TECNOLOGÍA DE AZÚCAR

09/06/2013
TECNOLOGÍA DE AZÚCAR
TEMA 07: EVAPORACIÓN,
CRISTALIZACIÓN Y COCIMIENTO
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
La ebullición del jugo en los evaporadores se realiza a presiones
menores que la atmosférica. Con la intención de producir el vacío se
requiere de una bomba de aire, la cual hace el vacío en un
condensador, de una bomba que eleva a la parte superior del
condensador el agua fría necesaria para la condensación de los
vapores procedentes del evaporador y de un condensador.
La alimentación al sistema de evaporación de múltiple efecto puede
ser en paralelo, en contracorriente, o una modificación de las dos, la
cual se conoce como alimentación mezclada. La alimentación en
paralelo se utiliza cuando el
licor de alimentación está a
mayor temperatura que la
temperatura de saturación del
primer evaporador (primer
efecto), lográndose una
evaporación flash.
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Evaporador de calandria: Consiste en un haz de tubos verticales,
corto, colocado entre dos placas remachadas al cuerpo del
evaporador ; este conjunto constituye la parte inferior del equipo.
El cuerpo del evaporador está compuesto por un cilindro de fundición
de hierro o de acero, el cual constituye la parte superior del equipo,
denominado comúnmente calandria, situado sobre el haz tubular.
La calandria termina en una cúpula en forma de casquete esférico
construida a una altura suficiente para disminuir el arrastre del
líquido con los vapores.
El vapor fluye por fuera de los tubos, existe un gran paso circular de
derrame en el centro del haz de tubos donde el líquido a menor
temperatura recircula hacia la parte inferior del haz tubular. Los
tubos son grandes para disminuir la caída de presión y facilitar la
circulación del líquido, están construidos generalmente de acero o de
latón, por ellos circula el jugo a concentrar.
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EVAPORACIÓN
Evaporadores: En la Industria del Azúcar se utilizan evaporadores de
múltiple efecto, con lo cual se disminuye el consumo de energía. En un
evaporador de múltiple efecto, el vapor procedente de la caldera se
condensa en el elemento calefactor del primer efecto, si la
alimentación al primer efecto está a una temperatura cercana a la
temperatura de ebullición.
Un kilogramo de vapor hará que se evapore cerca de un kilogramo
de agua ; el primer evaporador trabaja a una temperatura de
ebullición suficientemente alta como
para que el agua evaporada sirva de
medio de calentamiento al segundo
efecto. Allí se evapora cerca de otro
kilogramo de agua que puede ir a un
condensador, o servir de medio de
calentamiento al siguiente efecto,
dependiendo del número de efectos del
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sistema de evaporación
de la planta.
Como el vacío se mantiene en el último evaporador (último efecto), el
licor fluye por sí mismo de un evaporador al siguiente, requiriéndose
así sólo de una bomba al final del sistema. Como la temperatura de
saturación es menor en cada efecto, siempre se produce una
evaporación flash, lo que reduce el consumo total de vapor.
Los evaporadores más utilizados en la industria del azúcar son los
evaporadores de calandria.
Fig. Evaporadores
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
El vapor penetra al haz tubular por una o dos entradas, circula por
los espacios intertubulares limitado por las placas y la pared del
mismo. Para lograr una buena distribución del vapor entre los tubos se
utilizan deflectores o bafles y se deben ubicar puntos de purga para
evitar la formación de bolsas de gases incondensables. En la parte
opuesta a la entrada del vapor se ubican las tuberías de salida de
los gases incondensables y en la parte inferior del haz tubular se
encuentra una tubería para la evacuación del agua condensada. En
la parte inferior del equipo se encuentra localizada una tubería, la
cual lo comunica con el siguiente efecto.
El espacio sobre el nivel del líquido, utilizado para liberar el líquido
arrastrado por el vapor, debe poseer una trampa instalada en la
línea de vapor con el propósito de retornar el líquido arrastrado.
