CAPITULO 4  DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

4.1 Comportamiento de las curvas de tensión superficial de las disoluciones acuosas  en función de la concentración de los surfactantes, a temperatura constante.

Las curvas tensiométricas de las disoluciones acuosas de los surfactantes mostraron un comportamiento que puede ser considerado anómalo por muchos investigadores en la actualidad. Sin embargo, este fenómeno ha sido señalado por diversos investigadores, Davies /26/, McBain /101/, Glasstone /57/, Shaw /145/, Valea /159/, para las disoluciones acuosas de jabones sódicos y otros surfactantes. Según estos autores los puntos de extremos relativos son típicos en disoluciones de surfactantes a con­centraciones cercanas a la micelar crítica. Sin embargo este fenómeno se observó en esta investigación a bajas concentra­ciones, condición que no ha sido publicada. Según Valea /159/, tal comportamiento es de difícil interpretación.
Las curvas más sinuosas correspondieron a los jabones A, B y C. Shaw /145/, atribuye esta anomalía a trazas de impurezas que se absorben en la interfase a concentraciones por debajo de la micelar crítica. La afirmación anterior se confirmó en el comportamiento de las curvas tensiométricas de los jabones de aceite de caña empleados en esta investigación. Éstos fueron los que presentaron mayores cantidades de impurezas en su composición, debido a las características de las materias primas empleadas en su elaboración. No obstante, este fenómeno no se presentó cuando Adán y Gil /2/, Gil /52/ estudiaron intervalos más amplios que los aquí empleados y con ello se redujeron las probabilidades de que estos puntos se presentaran.
El efecto de la concentración del surfactante en la existencia de puntos anómalos, en la curva tensiométrica, pudo también estar relacionada con un posible efecto sobre el potencial electrocinético y la estructura de la doble capa en la interfase gas – líquido. Valea /159/, planteó que se han detectado hasta dos concentraciones micelares críticas. Entonces, no se descarta la posibilidad de la formación de micelas a concentraciones por debajo de la micelar crítica, que es la concentración según nuestro criterio, en la que ya existe un número suficiente de micelas como para manifestarse el fenómeno a escala macroscópica.
Todos los factores antes mencionados pudieron influir de una forma u otra en la aparición de los puntos anómalos en las curvas tensiométricas de los surfactantes empleados en esta investigación. Se considera que este fenómeno aún no ha sido suficientemente estudiado. Sin embargo, puede tener una repercusión económica considerable desde el punto de vista de la racionalización del consumo del surfactante, en los diferentes procesos donde se aplican para modificar la tensión superficial,  la viscosidad, o ambas.

4.2  Efecto en la tensión superficial y viscosidad del jugo al imbibir el bagazo con disoluciones acuosas del surfactante

La acción del surfactante Jabón B a concentraciones de 20 y 30 ppm se reflejó en una clara disminución de la tensión superficial del jugo respecto al testigo, comportamiento inverso al que ocurre a las concentraciones de 40 y 80 ppm. Esta contradicción no tiene explicación en la literatura. En ésta no aparecen estudios acerca de la influencia de los surfactantes en la tensión superficial de los jugos de la caña de azúcar, a concentraciones menores de 100 ppm. No obstante, pudiera pensarse que la curva tensiométrica del surfactante en el jugo también pudo presentar puntos anómalos, los que no se determinaron.
La determinación de la viscosidad no fue considerada como un objetivo de la investigación. No obstante, se realizaron determi­naciones con fines cualitativos. La finalidad de las mediciones estuvo dirigida a observar de manera preliminar, alguna posible influencia del surfactante sobre este parámetro, ya que se conoce por la literatura, /10, 11, 19, 22, 23, 24, 37, 96, 155, 156/, la influencia de los surfactan­tes en las propiedades reológicas de mieles y licores en el proceso de producción de azúcar de caña.
El efecto del surfactante en la disminución de la viscosidad del jugo fue más acentuado en el intervalo de 20 a 30 ppm, lo que parece indicar que existe una relación entre el efecto del surfactante en las tensiones interfaciales (líquido - sólido y líquido - gas) y la viscosidad del jugo de la caña. Ésto no tiene antecedentes en la literatura consultada.

4.3  Efecto  de  la  presencia  de un surfactante en el agua de imbibición en  la compresibilidad del bagazo

El efecto del surfactante sobre la compresibilidad del bagazo, se atribuyó a la disminución de la presión capilar, a causa de la disminución de la tensión superficial en el jugo. Este resultado guardó correspondencia con el efecto encontrado para la tensión superficial y la viscosidad de los jugos. No obstante, los valores de estas variables en los jugos están fuertemente influenciados por las sustancias que se originan por la acción de los microorganismos sobre diversos constituyentes del jugo de la caña, por la variedad y la calidad de la caña a procesar, así como por las presiones ejercidas para extraer el jugo. Diversos autores han señalado que la composición del jugo extraído depende de la presión aplicada para exprimir la caña  /82, 121, 129/.

4.4 Efecto de los surfactantes en la purificación de los jugos de la caña de azúcar

Existe la posibilidad de que los surfactantes que se adicionan al agua de imbibición, para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos, pasen al jugo que es enviado al proceso de purificación. En la literatura consultada sólo Ramaiah y otros /130/ hacen referencia a este aspecto. Plantean que el Sushira precipita completamente en el proceso de purificación. No obstante, existe la creencia general de que sólo son beneficiosos en los procesos por flotación. Esto motivó que fuera investigada esta situación.
Los resultados de la investigación, tanto a escala de laboratorio como industrial indicaron que la presencia de un surfactante en el jugo a purificar no afectó el proceso, sino que provocó mejoras.
Efecto de los surfactantes en la remoción de sólidos insolubles durante el proceso de purificación
La presencia de los surfactantes en el proceso de purificación, dio como resultados jugos clarificados con menor contenido de sólidos insolubles en suspensión. Cuando se analizó la remoción de sólidos insolubles, que se logró por los diferentes tratamientos, se apreciaron mejores resultados cuando estuvo presente el surfactante. El efecto dependió del tipo de surfactante y de la concentración inicial en el jugo a purificar. Aunque los porcientos de remoción de insolubles son pequeños, su repercusión en el resto del proceso puede ser notable. La concentración de sólidos insolubles no removidos del jugo a 16 ºBx, puede alcanzar valores de concentración 47 veces mayores cuando la concentración de la miel en el tacho llega a 90 ºBx. 
El efecto beneficioso de los surfactantes a determinada concentración, en el proceso de sedimentación de las partículas, puede ser explicado mediante el fenómeno de la humectación. Así, el surfactante aumenta el trabajo de adhesión entre el líquido y la superficie sólida de las partículas y disminuye el de cohesión del líquido con lo que reduce el ángulo interfacial de humectación /25, 26, 57, 140, 145, 151/.
Como los sólidos en suspensión que contiene el jugo de caña que entra al clarificador, tienen ocluidas o pegadas a su superficie burbujas de aire o de gases incondensables, las que provocan que la densidad media rm de la partícula en suspensión sea muy diferente de la del material sólido y si la rm < rjugo la partícula tiende a flotar; si rm @ rjugo no sedimenta, pero si rm - rjugo > 0 entonces sedimenta con una velocidad que depende, entre otras variables, de la magnitud de la diferencia rm - rjugo /35, 102, 133/.  La presencia del surfactante en la interfase sólido - líquido – gas de las burbujas retenidas por el sólido, provoca un incremento en la humectación del sólido por el jugo. Como consecuencia, parte de la interfase sólido – gas es reemplazada por la interfase sólido – líquido, con lo que las burbujas adquieren una forma más esférica. Esta condición facilita que éstas se desprendan de la superficie de las partículas. En dependencia de la magnitud de la disminución del ángulo interfacial de humectación que logre el surfactante, será menor el volumen de las burbujas que logran desprenderse, ya que la fuerza de flotación que ejerce el líquido sobre la burbuja es directamente proporcional al volumen de ésta, de acuerdo con la ley de Arquímedes /16/ para la flotación de los cuerpos. Cuando la fuerza de flotación supera la fuerza conque es retenida la burbuja por el sólido, ésta se desprende. Al desprenderse la burbuja de gas la densidad promedio de la partícula en suspensión aumenta, lo que provoca un incremento de su velocidad de sedimentación.

Jugo

Las diferencias de efecto de los dos surfactante, pudiera explicarse si se asume que el comportamiento de la tensión superficial del jugo se afecta de forma similar a la del agua por la concentración del surfactante.
Estos resultados demostraron que no tenía una fundamentación científica, la creencia acerca de que los surfactantes sólo son beneficiosos en los procesos de separación por flotación, de las partículas en suspensión en líquidos.

