maestro en ingenieria industrial
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“CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE
PRODUCCIÓN DE AZÚCAR BASADO EN LA
METODOLOGÍA ACV”
TESIS QUE PRESENTA
ING. ANGEL JOAQUIN TIBURCIO HERNÁNDEZ
PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN
INGENIERIA INDUSTRIAL
DIRECTOR DE TESIS
M.C. ROGELIO GARCÍA RODRÍGUEZ
TANTOYUCA, VERACRUZ. JULIO DEL 2017
2
3
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. 5
DECLARACIÓN DE DERECHOS ........................................................................... 7
DEDICATORIA ........................................................................................................ 8
RESUMEN .............................................................................................................. 9
ABSTRACT ........................................................................................................... 10
I.- INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 11
II.- SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ......................................................................... 12
III.- PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ................................................................. 14
IV.- JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 14
V.-MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 15
5.1 Norma ISO 14000 ........................................................................................ 15
5.2 Análisis de Ciclo de Vida ............................................................................. 16
5.2.1 Caracterización del ACV ........................................................................... 16
5.3 Caña de Azúcar ........................................................................................... 17
5.4 Ingenio Azucarero ........................................................................................ 18
VI.- ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 18
6.1 ACV en la sostenibilidad de productos ........................................................ 18
6.2 Aplicación del ACV en procesos de producción .......................................... 19
6.3 El ACV en la producción de Etanol .............................................................. 20
VII. OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 21
VIII.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 21
IX.- SITUACIÓN INTRÍNSECA DEL PROYECTO ................................................. 21
9.1 Alcances ...................................................................................................... 21
9.2 Limitaciones ................................................................................................. 22
4
X.- MARCO METODOLÓGICO ............................................................................. 23
10.1 Tipo de Investigación ................................................................................. 23
10.2 Región de estudio ...................................................................................... 23
10.3 Métodos para recopilar información ........................................................... 23
10.4 Metodología 24
XI. MARCO OPERATIVO ...................................................................................... 27
11.1 Descripción del proceso de producción de azúcar 27
11.2 Representación gráfica del proceso de producción de azúcar .................. 68
11.3 Función del sistema estudiado .................................................................. 68
11.4 Unidad funcional ........................................................................................ 68
11.5 Sistemas estudiados .................................................................................. 69
11.6 Descripción de los productos estudiados ................................................... 70
11.7 Cuantificación de la unidad funcional......................................................... 71
11.8 Análisis de inventario ................................................................................. 71
11.8.1 Análisis de inventario del Sistema. Cultivo de caña ............................ 73
11.8.2 Análisis de inventario del sistema. Producción de jugo clarificado. ..... 80
11.8.3 Análisis de inventario del Sistema. Producción de azúcar .................. 82
11.8.4 Análisis de inventario del Sistema. Generación de electricidad .......... 84
XII.- CONCLUSIONES .......................................................................................... 86
XIII. RECOMENDACIONES .................................................................................. 87
XIV.- BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 90
XV.- ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ...................................................................... 93
XVI.- ÍNDICE DE IMÁGENES ............................................................................... 93
XVII.- ÍNDICE DE TABLAS.................................................................................... 94
XVIII.- GLOSARIO ................................................................................................. 95
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AGRADECIMIENTOS
Mi agradecimiento primeramente lo dirijo a Dios, que en todo momento está
conmigo ayudándome a aprender de mis errores y a no cometerlos otra vez. Es
quien guía el destino de mi vida. Te agradezco, padre celestial, por darme todo lo
que he conseguido hasta ahora, sin ti nada soy.
Gracias a mis padres por haberme forjado como la persona que soy en la
actualidad; muchos de mis logros se los debo a ustedes, en los que incluyo este.
Me formaron con reglas y libertades, pero siempre me motivaron con constancia
para alcanzar mis anhelos. Gracias madre y padre.
Hermanos a ustedes les agradezco no solo por estar presentes aportando buenas
cosas a mi vida, sino por los grandes lotes de felicidad y de diversas emociones
que siempre me han causado. Muchas gracias hermanos.
Gracias a mi novia, María Fernanda, por la ayuda que me has brindado ha sido
sumamente importante, No fue sencillo culminar con éxito este proyecto, sin
embargo siempre fuiste muy motivadora y esperanzadora, me decías que lo
lograría perfectamente. Me ayudaste hasta donde te era posible, incluso más que
eso.
6
Gracias a mis maestros quienes nunca desistieron al enseñarme, por su
colaboración para el desarrollo de esta Investigación y los conocimientos
compartidos. En especial a mi director de tesis M.C. Rogelio García Rodríguez
que me apoyo para culminar de la mejor manera este trabajo, un gran maestro y
persona.
A los sinodales quienes estudiaron mi tesis y la aprobaron.
Al CONACYT, por el apoyo recibido como becario y por fomentar el desarrollo de
profesionistas e investigadores en nuestro país.
Al Instituto Tecnológico Superior de Tantoyuca, a la Unión Local de Productores
de caña de Azúcar, al señor Albino Orta, a Fundación Pantaleón y al Ingenio
Pánuco S.A.P.I de C.V. por su apoyo brindado para el logro de los objetivos
trazados en esta investigación.
7
DECLARACIÓN DE DERECHOS
Excepto cuando es explícitamente indicado en el texto, el trabajo de investigación
contenido en esta tesis fue efectuado por el C. Angel Joaquin Tiburcio Hernández
como estudiante del programa de Maestría en Ingeniería Industrial entre Agosto
2015 y Agosto 2017. Las investigaciones reportadas en esta tesis no han sido
utilizadas anteriormente para obtener otros grados académicos, ni lo serán para
tales fines en el futuro.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o
datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este
puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección [email protected]. Si
el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y
citar la fuente del mismo.
Candidato: Ing. Angel Joaquin Tiburcio Hernández
8
DEDICATORIA
A mi familia que son los cimientos de mi desarrollo, todos y cada uno de ustedes
han destinado tiempo para ensenarme nuevas cosas, para brindarme aportes
invaluables que servirán para toda mi vida. Especialmente estuvieron presentes en
la evolución y desarrollo total de mi tesis de maestría, este trabajo es de ustedes.
Los amo.
A mi novia María Fernanda, gracias por tu paciencia, por tu tierna compañía, tus
llamadas de atención y tu inagotable apoyo. Gracias por compartir mi vida y mis
logros, esta tesis también es tuya.
A mis compañeros y amigos de la maestría en ingeniería industrial, por su
compañerismo y buenos momentos vividos, siempre los recordare.
A todos los que me apoyaron para escribir y concluir esta tesis.
9
RESUMEN
El desarrollo sustentable es una necesidad social debido a la situación ambiental
mundial desde hace algunas décadas, es por ello que los métodos y estrategias
tecnológicas enfocados al diseño de procesos más limpios han tenido
recientemente una mayor aplicación, buscando menores impactos en el ambiente
y la salud humana, sin comprometer la calidad de los productos a los cuales están
destinados dichos procesos. (Lopéz, 2015)
El presente trabajo aborda el problema del impacto ambiental en los ingenios
azucareros en México y de cómo todos sus procesos consumen recursos de
diversos tipos y generan a su vez emisiones y desechos que tienen un impacto en
los indicadores ambientales. Lo anterior es caracterizado a través de la
metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Cada una de estas emisiones y
desechos tiene un impacto ambiental, por lo que es necesario recurrir a métodos
que ayuden a la categorización de los impactos.
Esta investigación proporciona una visión más holística del sistema que demuestra
el importante impacto ambiental que genera esta industria.
10
ABSTRACT
Sustainable development is a social necessity due to the world environmental
situation from a few decades ago, that is why the methods and technology
strategies focused on the design of cleaner processes have recently had a greater
application, looking for minor impacts on the environment and human health,
without compromising the quality of the products which are intended for such
processes. (Lopéz, 2015)
The present paper deals with the problem of environmental impact in the sugar
mills in Mexico and how all of its processes consume resources of various types
and in turn generate emissions and wastes that have an impact on the
environmental indicators. The above is characterized through the methodology of
Life Cycle Analysis (LCA). Each of these emissions and wastes has an
environmental impact, so it is necessary to resort to methods that help the
categorization of the impacts.
This research provides a more holistic vision of the system that demonstrates the
significant environmental impact generated by this industry.
11
I.- INTRODUCCIÓN
La industria azucarera es una de las actividades con mayor tradición y
trascendencia en el desarrollo económico de México. No obstante, a través del
tiempo ha sufrido lentamente una profunda crisis económica debido a la gestión
corrupta, las disputas entre cañeros y dueños de los ingenios, así como el rezago
tecnológico tanto en el proceso productivo como en el campo cañero.
Actualmente, a nivel mundial México es el sexto mayor productor de azúcar de
acuerdo con el Departamento de Agricultura de Estados Unidos de América
(USDA, 2012). La agroindustria de la caña de azúcar del país representa 11% del
valor del sector primario, 2.5% del Producto Interno Bruto (PIB) manufacturero y
0.4% del PIB nacional, por lo que genera más de 450,000 empleos directos y
beneficia a más de 2.2 millones de personas (CNIAA, 2010). La producción de
caña de azúcar se realiza en alrededor de 700 mil hectáreas que abastecen a 57
Ingenios de 15 estados cañeros, por lo que es una actividad de alto impacto en
227 municipios donde habitan más de 12 millones de mexicanos (INEGI, 2010)
El Análisis de Ciclo de Vida (ACV) es una metodología utilizada a nivel mundial y
se encuentra estandarizada mediante las guías de la serie ISO 14000, como
sistema de evaluación para determinar los impactos ambientales de los sistemas
productivos. (Carvallo, 2012)
De acuerdo a Méndez (2007) ACV se encarga de examinar y analizar los aspectos
ambientales y los impactos potenciales a lo largo la cadena de suministros de un
producto o de una actividad. También incluye los efectos ambientales derivados
del consumo de materias primas y de energías necesarias para su elaboración, las
emisiones y los residuos generados en el proceso de producción, así como los
efectos ambientales procedentes del fin de vida del producto cuando se consume
o no se puede utilizar. Este análisis es aplicable a productos en donde a lo largo
12
de su cadena de suministros generan gran cantidad de contaminantes, en la
presente investigación abordaremos el tema del azúcar.
Este trabajo, pretende caracterizar el proceso de producción del azúcar y así
conocer el impacto ambiental que genera, a través de la metodología ACV y así
poder proponer medidas para reducir dicho impacto, incluyendo factores propios
de la sostenibilidad ambiental de la metodología del ACV en la producción.
II.- SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
En un ambiente social y político de escasas restricciones ambientales, previo al
corte manual de caña, se incendia el cañaveral con la finalidad de eliminar la
mayor parte de follaje seco para así facilitar el acceso de los cortadores
(Ahumada, 2009).
En lo que respecta a las cenizas resultantes, cuando se efectúa una quema se
observa una lluvia de las mismas sobre las áreas aledañas. Estas cenizas van
acompañadas, de acuerdo a Cabrera y Zuaznábar (2010), de humo y una serie de
gases tales como:
Monóxido de nitrógeno: El cual tiene efectos tóxicos sobre los humanos.
Anhídrido sulfuroso: Que al unirse con el agua atmosférica forma la llamada
lluvia ácida.
Anhídrido carbónico: En reacción fotoquímica produce irritación en los ojos
y afecta las vías respiratorias.
Monóxido de carbono
Hidrocarburos
Óxido de azufre
Posteriormente en lo que respecta al transporte, los transportistas, incluyendo los
operadores de las alzadoras de la caña, son el eslabón de la logística entre el
campo y la fábrica. Ellos son contratados por los cañeros y, según sea el caso,
13
tienen sus propias unidades de transporte o son solamente operarios de las
mismas, cuyos dueños en este caso son generalmente cañeros. Se estima que
hay alrededor de 34.000 transportistas de caña en el país en la zafra entre 2005 y
2006 (CNIAA, 2007). El sistema de transporte de la caña se caracteriza por el uso
de unidades sumamente desgastadas que generan una gran cantidad de
contaminantes de acuerdo a sus condiciones.
Es una realidad que en los 57 Ingenios ubicados en 15 estados del país, sus
maquinarias son obsoletas, equipos de más de 50 y 70 años, con calderas
adaptadas que utilizan a discreción el mismo combustóleo, bagazo lleno de
humedad que provoca una pesada contaminación del aire, como claro ejemplo el
ingenio Emiliano Zapata en Morelos, se estima que la producción de azúcar de
este ingenio y muchos otros del país utilizan más de un 60 % el bagazo como
combustible y el 40 % de combustóleo, se sigue quemando en campos la caña sin
invertir en tecnologías que disminuya el daño ecológico. (R. Mazari. 2009)
A pesar de los esfuerzos realizados por mejorar la gestión ambiental de esta
industria, no se ha logrado fomentar la prevención, minimización y control de la
contaminación ambiental. La prevención es una estrategia de eliminación de
contaminantes, emisiones o residuos desde su origen en la fuente mediante el
aumento de eficiencia en los procesos, prácticas de reúso de materiales durante la
producción, reducción del consumo de agua, modificaciones tecnológicas o uso de
tecnología limpia, así como mejoras en los servicios de gestión de limpieza y
mantenimiento (USEPA, 2010)
Por anterior expuesto se plantea el siguiente problema: Los ingenios azucareros
del país presentan en su mayoría equipos y procesos obsoletos, que generan un
impacto negativo al medio ambiente y gastos elevados que perjudican la
rentabilidad de la industria.
14
III.- PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Es posible reducir el impacto ambiental y aumentar la rentabilidad de la industria
azucarera mediante la implementación del ACV en su cadena de suministros?
IV.- JUSTIFICACIÓN
Existe una creciente necesidad en la cuantificación de las cargas ambientales
involucradas en los sistemas de producción agrícolas y de alimentos, donde el
más preocupante es el calentamiento global (Steinfeld, 2006).
El cultivo y cosecha de la caña de azúcar se ve acotado en gran parte por la
capacidad y calidad instalada dentro de la industria misma. La importancia de
tener una industria cañera rentable está directamente ligada a la sustentabilidad
de sus prácticas y de su infraestructura. Si la metodología de ACV es aplicada a
esta industria en sus formas de cultivo, producción y distribución se generara un
impacto positivo en sus procesos que son obsoletos, debido a que estos generan
un impacto negativo en el medio ambiente y se encuentran mermando la
rentabilidad de la industria nacional azucarera en general.
De acuerdo con la Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales
(SEMARNAT), la industria azucarera en el país presenta problemas de
contaminación en el agua, producto de su elevado consumo energético, descarga
de agua con alta temperatura y gran contenido de materia orgánica (bagazo,
cachaza y vinazas); el agua residual, producto de su operación, representa 28%
del total a nivel nacional; logrando el giro que más contribuye en cuanto a la
descarga de materia orgánica en aguas residuales, seguido de la industria
petrolera con 19% y la agropecuaria con 17% (SEMARNAT, 2008)
La prevención, minimización y control de la contaminación ambiental contempla
(US EPA, 2010):
15
Proteger la salud pública y el ambiente.
Mejorar la imagen corporativa a medida que la calidad del ambiente y la
responsabilidad social de las empresas mejoran, reforzando el compromiso
de la empresa con su comunidad y clientes potenciales.
Aumentar la eficiencia en los procesos de producción.
Reducir los costos de operación, por la disminución en los costos de
tratamiento, almacenamiento y disposición final de los residuos o emisiones
contaminantes.