Tales trampas se basan en la eliminación centrífuga de las gotas del
líquido.
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EVAPORACIÓN DE JUGO CLARIFICADO
Fig. Evaporador de Calandria
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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 pre evaporado 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.
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Para calcular la cantidad de agua que se va a retirar, es necesario
conocer los °Brix del jugo y del jarabe, y la cantidad de jugo que
entra a los evaporadores. El agua a evaporar por tonelada de
caña será:
Fig. Evaporadores de jugo
Agua a evaporar = Cantidad de jugo * (1 - (°Brix del jugo/°Brix del jarabe))
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La temperatura de ebullición aumenta desde la última a la primera
caja ; la presión varía en sentido inverso, disminuyendo desde la
primera a la última. El primer efecto se calienta con vapor directo,
o con vapor de escape, los demás efectos se calientan con el vapor
procedente del jugo del efecto anterior ; el vacío se produce
mediante la condensación de los vapores del último efecto, en el
condensador, con agua fría. Por este hecho, es necesaria una
bomba para extraer constantemente el aire y los gases
incondensables que se acumulan en el condensador.
La evaporación se regula de tal forma que el jarabe salga de los
evaporadores con una
concentración entre 50 y
60°Brix cuando se quiere
producir azúcar blanco, y de
60 a 70°Brix cuando se
produce azúcar crudo.
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La concentración del jugo se efectúa en evaporadores de múltiple
efecto, generalmente de cuatro o cinco efectos, los cuales funcionan
como una caldera de doble fondo, calentada con vapor, en la que
se introduce el jugo que se desea hervir.
Se debe introducir en el doble fondo de la caldera vapor a una
temperatura mayor que la temperatura de ebullición ; el vapor
desprendido del jugo en esta caldera, se conduce al doble fondo
de una segunda caldera, igual a la anterior, en donde se condensa
sobre la pared del doble fondo y cede su calor al jugo. Para que
éste ebulla es preciso establecer el vacío sobre el jugo para
disminuir su punto de ebullición.
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
Cuando se produce Azúcar Blanco Especial, el jarabe o meladura
que sale del sistema de evaporación, se pasa a un clarificador
donde se le adiciona cal, ácido fosfórico y un floculante para
retirar las impurezas presentes. Los lodos sedimentados en el
clarificador se llevan a los filtros de la cachaza, para su disposición
final.
En la fabricación de las demás clases de azúcar ; azúcar blanco,
azúcar crudo, azúcar refinado y azúcar recristalizado, no se
clarifica la meladura proveniente de los evaporadores.
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Clarificación de meladura.
La meladura que sale de los evaporadores se calienta a 80°C y se
bombea a un tanque de reacción en donde se agrega ácido
fosforico, Sacarato de Calcio y Floculante. Esta meladura pasa a
través de un aireado para luego ingresar a un clarificador de
meladura en el cual por flotación se eliminan las impurezas.
Fig. Tanque de Clarificador
de Meladura
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Procedimiento de cristalización de la caña de azúcar.
El proceso de cristalización se lleva a cabo en el interior de unos
depósitos denominados tachos. Se trata de cristalizadores de vacío.
En los tachos se produce la separación del azúcar del jugo extraído
de las cañas mediante un método de cristalización controlada por
evaporación en un ambiente de vacío.
Inicialmente, el tacho se carga con un jarabe azucarado
subsaturado llamado jarabe estándar. Una vez cargada, el jarabe
se calienta en condiciones de vacío con objeto de rebajar el punto
de ebullición y así evitar la descomposición térmica de la sacarosa
(proceso conocido como caramelización). Cuando se alcanza la
condición de sobresaturación en el jugo, se siembran pequeños
cristales de azúcar y se les hace crecer añadiendo nuevo jarabe y
manteniendo condiciones de sobresaturación. Cuando se ha
alcanzado el nivel máximo en el tacho, se descarga y limpia,
quedando lista para un nuevo ciclo.
