Un ingenio de caña de azúcar es una fábrica que procesa caña de azúcar para producir azúcar en bruto [1] o azúcar blanca de plantación. [2] Algunos ingenios azucareros están situados junto a una refinería final, que convierte el azúcar sin refinar en azúcar blanco (refinado) . [3]
El término también se utiliza para referirse al equipo que tritura las ramas de la caña de azúcar para extraer el jugo. [4]
Hay varios pasos para producir azúcar en bruto a partir de caña: [5]
Estos pasos de procesamiento producirán azúcar moreno o sin refinar. El azúcar en bruto generalmente se envía a una refinería de azúcar para producir azúcar blanca. Esta refinación de azúcar se puede realizar en una fábrica completamente separada o en una refinería secundaria adjunta a la fábrica de azúcar en bruto.
Un ingenio azucarero de caña también puede producir azúcar apto para el consumo doméstico o industrial directo. Esto se llama azúcar blanca de plantación o azúcar blanca de ingenio, ver más abajo. [6]
La calidad general del azúcar en bruto que ingresa a la fábrica depende de las prácticas agrícolas y del cultivo utilizado. La recolección se puede realizar mediante máquinas o manualmente. Si se hace a mano, normalmente va precedido de la quema del campo. Sin embargo, los tallos de un campo quemado pierden más rápidamente su contenido de azúcar mientras esperan ser procesados. [7]
La caña se transporta por camión, ferrocarril de vía estrecha , contenedor o carreta . A su llegada la caña se vende según su peso o contenido de azúcar. Hay varias formas de descargar la cosecha. En general, limitar el tiempo entre el corte y la molienda es esencial para lograr un alto rendimiento y calidad del azúcar. [8]
Antes de que comience la extracción real del jugo de caña, es necesario preparar la caña. Esto se puede hacer girando cuchillos o trituradoras. [9]
Existen dos tipos modernos de procesos para extraer el jugo de la caña: [10] [11]
Los productos de la fase de extracción son: [12]
En 2004 y 2005 el ingenio Enterprise Sugar en Luisiana contaba con un ingenio tradicional y un difusor, los cuales procesaban caña de la misma zona. Se tomaron y analizaron muestras semanales de jugo crudo. Se encontró que eran muy similares, a pesar de que el difusor lograba una mayor extracción. [13]
La extracción de jugo mediante molienda es el proceso de exprimir el jugo de la caña bajo un conjunto de molinos utilizando alta presión entre pesados rodillos de hierro. Estos molinos pueden tener desde 3 hasta 6 rodillos; cada conjunto de molinos se denomina molino tándem o tren de molinos. Para mejorar la eficiencia de extracción de la molienda, se agrega agua de imbibición en cada molino. Se vierte agua caliente sobre la caña justo antes de que entre al último molino del tren de molienda y se recircula hasta llegar al primer molino. El jugo exprimido de esta caña tiene baja concentración de azúcar y se bombea al molino anterior y se vierte sobre la caña justo antes de que ingrese a los rodillos; el jugo de este molino se bombea de la misma manera hacia el tren de molienda. El jugo mezclado (es decir, jugo de caña mezclado con el agua introducida en el último molino) se retira del primer y segundo molino y se envía para su posterior procesamiento. Los trenes de fresado suelen tener cuatro, cinco o seis molinos en tándem. Para mejorar el rendimiento de extracción del molino antes de que la caña llegue al primer molino, normalmente se utiliza equipo de preparación de cuchilla y trituradora. [ cita necesaria ]
La difusión de la caña de azúcar es el proceso de extracción de la sacarosa de la caña mediante ósmosis y lixiviación también conocida como lixiviación . [14] Hay dos tipos de difusores. Se basa en sumergir la estera de bagazo en el jugo por contracorriente. El otro se basa en la filtración del jugo a través de la capa de bagazo. [15]