Efecto de los surfactantes en la remoción de gomas durante el proceso de purificación
Los constituyentes del jugo de la caña de azúcar denominados “gomas”, son generalmente compuestos mucilaginosos de alto peso molecular que se presentan en estado coloidal. Son coloides hidrofílicos que por su estabilidad son difíciles de eliminar durante el proceso de purificación. Estos coloides, debido a su afinidad por el agua, no se alteran por la adición de pequeñas cantidades de electrólito, que pueden hacer flocular a los coloides hidrofóbicos, pero pueden hacerlos precipitar cuando la concentración de electrólito en alta. En ese caso los iones del electrólito añadido deshidratan el coloide por competencia por su agua de hidratación /25, 140, 145/. En el proceso normal de purificación mediante la combinación cal – calor, no se alcanza la concentración del catión Ca2+ necesaria para la precipitación de estos compuestos. Estos materiales mucilaginosos son responsables en gran medida de las altas viscosidades en jugos, meladura y mieles, de ahí la importancia de su eliminación durante el proceso de purificación.  
La adición de surfactantes al jugo a purificar provocó un aumento en la remoción de gomas tanto con el Sulker Floc como con el jabón A. Sin embargo, este efecto dependió del tipo de surfactante y de la concentración de éste en el jugo. Este hecho no aparece publicado en la literatura.
Shaw /145/ plantea que a concentraciones bajas los aditivos con actividad superficial pueden formar una primera capa adsorbida sobre las partículas coloidales con la parte hidrofóbica orientada hacia el líquido. De este modo se sensibiliza el coloide, mientras que a concentraciones mayores se forma una segunda capa orientada en sentido contrario, que actúa como protectora. Este mecanismo es el que se considera fue responsable de los resultados obtenidos en la remoción de gomas de jugo mezclado a clarificado en presencia del surfactante.
Efecto de los surfactantes en el aumento de cenizas de jugo mezclado a jugo claro durante el proceso de purificación
El proceso de purificación del jugo de la caña más difundido es el proceso cal – calor. El proceso de purificación tradicional no es capaz de eliminar todo el calcio, el magnesio, la sílice y otros componentes inorgánicos presentes en forma de dispersión coloidal muy estable en el jugo alcalizado y que en mayor cuantía ingresan al jugo con la lechada de cal. La precipitación del calcio pudiera ser mucho mayor si se balanceara previamente la relación calcio/fosfato en el jugo a purificar /73, 139/, sin embargo, esto generalmente no se hace.   Esta situación provoca que en el jugo claro el contenido de cenizas sea mayor que en el jugo mezclado. Estos componentes siguen el curso del proceso y son responsables de incrustaciones en los equipos de transferencia de calor y otros trastornos tecnológicos del proceso de fabricación de azúcar crudo.
La purificación de los jugos, tanto en presencia del Jabón A como del Sulker Floc, dio jugos claros con menor contenido de cenizas respecto a los jugos donde no se añadió el surfactante. El efecto dependió del tipo de surfactante y de la concentración en el jugo. El mecanismo de acción del surfactante para sensibilizar estos coloides, pudo ser el mismo que el que actuó en la remoción de gomas. Además, es conocido que los jabones forman precipitados insolubles con los iones Ca2+ y Mg2+ /30, 32, 60, 61, 104, 110, 146, 151/, lo que indica que parte del exceso de estos iones que no precipitaron producto de las reacciones con el fosfato del jugo /73, 139/ pudieron reaccionar con el surfactante y precipitar en forma de jabones insolubles.

Efecto de los surfactantes en la compactación de la cachaza durante el proceso de purificación
En todos los casos donde se aplicó el surfactante la relación sólido – líquido en la cachaza fue mayor que la existente cuando en el proceso no se aplicó el surfactante. Este comportamiento se corresponde con el efecto del surfactante en los sólidos insolubles. Al disminuir el contenido de gases en las partículas que sedimentan, su densidad es mayor lo que provoca un mayor empaquetamiento de éstas en el sedimento. Shaw /145/, plantea que una agitación suave contribuye a aumentar la densidad del empaquetamiento de las partículas.

4.5  Los surfactantes en el agua de imbibición para intensificar el proceso de  extracción de la sacarosa de la caña de azúcar

En general los resultados experimentales obtenidos, a escala de laboratorio, con los surfactante ensayados, corroboraron la hipótesis inicial planteada en la investigación. La adición de estos surfactantes aniónicos, con propiedades como humectantes, al agua de imbibición, disminuyeron los % de Pol y de Humedad en el bagazo residual. La magnitud de la disminución estuvo influenciada por el tipo de surfactante y la concentración de éste en el agua de imbibición. Se observó que la magnitud de la disminución de ambos parámetros, para determinadas concentraciones del surfactante en el agua de imbibición, estuvo estrechamente relacionada con el comportamiento de la curva tensiométrica. No existió el mismo efecto de la concentración del surfactante, en el agua de imbibición, en la disminución de los % de Pol y de Humedad en el bagazo residual. Este hecho indicó que los mecanismos de acción del surfactante pueden ser diferentes en la modificación de estos parámetros, aunque la variable tensión superficial influye fuertemente en ambos fenómenos.

Los experimentos de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar a escala industrial. Etapa Industrial I
La evaluación del comportamiento de diferentes surfactantes para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos, se realizó en diferentes centrales azucareros y en diferentes etapas de la o las zafras. No existió una uniformidad entre los diferentes centrales, en prácticamente todas las variables que influyeron en los resultados del proceso de extracción. Entre ellas se pueden mencionar el factor humano, las características y estado técnico de los equipos que intervinieron, directa o indirectamente, en el proceso de extracción, el agua de imbibición, la materia prima, etc.
Los jabones A, B y C de aceite de caña en el agua de imbibición para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos a escala industrial
Estos jabones cuando estuvieron presentes en el agua de imbibición, fueron capaces de disminuir los % Pol y % Humedad del bagazo residual. El Jabón C fue menos efectivo que los jabones A y B, lo que era de esperar debido al diferente comportamiento de sus curvas tensiométricas. No obstante, en el central “Jesús Menéndez” (zafra de 1996), los efectos de los jabones A y B en la disminución de % Pol en bagazo a las mismas concentraciones en el agua de imbibición, prácticamente no se diferenciaron entre sí (Fig. 3.5), debido a que en el rango de concentraciones estudiado, sus curvas tensiométricas no se diferenciaron estadísticamente al nivel de significación a= 0,15.
Las tendencias del comportamiento del efecto de las concentraciones del Jabón A en el agua de imbibición, en el central “López Peña”, zafra de 1995, fueron muy parecidas a las obtenidas en el central “Jesús Menéndez” aunque de diferentes magnitudes (Fig. 3.8 y 3.9). Las concentraciones más efectivas del Jabón B, en el central “Majibacoa” (zafra de 1995), cayeron dentro del rango obtenido en el “Jesús Menéndez” y coincidieron además con la concentración más efectiva del surfactante para modificar la compresibilidad del bagazo (Fig. 2.4), obtenida en este central en 1997. En la zafra de 1995 los resultados obtenidos con el Jabón C, en el central “Amancio Rodríguez” a escala de laboratorio (Fig. 2.7 y 2.8) y en el “Majibacoa” a escala industrial, fueron coincidentes.
El efecto de la concentración del Sulker Floc en el agua de imbibición sobre los % Pol y % Humedad del bagazo, tuvo un comportamiento similar en los centrales “Majibacoa” (Fig. 3.6 y 3.7)  y  “López Peña” (Fig. 3.8 y 3.9), zafra de 1995. En ambos, aunque de diferentes magnitudes, el menor efecto se obtuvo en el rango de concentraciones de 20 a 30 ppm, donde la curva tensiométrica de las disoluciones acuosas de este surfactante presentó un máximo (Fig. 2.2.1). Sin embargo, los resultados fueron mejores a las concentraciones de 10 y 15 ppm, lo que coincidió con la región del mínimo que aparece en la curva tensiométrica a esas concentraciones.
El jabón sódico obtenido a partir del Sulker Floc, dio resultados que se pueden considerar superiores en magnitud a los obtenidos con éste, ya que los % Pol y % Humedad en el bagazo, antes de iniciar el experimento, eran mucho menores que los correspondientes a los centrales “Majibacoa” y “López Peña”. Como era de esperar, las concentraciones más efectivas también fueron diferentes.  Sin embargo, el jabón de Sulker Floc aunque es rentable su empleo, puede ser económicamente menos efectivo que este último, por que requiere mayores concentraciones.
El Pan Aid y el detergente sintético para intensificar del proceso de extracción de la  sacarosa en tándem de molinos a escala industrial
En el Central “Colombia”, en la zafra del 92 respecto a la del 93 (Figs. 3.14 y 3.15), existieron diferencias en el efecto de las concentraciones de los surfactantes Pan Aid y detergente sintético en las disminuciones de los % Pol y % Humedad del bagazo. En la zafra del 92, en los efectos sobre la disminución del % Pol en bagazo, no se observaron diferencias apreciables en el comportamiento de los dos surfactantes. El efecto de las menores tensiones superficiales del Pan Aid sobre el % Pol en bagazo, se pusieron de manifiesto a 40 ppm. A 80 ppm el resultado fue contradictorio, desde el punto de vista de la tensión superficial, ya que ésta fue mucho menor que en el detergente a esa concentración. Sin embargo, el efecto de la tensión superficial del agua de imbibición sobre el %Humedad del bagazo, se mostró con fuerza. A la concentración de 80 ppm existió una diferencia notable en la disminución del % Humedad, mientras que a 40 ppm fue pequeña, lo que coincidió casi totalmente con el comportamiento de las curvas tensiométricas de ambos surfactantes.
En la zafra del 93, el efecto de la tensión superficial del agua de imbibición sobre la disminución de los % Pol y % Humedad del bagazo fue más apreciable. Esto pudo estar dado, por una mejor operación del sistema de dosificación del surfactante al agua de imbibición, debido a la experiencia adquirida en la zafra anterior.
Las menores tensiones superficiales del agua de imbibición cuando se adicionó el Pan Aid, provocaron mayores disminuciones de los parámetros analizados respecto al efecto del detergente a la misma concentración. En relación con la disminución del % Pol, el Pan Aid mantuvo la misma tendencia al aumento del efecto con el aumento de la concentración, mientras que el detergente no. Ésto se explica por el comportamiento de sus respectivas curvas tensiométricas, aunque parcialmente, ya que la viscosidad debió influir en el proceso. Pero, no se obtuvieron datos acerca del efecto de estos surfactantes sobre la viscosidad del jugo. Respecto al efecto de la concentración del surfactante en el agua de imbibición sobre el % Humedad del bagazo, el comportamiento se corresponde con el de sus respectivas curvas tensiométricas.