Reducir los costos de energía al implementar el programa de prevención en
todas las líneas de operación, incluyendo la eficiencia de la combustión.
Los beneficios más importantes de la aplicación de la prevención, minimización y
control de la contaminación ambiental son los ambientales, económicos con
responsabilidad social y salud pública. No obstante, las principales limitaciones
para su correcta aplicación son la resistencia al cambio, los aspectos económicos,
financieros y sobre todo la falta de educación ambiental para lograr una conciencia
real hacia el cuidado del ambiente. En esta investigación se consolida el trabajo en
equipo entre el sector industrial y el académico.
V.-MARCO TEÓRICO
5.1 Norma ISO 14000
La serie de normas ISO 14000 es un conjunto de normas que cubre aspectos
ambientales de productos y organizaciones, destacando la Norma ISO 14001, un
estándar internacional de gestión ambiental publicado en 1996, tras el éxito de la
serie de normas ISO 9000 para sistemas de gestión de la calidad.
La serie de normas ISO 14000 es un conjunto de norma internacionales
publicadas por la Organización Internacional de Normalización (ISO), que incluye
la Norma ISO 14001 que expresa cómo establecer un Sistema de Gestión
Ambiental (SGA) efectivo.
16
La norma ISO 14001 es aplicable a cualquier organización, de cualquier tamaño o
sector, que esté buscando reducir los impactos en el ambiente y cumplir con la
legislación en materia ambiental. (Guevara, 2013)
5.2 Análisis de Ciclo de Vida
Según Naredo, (2001), es una herramienta que puede enfocarse desde la
economía ecológica, ya que permite cerrar y analizar el ciclo completo de la
utilización de materiales y recursos en la fabricación de un producto, con lo cual
tiene la visión sistémica propia del enfoque ACV.
El ACV según Garza (2012) es una metodología única y ampliamente reconocida
por su particularidad de identificar los aspectos ambientales clave de un producto,
proceso o servicio y cuantificar sus impactos ambientales potenciales a lo largo de
su ciclo de vida, comenzando por la extracción de materias primas y la producción
de energía utilizada para fabricar el producto, su uso y hasta la disposición final.
El Análisis de Ciclo de Vida (ACV) es una herramienta que identifica, caracteriza y
cuantifica los impactos ambientales producidos dentro del ciclo de vida de un producto
o servicio de una forma global y particular, identificando y contribuyendo a la
identificación de oportunidades para mejorar el desempeño ambiental en las distintas
etapas que integran el sistema de estudio (Jiménez, 2013)
5.2.1 Caracterización del ACV
El primer ACV fue realizado en 1969 por el Midwest Research Institute (MRI) para
la Coca-Cola, denominado “Análisis del perfil ambiental y de recursos” y se realizó
con la intensión de disminuir el consumo de recursos y la cantidad de emisiones al
ambiente (Chacon, 2008). El MRI siguió realizando ACV junto a otros grupos de
investigación, usando métodos de balance de entradas/salidas e incorporando
cálculos de energía (Romero, 2003).
17
En los años ochenta la aplicación del ACV se incrementó y se gestaron dos
cambios importantes: los métodos para cuantificar el impacto del producto en
distintas categorías de problemas ambientales y la disponibilidad para el uso
público de los estudios de ACV.
La Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) es la principal
organización que ha desarrollado y liderado las discusiones científicas acerca del
ACV. En 1993, formuló el primer código internacional: Código de prácticas para el
ACV (Code of Practice for Life Cicle Assessment), con el fin de homogeneizar los
diversos estudios realizados para que siguieran una misma metodología.
Posteriormente, la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) apoyó
este desarrollo para establecer la estructura de trabajo, uniformizar los métodos,
los procedimientos y la terminología (Romero, 2003).
5.3 Caña de Azúcar
La caña de azúcar es la materia prima de un ingenio en general. Es una planta
proveniente del sureste asiático. Fue llevada al mediterráneo por los árabes,
donde se cultivaba principalmente en las tierras costeras. Posteriormente los
europeos llevaron la planta, primero a las islas canarias, y luego a América, en
muchas de cuyas zonas el clima era más favorable que en la península ibérica,
por lo que casi se abandonó el cultivo en esta. Con el descubrimiento de América
se llevó a Latinoamérica, donde todavía hoy en día se industrializa y se fabrica
azúcar para el consumo mundial, ubicando a países como Brasil, México,
Colombia y Venezuela entre los mayores productores del mundo.
La caña de azúcar es un cultivo de grandes potencialidades por su producción de
biomasa y su contenido azucarero, ya que tiene muy evolucionado sus
mecanismos fisiológicos favorecidos por ser una planta de ciclo del carbono (C) lo
que la sitúa en una posición muy ventajosa en competencia con otros cultivos
agrícolas, debido a que son mejores captadoras de C aprovechándolo para su
18
rápido crecimiento. Es un cultivo duradero según variedad y condiciones locales la
planta forma entre 4 y 12 tallos que pueden crecer hasta 3-5 m de altura. El
contenido de azúcar (sacarosa) oscila entre 11 y 16 %. (AN, 2000).
5.4 Ingenio Azucarero
De acuerdo a Gonzales (2004) se denomina así o simplemente ingenio a una
antigua hacienda colonial americana (con procedentes a las islas canarias) con
instalaciones para procesar caña de azúcar con el objeto de obtener sacarosa,
ron, alcohol y otros productos. Tiene su antecedente en el trapiche, cuya escala de
producción era más pequeña y a su vez, el ingenio vino a ser sustituido por
grandes centrales azucareras modernas que se desarrollaron en el siglo XX.
Aunque dicha materia prima no es un producto autóctono americano, fue
introducido en América por los españoles, portugueses y otros europeos. Se
adaptó rápidamente a las tierras intertropicales americanas, hasta el punto de que
los mayores productores mundiales se encuentran en este continente.
VI.- ESTADO DEL ARTE
La aplicación del ACV en distintos procesos de producción ha generado resultados
favorables para la conservación del medio ambiente y la reducción en los costos.
6.1 ACV en la sostenibilidad de productos
Orrego (2012) concluye que el ACV puede verse como una metodología
estratégica, ya que permite un acercamiento a la industria por ser actualmente una
propuesta en el marco internacional de la producción limpia y la eco-eficiencia,
que son finalmente un camino a la competitividad, de esta manera se encuentra
inmersa en la visión del análisis económico estándar, que pretende evaluar como
19
un producto resultado del modelo económico y de producción actual, impacta
sobre el patrimonio natural.
6.2 Aplicación del ACV en procesos de producción
En su investigación Jiménez (2013) muestra que se desarrollaron alternativas de
mejora al actual manejo de las botellas de PET en Ecatepec de Morelos, utilizando
como fundamento los resultados obtenidos durante la elaboración de un ACV de
las mismas. Las alternativas que se consideran económica y ambientalmente
viables y que conforman una mejor estrategia de manejo son: i) rediseño del
sistema de recolección y almacenamiento de los RSU, ii) operación de la planta de
separación propiedad del municipio, y iii) construcción de una nueva planta de
reciclaje mecánico de botellas de PET.
Las alternativas deben desarrollarse por etapas y de manera conjunta con la
disposición final, lo anterior, para aumentar la eficiencia global del sistema de
manejo de las botellas de PET, y evitar que al menos el 80% de las mismas
recolectadas por el servicio público de limpia del municipio, sean dispuestas en el
relleno sanitario Chiconautla sin ningún aprovechamiento previo.
Por otro lado De Carvalho (2001) concluye que la metodología ACV exige como
fase del proceso de clasificación, disponer de inventarios del ciclo de vida de
todos los sistemas y subsistemas que estén incluidos entre los límites del
sistema de la unidad funcional estudiada. Estos inventarios deben tener la
representatividad necesaria, tanto en el ámbito temporal como geográfico,
con objeto de que los resultados obtenidos sean fiables. Los estudios realizados
en su tesis muestran diversas dificultades en este campo de los inventarios
disponibles en el ámbito internacional (CEMBUREAU y SimaPro), lo que un uso
no riguroso de los mismos puede conducir a errores significativos, a favor o en
contra, de los productos derivados en base cemento.
20
6.3 El ACV en la producción de Etanol
Manríquez (2012) argumenta que el Ingenio Tamazula donde realizó su
investigación podría ser competitivo en cuanto su balance de energía y emisiones,
siempre y cuando se sustituya la compra de electricidad a la Comisión Federal de
Electricidad (CFE) por generación de energía eléctrica del bagazo. También se
pueden reducir las emisiones de VOC, CO y NOX evitando la quema de caña a
cielo abierto. Por otra parte trabajos futuros deberán de estar encaminados a
diseñar una logística adecuada para el proceso de transporte, distribución, y
almacenamiento del ingenio Tamazula al lugar de consumo, que podría ser la
ciudad de Guadalajara.
En el análisis de García (2010) se demuestra conceptual y teóricamente que el
ACV es una herramienta de gestión ambiental capaz de valorar la sustentabilidad
de la producción de etanol a partir de la caña de azúcar y sus posibles análisis de
mejoras. Se definió el alcance del estudio según los aspectos que se analizaron,
para esto la unidad funcional del sistema fue la producción de 1 tonelada de etanol
para el año 2009 bajo las condiciones de Guatemala, utilizando el enfoque de la
tumba a la puerta. Se elaboró un inventario de cada uno de los procesos que
intervienen en la producción de etanol; producción de caña, elaboración de melaza
y producción de etanol. Logrando con este inventario realizar los diagramas de
procesos correspondientes a cada uno y obteniendo la información necesaria para
el análisis.
Bohorquez & Lugo (2010) presentan como resultado de su trabajo que las
emisiones de gases efecto invernadero producidas en el ciclo de vida del etanol,
expresadas en CO2 equivalente, tienen un valor de 10341,86 toneladas, es decir,
0,017 toneladas de CO2 equivalente por litro de etanol vendido. La emisión de
dióxido de carbono es de 7131,781 toneladas de CO2, siendo este el gas de
mayor generación en el estudio. Por otro lado, las emisiones de metano y de óxido
nitroso son de 78,775 y 3,46 toneladas respectivamente. Finalmente, se determinó
21
que la emisión de monóxido de carbono es de 125,19 toneladas. La emisión de
gases de efecto invernadero (GEI) por el uso de combustibles dentro del ciclo de
vida del etanol es de 4469,49 toneladas expresadas como CO2 equivalente, que
corresponden a las fuentes de combustión estacionaria y móvil.
VII. OBJETIVO GENERAL
Elaborar la caracterización del proceso de producción de azúcar mediante la
implementación de la metodología de ACV en la cadena de suministros, para
reducir el impacto ambiental y con esto aumentar la rentabilidad de la industria
mediante una propuesta de mejora.
VIII.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir la meta y alcance del estudio.
Realizar el inventario de ciclo de vida
Realizar la interpretación del estudio.
Presentar la propuesta de mejora.
IX.- SITUACIÓN INTRÍNSECA DEL PROYECTO
9.1 Alcances
Se estudió se realizó con información documental del proceso de
producción de azúcar basándose en trabajos realizados en ingenios a nivel
nacional.
La empresa del caso de estudio proporciono datos sobre indicadores
estadísticos en materia ambiental.
22
Se realizó la caracterización por medio de las dos primeras etapas del ACV,
concluyendo en el inventario.
Se realizaron las recomendaciones y conclusiones pertinentes
9.2 Limitaciones
Límites de productos. El ACV realizado se limita a la trasformación de
caña de azúcar en dos productos comercializables: azúcar refinado y
electricidad. El ciclo de vida de estos productos, incluye todas las etapas
involucradas en su extracción o producción, transporte y transformación,
Límites geográficos. El estudio se concentrara a la producción de azúcar
en la zona norte del estado de Veracruz.
Límites temporales. El límite temporal considerado es de 2 años, debido a
la duración del programa de estudios de la maestría en Ingeniería Industrial.
Etapas excluidas del análisis.
Límites del estudio. Para este estudio, se ha incluido la caracterización de
las cargas ambientales relativas a la producción de la maquinaria e
infraestructuras necesarias para el desarrollo de los procesos involucrados,
se ha excluido la última etapa de la metodología que es la evaluación
debido a que no se contaba con el software necesario para realizar dicha
etapa.
23
X.- MARCO METODOLÓGICO
10.1 Tipo de Investigación
La investigación es de tipo descriptiva, se utilizaron datos cuantitativos que se
recolectaron a través de una visita de campo, dichos datos se utilizaron para la
caracterización del problema y poder identificar donde aplicar los conocimientos
adquiridos para la posible resolución de los mismos, logrando cumplir los objetivos
planteados al principio.
Así mismo Sampieri, Collado, & Baptista, (2010) establecen que el propósito de la
investigación de tipo descriptiva busca especificar las propiedades, las
características y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos
o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es útil para mostrar con
precisión los ángulos o dimensiones de un fenómeno, suceso, comunidad,
contexto o situación.
10.2 Región de estudio
La región de estudio de esta tesis se limita a la zona norte de la huasteca
veracruzana. Su principal actividad económica se centra en la agricultura, la
ganadería y la actividad artesanal, no existen asentamientos industriales
importantes en la región.
10.3 Métodos para recopilar información
Los métodos que se utilizaron en esta investigación son:
Investigación teórica y documental del proceso de producción de azúcar.
24
Investigación documental sobre trabajos respecto al ACV, que se hayan
aplicado a otras investigaciones similares.
Investigación de campo para la recolección de datos que nos permitan
conocer la situación de actual de la industria azucarera.
Estancia técnica en una organización dedicada a la producción de azúcar.
Investigación de campo con los expertos.
10.4 Metodología
La presente propuesta surge de la necesidad de la caracterización de la
producción de azúcar y el impacto ambiental que producen sus actividades, para
lo cual el LCA ofrece una metodología relativamente sencilla. En este capítulo se
describe paso a paso la aplicación de la propuesta sin llegar a la presentación de
resultados.
El reto para el profesional en ACV es desarrollar el modelo de manera tal que las
simplificaciones y por tanto las incertidumbres no influencien en gran medida el
resultado.
La mejor manera de lidiar con este problema es definir cuidadosamente una meta
y alcance del estudio de la ACV antes de empezar. La definición de la meta y el
alcance sirve de guía y ayuda para asegurar la consistencia de la LCA que se
ejecuta. (Aguilar Lasserre, 2015)
De a acuerdo con Herrera, De la Rúa, & Lechón (2015) esta metodología describe
y analiza las corrientes que entran desde la naturaleza al sistema estudiado y las
que salen del sistema a la naturaleza a lo largo del ciclo de vida, es decir, desde la
extracción de materias primas y su agotamiento hasta emisiones al aire, agua y
suelo así como los cambios de uso del terreno.
25
Por lo tanto, el ACV es una herramienta adecuada para:
Identificar las oportunidades de reducción de impactos ambientales o bien
de consumos energéticos y materiales en un producto o proceso dentro de
las distintas etapas de su ciclo de vida
Informar a los responsables de tomas de decisiones tanto a nivel industrial
como público.
Mejorar el posicionamiento en el mercado de ciertos bienes y servicios
mediante la difusión de sus beneficios ambientales asociados.