A nivel químico, el primer paso es abrir las células. Esto generalmente se hace mediante cuchillas de caña giratorias y una trituradora de tres rodillos, que en conjunto abren la mayoría de las celdas de paredes delgadas. A continuación se extrae el jugo de estas células abiertas mediante lixiviación. [14] Es decir, la sacarosa de estas células abiertas se disuelve en agua. El proceso de difusión propiamente dicho tiene lugar en el 10-16% de las células que contienen azúcar que no han sido abiertas. Primero se aplica agua caliente para matar el protoplasma de las células. Esto hace que las paredes de la célula se vuelvan semipermeables . Por ósmosis, el agua o un jugo más diluido pueden ingresar a la célula y reemplazar el jugo más pesado hasta que se alcanza un equilibrio. En esta fase, la sacarosa penetra las paredes más rápido que el azúcar con mayor peso molecular. Esto hace que la pureza del último jugo extraído por difusión sea superior a la adquirida por molienda directa, aun cuando al difundir se extrae más azúcar. [14]
En el proceso del sistema de percolación, la caña desmenuzada se introduce al difusor por el extremo de alimentación; Se vierte agua caliente sobre la caña desmenuzada justo antes del extremo de descarga del difusor. El agua caliente se filtra a través del lecho de caña y elimina la sacarosa de la caña. Este jugo diluido luego se recoge en un compartimento debajo del lecho de caña y se bombea a un punto un poco más cercano al extremo de alimentación del difusor y se permite que este jugo diluido se filtre a través del lecho de caña. En este punto la concentración de sacarosa en la caña es mayor que la concentración de sacarosa en el jugo diluido que acabamos de mencionar y así la sacarosa se difunde desde la caña al jugo; este jugo ahora ligeramente más rico se bombea nuevamente hacia el difusor y el proceso se repite, generalmente, de 12 a 15 veces (en comparación con las cuatro a seis veces del proceso de molienda).
El jugo mezclado tiene un pH de aproximadamente 4,0 a 4,5, que es bastante ácido. [16] Durante la purificación, se agrega hidróxido de calcio, también conocido como lechada de cal o agua de cal, al jugo de caña para ajustar su pH a aproximadamente 7 u 8. Esto se puede hacer mientras el jugo aún está frío (encalado frío) o después se ha calentado a unos 104°C (encalado en caliente). También se puede realizar por fases (encalado fraccionado). [17]
La cal ayuda a prevenir la descomposición de la sacarosa en glucosa y fructosa. Luego se deja que el jugo de lima sobrecalentado alcance su temperatura de saturación: este proceso precipita las impurezas, que quedan retenidas en cristales de carbonato de calcio. Luego, el jugo evaporado se transfiere a un tanque de clarificación.
En este tanque de clarificación se sedimentan los sólidos en suspensión. El sobrenadante , conocido como jugo claro, se extrae del clarificador. Luego el jugo clarificado se envía a los evaporadores. [17] Los sólidos sedimentados se pueden filtrar para producir un jugo de poca claridad, que se puede reciclar para una mayor purificación. [18]
El proceso de evaporación sirve para concentrar el jugo clarificado. [18] El evaporador más utilizado es un evaporador de efectos múltiples del tipo Roberts. [ cita necesaria ] El producto de este paso es un jarabe de 78 a 86% de pureza con un contenido de sólidos solubles de 60-65 ° Brix y que contiene 3,5-4,5% de azúcares invertidos. [19]
La temperatura, velocidad y tiempo de retención en el evaporador se regulan para evitar la inversión de sacarosa , o descomposición de la sacarosa en glucosa y fructosa. Otra preocupación es la formación de incrustaciones en la superficie de calentamiento del evaporador. La aplicación de un flujo magnético puede ayudar a prevenir la formación de incrustaciones. [18]
La cristalización se realiza con una marmita al vacío de simple efecto y un cristalizador. En la cubeta de vacío se evapora el almíbar hasta que se sobresatura de azúcar. En este punto se añaden las semillas para que sirvan como núcleos de los cristales de azúcar y se añade más almíbar a medida que el agua se evapora. El crecimiento de cristales continúa hasta que la cubeta de vacío esté llena. [20] Los cristales y las aguas madre (melaza) forman ahora una masa densa conocida como masa cocida . [21] El 'strike' (contenido de la cubeta) luego se descarga en un cristalizador.
