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REFINACION DEL AZUCAR

TECNOLOGÍA DE AZÚCAR TEMA 09: REFINACIÓN DEL AZÚCAR

Dra. Luz Maria Paucar Menacho

El material clarificado pasa a unas cisternas de carbón activado que quitan, por adsorción, la mayor parte de las materias colorantes presentes en el licor. De ahí a través de la filtración se separan las partículas del jarabe mediante filtros a presión. El jarabe purificado se concentra hasta su cristalización.

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Definiciones: 1. Proceso de refinación: Consiste en obtener el azúcar blanco, casi puro, a partir del azúcar crudo. 2. Licor: En refinación se aplica a las soluciones densas de azúcar de las cuales no se ha extraído azúcar por cristalización desde su último tratamiento o filtración por carbón de hueso. 3. Jarabe: Solución densa de la cual se acaba de cristalizar azúcar. Por lo tanto, jarabe en la refinería corresponde a melaza en el ingenio. 4. Agua endulzada o dulce: Agua de lavado que contiene azúcar suficiente para que valga la pena su recuperación.

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El proceso de refinación consiste en obtener el azúcar blanco, casi puro, a partir del azúcar crudo. La primera operación es la disolución y consiste en disolver el azúcar en agua caliente para separar la melaza que cubre los cristales. En la clarificación, por flotación, el azúcar disuelto se trata con ácido fosfórico y sacarato de calcio para formar un compuesto floculante que arrastra las impurezas, las cuales se retiran fácilmente en el clarificador. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

El azúcar blanco se centrifuga (se seca) para eliminar el jarabe, se tamiza y se envía a los silos que alimentan las máquinas embolsadoras semiautomáticas que lo envasan. El Azúcar Refinado o extrablanco se dice que es altamente puro, es decir, entre 99,8 y 99,9 % de sacarosa, el cual se ha cristalizado dos veces con el fin de lograr su máxima pureza. En el proceso de refinamiento se desechan algunos de sus nutrientes complementarios, como minerales y vitaminas.

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5. Magma: Mezcla artificial de cristales y jarabe, pero el término se aplica ocasionalmente a la masa cocida (que tiene el mismo significado que en ingenio). 6. Derretir o fundir: Redisolver o refundir, y la entrada diaria de material a la fábrica se denomina refundido o refundición.

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PROCESO DE REFINACIÓN: Manejo de azúcares crudos: Gran parte del azúcar crudo del mundo se maneja a granel, sin envasar. Los únicos envases que en la actualidad se utilizan para azúcares crudos son los sacos de yute. Cuando llegan cargamentos en sacos, los sacos se lavan después de vaciar y el agua de lavado se envía a los evaporadores. Los lavados de sacos están muy contaminados y no se deben usar en la refundición.

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La separación se hace mezclando el crudo con un jarabe denso (aprox. 75 Brix) y después purgando la mezcla en centrífugas, en las cuales se lavan los cristales con agua caliente después que las centrífugas han extraído el jarabe. Ya que la finalidad primaria de la afinación es la de despegar la película pegajosa de melaza, la mejor manera de disminuir la viscosidad es calentando el jarabe y la magma. El procedimiento llamado “Hot Mingling” (mezcla en caliente) es universal en la refinación moderna, aunque “Warm” (tibia) sería vocablo más gráfico. Tanto el tiempo con la temperatura y la agitación son importantes para el logro de los mejores resultados.

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Disolución o refundición del azúcar lavado: El azúcar lavado se disuelve en aproximadamente la mitad de su peso en agua, en un tanque dotada de aspas mezcladoras y llamado refundidor o disolutor, al cual se aplica vapor de escape por medio de un serpentín perforado para ayudar la disolución. Para la refundición se usan aguas dulces de alta polarización procedente del filtrado a presión. El mantenimiento del licor de azúcar lavado a 99° de pureza, o más, en todo momento ayuda a la defecación y mejora la calidad de los licores del filtración con carbón animal.