Un ACV consta de 4 pasos:
Ilustración 1. Metodología ACV (Herrera, De la Rúa, & Lechón, 2015)
26
Los 4 pasos de la presente metodología toman como base la propuesta en ISO
14040 (Marsmann, 2000):
1. Definición del alcance y objetivo.
2. Inventario del ciclo de vida (LCI: life cycle inventory).
3. Evaluación de los impactos.
4. Interpretación de los indicadores.
La información obtenida podrá ser usada como referencia antes los órganos
gubernamentales que rigen la emisión de contaminantes (también como una
primera etapa para la aplicación de la ISO 14000), pues a través del ACV es
posible:
La identificación de las etapas del ciclo de vida con mayor impacto
ambiental para la propuesta de potenciales mejoras (eficiencia energética,
optimización de consumo de recursos, etc.).
La disposición de argumentos e información ambiental objetiva, cuantitativa
y rigurosa del impacto ambiental del producto.
Aportación de argumentos convincentes y comprensibles para la
comunicación con clientes, autoridades y grupos de interés.
Un equilibrio entre actividades propias del proceso y actividades para la
admón. de las emisiones, desechos y residuos.
Una mejora en la calidad de productos y subproductos.
Una posible reducción en el consumo de recursos (mayor utilidad, orientado
a costos de producción), entre muchos otros.
En esta etapa se recopilan todos los datos tanto cualitativos como cuantitativos
que van a ser necesarios para alcanzar los objetivos que se han definido
anteriormente.
27
XI. MARCO OPERATIVO
11.1 Descripción del proceso de producción de azúcar
La productividad de un ingenio depende de la cantidad y calidad de caña
industrializada, el rendimiento en fábrica y la capacidad instalada y aprovechada.
El porcentaje de rendimiento (toneladas de azúcar/tonelada de caña) durante el
periodo 2010-2015 en el ingenio estudiado es 12.37% (tabla 1), con un
procesamiento de 7000 ton caña/24h y los campos cañeros que se encargan de
abastecer la materia prima presentaron una productividad promedio de 107 ton
caña/ha (tabla 1) (CNIAA, 2016), lo cual coloca al ingenio caso de estudio como
uno de los más competitivos del país, ya que a nivel nacional el rendimiento
promedio es 11.25% (toneladas de azúcar/tonelada de caña) y el promedio de
productividad en campo es de 69.24 ton caña/ha (CNIAA, 2010)
Año Ton de caña
molida
Ton de
caña por
ha
Días efectivos
de molienda
% rendimiento
de fábrica
Ton de azúcar
producida
2010 1,154,764 114.2 219 11.76 135,740
2011 1,042,424 101.3 185 12.25 127,668
2012 1,155,113 106.1 196 12.27 141,672
2013 1,159,596 107.0 175 12.74 147,679
2014 1,029,596 102.0 164 12.67 130,407
2015 1,138,039 111.3 178 12.51 142,330
Promedio
Anual 1,113,181 107.0 186 12.37 137,582
Tabla 1. Indicadores de rendimiento de las Zafras del año 2005 a 2010 del ingenio caso de estudio (CNIAA, 2016)
28
**Todas las partes del proceso que se describen a continuación hasta el
diagrama de flujo del proceso de producción de azúcar fueron proporcionados por
el ingenio caso de estudio, de tal manera que no se encuentran referenciados.
SIEMBRA Y COSECHA
El proceso de producción de azúcar inicia en el campo cañero con las labores de
siembra y cosecha. Las labores de siembra necesarias para el buen desarrollo del
cultivo son: preparación de la tierra, selección de la semilla, siembra y riego.
Asimismo, el proceso de cosecha se establece en tres pasos: determinación de
madurez, programa semanal de cosecha y abastecimiento de caña con base en el
proceso.
Imagen 1. Cultivo de caña (Elaboración propia)
29
Para lograr un balance de variedad de caña se determina una curva de madurez.
A partir del estimado de producción se calculan los recursos de cosecha para cada
frente (tractores, alzadoras, camiones, etcétera) y, tomando en cuenta el plan de
producción de fábrica, se elabora el programa semanal de cosecha.
La época ideal para el corte es durante los tres meses en que la caña alcanza su
desarrollo máximo y conserva su máxima calidad. El máximo desarrollo o la
maduración de la caña se promueve con la aplicación de agentes que permiten
disminuir el ritmo de crecimiento y acortan el periodo vegetativo de la planta
(floración) para acelerar la concentración de sacarosa. La maduración también se
favorece naturalmente por una baja temperatura y artificialmente con la detención
del riego.
Imagen 2. Planta de caña de azúcar (Elaboración propia)
30
La cosecha puede llevarse a cabo de forma manual o mecánica. La quema de la
caña se realiza con la finalidad de facilitar y agilizar el corte manual de la caña,
eliminar la maleza o ahuyentar animales.
Imagen 3. Caña quemada (Elaboración propia)
El corte manual de caña quemada se realiza al ras del suelo, despunte al viento y
se junta en manojos de 300 a 500 kg, los cuales se recolectan por medio de
alzadoras en camiones.
31
Las máquinas cosechadoras cortan un surco por pasada, pican la caña y por
diferencia de densidad mediante ventiladores se separan las hojas; de esta
manera, las hojas quedan distribuidas uniformemente sobre el campo y la
cosechadora entrega la caña picada directamente a los camiones que se
encargan de su acarreo al ingenio.
Para el uso eficiente de una máquina cosechadora es necesario utilizarla en
terrenos de al menos 5 ha y con distancias largas (500 m).
Imagen 4. Alzadora (Elaboración propia)
32
El abastecimiento de caña se realiza con una frecuencia diaria conforme el plan de
producción programado y se acarrea al ingenio en camiones que esperan su turno
en el área de batey del ingenio, de esta manera la caña se muele guardando una
frescura rigurosa no mayor de 24 horas desde el momento en que se corta.
La frescura de la caña es uno de los aspectos más cuidados en la operación
unitaria de molienda, ya que al ser cortada se torna más susceptible a la
proliferación de microorganismos (Leuconostoc mesenteroides) que promueven la
inversión de la sacarosa (separación de molécula de sacarosa en glucosa y
fructuosa).
Imagen 5. Transporte de caña (Elaboración propia)
33
MUESTREO Y PESAJE DE LA CAÑA:
Toda la caña que llega a la fábrica debe ser muestreada representativamente, el
muestreo se realiza con una sonda mecánica automática, con el fin de evitar
tendencias.
El laboratorio se encarga del análisis de las muestras tomadas con el fin de
determinar las características de la caña, en especial el rendimiento, el cual es la
base para el pago a los proveedores.
Toda la caña también es pesada para efectos de control y contabilidad, para tal
fin, se utilizan básculas de diferentes tipos y capacidades.
Imagen 6. Pesaje (Elaboración propia)
34
DESCARGUE, LAVADO Y PREPARACION DE LA CAÑA:
La mayoría de los ingenios realizan la descarga de los vehículos mediante
aparatos mecánicos muy diversos. Entre los más usados se tienen la grúa de
cañas, el puente rodante, la plataforma basculante y el rastrillo; el sistema de
descarga se debe adaptar a la clase de vehículo que transporta la caña.
En la mesa de alimentación se lava la caña con el fin de retirar la mayor cantidad
de materia extraña (tierra, piedras, pedazos de hojas, polvo, pedazos de metal, y
otros) presente en la caña, proveniente de las etapas de corte y transporte. El
lavado de la caña no es una práctica generalizada y depende de la época del año.
La mesa de alimentación descarga la caña a un conductor, el cual la lleva a los
molinos.
Imagen 7. Descarga en mesa alimentadora (Elaboración propia)
35
Antes de que la caña pase a la etapa de molienda se debe preparar
adecuadamente para facilitar el trabajo de los molinos, utilizando para tal fin
cuchillas corta cañas, desfibradoras, desmenuzadoras o una combinación de las
anteriores.
Imagen 8. Descarga por medio de grúa (Elaboración propia)
Grúa de cañas: Muchas veces la misma grúa se utiliza para descargar los
vehículos, y luego para llevar la caña a las mesas de alimentación; la grúa más
empleada consta de un mástil de entramado metálico, el cual lleva a cierta altura
un brazo horizontal sobre el que rueda un carro con dos poleas por las que pasa el
cable que sostiene la carga. La grúa tiene una capacidad de 3 a 5 ton, y un radio
de acción de 18 a 25 m.
Plataformas de descarga: Existen dos modelos; en el primero el vehículo entra
sobre la plataforma, la cual se inclina lo suficiente y descarga por uno de los
36
extremos; en el segundo de báscula lateral, la plataforma se inclina sobre uno de
sus costados, muy utilizada para transporte férreo.
Conductor: Es un transportador rodante, constituido por un armazón metálico,
con una parte horizontal, una parte inclinada y la cabeza, ubicada a la llegada de
los corta cañas. La longitud de la parte horizontal varía según el sistema de
descarga y la cantidad de caña alimentada, con un máximo de 25 m, ésta longitud
aumenta si el descargue se realiza manualmente. La parte inclinada tiene una
pendiente del 27 al 40 %. Cuando se dispone de corta cañas está pendiente es de
39 a 40 %; y la altura de 6 o 7 m, el conductor se construye en chapa de hierro,
con bordes redondeados. Cuando no existe el corta cañas se construye con
tablillas de madera fijadas a dos o tres cadenas sin fin. El conductor puede ser
accionado por motores eléctricos, de vapor o por un embrague, que a su vez
depende de los corta cañas. Se prefiere el uso de motores a vapor, los cuales
permiten regular más fácilmente la alimentación a los molinos. Al terminar el
recorrido del conductor, la caña cae en una tolva y de ahí pasa a los corta cañas.
Esta caída se debe diseñar con una curva progresiva que facilite la alimentación a
los molinos. La inclinación en esta parte es de 40 a 50°.
Corta cañas: Ejercen una acción niveladora y ordenadora de la masa de caña
presente en el conductor, la cual se debe ordenar para que la entrada de la caña
al molino sea uniforme; consta de una serie de cuchillas fijadas a un eje horizontal.
El material de construcción de las cuchillas generalmente es acero de alta calidad,
deben resistir un afilado constante, y se deben poder cambiar con facilidad.
Las cuchillas corta cañas aumentan la capacidad de los molinos hasta en un 20 %
y favorecen la extracción de sacarosa, ya que rompen la corteza de la caña. El
movimiento se realiza con motores a vapor, o con motores de inducción. La
velocidad es de aproximadamente 400 - 600 rpm, y la potencia varía entre 1,2 y 2
caballos por tonelada de caña. Se deben retirar de la caña presente en el
conductor todos los objetos metálicos, los cuales pueden causar averías en los
37
molinos. Para que la eficiencia del corta cañas y la calidad de corte sean las
esperadas, se debe tener en cuenta durante su instalación la distancia entre el
círculo descrito por el extremo de las cuchillas y el conductor.
Desfibradoras: Cumplen una doble función; la primera es la de asegurar la
alimentación a los molinos; y la segunda preparar la caña, aplastándola para
facilitar su toma y la extracción del jugo.
Generalmente consta de dos cilindros, los cuales poseen una superficie diseñada
para agarrar la caña, dicha superficie se debe construir de manera que rasgue y
desfibre la caña. Su velocidad debe ser mayor (25 o 50 %) que la de los molinos
debido a que la caña que recibe es difícil de agarrar. La fuerza necesaria varía de
17 a 21 caballos de fuerza por tonelada de fibra y hora.
Existen varios tipos de desfibradoras, los más importantes son:
Desfibradora Krajewski: Consta de dos cilindros, con ranuras longitudinales en
forma de zig-zag, construidos de fundiciones endurecidas, las cuales conservan
las características de los cilindros por un mayor tiempo.
El diámetro de los cilindros puede ser menor o igual que el diámetro de las mazas
de los molinos, el ángulo de inclinación para la colocación de los cilindros de la
desfibradora varía entre 60 y 75°.
Desfibradora Fulton: Las ranuras de esta desfibradora tienen forma de V, y están
dispuestas en espiral; se construyen de hierro fundido o de fundiciones de acero.
Para quitar el bagazo que se adhiere a los cilindros se emplean rasquetas (una
especie de cepillos limpiadores).
Existen otros tipos de desfibradoras de uso menos extendido tales como:
Doble desfibradora: Es un conjunto de dos desfibradoras, de velocidad variable.
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Molino desfibrador: Es una desfibradora de tres cilindros, la cual es muy
parecida a un molino, pero su función es la de desgarrar la caña con la ayuda de
ranuras en forma de V.
Desmenuzadoras: Son equipos, que como su nombre lo indica, desmenuzan la
caña y la preparan para el trabajo posterior de los molinos, facilitando su
extracción e imbibición. Existen cuatro tipos de desmenuzadoras: la
desmenuzadora de discos, la desmenuzadora Searby, el desintegrador Morgan y
la desmenuzadora de Maxwell.
Son accionadas por motores eléctricos o de vapor, a una velocidad que varía entre
400 y 1200 rpm según el tipo de desmenuzadora. La potencia requerida oscila
entre 1 y 4 caballos por tonelada de caña por hora.
Desmenuzadora de discos: Es la más antigua, actualmente se encuentra en
desuso. Constituida por dos cilindros con un ángulo de inclinación de su eje de
45°, cada cilindro está compuesto por una serie de discos dentados. Los cilindros
giran en direcciones opuestas, a velocidad diferente, lo que asegura una buena
desintegración de la caña. La potencia necesaria es de 35 a 40 caballos de fuerza.
Desmenuzadora Searby: Es una trituradora de martillos que pasan entre dos
barras de choque, situadas en la parte superior, contra las cuales los martillos
machacan y desintegran la caña. Se ubica generalmente después de una
desfibradora; la potencia requerida es de 2 caballos por tonelada de caña por
hora.
Desmenuzadora Morgan: Exige la presencia de cuchillas corta cañas, se parece
a una bomba centrífuga que posee un disco de acero en forma de aspas, las
cuales dejan a su paso un pequeño espacio libre. La caña pasa entre las hojas
desintegrándose completamente.
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Desmenuzadora Maxwell: Consiste en un cilindro de acero tallado, sobre las
tallas se colocan dientes de tres filos recambiables y dispuestos en zig-zag, el
movimiento puede ser suministrado por máquinas de vapor o motores eléctricos.
Se ubica luego de una desfibradora.
MOLIENDA Y EXTRACCION DEL JUGO:
Su función es la de lograr la mejor separación de los dos elementos de la caña, la
fibra y el jugo. La molienda de la caña se efectúa en un tándem de 4 a 6 molinos,
cada uno de los cuales realiza una extracción. La caña pasa primero entre la maza
cañera (por donde entra la caña) y la maza superior, y luego, entre la superior y la
maza bagacera (por donde sale la caña), con la ayuda de una pieza llamada
bagacera. El paso del bagazo por esta pieza debe ser uniforme para evitar
atascamientos y problemas con los molinos.
Imagen 9. Molienda (Elaboración propia)
40
Para mejorar la extracción en la etapa de molienda, se emplea la imbibición. Esta
tiene como objetivo extraer parte del azúcar que queda retenida en el bagazo, que
no se puede extraer por presión seca.
Puede efectuarse con agua o con jugo diluido. Se puede realizar con agua fría o
caliente, esta última dificulta el agarre del bagazo y disuelve la cera que ocasiona
dificultades. La distribución del agua se hace por medio de tuberías perforadas,
inyectores o toberas pulverizadoras. Se pueden utilizar también canales
repartidores.
La cantidad de agua utilizada en la imbibición varía según la región, la capacidad
de los molinos, la fuerza motriz del tren, y se ve limitada por el precio del
combustible necesario para evaporar el agua de exceso.
Para evitar inconvenientes y dificultades durante el bombeo del jugo y la siguiente
etapa del proceso, se recomienda remover del jugo el bagacillo y la mayor
cantidad de fibra tan pronto como sea posible.