En el cristalizador continúa el proceso de cristalización de la masa cocida. El objetivo del cristalizador es reducir la pérdida de sacarosa que queda en las aguas madre/melaza, en particular en masas cocidas de baja calidad. El cristalizador funciona enfriando la masa cocida. Esto disminuye la solubilidad y nuevamente aumenta la saturación, lo que obliga a que continúe la cristalización. Los cristalizadores son recipientes cilíndricos o en forma de U equipados con elementos agitadores de baja velocidad. A menudo están conectados en serie para un funcionamiento continuo. [22]
Enfriar la masa cocida aumenta la viscosidad . A la temperatura óptima para la cristalización, la masa cocida es demasiado viscosa para que la centrífuga separe adecuadamente los cristales de la melaza. Sin embargo, como las aguas madre de la masa cocida todavía están sobresaturadas en este punto, la viscosidad se puede reducir sin que los cristales se resuelvan. Esto se puede hacer llevándolo a un estado de saturación calentándolo o agregando agua. [23]
La centrífuga de azúcar sirve para separar la masa cocida en cristales de azúcar y aguas madres/melaza. Estas centrífugas constan de una cesta cilíndrica suspendida sobre un eje. Los lados perforados están revestidos con tela metálica , dentro de la cual hay láminas de metal que contienen entre 400 y 600 perforaciones por pulgada cuadrada. La cesta gira a 1000-1800 rpm. [20]
Mientras las aguas madres, la melaza, pasan por los orificios de la centrífuga, los cristales de azúcar quedan retenidos. Después de purgar el azúcar, se corta, lo que deja la centrífuga lista para la siguiente insignia. [20]
Es bastante común que el azúcar resulte de someterse repetidamente a los pasos de cristalización y centrifugación. Esto depende del sistema de ebullición.
El esquema de ebullición más común es el sistema de tres ebullición. Este método hierve los licores de azúcar en tres etapas de cristalización/centrifugación, llamadas A-, B- y C-. Se almacena el azúcar resultante de la primera etapa, el azúcar A. La melaza de la centrifugación A, melaza A, se alimenta a la tacha de vacío B. Esto da como resultado azúcar B y melaza B. Una mezcla de azúcar A y azúcar B forma el producto comercial de la fábrica. [20] [24]
Las melazas B tienen una pureza mucho menor. Se vuelven a hervir en la cacerola C. Si bien las etapas A y B no siempre utilizan un cristalizador, es esencial para esta masa cocida de baja calidad. [23] La masa cocida permanece en el cristalizador durante más de un día. El azúcar C de la centrífuga se mezcla con almíbar y se utiliza como semilla de masa cocida, y así vuelve al inicio del proceso. La melaza resultante de este paso de centrifugación se llama melaza final o blackstrap. Es un material pesado y viscoso que contiene aproximadamente un tercio de sacarosa, un quinto de azúcares reductores y el resto ceniza, no azúcares orgánicos y agua. Sirve como base para la alimentación del ganado, el alcohol industrial, la producción de levadura, etc. [25]
Hervir en una olla al vacío solía ser un proceso por lotes, pero la ebullición continua en una olla es inherentemente mucho más eficiente. En la década de 1970 se desarrollaron las primeras tachas de vacío continuo (CVP) comercialmente exitosas. En la década de 1980, estas primeras cubetas lograron un tamaño de cristal más uniforme que el que algunas fábricas lograron con sus cubetas de vacío de proceso discontinuo. [26]
El azúcar de las centrífugas se seca, se enfría y luego se almacena. Durante el almacenamiento a granel, la calidad del azúcar en bruto disminuye debido a una reacción química entre los aminoácidos y los azúcares invertidos degradados, conocida como reacción de Maillard . [27] El azúcar en bruto también se puede envasar directamente en bolsas para su envío.