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El peso de los azúcares crudo: El manejo a granel facilita hasta la determinación del peso del azúcar crudo. Cada vez que es posible, cuando se reciben azúcares crudos, su peso se determina en básculas de torres. AFINACIÓN. Lavado de los cristales crudos: El primer paso del proceso de refinación se llama afinación o lavado, y consiste en la eliminación de la película de melaza que está adherida al cristal del azúcar crudo. La película de melaza tiene una pureza de 65 o menos, mientras que el cristal mismo consiste en sacarosa casi pura.

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Las descripciones antiguas de las instalaciones de mezcla en caliente recomendaban que se calentara el jarabe y la magma a 165 °F con serpentines por los cuales circulaba agua a 210 °F . La experiencia no tardó en demostrar que estas temperaturas producían pérdidas de azúcar especialmente si se aplicaban a la calefacción continua del jarabe. En el procedimiento que es costumbre en la actualidad se usa jarabe frío y se limita la calefacción a 120 °F.

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Tratamiento del jarabe de afinación: Los jarabes de afinación van a la fábrica para ser tratados de una de dos formas: 1. En el método más sencillo, se bombean los lavados al piso de tachos, donde se usan para la cocción de templas de refundición altas. 2. En las refinerías que tiene gran capacidad de filtración con carbón animal el procedimiento que se sigue es la dilución del jarabe de afinación hasta 54 °Brix con agua dulces oscuras, y hecho esto se envía a las defecadoras para ser filtrado en filtros de presión y de carbón animal.

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CLARIFICACIÓN El licor de lavado de crudos del tanque de disolución contiene algunas materias insolubles tales como bagacillo, arcilla o arena, cantidad apreciable de suspensiones finas y dispersoides, y también gomas, pectinas y otros coloides verdaderos, que no fueron extraídos por la clarificación en el ingenio o fueron formados en el proceso posterior de fabricación.

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En las refinerías modernas se usan dos formas de defecación. 1. Por tratamiento Químico: Emplea materiales que forman precipitado en el licor. Defecantes Químicos más corriente son: Ácido Fosfórico con cal, y el CO2 con cal. 2. Hace uso de auxiliares inertes a la filtración: Permite la filtración a presión. Ayudas Inertes a la filtración: Gastan mucho menos cal que los defecantes químicos, puesto que sólo se usan cantidades suficientes para neutralizar los ácidos orgánicos existente.

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El pretamizado de los licores: Siempre ha sido costumbre tamizar los licores de fundición para extraer los trozos de cuerdas, las partículas de yute e hilo de coser y otros materiales toscos, pero no fue más que durante los últimos veinte años que se convirtió en norma el proceso de someter los licores (especialmente con defecación mediante fosfato) a un tamizado fino.

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El licor de crudo es ácido. Consideraciones similares en formas más exageradas son aplicables al jarabe de afinación, que contiene la mayor parte de las impurezas del crudo original. La defecación se puede definir como el tratamiento del licor crudo con ciertas sustancias y con calor, para lograr que la solución sea adecuada para la filtración o clarificación.

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Antiguamente la defecación, en la forma que se practicase, se llevaba a cabo en forma intermitente o por tandas, en tanques circulares en fondos cónicos dotados de serpentines de vapor y agitadores mecánicos. En las refinerías actuales el tratamiento del licor de azúcar lavado se suele hacer y controlar continua y automáticamente, y si se usan en absoluto dichos tanques, será como depósitos para evitar las variaciones de volumen. Debido a los grandes precipitados que se forman, se evita la defecación química de los jarabes de afinación. Para el tratamiento anterior a la filtración de estos materiales de baja pureza con carbón animal, la mayoría de las refinerías utilizan sustancias inertes y filtración a presión. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

Guttleben fue el primero que describió el uso de tamices vibratorios Tyler-Hummer para este fin. Las instalaciones suelen llevar malla de 80*80 hechas de metal monel (debido a la resistencia de este metal) en algún tipo de tamiz vibratorio de “cubierta”. La extracción de estas partículas finas ha permitido gran disminución de la cantidad de P2O5 que resulta necesaria para lograr una defecación efectiva. También se practica la extracción de arenas y pedazos de incrustación finos por el uso de hidrociclones.

