Molino de caña de azúcar

Un molino de caña de azúcar es una fábrica que procesa la caña de azúcar para producir azúcar en bruto ^[1] o azúcar blanco de plantación. ^[2] Algunos molinos de azúcar están situados junto a una refinería que convierte el azúcar en bruto en azúcar blanco (refinado) . ^[3]

El término también se utiliza para referirse al equipo que tritura los palitos de la caña de azúcar para extraer el jugo. ^[4]

Hay una serie de pasos para producir azúcar sin refinar a partir de caña: ^[5]

1. Cosecha y transporte a la fábrica de azúcar.
2. Extracción de jugo (preparación de la caña seguida de molienda o difusión)
3. Purificación del jugo (eliminación de sólidos suspendidos del jugo, típicamente lodo, ceras, fibras)
4. Evaporación del agua (para concentrar el jugo hasta obtener un jarabe espeso de unos 65° brix )
5. Cristalización
6. Centrifugación (Separación de los cristales de azúcar del licor madre, realizada mediante máquinas centrífugas)
7. Almacenamiento de azúcar y melaza

Estos pasos de procesamiento producirán azúcar moreno o sin refinar. El azúcar sin refinar generalmente se envía a una refinería de azúcar para producir azúcar blanco. Este refinado del azúcar se puede realizar en una fábrica completamente separada o en una refinería secundaria que está adjunta a la fábrica de azúcar sin refinar.

Un molino de caña de azúcar también puede producir azúcar apto para el consumo doméstico o industrial directo. Esto se denomina azúcar blanco de plantación o azúcar blanco de molino, véase más adelante. ^[6]

La calidad general del azúcar en bruto que entra en la fábrica depende de las prácticas agrícolas y del cultivar utilizado. La cosecha se puede realizar con máquinas o a mano. Si se hace a mano, normalmente se la precede con la quema del campo. Sin embargo, los tallos de un campo quemado pierden más rápidamente el contenido de azúcar mientras esperan a ser procesados. ^[7]

La caña se transporta en camión, ferrocarril de vía estrecha , contenedor o carreta . A su llegada, la caña se vende en función del peso o del contenido de azúcar. Existen varias formas de descargar la cosecha. En general, limitar el tiempo entre el corte y la molienda es esencial para lograr un alto rendimiento y calidad del azúcar. ^[8]

Antes de comenzar con la extracción del jugo de caña, es necesario preparar la caña, lo que se puede hacer con cuchillas rotatorias o trituradoras. ^[9]

Existen dos tipos de procesos modernos para extraer el jugo de la caña: ^{[10] [11]}

• Por molinos tándem, y por
• Difusión.

Los productos de la fase de extracción son: ^[12]

• Jugo mixto, en caso de molienda
• Jugo difusor, en caso de difusión.
• Bagazo

En 2004 y 2005, el ingenio Enterprise Sugar en Louisiana contaba con un molino tradicional y un difusor, que procesaban caña de la misma zona. Se tomaron y analizaron muestras semanales de jugo crudo, que resultaron muy similares, a pesar de que el difusor lograba una mayor extracción. ^[13]

La extracción de jugo mediante molienda es el proceso de exprimir el jugo de la caña bajo un conjunto de molinos utilizando alta presión entre rodillos de hierro pesados. Estos molinos pueden tener de 3 a 6 rodillos; cada conjunto de molinos se llama molino tándem o tren de molino. Para mejorar la eficiencia de la extracción de molienda, se agrega agua de imbibición en cada molino. Se vierte agua caliente sobre la caña justo antes de que ingrese al último molino en el tren de molienda y se recircula hasta llegar al primer molino. El jugo exprimido de esta caña tiene una baja concentración de azúcar y se bombea al molino anterior y se vierte sobre la caña justo antes de que ingrese a los rodillos; el jugo de este molino se bombea de la misma manera hacia el tren de molienda. El jugo mezclado (es decir, el jugo de caña mezclado con el agua introducida en el último molino) se retira del primer y segundo molino y se envía para su posterior procesamiento. Los trenes de molienda suelen tener cuatro, cinco o seis molinos en el tándem. Para mejorar el rendimiento de extracción de la molienda antes de que la caña llegue al primer molino, normalmente se utilizan equipos de preparación con cuchillas y trituradoras. ^{[ cita requerida ]}