En muchos países productores de azúcar de caña, el producto de azúcar estándar se conoce generalmente como azúcar blanco de plantación. En los países ricos, el producto azucarero estándar para consumo directo o uso industrial es el azúcar blanco . En calidad Codex White A, el azúcar blanco tiene una polarización mínima del 99,7% y un color ICUMSA de 60 UI. El blanco de plantación podría tener una polarización de, por ejemplo, 99,4-99,7% y un color entre 80 y 250 UI. [2] [28]
El azúcar blanco de plantación se produce realizando cambios en algunas de las etapas mencionadas anteriormente. Existen dos formas de elaborar azúcar blanco de plantación, la carbonatación y la sulfitación.
Para producir azúcar blanca de plantación mediante carbonatación se requieren cambios en los pasos de purificación, evaporación y almacenamiento.
En la etapa de purificación, el objetivo de la carbonatación es separar contenidos distintos del azúcar, como coloides y partículas insolubles, así como material coloreado. [6] Si se utiliza carbonatación, el jugo mezclado se calienta a 55°C y se agrega cal hasta alcanzar un pH de 10,5-11. A continuación, se añade dióxido de carbono (CO 2 ) y el jugo se empuja a través de filtros a presión. Esto da como resultado un lodo de carbonato de calcio. Luego se calienta nuevamente el jugo a 55°C y se añade cal y CO2 hasta alcanzar un pH de 8,4-8,6. A esto le sigue una segunda filtración a presión. [29]
Al final del paso de evaporación, se añade dióxido de azufre (SO 2 ) para reducir el pH del jarabe a 7,0. [29]
En las fábricas de azúcar, la carbonatación no se utiliza mucho porque requiere grandes cantidades de cal y CO 2 y la sulfitación es más barata. India es la excepción. [29]
Hay varias formas de utilizar la sulfitación para producir azúcar blanca de plantación.
En la etapa de purificación de la sulfitación ácida en frío, se añade SO2 al jugo mezclado para reducir el pH a 3,8-4,2. Luego se agrega cal para aumentar el pH a 7,2-7,4. A continuación, el jugo se calienta a 103-105°C antes de pasar al clarificador. En el clarificador se depositan las impurezas y luego se filtra el resultado. [30]
La etapa de purificación de la sulfitación ácida en caliente implica primero calentar el jugo mezclado a 70°C antes de bajar el pH a 3,8-4,2 añadiendo SO2 . El proceso se desarrolla entonces como el de la sulfitación ácida en frío. [30]
La etapa de purificación del doble encalado consiste en calentar primero el jugo mezclado a 70°C y agregar cal hasta alcanzar un pH de 7,2-7,4. Luego se añade SO2 para reducir el pH a 5,4-5,6 . Ahora se añade una segunda porción de cal para volver a alcanzar un pH de 7,2-7,4. Después de esto, el jugo se calienta a 103-105°C antes de pasar al clarificador.
