Industria Azucarera, Apuntes de Ingeniería Química

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Tecnología Ambiental de

Procesos

Tecnología Ambiental y Procesos

Grupo 1 Del Valle Morejón, Judith. Donis Fernandez, Rodrigo. Ángel Alejandro,Filipigh. Diez Andrés,Javier.

Tecnología Ambiental y Procesos

• Descripción general del proceso productivo. .................................................................. Índice
  • Introducción ................................................................................................................
  • Etapas implicadas en el proceso ..................................................................................
    • Preparación de la caña (Almacenamiento, lavado y fragmentación). ......................
    • Extracción ................................................................................................................
    • Generación de vapor y electricidad .........................................................................
    • Purificación del jugo. Calentamiento, clarificación y filtración ................................
    • Evaporación de múltiple efecto ...............................................................................
    • Cristalización y centrifugación .................................................................................
    • Secado y almacenado del azúcar .............................................................................
• Diagrama de bloques. Identificación de materias primas, productos y subproductos. ...
  • Materias primas ...........................................................................................................
  • Productos ....................................................................................................................
  • Subproductos y residuos .............................................................................................
• Determinación del balance de materia..........................................................................
• Impactos medioambientales. Emisiones. ......................................................................
• Mejores técnicas disponibles en la industria azucarera. ...............................................
• Análisis comparativos de las MTD de los diferentes procesos. ......................................
• ANEXO 1. Cálculos del Balance de Materias. ................................................................. - Bibliografía.............................................................................................................

Tecnología Ambiental y Procesos

lavado se realiza con el fin de extraer al máximo todas las materias extrañas, tales como tierra, hojas, piedras, etc. Para suprimir los microorganismos se ajusta el pH a 10-12 con CaO. Tras el lavado se pasa a una etapa de fragmentación. Las picadoras son unos ejes colocados sobre los conductores accionados por turbinas, provistos de cuchillas giratorias que cortan los tallos por impacto y los convierten en astillas. Seguido pasa por un tambor giratorio provisto de martillos que desmenuzan completamente la caña, dándola un tamaño uniforme para facilitar así la extracción del jugo en los molinos y conseguir una extracción más uniforme.

Extracción Para extraer los componentes líquidos de la caña de azúcar se lleva a cabo el prensado mecánico. El prensado mecánico es una operación básica que consiste en la separación de los líquidos contenidos en productos sólidos, mediante la aplicación de fuerzas de compresión. Paralelo al prensado se realiza una extracción a contracorriente. Para maximizar esta extracción añadimos agua o jugo pobre en sacarosa a la salida de los molinos. La extracción se realiza en múltiples etapas. En la industria se utilizan 2 formas diferentes de extraer la sacarosa de la caña de azúcar: mediante prensas (también denominados molinos) o difusores. El primero es el método más extendido en la industria. En la extracción mediante molinos, la caña desmenuzada entra en el primer molino donde mediante presión extrae el jugo cargado de sacarosa de las células vegetales. El bagazo que sale del primer molino pasa a través de un conductor al segundo molino y a partir de éste, el proceso continúa de forma similar hasta la última unidad de molienda. A la entrada del último molino se realiza el proceso de imbibición. Este proceso consiste en añadir agua caliente, agua de imbibición, al bagazo aumentando la extracción en un 15% aproximadamente. Paralelo a la imbibición se realiza el proceso de maceración que tiene la misma finalidad (aumentar la extracción). La maceración consiste en remojar el bagazo con el jugo diluido producto de la imbibición. El jugo extraído por un molino se aplica a la entrada del molino anterior, así que antes de cada molino se macera con un jugo más pobre proveniente de la extracción anterior. En un tándem de 6 molinos se aplica maceración al segundo, tercero, cuarto y quinto molino e imbibición al sexto molino. El jugo resultante del primer molino junto con el jugo del segundo, jugo diluido, se bombea hacia la etapa de purificación. Los objetivos a conseguir en la extracción son la máxima extracción del azúcar y conseguir un jugo lo más puro posible. Este objetivo y el anterior son incompatibles ya que cuanto mayor sea la extracción, también se obtendrá mayor cantidad de no-azúcares por lo que la pureza disminuirá con el aumento de extracción. Por esto, se debe llegar a un equilibrio entre agotamiento y pureza del jugo

