de clarificación.
El objetivo principal en el tratamiento de los jugos es eliminar tantos no-azúcares como
sea posible, con la restricción de no destruir cantidades considerables de sacarosa ni
azúcares reductores. Existen muchos sistemas de clarificación, y sobre todo los
tradicionales, que se llevan a cabo a temperaturas de jugo mezclado mayores a la que
posee éste en la extracción.
En Independencia, el jugo mezclado inicia su clarificación con un proceso de sulfitación,
donde el gas proveniente de la combustión del azufre, el anhídrido sulfuroso, actúa en el
jugo con un efecto blanqueador, desinfectante y de formación de sustancias insolubles. El
jugo mezclado proveniente de una molienda con imbibición caliente posee una
temperatura mayor a la usual, pero este factor resulta en beneficio de la sulfitación.
La sustancia principalmente separada del jugo que recibe sulfitación es el suífrto de calcio
(CaS03), y para fortuna de la imbibición caliente, posee solubilidad invertida, es decir, a
mayor temperatura es menos soluble. En caso de existir un sistema de calentamiento de
jugo previo al tratamiento, el beneficio será un cierto ahorro de energía, pero en
Independencia se aplica la sulfitación a la temperatura que llega el jugo mezclado, por lo
que otro beneficio de la imbibición en caliente será el aplicar mejor la sulfitación, la cual, si
se efectúa previa a la alcalización, suele considerarse óptima entre a 75°C (Chen, 1991),
y aunque ésta temperatura no se obtendrá solo con la imbibición caliente, mientras más
cercano esté el jugo a tal rango de temperaturas será mejor la clarificación.
7.4 PROPUESTA DEL SISTEMA PARA APLICAR LA IMBIBICIÓN EN CALIENTE
Para lograr el suministro del agua de imbibición caliente, se propone sustituir el suministro
de agua tibia por agua más caliente, la cual puede ser suministrada por el circuito de agua
de calderas.
Se propone instalar una derivación del circuito de agua de calderas, a la salida del tanque
deareador. Este tanque recibe condensados, agua tratada y vapor, su función es separar
los gases incondensables del agua que abastece las calderas. En condiciones normales,
93
el agua del deareador se encuentra alrededor de 92°C, por lo que puede alimentar los
tanques de estabilización de temperatura y contabilización del agua.
Además de tos mencionados beneficios que aporta el agua caliente, el hecho de usar
agua de calderas posee los siguientes beneficios adicionales:
-Disminución en la presencia bacteriana en el agua.
-Disminución del contenido de sales en el jugo mezclado.
Con tos antecedentes que señalaron una mejor extracción al usar agua caliente, la
consideración de las contraposiciones y los beneficios adicionales, no queda mas que
estudiar las condiciones que se requieren modificar y el aspecto económico de la
implementación.
94
VIII MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE IMBIBICIÓN ACTUAL
La modificación del sistema de imbibición existente consiste en mantener agua para
aplicar a un mínimo de 75°C, sin sobrepasar los 85°C. Actualmente, se utiliza en la
imbibición una parte de agua de condensados impuros, que no pueden entrar a la
circulación del agua de calderas. Aunque la temperatura de los condensados impuros
puede cumplir con los requisitos, normalmente la cantidad de agua no es suficiente y en
ocasiones ni siquiera se cuenta con la línea disponible, por lo que la imbibición no se
aplica a las condiciones recomendadas, al tener que recurrir a una corriente de agua fría.
Para asegurar el suministro, se tomará agua caliente del tanque deareador del área de
calderas y agua templada de la línea actualmente instalada. La mezcla adecuada de
éstas corrientes estabilizará la temperatura del agua de imbibición, y con el aporte del
agua del deareador se garantizarán las condiciones deseadas.
8.1 DISTRIBUCIÓN ACTUAL DEL AGUA EN LA FABRICA
Actualmente, se alimenta agua al Ingenio tomada del río que se encuentra muy cercano a
las instalaciones o de pozos, se cuenta con tres descargas. Sin embargo, la fábrica puede
ser autosuficiente en el consumo de agua si se separan circuitos individuales que
reutilicen el agua. Esto es realizable, pues la materia prima introduce al proceso una
cantidad considerable de agua (que si se reutiliza no se deberá adquirir), reduciéndose el
problema de pago por uso de agua solo a los efluentes, siempre y cuando se cuente con
lo necesario para reciclar suficiente agua, tratándola según se requiera.