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Ácido fosfórico y cal: El más antiguo de los procesos de defecación que todavía se usan es el tratamiento con ácido fosfórico o algún fosfato soluble con cal y calor. Ácido fosfórico: Actualmente es fabricado directamente de la roca fosfatada, mediante su fusión con coque y sílice en altos hornos o en hornos eléctricos, producen un ácido con 55% de P2O5 y libre del arsénico, el plomo, los sulfatos y demás impurezas inconvenientes que se encontraban corrientemente en las pastas y los ácidos que se fabricaban por el antiguo método húmedo de tratamiento de la roca fosfatada con ácido sulfúrico.

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Tratamiento de Calor: Con el sistema antiguo de filtros de bolsas, se calentada el licor en tanques de fondo cónico a 180 °F (82 °C) después del tratamiento. Muchos técnicos prefieren tratar el licor a una temperatura aprox. de 140 °F (60°C), pero la experiencia ha demostrado que el tratamiento a 165 °F (74 °C) produce menos precipitación posterior de fosfato tricálcico y permite la aeración satisfactoria del licor, que es el motivo principal de la baja temperatura inicial. Los licores se mantienen a 63 °Brix o más.

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ELIMINACIÓN DE LA COLORACIÓN POR EL TRATAMIENTO CON FOSFATOS La historia del tratamiento con ácido fosfórico y cal, especialmente en lo que atañe a la extracción de materia colorante muestra que cuando se comenzaron a usar los clarificadores Willamson (192035), el ácido fosfórico no sólo lograba menos coloración (extraían del 20 al 40%) sino también mejoraba el tono del color remanente. El tratamiento con fosfatos extrae los polifenoles de hierro, que imparten un color pardo verdoso al licor de azúcar lavado.

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Cal: Las refinerías situadas dentro de los límites continentales norteamericanos usan cal hidratada o cal viva pulverizada. Antiguamente, la circulación de una lechada de cal a densidad aprox. de 20 °Brix servía para todos los fines, pero con controles automáticos se obtienen mejores resultados con densidades mucho menores. En la actualidad, la lechada de cal ha sido sustituida en los sistemas de alcalinización automática por el sacarato de calcio, hecho de licor de azúcar de alta polarización.

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El precipitado de fosfato: En el tratamiento de fosfato y cal con calor, primero se neutralizan los ácidos orgánicos existentes en el azúcar crudo y después se forma fosfato tricálcico. La calefacción y los defecantes causan la coagulación y precipitación de los no-azúcares orgánicos, con la mayor parte de las gomas, albúminas y pectinas. Toda esta materia forma un precipitado denso y floculento que atrapa y lleva consigo gran parte de las impurezas procedentes del azúcar crudo, que están en suspensión, y también la mayoría de las partículas de bagazo, yute, arena y arcilla que no hayan sido eliminados durante el tamizado. Lo más importante de todo es que este precipitado incluye mucha materia coloidal, y extrae una cantidad apreciable de materia colorante. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

Proceso de Carbonatación: La adopción del proceso de carbonatación es en sustitución del que se usaba auxilios inertes a la filtración. Este procedimiento se basa en la precipitación, bióxido de carbono, de un exceso de cal. Las refinerías utilizan los gases lavados de sus chimeneas, en vez de producir el CO2 en hornos de cal. La cal, en granos del tamaño de los del arroz se descarga de vagones-tolva en una tolva de almacenaje totalmente cerrada, para ser utilizada según se necesita en la fabricación de una lecha de cal a 20 °Brix. El promedio de cal que se añade al licor es de 0.5 de los sólidos refundidos (la gama es de 0.3 a 0.8) a temperaturas de 60 a 80 °C (140 a 176 °F).