Generación de vapor y electricidad El residuo del proceso de la molienda, bagazo final, se utiliza como combustible junto con carbón para alimentar las calderas. Durante esta combustión se genera una corriente de vapor de alta presión y se utiliza para generar energía mecánica, térmica y eléctrica. Esta transformación es llevada a cabo en los turbogeneradores, constituidos por un generador eléctrico y una turbina de vapor. El vapor se expande dentro de la turbina y se transforma en vapor de escape. Luego es aprovechada su energía calorífica en la evaporación; se utiliza como fuente de calor para aumentar la temperatura del jugo claro en el proceso de evaporación. La corriente de vapor de escape disminuye su temperatura al paso por los evaporadores. Esta

Proceso de obtención y fabricación en la Industria azucarera

corriente de menor temperatura se aprovecha en la etapa de purificación del jugo bruto, se utiliza como fuente de calor para calentar el jugo diluido antes del encalado.

Purificación del jugo. Calentamiento, clarificación y filtración El jugo diluido sale de la extracción turbio y coloreado de gris oscuro o azul negruzco. Tiene un pH de 6.2 y en promedio un peso seco del 15%, y un 12% de sacarosa. Primero, se le agrega lechada de cal. El preencalado se suele realizar a 60-70ºC hasta un pH de 10,8-11,9 con un tiempo de espera de al menos 20 min y a continuación el encalado principal a 80-85ºC hasta un contenido total de CaO del jugo del 2-2,5%, con un tiempo de espera de 30 min. Una serie de ácidos orgánicos y el fosfato precipitan como sales cálcicas; los coloides floculan.

Con el fin de eliminar el exceso de calcio, de destruir el sacarato cálcico formado y para que las sustancias turbias se filtren con facilidad, se añade dióxido de carbono, formando carbonato de calcio, que absorbe una gran parte de no-azúcar y de colorantes y tiene igualmente un efecto depurante; además, constituye una excelente ayuda para la filtración.

El lodo formado se separa por decantación y filtración a 90-95ºC, lavándose en los filtros hasta que el azúcar residual sea del 0.1-1%.

Para aclarar el color y mantener su estabilidad, en muchas ocasiones se añaden 50g/m^3 de SO 2 (sulfitado) durante la subsiguiente evaporación.

A continuación se vuelve a filtrar: se obtiene así finalmente un jugo claro, limpio con un peso seco del 15-18%. En esta filtración se añade el bagacillo residuo de la molienda de la caña, este en mezcla con el lodo mejora la operación de los filtros. En esta filtración se obtiene como residuo la cachaza, ésta se aprovecha como abono orgánico.

Evaporación de múltiple efecto La evaporación es la fase de fabricación que sigue a la purificación y tiene por finalidad concentrar el jugo depurado separando el agua mediante la evaporación de la misma.

El jugo claro contiene del 15 al 20% de sólidos, según la concentración del jugo original de la caña y el procedimiento de maceración empleado. Para conseguir la formación de cristales de azúcar el jugo debe ser concentrado hasta el estado de mieles. Para alcanzar tal condición es necesario eliminar la totalidad del agua presente.

En la Evaporación, por medio de intercambio de calor con vapor de baja presión ( psi), el jugo se concentra en un jarabe de uso llamado Meladura (no saturado). El proceso se da en varias etapas. Es común el uso de 5 evaporadores dispuestos en serie en los cuales el jugo fluye por diferencia de presión en los cuerpos.