Para obtener una mejor distribución del agua y evitar su consumo, se ha analizando en el
Ingenio la manera de trabajar con circuitos independientes que reutilicen el agua. Uno de
los circuitos en cuestión es el del agua de calderas, el cual trabaja actualmente de
manera muy eficiente, pues utiliza una buena cantidad de los condensados del agua
95
Linea propuesta
Lineas existentes
COMPAÑÍA AZUCARERA INDEPENDENCIA, SA. DEC.V.
ABASTECIMIENTO DE AGUA A MOLINOS (PROYECTO)
DIB. ALBERTO A. VEGA M.
REV. TEC. ENRIQUE. PEREZ B.
APR. ING. VALENTIN OCHOA S.
ACQT.; METROS
ESCALA: 1:1S0
JULIO/1996
PLANO No.
1460
evaporada en las etapas de concentración del guarapo. Es de éste circuito de donde se
abastecerá la línea nueva de agua caliente a molinos.
8.2 EQUIPO REQUERIDO
La temperatura del deareador se encuentra sobre 90°C, la de los condensados impuros
llega a 80°C y la del agua templada es aproximadamente 25°C y la temperatura
estabilizada se espera se encuentre entre 75 y 85°C. Se recomienda establecer un
régimen constante de agua tal que resulte ser el 200% de la cantidad de fibra en caña.
Se considera necesaria la instalación de tubería a partir del cabezal que se encuentra
debajo del deareador hasta el lugar donde entregan las dos líneas de agua que
actualmente abastecen los molinos. Para ello, se sugiere que se instale una válvula de
compuerta al inicio de la nueva tubería (válvula de pié), de manera que en cualquier
momento se logre hacer independiente el circuito del agua de calderas del agua de
imbibición. Cerca del final del recorrido, hará falta otra válvula con la que se pueda
controlar el flujo.
Por abajo del deareador pasa un grupo de tuberías, entre las cuales se encuentran las
dos que actualmente llevan el agua que se usa para la imbibición. Los racks que soportan
dichas tuberías cuentan con espacio y resistencia suficientes para que paralelamente se
instale la nueva tubería.
La longitud de la tubería requerida es de aproximadamente 125 metros, y requiere la
instalación de 14 codos de 90°, lo cual puede visualizarse en el diagrama isométríco
(plano 1460).
8.2.1 Cálculo de tubería complementaria.
La elección de la tubería del deareador a molinos no requiere gran dificultad por ser agua
caliente el fluido que se requiere transportar. Se puede utilizar tubo de acero comercial,
restando solamente determinar el diámetro que requerirá dicha tubería.
97
Generalmente es mediante criterio como se sugiere el diámetro de una tubería, lo cual no
es recomendable. Existen algunas correlaciones empíricas y nomogramas, mediante los
cuales se puede obtener una primera aproximación de la tubería que se puede instalar.
Para ello, se utilizará una ecuación para conocer el diámetro económico que conviene
elegir para su instalación, tomada del Manual del Ingeniero Químico (Perry, 1958), la cual
ha sido utilizada en el Ingenio con resultados convincentes y a continuación se presenta:
^ = 8 . 7 9 ^ -
donde:
D¡ = Diámetro económico interno
w = flujo másico en miles de Kg/hr
p = Densidad del fluido en Kg/m3
La base del cálculo será una molienda de 6,000 toneladas de caña con 15% de fibra, con
la aplicación de agua máxima de 220% de la fibra. Por to tanto, el gasto de agua
resultante es de 82,500 Kg de agua por hora. Las condiciones del agua a 90°C (condición
esperada del deareador), son:
Densidad = 965.34 Kg/m3
Viscosidad = 0.317 cP = 3.17 x 10"4 Kg/nrvs
Sustituyendo los datos en la ecuación antes citada, resulta:
82500045
P, =8.79 031
965.34031
D¡ = 7.6025 cm « 2.9931 pulg.