Para tal fin se pueden emplear coladores y tamices, por medio de los cuales es
posible remover del jugo material en suspensión; la cantidad de material removido
varía considerablemente dependiendo de la cantidad de bagazo fino presente en
el jugo, del tipo de molino, el ranurado de las mazas, y de la variedad y
composición de la caña.
El material más utilizado para la construcción de los tamices es el latón. También
se pueden utilizar otros materiales como: el cobre rojo, metal monel y otras
aleaciones.
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Imagen 10. Extracción de jugos (Elaboración propia)
Para evitar pérdidas por fermentación y contaminación del jugo, se debe realizar
una limpieza con vapor de todos los equipos involucrados en esta etapa del
proceso dos veces por turno, también se recomienda el uso de un buen
desinfectante una vez por turno.
El bagazo final, el cual sale por el último molino, puede utilizarse como
combustible para las calderas, o como materia prima en la fabricación de papel y
cartón. Se lleva hasta el sitio donde se va a quemar por medio de un
transportador, el excedente se almacena en un depósito en espera de ser
utilizado.
Molinos: Inicialmente se emplearon molinos de dos cilindros, construidos de
madera o piedra. Posteriormente se sustituyeron por molinos de tres o cuatro
mazas, cilindros horizontales cuyos centros forman un triángulo isósceles. Dos de
ellas se encuentran a la misma altura y giran en la misma dirección, reciben el
42
nombre de maza cañera (por donde entra la caña) y maza bagacera (por donde
sale) o maza de descarga; la otra recibe el nombre de maza mayor o superior, la
cual gira en dirección opuesta.
Las mazas inferiores se encuentran generalmente fijas, mientras que, la superior
puede subir o bajar según las necesidades de alimentación del molino.
Se debe reducir al máximo la distancia entre las dos mazas inferiores para
minimizar el ancho de la bagacera y evitar la fricción del bagazo. La bagacera es
una de las piezas más importantes de los molinos, se encarga de permitir el paso
del bagazo que sale de las mazas de entrada hacia la de salida, debe facilitar el
paso del bagazo y garantizar que sea a velocidad uniforme, de esta manera se
evitan atascamientos y daños en los molinos.
Las mazas se construyen de fundición de hierro, de grano grueso, que al
desgastarse conservan su superficie rugosa, permitiendo un buen agarre de la
caña; las dimensiones de las mazas varían según el constructor, el diámetro oscila
entre 35 y 37 pulgadas (89 - 94 cm), y la longitud entre 5 y 7 pies (150 - 210 cm).
La vida de los cilindros depende del material de construcción, de la presión que
deben soportar y de su posición en el tren de molinos.
Los ejes de los molinos se construyen de acero, o de algunas aleaciones de
cromo y níquel, más resistentes pero también más costosas; sobresalen de las
mazas para el acoplamiento de los piñones, cojinetes y en general, del sistema
que le proporciona el movimiento a los molinos. La lubricación del sistema se hace
con grasa (consistente) a presión o por circulación forzada.
Uno de los factores más importantes para el desempeño de los molinos es la
ubicación correcta de las tolvas de alimentación y salida, el ángulo de caída del
bagazo a la entrada debe ser de por lo menos 50°, la longitud de la tolva de
entrada es de aproximadamente 5 pies. Se puede mejorar la alimentación del
molino al aumentar esta longitud.
43
La presión que ejerce la maza superior es constante e independiente de la
distancia entre las mazas, este efecto se logra dotando de movilidad al cilindro
superior, obteniendo así una extracción constante; de no ser así, la presión no
sería uniforme y ocasionaría problemas al equipo. La regulación de presión en los
molinos que componen el tandem, se realiza por medio de un sistema hidráulico
(regulador hidráulico). El líquido del sistema puede ser agua o aceite.
La presión hidráulica aplicada a la maza mayor varía según la longitud de la maza,
la cantidad de caña molida por unidad de tiempo y de la posición que ocupa en el
tren de molinos.
La caña triturada por un molino pasa al siguiente por medio de un transportador
intermedio, el cual debe ser lo más corto posible para economizar espacio. Los
transportadores intermedios pueden ser de diferentes tipos y materiales, siendo
los más comunes los de tablillas de madera o acero y los transportadores de
draga. Por lo general son un poco más anchos que las mazas de los molinos con
el fin de evitar cualquier contacto del bagazo con las partes móviles del
transportador (cadenas, rodillos, etc). Un tipo de conductor muy utilizado cuando
se practica la imbibición, es el conductor en forma de draga en el que las tablillas
conducen el bagazo hasta un fondo plano fijo.
El movimiento de los molinos puede hacerse independiente mediante un motor
para cada molino, o reuniendo los molinos en grupos; se recomienda que cada
molino tenga su motor cuando se muelen cañas de diferente composición; los
molinos pueden funcionar con máquinas de vapor, con motores eléctricos o con
turbinas de vapor. Los molinos electrificados tienen un mayor costo de instalación.
Los cilindros de los molinos pueden ser lisos o ranurados, estos últimos, facilitan el
agarre de la caña, la trituración y la salida del jugo. La forma de las ranuras es
muy variada, sus características esenciales son la altura y el paso. La cantidad de
éstas disminuye de los primeros molinos a los últimos, debido a que los trozos de
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caña son más gruesos al ingresar al primer molino, y su función es la de dividir el
bagazo para facilitar la extracción del jugo, razón por la cual en los primeros
molinos la acción divisoria sobre el bagazo debe ser mayor.
La capacidad de un tren de molinos se define como la cantidad de caña que dicho
tren es capaz de moler por unidad de tiempo (hora o día). El número de toneladas
de caña molida por hora se representa abreviadamente como T.C.H.
Entre los factores más importantes que influyen en la capacidad de un tren de
molinos están: Dimensiones y velocidad de los cilindros, número de cilindros del
tren, preparación previa de la caña, imbibición, ranurado de las mazas, presión
hidráulica, alimentadores y alimentación del tren.
La cantidad de bagazo que pasa por un molino es proporcional al producto del
espesor de su capa por la superficie descrita en la unidad de tiempo; la longitud de
los cilindros crece de 6 en 6 pulgadas, y el diámetro de 2 en 2. Se tiende a instalar
cilindros de gran tamaño porque aumentan la capacidad de molienda y mejoran la
extracción. La velocidad de los cilindros se expresa como la velocidad superficial
en pies por minuto
PESAJE Y PREPARACION DEL JUGO:
Para efectos de control y contabilidad en la planta, se pesa todo el jugo extraído
por los molinos en básculas mecánicas o electrónicas.
La preparación del jugo se efectúa con la ayuda de compuestos químicos (ácido
fosfórico, cal y azufre), los cuales facilitan la clarificación y sedimentación de las
impurezas presentes en el jugo.
45
El tratamiento con cal se ha constituido a través de los años en el primer paso
para la depuración química del jugo tamizado. Generalmente se añade en forma
de lechada de cal.
Puede ser añadida al jugo por un método manual (intermitente), en el cual se
forman zonas de alta alcalinidad. También puede ser añadida por medio de
dispositivos mecánicos automáticos o por medio de un equipo controlado
electrométricamente, flexible y capaz de aumentar o disminuir la cantidad de
lechada según los requerimientos del proceso. Para controlar la alcalización del
jugo se mide el pH, el cual debe ser superior a 7,5, logrando una buena
clarificación para valores de pH entre 8 y 9.
En la sulfitación se emplean la cal y el bióxido de azufre (líquido o gaseoso) como
agentes clarificantes. La cal neutraliza los ácidos presentes en el jugo. El bióxido
de azufre tiene como función neutralizar el exceso de cal añadida y decolorar el
jugo. Se pueden sulfitar los jugos, los jarabes y las mieles. Se recomienda sulfitar
los jugos debido a que la acción decolorante del bióxido no es inmediata, razón
por la cual al sulfitar los jugos, la decoloración continúa durante la evaporación,
ventaja que no se aprovecharía al sulfitar los jarabes. Otras ventajas de la
sulfitación son la sustitución de los carbonatos alcalinos por sulfitos alcalinos
menos solubles y la disminución de las posibilidades de fermentación en los
evaporadores.
El bióxido de azufre gaseoso se produce por la combustión en hornos del azufre
en presencia de aire, en donde el gas que se produce contiene menos del 14 % en
volumen de SO2. Existen varios tipos de hornos para combustión de azufre, en
general constan de una mufla donde se realiza la combustión, un dispositivo para
introducir el azufre mientras se opera, un sublimador que recoge los vapores de
azufre arrastrados, un secador de aire, un refrigerante, un lavador de gas y una
bomba o compresor de aire.
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La sulfitación generalmente ocasiona problemas de incrustaciones en los
calentadores, debido a la formación de sulfitos de calcio y otras sales que se
depositan en la superficie de los tubos ; para evitar tales incrustaciones, se
calienta primero el jugo hasta una temperatura de 70 a 80°C, se sulfita, se encala,
se calienta a ebullición y se decanta. Los jugos sulfitados se decantan con mayor
rapidez, se produce una mejor cristalización de la masa cocida y mejora
notablemente el color del azúcar producido. Los mejores resultados del proceso
de sulfitación del jugo se obtienen cuando el jugo se encala y sulfita al mismo
tiempo, en el mismo equipo.
El jugo de la caña contiene cierta cantidad de ácido fosfórico en forma de fosfatos
solubles, los cuales se precipitan al agregar la cal debido al aumento del pH.
Algunas cañas contienen muy poco ácido fosfórico lo cual dificulta su tratamiento,
por tal motivo es necesario adicionar una pequeña cantidad del ácido antes de
agregar la cal. No se puede determinar la cantidad exacta de ácido a agregar, ya
que ésta depende de la variedad de caña y del procedimiento adoptado para el
tratamiento de los jugos. Cuando el jugo no se sulfita, se agrega primero el ácido y
luego la cal, la cantidad de ácido que se agrega equivale a 150 - 200 gramos de
ácido total soluble por cada 1000 litros de jugo. Cuando primero se encala el jugo
y luego se sulfita, el ácido se agrega al jugo ya encalado en cantidades reguladas.
CALENTAMIENTO Y CLARIFICACION DEL JUGO:
El calentamiento de los jugos puede efectuarse antes, después o durante el
encalado del jugo; se realiza como complemento del encalado, facilitando la
precipitación de las impurezas presentes para obtener jugos más puros.
Esta operación se realiza con la ayuda de calentadores de tubos, y si el rango de
calentamiento es muy grande, el calentador requiere un mayor número de pasos.
Para aumentar la temperatura del jugo, se utiliza vapor proveniente de las
calderas o de la etapa de evaporación. Los métodos más comunes para clarificar y
47
calentar el jugo son : Cal - calor, calor - cal, cal - calor - cal, calor - cal - calor y cal
- calor - cal - calor
La clarificación de los jugos tiene como propósito la precipitación, coagulación y el
asentamiento de la materia en suspensión.
La decantación de las partículas se puede realizar en defecadores o en
decantadores, intermitentes o continuos, denominados clarificadores.
La sedimentación debe ser rápida y completa para evitar incrustaciones en los
evaporadores y en los tachos; cuando la separación de la materia en suspensión
no es completa durante la clarificación, se producen azúcares de baja calidad y
con un gran contenido de cenizas.
La clarificación depende de la coagulación, del volumen de sedimentos, del
tamaño, forma y densidad de las partículas, del área disponible para la
sedimentación y de la velocidad del jugo en el clarificador.
Existen varios tipos de clarificadores, los más comunes son : Clarificador Dorr,
Clarificador Graver, Clarificador de Le Fortier y Clarificador de Le Bach. Las
pérdidas de jugo en los lodos de los clarificadores equivalen aproximadamente al
5 % del total del jugo tratado.
48
Imagen 11. Calentamiento (Elaboración propia)
Clarificador Dorr: Es esencialmente un tanque cilíndrico de acero, cuyo fondo es
cónico. Compuesto por una cámara de floculación, un compartimiento
concentrador de cachaza y varios compartimientos clarificadores. La elección del
diámetro del clarificador y el número de compartimientos depende de la capacidad
requerida y del espacio disponible. Está provisto de un tubo central con divisiones
para la entrada del jugo y aberturas de salida para los sólidos sedimentados
(lodos) en todos los compartimientos, en cada uno de los cuales dos brazos
unidos al tubo central rotan. Dichos brazos poseen paletas que se encargan de
raspar el fondo de las bandejas, llevando los sedimentos hacia el centro. El
movimiento proporcionado por la acción conjunta de brazos y paletas en el interior
de la cámara de floculación que facilita la aglomeración de pequeñas partículas en
suspensión, debe ser lo suficientemente lento como para permitir dicha
49
aglomeración y de esta manera producir jugos más limpios y mejor clarificados.
Para remover la espuma formada en la cámara de floculación, el clarificador
cuenta con espumadores verticales, los cuales la empujan hasta el canal
recolector.
El jugo alcalizado caliente entra a la cámara de floculación, en la que permanece
el tiempo necesario para completar las reacciones de clarificación (defecación) y la
formación del floculo. El jugo claro se retira por la parte superior de cada
compartimiento y se recoge en un tanque localizado sobre el equipo.
Una bomba de diafragma extrae continuamente los lodos acumulados en el fondo
del clarificador que arrastran cerca del 5 % del jugo total.
El clarificador posee una máquina de vapor o un motor eléctrico, el cual se
encarga con la ayuda de un reductor de velocidad de proporcionarle el movimiento
al tubo central.
Clarificador Graver: Es un tanque cilíndrico de fondo cónico de gran capacidad,
provisto de bandejas con sus respectivos raspadores accionado por un motor
eléctrico.
El jugo entra al clarificador por la parte superior, los sólidos de mayor tamaño
descienden a través del espacio dejado entre los aleros de las bandejas y las
paredes del tanque. Las partículas más pequeñas ingresan con el jugo al interior
de los compartimientos, en los que son retiradas. El jugo claro se recoge y es
retirado por la parte superior del clarificador. Los lodos acumulados en la parte
inferior del equipo se extraen con la ayuda de una bomba.
Existen otros tipos de clarificadores menos difundidos y menos empleados tales
como el Clarificador de Le Fortier (rectangular) y el Clarificador de Le Bach.
50
FILTRACION Y CLARIFICACION DEL JUGO FILTRADO:
La clarificación divide el jugo en dos porciones: el jugo clarificado y los lodos
precipitados. El jugo clarificado va directo a los evaporadores y los lodos,
localizados en la parte inferior de los clarificadores, se filtran con la ayuda de filtros
prensa o filtros de vacío para recuperar el jugo presente. A estos lodos se les
puede añadir el bagacillo retirado en los tamices y cribas. El jugo recuperado en
los filtros se somete a un proceso de clarificación con cal, ácido fosfórico y un
coagulante. Luego se lleva a un decantador, en el cual se sedimentan las
impurezas. El jugo clarificado y recuperado de ésta forma se retorna al proceso. El
residuo sólido de la filtración denominado cachaza, se lleva a un tanque de
almacenamiento para posteriormente ser utilizado como abono en las
plantaciones.
Imagen 12. Clarificación de jugo (Elaboración propia)
Filtro prensa: Constituido por platos separados por marcos de igual espesor
construidos de hierro, y ajustados entre sí por presión hidráulica o por un
mecanismo de tornillo. El jugo fluye a través de la parte central de los platos, cada
51
uno de los cuales posee un grifo que vierte a un canal por el que sale el jugo
filtrado. Los marcos presentan vacía su parte central, en esa concavidad se
acumulan los sólidos retenidos.