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Los gases de combustión se extraen de la base de la chimenea, y se lavan primero con agua, y después (si el combustible usado es petróleo o carbón) se vuelven a lavar con sosa, y el gas limpio se comprime para ser usado en los carbonatadotes. La primera aplicación de gas se lleva a cabo hasta lograr un pH inferior a 10, a la menor de las temperaturas citadas (aprox. 60 °C ó 140 °F), después de lo cual una segunda aplicación de gas, sin filtración intermedia, lleva el pH a 8.4-9.0 a 85 °C (185 °F). Hecho esto, se separa el jugo clarificado del carbonato de calcio mediante filtración en prensas de láminas. El endulzamiento de la torta se práctica en prensas de marcos lavando la torta en sitio.

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En el proceso de carbonatación, se usa carbonato de calcio precipitado para dicha ayuda. El licor crudo, generalmente tratado con cal para neutralizar los ácidos orgánicos, se mezcla con la materia para auxilio de filtración y se obliga a atravesar la tela mediante la presión que ejerce una bomba; la tela retiene la torta y permite que el líquido atraviese. El lavado de la torta con agua caliente, antes o después de removerla de las láminas del filtro, recupera el azúcar que dicha torta ha retenido.

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Las burbujas de aire suben, portando el precipitado floculento, que forma una capa de lodo o nata, la cual se extraía en el filtro Williamson original, por medio de un rodillo de madera que giraba lentamente. La temperatura del licor refundido crudo (160 °F, aprox. 70 °C) es propia para la aeración, pero muchos técnicos prefieren practicarla a temperaturas inferiores (140 °F, 60°C). Williamson recomendaba la aireación con aire comprimido, pero existen otros métodos que resultan más económicos.

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LA FILTRACIÓN A PRESIÓN La filtración por paños bajo presión: El filtro a presión más antiguo, que todavía se utiliza en muchas operaciones azucareras, es el filtro-prensa. Los filtros de láminas consisten de una serie de elementos filtrantes, cada uno de los cuales se compone de una marco de metal dotado de tamiz de respaldo, sobre el que se coloca paño estirado y otro tejido filtrante

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CLARIFICADORES POR ESPUMA O ESPUMADORES El término “clarificador espumador” incluye todos los sistemas que separen el precipitado de fosfato tricálcico y el licor por flotación en aire. Todos los sistemas de la actualidad están basados en la patente obtenida por Williamson en 1978, en la cual el licor se impregna de aire y después se calienta en un recipiente idóneo, de forma tal que el material insoluble flota. La separación entre los lodos y el licor claro no depende de la filtración. El sistema de clarificación de Williamson: Este sistema es continuo, y depende de la defecación con ácido fosfórico y cal. El principio básico es la aireación del licor tratado para que contenga burbujitas finas de aire, y su calefacción posterior en un recipiente plano dotado de tubos transversales de vapor. . Dra. Luz Maria Paucar Menacho

Ventajas y Desventajas de los diversos sistemas: 1. Filtración a presión: Es simple, directa y libre de complicaciones; extrae muy poca coloración, pero esto no constituye problema para las refinerías que tienen exceso de capacidad de filtración con carbón animal. Los licores no son de claridad tan buena como la que se obtiene con las defecaciones químicas; este proceso resulta costoso, a menos que practique la regeneración de las sustancias inertes que ayudan en la filtración. 2. Filtración a presión con fosfato: Extrae hasta el 30% de la coloración y mejora mucho la claridad. Exige departamento de prensas mucho mayor, y el uso de auxiliares de filtración de alta porosidad. Es más costosa que la filtración normal a presión. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

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3. Sistema Williamsom : Extracción de color y logro de claridad excelentes. Disminuye mucho la carga sobre el sistema de filtración con carbón de hueso. Costo de reactivos mucho menor que con auxiliares de filtración. Requiere mucha más área de piso que los filtros a presión. La calefacción a 200 °F (93 °C) es conveniente y puede causar destrucción o inversión. Son esenciales los controles estrechos de pH, temperatura y densidad. Probablemente sea más sensible que los filtros de presión a los cambios de calidad de los crudos. 4. Bulkley-Dunton (Sveen-Pederson): Gran capacidad, área de piso reducida, ventajas de color y claridad iguales a las de defecación plena con fosfato. Pueden trabajar a 180 °F (82 °C). Mayor cantidad de lodos, y el doble de insolubles al licor que con el tipo Williamson, cuyo calentamiento es mayor. Muy sensibles a cambios en la calidad de los crudos.