El diámetro interno de la tubería de 3" cédula 40 sería una elección suficiente, pero con la
tendencia por discontinuar la tubería y los accesorios de 3" y concediendo cierta
tolerancia, se prefiere la elección de tubería de 4". Solo resta saber si la diferencia de
98
presiones y alturas del cabezal del deareador y la descarga son suficientes para que se
logre contar con flujo de agua suficiente.
Para ello, se procederá a calcular el flujo máximo que puede circular por la tubería con las
condiciones planteadas, para lo cual se inicia con la ecuación de Bernoulli por unidad de
masa:
P 9c 2gc •
donde:
P = Caída de presión
Az - Diferencia de alturas
Av2 = Diferencia de los cuadrados de las velocidades
g - Constante de gravitación universal (9.81 m/s2 ó 32.17 ft/s2)
gc = Factor de proporcionalidad gravitacional (9.81 m/s2 ó 32.17 lbft/lbf s2)
hf ~ Pérdidas por fricción
We = Trabajo externo
El cálculo se efectúa considerando que no se efectúa trabajo externo sobre el fluido, por
lo que el término correspondiente desaparece, asi como el debido a las velocidades
(variación de energía cinética), pues el diámetro al inicio y al final es el mismo, por lo que
la ecuación se reescribe así:
P 9C
donde las pérdidas por fricción se deben al flujo por la tubería y a tos accesorios, las
cuales vienen dadas por la siguiente ecuación:
99
donde:
fD = Factor de fricción de Darcy
i = Longitud de la tubería
O = Diámetro de la tubería
^ K = Suma de los coeficientes de pérdidas debidas a los accesorios
v = Velocidad lineal de flujo
La caída de presión que se considerará a lo largo de la tubería es de -15 psig, y la
diferencia de alturas es de -0.19 m. Sustituyendo los valores correspondientes, se obtiene
el siguiente resultado parcial:
ü p + ^ = n l 2 5 m
es decir:
^ - ( í > - ¿ + l K ) ¿ - = 1t125m 2gc
La relación longitud a diámetro y la suma de coeficientes de pérdidas por accesorios
resultan:
— =1,222.37 y VK=18.4
Por lo que la ecuación por resolver se resume a la siguiente:
(1,22237 fD +18 .4 )— = 11125
El factor de fricción se obtiene de gráficas generalizadas (Crane, 1991), y se encuentra en
función de la rugosidad relativa de la tubería y del número de Reynolds (Re), que es una
i oo
medida adimensional de la turbulencia del flujo, y es función directa de la velocidad. Para
el flujo en una tubería, el Reynolds se define asi:
donde // es la viscosidad del fluido. Recurriendo a una gráfica para la determinación del
factor de fricción, se procedió a realizar iteraciones para hallar la velocidad máxima a la
que puede fluir el agua con las condiciones antes planteadas. El resultado es el siguiente
v«2.2m/s
Para la densidad antes descrita y el área de la tubería de aprox. 82.124 cm2, resulta un
gasto máximo de 62,785.24 Kg/hr. La primera consideración del gasto necesario es la
correspondiente a todo el flujo de agua necesario en la imbibición (para lo cual el gasto
recientemente calculado no sería suficiente), sin embargo, si el agua se presenta a 90°C y
se mezcla con agua fría (mínimo 25°C), para la aplicación a 75°C, el agua caliente solo
aportaría aproximadamente el 70% del total, lo cual corresponde a aprox. 57,750 Kg/hr de
agua caliente, lo cual resulta inferior al gasto máximo de agua caliente.
Con éste resultado se verifica que la instalación de la tubería garantiza en abasto del
agua caliente en todo momento. La situación normal será que la línea de condensados
impuros aporte por lo menos la tercera parte del flujo total, con lo cual puede reducirse
mucho más el flujo del agua del deareador a molinos.