Este proceso se da en evaporadores alternativos de efectos múltiples o de corriente descendente, que consisten en una solución de celdas de ebullición dispuestas en serie, en los que, para evitar la inversión de sacarosa, conviene mantener, una reacción débilmente alcalina (pH =9) y temperaturas de ebullición de 130-90ºC. El jugo entra primero en el preevaporador y se calienta hasta el punto de ebullición. El intercambio de calor se da a partir de vapor de escape proveniente de las turbinas con una presión de aproximadamente 20 psi. 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 y un menor coste. En el proceso de evaporación se obtiene la meladura.

Durante la concentración precipitan sales de calcio, en pequeña medida tiene lugar una degradación alcalina de azúcares y un oscurecimiento del jugo.

El vapor producido por la caja precedente llega a la caja siguiente y allí se condensa; las aguas condensadas son evacuadas a medida que se producen. La presión que en los efectos va

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Secado y almacenado del azúcar La mayor parte del azúcar producido debe ser almacenado en la fábrica durante un tiempo más o menos largo, pues la venta se realiza durante todo el año.

El almacenado puede hacerse de dos formas diferentes, en sacos o a granel (en silo). El almacenado en sacos ocasiona una mano de obra importante, por tanto, el azúcar suele ser almacenado a granel, en silos (horizontales o verticales).

El secado se hace generalmente en secaderos de tambor llamados granuladores; se trata de un cilindro, ligeramente inclinado sobre la horizontal, donde el azúcar pasa en sentido descendente, mientras que se insufla el aire caliente en sentido opuesto. Sobre la pared inferior del cilindro están fijados unas palas que elevan el azúcar y lo dejan caer en forma de lluvia de cristales a través de la corriente de aire. Un segundo granulador, recorrido por aire frío, sirve para enfriar el azúcar.

Diagrama de bloques. Identificación de materias primas,

productos y subproductos.

Materias primas Durante el proceso de la fabricación del azúcar se emplean diferentes materias primas: CAÑA DE AZÚCAR La caña de azúcar ( Saccharum officinarum L.) se cultiva mucho en los trópicos para producción de azúcar de caña. Es una gramínea perenne alta, hasta de 3 m de altura. Las cañas pueden tener 5-6 cm de diámetro y las hojas 0,5-1 m de largo. Al cabo de unos 18 meses de plantada, o después de la anterior cosecha, la caña de azúcar se vuelve rígida y de color amarillo pálido. En ese momento se cosecha. En general, el cañaveral se quema antes de la cosecha, con objeto de defoliar las cañas y facilitar las operaciones de recolección; sin embargo, en los países de clima seco, no se quema la caña, ya que las hojas que quedan en el campo mejoran la retención de humedad del suelo.

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LA CAL

Es el principal agente clarificante en la industria del azúcar; debido a sus propiedades, efectividad, fácil adquisición y bajo costo, las cuales la han convertido en un material irremplazable en esta industria. La cal que se utiliza para la clarificación de los jugos provenientes de la molienda de la caña debe ser de alta pureza.

El óxido de calcio se puede conseguir en el comercio comprándolo directamente a los productores, o produciéndolo en un horno para piedra caliza dentro de la fábrica. La cal, normalmente, se añade al jugo en forma de lechada de cal.

La cal actúa sobre los componentes no azucarados del jugo, neutralizando los ácidos libres y las sales ácidas, lo cual impide la inversión de la sacarosa, y forma con la mayoría de ácidos orgánicos e inorgánicos, sales de cal insolubles.

CARBONES Utilizados como decolorantes para producir azúcares blancos y refinados. La cantidad de carbón requerido varía según la calidad del azúcar crudo, del sistema de clarificación y del tipo de licor a tratar. El carbón agotado se somete a desendulzamiento y luego a revivificación, para lo cual se calienta el carbón en ausencia de aire en un horno a una temperatura de 400°C aproximadamente.

EL AGUA En la industria azucarera se consideran dos tipos de aguas dentro del proceso productivo: Aguas crudas o de suministro y aguas residuales.

Las aguas crudas son extraídas de pozos profundos y ríos, se utilizan en actividades de limpieza de la caña, en la extracción, en la formación de la lechada de cal o en labores de enfriamiento de equipos. Para poder utilizar estas aguas en la generación del vapor requerido durante el proceso, deben ser sometidas a un tratamiento intensivo para evitar incrustaciones y problemas con las superficies de calentamiento de los equipos.