El paso de evaporación del blanco de plantación es el mismo que el del azúcar en bruto. Al final se añade dióxido de azufre (SO 2 ) para bajar el pH del almíbar de 6,5 a 5,5. [31]
Después de la evaporación, se puede insertar un proceso de clarificación adicional. Los pasos básicos de este subproceso son: la adición de ácido fosfórico; agentes tensioactivos y fosfato, seguido de calentamiento y aireación del jarabe y adición de floculante . Luego, el almíbar se traslada a un clarificador especial. [31]
Los pasos de cristalización y centrifugación del blanco de plantación pueden diferir debido al sistema de ebullición utilizado. Para el blanco de plantación se puede utilizar el sistema habitual de tres ebullición. Una alternativa es enviar únicamente A-Sugar. Luego, el azúcar B se disuelve y se devuelve al almíbar, mientras que el azúcar C se disuelve o se utiliza como semilla para el azúcar B. [31]
En almacenamiento, el blanco de plantación es más vulnerable que el azúcar en bruto. El azúcar producido por carbonatación es especialmente vulnerable al cambio de color. El contenido de cenizas también contribuye a la decoloración. En Brasil, la decoloración se contrarresta almacenándola a una temperatura máxima de 35-40°C y produciendo azúcar de 166 UI, de modo que se pueda perder mucho color antes de alcanzar el estándar bajo de 230 UI. [28]
Algunos ingenios azucareros tienen las llamadas refinerías de back-end. En las refinerías finales, el azúcar en bruto producido en el ingenio se convierte en azúcar refinada con mayor pureza para el consumo local, la exportación o las empresas embotelladoras. Los residuos se aprovechan para la generación de calor en los ingenios azucareros.
Los sólidos fibrosos restantes de la fase de extracción del jugo, llamados bagazo , se queman como combustible en las calderas de vapor del molino. Estas calderas producen vapor a alta presión, que pasa a través de una turbina para generar energía eléctrica ( cogeneración ). El vapor de escape de la turbina pasa a través de la estación evaporadora de efecto múltiple y se utiliza para calentar tazones de vacío en la etapa de cristalización, así como para otros fines de calentamiento en el ingenio azucarero.
El bagazo hace que un ingenio azucarero sea más que autosuficiente energéticamente; El excedente de bagazo se destina a la alimentación animal, a la fabricación de papel o a la generación de electricidad para la venta.
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Como en muchas otras industrias, en las últimas décadas se ha promovido fuertemente la automatización de las fábricas en las refinerías de azúcar. El proceso de producción generalmente está controlado por un sistema de control de procesos central, que controla directamente la mayoría de las máquinas y componentes. Sólo en determinadas máquinas especiales, como las centrífugas de la fábrica de azúcar, se utilizan PLC descentralizados. Esto también tiene que ver con la seguridad por motivos de seguridad. [32]
Los ingenios azucareros se remontan al Egipto árabe en el siglo XII. [33] Una versión artesanal es el trapiche , posteriormente sustituido por el engenho o ingenio .
En la década de 1820 se dio una descripción general de las plantaciones de azúcar en Jamaica . [34] Lo que hoy llamamos ingenio azucarero constaba entonces de: el ingenio propiamente dicho, una sala de cocción y una destilería. Estos estaban alineados en una pendiente, para que el jugo de azúcar pudiera fluir hacia abajo desde el molino hasta la destilería. [35]
En la década de 1820 había cuatro tipos de molinos: los movidos por viento, agua, vapor o por ganado y mulas. El molino de viento se utilizaba ampliamente en Barbados. La preferencia por los molinos de viento se debía a su potencia (unos 15 CV), pero necesitaban un molino de ganado de apoyo para cuando no había viento. [35] La máquina en sí constaba de tres rodillos verticales. Se aplicó energía al rodillo principal (central), que hacía girar los otros dos mediante una rueda dentada . [36]
Un molino de ganado en Jamaica era generalmente un edificio redondo y cubierto de no menos de 60 pies de diámetro. Postes de madera dura o pilares de mampostería sostenían el techo, que estaba cubierto en su mayor parte con tejas de madera. En un ejemplo de la década de 1820, los cuatro pies inferiores del rodillo principal estaban cubiertos por una caja de hierro fundido, en el centro de la cual había un gobio . Esto hacía girar una pieza de hierro endurecido, que se colocaba en un escalón de hierro cementado lleno de aceite. Encima de la caja de hierro fundido estaba la rueda dentada, encima de la cual estaban los dos rodillos externos sujetos por tirantes. En la parte superior, el rodillo principal era impulsado por largas palancas unidas a bueyes que caminaban en una rotonda. [36]
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