UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERIA

MEDICION E INSTRUMENTACION

“ PROCESO INDUSTRIAL PARA LA FABRICACIÓN DE AZUCAR ”

MATERIAS PRIMAS

El azúcar puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar, la remolacha azucarera y en menor proporción del maíz.

Caña de azúcar, nombre común de ciertas especies de herbáceas vivaces de un género de la familia de las Gramíneas (Gramineae); es la especie Saccharum officinarum. La caña de azúcar se cultiva mucho zonas calurosas y húmedas de todo el mundo por el azúcar que contiene en los tallos, formados por numerosos nudos. La caña alcanza entre 2 y 5 m de altura y entre 2 y 5 cm de diámetro. La corona un conjunto de hojas que se parecen mucho al del maíz común. Se conocen diversas variedades cultivadas, que se diferencian por el color y la altura de los tallos.

La caña de azúcar común se cultiva a partir de esquejes desde la antigüedad; algunas variedades no producen semillas fértiles.

Aunque se han ensayado con cierto éxito varias máquinas de cortar caña, la mayor parte de la zafra o recolección sigue haciéndose a mano en todo el mundo. El instrumento usado para cortarla suele ser un machete grande de acero con hoja de unos 50 cm de longitud y 13 cm de anchura, un pequeño gancho en la parte posterior y empuñadura de madera. La caña se abate cerca del suelo, se le quitan las hojas con el gancho del machete y se corta por el extremo superior, cerca del último nudo maduro. Las hojas se dejan en el suelo para enriquecerlo de materia orgánica.

Remolacha azucarera, nombre común de una variedad o cultivo de remolacha de la familia de las Quenopodiáceas (Quenopodiaceae); es la especie Beta vulgaris grupo Crassa. Debe su importancia a que de ella se extraen casi las dos quintas partes del azúcar producido en todo el mundo. La remolacha azucarera puede cultivarse sólo en regiones templadas (aprox. 21°C), ya que necesita un suelo franco rico y profundo durante la estación de crecimiento. Para la producción comercial de semillas se seleccionan plantas con un contenido aproximado de azúcar del 15%. Las semillas se colocan en hoyos durante el invierno y el primer año presentan una matita de hojas gruesas y velludas. El segundo año, sus raíces se hinchan, y para la época de la cosecha alcanzan su más alto contenido de azúcar y están listas para la fábrica de azúcar de remolacha.

Maíz, nombre común de una gramínea muy cultivada como alimento y como forraje para el ganado. El nombre proviene de las Antillas, pero en México, los nahuas lo denominaron centli (a la mazorca) o tlaolli (al grano). Con el trigo y el arroz, el maíz es uno de los cereales más cultivados del mundo.

El maíz forma un tallo erguido y macizo, una peculiaridad que diferencia a esta planta de casi todas las demás gramíneas, que lo tienen hueco. La altura es muy variable, y oscila entre poco más de 60 cm en ciertas variedades enanas y 6 m o más; la media es de 2,4 m. Las hojas, alternas, son largas y estrechas. El tallo principal termina en una inflorescencia masculina; ésta es una panícula formada por numerosas flores pequeñas llamadas espículas, cada una con tres anteras pequeñas que producen los granos de polen o gametos masculinos. La inflorescencia femenina es una estructura única llamada mazorca, que agrupa hasta un millar de semillas dispuestas sobre un núcleo duro. La mazorca crece envuelta en unas hojas modificadas o brácteas; las fibras sedosas o pelos que brotan de la parte superior de la panocha son los estilos prolongados, unidos cada uno de ellos a un ovario individual. El polen de la panícula masculina, arrastrado por el viento, cae sobre estos estilos, donde germina y avanza hasta llegar al ovario; cada ovario fertilizado crece hasta transformarse en un grano de maíz.

La investigación de nuevas fuentes de energía se ha fijado en el maíz; muy rico en azúcar, a partir de él se obtiene un alcohol que se mezcla con petróleo para formar el llamado gasohol; las partes vegetativas secas son importante fuente potencial de combustible de biomasa..

PROCESO PRODUCTIVO

FABRICACIÓN DE AZÚCAR DE CAÑA

La caña de azúcar ha sido sin lugar a dudas uno de los productos de mayor importancia para el desarrollo comercial en el continente americano y europeo. El azúcar se consume en todo el mundo, puesto que es una de las principales fuentes de calorías en las dietas de todos los países.