Los adsorbentes comerciales han tenido una importancia crítica en el procedimiento de refinación de azúcar desde que fue introducido en 1828 el uso del carbón granulado animal. Siempre ha resultado más económico disminuir el nivel de ciertas impurezas por un tratamiento con adsorbentes que confiar enteramente a los efectos de los demás procedimiento de la refinación. Los licores que han sido defecados y clarificados por cualesquiera de los procesos disponibles siguen conteniendo cantidades considerables de impurezas disueltas y coloidales que no pueden extraerse más que por la acción de adsorbentes.

Las impurezas que se extraen mediante el tratamiento por adsorbentes se pueden clasifican en tres grupos grandes: 1. Material coloidal. 2. Compuestos colorantes y que forman coloración. 3. Constituyentes inorgánicos que forman cenizas. Los adsorbentes que se usan en la actualidad, y los tipos de materias con las cuales son efectivos, son los siguientes: 1. Carbón animal y sus sustitutos sintéticos – colorante y cenizas. 2. Carbones granulados – colorantes. 3. Carbones pulverizados – coloides y colorantes. 4. Sustancias permutadoras de iones – cenizas y colorantes. 5. Determinados permutadotes de iones – hierro.

El carbón animal y las sustancias intercambiadoras de iones se pueden regenerar y volver a usar cientos de veces, mientras que se puede hacer lo mismo unas 20 veces con los carbones granulados; los carbones pulverizados no se usan más que una o dos veces. Los tratamientos con adsorbentes muy finos significan que la etapa de clarificación tiene que utilizar la filtración en prensas, y esta operación algunas veces resulta crítica y conlleva rasgos económicos que exigen análisis cuidadoso. Las operaciones con adsorbentes granulados se pueden dividir convenientemente en dos sistemas: 1. La operación de cama fija, en la cual el licor de azúcar fluye a través de una cama estacionaria de adsorbente, y 2. La operación de lecho móvil, en la cual el licor de azúcar y el adsorbente se mueven en contracorriente.

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LA CRISTALIZACIÓN Y EL ACABADO Los licores descolorados: Como resultado de los procesos de descoloración, los licores llegan a los tanques de depósito de los tachos con un color blanco transparente como el agua, o casi como el agua; blanco sucio o amarillo; el color depende de la calidad del material. El carbón animal es el descolorante que más se usa, pero para la producción de azúcar granulado se usan siempre los mismos métodos de cristalización y acabado, sin que importe la forma en que haya extraído el color del licor. El licor de máxima calidad, de color blanco agua o, casi blanco agua, que se suele llama licor núm.1, es un licor descolorado de azúcar lavado, de 99.5° de pureza o más, y Brix de 63 a 68°, según el Brix al que se mantenga el licor clarificado. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

LA DECOLORACIÓN CON ADSORBENTES

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LA CRISTALIZACIÓN Tachos al vacío: Los tachos de serpentín han cedido paso casi totalmente a los de calandria; y en las instalaciones nuevas se están utilizando materiales anticorrosivos tales como acero inoxidable, acero forrado de níquel, cobre y acero al cobre. La superficie calórica promedia 1.20 a 1.25 pies2 por pie3 de masa cocida, y en todas partes se utiliza la instrumentación y los controles automáticos. La preferencia moderna es por tachos grandes, de 1400 a 2000 pies3 (39.2 a 56 m3) de capacidad.