La difusión de la caña de azúcar es el proceso de extracción de la sacarosa de la caña por ósmosis y lixiviación, también conocida como lixiviación . ^[14] Hay dos tipos de difusores. Uno se basa en la inmersión de la capa de bagazo en el jugo por contraflujo. El otro se basa en la percolación del jugo a través de la capa de bagazo. ^[15]

A nivel químico, el primer paso es abrir las células. Esto se hace generalmente con cuchillas giratorias y una trituradora de tres rodillos, que en conjunto abren la mayoría de las células de paredes delgadas. Luego se extrae el jugo de estas células abiertas mediante lixiviación. ^[14] Es decir, la sacarosa de estas células abiertas se disuelve en agua. El proceso de difusión propiamente dicho tiene lugar en el 10-16% de células que contienen azúcar que no se han abierto. Primero se aplica agua caliente para matar el protoplasma de las células. Esto hace que las paredes de la célula se vuelvan semipermeables . Por ósmosis, el agua o el jugo más fino pueden entrar en la célula y reemplazar el jugo más pesado hasta que se alcanza un equilibrio. En esta fase, la sacarosa penetra las paredes más rápido que el no azúcar con un peso molecular más alto. Esto hace que la pureza del último jugo extraído de la difusión sea mayor que la adquirida por molienda directa, incluso mientras que la difusión extrae más azúcar. ^[14]

En el proceso del sistema de percolación, la caña triturada se introduce en el difusor en el extremo de alimentación; se vierte agua caliente sobre la caña triturada justo antes del extremo de descarga del difusor. El agua caliente se filtra a través del lecho de caña y elimina la sacarosa de la caña. Este jugo diluido se recoge luego en un compartimento debajo del lecho de caña y se bombea a un punto un poco más cercano al extremo de alimentación del difusor y se permite que este jugo diluido se filtre a través del lecho de caña. En este punto, la concentración de sacarosa en la caña es mayor que la concentración de sacarosa en el jugo diluido que acabamos de mencionar y, por lo tanto, la sacarosa se difunde desde la caña al jugo; este jugo, ahora ligeramente más rico, se bombea de nuevo hacia el difusor y el proceso se repite, por lo general, de 12 a 15 veces (en comparación con las cuatro a seis veces del proceso de molienda).

El jugo mezclado tiene un pH de aproximadamente 4,0 a 4,5, lo que lo hace bastante ácido. ^[16] Durante la purificación, se agrega hidróxido de calcio, también conocido como lechada de cal o agua de cal, al jugo de caña para ajustar su pH a aproximadamente 7 u 8. Esto se puede hacer mientras el jugo aún está frío (encalado en frío) o después de haberlo calentado a aproximadamente 104 °C (encalado en caliente). También se puede hacer en fases (encalado fraccionado). ^[17]

La cal ayuda a evitar la descomposición de la sacarosa en glucosa y fructosa. A continuación, el jugo descalcificado sobrecalentado se deja evaporar hasta su temperatura de saturación: este proceso precipita las impurezas, que quedan retenidas en los cristales de carbonato de calcio. A continuación, el jugo evaporado se transfiere a un tanque de clarificación.

En este tanque de clarificación, los sólidos suspendidos se sedimentan. El sobrenadante , conocido como jugo claro, se extrae del clarificador. Luego, el jugo clarificado se envía a los evaporadores. ^[17] Los sólidos sedimentados se pueden filtrar para producir un jugo de poca claridad, que se puede reciclar para una mayor purificación. ^[18]

El proceso de evaporación sirve para concentrar el jugo clarificado. ^[18] El evaporador más utilizado es un evaporador de efecto múltiple del tipo Roberts. ^{[ cita requerida ]} El producto de este paso es un jarabe de 78 a 86% de pureza con un contenido de sólidos solubles de 60-65°Brix y que contiene 3,5-4,5% de azúcares invertidos. ^[19]

La temperatura, la velocidad y el tiempo de retención en el evaporador se regulan para evitar la inversión de la sacarosa , o la descomposición de la sacarosa en glucosa y fructosa. Otro problema es la formación de incrustaciones en la superficie de calentamiento del evaporador. La aplicación de un flujo magnético puede ayudar a evitar la formación de incrustaciones. ^[18]

La cristalización se realiza con un recipiente de vacío de efecto simple y un cristalizador. En el recipiente de vacío, el jarabe se evapora hasta que se sobresatura con azúcar. En este punto, se agregan semillas para que sirvan como núcleos para los cristales de azúcar y se agrega más jarabe a medida que se evapora el agua. El crecimiento de los cristales continúa hasta que el recipiente de vacío está lleno. ^[20] Los cristales y el licor madre (melaza) ahora forman una masa densa conocida como masa cocida . ^[21] Luego, el 'strike' (contenido del recipiente) se descarga en un cristalizador.