Labores de campo y cosecha

El proceso productivo se inicia con la preparación del terreno, etapa previa de siembra de la caña. Una vez madura la planta, las cañas son cortadas y se apilan a lo largo del campo, de donde se recogen a mano o a máquina, se atan en haces y se transportan al ingenio, que es un molino en el cual se trituran los tallos y se les extrae el azúcar. No debe transcurrir mucho tiempo al transportar la caña recién cortada a la fábrica porque de no procesarse dentro de las 24 horas después del corte se producen pérdidas por inversión de glucosa y fructuosa.

Patios de caña (batey)

La caña que llega del campo se revisa para determinar las características de calidad y el contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas. Luego se pesa en básculas y se conduce a los patios donde se almacena temporalmente o se dispone directamente en las mesas de lavado de caña para dirigirla a una banda conductora que alimenta las picadoras.

Picado de caña

Las picadoras son unos ejes colocados sobre los conductores accionados por turbinas, provistos de cuchillas giratorias que cortan los tallos y los convierten en astillas, dándoles un tamaño uniforme para facilitar así la extracción del jugo en los molinos.

Molienda

La caña preparada por las picadoras llega a unos molinos (acanalados), de 3 a 5 equipos y mediante presión extraen el jugo de la caña, saliendo el bagazo con aproximadamente 50% de fibra leñosa. Cada molino esta equipado con una turbina de alta presión. En el recorrido de la caña por el molino se agrega agua, generalmente caliente, o jugo diluido para extraer al máximo la sacarosa que contienen el material fibroso (bagazo). El proceso de extracción con agua es llamado maceración y con jugo se llama imbibición. Una vez extraído el jugo se tamiza para eliminar el bagazo y el bagacillo, los cuales se conducen a una bagacera para que sequen y luego se van a las calderas como combustible, produciendo el vapor de alta presión que se emplea en las turbinas de los molinos.

Pesado de jugos.

El jugo diluido que se extrae de la molienda se pesa en básculas con celdas de carga para saber la cantidad de jugo sacaroso que entra en la fábrica.

Clarificación

El jugo obtenido en la etapa de molienda es de carácter ácido (pH aproximado: 5.2), éste se trata con lechada de cal, la cual eleva el pH con el objetivo de minimizar las posibles pérdidas de sacarosa. El pH ideal es de 8 a 8.5, lo cual nos da un jugo brillante, volumen de cachaza, aumenta la temperatura entre el jugo mixto y clarificado y se evita la destrucción de la glucosa e inversiones posteriores. Para una buena clarificación se necesita que la cantidad de cal sea correcta ya que esto puede variar la calidad de los jugos que se obtienen.

La cal también ayuda a precipitar impurezas orgánicas o inorgánicas que vienen en el jugo y para aumentar o acelerar su poder coagulante, se eleva la temperatura del jugo encalado mediante un sistema de tubos calentadores.

La temperatura de calentamiento varía entre 90 y 114.4 ºC, por lo general se calienta a la temperatura de ebullición o ligeramente más, la temperatura ideal está entre 94 y 99 º C. En la clarificación del jugo por sedimentación, los sólidos no azúcares se precipitan en forma de lodo llamado cachaza, el jugo claro queda en la parte superior del tanque; el jugo sobrante se envía antes de ser desechada al campo para el mejoramiento de los suelos pobres en materia orgánica.

Evaporación

El jugo procedente del sistema de clarificación se recibe en los evaporadores con un porcentaje de sólidos solubles entre 10 y 12 % y se obtiene una meladura o jarabe con una concentración aproximada de sólidos solubles del 55 al 60 %.

Este proceso se da en evaporadores de múltiples efectos al vacío, que consisten en un conjunto de celdas de ebullición dispuestas en serie. El jugo entra primero en el preevaporador y se calienta hasta el punto de ebullición. Al comenzar a ebullir se generan vapores los cuales sirven para calentar el jugo en el siguiente efecto, logrando así el menor punto de ebullición en cada evaporador. Una vez que la muestra tiene el grado de evaporación requerido, por la parte inferior se abre una compuerta y se descarga el producto. La meladura es purificada en un clarificador.

Cristalización

La cristalización se realiza en los tachos, que son aparatos a simple efecto que se usan para procesar la meladura y mieles con el objeto de producir azúcar cristalizada mediante la aplicación de calor. El material resultante que contiene líquido (miel) y cristales (azúcar) se denomina masa cocida. Esta mezcla se conduce a un cristalizador, que es un tanque de agitación horizontal equipado con serpentines de enfriamiento. Aquí se deposita más sacarosa sobre los cristales ya formados, y se completa la cristalización.

Centrifugación.