El comportamiento del efecto del tipo de surfactante y de la concentración en el agua de imbibición sobre los % Pol y % Humedad del bagazo en los diferentes centrales indicaron, que estuvieron influenciados por otras variables que actuaron sobre el proceso de extracción. No obstante, el comportamiento de los datos experimentales en relación con la concentración del surfactante en el agua de imbibición, guardó estrecha correspondencia con el de la curva tensiométrica de sus disoluciones acuosas. Esto dio un indicador de que es totalmente factible, iniciar las evaluaciones de las concentraciones de un surfactante en el agua de imbibición, para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos, a partir del comportamiento de la curva tensiométrica de sus disoluciones acuosas, sin necesidad de realizar ensayos previos a escala de laboratorio. Pero en todos los casos, es necesario tener en cuenta los resultados económicos.

4.6.0  El Jabón B de aceite de caña para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos.   Etapa Industrial II  

4.6.1 % Pol en el bagazo residual

El comportamiento del % Pol en bagazo cuando se añadió el surfactante al agua de imbibición, indicó que la tensión superficial del agua de imbibición jugó un importante papel en los resulta­dos que se obtuvieron en el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos. Ese comportamiento confirmó la hipótesis de que la presencia en el agua de imbibición de un surfactante aniónico, con propiedades como humectante, a la concentración adecuada, intensifica el proceso.
El surfactante en el rango de concentraciones empleado, disminuyó sensiblemente la tensión superficial del agua de imbibición (Fig. 2.2.1). Esta disminución provocó una mayor penetración del agua dentro del colchón de bagazo. Según Treybal /153/, la retención estática de líquido por un medio poroso es menor cuando es baja la tensión superficial. Este planteamiento es válido para la retención estática de jugo por el bagazo. Al ser menor ésta, unida a la disminución que experimentó la viscosidad por efecto del surfactante (Fig. 2.6), se obtuvo un mejor mezclado con el jugo libre en el molino y como consecuencia, una mayor extracción de la sacarosa.
La tendencia al incremento del % Pol en bagazo en el rango de niveles de imbibición de 2,07 a 2,67 t agua / t fibra en caña, pudo ser causado por la influencia negativa que pudo tener  el incremento de la masa de líquido retenida por el material fibroso, sobre la eficiencia del trabajo del molino. Valdés /158/, no encontró ese comportamiento al variar el nivel de imbibición hasta 35 t agua / t caña. Sin embargo, a partir de 2,67 t agua / t fibra en caña, existió una tendencia a la disminución, debido a la fuerte influencia que ejercieron sobre los % Pol en bagazo las grandes masas de agua añadidas, independientemente de que el trabajo del molino se vio fuertemente afectado, al igual que el trabajo del área de evaporadores.
Cuando se incrementó el nivel de imbibición sin el surfactante hasta 2,32 (30,22 % t agua/t de caña), pudo existir un aumento en el consumo de vapor cercano al 5% /27/ respecto al nivel 2,07 t agua / t fibra en caña, sin embargo no existió una mejoría en la disminución del %Pol. Existe consenso entre los investigadores /83, 109, 121, 147, 158/ acerca de que la disminución del % Pol en bagazo es notable, cuando el nivel de imbibición aumenta desde valores bajos  hasta el 20 ó el 25 % del peso de la caña, pero a partir de ese nivel lo hace lentamente y se puede afectar la capacidad del molino. Esto último debe de haber influido en los resultados de esta etapa de la investigación. En general, en las corridas donde no se aplicó el surfactante, los % Pol obtenidos al nivel de imbibición de 2,07, no se diferencian apreciablemente de los obtenidos a mayores niveles prácticos de imbibición, donde se encontraron valores del % Pol incluso algo mayores (Figs. 3.16B y 3.17). Estos resultados y los publicados en la literatura, refutan el criterio que tiene la mayoría de los operadores de moli­nos, de que es conveniente aumentar el nivel de imbibición por encima de la norma establecida, para disminuir más el %Pol en bagazo. Esta práctica puede ocasionar efectos económicos negativos, en dependencia del precio del azúcar en el mercado y el costo del combustible adicional que es necesario consumir para evaporar el exceso de agua.
Una alternativa ventajosa para disminuir el % Pol en bagazo, demostrada en esta investigación, es la adición de surfactantes aniónicos para intensificar la operación de extracción. No obstante, el comportamiento de los resultados dentro de un mismo nivel de imbibición y para todo el intervalo, indicaron que el %Pol en el bagazo residual y la disminución provocada por el surfactante (Figs. 3.16A y 3.17), estuvieron influenciados, por otras variables no controladas que intervinieron en el proceso de extracción tales como las características de la caña, las condiciones asépticas del tándem y el factor humano que se desempeña en el área de extracción del central.
Estos resultados indicaron que no se puede afirmar categóricamente, como lo hicieron otros investigadores /130, 137/, acerca de un rango de valores para la disminución del % Pol en bagazo al aplicar determinado surfactante para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar.  Esto concuerda totalmente con los resultados de la Etapa Industrial I (Anexo 3). El efecto del surfactante, al estar influenciado por gran número de variables, necesaria­mente tiene que variar de acuerdo con las condiciones en que se desarrolle el proceso de extracción, el cuidado en la preparación de la disolución acuosa del sur­factante, la calidad técnica y el nivel de automatización del sistema de dosificación de la disolución, así como la disciplina tecnológica. Los aspectos antes mencionados, no aparecen reportados en la literatura consultada. 

4.6.2 Pérdida de Molienda

Cuando se trató de reducir la Pérdida de Molienda incrementando el nivel de imbibi­ción, los datos experimentales no tuvieron una tendencia definida. No obstante, en los valores promedio se observó una tendencia al incremento, más definida que en el caso del % Pol en bagazo. Este parámetro reflejó, con mayor precisión que el % Pol, el comportamiento de las pérdidas de sacarosa en el bagazo residual, por estar relacionado directamente con el valor del porciento de fibra de éste en cada corrida. La Fig. 3.18A  muestra la fuerte influencia que ejerció la presencia del surfactante en el agua de imbibición sobre la Pérdida de Molienda, debido a las disminuciones de las tensiones superficiales del agua y del jugo, de la viscosidad y otros efectos beneficiosos que pudo provocar durante el flujo del jugo a través de los capilares del bagazo, inclusive a niveles de imbibición no permisibles técnica y económicamente. La disminución de la pérdida de molienda producto de la aplicación del surfactante se vio poco influenciada por el nivel de imbibición (Fig. 3.18B), ya que el efecto que logró el surfactante dependió fundamentalmente de la concentración de éste en el agua de imbibición.