En el cristalizador, el proceso de cristalización de la masa cocida continúa. El objetivo del cristalizador es reducir la pérdida de sacarosa que queda en el licor madre/melaza, en particular en el caso de las masas cocidas de baja calidad. El cristalizador funciona enfriando la masa cocida. Esto disminuye la solubilidad y aumenta nuevamente la saturación, lo que obliga a que continúe la cristalización. Los cristalizadores son recipientes cilíndricos o en forma de U equipados con elementos de agitación de baja velocidad. A menudo se conectan en serie para un funcionamiento continuo. ^[22]

El enfriamiento de la masa cocida aumenta la viscosidad . A la temperatura óptima para la cristalización, la masa cocida es demasiado viscosa para que la centrífuga separe adecuadamente los cristales de la melaza. Sin embargo, como el licor madre de la masa cocida todavía está sobresaturado en este punto, la viscosidad se puede reducir sin volver a disolver los cristales. Esto se puede hacer llevándola a un estado de saturación mediante calentamiento o agregando agua. ^[23]

La centrífuga de azúcar sirve para separar la masa cocida en cristales de azúcar y licor madre/melaza. Estas centrífugas consisten en una canasta cilíndrica suspendida sobre un husillo. Los lados perforados están revestidos con tela metálica , en cuyo interior hay láminas de metal que contienen entre 400 y 600 perforaciones por pulgada cuadrada. La canasta gira a 1000-1800 rpm. ^[20]

Mientras el licor madre, la melaza, pasa por los orificios de la centrífuga, se retienen los cristales de azúcar. Una vez purgado el azúcar, se lo tritura para que la centrífuga quede lista para la siguiente fase. ^[20]

Es bastante común que el azúcar se forme como resultado de pasar repetidamente por los pasos de cristalización y centrifugación. Esto depende del sistema de ebullición.

El sistema de ebullición más común es el de tres ebullidores. Este método hierve los licores de azúcar en tres etapas de cristalización/centrifugación, llamadas A, B y C. El azúcar resultante de la primera etapa, el azúcar A, se almacena. La melaza de la centrifugación A, la melaza A, se alimenta a la cuba de vacío B. Esto da como resultado el azúcar B y la melaza B. Una mezcla de azúcar A y azúcar B forma el producto comercial de la fábrica. ^{[20] [24]}

Las melazas B son de una pureza mucho menor. Se hierven nuevamente en la olla C. Si bien las etapas A y B no siempre utilizan un cristalizador, este es esencial para esta masa cocida de baja calidad. ^[23] La masa cocida permanece en el cristalizador durante más de un día. El azúcar C de la centrifugadora se mezcla con el jarabe y se usa como semilla de masa cocida, y así regresa al inicio del proceso. La melaza resultante de este paso de centrifugación se llama melaza final o melaza negra. Es un material viscoso pesado que contiene aproximadamente un tercio de sacarosa, una quinta parte de azúcares reductores y el resto de cenizas, no azúcares orgánicos y agua. Sirve como base para la alimentación del ganado, el alcohol industrial, la producción de levadura, etc. ^[25]

La ebullición en tachos de vacío solía ser un proceso por lotes, pero la ebullición en tachos continuos es inherentemente mucho más eficiente. En la década de 1970 se desarrollaron los primeros tachos de vacío continuos (CVP) comercialmente exitosos. En la década de 1980, estos primeros tachos lograron un tamaño de cristal más uniforme que el que algunas fábricas lograron con sus tachos de vacío de proceso por lotes. ^[26]

El azúcar de las centrifugadoras se seca, se enfría y luego se almacena. Durante el almacenamiento a granel, la calidad del azúcar en bruto disminuye debido a una reacción química entre los aminoácidos y los azúcares invertidos degradados, conocida como reacción de Maillard . ^[27] El azúcar en bruto también se puede envasar directamente en bolsas para su envío.