La masa cocida se separa de la miel por medio de centrífugas, obteniéndose azúcar cruda o mascabado, miel de segunda o sacarosa líquida y una purga de segunda o melaza. El azúcar moscabado debe su color café claro al contenido de sacarosa que aún tiene.

Las melazas se emplean como una fuente de carbohidratos para el ganado (cada vez menos), para ácido cítrico y otras fermentaciones.

Refinación.

El primer paso para la refinación se llama afinación, donde los cristales de azúcar moscabado se tratan con un jarabe denso para eliminar la capa de melaza adherente, este jarabe disuelve poca o ninguna cantidad de azúcar, pero ablanda o disuelve la capa de impurezas. Esta operación se realiza en mezcladores. El jarabe resultante se separa con una centrífuga y el sedimento de azúcar se rocía con agua.

Los cristales resultantes se conducen al equipo fundidor, donde se disuelven con la mitad de su peso en agua caliente. Este proceso se hace en tanques circulares con fondo cónico llamados cachaceras o merenchales, se adiciona cal, ácido fosfórico (3 a un millón), se calienta con serpentines de vapor y por medio de aire se mantiene en agitación. El azúcar moscabado, fundida y lavada, se trata por un proceso de clarificación.

Clarificación o purificación.

El azúcar moscabado se puede tratar por procesos químicos o mecánicos. La clarificación mecánica necesita la adición de tierra de diatomeas o un material inerte similar; después se ajusta el pH y la mezcla se filtra en un filtro prensa. Este sistema proporciona una solución absolutamente transparente de color algo mejorado y forzosamente es un proceso por lote.

El sistema químico emplea un clarificador por espumación o sistema de carbonatación. El licor que se trata por espumación, que contiene burbujas de aire, se introduce al clarificador a 65ºC y se calienta, provocando que la espuma que se forma se dirija a la superficie transportando fosfato tricálcico e impurezas atrapadas ahí. El licor clarificado se filtra y manda decolorar. Este proceso disminuye bastante la materia colorante presente, lo que permite un ahorro en decolorantes posteriores.

El sistema de carbonatación incluye la adición de dióxido de carbono depurado hacia el azúcar fundida, lo cual precipita el carbonato cálcico. El precipitado se lleva 60% del material colorante presente.

Decoloración - Filtración.

El licor aclarado ya está libre de materia insoluble pero aún contiene gran cantidad de impurezas solubles; éstas se eliminan por percolación en tanques que contienen filtros con carbón de hueso o carbón activado

Los tanques de filtración son de 3 metros de diámetro por 6 metros de profundidad, espacio en el que hay de 20 a 80 filtros de carbón; la vida útil del filtro es de 48 hrs. La percolación se lleva a cabo a 82ºC.

Los jarabes que salen de los filtros se conducen a la galería de licores, donde se clasifican de acuerdo con su pureza y calidad. Los licores de color más obscuro se vuelven a tratar para formar lo que se conoce como “azúcar morena suave”.

Una vez clasificados los licores se pasan a un tanque de almacenamiento, de donde se toman para continuar el proceso de acuerdo al producto final deseado. Los cristales finos de azúcar se hacen crecer a un tamaño comercial por medio de una velocidad de evaporación o ebullición controlada, de agitación y de adición de jarabe. La velocidad no debe ser muy alta ya que se formarán cristales nuevos impidiendo que los ya existentes crezcan.

De los equipos de cristalización pasamos el producto a los tanques de mezclado para uniformar sus características, de ahí a las centrífugas y finalmente al área de secado. Otra posibilidad es pasar de los cristalizadores a otro tipo de cristalizadores, donde obtenemos otros tamaños de partículas: cristales finos para siembra, de aquí pasamos nuevamente a fundición, mezcladoras y centrífugas para separar las melazas de los cristales.

Secado

El azúcar húmeda se coloca en bandas y pasa a las secadoras, que son elevadores rotatorios donde el azúcar queda en contacto con el aire caliente que entra en contracorriente. El azúcar debe tener baja humedad, aproximadamente 0.05 %, para evitar los terrones.

Enfriamiento

El azúcar se seca con temperatura cercana a 60ºC, se pasa por los enfriadores rotatorios inclinados que llevan el aire frío en contracorriente, en donde se disminuye su temperatura hasta aproximadamente 40-45ºC para conducir al envase.

Envase

El azúcar seca y fría se empaca en sacos de diferentes pesos y presentaciones dependiendo del mercado y se despacha a la bodega de producto terminado para su posterior venta y comercio.

