INTENSIFICACIÓN DEL PROCESO DE EXTRACCION DE LA SACAROSA DE LA CAÑA DE AZUCAR CON EL USO DE SURFACTANTES ANIÓNICOS EN EL AGUA DE IMBIBICIÓN

José Marcos Gil Ortiz

INTRODUCCIÓN

Desde finales de la década de los 80 la economía cubana, en particular en la industria azucarera, enfrenta serias dificultades. La producción de azúcar crudo ha descendido a niveles muy por debajo de la media histórica del período revolucionario. Debido a la desaparición del CAME, desapareció el principal mer­cado para nuestro azúcar y proveedor de insumos. En estas condiciones las exportaciones de azúcar tienen que enfrentar los bajos precios existentes en el mercado mundial, unido todo al recrudecimiento del bloqueo comercial que imponen los Estados Unidos de Norteamérica.

La Ley Helms - Burton causó la in­terrupción de financiamientos para la zafra azucarera, los combustibles y los alimentos. Así, en los meses previos a la zafra de 1996, Cuba dejó de recibir financiamientos por más de 200 millones de dólares, por lo que se dejaron de recibir casi las dos terceras partes de los aseguramientos imprescindibles para comenzar la cosecha azucarera. Esto ha provocado el pobre resultado de las zafras azucareras y a la vez constituye una causa de dificultades financieras adicionales. Esta situación se mantiene vigente aún en este año 2000.

Para superar esta crisis y lograr que la Agroindustria Azucarera ocupe su lugar estratégico en la economía cubana, es imprescindible optimizar la explotación de los recursos disponibles. Dentro de este proceso cobra aún mayor vigencia lo planteado en la Resolución Económica del V Congreso del PCC donde se afirma que: "La ciencia, la innovación y la asimilación de tecnologías son elementos esenciales en la elevación de la eficiencia económica y condición primordial para el desarrollo..." /1/.
El proceso industrial de producción de azúcar crudo de caña, im­plica una primera etapa tecnológica consistente en la preparación de la caña y posterior extracción de la sacarosa que ésta contiene. Este proceso puede realizarse mediante difusores con o sin molinos de pre - extracción o por el proceso combinado de imbibi­ción y compresión, en prensas o en tándem de molinos. Cualesquiera que sea el método empleado, aún en condiciones mecánicas y disciplina tecnológica óptimas, siempre quedará un porciento de sacarosa como residuo en el bagazo final, el que representa del 30 al 40 % de la pérdida total en las condiciones técnicas existentes /94/. Esta situación causa la pérdida de miles de toneladas de azúcar cada zafra en nuestro país y en el mundo.

Dada la gran masa de bagazo que se produce diariamente en los centrales azucareros, cualquier disminución que se logre en el porciento de sacarosa en el bagazo residual durante el proceso de extracción, por pequeña que parezca, representa una cantidad apreciable de azúcar que se recupera, o lo que es lo mismo, mayor producción de azúcar con la misma cantidad de caña entrada en fábrica /5,120/.

Una de las vías para disminuir los costos del proceso de producción de azúcar crudo, consiste en disminuir las pérdidas de sa­carosa en bagazo y lograr excedentes de éste último, luego de cubrir las necesidades energéticas del proceso de producción. Mientras más humedad contenga el bagazo, mayor es la cantidad de éste que hay que quemar en la generación del vapor requerido por el proceso /27, 33, 36, 40, 41, 83, 84, 122, 127, 147/.
Una práctica común para tratar de disminuir las pérdidas de azúcar en el bagazo residual en el tándem de molinos, consiste en aumentar la cantidad de agua de imbibición durante el proceso de molienda de la caña de azúcar, aún violando la norma establecida /94/. Esto influye negativamente en la capacidad del molino, puede aumentar la ex­tracción de no azúcares, la humedad del bagazo final y el costo operacional /76, 83, 87, 94, 121, 158/. Sin embargo, existen alternativas técnicas para disminuir económicamente las pérdidas de saca­rosa en bagazo.