Entre el plato y el marco se colocan medios filtrantes (telas), de diferentes
materiales tales como algodón, lino, cañamo, y otros, sobre los cuales se
depositan los sólidos formando una torta que aumenta de espesor a medida que el
filtro se llena; una vez lleno el filtro, se procede a su descarga y posterior lavado.
Filtro rotatorio al vacío: Se conoce comúnmente como filtro Oliver - Campbell,
consta de un tambor móvil parcialmente sumergido en el líquido a filtrar cubierto
con platos de cobre perforados. Dicho tambor está dividido en 24 secciones, cada
una de las cuales se comunica con una tubería de vacío que comprende tres
sectores. El primero comunica a la atmósfera, el segundo a un vacío reducido y el
tercero comunica con la sección de mayor vacío.
Al girar, la sección del tambor que se introduce en el líquido se comunica con el
vacío reducido, aspirando la cachaza, el primer filtrado obtenido es turbio. Las
partículas de bagazo y la materia en suspensión constituyen la base para la
formación de la torta, la cual hace las veces de medio filtrante. El espesor de la
torta aumenta hasta que se pone en contacto con una cuchilla raspadora, la cual
tiene como función desprender la torta. Se puede añadir el bagacillo a la cachaza
como material auxiliar de filtración.
Filtros Eimco de cachaza: Es un filtro rotatorio continuo de vacío, en forma de
tambor en donde el medio filtrante se coloca uniformemente sobre la superficie
exterior del tambor, el cual gira lentamente alrededor de su eje. El tambor está
dividido en secciones, las cuales al sumergirse completamente se ponen en
contacto con la bomba de vacío por medio de una válvula automática, que
succiona la solución, separando de ésta manera los sólidos que se adhieren al
medio filtrante.
52
Filtro Taylor: Es un filtro de talegas compuesto por una caja de fundición de
hierro, cuya parte superior es perforada. Cada agujero tiene una pinza sujetada
por dentro, de donde se encuentran suspendidas las talegas, cada una de las
cuales está compuesta por una cubierta externa hecha de cuerda suavemente
tejida, y por una talega interior de tela de algodón. Una vez agotada la capacidad
de filtración de las talegas, se retiran del equipo para luego someterlas a lavado
con agua caliente en repetidas ocasiones.
Este tipo de filtros presenta altos costos de operación, problemas de pérdidas de
azúcar y condiciones de limpieza que no son las más adecuadas.
Filtro Vallez: Consta de una serie de discos montados sobre un eje hueco que
gira lentamente dentro de un tanque horizontal. En su parte inferior hay un tornillo
sinfín que evacua la espuma por una compuerta especialmente adoptada para tal
labor. Los discos filtrantes están formados por dos aros, separados una cierta
distancia, en donde se colocan las telas filtrantes.
El jugo sucio entra por la parte inferior del tanque, se reparte uniformemente y
pasa del exterior al interior de cada disco. El material retirado se acumula sobre la
superficie de los discos formando una torta de espesor tal que no haya contacto
entre las tortas de discos sucesivos. La espuma formada se distribuye
uniformemente sobre las telas.
Una vez termina la operación, las tortas han alcanzado su máximo espesor, hecho
que no permite la filtración de una nueva cantidad de jugo sucio. Para el lavado
del filtro se utiliza agua caliente o agua proveniente de otros lavados anteriores. El
vaciado del filtro se realiza con aire comprimido, al igual que el desprendimiento
de las tortas una vez lavado el filtro.
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EVAPORACION Y CLARIFICACION DE LA MELADURA:
El jugo clarificado que entra a los evaporadores tiene de 12 a 15° Brix
aproximadamente. Para poder extraer por cristalización el azúcar que contiene el
jugo, se debe concentrar hasta obtener un jarabe entre 55 y 65°Brix.
Para calcular la cantidad de agua que se va a retirar, es necesario conocer los
°Brix del jugo y del jarabe, y la cantidad de jugo que entra a los evaporadores. El
agua a evaporar por tonelada de caña será:
Agua a evaporar = Cantidad de jugo * (1 - (°Brix del jugo/°Brix del jarabe))
La concentración del jugo se efectúa en evaporadores de múltiple efecto,
generalmente de cuatro o cinco efectos, los cuales funcionan como una caldera de
doble fondo, calentada con vapor, en la que se introduce el jugo que se desea
hervir. Para hacer hervir el jugo, se debe introducir en el doble fondo de la caldera
vapor a una temperatura mayor que la temperatura de ebullición; el vapor
desprendido del jugo en esta caldera, se conduce al doble fondo de una segunda
caldera, igual a la anterior, en donde se condensa sobre la pared del doble fondo y
cede su calor al jugo. Para que éste ebulla es preciso establecer el vacío sobre el
jugo para disminuir su punto de ebullición. Para las demás calderas o cajas la
operación es similar.
La temperatura de ebullición aumenta desde la última a la primera caja ; la presión
varía en sentido inverso, disminuyendo desde la primera a la última. El primer
efecto se calienta con vapor directo, o con vapor de escape, los demás efectos se
calientan con el vapor procedente del jugo del efecto anterior ; el vacío se produce
mediante la condensación de los vapores del último efecto, en el condensador,
con agua fría. Por este hecho, es necesaria una bomba para extraer
constantemente el aire y los gases incondensables que se acumulan en el
condensador.
54
La evaporación se regula de tal forma que el jarabe salga de los evaporadores con
una concentración entre 50 y 60°Brix cuando se quiere producir azúcar blanco, y
de 60 a 70°Brix cuando se produce azúcar crudo.
Cuando se produce Azúcar Blanco Especial, el jarabe o meladura que sale del
sistema de evaporación, se pasa a un clarificador donde se le adiciona cal, ácido
fosfórico y un floculante para retirar las impurezas presentes. Los lodos
sedimentados en el clarificador se llevan a los filtros de la cachaza, para su
disposición final.
En la fabricación de las demás clases de azúcar; azúcar blanco, azúcar crudo,
azúcar refinado y azúcar recristalizado, no se clarifica la meladura proveniente de
los evaporadores.
Imagen 13. Evaporación (Elaboración propia)
Evaporadores: En la Industria del Azúcar se utilizan evaporadores de múltiple
efecto, con lo cual se disminuye el consumo de energía. En un evaporador de
55
múltiple efecto, el vapor procedente de la caldera se condensa en el elemento
calefactor del primer efecto, si la alimentación al primer efecto está a una
temperatura cercana a la temperatura de ebullición. Un kilogramo de vapor hará
que se evapore cerca de un kilogramo de agua; el primer evaporador trabaja a una
temperatura de ebullición suficientemente alta como para que el agua evaporada
sirva de medio de calentamiento al segundo efecto. Allí se evapora cerca de otro
kilogramo de agua que puede ir a un condensador, o servir de medio de
calentamiento al siguiente efecto, dependiendo del número de efectos del sistema
de evaporación de la planta.
La ebullición del jugo en los evaporadores se realiza a presiones menores que la
atmosférica. Con la intención de producir el vacío se requiere de una bomba de
aire, la cual hace el vacío en un condensador, de una bomba que eleva a la parte
superior del condensador el agua fría necesaria para la condensación de los
vapores procedentes del evaporador y de un condensador.
La alimentación al sistema de evaporación de múltiple efecto puede ser en
paralelo, en contracorriente, o una modificación de las dos, la cual se conoce
como alimentación mezclada. La alimentación en paralelo se utiliza cuando el licor
de alimentación está a mayor temperatura que la temperatura de saturación del
primer evaporador (primer efecto), lográndose una evaporación flash. Como el
vacío se mantiene en el último evaporador (último efecto), el licor fluye por sí
mismo de un evaporador al siguiente, requiriéndose así sólo de una bomba al final
del sistema. Como la temperatura de saturación es menor en cada efecto, siempre
se produce una evaporación flash, lo que reduce el consumo total de vapor.
Los evaporadores más utilizados en la industria del azúcar son los evaporadores
de calandria.
Evaporador de calandria: Consiste en un haz de tubos verticales, corto, colocado
entre dos placas remachadas al cuerpo del evaporador; este conjunto constituye la
parte inferior del equipo.
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El cuerpo del evaporador está compuesto por un cilindro de fundición de hierro o
de acero, el cual constituye la parte superior del equipo, denominado comúnmente
calandria, situado sobre el haz tubular. La calandria termina en una cúpula en
forma de casquete esférico construida a una altura suficiente para disminuir el
arrastre del líquido con los vapores. El vapor fluye por fuera de los tubos, existe un
gran paso circular de derrame en el centro del haz de tubos donde el líquido a
menor temperatura recircula hacia la parte inferior del haz tubular. Los tubos son
grandes para disminuir la caída de presión y facilitar la circulación del líquido,
están construidos generalmente de acero o de latón, por ellos circula el jugo a
concentrar.
El vapor penetra al haz tubular por una o dos entradas, circula por los espacios
intertubulares limitado por las placas y la pared del mismo. Para lograr una buena
distribución del vapor entre los tubos se utilizan deflectores o bafles y se deben
ubicar puntos de purga para evitar la formación de bolsas de gases
incondensables. En la parte opuesta a la entrada del vapor se ubican las tuberías
de salida de los gases incondensables y en la parte inferior del haz tubular se
encuentra una tubería para la evacuación del agua condensada. En la parte
inferior del equipo se encuentra localizada una tubería, la cual lo comunica con el
siguiente efecto.
El espacio sobre el nivel del líquido, utilizado para liberar el líquido arrastrado por
el vapor, debe poseer una trampa instalada en la línea de vapor con el propósito
de retornar el líquido arrastrado. Tales trampas se basan en la eliminación
centrífuga de las gotas del líquido.
COCIMIENTO Y CRISTALIZACION DEL JARABE:
La cocción se realiza en aparatos independientes de los evaporadores, en los que
el jarabe se transforma en una mezcla de cristales y jarabe sobresaturado,
57
denominado comúnmente masa cocida. Esta concentración modifica la naturaleza
y estado físico de la meladura, aumenta la viscosidad y, a medida que se produce
la cristalización, el jarabe se transforma en una mezcla de productos semilíquidos
y semisólidos cuya consistencia no permite su concentración en espacios de
diámetro reducido, ni su circulación de un equipo a otro.
Por esta razón la cocción se debe realizar en equipos individuales de efecto
sencillo, denominados tachos en donde la superficie de calefacción debe ser la
suficiente para evaporar el agua en la cantidad necesaria. Una superficie de
calefacción mayor permite una evaporación rápida, con vapor de baja presión.
La tacha debe estar construida de tal manera que permita el movimiento de la
masa cocida, provocado por las burbujas de vapor, formadas por la ebullición, que
se desprenden en la superficie de calefacción ; el movimiento de la masa debe ser
enérgico para obtener una sobresaturación y temperatura uniformes.
El proceso de cocción se realiza en varias etapas: Preparación de la tacha para la
cocción, llenado parcial de la tacha con jarabe, concentración del jarabe a
sobresaturación, formación del grano, desarrollo del grano y el período de
agotamiento.
Una vez termina el período de agotamiento, se suspende la carga de jarabe a la
tacha y se procede a concentrar la masa hasta aproximadamente 94°Brix, antes
de descargarla al malaxador. Esta concentración de la masa reduce la cantidad de
miel producida durante la cocción.
Debido a la escasa movilidad que presentan las masas cocidas por su elevada
concentración, es necesario diluirlas antes de su descarga, con el fin de evitar
problemas en el malaxador (puede ocurrir la cristalización de la masa presente en
el malaxador).
58
La dilución de la masa se realiza con miel procedente de una turbinación anterior
que debe ser homogénea para facilitar la descarga de los tachos. Con la dilución
de la masa cocida termina la etapa de cocción del jarabe y se procede a la
descarga de la tacha
Imagen 14. Deposito (Elaboración propia)
Cada operación o descarga de una tacha recibe el nombre de templa; si se
descarga sólo una parte de la templa, dejando la otra parte como base para otra
templa, la operación recibe el nombre de corte de templa. La masa cocida
descargada recibe el nombre de cola, y la descarga de la templa se denomina,
botar una cola. Se acostumbra designar cada tacho con una letra (A, B, C, etc.),
esta letra nos indica el orden en que se producen las templas.
La cocción se puede realizar de tal forma que se obtengan dos, tres y hasta cuatro
masas cocidas. El procedimiento más común es la obtención de tres productos,
una masa de primera (masa A), masa de segunda (B), y la masa de tercera (C).
La masa cocida de primera se prepara con jarabe virgen, o con una mezcla de
jarabe virgen y miel de primera. La pureza de la masa A varía entre 80 y 85 %,
59
según la pureza del jarabe; la masa de segunda se prepara con una base de
jarabe virgen, alimentándola con miel de primera y logrando una pureza de 70 a
75 %. La miel de segunda se utiliza para preparar la masa de tercera, la cual tiene
una pureza de 55 a 60 % ; la masa de tercera se pasa a un cristalizador donde se
deja aproximadamente 16 horas, enfriándola, para aumentar la transferencia de
sacarosa y de ésta manera completar el agotamiento de las mieles.
Los equipos en los que se verifica la cristalización se conocen con el nombre de
malaxadores y cristalizadores. Los malaxadores, reciben generalmente las masas
de primera y de segunda, favoreciendo su centrifugación; son recipientes de
sección vertical en forma de U, que poseen un agitador, el cual le proporciona a la
masa un movimiento lento y continuo. En los cristalizadores, se tratan las masas
de tercera, las cuales necesitan más tiempo para completar la cristalización y
llevar el agotamiento al máximo.
Tachos: Deben reunir las condiciones para trabajar como un evaporador llevando
el jarabe de 60°Brix a la concentración correspondiente a su cristalización (95 a
98°Brix), apropiados para la producción de cristales.
Son muy parecidos a los evaporadores, se construyen verticales u horizontales y
la extracción de las aguas condensadas y de los gases incondensables se verifica
de manera similar. Su superficie de calentamiento no tiene tanta importancia como
en los evaporadores, pero debe ser la suficiente para evaporar la cantidad
necesaria de agua ya que una superficie mayor de calentamiento permite una
evaporación rápida con vapor de menor calidad desde el inicio de la etapa de
cocción.
Deben permitir el movimiento de la masa cocida, provocado por las burbujas de
vapor producidas durante la ebullición del jarabe que se desprenden en la
superficie de calentamiento, agitan y arrastran la masa durante su ascensión a la
superficie con un movimiento que debe ser enérgico para lograr una temperatura y
60
sobresaturación uniformes. El calentamiento se realiza con serpentines o haces
tubulares; las superficies de calentamiento deben colocarse lo más abajo posible,
de tal manera que el jarabe las cubra desde el inicio de la cocción. Se recomienda
instalar un haz tubular, con tubos de 1 m de longitud y de 9 a 10 cm de diámetro.
Los serpentines se agrupan de dos o de a tres, y se construyen de cobre con un
diámetro de 10 a 15 cm y un espesor de 2 a 3 mml. Su longitud varía según la
clase de vapor utilizado, bien sea vapor directo, vapor de escape o vapor extraído
del sistema de evaporación en múltiple efecto.
Existen diferentes sistemas de calefacción, entre los que se encuentran: El
sistema Greiner, sistema en Lira, sistema Witkowics, sistema Wellner - Jelinek y el
sistema Lexa - Herold.