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Sistemas de cocción de refinerías: Para las calidades selectas de refinos (terrones o cubitos, panes cortados, azúcares de grano grande para reposterías, etc.) se utilizan las primeras corridas de los filtros, que son blancas como el agua. La máxima parte de la producción de toda refinería es el granulado fino comercial, y es la producción de azúcar de esta calidad lo que determina el sistema de cocción de la refinería.

Producción de azúcares blandos: Los azúcares blandos se clasifican de acuerdo con su color, pero las refinerías modernas no suelen producir más que dos o tres clases: amarillo claro, amarillo y pardo. Las características deseables son textura esponjosa con aspecto que no sea cristalino; color que esté de acuerdo con la calidad deseada y no posea tonos grises o verdes; ausencia de sabor áspero, duro o salado. El refinador busca también que la polarización sea baja y el azúcar posea cualidades que la hagan apta para la conservación. Estas cualidades se obtienen usando licores de baja coloración total, libres de tinte verdoso que imparten los polifenoles del hierro; su pureza ha de ser baja, así como su contenido de cenizas, y alto su contenido de azúcares invertidos.

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DESECACIÓN Y ACABADO DEL PRODUCTO Trabajo en centrífugas: La separación entre los cristales y el jarabe de las masacocidas se efectúan en centrífugas similares a las de los ingenios. Los azúcares blancos se lavan bien con agua caliente en la centrífuga para eliminar todo el sirope adherido; la cantidad de agua que se usa en cada carga es cuidadosamente medida por aditamentos automáticos. La cantidad de agua varía según la calidad de masacocida.

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En la actualidad es corriente el uso de granuladores de un solo paso, es decir, equipos a través de los cuales el azúcar pasa una sola vez. Poco común es la disposición de tambores de un solo paso. El ángulo de inclinación de estos granuladores es variable. Este ángulo se aumenta cuando el azúcar está secándose bien, para que ocurran menos caídas durante el paso de los cristales, mientras que para azúcares de grano fino o malas calidades de desecación, el ángulo disminuye. Informan que con este sistema se produce azúcar seco y fresco, cuyos cristales están libres de rasguños. El secador tipo granulador tiende a rayar los cristales de los azúcares de granos grandes. Para estos azúcares se utilizan secadores de banda de pasos múltiples y de otros tipos, así como tambores de diámetro pequeño dentro de los cuales los cristales rueden en una corriente de aire caliente, sin caer. Dra. Luz Maria Paucar Menacho

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Desecación del azúcar: Los azúcares húmedos que descargan las centrífugas contienen 1% de humedad aprox., y se transportan a tolvas distribuidoras situadas arriba de los granuladores, mediante transportadores de hélice o de correa continua, o con elevadores de cangilones. De ahí, el azúcar blanco pasa a los granuladores para la desecación. El granulador, llamado así porque separa los cristales entre sí, es un tambor de metal de aprox. 6 pies de diámetro y 25 de largo (aprox. 2*8.5 m), ligeramente inclinado hacia el extremo de descarga y que gira sobre rodillos.

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Tamizado del azúcar: El azúcar seco pasa a una serie de tamices que lo clasifican según el tamaño de sus cristales, extraen los terrones y los polvos más finos, y entregan los productos a tolvas de almacenaje. Los aparatos tamizadores más modernos son tipos que trabajan por vibración o golpeteo, y consisten en marcos planos para tamizar, inclinados a unos 35° respecto al horizontal; el azúcar desciende por estos marcos mientras la superficie tamizadora se mueve a consecuencia de golpes o vibraciones producidas mecánicamente, y estos movimientos hacen que los cristales pasen a través de las mallas.

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Sistema colector de polvo: Los cristales finos se extraen los ventiladores de los granuladores se pueden atrapar en separadores ciclónicos corrientes para recolección de polvo, después de lo cual se venden como azúcar superfino o de repostería; pero hay cristalillos demasiado finos para ser atrapados de esta forma. Estos pequeños cristales se hacen pasar a colectores de polvo del tipo húmedo, de los cuales existen varios diseños.

GRACIAS

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