En general la Pérdida de Molienda en el proceso, tanto con el agua como con la disolución del surfactante, no sólo dependió del nivel de imbibición sino que estuvo fuertemente influenciada además, por otras variables no controladas en el ex­perimento y que actuaron en el proceso de extracción. Esto concuerda con lo obtenido por otros investigadores /83, 87, 109, 131/.

 

 

% Pol en jugo mezclado
Se pudo comprobar mediante análisis al jugo mezclado, que según disminuyeron las pérdidas de azúcar en el bagazo re­sidual del tándem, aumentó el contenido de sacarosa en el jugo mezclado, Fig. 3.20. Este hecho aparece reportado en la literatura consultada /137/.

4.6.3 Influencia del nivel de imbibición y la relación ºBx en caña/fibra en caña en la pérdida de molienda

Los datos experimentales indicaron, Fig. 3.19, que durante el proceso de extracción actuaron otras variables no controladas que ejercieron mayor influencia en la pérdida de molienda, que la relación ºBx en caña / % fibra en caña. No se pudo establecer una correlación entre la Pérdida de Molienda y la relación ºBx en caña / % fibra en caña, ya que para niveles de imbibición estables, la primera se vió muy poco afectada cuando la segunda varió significativamente.
El proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos es básicamente un proceso de lixiviación. Cada molino de extracción húmeda puede considerarse una etapa real de lixiviación. Al ser el número de etapas reales fijo, las características del proceso de lixiviación (eficiencia de etapa, la concentración de la sacarosa en el bagazo a lixiviar, la relación agua/fibra para obtener un porciento de sacaro­sa dado en el bagazo residual, etc.) estarán fuertemente influenciadas por el proceso a que fue sometida la caña en las etapas anteriores de preparación y de extracción en seco. Esta situación provoca que de la extracción que logre el primer molino, dependa la relación ºBx en bagazo / % fibra en el bagazo que entra a las etapas de extracción húmeda. Es conocido que en un proceso de lixiviación /13, 35, 88, 102, 119, 131, 153/ con una eficiencia de etapa aproximadamente constante, si no varía la re­lación solvente/sólido, la temperatura y otras características del proceso, entonces la concentración de soluto en el residuo dependerá de la concentración del soluto en el alimento. Del análisis anterior y de los resultados expe­rimentales se puede deducir que realmente la relación (ºBx en caña/% fibra en caña) no es la variable que debe ser empleada en el análisis del proceso de extracción en tándem, sino la relación (ºBx en bagazo/% fibra en bagazo) en el bagazo a la salida del primer molino, aunque entre ambas variables debe existir algún grado de correlación.

4.6.4 Porciento de humedad en el bagazo residual

El % Humedad del bagazo estuvo influenciado fuertemente por el nivel de imbibición y por otras variables no controladas en el experimento. Una de las variables de mayor influencia fue la tensión superficial del jugo retenido por el bagazo a comprimir en el molino, Fig. 3.21. Sobre esta variable influyó directamente el surfactante que se añadió al agua de imbibición. La tensión superficial del jugo residual en el bagazo, además del efecto del surfactante, estuvo influenciada por un número indeterminado de variables. Ésta además, no fue uniforme en toda la región del colchón de bagazo comprimido, ya que dependió del grado de mezclado del agua de imbibición y con el jugo libre.

A pesar del indeterminado número de variables que influyeron en el % Humedad del bagazo, la acción del surfactante en el agua de imbibición y en el jugo, fue capaz de provocar una mayor extracción de jugo del bagazo por el molino, lo que dio como resultado un menor contenido de humedad y de sacarosa en el bagazo, aunque sobre este último parámetro influyeron además otras variables.
La tendencia al incremento del % Humedad en bagazo al aumentar el nivel de imbibición, fue mayor en el bagazo imbibido sólo con agua. Esto se explica teniendo en cuenta que fue mayor la tensión superficial del jugo retenido por el bagazo, respecto al del bagazo imbibido con la disolución del surfactante. Este resultado tuvo total correspondencia con el efecto de la concentración del surfactante en el agua de imbibición, en la compresibilidad del bagazo. La disminución de la presión capilar, provocada por la acción del surfactante en la tensión superficial del jugo, dio lugar a una mayor extracción por el molino, del jugo retenido por la fibra del bagazo.

Es de esperar que incluso para una misma concentración de un surfactante en el agua de imbibición, igual nivel de imbibición y la misma materia prima (caña) para dos centrales diferentes, el efecto que se logra en el % Humedad del bagazo residual, sea diferente. Inclusive en un mismo tándem, los resultados deben variar con las características de la materia prima, las variaciones que experimenta el estado técnico de los molinos durante el período de zafra, el factor humano, etc.

4.6.5 Relación entre el % Humedad del bagazo, el nivel de imbibición y el % Pol en bagazo

 

La relación que existió entre el % Humedad y el % Pol en bagazo fue muy compleja, Fig. 3.23. No se pudo determinar una correlación entre el % Humedad y el % Pol en bagazo al variar el nivel de imbibición, ya que ambos parámetros fueron el resultado del efecto de un gran número de variables no controladas en el experimento, que intervinieron en el proceso de extracción y que actuaron sobre estos parámetros por mecanismos diferentes.

4.7 Experimento de Tamizado. Etapa Industrial III

La variable presión no tuvo un efecto significativo en el % Pol en el bagazo residual dentro del rango de presiones aplicadas en la desme­nuzadora. Este comportamiento pudo estar dado por la baja influencia que pudo tener la presión en la preparación de la caña, aunque no se realizaron determinaciones al respecto.
Para las condiciones en que se desarrolló el experimento, las variables de mayor influencia sobre el % Pol en bagazo fueron la temperatura y la concentración del surfactante. Los mejores resultados fueron obtenidos con los valores bajos del nivel de imbibición y de la temperatura (Fig. 3.25). El efecto obtenido para el nivel de imbibición, prácticamente concuerda con los resultados experimentales con el Jabón B en el central “Jesús Menéndez”, donde se observó cierta influencia negativa de los valores del nivel del imbibición por encima de 2,07.
La temperatura tuvo una influencia negativa sobre la disminución del %Pol y el % Humedad del bagazo para el nivel de 80 ºC. Esto pudo estar motivado por afectaciones en la alimentación del molino y en el coeficiente de reabsorción, debido a la posible disminución del coeficiente de fricción interno del bagazo, el que no fue medido. Sin embargo, varios  autores /83, 87, 147/ señalan que 80 ºC da mejores resultados que 70ºC. Murry /109/, plantea que esto no fue observado en molinos de laboratorio, mientras que Hamill /76/, plantea que con el aumento de la temperatura se incrementan las dificultades de alimentación al molino.
El efecto combinado de las variables nivel de imbibición - concentración del surfactante aunque es significativo fue pequeño, no obstante el mayor efecto de la interacción se produjo para los valores altos de ambas variables (Fig. 3.26). Esto parece contradictorio con el efecto observado en la Fig. 3.25. No obstante, en el modelo, el efecto de la interacción Agua - Temperatura es 2,86 veces superior al de la interacción agua - concentración, por lo que prevalece el efecto de la primera. Los valores altos de los niveles de imbibición, aparte de su efecto negativo en el consumo de combustible, sólo estarían parcialmente justificados en el caso de altos ºBx en el jugo mezclado, que pudieran afectar en parte el proceso en el clarificador.
La Fig. 3.27 muestra como interactúan las variables temperatura y concentración del surfactante en el % Pol en bagazo. Los mejores resultados se obtienen con los valores altos de la concentración del surfactante y los bajos de la temperatura.
El procesamiento estadístico de los resultados experimentales con relación al % Humedad en el bagazo, muestra que la temperatura no influyó significativamente al nivel a= 0,15 pero sí su interacción con el nivel de imbibición (Fig. 3.30). La superficie de respuesta indica que el % Humedad disminuye hacia los valores altos del nivel de imbibición y los bajos de la temperatura. El efecto del nivel de imbibición es consecuencia probablemente de la acción del surfactante, el cual se manifiesta con mayor intensidad en la disminución del % Humedad en bagazo cuando aumenta el nivel de imbibición, lo que coincide con lo obtenido para este nivel de imbibición en la etapa anterior (Fig. 3.21 y 3.22). La Fig. 3.30 muestra el efecto negativo que tuvieron las altas temperaturas en el % Humedad, al igual que en el caso del % Pol en bagazo.
Se considera que la utilidad de los modelos consiste en que fueron capaces de revelar como influyeron las variables estudiadas en la eficiencia del proceso de extracción en los molinos. Revela que el efecto de la temperatura del agua de imbibición sobre la eficiencia del proceso de extracción, puede ser variable y debe investigarse en cada central en particular.