AZUCAR DE REMOLACHA

La caña sólo crece bien en climas tropicales y semitropicales, pero la remolacha crece en zonas templadas; el contenido de sacarosa en ambos azúcares es muy alto, más del 99.9%, por lo que ambos tipos de azúcar se puede utilizar para fines comunes. La remolacha difiere del betabel en que es más grande y no es roja.

La cosecha de remolacha se saca, se coloca en camiones y se introduce a la fábrica por medio de acequias, pequeños canales de agua caliente, que además de transportarlas también las lavan. La parte superior de las remolachas puede cortase y utilizarse como alimento para ganado.

Ya en la fábrica, las remolachas se lavan nuevamente, se pesan y se cortan en rebanadas delgadas llamadas cosetes, que se conducen a un difusor a contracorriente continua especialmente diseñado. El azúcar se extrae a contracorriente con agua a una temperatura de 70 a 80ºC. De aquí se obtiene un jugo con 10 a 12% de sacarosa de color azul negro. A la pulpa restante, se le elimina el agua, se seca y se vende como alimento para ganado.

El jugo se pasa por un filtro grueso para eliminar materias extrañas, se agrega una lechada de cal hasta alcanzar una concentración de 2 a 3% , lo cual propicia la precipitación de impurezas indeseables. Se puede pasar dióxido de carbono a través del jugo en forma continua en carbonatadores para descomponer el carbonato de calcio que se haya formado (4 a 5% de la carga) y con una pequeña cantidad de antiespumante se puede reducir la espumación que se produce en esta etapa; luego se filtra y se añade más cal, hasta que la concentración sea de 0.5% y el jugo se carbonata nuevamente, esta vez caliente. Después se filtra en filtros a presión, el filtrado resultante se blanquea con dióxido de azufre, precipitando a su vez sulfito cálcico, el cual se elimina por presión en filtros de placa y bastidor.

El jugo purificado, con una concentración de azúcar de 10 a 12% se pasa a evaporadores de múltiple efecto donde se concentra hasta 60%, lo cual incremente de nuevo la concentración de los iones de calcio que se eliminan al pasarlos nuevamente por dióxido de azufre y filtros a presión. El jugo producido se granula en bandejas de vacío, se centrifuga, lava, seca en un granulador, tamiza y empaca de manera muy similar a la azúcar de caña.

El jarabe que sobra después de varias cristalizaciones, se llama melaza de remolacha y se vende como alimento de ganado. También se utiliza en fermentación, principalmente de ácido cítrico.

EDULCORANTES ARTIFICIALES

Cualquier sustancia sintética desarrollada para su utilización en bebidas y alimentos bajos en calorías o dietéticos. Tradicionalmente, los alimentos se endulzaban con azúcar o miel; no obstante, en la elaboración moderna, se usa toda una serie de edulcorantes diferentes, tanto de bulto, que se emplean en cantidades similares a la del azúcar que sustituyen, como artificiales, que son mucho más dulces que el azúcar y se usan en cantidades muy pequeñas.

Los jarabes de glucosa, elaborados a partir del almidón, se usan con frecuencia en lugar del azúcar, pero es necesario emplear una cantidad mayor para obtener resultados similares, ya que la glucosa sólo tiene un 74% de la dulzura de la sacarosa. Los jarabes de glucosa modificados, en los que cierta proporción de aquélla se transforma en fructosa, son más dulces, ya que la fructosa es un 124% más dulce que la sacarosa.

Los alcoholes de azúcares se usan también como edulcorantes; son derivados de azúcares naturalmente presentes en algunas frutas, y se fabrican por reducción química de éstos. Entre ellos están el sorbitol (procedente de la glucosa), el dulcitol (o galactitol, de la galactosa), el manitol (de la manosa o manitosa) y el xilitol (de la xilosa). Su dulzura va de la mitad a aproximadamente un 100% de la dulzura de la sacarosa.

Los alcoholes de azúcares se absorben de forma lenta y no son completamente metabolizados; su rendimiento energético medio es de 2,4 kcal (10 kJ) por gramo, frente a 4 kcal (16 kJ) por gramo en el caso de los azúcares. Así pues, los productos elaborados con estas sustancias tienen un contenido calórico inferior a los que contienen azúcares. Son bien tolerados por los diabéticos y se emplean casi siempre en la preparación de mermeladas y dulces etiquetados como apropiados para diabéticos. Se les considera productos seguros y pueden usarse en los alimentos en cualquier cantidad; no obstante, una ingesta superior a 20 g diarios puede producir malestar gastrointestinal y efectos laxantes.