Un procedimiento propuesto y patentado por Ruiz en la década del 50 /5, 135, 136/ consiste en adicionar surfactantes, también denominados tensioactivos o tensoactivos, al agua de imbibición de los molinos para intensificar la opera­ción. Ruiz se limita a plantear que la disminución de la tensión superficial del agua de imbibición, debido a la presencia del surfactante, provoca una mayor penetración del agua en el colchón de bagazo lo que permite una mayor extracción de la sacarosa. Según informes de pruebas industriales realizadas en esa época /137/ los resultados económicos fueron satisfactorios, pero no se generalizaron, debido probablemente a la escasez del surfactante y su alto precio, unido a la ausencia de una explicación acerca de los meca­nismos de acción de estas sustancias dentro de este proceso. Estos trabajos muestran que los autores no disponían de una metodología efectiva para la selección del surfactante y el rango de concentraciones a emplear /52/.

Ramaiah /130/, retomó este tema y en 1983, presentó buenos resultados a escala industrial con un surfactante patentado con el nombre comercial "Sushira", el cual es capaz de disminuir el % Pol /94/ y además la humedad del bagazo. En los trabajos antes referidos los autores no toman como indicador la concentración del surfactante en el agua de imbibición y su efecto sobre la tensión superficial, sino que emplean la concentración sobre la base del peso de la caña. Los mecanismos que proponen Ramaiah y otros/130/ no explican totalmente el efecto del surfactante en el proceso, ya que atribuyen la disminución del % Pol y % Humedad en el bagazo a la disminución de las fuerzas de Van der Waals entre el jugo y la fibra provocado por el surfactante. La disminución de estas fuerzas no debe tener un efecto significativo sobre los procesos de transferencia de masa que ocurren dentro del lecho fibroso, ni en el de extracción del jugo del bagazo en el molino.

En 1992 Pérez /126/ señala que con la magnetización del agua de imbibición, se logra intensificar el proceso de extracción de la sacarosa. Este autor atribuye el efecto sólo a la disminución que expe­rimenta la viscosidad del agua magnetizada, pero no menciona la tensión superficial. Tampoco señala efectos sobre la humedad del bagazo residual.
La tendencia general en las publicaciones científicas acerca del proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos, salvo pocas excepciones, es tratar el tema desde el punto de vista mecánico del equipamiento instalado. Sin embargo, generalmente, no consideran la influencia que ejercen sobre este proceso la estructura del colchón de bagazo y las propiedades físico - químicas del líquido de imbibición y del jugo retenido por la fibra, tales como la tensión superficial y la vis­cosidad. Estas variables son consideradas en otros campos de las Ciencias Técnicas al estudiar fenómenos similares /15, 26, 79, 80, 81, 104, 110, 115, 141, 144/.

Sigue constituyendo un problema para la Industria Azucarera, con la tecnología actual, las pérdidas de sacarosa en el bagazo residual del tándem de molinos y el alto con­tenido de humedad del bagazo para su empleo como combustible.
En la intensificación del proceso de extracción de la sacarosa de la caña de azúcar en tándem de molinos, la tesis tiene como

Objetivos

Análisis de la influencia de la adición de surfactantes aniónicos y su concentración en el agua de im­bibición.
Descripción de los mecanismos de acción del surfactante.
Elaboración de una metodología para la selección del surfactante y del rango de concentraciones más efectivo en el agua de im­bibición.

Hipótesis

En la presente investigación se partió de la hipótesis de que con la adición al agua de imbi­bición de un surfactante aniónico, con propiedades como humectante, es posible intensificar el proceso de extracción de la sa­carosa de la caña de azúcar en tándem de molinos.

El autor defiende lo siguiente:

• La compresibilidad del bagazo varía cuando a éste se le añade la disolución acuosa de un surfactante aniónico que modifique la tensión superficial del jugo retenido por el bagazo.
• La adición al bagazo de un surfactante aniónico al agua de imbibición, provoca cambios físico-químicos en el sistema jugo - fibra que propician una intensificación del proceso de extracción de la sacarosa y del jugo del bagazo de la caña de azúcar y se manifiesta en una disminu­ción del % Pol y del % Humedad del bagazo residual.
• La disminución que experimenta el % Pol en el bagazo residual cuando se añade un surfactante aniónico al agua a niveles de imbibición normales, sólo es posible alcanzarla sin surfactante cuando se emplean altos niveles de imbibición. Esto último es técnica y económicamente no factible.
• Los mecanismos de acción del surfactante que ocurren en el bagazo, en el conductor al adicionar el agua de imbibición y en el proceso de extracción en el molino.
• La hipótesis de que una disminución de la velocidad de la razón de compresión del ba­gazo, a medida que éste avanza hacia el plano axial entre las mazas del molino, provoca un gradiente de presión que contribuye al proceso de extru­sión del bagazo y por tanto influye sobre el coeficiente de reabsorción.
• Una metodología para seleccionar el surfactante y la concentración de éste en el agua de imbibición, para la intensificación del proceso de extracción en tándem de molinos.
• La adición de surfactantes aniónicos (solos o en mezclas con floculantes) a bajas concentraciones en el jugo a purificar, mejora el proceso de pu­rificación de los jugos de caña.
• Los beneficios económicos que se derivan de la aplicación práctica de este trabajo.

Novedad científica del trabajo

• Una metodología:
• Para la selección del surfactante y el rango de concentraciones a emplear en el agua de imbibición para intensificar le proceso de extracción en tándem de molinos, que tiene en cuenta:
• Una comprobación previa del carácter humectante del surfactante, sobre la base de una estimación aproximada del número de equilibrio hidrófilo - lipófilo (EHL) a partir del aspecto óptico que presenta la disolución acuosa.
• La determinación de las curvas tensiométricas de las disoluciones acuosas del surfactante, para la selección del rango de concentraciones a emplear en la evaluación industrial.
• Para obtener la curva de operación de una bomba dosificadora, que permite determinar el flujo volumétrico real, bajo las condiciones de operación existentes.
• La elaboración de un método para determinar la presión estática equivalente a la presión efectiva en el molino.
• El descubrimiento de la influencia que ejerce el surfactante en el agua de imbibición sobre la compresibilidad del bagazo y la explicación teórica dada a este fe­nómeno.
• La descripción de los mecanismos de los procesos de flujo y transferencia de masa que ocurren durante la penetración del agua de imbibición en el bagazo que transporta el conductor intermedio y en el proceso de extracción por compresión en el molino.
• El empleo de surfactantes, obtenidos a partir de las fracciones de la cera cruda de caña, para intensificar el proceso de extracción en tándem de molinos.
• La hipótesis de la existencia de un gradiente de presión originado por la variación que experimenta la velocidad de compresión del bagazo entre las mazas del molino.
• El empleo de surfactante adicionado al jugo a purificar, solo o en mezclas con floculantes, y la descripción de los mecanismos mediante los cuales éste es ca­paz de mejorar el proceso de purificación de los jugos por el método cal - calor.

Significación práctica del trabajo

En el orden práctico la metodología propuesta permite seleccionar, a partir de un grupo de surfactantes disponibles en el mercado o de producción local, el más adecuado técnica y económi­camente, así como el rango de concentraciones a emplear para intensificar el proceso de extracción en tándem de molinos. Esta metodología permitirá además, en inves­tigaciones futuras, evaluar diferentes combinaciones de surfactantes para obtener un producto de mejores características.
En el orden económico se demuestra el aumento de la rentabilidad a causa de la adición de surfactantes al agua de imbibición en la intensificación del proceso de extracción en tándem de molinos y el efecto negativo que tiene violar la norma de la cantidad de agua.
Para determinar el posible efecto en el proceso de purificación de los ju­gos de la caña de azúcar, de los surfactantes añadidos en el tándem de molinos, se realizaron pruebas a escala de laboratorio e industrial adicionándolos al jugo a purificar. Se demostró que los surfactantes a bajas concentraciones son capaces de mejorar el proceso de purificación y disminuir el consumo de floculantes de alto peso molecular.
Los resultados de esta investigación, en su carácter multifacético, permiten:

• Abordar la intensificación del proceso de extracción en tándem de molinos, a partir de modificaciones a las propiedades físico - químicas del agua de imbibición y del jugo retenido por el bagazo.
• El mejoramiento del proceso de purificación de los jugos, mediante la adición en esta etapa, de sur­factantes en combinación o no con floculantes de alto peso molecular.

Estructura de la tesis

La tesis consta de cuatro capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos.

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