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
Para calentar el jugo y provocar la evaporación de parte del agua,
los tachos constan de un elemento calefactor, denominado calandria,
por el que discurre vapor a una presión superior a la atmosférica y
que al condensarse cede calor a la masa cocida en el tacho. Este
vapor se suministra a los tachos a través de las tuberías de suministro
de vapor, que forman un circuito cerrado que recorre toda la planta
industrial. Para mantener el vacío parcial (0,2-0,3 bares) en el tacho,
necesario para la evaporación de agua a baja temperatura (6570ºC) se conecta el tacho a un condensador barométrico, el cual
mantiene un determinado vacío al absorber el vapor procedente de
los tachos y condensarlo mediante
refrigeración producida por tuberías
de agua fría procedente del exterior.
Debido a esto último, el vacío
producido en los condensadores
depende de la temperatura exterior,
trabajando mejor en invierno.
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CRISTALIZACIÓN Y COCIMIENTO.
Cristalización definición:
La cristalización es una operación de transferencia de materia en
la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado)
a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un
fundido) y depende de la superficie del cristal. Cada factor
cinético esta relacionado con los demás, con la velocidad de
crecimiento y con el tiempo de residencia de cada partícula. Existe
una fuerte relación entre la sobresaturación y el área superficial
de los cristales.
Destaca sobre otros procesos
de separación por su
potencial para combinar
purificación y producción de
partículas en un solo proceso.
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
Para calentar el jugo y provocar la evaporación de parte del agua,
los tachos constan de un elemento calefactor, denominado calandria,
por el que discurre vapor a una presión superior a la atmosférica y
que al condensarse cede calor a la masa cocida en el tacho. Este
vapor se suministra a los tachos a través de las tuberías de suministro
de vapor, que forman un circuito cerrado que recorre toda la planta
industrial. Para mantener el vacío parcial (0,2-0,3 bares) en el tacho,
necesario para la evaporación de agua a baja temperatura (6570ºC) se conecta el tacho a un condensador barométrico, el cual
mantiene un determinado vacío al absorber el vapor procedente de
los tachos y condensarlo mediante
refrigeración producida por tuberías
de agua fría procedente del exterior.
Debido a esto último, el vacío
producido en los condensadores
depende de la temperatura exterior,
trabajando mejor en invierno.
Dra. Luz Maria Paucar Menacho
Una vez terminado el proceso de cristalización de la sacarosa en la
tacho, la masa cocida que se obtiene se descarga en unos depósitos
llamados malaxadores horizontales, donde se la mantiene en
movimiento y a una temperatura determinada, para que mantenga su
consistencia, hasta que pueda pasar a alguna de las centrífugas.
En las centrífugas se realiza la separación del azúcar cristalizado de
la miel madre mediante el centrifugado a alta velocidad del conjunto,
quedando los cristales retenidos por una malla.
El proceso dura unos pocos minutos. La miel madre se separa en miel
pobre y rica que se distribuyen según las necesidades de la planta.
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Fig. Tacho continuo en una central azucarera de Hawai
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ETAPAS DEL PROCESO
En el proceso de un tacho se distinguen las siguientes etapas:
1. Tacho Preparado: El objetivo es tener el tacho listo para el
comienzo de la operación. El tacho se encuentra vacío y se
establece una referencia de presión en la cámara de 0,20-0,25
bares. Le corresponde al operario la decisión de finalizar esta
etapa y pasar a la siguiente.
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3. Concentración I: El objetivo de esta etapa y de la siguiente es
concentrar el jarabe desde la situación inicial del jarabe estándar
subsaturado (concentración: 0,6-0,7) hasta los niveles requeridos
para la siembra, la sobresaturación de siembra (concentración 1,21,3). La válvula del jarabe se regula en nivel para mantener el pie de
tacho quedando abierta la válvula de suministro de vapor. De este
modo se produce una mayor condensación del jugo por evaporación
de parte del agua que contiene. Finaliza cuando la sobresaturación
del jarabe alcanza un determinado valor ligeramente inferior
(normalmente el 95%) a la sobresaturación de siembra (1,2).