Las aguas residuales son las que una vez utilizadas en el proceso productivo, pasan a una planta de tratamiento físico, biológico o químico con el fin de poderlas reutilizar, o disminuir su carga contaminante para poderlas descargar a los cuerpos hídricos.

EL AIRE Se requiere para el secado y enfriamiento del azúcar, en pequeñas cantidades durante la clarificación del jugo, para el enfriamiento de aguas y para la combustión en las calderas y hornos de azufre.

COMBUSTIBLES Se pueden utilizar muchas clases de combustibles fósiles en las calderas de generación del vapor requerido en el proceso de elaboración del azúcar, el más utilizado es el carbón aunque se puede usar gas.

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La Cachaza. La cachaza es el residuo que se obtiene del proceso de filtración de los jugos. La cantidad de cachaza producida y su composición varía según la localización de los cultivos, la variedad de caña, la eficiencia de molienda, el método de clarificación, etc. Ésta contiene diferentes sustancias de importancia que la convierten en una materia prima de gran valor. La mayoría de los países simplemente la esparce en los campos de caña, como fertilizante, a pesar del gran abanico de usos que se le pueden atribuir. En México se elaboran compostas con cachaza y bagazo, mediante un proceso de fermentación anaeróbica. De la cachaza se puede extraer cera, mediante la aplicación de métodos bien conocidos, para separarla del resto de las sustancias contenidas en la cachaza. La cera extraída puede ser utilizada en la fabricación de betún, cosméticos, emulsión para cítricos y otros frutos frescos destinados a la exportación, cera para dar brillo a pisos, carros y muebles, etc. Otros subproductos como grasas y aceites son indeseables para la producción de cera, pero como fuente de energía, son totalmente utilizables y pueden tornarse en una valiosa contribución para la alimentación de ganado. Finalmente, la cachaza es un excelente alimento animal, debido a su contenido de azúcares, proteína, nitogeno y otros nutrientes.

Determinación del balance de materia.

Para determinar el balance de materia hemos enumerado las corrientes: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Caña Agua Bagazo Jugo Diluido

Cachaza Jugo Claro Agua Meladura Agua Miel Azúcar

Para realizar el balance decidimos dividir los componentes en 3: s: composición de sacarosa. ns: composición de sólidos solubles distintos a la sacarosa e inertes en las corrientes. a: composición de agua. El resultado final es el siguiente:

BALaNCE EN t/h

1 2 3 4 5 6 7 8

9 9 10 11 s 39 0 1,6251 37,37448 0,396 37,98144 0 30,18 0 4,8 25, ns 36 0 25,4599 10,54152 3,798 6,0288 0 8,19 0 7,6 5 0,

a 225 73,61 27,085 271,524 13,806 257,42976 235,44 27,

2 4 2,55 1,

TOTAL 300 73,61 54,17 319,44 18 301,44 235,44 66

2 4 15 27

Los cálculos respecto a los balances se encuentran en el Anexo 1.

FRACCIÓNENPESO.(%W)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 s 0,13 0 0,03 0,117 0,022 0,126 0 0,46 0 0,32 0,9 4 ns 0,12 0 0,47 0,033 0,211 0,02 0 0,12 0 0,51 0, a 0,75 1 0,5 0,85 0,767 0,854 1 0,42 1 0,17 0, TOTAL 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Proceso de obtención y fabricación en la Industria azucarera

Impactos medioambientales. Emisiones.