En muchos países productores de azúcar de caña, el azúcar estándar se conoce generalmente como azúcar blanco de plantación. En los países ricos, el azúcar estándar para consumo directo o uso industrial es el azúcar blanco . En la calidad Codex White A, el azúcar blanco tiene una polarización mínima del 99,7% y un color ICUMSA de 60 IU. El azúcar blanco de plantación puede tener una polarización de, por ejemplo, 99,4-99,7% y un color entre 80 y 250 IU. ^{[2] [28]}

El azúcar blanco de plantación se produce modificando algunas de las etapas mencionadas anteriormente. Existen dos formas de elaborar azúcar blanco de plantación: carbonatación y sulfitación.

Para producir azúcar blanco de plantación mediante carbonatación se requieren cambios en los pasos de purificación, evaporación y almacenamiento.

En la etapa de purificación, el objetivo de la carbonatación es separar los contenidos no azucarados, como los coloides y las partículas insolubles, así como el material coloreado. ^[6] Si se utiliza la carbonatación, el jugo mezclado se calienta a 55 °C y se añade cal hasta alcanzar un pH de 10,5-11. A continuación, se añade dióxido de carbono (CO2 ₎ y el jugo se empuja a través de filtros de presión. Esto da como resultado un lodo de carbonato de calcio. A continuación, el jugo se calienta de nuevo a 55 °C y se añade cal y CO2 _hasta alcanzar un pH de 8,4-8,6. A esto le sigue una segunda filtración a presión. ^[29]

Al final de la etapa de evaporación, se agrega dióxido de azufre (SO ₂ ) para reducir el pH del jarabe a 7,0. ^[29]

En las fábricas de azúcar, la carbonatación no se utiliza mucho, porque requiere grandes cantidades de cal y CO2 _, y la sulfitación es más barata. La India es la excepción. ^[29]

Existen múltiples formas de utilizar la sulfitación para elaborar azúcar blanco de plantación.

En la etapa de purificación de la sulfitación ácida en frío, se añade SO2 _al jugo mezclado para reducir el pH a 3,8-4,2. Luego se añade cal para aumentar el pH a 7,2-7,4. A continuación, el jugo se calienta a 103-105 °C antes de pasar al clarificador. En el clarificador, las impurezas se sedimentan y luego el resultado se filtra. ^[30]

La etapa de purificación de la sulfitación ácida en caliente implica primero calentar el jugo mezclado a 70 °C antes de reducir el pH a 3,8-4,2 agregando SO ₂ . Luego, el proceso se desarrolla como el de la sulfitación ácida en frío. ^[30]

La etapa de purificación del doble encalado consiste en calentar primero el jugo mezclado a 70°C y agregarle cal hasta alcanzar un pH de 7,2-7,4. Luego se agrega SO2 _para bajar el pH a 5,4-5,6. Luego se agrega una segunda porción de cal para alcanzar nuevamente un pH de 7,2-7,4. A continuación, el jugo se calienta a 103-105°C antes de pasar al clarificador.

El paso de evaporación del azúcar blanco de plantación es el mismo que el del azúcar sin refinar. Al final, se añade dióxido de azufre (SO2 _{) para reducir el pH del jarabe de 6,5 a 5,5.} ^[31]

Después de la evaporación, se puede insertar un proceso de clarificación adicional. Los pasos básicos de este subproceso son: la adición de ácido fosfórico, agentes tensoactivos y fosfato, seguido del calentamiento y la aireación del jarabe y la adición de floculante . Luego, el jarabe se traslada a un clarificador especial. ^[31]

Los pasos de cristalización y centrifugación para el jarabe blanco de plantación pueden diferir debido al sistema de ebullición utilizado. Para el jarabe blanco de plantación se puede utilizar el sistema regular de tres ebullición. Una alternativa es enviar solo azúcar A. Luego, el azúcar B se disuelve y se vuelve a incorporar al jarabe, mientras que el azúcar C se disuelve o se utiliza como semilla para el azúcar B. ^[31]