La capacidad de los tachos es variable. Existen pequeños con capacidad de 300 a
400 HL, los cuales generalmente se emplean para la preparación de pies de
cocida. También se construyen de mayor capacidad, hasta 900 HL, con una
superficie de calentamiento de 900 m2, y dos haces tubulares.
Un tacho debe disponer siempre de los siguientes elementos : Una cámara en la
que se verifica la cocción ; un sistema de calefacción ; tubería y válvulas para la
entrada de la miel a la tacha ; un recuperador de las gotas de jarabe arrastradas
por el vapor ; una tubería de unión de la cámara de cocción con el condensador,
provista de una válvula de regulación de vacío ; un dispositivo de cierre y descarga
de la masa cocida, válvula de descarga ; un purgador para evacuar el agua
condensada en el sistema de calefacción, sin pérdida de vapor no condensado ;
tubería y válvulas para el lavado de los tachos con vapor al terminar la cocción ;
tubería de evacuación de gases ; tubería y válvula para el vapor de calefacción ;
miras, sondas y grifos, termómetros y vacúometros para regular la marcha de la
cocción.
61
Malaxadores: Reciben la masa de primera (masa A), la cual se somete a
beneficio para favorecer su posterior turbinación. Son recipientes de sección
vertical en forma de U, provistos de un agitador, el cual mantiene la masa en
movimiento lento y continúo; dicho movimiento es proporcionado por engranajes
accionados con correa. Los malaxadores más comunes son :
Malaxador de hélice doble: Provisto de dos hélices y dos ejes, los cuales se
mueven en sentido inverso; la hélice superior lleva una pala que rebasa la altura
de la masa.
Malaxador Ragot: Es un malaxador común, provisto de serpentines que giran en
la masa y pueden recibir agua o vapor. Su eje de movimiento es hueco y a él van
unidos los extremos de los serpentines. Este equipo permite un enfriamiento
rápido, o por el contrario, la calefacción de la masa antes de la turbinación.
Cristalizadores: Aparatos que reciben las masas de segunda y las de tercera o
de agotamiento (masas B y C), permanecen más tiempo, durante el cual se
somete la masa a un tratamiento para completar la cristalización y llevar el
agotamiento de la masa al máximo. Existen diferentes clases de cristalizadores,
entre los que sobresalen: El cristalizador Wekspoor y el cristalizador tubular
rotativo Lafeuille.
Cristalizador Wekspoor: Recipiente en forma de U ó circular, según la masa a
tratar ; en su interior posee un eje sobre el que se fijan los elementos de
enfriamiento, discos huecos unidos entre sí, de modo que el agua recorre uno a
uno todos los elementos, los discos dividen en compartimientos el recipiente. La
masa se introduce por un extremo y avanza por gravedad de un compartimiento a
otro, sale por desbordamiento por el lado opuesto ; el agua entra por éste lado,
circula por todos los discos y vuelve por el hueco del malaxador. La circulación es
en contracorriente; una de las ventajas que tiene es que la masa que llega caliente
se pone en contacto con agua ya calentada, y en cualquier punto la temperatura
62
del agua de enfriamiento desciende a medida que la de la masa también
disminuye.
Cristalizador tubular rotativo Lafeuille: Funciona como malaxador o como
tacha; compuesto por un cilindro de eje horizontal, el cual rota sobre unos rodillos.
En los fondos se encuentran dos placas tubulares de chapa, y en el interior, lleva
unos tubos horizontales unidos de dos en dos, los cuales forman un tubo cónico
atravesado por una corriente de agua o vapor; al iniciar su operación se llenan tres
cuartas partes del volumen total disponible, la rotación mantiene la masa agitada y
malaxada sin necesidad de dilución. Permite el enfriamiento rápido de las masas
cocidas, aumenta su rendimiento y disminuye la pureza y cantidad de miel
producida. Cuando se emplea como tacha se pueden llegar a obtener masas
cocidas de hasta 98°Brix.
CENTRIFUGACION Y SECADO:
La masa cocida resultante de la cocción y cristalización del jarabe está formada
por cristales de azúcar y por las mieles que no cristalizan. La separación de los
cristales de azúcar de las mieles, se realiza en equipos denominados centrífugas o
turbinas, por la acción combinada de la fuerza centrífuga y la fuerza de gravedad.
En la práctica se acostumbra turbinar en caliente (70 - 75°C) las masas cocidas de
primera y segunda, tal como salen de las tachas. Las masas de tercera se
turbinan después de que salen de los cristalizadores a una temperatura menor (50
a 60°C).
La duración de la turbinación depende de la uniformidad y tamaño de los cristales,
de la viscosidad y pureza de la masa, de la temperatura, de la velocidad de
arranque, de la rapidez de frenado y vaciado de la centrífuga, y de la duración de
los lavados con agua y con vapor. El tiempo de turbinación para las masas de
63
primera (masas A) es de 1 a 5 minutos, 4 a 10 minutos para las de segunda
(masas B) y de 10 a 45 minutos para las de tercera (masas C).
Como resultado de la turbinación de las masas cocidas de tercera o de
agotamiento, se obtiene la miel final, miel que no cristaliza, denominada
comúnmente melaza, con una pureza del 35 %. La melaza se pesa, envasa y se
almacena en espera de ser despachada al comercio en donde se puede utilizar
como alimento de ganado, en la producción de alcohol y en la industria
sucroquímica.
El azúcar que se separa en las turbinas pasa a la etapa de secado, la cual se
realiza en secadores rotatorios, en los que se inyecta aire caliente en
contracorriente. El aire se calienta con la ayuda de un recalentador. La humedad
del azúcar luego del secado es menor del 0,06 %.
Turbinas centrífugas: Las más importantes son las turbinas cuyo eje oscila, entre
las que figuran:
Turbina Weston: Es una turbina de eje dotado de oscilación, compuesta por un
órgano motor colocado en la parte superior que acciona un eje vertical, que está
provisto de una canasta perforada para permitir el paso de la miel. La canasta está
cubierta por unas telas metálicas que retienen los cristales de azúcar, formada por
hilos de cobre, arrollados en espiral y unidos uno junto al otro. Se carga por la
parte superior, y se descarga al finalizar la turbinación de las masas por una
abertura ubicada en la parte inferior del equipo. Las perforaciones de la canasta
tienen un diámetro aproximado de 7 mm y están separadas 22 mm.
El accionamiento de las turbinas se puede hacer de tres maneras; con un sistema
hidráulico, por correa y con un sistema eléctrico. Se disponen en línea formando
una batería, la cual cuenta con un canal malaxador que recibe la masa cocida
64
proveniente de los malaxadores y alimenta las turbinas. Además, la batería posee
tuberías de vapor y agua para el beneficio de la masa cocida.
Existen también, turbinas continuas como las de Krauss - Maffei y las C4, que
entre otras características, presentan un consumo de cerca de 2,5 HP por
tonelada de azúcar por hora, fácil acceso a todas sus piezas, no necesitan
vigilancia, pueden trabajar todo un día sin limpieza, tienen un bajo consumo de
agua y regulan la alimentación.
Secadores: El azúcar crudo no se seca, simplemente se almacena y envasa tal y
como sale de las centrífugas. Los demás tipos de azúcares se secan en
secadores rotatorios con aire caliente a una temperatura entre 80 y 90°C, el aire
se calienta con la ayuda de un recalentador. El equipo de secado cuenta además
con un ventilador, un ciclón, un separador de polvo, una chimenea, un elevador
para el azúcar seco, una tolva de recibo y una báscula (mecánica o automática).
Un secador rotatorio consiste en un cilindro que gira sobre cojinetes apropiados, el
cual tiene una leve inclinación sobre la horizontal para facilitar el desplazamiento
lento del material dentro del secador. La longitud del cilindro es de cuatro a diez
veces su diámetro, que varía entre 0,3 y 3 m. Los sólidos a secar se introducen
continuamente por un extremo, mientras que el aire caliente fluye por el otro
extremo. Dentro del secador, unos elevadores que se extienden desde las
paredes del cilindro en la longitud total del equipo levantan el sólido y lo riegan en
una cortina móvil a través del aire, exponiendo el sólido completamente a la acción
secadora del gas. Esta elevación del sólido contribuye a su movimiento hacia
adelante. En el extremo de alimentación del sólido, unos pequeños elevadores
espirales ayudan a impartir el movimiento inicial hacia adelante antes de que el
sólido llegue a los elevadores principales. El material a secar no debe ser chicloso,
puesto que podría pegarse a las paredes del secador, o tendería a apelotonarse.
Dependiendo del material a secar y de las características de la operación de
secado, existen varios tipos de secadores rotatorios, entre los que figuran : El
secador de calor directo y flujo a contracorriente en el que el gas está en contacto
65
con el material a secar (muy utilizado en la industria del azúcar) ; el secador de
calor directo y flujo a corriente paralela (utilizados para el secado de yeso, turba y
alfalfa) ; el secador de calor indirecto y flujo a contracorriente (para el secado de
alimento para ganado, granos para la elaboración de cerveza) y el secador directo
- indirecto, el más económico (secado a altas temperaturas de lignito, carbón y
coque).
ENVASADO Y DESPACHO A GRANEL:
Una vez seco, el azúcar se envasa en sacos o bolsas plásticas, en sus diferentes
presentaciones para ser despachado al comercio. En el proceso de envasado, el
azúcar se pesa en básculas electrónicas. Cuando se empaca en sacos, éstos
pueden ser sellados a mano o con la ayuda de una máquina.
Imagen 15. Transporte de sacos de azúcar (Elaboración propia)
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El almacenamiento del producto terminado requiere de una serie de cuidados para
asegurar que la calidad del producto no se altere. Para que un azúcar pueda ser
almacenado debe tener un contenido de humedad bajo (0,05 %).
El azúcar de grano fino absorbe humedad más fácilmente que el de grano grueso,
debido a que su higroscopicidad es mayor.
Imagen 16. Clasificador de sacos (Elaboración propia)
Se debe contar con un depósito o bodega para almacenar el azúcar empacado
antes de ser despachado al comercio.
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Dicho depósito debe cumplir con las disposiciones sanitarias para el
almacenamiento de alimentos, las cuales le aseguran al consumidor final que el
producto que está consumiendo está en óptimas condiciones.
Imagen 17. Almacén de azúcar empacada (Elaboración propia)
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11.2 Representación gráfica del proceso de producción de azúcar
Ilustración 1. Diagrama de flujo del proceso de producción de azúcar estándar en el ingenio caso de estudio (Fuente: ingenio caso de estudio)
11.3 Función del sistema estudiado
El sistema estudiado cumple la función de, a partir del cultivo de caña y de su
posterior trasformación, producir azúcar refinado seco, etanol anhidro y
electricidad que puede ser vertida a la red
11.4 Unidad funcional
La unidad funcional es una medida del comportamiento de las salidas funcionales
de un sistema y su propósito es proporcionar una referencia para las entradas y
salidas del mismo. Esta referencia es necesaria para asegurar que la comparación
69
de los sistemas se hace sobre una base común. La unidad funcional seleccionada
debe estar definida y ser mensurable.
Teniendo en cuenta los procesos estudiados, se estableció como unidad funcional
la transformación de una tonelada de caña y los productos que de dicha
transformación se obtienen. Las unidades funcionales que se han elegido son las
siguientes:
1 t de caña procesada
1 MJ de etanol
1 kg de azúcar
1 kWh de electricidad
11.5 Sistemas estudiados
Una vez establecida la función del sistema y la unidad funcional, es necesario
definir los sistemas y subsistemas que conforman la cadena a analizar. En la
Ilustración 2 se han representado esquemáticamente las etapas principales de los
sistemas estudiados:
Ilustración 2. Diagrama general simplificado de la producción de azúcar (Elaboración propia)
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Los sistemas estudiados en el Análisis de Ciclo de Vida son los siguientes:
Sistema A1: Cultivo de la caña
Sistema A2: Transformación de caña a jugo clarificado
Sistema A3: Transformación de jugo clarificado a azúcar y miel
Sistema A4: Transformación de jugo clarificado
Sistema A5: Generación de energía
Estos sistemas describen las etapas del ciclo de vida de la transformación de la
caña de azúcar en los tres productos de interés, a partir de diversas materias
primas. En los sistemas estudiados se incluyen el cultivo, el transporte de la
materia prima hasta la planta de transformación y la transformación en la misma
para obtener los productos y los subproductos. Asimismo, se considerará el
transporte de productos terminados, productos intermedios (co-productos) y
residuos.
Son tres los productos objeto de análisis, pero como a lo largo de las etapas que
componen el ciclo de vida de esta cadena productiva, se obtienen otros productos
como la miel, se hace necesaria la distribución de las entradas y salidas del
sistema entre todos los productos obtenidos, para distribuir las cargas ambientales
a lo largo de todo el proceso.
11.6 Descripción de los productos estudiados
Las características de los productos estudiados utilizadas en el presente estudio
se describen a continuación:
Azúcar refinado seco. El azúcar es sacarosa, un carbohidrato compuesto por
carbono, oxígeno e hidrógeno. Estos hidratos de carbono son los compuestos más
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abundantes en la naturaleza y constituyen la mayor fuente de energía, la más
económica y de más fácil asimilación (Murrú, Hermin, & Kuster, 2012)
Electricidad de bagazo de caña. Varios informes recientes han mencionado los
beneficios de la utilización de bagazo para la producción de electricidad, tales
como el sistema de cogeneración de bagazo como una parte de la red eléctrica
(Kiatkittipong, Wongsuchoto, & Pavasant, 2009)
La energía eléctrica producida a partir del aprovechamiento de los residuos de
biomasa de la caña de azúcar, depende en gran medida de los consumos de
energía por las diferentes unidades de proceso en el ingenio; de la producción de
vapor por tonelada de bagazo, y de la eficiencia de la turbina de vapor (Gil, Moya,
& Domínguez, 2013). En este caso, se utiliza el bagazo de caña obtenido en la
producción de jugo clarificado, para generar vapor y energía eléctrica para
abastecer la planta industrial, y entrega el excedente a la red eléctrica de la
Comisión Federal De Electricidad (CFE).
11.7 Cuantificación de la unidad funcional
Partiendo de la transformación de una (1) tonelada de caña, se producen 54,50 kg
de azúcar refinado seco y 61,76 kWh eléctricos (de los cuales 18,5kWh son
enviados a la rede de la CFE).
11.8 Análisis de inventario
El análisis de inventario es un proceso de cuantificación de los flujos de energía y
materiales que entran y salen de una actividad durante su ciclo de vida. Un
análisis del inventario es fundamentalmente un balance de materia y energía del
sistema, aunque también puede incluir otros parámetros como: utilización de
suelo, radiaciones, ruido, vibraciones, biodiversidad afectada, entre otros aspectos
(Herrera, Lago, Lechón, & Sáez, 2011)
72
Los aspectos a tener en cuenta en la realización de un análisis de inventario de
ciclo de vida, son aquellos que relacionan los flujos de materiales y energía con la
unidad funcional, la necesidad de asignación y los métodos de asignación
disponibles, y la disponibilidad de los datos. Estos aspectos se mencionan a
continuación:
Descripción de los procesos unitarios (Balance de materia y energía)
Procedimientos de cálculo (Deben estar referidos a la unidad funcional)
Criterios de asignación
Asignación de flujos a productos y co-productos según lo establecido
en la definición de objetivo y alcance
Procedimientos de recopilación de datos
Los datos deben recopilarse para cada proceso unitario incluido
dentro de los límites del sistema)
Realización de cálculos
La metodología seguida en este análisis de inventario, usa la aproximación
conceptual del análisis de sistemas, en el sentido en que traza una frontera
alrededor del sistema analizado y cuantifica las entradas y salidas a través de esa
frontera (Lechón et al, 2006)
El proceso de transformación de la caña de azúcar en los tres productos de interés
(azúcar refinada, etanol anhidro y electricidad) presenta particularidades
significativas a pesar de ser un proceso sencillo y conocido. Dichas
particularidades están relacionadas con el tipo de materias primas utilizadas y su
origen. Este hecho hace necesario establecer el origen de todos los materiales y
los flujos energéticos utilizados, de manera que puedan ser computadas
adecuadamente sus cargas asociadas, en todas las fases productivas, incluso el
transporte.