8.3 MATERIAL PARA LA INSTALACIÓN DE LA NUEVA TUBERÍA
La instalación de la nueva tubería se simplifica pues se cuenta con espacio y estructura
para sostenerlos, solo se hace necesaria la adquisición del material a instalar y la mano
de obra. Con la ayuda del personal técnico del Ingenio se enlistó el material necesario
para la modificación.
101
Tabla 8.1 Material necesario para instalar la tubería propuesta
Tubería de acero al carbón de 4", cédula 40 125 m
Codo soldable de 4" 14 Pza
Válvula de compuerta de 4" 2 Pza
Aislamiento de fibra de vidrio para tubería 4" 125 m
Soldadura 6010 15 Kg
Carga de acetileno 1
Carga de oxígeno 1
Brida de 4" x %" 4 Pza
ñ
De igual manera que el material, se determinó que el personal necesario para la
instalación conforma una cuadrilla de cuatro personas para laborar 30 días. Sus
categorías se detallarán en el siguiente capitulo, donde se cuantificará el costo de la
modificación al sistema existente.
102
IX CONSIDERACIONES ECONÓMICAS SOBRE LA MODIFICACIÓN
Hemos visto anteriormente los beneficios de aplicar el agua en caliente, pero para la
justificación de su aplicación solo se tomará en cuenta el mejoramiento en la extracción,
pues es donde se ha centrado el trabajo y es el efecto que se presenta directamente.
Con la recuperación de azúcar y los requerimientos de personal y materiales, se
procederá a estimar de manera muy sencilla el beneficio que aporta la modificación. El
mantenimiento (principalmente en el período de Reparación), y los proyectos realizados
en Independencia suelen ser de elevada magnitud económica, y la mencionada
modificación se encuentra muy por debajo de aquellas contabilizaciones, por lo que no se
consideró necesario hacer un análisis económico riguroso, pues además de no
representar un desembolso muy grande, se espera que la modificación propuesta
muestre recuperación a muy corto plazo.
9.1 RECUPERACIÓN DE AZÚCAR
Según las experiencias recabadas y hablando de manera conservadora, al aplicar la
imbibición en caliente se espera un aumento en la extracción de Pol de 0.3%. Aunque
éste número puede no ser exacto, ha sido aceptado por el personal técnico de
Independencia para estimar la factibilidad económica de la modificación en cuestión, en
base a la información expuesta.
Para calcular cuanta más azúcar se espera obtener, se tomarán los resultados finales de
la Zafra 1996, recabados del Informe Oficial de Corrida. Dicha información es la más apta
para los efectos del cálculo, pues está referida a resultados y en menor proporción a
estimaciones, como sucede en los informes semanales.
103
Tabla 9.1 Resultados de la Zafra 95-96 en el Ingenio Independencia
Azúcar % de caña
Balance de Pol
Pérdidas en bagazo
Pérdidas en miel final
Pérdidas en cachaza
Pérdidas Indeterminadas
Pol en azúcar
Pol en caña
8.688%
% de Caña
0.944
1.036
0.067
0.182
8.662
10.891
Inicialmente, se calculará el balance tomando como base 100 toneladas de caña, lo cual
corresponde en condiciones actuales a tener 10.891 toneladas de Pol en caña, de las
cuales, si se resta la Pol perdida en la extracción (pérdidas en bagazo de 0.944), equivale
a considerar que se extraen 9.947 toneladas de Pol. Para efectos de cálculo, se
considerará que las pérdidas indeterminadas se presentan a lo largo del proceso después
de la extracción, y junto con las pérdidas en cachaza y en miel final conformarán las
pérdidas después de la extracción. También se considerará para los efectos
mencionados, que las pérdidas después de la extracción aumentan proporcionalmente
con el incremento en la extracción, lo cual no es del todo cierto, pero resulta una
consideración que le da seguridad los cálculos.
Pol en Jugo Mezclado = 9.947
Pol perdida después de la extracción = 1.285
Si la extracción aumenta Ae...