En el almacenamiento, el azúcar blanco de plantación es más vulnerable que el azúcar sin refinar. El azúcar producido por carbonatación es especialmente vulnerable al cambio de color. El contenido de cenizas también contribuye a la decoloración. En Brasil, la decoloración se contrarresta almacenando a una temperatura máxima de 35-40 °C y produciendo azúcar de 166 UI, de modo que se pueda perder mucho color antes de alcanzar el estándar bajo de 230 UI. ^[28]

Algunos ingenios azucareros cuentan con las llamadas refinerías de back-end. En estas refinerías, el azúcar en bruto producido en el ingenio se convierte en azúcar refinado de mayor pureza para el consumo local, la exportación o las empresas embotelladoras. Los desechos se utilizan para generar calor en los ingenios azucareros.

Los sólidos fibrosos restantes de la fase de extracción del jugo, llamados bagazo , se queman como combustible en las calderas de vapor del ingenio. Estas calderas producen vapor de alta presión, que se hace pasar por una turbina para generar energía eléctrica ( cogeneración ). El vapor de escape de la turbina pasa por la estación de evaporación de efecto múltiple y se utiliza para calentar tachos de vacío en la etapa de cristalización, así como para otros fines de calefacción en el ingenio.

El bagazo hace que un ingenio azucarero sea más que autosuficiente energéticamente: el excedente de bagazo se utiliza para alimentar a los animales, para fabricar papel o para generar electricidad para la venta.

Como en muchas otras industrias, en las refinerías de azúcar se ha promovido fuertemente la automatización de las fábricas en las últimas décadas. El proceso de producción generalmente está controlado por un sistema de control de procesos central, que controla directamente la mayoría de las máquinas y componentes. Solo para ciertas máquinas especiales, como las centrífugas en las plantas azucareras, se utilizan PLC descentralizados . Esto también tiene que ver con la seguridad por razones de seguridad. ^[32]

Los ingenios azucareros se remontan al Egipto árabe en el siglo XII. ^[33] Una versión artesanal es el trapiche , posteriormente sustituido por el engenho o ingenio .

En la década de 1820 se hizo una descripción general de las plantaciones de azúcar de Jamaica . ^[34] Lo que hoy llamamos un molino de azúcar consistía en: el molino de azúcar propiamente dicho, una sala de cocción y un alambique. Estos estaban alineados en una pendiente, de modo que el jugo de azúcar pudiera fluir hacia abajo desde el molino hasta el alambique. ^[35]

En la década de 1820 había cuatro tipos de molinos: los que funcionaban con viento, agua, vapor o ganado o mulas. El molino de viento se utilizaba ampliamente en Barbados. La preferencia por los molinos de viento se debía a su potencia (unos 15 CV), pero requerían un molino de ganado de apoyo para cuando no había viento. ^[35] La máquina en sí constaba de tres rodillos verticales. La potencia se aplicaba al rodillo principal (central), que hacía girar los otros dos mediante una rueda dentada . ^[36]

Un molino de ganado en Jamaica era generalmente un edificio circular y cubierto de no menos de 60 pies de diámetro. Postes de madera dura o pilares de mampostería sostenían el techo, que estaba cubierto en su mayoría con tejas de madera. En un ejemplo de la década de 1820, los cuatro pies inferiores del rodillo principal estaban cubiertos por una caja de hierro fundido, en cuyo centro había un muñón . Este giraba sobre una pieza de hierro endurecido, que estaba colocada en un escalón de hierro endurecido lleno de aceite. Sobre la caja de hierro fundido estaba la rueda dentada, sobre la cual estaban los dos rodillos externos sostenidos por tirantes. En la parte superior, el rodillo principal era impulsado por largas palancas unidas a bueyes que caminaban en una rotonda. ^[36]

• Trapiche
• Refinería de azúcar
• Molinos de azúcar en Fiji
• Lista de fábricas de azúcar en Queensland

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• Baikow, VE (1982). Fabricación y refinación de azúcar de caña en bruto. Elsevier Scientific. ISBN 9781483289632.
• "Las palancas están de moda, las pantallas táctiles están de moda", BMA , consultado el 4 de marzo de 2023
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• Hibbert, Robert (1825). Consejos para el joven plantador de azúcar de Jamaica. T. y G. Underwood, Londres.
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• Los ingenieros azucareros
• glosario en línea relacionado con el azúcar