4.8 Los mecanismos del proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos

El análisis del proceso de distribución del líquido de imbibición en el colchón de bagazo y su incidencia en el proceso de transferencia de masa hay que dividirlo en dos partes: el proceso en el conductor de bagazo y el proceso en el molino, ya que ambos son diferentes.
La profundidad a la que penetra el agua de imbibición que rocía una caja de derrame, en el colchón de bagazo parcialmente saturado, depende de la tensión superficial del líquido de imbibición y de las características del bagazo como medio poroso. La masa de agua aplicada sólo es capaz de saturar una capa superficial del colchón de bagazo suelto /43/; sin embargo, en el molino la masa total de bagazo se satura cuando el volumen de éste es reducido por compresión hasta un valor definido a la entrada del molino /52/. Al continuar la compresión, el líquido es forzado a fluir a través del medio poroso, lo que provoca su mezcla forzada con el jugo retenido por la fibra del bagazo.
Se puede conocer la influencia que ejerce el surfactante en la retención ( R ) del bagazo al modificar la tensión superficial del agua de imbibición y del jugo, partiendo de una ecuación que de forma general expresa:
Donde:

G ... constante de proporcionalidad	s ... tensión superficial del jugo
r ... densidad del jugo	m ... viscosidad del jugo
F ... características del colchón de bagazo

El coeficiente G y la función f2, son difíciles de determinar debido a la variabilidad de las características del colchón de bagazo, ocasionadas por el tipo de caña y los resultados de la preparación.
Luego que la capa superior del colchón de bagazo ha absorbido la masa de líquido que es capaz de retener de acuerdo con su saturación inicial, las propiedades del líquido y las características geométricas de las partículas, el exceso de líquido drena hacia el interior del colchón bajo la acción de la gravedad. El líquido se mueve en régimen laminar sobre la película de jugo que recubre al sólido, quedando retenido en parte en las cavidades de las partículas y sus uniones, al tiempo que penetra por capilaridad en el interior de los poros de las partículas de meollo parcialmente saturadas por el jugo residual. La tensión superficial contribuye a la penetración del agua en los poros del meollo como una fuerza impulsora. Sin embargo, se oponen las fuerzas de fricción debido a la viscosidad y la resistencia que ofrece el aire al salir del capilar en sentido contrario. Simultáneamente, con el movimiento del líquido se produce el proceso de transferencia de masa por difusión de los sólidos solubles del jugo libre hacia el agua, por lo que se alcanza el equilibrio de concentraciones rápidamente /126/. El gradiente de concentraciones que se establece entre la película de jugo y el seno del líquido dependerá del Brix del líquido de imbibición y del Brix del jugo retenido. La viscosidad del líquido de imbibición siempre será menor que la del jugo retenido /82, 119/. El resultado global de este proceso es un incremento en la saturación parcial de una capa de la superficie del colchón de bagazo. El tiempo que demora el proceso de penetración es pequeño, en comparación con el que demora el bagazo imbibido en el conductor antes de entrar al próximo molino. La presencia de sustancias con actividad superficial en el líquido de imbibición reducen su tensión superficial, lo que provoca una disminución de la retención estática del medio poroso, dando lugar a su distribución en un mayor volumen del colchón de bagazo.
En el caso de las células que no fueron rotas durante el proceso de preparación, o bajo la acción de las fuerzas de cizallamiento entre las mazas de los molinos de extracción en seco, el agua penetra a través de las paredes celulares por ósmosis, lo que aumenta su turgencia y facilita que sean desintegradas entre las mazas de los molinos de extracción en húmedo.
La temperatura del agua de imbibición influye en el proceso descrito, ya que al aumentar ésta disminuyen su viscosidad y la tensión superficial, lo que unido al efecto del surfactante provoca una menor capacidad de retención del medio y, como consecuencia, una mayor penetración de ésta en el colchón de bagazo, al tiempo que aumenta el coeficiente de difusión de los sólidos solubles. El resultado es un mejor mezclado.
El proceso de extracción en el molino
La descripción del proceso de extracción en el molino y los mecanismos del proceso de flujo y transferencia de masa, se realiza partiendo del modelo de Murry y Loughran /93, 109, 116/ (Fig. 4.1)
Según este modelo el bagazo que llega a la región comprendida entre los planos A y B está parcialmente saturado. A partir de B comienza el proceso de compresión. La razón de compresión Cq se define como:
Cq = [ Vo / Vc ].
Vo ... volumen inicial de la caña preparada saturada (bagazo).
Vc ... volumen ocupado por la caña comprimida