Pol aumentada enjugo mezclado = 9.947(1+¿íe)
Pérdidas aumentadas después de la extracción = 1.285-(1+¿e)
104
Al restarle a la Pol en jugo mezclado las pérdidas después de la extracción, obtendremos
la Pol en azúcar:
Pol incrementada en azúcar= 9.947 (1+Ae)- 1.285-(1+4e) = 8.662-(1+de)
lo cual equivale a considerar un aumento proporcional de la Pol en azúcar con la
extracción. Al relacionar el rendimiento con la Pol en azúcar se obtendrá el nuevo
Rendimiento esperado para posteriormente hallar su incremento. La concentración de Pol
% en azúcar antes y después se considera constante.
Rendimiento = 8 . 6 8 8 | 8 6 6 f Q ^ e + 1 )) = 8.688(¿ie + 1) \ 8.662 •
De acuerdo al aumento esperado de extracción (0.3%), el nuevo Rendimiento resulta de
8.688(1003) «8.714. La diferencia entre el Rendimiento antes y después (aprox. 0.026),
puede interpretarse como que por cada 100 toneladas de caña se obtendrán 26 Kg. de
azúcar adicionales a la producción normal.
9.2 COSTOS DEBIDOS A LA MODIFICACIÓN
Para determinar la factibilidad económica de la nueva aplicación de la imbibición es
necesario considerar por un lado los costos para cubrir las necesidades, los cuales se
integrarán al cuantificar los siguientes aspectos:
Los materiales requeridos para impíementar el equipo.
El personal necesario para realizar la implementación.
El tiempo requerido para la instalación.
Por otra parte, en nuestro caso se requiere analizar la recuperación de azúcar que se
espera, que a la larga significará una recuperación económica. Debe tomarse en cuenta
que todos los costos fueron recabados en Agosto de 1996
iC5
Los costos debidos a los materiales se resumen en ta siguiente lista, donde se detallan
cantidades y costos unitarios u totales referentes a cada material.
Tabla 9.2 Costo del material necesario para la nueva tubería
Material *
Tramo de tubería de acero at carbón de 4", cd. 40
Codosoldablede4"
Válvula de compuerta de 4"
Aislamiento de fibra de vidrio para tubería de 4"
Soldadura 6010
Carga de acetileno
Carga de oxigeno
Total 28,791.96
* Se excluyeron las bridas, empaque y sellador.
Para la instalación de la nueva tubería para el agua caliente, se considera la intervención
del personal mencionado en la siguiente lista, donde además se incluyen los salarios de
cada trabajador para su categoría (solo se necesita un trabajador de cada categoría).
Tabla 9.3 Costo del personal necesario por categorías
Cantidad
21
14Pza
2
125 m
15 Kg
1
1
Costo unitario
849.12
96.21
1,177.00
54.00
8.50
307.00
75.00
Costo total
17,831.52
1,346.94
2,354.00
6,750.00
127.50
307.00
75.00
Categoría
Soldador
Ayudante de soldador
Mecánico de segunda
Ayudante de mecánico de segunda
Total
Salario normal
65.90
39.20
62.54
28.83
196.47
106
Lo anterior señala que el costo por día del personal suma $196.47, que para (os 30 días
considerados da un total de $5,894.10 debido al personal.
La suma de tos costos, el de materiales más el de personal resulta de $34,686.06. Para
cálculos del ejercicio se considerarán $35,00.00
9.3 BENEFICIO ECONÓMICO Y RECUPERACIÓN DE LOS COSTOS
La viabilidad de la implementación en cuestión no quedará firme hasta que no se
cuantifiquen las ganancias esperadas por la modificación propuesta.
Anteriormente se concluyó que la producción de azúcar aumentará aprox. 0.260 Kg. por
tonelada de caña . Hasta el momento de realizar este estudio económico, el precio de
venta por tonelada de azúcar estándar es de $ 3,140.00 (Agosto 1996), así que el precio
por kilogramo es de $ 3.14. Con ésta información, la utilidad (L/) se puede calcular al
restar los costos de la instalación a los dividendos obtenidos por la producción adicional
de azúcar en función de las toneladas de caña molederas (TCM).
U= 3.14x0.26x TCM- 35,000
At igualar la utilidad a 0 y hallar la raíz de la ecuación resultante, se pueden obtener las
toneladas de caña por moler de manera que la inversión se recupere:
TC/W« 42,871.14
es decir, al procesar 42,871.14 toneladas de caña se recuperará la inversión.