Una ventaja añadida de los alcoholes de azúcares es que no favorecen el crecimiento de las bacterias causantes de la caries dental. De hecho, el xilitol tiene un efecto anticariógeno, y por este motivo se usa en la fabricación de productos de confitería.

Los edulcorantes especialmente intensos (a veces llamados edulcorantes artificiales o no nutritivos) son compuestos sintéticos mucho más dulces que la sacarosa y, por lo tanto, se usan sólo en cantidades muy pequeñas, como edulcorantes de mesa para ciertas bebidas como el café, y en la fabricación de refrescos bajos en calorías y otros alimentos. No todos los edulcorantes listados a continuación están autorizados en todos los países.

• El acesulfamo-K es unas 200 veces más dulce que la sacarosa. No se metaboliza y se excreta sin alteración alguna.

• El aspartamo es un derivado de un aminoácido; en términos químicos, el éster metílico de la aspartil-fenilalanina. Es unas 200 veces más dulce que la sacarosa. En disolución es estable durante unos pocos meses, transcurridos los cuales se descompone gradualmente. Esto quiere decir que los productos que contienen aspartamo tienen una vida útil de almacenaje limitada. Es muy utilizado en refrescos, preparados para postres y como edulcorante de mesa. Dado que contiene fenilalanina, se recomienda específicamente que no sea consumido por niños que padezcan fenilcetonuria (incapacidad para metabolizar la fenilalanina), aunque la cantidad consumida sería extremadamente pequeña.

• El ciclamato es 30 veces más dulce que la sacarosa; se usan tanto la sal sódica como la cálcica en toda una variedad de alimentos. Al contrario que otros edulcorantes artificiales, el ciclamato es termoestable, y por lo tanto puede utilizarse para cocinar. Fue sintetizado por primera vez en 1937, y su uso como edulcorante se generalizó en la década de 1950. Unos estudios en los que se administraban dosis muy elevadas a animales de laboratorio sugirieron el riesgo de que fuera carcinógeno y su uso fue prohibido en Estados Unidos, Reino Unido y algunos otros países en 1969, aunque se sigue utilizando en Canadá, Suiza, Noruega y otros países.

• La sacarina, el más antiguo de los edulcorantes sintéticos, fue descubierta en 1879, y se ha utilizado mucho desde entonces. Es 550 veces más dulce que la sacarosa, pero tiene un regusto amargo (que puede enmascararse hasta cierto punto mezclándola con otros edulcorantes), y no es estable ante el calor, por lo que no puede utilizarse para cocinar. No hay indicios de que la sacarina represente riesgo alguno para las personas que la utilizan, pero estudios realizados sobre animales a los que se administraban dosis muy altas sugieren un cierto riesgo de carcinogénesis. Su uso fue prohibido en Canadá y Estados Unidos en 1977, aunque en el segundo país una serie de moratorias del Congreso han mantenido el producto en el mercado, si bien con una etiqueta de advertencia.

Existe una serie de productos naturales potencialmente útiles como edulcorantes, aunque no son muy utilizados. La rebaudiosida y la steviosida son glucósidos extraídos del arbusto paraguayo yerba dulce (Stevia rebaudiana). Son entre 300 y 400 veces más dulces que la sacarosa.

La taumatina es una proteína extraída del fruto africano del Thaumatococcus daniellii, llamado katemfe o `fruta milagrosa de Sudán'. Es unas 1.600 veces más dulce que la sacarosa. La monelina es una proteína similar (entre 1.500 y 2.000 veces más dulce que la sacarosa) extraída de la baya del Dioscoreophyllum cumminsii.

La baya milagrosa es el fruto de un arbusto de África occidental, Richardella dulcifica (Synsepalum dulcificum). Contiene una proteína modificadora del sabor que hace que los alimentos agrios adquieran un sabor dulce. El efecto dura sólo unos minutos por lo que, aún siendo una novedad curiosa, no parece probable que tenga utilidad alguna en el campo de la alimentación.

USOS Y APLICACIONES

TIPOS DE AZÚCAR

Cruda, moscabado o morena: se produce con cristales de tamaño y conserva una película de melaza que envuelve cada cristal.

Blanca directa o directa especial: se producen por procesos de clarificación y su producción final se logra en una sola etapa de clarificación.

PRODUCTOS

El azúcar no sólo se usa como componente de alimentos caseros o industriales, sino que es también el material en bruto cuya fermentación produce etanol, butanol, glicerina, ácido cítrico y ácido levulínico. El azúcar es un ingrediente de algunos jabones transparentes y puede ser transformado en ésteres y éteres, algunos de los cuales producen resinas duras, infusibles e insolubles.