La razón de compresión Cq se toma como constante en cualquier plano vertical y se calcula mediante la ecuación:
Cq= (C0W0/D)/[(1+W0/D-cosq) cosq]                                                                               (4.2)
q ...  ángulo que define la posición del plano vertical
W0 .. abertura de trabajo del molino
D ... diámetro de la maza
C0 ... razón de compresión del molino, medida en q= 0
A partir del plano Cq=Cq in el bagazo comienza a ser comprimido expulsando el aire ocluido a medida que disminuye la porosidad. Bajo estas condiciones las capas superiores del colchón se saturan primero que las capas interiores y el exceso de jugo drena hacia el interior del colchón de bagazo, mezclándose con el jugo libre en el espacio entre las partículas y penetra por capilaridad en los poros de las partículas de meollo, a medida que el bagazo avanza hacia el plano Cq=1. El grado de mezclado que ocurre en esta región depende de las fuerzas viscosas y capilares, así como de la permeabilidad K del lecho. Las primeras dependen de la temperatura, de las características del jugo y de la presencia de sustancias con actividad superficial /13, 25, 42, 52, 57, 82, 100, 103, 123, 140, 145/, mientras que la permeabilidad K (K=A.Cq-B, donde A y B son constantes que dependen de la preparación de la caña) depende de la razón de compresión y de la preparación de la caña /76, 93, 109, 116/.
El bagazo que alcanza el plano Cq=1, desde el punto de vista macroscópico, se puede considerar que está saturado. No obstante, aún queda aire ocluido entre las partículas y principalmente en los capilares del meollo. Ya en estas condiciones el proceso de dilución del jugo del interior de las partículas sólo es posible mediante el movimiento del líquido por capilaridad hacia el interior de los poros, donde se establece el equilibrio de concentraciones de los sólidos solubles por difusión y posteriormente, por este mismo mecanismo, desde el interior hacia la película inmóvil de jugo que rodea la partícula (retención estática). El grueso de la capa límite que rodea a las partículas y, por lo tanto, su resistencia a la transferencia de masa, depende en proporción directa de la viscosidad y de la tensión superficial del jugo que la forma /153/. Las altas temperaturas y la presencia de sustancias con actividad superficial disminuyen la retención estática; o sea, el espesor de la película de líquido que no participa en el flujo, lo que incrementa el proceso de transferencia de masa /52, 153/. Acerca de la temperatura Murry /109/ señala que en molinos de laboratorio no se ha encontrado el efecto pero la experiencia de fábrica indica que hay un mejor mezclado a altas temperaturas.
La posición del plano Cq=1 se puede determinar por la ecuación /93, 109,116/:
q= cos-1{[(1+W0/D)+((1+ W0/D)2-4C0 W0/D)0,5]/2}                                                        (4.3)
W0 ... abertura de trabajo entre las mazas
D ...  diámetro de las mazas
C0 ... razón de compresión en el plano q= 0
El mezclado del jugo diluido de las capas superiores del colchón, con el jugo libre retenido en las capas interiores comienza en la primera fase de la compresión (en la región que contiene los planos correspondientes a las razones de compresión Cq=Cq in y Cq=1). A partir del plano Cq=1 comienza el proceso visible de extracción del jugo por el molino. Entre los planos Cq=1 y q=0 el bagazo está saturado (todo el volumen de huecos entre las partículas está lleno de jugo, aunque no así en el interior de todas las partículas). A medida que disminuye la porosidad del bagazo bajo la acción de la presión que ejercen las mazas, el exceso de jugo es forzado a fluir, en sentido contrario al movimiento del bagazo, por los espacios entre las partículas deformadas hacia las zonas de baja presión (superficie de las mazas y hacia el exterior por el plano central). El movimiento del jugo en el bagazo, cumple las leyes que gobiernan del flujo de fluidos a través de medios porosos /80, 81, 109, 116, 141, 146, 160/. Durante este proceso de flujo, continúa la transferencia de masa entre el jugo en movimiento de menor concentración y la película de la retención estática de mayor concentración. Las sustancias con actividad superficial, al disminuir la tensión superficial y la viscosidad del jugo, provocan la disminución del espesor de la película de la retención estática, lo que intensifica el proceso de transferencia de masa. La resistencia al drenaje del jugo depende además, en proporción directa, de la preparación de la caña /76, 93, 109, 116/ y de la velocidad de compresión /87/. A partir del plano Cq=1 el jugo que ocupa los espacios entre las partículas comienza a ser desplazado por el de su interior, de mayor concentración. En condiciones ideales, si todo este jugo fuera desplazado, el jugo de la retención estática tendría la misma concentración que la del que fluye y cesaría por lo tanto el proceso de transferencia de masa.
A medida que disminuye la porosidad, las fuerzas capilares que retienen el jugo en los poros de las partículas, aumentan rápidamente en razón inversa al radio de los capilares y son directamente proporcionales a la tensión superficial del jugo retenido /52/. Según algunos autores /26, 57, 145/ los electrolitos en líquidos que se mueven en capilares, influyen en la viscosidad de éstos. Por lo tanto, cabe esperar que al disminuir las dimensiones de los capilares del colchón de bagazo debe incrementarse la acción sobre la viscosidad, de los efectos electrocinéticos de los electrolitos en el jugo. Cuando se alcanza el equilibrio entre la presión capilar y la presión exterior, cesa la extracción del jugo. De esta forma, el jugo que retiene el bagazo tiene mayor concentración que el que es extraído del colchón de bagazo.
La compresibilidad de las partículas aumenta cuando en el jugo está presente un surfactante debido a la disminución de la presión capilar /42, 52/. Este efecto, unido al de la disminución de la viscosidad, permite explicar la disminución que se observa en el contenido de humedad del bagazo residual cuando se adiciona el surfactante al agua de imbibición. El efecto combinado del surfactante, en los procesos de transferencia de masa que ocurren en el colchón de bagazo sobre el conductor y en el molino, descritos anteriormente, y el incremento de la compresibilidad del bagazo que permite mayor extracción de jugo para las mismas condiciones de operación, dan por resultado menores pérdidas de sacarosa en el bagazo residual, menor contenido de humedad y la extracción de un jugo más rico en sacarosa.
El proceso de extrusión en el molino
Según Jenkins /87/, desde la entrada del molino y en determinada región, la velocidad promedio Ss del material sólido (bagazo) es diferente de la componente horizontal de la velocidad superficial de la maza Sh, hasta un plano q = f, donde se igualan. Este plano recibe el nombre de plano neutral. Jenkins /87/ señala que a partir de ese plano, Ss > Sh y este incremento de velocidad desde q = f hacia el plano axial, tiene que ser causado por un “gradiente de presión” de alguna especie. La posición q=f de este plano se determina a partir de la ecuación /87, 109/:
f= cos-1{[(1+W0/D)+((1+ W0/D)2-4k W0/D)0,5]/2}                                                          (4.4)
k ... factor de reabsorción
A la explicación del origen del “gradiente de presión” sugerido por Jenkins, se puede llegar a partir de los razonamientos que se exponen a continuación.
Los experimentos realizados por Shannon, Murry y Holt (referidos por Jenkins /87/) mostraron que la presión necesaria para someter el bagazo a determinada compresión, aumentó al incrementar la velocidad de compresión. Sin embargo, no se ha obtenido una ecuación que relacione esta presión con la velocidad de compresión.
A partir de la ecuación 4.2 es posible calcular la variación de la razón de compresión a partir de Cq=1 hacia el plano axial, derivando respecto a la variable q:
dCq/dq= - (C0 W0/D)*[sen 2q - (1+ W0/D)senq]*[(1+ W0/D - cosq) cosq]2                    (4.5) De acuerdo con esta ecuación, la razón de compresión disminuye a medida que el bagazo avanza hacia el plano axial (q = 0) de las mazas. La componente vertical de la velocidad tangencial S de la superficie de la maza, se calcula a partir de:
Sy = S sen q                                                                                                                       (4.6)
Donde:
Sy ... es la velocidad con que la superficie de la maza comprime al bagazo en el plano q o sea, la velocidad de compresión respecto al plano central entre las mazas.
S = w.D/2                                                                                                                          (4.7) 
w ... velocidad angular, rad/s
Basado en estas ecuaciones y en los experimentos referidos anteriormente por Jenkins /87/, se deduce que la presión necesaria para la compresión debe ir disminuyendo de un plano a otro, a medida que el bagazo avanza hacia el plano axial. A la derecha de este plano, la presión que ejercen las mazas sobre el bagazo disminuye continuamente hasta cero. Por lo tanto, el efecto de la diferencia de presiones debida a la disminución de la velocidad de compresión y a la descompresión del bagazo a la derecha del plano axial, debe crear el gradiente de presiones (a que hace referencia Jenkins /87/) y que origina un esfuerzo de cizallamiento en la región, en el sentido del movimiento del bagazo. A este esfuerzo se oponen los originados por el flujo de jugo y la fricción interna del bagazo. En determinado plano estos esfuerzos deben compensarse y a partir de ahí el bagazo podría extruir, arrastrando el jugo en el mismo sentido. Este plano debe coincidir con el denominado "Plano Neutral".
De las ecuaciones 4.4 a 4.7 se deduce que, a medida que aumenta el diámetro de las mazas del molino, si se mantiene la misma velocidad angular, la posición del plano neutral se aleja del plano axial. La velocidad de compresión y su variación de un plano vertical a otro serán mayores, por lo que el coeficiente de reabsorción debe aumentar. Este razonamiento coincide con lo planteado por Spencer /147/ acerca de una mayor eficiencia de los molinos cuando es menor la velocidad de las mazas.
La mayor extracción de jugo en el molino, cuando se adiciona un surfactante en el proceso, provoca que la fricción interna en el bagazo sea mayor, por lo que se espera que el plano neutral se desplace en dirección al axial y sea menor el coeficiente de reabsorción en el molino.

4.9.0 Metodología para la selección del surfactante para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos y el rango de concentraciones adecuado

4.9.1 Selección del Surfactante

En el mercado actual son comercializados una amplia variedad de agentes tensoactivos o surfactantes aniónicos, catiónicos, anfólitos y no ionógenos en estado sólido o líquido. Los productores les atribuyen diversas propiedades. Para su empleo en la industria azucarera deben ser, en primer lugar, inocuos o de una toxicidad muy baja. En segundo lugar que sean un producto biodegradable, previendo posibles derrames. Cuando se dispone de varios surfactantes que cumplan con los dos requisitos anteriores es conveniente, para mayor seguridad y a pesar de las especificaciones del fabricante o del proveedor, comprobar que no sea un antiespumante o un emulsivo de agua en aceite (número de EHL< 6).
Equilibrio Hidrófilo - Lipófilo (EHL)
En la molécula de un tensioactivo ciertos grupos o porciones de esta tienden a orientarse o afiliarse al agua, mientras que las porciones de cadena larga se orientan hacia la fase de vapor u otra coexistente. Una medida de la tendencia a orientarse hacia una u otra fase la da el número de equilibrio hidrófilo - lipófilo (EHL). Estos números se eligen en una escala arbitraria y cuanto más elevado es, más hidrófilo es el agente /104, 151/. Algunos autores han desarrollado métodos y fórmulas para el cálculo de este número y han relacionado exitosamente el número de EHL con el uso del surfactante /97,145/. El surfactante a emplear debe ser un buen humectante (número de EHL > 6), lo que se considera como el tercer requisito y cuya estimación se puede realizar a partir del aspecto óptico de sus disoluciones acuosas /97, 145/.

EHL	Uso:
1,5 -   3	Antiespumante
3   -   6	Emulsivo de agua en aceite
7   -   9	Humectante
8   -  18	Emulsivo para aceite en agua
13  -  15	Detergente
15  -  18	Solubilizante

Una estimación aproximada del número EHL se puede realizar apreciando el comportamiento en agua del surfactante /104, 151/.

Dispersión en agua	EHL
No se dispersa en agua	1  -  4
Mala dispersión	3  -  6
Dispersión lechosa después de agitación vigorosa	6  -  8
Dispersión lechosa estable (parte superior clara)	10 - 13
Solución transparente	>13

Los resultados técnico - económicos de la aplicación del producto,  constituyen el cuarto y último requisito que decide el empleo del surfactante.