73
La obtención de las materias primas utilizadas en la transformación de la caña de
azúcar, implica diversas actividades, que van desde la actividad agrícola, hasta la
obtención de subproductos y productos terminados. No siempre es posible tener
todos los datos necesarios para la elaboración del inventario, por lo que es
necesario, partir de una serie de suposiciones e hipótesis que permitan completar
dichos datos.
Tal como se estableció en la definición de objetivo y alcance, la cadena productiva
de la transformación de la caña de azúcar, se compone de sistemas: cultivo de
caña, producción de jugo clarificado, producción de azúcar refinado, y generación
de electricidad. Para cada uno de estos sistemas se ha desarrollado un escenario
que representa las principales corrientes de entrada y salida, y a partir de las
cuales se definen las cargas ambientales asociadas.
11.8.1 Análisis de inventario del Sistema. Cultivo de caña
Se elaboró el escenario de la producción de la caña de azúcar, a partir de
información primaria, reportada por el ingenio y de información secundaria
obtenida a través de una rigurosa revisión bibliográfica y de bases de datos de
relacionadas con los procesos productivos involucrados con dicho sistema. La
Ilustración 3, representa esquemáticamente las entradas y las salidas del sistema
cultivo de caña
74
Ilustración 3. . Diagrama esquemático de entradas y salidas del sistema cultivo de caña. (Elaboración propia).
Para la realización del inventario se han tenido en cuenta las labores agrícolas
realizadas y los procesos asociados a la producción y transporte de las materias
primas necesarias en el cultivo tales como fertilizantes y fitosanitarios. Al margen
de la fase agrícola se ha analizado el transporte de la caña hasta la planta de
transformación.
Se ha considerado que un 90% de la cosecha es manual y un 10% de la misma se
realiza mecanizada. En el caso de la cosecha manual, se ha considerado el uso
de súper gas o gas licuado del petróleo (GLP), como combustible para la quema
de la hoja, actividad previa a la cosecha manual. Los datos de partida del cultivo
de caña, se presentan en la Tabla 2.
Descripción Cantidad Unidades Comentarios
Duración del cultivo 1.2 años
Superficie cultivada 9189 hectáreas Cada año se siembra el 20% de la superficie.
Poder Calorífico Superior (PCI)
17,375
KJ/Kg PCS del bagazo de caña, en base seca.
Rendimiento 60 t/ha
Semilla para siembra 12 t/ha
Especie cultivada Saccharum offininarum; Familia Poacea
Tabla 2. Partida del cultivo de caña (Fuente: Ingenio caso de estudio)
75
Riego
En el caso del riego, se ha hecho un promedio de consumo tanto de la electricidad
como del combustible necesario para llevar a cabo dicha actividad, a partir de los
datos reportados por el ingenio caso de estudio. Ver Tabla 3.
Ha regadas Consumo eléctrico
(KWh/ha)
Consumo de Gasoil
(L/ha)
Particulares (*2)(*3)
3716 754 48,3
Sistemas colectivos (*1)
5473 955 11,5
Total 9189 874 26
Tabla 3. Consumo de electricidad y combustible en la actividad de riego (Fuente: Ingenio caso de estudio)
*1 Solamente el 5% de las ha de los sistemas colectivos consume gasoil para riego (230 L/ha)
*2 Solamente el 21% de los particulares consume gasoil para riego (230 L/ha)
*3 El 79% restante de los particulares utiliza EE y se supone el mismo consumo que el
de los sistemas colectivos
Labores agrícolas
Las laboreas agrícolas consideradas en este estudio son las siguientes:
Labores del terreno. Incluye las tareas agrícolas de alzado y preparación
del terreno realizadas con diferentes aperos.
Labores de fertilización. Se las labores de abonado realizado siempre con
abonadora.
Labores de cultivo. Se han computado las labores de siembra y
mantenimiento.
Tratamientos fitosanitarios. Contempla las labores de aplicación de los
productos herbicidas, insecticidas y otros agentes utilizados.
Cosecha. Se incluyen las labores de cosecha y quema previa de la hoja.
76
Transporte insumos.- Se incluye el transporte local de los insumos:
semillas, fertilizantes y fitosanitarios.
Cosecha
El 10% de la superficie de caña se cosecha de forma mecanizada mientras que el
90% restante se cosecha de forma manual tras la quema de la hoja. Para la
cosecha mecanizada se utiliza una cosechadora y un tractor con trasbordo, con un
consumo de combustible asociado de 5,46 kg/ha. Para la cosecha manual se
utilizan quemadores alimentados con super gas (GLP) con un consumo por ha de
1,35 kg. Tras la corta de la caña se utiliza un grapo que carga los tallos en los
camiones de transporte.
Aplicación de vinazas
Las vinazas provenientes del cultivo de la caña se transportan al campo donde se
extienden. Se han considerado las emisiones procedentes de este transporte así
como las emisiones de óxido nitroso producidas en el suelo tras la aplicación. No
se ha considerado la posibilidad de que el aporte de nutrientes originado por esta
aplicación de las vinazas sustituya a la aplicación de ninguna cantidad de
fertilizantes.
Otros procesos
Producción de fertilizantes. Los datos del proceso de producción de los
fertilizantes, desde la obtención de las materias primas hasta la fabricación del
producto final así como la realización de las infraestructuras necesarias para su
producción han sido tomados de la base de datos de Ecoinvent.
Producción de fitosanitarios. Los datos del proceso de producción de los
productos fitosanitarios aplicados, desde la obtención de las materias primas hasta
la fabricación del producto final, así como la realización de las infraestructuras
77
necesarias para su producción han sido tomados de la base de datos de
Ecoinvent. Los datos para el transporte desde la zona de producción hasta la zona
de almacenamiento también proceden de Ecoinvent.
Aplicación de fertilizantes. La aplicación de fertilizantes a los suelos de cultivo
implica la producción de emisiones resultantes de la interacción entre los
compuestos químicos y el propio suelo (Brentrup, Küsters, Kuhlmann, & Lammel,
2001). La utilización de fertilizantes produce diferentes tipos de emisiones a los
diferentes medios, en este análisis se cuantifican las emisiones al aire de óxido
nitroso (N2O).
Emisiones de N2O en campo. Todos los suelos (agrícolas, forestales, en
barbecho, debido a la actividad bacteriana del suelo) emiten N2O, pero estas
emisiones se ven incrementadas con la fertilización.
Las emisiones de N2O a la atmósfera contribuyen de una manera significativa al
cambio climático (Houghton, Jenkins, & Ephraums, 1990)y participan también en
la destrucción de la capa de ozono. El N2O emitido por los suelos se produce
principalmente debido a la acción de los microorganismos que viven en él,
mediante los procesos de nitrificación y desnitrificación. Son procesos muy
complejos en los que tienen influencia el tipo de cultivo, el tipo de fertilizante y la
dosis de aplicación del nitrógeno. Asimismo, diferentes factores relacionados con
el tipo de suelo, como el contenido en carbono, el pH y la textura intervienen
también en las emisiones de N2O.
78
Las emisiones indirectas están representadas por la deposición del N volatilizado,
la lixiviación y la escorrentía. La Tabla 4, presenta en forma resumida, la emisión
del N2O para el cultivo de caña de azúcar, en términos de CO2eq por hectárea
cultivada.
Procesos de emisión Emisión (kgN2O/ha)
Aplicación directa (fertilizantes y vinazas) 2,67
Por quema 0,50
Lixiviación y escorrentía 0,22
Deposición atmosférica 0,60
Total 3,99
Tabla 4. Emisión del N2O para el cultivo de caña de azúcar (Fuente: Ingenio caso de estudio)
Etapas y procesos no considerados en el estudio. Quedan fuera del sistema,
los envases y embalajes de los agroquímicos aplicados en las operaciones de
fertilización y sus ciclos de vida asociados, debido a la gran variedad de tipologías
de envases detectadas y por considerar que su contribución relativa a las
diferentes categorías de impacto es mínima en el sistema estudiado (Herrera,
Lago, Lechón, & Sáez, 2011). No se considera la gestión de los residuos
producidos durante el proceso de producción de los insumos utilizados.
Tampoco han sido considerados los procesos de producción de la maquinaria
agrícola. de acuerdo con lo establecido en las directivas (2009/28/CE y
2009/30/CE) del Parlamento Europeo y del Consejo relativas a la promoción del
uso de las energías renovables y de los biocarburantes en el transporte.
Las labores realizadas en así como la maquinaria agrícola utilizada y los insumos
consumidos se resumen en la Tabla 5.
79
Etapa
Maquinaria
Peso
Maquinaria
uso
Diesel
Parti
Combustible
Fertilizantes
Fitosanitarios (kg/ha)
(kg) (h/ha) (l/ha) % (l/ha) (kg/ha) Glifosato Atrazina Ametrina Aky 2 - 4 D Humectante
Simbar Dual
SIEM
BR
A
Tractor 1 3187,87 Pulverizadora de barra 0,08 2,77 0,20 0,55 0,47 1 0,08 1,60
Tractor 1 3187,87 Motonivelador 0,40 11,25 0,20 2,25 1,89 0,016 0,32
Tractor 2 2408,61 Cincel 0,40 32,00 0,20 6,40 5,38
Tractor 2 2408,61 Rastra excen 0,28 14,00 0,20 2,80 2,35
Tractor 1 3187,87 land plane 0,20 7,00 0,20 1,40 1,18
Tractor 2 2408,61 Ensurcadora 0,30 7,50 0,20 1,50 1,26 NPK (0-46-0)
Tractor 2 2408,61 Fertilizadora 0,16 6,19 0,20 1,24 1,04 60,00 kg/ha
Tractor 2 2408,61 Zorra, apo, facon 0,70 18,20 0,20 3,64 3,06
Tractor 1 3187,87 pulverizadora de barra 0,08 2,77 0,20 0,55 0,47 0,7 0,4 0,64 0,002 0,00 0,04 0,25
MA
NTE
NIM
IEN
TO
Tractor 2 2408,61 grapo 0,40 21,00 0,20 4,20 3,53
Tractor 1 3187,87 pulverizadora de barra 2,77 2,77 1,00 2,77 2,33 3,5 2,0 3,2 0,0001 2,0 0,20 1,0
Tractor 2 2408,61 Cincel de 5 puas 1,75 15,00 0,70 10,50 8,82
Tractor 2 2408,61 Aporcador 1,19 9,00 0,70 6,30 5,29 NPK (26-0-26)
Tractor 2 2408,61 fertilizadora Vicon 1,20 5,00 1,00 5,00 4,20 370 kg/ha 0,37
Tractor 2 2408,61 fertilizadora Vicon 0,30 1,25 1,00 1,25 1,05 NPK (46-0-0)
0,10
Tractor 2 2408,61 Faconcinho 0,58 4,15 0,70 2,91 2,44 100 kg/ha
Tractor 2 2408,61 Trailas, pala de cola 1,60 5,50 1,00 5,50 4,62
Tractor 2 2408,61 Pulverizadora de barra 0,25 1,25 1,00 1,25 1,05 4,0 0,075
Total Fito 9,75 1,43 1,92 0,001 1,97 0,34 1,25 0,36
Tabla 5. Descripción de labores, maquinaria e insumos en el cultivo de caña de azúcar (Fuente: Ingenio caso de estudio)
80
Vinculación con la unidad funcional
El balance de entradas y salidas del cultivo de caña, a partir de los datos de
cultivo y de los cálculos realizados durante el análisis del inventario, se resume
en la Tabla 6.
Productos (salidas) Cantidad Unidad
Caña producida (1ha) 60 t
Materias primas (Entradas) Cantidad Unidad
Recursos naturales
Ocupación de suelo 10000 m2a
Agua 383,7 m3
Materiales
Diésel para labores 50,41 kg
Diésel para riego 21,84 kg
Diésel para cosecha mecanizada 0,55 kg
GLP para quema de hoja 1,22 kg
Fertilizante P2O5 27,6 kg
Urea 46 kg
Nitrato de amonio 96,2 kg
Fertilizante K2O 96,2 kg
Glifosato 9,75 kg
Atrazina 1,43 kg
Ametrina 1,92 kg
Aky 0,001 kg
2,4-D 1,97 kg
Simbar 0,36 kg
Dual 1,25 kg
Transporte 352,06 tkm
Energía
Electricidad de la red para riego 956 kWh
Emisiones (salidas) Cantidad Unidad
Emisiones directas al aire
N2O por aplicación de fertilizantes 3,99 kg
N2O por uso de combustibles 39 g
CO2 por uso de combustibles 231 kg
CH4 por uso de combustibles 173 g Tabla 6. Entradas y salidas del cultivo de la caña (Fuente: Ingenio caso de estudio)
11.8.2 Análisis de inventario del sistema. Producción de jugo clarificado.
La producción de jugo clarificado es un proceso común para la obtención de los
dos productos de interés (azúcar refinado y electricidad). Una vez la caña ha
81
sido cosechada pasa a la planta donde es procesada para obtener jugo
clarificado y otros materiales (bagazo, lodos y cachaza).
Transporte de la caña.
Computa el transporte de la caña desde la zona de cultivo hasta la planta de
transformación. Se ha considerado una distancia de transporte de 15 km.
Proceso de producción de jugo clarificado.
Ilustración 4. Diagrama esquemático de la producción de jugo clarificado (Elaboración propia)
Los tallos una vez cortados y limpios, entran el proceso de molienda, donde se
separa el jugo, que contiene la sacarosa, de la fibra (bagazo). Dicha fibra sigue
hacia la planta de energía, donde es utilizada como combustible para generar
la energía (térmica y eléctrica) necesaria para el proceso, y de la cual queda un
excedente que es vertido a la red. Por otra parte, el jugo clarificado se envía a
los siguientes procesos productivos: la producción de azúcar refinada. La
Ilustración 4 representa las corrientes de entrada y salida de este sistema:
El escenario de la producción de jugo clarificado, a partir de los datos
reportados el ingenio caso de estudio, incluye materias primas generadas por
la propia empresa y otras generadas fuera de la misma.
82
Vinculación con la unidad funcional
Este apartado presenta las entradas y las salidas del inventario del sistema
producción de jugo clarificado y su vinculación con la unidad funcional. Como
unidad funcional de este sistema, se ha establecido un kilogramo (1 kg) de jugo
clarificado. El balance de entradas y salidas del sistema producción de jugo
clarificado, se presenta en la Tabla 9
11.8.3 Análisis de inventario del Sistema. Producción de azúcar
Una vez obtenido el jugo clarificado, este puede ser usado para la producción
de azúcar refinado o la fabricación de etanol. En el caso de estudio actual, una
parte del jugo obtenido, tal como se muestra en el diagrama general, se utiliza
en la producción de azúcar.