El cultivo azúcar se caracteriza por su impacto ambiental positivo; la alta producción de biomasa de la materia prima, la producción de subproductos amigables con el medio ambiente, su requerimiento de dióxido de carbono (CO 2 ) y la liberación de oxígeno al medio ambiente contribuye a mejorar el ecosistema. El proceso de fabricación del azúcar genera un cierto impacto sobre el medio ambiente, debido a la emisión de sus residuos y productos utilizados en dicho proceso. Los principales impactos que se generan de forma general son:

- Aguas residuales del lavado de las remolachas y de la caña, de la central de calderas (agua para desenlodamiento de las calderas) y de la purificación del extracto en las estaciones de evaporación y cocción (condensado sobrante y agua de limpieza), de la refinación (agua de regeneración de los intercambiadores iónicos), de la producción de alcohol, levadura, papel o tablero aglomerado (si la melaza y el bagazo se transforman en la propia empresa), de la limpieza de los patios y de las precipitaciones; - Emisiones al aire procedentes del sistema de calderas (gases de humo de los procesos de combustión de materiales sólidos, líquidos y gaseosos) sustancias volátiles (hollín y ceniza), de la preparación de la materia prima, de la extracción, de la purificación del jugo y de su espesamiento (amoníaco) así como de reacciones bioquímicas de los componentes orgánicos de las aguas residuales en los estanques estratificados (amoniaco y ácido sulfúrico);

• Residuos sólidos procedentes de la preparación de la materia prima (tierra, restos de plantas), de los generadores de vapor (ceniza) y de la purificación del extracto (lodo de filtros). Los impactos más significativos se encuentran cuando se realizan las siguientes operaciones: -El impacto ambiental que se origina durante la cosecha y el transporte de la materia prima consiste esencialmente en la contaminación del aire por la quema de los campos de caña de azúcar (cenizas volátiles) y el ensuciamiento de los caminos de acceso. -La contaminación acústica es originada especialmente por grupos trituradores de marcha así como en toda el área de la extracción en molinos (caña de azúcar). Se requieren protectores auriculares individuales. La formación de polvo es particularmente intensa en las áreas de recepción y transporte de la caña de azúcar , que da acceso al tren de molinos. -El peligro de contaminación microbiana es particularmente alto durante la obtención del extracto. Ni siquiera las más estrictas medidas internas de higiene ni una realización óptima de los procesos permiten renunciar al uso adicional de desinfectantes. En las siguientes tablas se encuentran el umbral de valores de emisiones en Kg/año que se debe respetar. -En cuanto a las aguas residuales , teniendo en cuenta que se emplea aproximadamente 5 a 15m^3 de agua por tonelada de caña de azúcar (agua fresca, agua condensada excedente, agua de caída y agua de lavado recuperada), con una DBO situada entre 200 y 900 mg/l.

-En cuanto a las emisiones a la atmósfera, se emiten principalmente COx y NOX , originándose aproximadamente un 35 y 40% de CO 2 y el resto es NO 2. Así su umbral de emisión en Kg/año será

Proceso de obtención y fabricación en la Industria azucarera

Lodo del tratamiento en fabricación de efluentes: La MTD es valoración en agricultura, esparcimiento o alimentación animal. Residuos de la producción y mantenimiento tales como papel, aceites, láminas de metal, etc: La MTD es valorización o eliminación. MTD para la Energía: Existen 3 usos principales del combustible y la energía primaria: La combustión en calderas que lo convierten, por medio de la planta contaminada de calor y energía, en vapor y electricidad. La combustión en los secadores, utilizada para secar la caña sobrante para la venta de alimento de animales de gran calidad. La utilización de electricidad para bombas y otros servicios MTD para el Ruido: Las principales fuentes de ruido en la industria son: las operaciones del horno, las válvulas de seguridad de calderas, la torre de refrigeración, las bombas y compresores, los motores muy grandes. Algunas MTD que ayudan a minimizar este proceso son: -Encerrar el mecanismo de carga del horno. -Revestir con caucha las tolvas receptoras. -Protección acústica de las bombas. -Motor eléctrico más sencillo.

Análisis comparativos de las MTD de los diferentes

procesos.