4.9.2 Determinación del rango de concentraciones más efectivo.

1. Escala de laboratorio
Los surfactantes se comercializan sólidos o líquidos. En el caso de los sólidos, la masa de surfactante a emplear para preparar la disolución se calcula en base seca. En los líquidos hay que verificar la densidad que indica el fabricante por posibles alteraciones. A partir de aquí se siguen los siguientes pasos:

• Preparar una disolución inicial de 1 g del surfactante en 1 kg de disolución (1000 ppm del surfactante en la disolución), la que debe ser preparada poco tiempo antes de las mediciones para evitar cualquier alteración en los resultados por algún posible proceso de envejecimiento.
• A partir de la disolución anterior, agitando previamente, preparar las disoluciones a ensayar en un rango de concentraciones de 5 a 80 ppm. Ej. 5 g de la disolución inicial  +  995 g de agua dan 1 kg de disolución con una concentración de 5 ppm del surfactante.
• Medir la tensión superficial (s) de la disolución para cada concentración, a temperatura constante. Si se emplea el aparato de Rebínder, se recomienda que la temperatura de las disoluciones sea próxima a la temperatura ambiente del local donde se realizarán las mediciones. Esto disminuye la influencia que ejerce la diferencia de temperatura entre el aire que burbujea y la disolución sobre la estabilidad de las lecturas dadas por el aparato. El aparato de Rebinder es muy sensible a los cambios de temperatura que puede experimentar el aire dentro de la burbuja que se forma en el seno de la disolución. El aire y la disolución a ensayar deben estar a la misma temperatura. Para garantizar la condición anterior se corrige la temperatura del aire haciéndolo pasar previamente por un conducto metálico sumergido en el mismo baño que está la celda de burbujeo, antes de entrar en ésta. Las disoluciones deben ser ensayadas de menor a mayor concentración.
• Representar la curva tensiométrica en coordenadas cartesianas. Seleccionar el rango de concentraciones donde aparecen las menores tensiones superficiales, para la evaluación industrial.

2. Escala industrial
En esta etapa los tres elementos básicos a tener en cuenta son:
a) Determinación del tiempo (t) de retención de la caña molida en el tren de molinos, para establecer el muestreo del bagazo. Este indicador se mide en el tándem.
b) Obtención de la curva de operación de la bomba dosificadora. Esto se realiza debido a alteraciones que pueden existir en el funcionamiento, respecto a las especificaciones del fabricante, debido al posible desgaste en las válvulas de retención de la bomba. El conjunto de datos el flujo volumétrico que es capaz de dar la bomba para cada posición de la escala, conforma la llamada curva de "operación" de la bomba dosificadora.
Las mediciones de flujo se realizan en la succión de la bomba manteniendo la descarga conectada a la tubería por donde está fluyendo el agua de imbibición. Esta curva debe ser verificada antes de iniciar la zafra y en las paradas planificadas por mantenimiento.
c) Verificar el flujómetro del agua de imbibición, antes del inicio de la zafra y en las paradas planificadas por mantenimiento, para garantizar la concentración del surfactante con el flujo de disolución que aporta la bomba dosificadora.
3. Método de evaluación
Se recomienda hacer la evaluación experimental en el tándem, mediante el empleo del diseño estadístico de experimentos en bloques al azar / 154/, en el cual los tratamientos serán las concentraciones del surfactante en el agua de imbibición en ppm y el número de bloques igual al número de tratamientos, como mínimo. Los rendimientos % Pol y % Humedad del bagazo residual para un mismo nivel de imbibición. Las variables a controlar son: nivel de imbibición, temperatura del agua y las presiones en los molinos.

• Cantidad de surfactante a disolver para preparar la solución.

Este aspecto requiere de la máxima atención y cuidado por parte del investigador. El recipiente donde se prepara la disolución debe tener un volumen suficiente para poder operar durante ocho horas (un turno de trabajo). El volumen de agua tiene que ser medido con la máxima exactitud. La disolución debe tener la menor concentración posible que garantice, para el flujo de la bomba, la concentración deseada en el agua de imbibición durante el turno de trabajo.
Ejemplo
Para jabón sólido y un volumen de disolución de 400 L. El tanque tiene un volumen por debajo del nivel de la toma de succión de 26,8 L
Determinar experimentalmente por secado el contenido de masa seca del jabón: 70,37 %. Se pesa una cantidad de jabón igual a: 1661* 1/0,7037=2360g. A esta cantidad de surfactante se añade agua hasta completar 400 L de disolución y se agita como mínimo 30 min con agitador mecánico. La concentración de la disolución patrón será de 1661/400 = 4,152 g jabón seco/L disolución.

• La primera vez que se prepare la disolución se añadirán los 2360g del Jabón A pero las demás preparaciones sólo requieren 2360 -158,12=2 202 g ya que existe una cantidad disolución remanente en el fondo del tanque de 26,8 L.
• El indicador de escala en la bomba se ajusta para dar un flujo en L/min de acuerdo con la curva de operación, correspondiente a la concentración del surfactante en el agua de imbibición, indicada por el diseño experimental.

Antes de comenzar a bombear la disolución del surfactante, se verifica que el flujo de agua de imbibición en el flujómetro, corresponda al nivel de imbibición establecido, con la correspondiente corrección de la temperatura.
Muestreo
Antes de iniciar las corridas experimentales se realizó el muestreo de la caña, para la determinación del % fibra promedio.
Para cada bloque se toma una muestra acumulativa de aproximadamente 5 kg de bagazo durante un tiempo 5 min antes de comenzar a bombear la disolución del surfactante y guardar en recipiente hermético. Al finalizar, después de interrumpir el bombeo de la disolución, esperar un tiempo de 10 min para comenzar a tomar la muestra acumulativa final de bagazo de 5 kg durante un tiempo de 5 min y conformar una sola muestra con los dos bagazos.
a) Comenzar a bombear la solución del surfactante y esperar, antes de comenzar a tomar las muestras, un tiempo en min igual al tiempo de retención de la caña en el tándem.
b) Bagazo: la muestra se toma a todo lo ancho del colchón de bagazo de forma aleatoria, acumulando aproximadamente 5 kg de bagazo, durante un tiempo en min igual al doble tiempo de retención de la caña en el tándem. Para tomar la muestra correspondiente a la réplica, se lleva la lectura de la escala de la bomba dosificadora a cero y luego de restablecerla, se espera un tiempo igual al del inciso b, antes de comenzar el muestreo. Se toma la muestra y se cambia la dosificación. Se repite el procedimiento para todas las concentraciones, de acuerdo con el diseño. Las muestras serán guardadas en recipiente cerrado para minimizar las pérdidas de humedad.

• Reducción del tamaño de la muestra en el laboratorio.

Luego de hacer homogénea la muestra de bagazo, se reduce su tamaño a aproximadamente 500 g por el método de paladas alternas, empleando dos recipientes en lugar fresco, para disminuir en lo posible las pérdidas de humedad. Luego se separaran 300 g para el análisis de Pol y 50 g (25 g para cada medición, con dos mediciones) para la determinación de la humedad.

4.9.3 Evaluación económica

La evaluación económica de los datos experimentales, decide realmente cual es el rango de concentraciones más efectivo a emplear durante la zafra.

4.10.0 ANÁLISIS ECONÓMICO

Para el análisis económico y el de rentabilidad se partió de los resultados obtenidos con el surfactante Jabón B ($ 1 850.00/ t) , un nivel de imbibición de 2,07 y una molida promedio de 334 000 @/ día. En el período de la evaluación cuando no se aplicó el surfactante, los % Pol en bagazo estuvieron dentro en el rango de 1,98 a 1,56 y los % Humedad de 48,6 a 49,2. Con la aplicación del surfactante, en las con­diciones técnico - materiales y de recursos humanos existentes, producto de la disminución del % Pol y el % Humedad en el bagazo residual, se logró una recuperación de azúcar base 96º de 2,26 t / día y 5 t / día de bagazo, lo que reportó una ganancia neta de $ 33,73/ h (Tablas 1 y 2, Anexo 6).
Para niveles de imbibición mayores, la ganancia comenzó a disminuir rápidamente, aumentó el consumo de surfactante y el exceso de agua que ingresó al proceso (Fig. 4.2), mientras que la recuperación de sacarosa del bagazo prácticamente no varió. Además, los posibles excedentes de bagazo disminuyeron rápidamente al incrementarse la demanda en el con­sumo de vapor en evaporadores (Fig. 4.2). Cuando el nivel de imbibición creció hasta 3,1t agua / t fibra en caña, el costo en el consumo de surfactante y de bagazo combustible por el incremento de la demanda de vapor para evaporar el exceso de agua compensó la ganancia (Fig. 4.3). No se consideraron los demás gastos en que se incurrieron en el proceso de producción de azúcar, cuando aumentó el nivel de imbibición.