El proceso de producción de azúcar refinado seco, requiere además del jugo
clarificado proveniente del sistema anterior, una serie de materias primas y
aditivos para su adecuado desarrollo. A continuación, en la Ilustración 5 se
puede ver un esquema específico de la producción de azúcar, y en la Tabla 6,
se presenta las materias primas y los aditivos en las cantidades necesarias
para producir una tonelada de azúcar refinado.
Ilustración 5. Diagrama esquemático de la producción de azúcar (Elaboración propia)
83
Procedimiento de asignación
Como ya se mencionó en apartados anteriores, en el sistema producción de
azúcar, además del azúcar, se co-produce miel, la miel es una materia prima.
Para repartir las cargas ambientales correspondientes a los co-productos que
tienen lugar en las etapas comunes al azúcar y la miel, se ha seguido un
criterio de asignación basado en el valor económico de ambos productos. Este
criterio de asignación se ha elegido al considerar que la razón que motivaría el
aumento del nivel de producción de azúcar en este proceso sería un posible de
aumento del precio del mismo en el mercado. Las energía, que podría ser otro
de los criterios posibles para realizar la asignación, no se considera que sea la
variable que determine la cantidad de azúcar que se produce en este proceso
al ser el azúcar un producto cuyo uso no es energético. Utilizar una asignación
másica no tiene tampoco mucho sentido al ser la miel, que es el subproducto
del proceso, la que se produce en mayor cantidad.
De esta manera los factores de asignación utilizados han sido los siguientes:
Asignación económica
producto
cantidad
(kg/kgcaña)
Precio
(U$/kgcaña)
participación
Asignación (%)
Miel 8,43E-02 0,14 0,012 24,16
Azúcar 5,45E-02 0,68 0,037 75,84
Total 0,049 100
Tabla 7. Factores de asignación del azúcar y la miel (Fuente: Ingenio caso de estudio)
Vinculación con la unidad funcional
Este apartado presenta las entradas y las salidas del inventario del sistema
producción de azúcar y su vinculación con la unidad funcional. Como unidad
funcional de este sistema, se ha establecido un kilogramo (1 kg) de azúcar
refinado seco.
84
El balance de entradas y salidas del sistema producción de azúcar refinado
seco, se presenta en la Tabla 8:
Productos* (salidas) Cantidad Unidad
Azúcar refinado seco 1,00 kg
Miel 1,55 kg
Materiales (entradas) Cantidad Unidad
Jugo Clarificado 14,01 kg
Azúcar crudo 0,54 kg
Sal 1,75E-03 kg
Bolsones 1,00E-03 kg
Anti incrustante 8,29E-07 kg
* Asignación por valor económico
Tabla 8. Balance de materia para la obtención de una tonelada de azúcar refinado (Fuente: Ingenio caso de estudio)
11.8.4 Análisis de inventario del Sistema. Generación de electricidad
Cuando la generación de calor para el proceso de transformación se realiza en
una planta de cogeneración, el exceso de electricidad producida y no utilizada
en el proceso puede ser considerado como otro co-producto del sistema. La
planta de cogeneración forma parte del diseño de la instalación y contribuye a
la optimización de su proceso productivo. En este sentido, en este ACV, se ha
considerado la electricidad que pueda ser vertida a la red, como un co-producto
al que se le puedan asignar cargas o restar de los otros productos.
Ilustración 6. Diagrama esquemático de entradas y salidas del sistema generación eléctrica. (Elaboración propia)
85
Vinculación con la unidad funcional
Este apartado presenta las entradas y las salidas del inventario del sistema
generación de electricidad y su vinculación con la unidad funcional. Como unidad
funcional de este sistema, se ha establecido un kilowatt-hora (1kWh) de
electricidad producida en la cogeneración. La Tabla 9 presenta el balance de
entradas y salidas del sistema producción de energía.
Productos* (salidas) Cantidad Unidad
Energía Eléctrica 1,00E+00 kWh
Cenizas 0,228 kg
Materiales (entradas) Cantidad Unidad
Bagazo 4,86E+00 kg
Leña (chip) 1,80E+00 kg
Agua 5,86E+00 kg
Electricidad de la red 3,26E-02 kWh
Electricidad propia (autoconsumo) 6,68E-01 kWh
Fosfatos 1,40E-07 kg
Aminas 3,85E-04 kg
Hidracina 1,30E-05 kg
Soda caustica 1,75E-07 kg
* Sin asignación
Tabla 9. Balance de materia y energía para la obtención de un kWh. (Fuente: Ingenio caso de estudio)
86
XII.- CONCLUSIONES
En el presente estudio de Análisis de Ciclo de Vida se realizó la caracterización
completa del proceso de producción de azúcar, desde el cultivo de la caña hasta
el empaquetado como producto terminado.
Mediante la metodología se presentaron las emisiones de gases de efecto
invernadero de la cadena de transformación de caña de azúcar, para la
producción de azúcar y electricidad en una empresa caso de estudio de la zona
norte del estado de Veracruz.
Se logró realizar el inventario de ciclo de vida concluyendo que el proceso de
producción de azúcar libera a la atmosfera gases que perjudica de gran manera al
medio ambiente, principalmente en la quema del cañaveral para posteriormente
realizar el corte de la caña. Así también dentro de los primeros procesos de la
producción en el ingenio.
Se concluye que a pesar de que en el presente trabajo no se pudo realizar la
última etapa de la metodología ACV, se pueden hacer recomendaciones para
disminuir el impacto negativo que tiene el sector agroindustrial del azúcar en el
medio ambiente y la atmosfera.
87
XIII. RECOMENDACIONES
Impulsar el cambio de mentalidad del cañero para el éxito en la implantación de
buenas prácticas de campo mediante talleres de concientización en materia de
educación ambiental. Se debe contar con personal capacitado en la implantación
de buenas prácticas de campo para demostrar sus beneficios mediante la puesta
en marcha de proyectos en parcelas específicas de estudio y mediante talleres de
capacitación para los productores. La demostración de los beneficios de las
buenas prácticas de campo impulsará al productor a la adopción de las mismas en
sus propias parcelas, lo cual tendrá beneficios al ambiente al disminuir los
impactos de contaminación de agua, suelo y aire.
Preparar adecuadamente el suelo para la siembra, se requiere equipo, maquinaria
y personal calificado que realice el diagnóstico del suelo, factores limitantes,
evaluación de la fecha ideal de siembra, seleccionar el tipo de semilla adecuada
mediante experimentos de adaptabilidad de especies nuevas y llevar a cabo
capacitaciones para los productores sobre las actividades requeridas para esta
buena práctica de campo. Esto traerá beneficios y menor impacto sobre el suelo;
además de una productividad alta en el campo.
Mejor gestión en el uso de agroquímicos, se requieren cursos y talleres de
capacitación para los productores con personal calificado sobre el uso adecuado
de productos químicos. Estudios de diagnóstico y de impacto ambiental por la
introducción de especies para la aplicación de control biológico. Eliminación de la
contaminación de cuerpos de agua y mantos acuíferos por mal uso de
agroquímicos. Menor uso de productos químicos para el control de plagas, menor
impacto en suelo, fauna y flora del lugar.
88
Mejor gestión y manejo de agua, se requiere tecnología de riego por goteo o
aspersión y estudios constantes para conocer las necesidades reales de riego
para la planta y con esto reducir en el consumo.
Promover la cosecha mecanizada en verde y mejorar la cosecha manual, se
requiere contar con máquinas cosechadoras y la selección de campos que son
viables para la cosecha mecánica. Además contar con personal calificado para el
manejo de la tecnología. Con esto se previene la contaminación del aire y
accidentes de incendios no controlados.
Reducir el porcentaje de impurezas de la caña durante su recolección, se requiere
realizar pláticas cortas con los cortadores de caña para mejorar su desempeño,
capacitar a los operadores de las máquinas cosechadoras para un uso adecuado
de las mismas.
Disminución de emisiones de partículas y residuos durante el acarreo de caña del
campo hacia el ingenio, para esto se requiere contar con distribuidores de diésel
de mejor calidad cercanos a la zona, aplicación de castigos y multas por exceso
de carga, uso de bandas y lonas para el amarre de la carga de caña. Con esto se
puede lograr una mejor calidad del aire por la disminución de emisiones al
ambiente y la reducción de residuos de caña en las carreteras.
Elaborar, implementar y monitorear programas de ahorro, uso eficiente y reúso de
agua en los condensados de vapor de la operación de evaporación y
cristalización, del agua de lavado de gases de combustión, agua de enfriamiento
de máquinas motrices y contar con un laboratorio para el monitoreo de la calidad
del agua para ser reutilizada como condensados puros o impuros de acuerdo a su
calidad.
Realizar un programa de vigilancia de eficiencia de las calderas que incluya:
verificación periódica de la eficiencia de la combustión, monitoreo de los gases de
89
combustión para comprobar la eficiencia de la combustión, observar la
acumulación de hollín en el área donde pasan los humos negros, ya que esto
impide el intercambio eficiente de calor al convertirse en aislante, por lo que debe
limpiarse periódicamente.
Instalar sistemas de control de emisiones a la atmósfera eficientes como
separadores de partículas.
Establecer un programa de control, recibo y manejo de materia prima para reducir
las pérdidas por materia prima en mal estado o que no cumplan con las
especificaciones necesarias para ser utilizadas en el proceso.
Ajustar los volúmenes de residuos a transportar, de acuerdo a la capacidad del
vehículo que se utilizará, y manejar los residuos en recipientes resistentes y de
adecuada capacidad para su transporte.
Realizar un buen manejo de los lubricantes o productos químicos para evitar la
contaminación del suelo.
Se recomienda implementar un plan de reforestación y mantenimiento de la zona
con especies nativas o especies adaptadas en el área del ingenio para mejorar las
condiciones del suelo
Llevar a cabo talleres de capacitación en la aplicación de procedimientos, manejo
y uso de registros, en prácticas de limpieza y de seguridad industrial, en buenas
prácticas de manejo de materiales, productos y de contaminación ambiental e
implementación de programas para vigilar el cumplimiento de su uso.
Establecer registros que garanticen el control y monitoreo de las buenas prácticas
efectuadas.
90
XIV.- BIBLIOGRAFÍA
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93
XV.- ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Metodología ACV (Herrera, De la Rúa, & Lechón, 2015) ................. 25
Ilustración 2. Diagrama general simplificado de la producción de azúcar
(Elaboración propia) .............................................................................................. 69
Ilustración 3. . Diagrama esquemático de entradas y salidas del sistema cultivo de
caña. (Elaboración propia). ................................................................................... 74
Ilustración 4. Diagrama esquemático de la producción de jugo clarificado
(Elaboración propia) .............................................................................................. 81
Ilustración 5. Diagrama esquemático de la producción de azúcar (Elaboración
propia) ................................................................................................................... 82
Ilustración 6. Diagrama esquemático de entradas y salidas del sistema generación
eléctrica. (Elaboración propia) ............................................................................... 84
XVI.- ÍNDICE DE IMÁGENES
Imagen 1. Cultivo de caña (Elaboración propia) .................................................... 28
Imagen 2. Planta de caña de azúcar (Elaboración propia) .................................... 29
Imagen 3. Caña quemada (Elaboración propia) .................................................... 30
Imagen 4. Alzadora (Elaboración propia) .............................................................. 31
Imagen 5. Transporte de caña (Elaboración propia) ............................................. 32
Imagen 6. Pesaje (Elaboración propia) ................................................................. 33
Imagen 7. Descarga en mesa alimentadora (Elaboración propia) ......................... 34
Imagen 8. Descarga por medio de grúa (Elaboración propia) ............................... 35
Imagen 9. Molienda (Elaboración propia) .............................................................. 39
Imagen 10. Extracción de jugos (Elaboración propia) ........................................... 41
Imagen 11. Calentamiento (Elaboración propia) ................................................... 48
Imagen 12. Clarificación de jugo (Elaboración propia) .......................................... 50
94
Imagen 13. Evaporación (Elaboración propia) ...................................................... 54
Imagen 14. Deposito (Elaboración propia) ............................................................ 58
Imagen 15. Transporte de sacos de azúcar (Elaboración propia) ......................... 65
Imagen 16. Clasificador de sacos (Elaboración propia) ........................................ 66
Imagen 17. Almacén de azúcar empacada (Elaboración propia) .......................... 67
XVII.- ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Indicadores de rendimiento de las Zafras del año 2005 a 2010 del ingenio
caso de estudio (CNIAA, 2016) ............................................................................. 27
Tabla 2. Partida del cultivo de caña (Fuente: Ingenio caso de estudio) ................ 74
Tabla 3. Consumo de electricidad y combustible en la actividad de riego (Fuente:
Ingenio caso de estudio) ....................................................................................... 75
Tabla 4. Emisión del N2O para el cultivo de caña de azúcar (Fuente: Ingenio caso
de estudio)............................................................................................................. 78
Tabla 5. Descripción de labores, maquinaria e insumos en el cultivo de caña de
azúcar (Fuente: Ingenio caso de estudio) ............................................................. 79
Tabla 6. Entradas y salidas del cultivo de la caña (Fuente: Ingenio caso de
estudio) ................................................................................................................. 80
Tabla 7. Factores de asignación del azúcar y la miel (Fuente: Ingenio caso de
estudio) ................................................................................................................. 83
Tabla 8. Balance de materia para la obtención de una tonelada de azúcar refinado
(Fuente: Ingenio caso de estudio) ......................................................................... 84
Tabla 9. Balance de materia y energía para la obtención de un kWh. (Fuente:
Ingenio caso de estudio) ....................................................................................... 85
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XVIII.- GLOSARIO
Producción primaria
Son las actividades que satisfacen una necesidad empleando para ello elementos
o procesos naturales. Las cinco principales actividades primarias son:
la agricultura, la ganadería, la pesca, la minería y la explotación forestal. Por
ejemplo, en la agricultura, si un agricultor siembra trigo, cuando lo coseche
realizará una actividad primaria.
Cañaveral
Campo o plantío de caña de azúcar
Alzadoras de la caña
Maquinaria especializada en la recolección de la caña de azúcar
Zafra
Cosecha de la caña dulce.
Bagazo
El residuo leñoso de la caña de azúcar. En estado fresco estos bagazos contienen
un 40% de agua. Suelen utilizarse como combustible de las propias azucareras.
También se utilizan en la industria del papel y fibras, por la celulosa que contienen.
Visión sistémica
Visión sistémica, implica considerar al mundo real no sólo como un inmenso
agregado de fenómenos sencillos y lineales, sino también como un conjunto de
organismos y entidades complejas e interrelacionadas. En otros términos, hay que
introducir además del estudio individual de los fenómenos, la consideración de la
complejidad organizada en sí.
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Biomasa
Cantidad de productos obtenidos por fotosíntesis, susceptibles de ser
transformados en combustible útil para el hombre y expresada en unidades de
superficie y de volumen
Trapiche
Un trapiche es un molino utilizado para extraer el jugo de determinados frutos de
la tierra, como la aceituna o la caña de azúcar
Autóctono
Que es propio de la población autóctona de un lugar.
Lechada
Masa fina de cal, yeso o cemento mezclado con agua que se emplea para
blanquear paredes o como argamasa para fijar ladrillos.
Sacarosa
Azúcar que se encuentra en el jugo de muchas plantas y se extrae especialmente
de la caña dulce y de la remolacha; se emplea en alimentación como edulcorante
nutritivo y sus ésteres como aditivos.
Meladura
Jarabe preparado para elaborar el azúcar.