4. Concentración II: Concentrar el jugo hasta alcanzar la sobresaturación
de siembra (concentración: 1,2). En esta etapa se cierra la válvula del
caudal de entrada por lo que el nivel del jarabe desciende
ligeramente por debajo del pie de tacho. Para conseguir que la
transición hacia la sobresaturación de siembra sea lo más suave
posible, la válvula de suministro de vapor queda parcialmente
cerrada. Es una etapa de corta duración. Finaliza cuando se alcanza
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la sobresaturación de siembra.
2. Carga: Se llena la cámara del tacho con jarabe estándar hasta
alcanzar un determinado nivel llamado pie de tacho que se
corresponde aproximadamente con el 50% del nivel del tacho y el
35% del volumen máximo del jarabe en ella. Al mismo tiempo que
entra jarabe estándar en el tacho se abre la válvula de suministro
de vapor de calefacción aumentando la temperatura del jarabe. Al
comenzar la evaporación de parte del agua del jarabe, la presión
en la cámara aumenta.
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5. Siembra: En esta etapa se produce la siembra de los cristales de
sacarosa, disueltos en una solución alcohólica, que en las etapas
posteriores iniciarán su crecimiento para convertirse en el producto
final del tacho. Hasta esta etapa se supone que no ha existido ningún
proceso de formación y de crecimiento de cristales en el tacho. La
masa de sacarosa sembrada es muy pequeña (unos 10 gramos) y los
cristales tienen un tamaño de unos 5 micrómetros. Teóricamente, el
número total de cristales sembrados permanece constante hasta el
final del proceso.
6. Estabilización: El objetivo es garantizar unas condiciones de
estabilidad en los primeros momentos del crecimiento cristalino. Ello
se consigue manteniendo parcialmente cerrada la válvula de
suministro de vapor de modo que predomine la cristalización sobre la
evaporación y manteniendo constante la sobresaturación en su valor
principal controlando el caudal de entrada. Finaliza cuando el
tamaño medio de los cristales alcanza los 200 micrómetros.
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7. Cocción: Esta etapa es la más importante del proceso. En ella se
produce el crecimiento de la masa cristalina hasta alcanzar su
tamaño final (unos 0,5 mm). La cristalización retira sacarosa de la
miel madre hacia los cristales, disminuyendo la concentración del
entorno de los cristales. Para reponerla, se introduce jarabe estándar,
del cual, al estar subsaturado, se deber retirar la cantidad adecuada
de agua mediante evaporación. El ajuste del caudal de jugo estándar
que entra al tacho debe ser tal que garantice el mantenimiento de
unas condiciones de sobresaturación en la miel madre adecuadas
para el crecimiento cristalino. Además, como el objetivo es obtener la
mayor cantidad posible de masa cristalizada, se debe procurar que
los cristales alcancen su tamaño final cuando se llegue al máximo
nivel del tacho.
Se tienen dos condiciones a la hora de regular el caudal de jarabe
estándar:
• Mantener una determinada concentración en la miel madre
• Intentar alcanzar el nivel máximo del tacho coincidiendo con el
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tamaño óptimo de los cristales.
Para regular eficazmente el proceso de acuerdo a los objetivos
anteriores, sería necesario conocer tanto la sobresaturación de la
miel madre como el tamaño actual de los cristales, o en su defecto, la
cantidad de masa cristalizada existente en un momento en el tacho.