4.10.1 Análisis de Rentabilidad

El método estático /30/ indica que el porciento de retorno de la inversión fue mayor del 25 %, con un período de recuperación de 14 días. El método dinámico dio por resultado un flujo de caja positivo de $ 52 240,23 en la primera zafra con un VAN >>0, lo que indica que la inversión es altamente rentable /30/ (Tabla 4, Anexo 6).
El cálculo económico para los niveles de imbibición de 2,07 a 2,22 (Tabla 3, Anexo 6) con los resultados de disminución del % Pol y del % Humedad en bagazo obtenidos con el Jabón B, pero considerando un precio mínimo del azúcar de 0,06 USD/lb, indica que el procedimiento es rentable incluso para niveles de imbibición tan altos como 2,22 t agua / t de fibra en caña y un precio hipotético exagerado para un surfactante de 15 000 USD / t.

Conclusiones Parciales del Capítulo 4

• Las tensiones superficiales de las disoluciones acuosas de los surfactantes estudiados, mostraron una tendencia a disminuir con el aumento de la concentración. Aparecieron puntos anómalos de extremos relativos en las curvas tensiométricas para determinadas concentraciones. La influencia de este comportamiento fue observada, luego de imbibir el bagazo con las disoluciones del surfactante, en la tensión superficial de los jugos extraídos, la compresibilidad del bagazo y en el comportamiento de los % Pol y % Humedad del bagazo, en el proceso de extracción de la sacarosa, tanto a escala de laboratorio como industrial.
• El efecto del surfactante en la tensión superficial de jugos extraídos de bagazos imbibidos con sus disoluciones acuosas, dependió de la concentración de la disolución y de la presencia en el jugo de sustancias naturales que tienen actividad superficial, principalmente los aminoácidos y las proteínas.
• La disminución observada en la viscosidad de los jugos deben tener su origen en los efectos electrocinéticos que provoca el surfactante en la disolución.
• La adición de surfactante al agua de imbibición influyó en la compresibilidad del bagazo, debido a que provoca una variación de la tensión superficial del jugo que modifica la presión capilar, conque éste es retenido en el bagazo.
• Los valores máximos de las disminuciones de los % Pol y % Humedad en los bagazos residuales, aparecieron dentro del rango de concentraciones del surfactante donde se observaron los menores valores de las tensiones superficiales del agua de imbibición.
• Los resultados experimentales indican que los mecanismos mediante los cuales los surfactantes disminuyen el % Pol en bagazo, son diferentes de los que provocan la disminución del % Humedad. Las variables tensión superficial y viscosidad influyen en ambos fenómenos.
•  El efecto de la concentración del surfactante en el agua de imbibición, en el % Pol y el % Humedad en el bagazo residual, estuvo influenciado por un número indeterminado de variables que influyeron sobre el proceso de extracción en los molinos. Para eliminar su efecto sobre los resultados del análisis de los datos experimentales, fue necesario en cada tratamiento con surfactante, tomar como referencia el tratamiento sin surfactante.
• La Pérdida de Molienda correspondiente a las concentraciones de 25 a 30 ppm del surfactante Jabón B en el agua de imbibición, con niveles de imbibición de 2,07 a 2,25 t agua / t fibra en caña siempre fue menor, que cuando no se adicionó el surfactante, inclusive a niveles de imbibición tan altos como 5,11.
• Los modelos matemáticos empíricos obtenidos describen adecuadamente el efecto, en los % Pol y % Humedad en el bagazo residual, de las variables estudiadas.
•  Los mecanismos de acción del surfactante descritos para los procesos de flujo y transferencia de masa que ocurren en bagazo, tanto sobre el conductor intermedio como en el molino durante el proceso de extracción de la sacarosa en el tándem, permiten conocer por qué disminuyen los % Pol y % Humedad del bagazo residual, cuando se adiciona el surfactante al agua de imbibición.
• La metodología propuesta permite seleccionar el surfactante y la concentración a emplear en el agua de imbibición, para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos.
• El incremento en la remoción de sólidos insolubles del jugo durante el proceso de purificación cuando se adicionan surfactantes, tiene su origen en el aumento en la humectación de las partículas sólidas por el jugo y el efecto del surfactante en la viscosidad.
• Los surfactantes en concentraciones menores de 30 ppm en el jugo a purificar, incrementaron la remoción de sustancias en estado coloidal.
• Los lodos obtenidos en el proceso de purificación de los jugos cuando se adicionó el surfactante, presentaron mayores densidades que los correspondientes al proceso sin surfactante debido al menor contenido de gases incondensables ocluidos por las partículas.
• Los mecanismos descritos para la acción del surfactante en el proceso de purificación, permiten interpretar adecuadamente los resultados.
• Las tensiones superficiales de las disoluciones acuosas de los surfactantes estudiados, mostraron una tendencia a disminuir con el aumento de la concentración. Aparecieron puntos anómalos de extremos relativos en las curvas tensiométricas para determinadas concentraciones. La influencia de este comportamiento fue observada, luego de imbibir el bagazo con las disoluciones del surfactante, en la tensión superficial de los jugos extraídos, la compresibilidad del bagazo y en el comportamiento de los % Pol y % Humedad del bagazo, en el proceso de extracción de la sacarosa, tanto a escala de laboratorio como industrial.
• El efecto del surfactante sobre la tensión superficial de jugos extraídos de bagazos imbibidos con sus disoluciones acuosas, dependió de la concentración de la disolución y de la presencia en el jugo de sustancias naturales que tienen actividad superficial, principalmente los aminoácidos y las proteínas.
• La disminución observada en la viscosidad de los jugos debe tener su origen en los efectos electrocinéticos que provoca el surfactante en la disolución.
• La adición de surfactante al agua de imbibición influyó en la compresibilidad del bagazo, debido a que provoca una variación de la tensión superficial del jugo que modifica la presión capilar conque éste es retenido en el bagazo.
• Los valores máximos de las disminuciones de los % Pol y % Humedad en los bagazos residuales, aparecieron dentro del rango de concentraciones del surfactante donde se observaron los menores valores de las tensiones superficiales del agua de imbibición.
• Los resultados experimentales indican que los mecanismos mediante los cuales los surfactantes disminuyen el % Pol en bagazo, son diferentes de los que provocan la disminución del % Humedad. Las variables tensión superficial y viscosidad influyen sobre ambos fenómenos.
• El efecto de la concentración del surfactante en el agua de imbibición, en los % Pol y % Humedad en el bagazo residual, estuvo influenciado por un número indeterminado de variables que influyeron sobre el proceso de extracción en los molinos. Para eliminar su efecto en el análisis estadístico de los datos experimentales, resultó necesario en cada tratamiento con surfactante, tomar como referencia el tratamiento sin surfactante.
• La Pérdida de Molienda correspondiente a las concentraciones de 25 a 30 ppm del surfactante Jabón B en el agua de imbibición, con niveles de imbibición de 2.07 a 2.25 t agua / t fibra en caña siempre fue menor, que cuando no se adicionó el surfactante, inclusive a niveles de imbibición tan altos como 5.11.
• Los modelos matemáticos empíricos obtenidos describen adecuadamente el efecto, en los % Pol y % Humedad en el bagazo residual, de las variables estudiadas.
•  Los mecanismos de acción del surfactante, descritos para los procesos de flujo y transferencia de masa que ocurren en bagazo, tanto sobre el conductor intermedio como en el molino durante el proceso de extracción de la sacarosa en el tándem, permiten conocer por qué disminuyen los % Pol y % Humedad del bagazo residual, cuando se adiciona el surfactante al agua de imbibición.
• La metodología propuesta permite seleccionar el surfactante y la concentración a emplear en el agua de imbibición, para intensificar el proceso de extracción de la sacarosa en tándem de molinos.
• El incremento en la remoción de sólidos insolubles del jugo durante el proceso de purificación cuando se adicionan surfactantes, tiene su origen en el aumento en la humectación de las partículas sólidas por el jugo y el efecto del surfactante sobre la viscosidad.
• Los surfactantes en concentraciones menores de 30 ppm en el jugo a purificar, incrementaron la remoción de sustancias en estado coloidal.
• Los lodos obtenidos en el proceso de purificación de los jugos cuando se adicionó el surfactante, presentaron mayores densidades que los correspondientes al proceso sin surfactante debido al menor contenido de gases incondensables ocluidos por las partículas.
• Los mecanismos descritos para la acción del surfactante en el proceso de purificación, permiten interpretar adecuadamente los resultados.

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