9.4 BENEFICIOS PARA ZAFRAS POSTERIORES
Las últimas Zafras del Ingenio Independencia se han visto limitadas por la escasez de la
caña de azúcar debida a un auge temporal en los precios de otros productos agrícolas
(principalmente de los cítricos), siendo que en otros tiempos, con un abasto regular de
107
caña se ha demostrado con hechos que el Ingenio es capaz de procesar 600,000
toneladas de la gramínea o más en una Zafra cuando el abasto es el adecuado.
Confiando en un proceso de convencimiento a tos productores que ha dado resultados
favorables y buenos cultivos, se tiene como objetivo el levantamiento de la zona cañera
con lo cual aumentaría el abasto de caña para su industrialización.
En fo que a la modificación se refiere, basta decir que si la extracción efectivamente
aumenta 0.3% con la imbibición caliente, para una Zafra de 500,000 toneladas, la
producción de azúcar aumentaría 130 toneladas (con respecto al rendimiento actual), lo
que significaría en éste momento $408,200 (Agosto 1996). En caso de que el aumento de
extracción no fuera 0.3% y el rendimiento normal fuera otro, la recuperación adicional de
azúcar (P) se puede calcular con la ecuación:
RxAexTCM 100
TONELADAS DE AZÚCAR ADICIONALES 250
200
150
100
50
0 100 200 300 400 500
MILES DE TONS. DE CAÑA MOLEDERA
Fig. 9.1 Recuperación adicional de Azúcar con Rendimiento original de 8.688%.
Este beneficio que resulta muy atractivo, puede ser aun mayor si la calidad de la caña es
mejor aun, como se espera que suceda. Además, conviene recordar que existen otros
beneficios adicionales a la extracción, que es el único que se ha tomado en cuenta para el
cálculo de la recuperación de azúcar.
Aumento en la extracción (%)
—0.1 0.2
—0.3 —0.4 —0.5
108
CONCLUSIONES
En ta industrialización de la caña se debe tomar un criterio básico: El obtener la mayor
cantidad de azúcar, siempre y cuando sea un producto de calidad. De éste modo, si las
capacidades de los equipos están cubiertas en cuanto a materia prima, se necesita
aprovechar la caña de la mejor manera para obtener un rendimiento de acuerdo a las
expectativas.
El mayor rendimiento se verá garantizado sí en todo momento se da el cuidado requerido
a la sacarosa, para lo cual es necesario conocer sus propiedades y las características del
proceso, para establecer los parámetros que se deben cumplir para evitar sus pérdidas
hasta donde sea posible.
En la extracción, que es una de tas etapas más importantes de proceso, existen muchos
factores que determinan la eficiencia y capacidad del equipo. Su correcto manejo traerá
consigo la operación más redituable y segura. Uno de los factores referidos es la
imbibición, cuya práctica requiere la constante atención, tanto en su forma de aplicación
como de las condiciones del agua, principalmente en cuanto a cantidad y temperatura se
refiere.
Con los antecedentes suficientes, se sugiere que la imbibición se aplique en caliente, con
lo cual e logrará un mejor aprovechamiento de la caña de azúcar en el Ingenio
Independencia, lográndose menores pérdidas en la extracción mediante una modificación
simple. Ha quedado claro que se cuenta con el suministro de agua de calderas (del
dea reador), para lograr las condiciones esperadas en todo momento.
Existen otros beneficios que se esperan al aplicar la imbibición a una mayor temperatura
de la actual, pero una de las ventajas que muestra la modificación, es el contar con el
agua caliente necesaria para su aplicación, solo requiriéndose instalar una tubería
adicional a las que actualmente abastecen los molinos.
109
La modificación hace necesaria la disposición de materiales y mano dé obra; sin
embargo, su costo de implementación resulta muy bajo con respecto a proyectos que se
llevan a cabo, como et mantenimiento anual efectuado en ef periodo de Reparación, con
respecto al cual, la implementación solo representa aproximadamente el 1.4%.
no
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