La sobresaturación de la miel madre se obtiene a partir de una
medida de la conductividad de la misma. Además, en cada tacho se
dispone de una curva que proporciona la sobresaturación adecuada
para cada valor del nivel alcanzado en el tacho. Conocida esta
curva, se mide el nivel actual del tacho y se ajusta el caudal de
entrada para que la medida de la sobresaturación en el tacho
(obtenida a partir de la medida
de la conductividad de la miel
madre) esté acorde con el valor
proporcionado por la curva.
Existen dos condiciones de finalización:
• La primera que se alcance el nivel máximo del tacho. En este caso
se pasa directamente a la siguiente etapa (Apretado).
• La segunda es que se alcance un determinado brix total en el
tacho (90,4). Este dato indica que el tamaño de los cristales es el
tamaño final deseado, y está relacionado con el contenido total
de cristales del tacho y con la concentración de la miel madre. Si
se alcanza primero la condición del brix total, se salta la etapa de
Apretado, pasando directamente a la etapa de Espera.
9. Espera: Tras la obtención de la masa cocida, pueden darse
situaciones en las que haya que esperar para realizar el proceso de
descarga. En este caso se entra en la etapa de espera, que consiste
en la introducción de agua al tacho y su evaporación debido al calor
que proporciona la calandria. Esto es necesario ya que no se puede
desactivar la calandria pues ello supondría una disminución de la
temperatura y el consiguiente aumento de la sobresaturación,
seguido de una cristalización masiva.
8. Apretado: Esta etapa sólo está presente en el caso que no se haya
alcanzado el brix total requerido en la etapa de cocción. El objetivo
es permitir que los cristales crezcan hasta su tamaño final. Se cierra
totalmente la válvula de jarabe estándar para estimular el
crecimiento de los cristales al incrementarse la sobresaturación por la
evaporación de agua. Con ello se pierde nivel en el tacho.
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10. Ruptura de vacío: El objetivo es restablecer la presión atmosférica en
la tacha para poder descargar la masa cocida. Para preparar y
facilitar la descarga de la masa cocida, se elimina el vacío
introduciendo vapor de agua por la válvula de ruptura de vacío
hasta que la presión en la cámara se diferencia en menos de un 10%
de la presión atmosférica. Finaliza cuando en la cámara se alcanza
la presión de 0,9 bares.
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Dra. Luz Maria Paucar Menacho
Tipos de Cristalizadores
11. Descarga: En esta etapa se deja caer la masa cocida en uno de los
malaxadores disponibles. Finaliza cuando el volumen de masa
cocida en la tacha sea menor que el 6% del volumen del tacho.
12. Limpieza / Lavado: El objetivo es eliminar los restos de masa cocida
adheridos a las paredes del tacho. Para ello se introduce por la
válvula de limpieza vapor de agua a 90ºC, lo que provoca la
disolución de los restos. Finaliza después de un tiempo prefijado
13. Tacho preparada: El objetivo es preparar el tacho para otro ciclo.
Para ello se cierra la válvula de descarga. Por decisión del operario
se pasa de esta etapa a la de carga, comenzando otro ciclo.
Finaliza al iniciar un nuevo ciclo.
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Existen diferentes clases de cristalizadores, entre los que sobresalen: El
cristalizador Wekspoor y el cristalizador tubular rotativo Lafeuille.
Cristalizador Wekspoor: Recipiente en forma de U ó circular, según la
masa a tratar ; en su interior posee un eje sobre el que se fijan los
elementos de enfriamiento, discos huecos unidos entre sí, de modo que el
agua recorre uno a uno todos los elementos, los discos dividen en
compartimientos el recipiente.
Cristalizador tubular rotativo Lafeuille: Funciona como malaxador o
como tacha ; compuesto por un cilindro de eje horizontal, el cual rota
sobre unos rodillos. En los fondos se encuentran dos placas tubulares de
chapa, y en el interior, lleva unos tubos horizontales unidos de dos en
dos, los cuales forman un tubo cónico atravesado por una corriente de
agua o vapor
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Fig. Cristalizador
GRACIAS
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