Entre los aspectos más comunes de las MTD empleada en los diferentes procesos señalados (industria del azúcar, el sector del cemento, la obtención de PVC, la metalurgia del cobre, y el proceso de incineración de residuos urbanos) se encuentran: La obtención y manutención de las materias primas para su posterior uso y fabricación. La manutención de las maquinarias, con el fin de evitar posibles fallos ya que algunas industrias (como el cobre, PVC o cemento) producen gases muy contaminantes , por lo que un fallo en la maquinaria podría provocar serios problemas tanto para el medio ambiente como para la salud humana. Lo que todos los procesos tienen en común es su emisión de gases a la atmósfera, debido a ello el MTD de este proceso es el que requiere mayor atención, bien evitando la salida de gases contaminantes a la atmósferas (tales como NOX, SOX,COX,..) o bien salida de estos gases en menores cantidades, de esa manera se produce un impacto menor en el medio. En los diferentes procesos al fin de él se producen diversos subproductos o residuos, que bien pueden ser utilizado para la fabricación de otros productos o bien ser recirculados nuevamente al proceso por lo que la empresa consigue un menor gasto, y el medio ambiente una menor emisión de efluentes nocivos. Reducción del combustible y energía empleado mediante el aprovechamiento del calor residual de los gases, sistemas de gestión de energía, etc.

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ANEXO 1. Cálculos del Balance de Materias.

Extracción. Los datos iniciales de los cálculos, de composición y temperatura de las corrientes, son los obtenidos de la bibliografía. Tenemos tres componentes así que podemos plantear tres ecuaciones, una la correspondiente al balance global y las otras dos correspondientes a dos balances parciales:

• Balance global: (1) + (2) = (4) + (3)
• Balance de sacarosa: (XS) 1 * (1) + (XS) 2 * (2) = (XS) 4 *(4) + (XS) 3 * (3) - Balance de no-sacarosa: (XNS) 1 * (1) = (XNS) 4 * (4) + (XNS) 3 * (3) Sustituyendo los valores numéricos del diagrama en las expresiones anteriores, tenemos un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas: - Balance global: 300 + (2) = (4) + (3) - Balance de sacarosa : 0,13 * 300 = 0,117 * (4) + 0,03 * (3) - Balance de no-sacarosa: 0,12 * 300 = 0,033 * (4) + 0,47 * (3) Resolvemos el sistema y obtenemos los valores de 4 y 3: (4) = 319,44 t/h ; (3) = 54,17 t/h Aplicando el balance global de materia determinaremos la cantidad de agua necesaria para la extracción: 300 + (2) = 319,44 + 54,17 ; (2) = 73,61 t/h Purificación. Se pueden plantear tres ecuaciones, una la correspondiente al balance global y dos correspondientes a los balances parciales (por ejemplo sacarosa y no-sacarosa):
• Balance global: (4) = (6) + (5)
• Balance de sacarosa: (XS) 4 * (4) = (XS) 6 * (6) + (XS) 5 * (5)
• Balance de no-sacarosa: (XNS) 4 * (4) = (XNS) 6 * (6) + (XNS) 5 * (5) Sustituyendo los valores conocidos en las expresiones anteriores: 319,44 = (6) + 18 0,117 * 319,44 = 0,126 * (6) + 0,022 * 18 0,033 * 319,44 = 0,020 * (6) + 0,211 * 18 Se tiene un sistema de 3 ecuaciones y 3 incógnitas. Resolviendo la ecuación del balance global: (6) =314,44 -18=301,44 t/h En este punto del balance, empezamos a calcular por el final, corriente 11, para acabar calculando la corriente 7. Cristalización y centrifugación. Según la bibliografía la corriente 11 (azúcar) es cercana al 9% de la corriente de la alimentación, por lo cual: (11) = 3000,09= 27 t/h. Igualmente según la bibliografía las corrientes 10 y 9 son cercanas al 5 y al 8 % de la alimentación, por lo cual: (10)= 3000,05=15 t/h (9)= 300*0,08=24 t/h A partir de estos datos calculamos la corriente 8:
• Balance global: (8)=(11)+(10)+(9)
• Balance de sacarosa: (XS) 8 * (8) = (XS) 11 * (11) + (XS) 10 * (10) +(XS) 9 * (9)

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